FONTES DE ENERGIA
„
„
A soldagem por fusão é realizada pela aplicação de
energia localizada em uma parte da junta de forma a
conseguir a sua fusão localizada, de preferência
afetando termicamente ao mínimo o restante da
peça.
A fonte transfere energia à junta através de uma
área de contato (A0) aquecendo o material próximo
até a fusão, por outro lado, devido à elevada
condutividade térmica dos metais e a grande
diferença de temperatura entre as regiões próximas e
afastadas da área de contato, o calor se difunde
rapidamente para o restante da peça, resfriando e
dificultando a fusão da região de contato e afetando
termicamente regiões vizinhas.
FONTES DE ENERGIA
1
FONTES DE ENERGIA
„
„
Para ser efetiva na soldagem por fusão, a fonte
deve fornecer energia a uma taxa elevada e em
uma área suficientemente pequena para garantir a
fusão localizada do metal de base na região
adjacente à área de contato, antes que o calor se
difunda para o restante da peça.
Define-se potencia específica (Pesp) ou intensidade
de uma fonte de energia como:
FONTES DE ENERGIA
„
Onde E é a quantidade de energia gerada pela
fonte, η é o rendimento térmico da fonte e t é o
tempo. No caso de fontes elétricas, como arco, a
energia gerada por unidade de tempo é dada pelo
produto da tensão elétrica V e a corrente I. Assim a
equação anterior se torna:
2
FONTES DE ENERGIA
„
„
Para ser usada na soldagem por fusão, uma fonte
deve ter uma potencia especifica entre cerca de 106
e 1013 W/m2, Abaixo do limite inferior, a densidade
de energia é insuficiente para fundir a região
próxima à área de contato antes que o calor se
difunda para o restante da peça.
Acima do limite superior, o calor é fornecido de
forma tão concentrada que vaporiza a região de
contato antes da fusão ou aquecimento apreciável
de outras partes da peça.
FONTES DE ENERGIA
„
9
9
Outros fatores alem da potencia especifica que
influenciam o formato do cordão são:
- Espessura da junta
- Condutividade térmica do metal de base
3
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
„
„
Classicamente a soldagem é considerada como um
processo de união, porem, na atualidade, muitos
processos de soldagem ou variações destes são
usados para deposição de material sobre uma
superfície, visando à recuperação de peças
desgastadas ou para formação de um revestimento
com características especiais.
Diferentes processos relacionados à soldagem são
usados para corte de peças metálicas e em muitos
aspectos estas operações se assemelham a
operações de soldagem.
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
INTRODUÇÃO
„ Os fenômenos envolvidos na transferência metálica
são bastante complexos e por isso não são muito
estudados, principalmente na transferência metálica
por eletrodos revestidos. O conhecimento desses
fenômenos é de fundamental importância para o
melhor controle do processo de soldagem.
4
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
DEFINIÇÃO
9
Um arco elétrico pode ser definido como um
feixe de descargas elétricas formadas entre dois
eletrodos e mantidas pela formação de um meio
condutor gasoso chamado plasma. Há neste
fenômeno a geração de energia térmica suficiente
para ser usado em soldagem, através da fusão
localizada das peças a serem unidas.
9
A expressão soldagem a arco elétrico se aplica a
um grande número de processos de soldagem que
utilizam o arco elétrico como fonte de calor; nestes
processos a junção dos materiais sendo soldados
pode requerer ou não o uso de pressão ou de
material de adição.
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
5
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
ABERTURA E FUNCIONAMENTO DO ARCO ELÉTRICO:
9
Um arco elétrico é formado quando 2 condutores
de corrente elétrica (dois eletrodos) são aproximados
para fazer o contato elétrico e depois separados. Isto
aumenta a resistência ao fluxo de corrente e faz com
que as extremidades dos eletrodos sejam levados a
altas temperaturas, bem como o pequeno espaço de
ar entre eles. Os elétrons vindo do eletrodo negativo
(catôdo) colidem com as moléculas e átomos do ar,
desmembrando-os em íons e elétrons livres e
tornando a fresta de ar um condutor de corrente
devido à ionização.
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
9
Isto mantém a corrente através do espaço de ar
e sustenta o arco; na prática para acender o arco, o
soldador esfrega a extremidade do eletrodo na peça
a soldar e depois o afasta ligeiramente. No instante
de contato, a corrente passa no circuito e continua a
circular quando o eletrodo é afastado, formando um
arco, devido ter acontecido a ionização do ar, isto é,
o ar ter se tornado condutor de corrente.
6
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
9
9
A coluna do arco pode ser constituída de elétrons
livres, íons positivos, íons negativos e uma pequena
quantidade de átomos neutros.
Essas cargas existentes formam o plasma, que é,
portanto o constituinte da coluna do arco. Apesar
das cargas existentes, ela é considerada
eletricamente neutra.
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FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO
CARACTERISTICAS ELETRICAS
9
9
Eletricamente o arco de soldagem pode ser
caracterizado pela diferença de potencial entre suas
extremidades e pela corrente elétrica que circula por
este. A queda de potencial ao longo do arco elétrico
não é uniforme, distinguindo-se três regiões
distintas.
A queda de tensão no arco elétrico pode ser dividida
em três partes: queda de tensão catódica, queda de
tensão na coluna do arco e queda de tensão
anódica.
8
CARACTERISTICAS ELETRICAS
CARACTERISTICAS ELETRICAS
Em um fio metálico percorrido por uma corrente, a
tensão elétrica varia uniformemente ao longo de seu
comprimento.
O mesmo não acontece ao longo de um arco elétrico,
existindo quedas abruptas de tensão junto aos eletrodos
(anodo e catodo) que atingem entre 1 e 20 V.
Eletricamente o arco de soldagem pode ser
caracterizado pela diferença de potencial entre suas
extremidades e pela corrente elétrica que circula por
este.
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CARACTERISTICAS ELETRICAS
A queda de tensão
no arco elétrico
pode ser dividida
em três Regiões:
- Zona de queda
catódica,
Coluna
de
Plasma, e
- Zona de queda
CARACTERISTICAS ELETRICAS
REGIÃO CATÓDICA
Embora Seu volume seja desprezível em comparação
com a coluna, a região catódica é extremamente
importante para existência do arco, pois ela, é
responsável pelo fornecimento da maioria dos elétrons
responsáveis pela condução de corrente no arco.
Na soldagem com corrente alternada (CA), na qual o
arco se apaga a cada mudança de polaridade dos
eletrodos, os processos ocorrendo no catodo são
importantes para a reabertura do arco.
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CARACTERISTICAS ELETRICAS
Os elétrons podem ser emitidos de varias maneiras, em
soldagem os mais importantes são:
¾Emissão termiônica: Ocorre, basicamente, do
aquecimento do material a uma temperatura
suficientemente alta para causar a emissão (ou
“vaporização”) de elétrons em sua superfície por
agitação térmica.
¾Emissão a frio: Ocorre na soldagem com eletrodos
consumíveis, o catodo não pode atingir temperaturas
suficientemente altas e mecanismos alternativos de
transmissão de eletros devem operar para explicar as
densidades de corrente observadas no arco.
CARACTERISTICAS ELETRICAS
REGIÃO ANÓDICA
A região anódica, embora essencial para a continuidade
do arco, não é tão importante para manutenção do arco
como a zona catódica. O anodo não emite íons positivos
(que são criados pela ionização térmica na coluna do
arco).
COLUNA DE PLASMA
A coluna compreende praticamente todo volume do arco,
sendo constituída por partículas neutras (moléculas e
átomos), íons e elétrons livres. Para a formação do
plasma, o gás deve ser aquecido a temperaturas
elevadas para, como resultado da agitação térmica,
ocorrerem choques entre os seus constituintes e, assim a
sua ionização.
11
CARACTERISTICAS TÉRMICAS DO ARCO
ELÉTRICO
O arco elétrico de soldagem tem uma eficiência alta
(≈100%) na transformação de energia elétrica em
energia térmica. Baseado nessa eficiência podemos
afirmar que o calor gerado num arco elétrico pode
ser estimado a partir de seus parâmetros elétricos
pela equação:
Q=V.I.t
onde:
Q = energia térmica gerada, em joule (J);
V = queda de potencial no arco, em Volt (V);
I = corrente elétrica no arco, em ampère (A);
t = tempo de operação, em segundos (s).
9
CARACTERISTICAS TÉRMICAS DO ARCO
ELÉTRICO
9
São conseguidas altas temperaturas no arco,
conforme mostra o perfil térmico (isotermas) de um
arco de soldagem, aberto com um eletrodo não
consumível de Tungstênio e uma peça de Cobre
refrigerada a água e separados entre si por 5 mm,
em atmosfera de gás inerte.
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CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO
ELÉTRICO
9
9
O arco de soldagem é um condutor de corrente
elétrica e sendo assim, sofre interação da corrente
elétrica por ele transportada com os campos
elétricos por ela gerados; isto gera alguns efeitos
que podem favorecer ou prejudicar a soldagem.
Quando um condutor de comprimento l, percorrido
por uma corrente i é colocado numa região de
influência de um campo magnético B, então ele
experimenta uma força F, conhecida como “Força de
Lorentz”, que é enunciada pela equação:
CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO
ELÉTRICO
F=B.i.l
9
9
onde:
F, B e i são grandezas vetoriais
perpendiculares entre si, sendo que o sentido
de F pode ser obtido aplicando-se a Regra do
Parafuso, onde imagina-se um parafuso
convencional que gira no sentido de i para B.
O sentido de F será aquele de avanço do
parafuso.
13
CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO
ELÉTRICO
9
Um efeito magnético de suma importância no
arco elétrico é o chamado Jato Plasma, que é um
dos responsáveis pela penetração do cordão de
solda e que pode ser considerado um condutor
elétrico gasoso de forma cônica e que ao passar a
corrente por ele, induz um campo magnético de
forma circular concêntrico em seu eixo e ele se
comporta como um condutor colocado em um
campo magnético; dessa maneira surgem forças de
Lorentz na região do arco, que têm sentido de fora
para dentro, conforme vemos na figura a seguir:
CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO
ELÉTRICO
14
CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO
ELÉTRICO
9A intensidade do campo magnético diminui com o
quadrado da distância à linha de centro do condutor.
Como o diâmetro do arco é sempre menor na região
próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a
ser maiores nesta região do que na proximidade da
peça, formando assim na região uma pressão interna
maior do que junto à peça; esta diferença de pressão
causa um fluxo de gás no sentido eletrodo-peça que é
o jato de plasma.
9
O campo magnético e as forças de Lorentz são
proporcionais à intensidade de corrente, portanto
quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de
plasma, promovendo assim uma maior penetração do
cordão de solda.
CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO
ELÉTRICO
9A intensidade do campo magnético diminui com o
quadrado da distância à linha de centro do condutor.
Como o diâmetro do arco é sempre menor na região
próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a
ser maiores nesta região do que na proximidade da
peça, formando assim na região uma pressão interna
maior do que junto à peça; esta diferença de pressão
causa um fluxo de gás no sentido eletrodo-peça que é
o jato de plasma.
9
O campo magnético e as forças de Lorentz são
proporcionais à intensidade de corrente, portanto
quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de
plasma, promovendo assim uma maior penetração do
cordão de solda.
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CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO
ELÉTRICO
9A intensidade do campo magnético diminui com o
quadrado da distância à linha de centro do condutor.
Como o diâmetro do arco é sempre menor na região
próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a
ser maiores nesta região do que na proximidade da
peça, formando assim na região uma pressão interna
maior do que junto à peça; esta diferença de pressão
causa um fluxo de gás no sentido eletrodo-peça que é
o jato de plasma.
9
O campo magnético e as forças de Lorentz são
proporcionais à intensidade de corrente, portanto
quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de
plasma, promovendo assim uma maior penetração do
cordão de solda.
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
A forma pela qual o metal de adição fundido se
transfere para a poça de fusão influencia o nível de
respingos e fumos gerados, a capacidade de soldar
fora da posição plana, o formato do cordão e a própria
estabilidade do processo.
O modo de transferência de uma dada condição de
soldagem depende de fatores como os parâmetros
elétricos (tipo e valor da corrente, tensão e
polaridade), o diâmetro e composição do metal de
adição, tipo e composição do meio de proteção,
comprimento do eletrodo, etc.
16
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
Os tipos mais comuns de transferência metálica são
apresentados abaixo:
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
TRANSFERÊNCIA GLOBULAR:
O metal é transferido por glóbulos co diâmetro próximo
ao eletrodo nu ou alma do eletrodo revestido. Não é
adequado para soldagem fora de posição.
TRANSFERÊNCIA POR PULVERIZAÇÃO:
O metal é transferido por gotas pequenas, bem menores
que o diâmetro do eletrodo nu, ou alma do eletrodo
revestido. Pode ser utilizada na soldagem em posição
plana ou horizontal. a transferência por pulverização
pode ser axial, onde o jato tem o formato cônico na
direção do eixo do eletrodo, ou rotacional, onde o jato
gira em torno do eixo do eletrodo.
17
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
TRANSFERÊNCIA POR CURTO-CIRCUITO
O metal é transferido por contato direto entre o eletrodo
e a poça de fusão através de uma gota. Pode ser
utilizado em qualquer posição.
TRANSFERÊNCIA POR ARCO PULSADO
O metal é transferido similarmente a por pulverização,
ela difere da outra porque uma gota é transferida por
pulso. Solda em todas as posições.
O tipo de transferência pode ser determinado pela
geometria do eletrodo nu (diâmetro e comprimento), sua
composição, tipo de gás protetor, composição do
revestimento do eletrodo, corrente de soldagem,
comprimento do arco, etc.
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
TRANSFERÊNCIA
MIG/MAG
METÁLICA
NA
SOLDAGEM
Este processo apresenta classicamente três formas
principais de transferência metálica: (a) transferência por
curto circuito, (b) transferência globular e (c)
transferência por pulverização. Formas derivadas destas
são também citadas nas literaturas.
Nos processos MIG/MAG pode ocorrer uma mudança
brusca no volume e na massa das gotas, devido a um
aumento na corrente de soldagem.
18
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
A faixa de corrente onde ocorre essa mudança de
comportamento é chamada de faixa de transição. Abaixo
dela, a transferência metálica é do tipo globular,
enquanto que acima é do tipo de pulverização axial.
O tipo de transferência metálica está relacionado com a
energia necessária par para fundir o eletrodo e com a
taxa de fusão. Enquanto na transferência globular a taxa
de fusão é baixa, o mesmo não acontece para a
transferência por pulverização que tem uma elevada taxa
de fusão. Para que se tenha uma taxa de fusão elevada,
a energia necessária para fundir o eletrodo nu deve ser
alta.
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
TRANSFERÊNCIA METÁLICA NA SOLDAGEM COM
ELETRODO REVESTIDO
O estudo desta transferência é dificultado devido aos
gases gerados pela queima do revestimento e as gotas
de escoria que são transferidas junto com as gotas
metálicas.
Acredita-se que os três tipos de transferência metálica,
descritos anteriormente, podem ser obtidos com
eletrodos revestidos.
De maneira geral, o tipo de transferência metálica é
influenciado pelo revestimento do eletrodo, pela corrente
e pela posição de soldagem.
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TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA
TRANSFERÊNCIA METÁLICA NA SOLDAGEM AO
ARCO SUBMERSO
Neste processo, a observação da transferência metálica
é difícil pois o arco ocorre sob uma camada de fluxo.
De forma similar a outros processo a transferência
depende da polaridade do eletrodo, e como na
soldagem com eletrodo revestido a composição do fluxo
influencia de forma importante o tipo de transferência.
A transferência pode ocorrer através do arco ou as gotas
podem colidir co a parede de fluxo e se transferir
através desta.
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