"O arco elétrico na soldagem por fusão"

Slide1Prof. Hélio  Padilha Prof.  Hélio  Padilha

Slide2O arco  elétrico O  arco  elétrico • O  arco  elétrico  é  a  fonte  de  calor mais  utilizada  na  soldagem  por fusão  de  materiais  metálicos, pois  apresenta  uma  combinação ótima  de  características, incluindo  uma  concentração adequada  de  energia  de  fusão localizada  do  metal  de  base, facilidade  de  controle,  baixo custo  relativo  do  equipamento,  e um  nível  aceitável  de  risco  à saúde  dos  operadores. • O  arco  elétrico  é  a  fonte  de  calor mais  utilizada  na  soldagem  por fusão  de  materiais  metálicos, pois  apresenta  uma  combinação ótima  de  características, incluindo  uma  concentração adequada  de  energia  de  fusão localizada  do  metal  de  base, facilidade  de  controle,  baixo custo  relativo  do  equipamento,  e um  nível  aceitável  de  risco  à saúde  dos  operadores.

Slide3O arco  elétrico O  arco  elétrico • O  arco  elétrico  consiste  de  uma descarga  elétrica,  sustentada  através  de um  gás  ionizado,  a  alta  temperatura, conhecido  como  plasma,  podendo produzir  energia  térmica  suficiente  para ser  usado  em  soldagem,  pela  fusão localizada  das  peças  a  serem  unidas. • O  arco  elétrico  consiste  de  uma descarga  elétrica,  sustentada  através  de um  gás  ionizado,  a  alta  temperatura, conhecido  como  plasma,  podendo produzir  energia  térmica  suficiente  para ser  usado  em  soldagem,  pela  fusão localizada  das  peças  a  serem  unidas. • Para  soldagem  a  arco,  correntes  acima de  1000A   são  utilizadas  no  processo  a arco  submerso  e  da  ordem  de  1A  ou inferiores  no  processo  microplasma.  Os valores  mais  comuns,  em  soldagem,  são da  ordem  de  10  a  100A. • Para  soldagem  a  arco,  correntes  acima de  1000A   são  utilizadas  no  processo  a arco  submerso  e  da  ordem  de  1A  ou inferiores  no  processo  microplasma.  Os valores  mais  comuns,  em  soldagem,  são da  ordem  de  10  a  100A.

Slide4O arco  elétrico O  arco  elétrico • Em  soldagem,  o  arco,  em  geral, opera  entre  um  eletrodo  plano,  ou aproximadamente  plano  (a  peça),  e outro  que  se  localiza  na extremidade  de  um  cilindro  (o arame,  vareta  ou  eletrodo),  cuja área  é  muito  menor  do  que  a  do primeiro.  Assim,  a  maioria  dos arcos  de  soldagem  têm  um  formato aproximadamente  cônico  ou  “de sino”. • Em  soldagem,  o  arco,  em  geral, opera  entre  um  eletrodo  plano,  ou aproximadamente  plano  (a  peça),  e outro  que  se  localiza  na extremidade  de  um  cilindro  (o arame,  vareta  ou  eletrodo),  cuja área  é  muito  menor  do  que  a  do primeiro.  Assim,  a  maioria  dos arcos  de  soldagem  têm  um  formato aproximadamente  cônico  ou  “de sino”.

Slide5Características elétricas  do  arco Características  elétricas  do  arco • Eletricamente,  o  arco  de soldagem  pode  ser caracterizado  pela  diferença  de potencial  entre  as  suas extremidades  e  pela  corrente elétrica  que  circula  pelo mesmo. • Eletricamente,  o  arco  de soldagem  pode  ser caracterizado  pela  diferença  de potencial  entre  as  suas extremidades  e  pela  corrente elétrica  que  circula  pelo mesmo. • As  regiões  de  queda  anódica  e catódica  são  caracterizadas pelos  elevados  gradientes térmicos  e  elétricos  e  as  somas das  quedas  de  potencial  nessas regiões  é  aproximadamente constante,  independente  das condições  de  operação  do  arco. • As  regiões  de  queda  anódica  e catódica  são  caracterizadas pelos  elevados  gradientes térmicos  e  elétricos  e  as  somas das  quedas  de  potencial  nessas regiões  é  aproximadamente constante,  independente  das condições  de  operação  do  arco. e - ions +

Slide6Características elétricas  do  arco Características  elétricas  do  arco • A  diferença  de  potencial  entre  as extremidades  dos  arco,  necessária para  manter  a  descarga  elétrica, varia  com  a  distância  entre  os eletrodos,  chamada  de comprimento  de  arco  ( la ),  com  a forma,  tamanho  e  material  dos eletrodos,  composição  e  pressão  do gás  na  coluna  de  plasma  e  corrente que  atravessa  o  arco,  entre  outros fatores. • A  diferença  de  potencial  entre  as extremidades  dos  arco,  necessária para  manter  a  descarga  elétrica, varia  com  a  distância  entre  os eletrodos,  chamada  de comprimento  de  arco  ( la ),  com  a forma,  tamanho  e  material  dos eletrodos,  composição  e  pressão  do gás  na  coluna  de  plasma  e  corrente que  atravessa  o  arco,  entre  outros fatores. • A  figura  ao  lado  mostra  a  variação da  tensão  no  arco  com  a  corrente  de soldagem  .  Esta  curva  é  conhecida como  “ característica  estática  do arco ”. • A  figura  ao  lado  mostra  a  variação da  tensão  no  arco  com  a  corrente  de soldagem  .  Esta  curva  é  conhecida como  “ característica  estática  do arco ”.

Slide7Características elétricas  do  arco Características  elétricas  do  arco • O  plasma  é  constituído  por  moléculas,  átomos,  íons  e elétrons.  Destes,  os  dois  últimos  são  responsáveis  pela passagem  de  corrente  elétrica  no  arco.  Assim,  a estabilidade  do  arco  está  intimamente  ligada  às condições  de  produção  de  elétrons  e  íons  em  grande quantidade. • O  plasma  é  constituído  por  moléculas,  átomos,  íons  e elétrons.  Destes,  os  dois  últimos  são  responsáveis  pela passagem  de  corrente  elétrica  no  arco.  Assim,  a estabilidade  do  arco  está  intimamente  ligada  às condições  de  produção  de  elétrons  e  íons  em  grande quantidade. • A  possibilidade  de  ocorrência  de  diferentes mecanismos  de  emissão  de  elétrons  junto  com diferenças  de  composição,  forma  e  temperatura  dos eletrodos  faz  com  que  a  polaridade  dos  eletrodos influencie  significativamente  a  estabilidade  do  arco  e outras  características  operacionais  do  processo  de soldagem. • A  possibilidade  de  ocorrência  de  diferentes mecanismos  de  emissão  de  elétrons  junto  com diferenças  de  composição,  forma  e  temperatura  dos eletrodos  faz  com  que  a  polaridade  dos  eletrodos influencie  significativamente  a  estabilidade  do  arco  e outras  características  operacionais  do  processo  de soldagem.

Slide8Características elétricas  do  arco Características  elétricas  do  arco • A  estabilidade  do  arco  é  importante  tanto  do  ponto  de  vista operacional  quanto  da  qualidade  da  solda.  Um  arco  instável é  mais  difícil  de  ser  controlado  pelo  soldador,  já  que  este precisa  de  maior  habilidade  para  mantê-lo  operando  e executar  a  solda  de  maneira  adequada.  Além  disso,  o cordão  de  solda  obtido  com  um  arco  mais  instável  tende  a ter  uma  forma  mais  irregular  com  dimensões  variáveis  e pode  apresentar  maior  quantidade  de  porosidade, tornando-se  muitas  vezes  inaceitável. • A  estabilidade  do  arco  é  importante  tanto  do  ponto  de  vista operacional  quanto  da  qualidade  da  solda.  Um  arco  instável é  mais  difícil  de  ser  controlado  pelo  soldador,  já  que  este precisa  de  maior  habilidade  para  mantê-lo  operando  e executar  a  solda  de  maneira  adequada.  Além  disso,  o cordão  de  solda  obtido  com  um  arco  mais  instável  tende  a ter  uma  forma  mais  irregular  com  dimensões  variáveis  e pode  apresentar  maior  quantidade  de  porosidade, tornando-se  muitas  vezes  inaceitável.

Slide9Características térmicas  do  arco Características  térmicas  do  arco • O  arco  de  soldagem apresenta,  em  geral, uma  elevada eficiência  para transformar  energia elétrica  em  térmica e  transferi-la  para  a peça. • O  arco  de  soldagem apresenta,  em  geral, uma  elevada eficiência  para transformar  energia elétrica  em  térmica e  transferi-la  para  a peça. • O  calor  gerado  num arco  elétrico  pode ser  estimado,  a partir  da  equação: • O  calor  gerado  num arco  elétrico  pode ser  estimado,  a partir  da  equação: • Além   de  calor,  o  arco  elétrico  gera radiação  eletromagnética  de  alta intensidade,  nas  faixas  do infravermelho,  visível  e  ultravioleta, devendo  ser  observado  com  filtros protetores  adequados. • Além   de  calor,  o  arco  elétrico  gera radiação  eletromagnética  de  alta intensidade,  nas  faixas  do infravermelho,  visível  e  ultravioleta, devendo  ser  observado  com  filtros protetores  adequados.

Slide10Características magnéticas  do  arco Características  magnéticas  do  arco • O  arco  de  soldagem  é  um  condutor  gasoso  de corrente  elétrica.  Quando  comparado  com  um  fio metálico,  tende  a  ser  muito  mais  sensível  à influência  de  campos  magnéticos. • O  arco  de  soldagem  é  um  condutor  gasoso  de corrente  elétrica.  Quando  comparado  com  um  fio metálico,  tende  a  ser  muito  mais  sensível  à influência  de  campos  magnéticos. • Campos  magnéticos  são  criados  por  cargas elétricas  em  movimento.  Desta  forma,  em  torno de  qualquer  condutor  elétrico  percorrido  por uma  corrente,  existe  um  campo  magnético circular  induzido  por  esta  corrente. • Campos  magnéticos  são  criados  por  cargas elétricas  em  movimento.  Desta  forma,  em  torno de  qualquer  condutor  elétrico  percorrido  por uma  corrente,  existe  um  campo  magnético circular  induzido  por  esta  corrente.

Slide11Características magnéticas  do  arco Características  magnéticas  do  arco • É  de  essencial  importância  para  a soldagem  a  arco  a  força  de  compressão que  o  campo  magnético  induzido  pela corrente  que  passa  por  um  condutos exerce  sobre  si  próprio. • É  de  essencial  importância  para  a soldagem  a  arco  a  força  de  compressão que  o  campo  magnético  induzido  pela corrente  que  passa  por  um  condutos exerce  sobre  si  próprio. • No  arco  elétrico,  esta  pressão desempenha  um  papel  importante  devido ao  formato  cônico  usual  do  arco. • No  arco  elétrico,  esta  pressão desempenha  um  papel  importante  devido ao  formato  cônico  usual  do  arco. • Devido  a  este  formato,  o  valor  de  R  junto ao  eletrodo  é  menor  do  que  seu  valor junto  à  peça,  onde  portanto  a  pressão  é menor.  Esta  diferença  de  pressão  induz, no  arco,  um  intenso  fluxo  de  gás  do eletrodo  para  a  peça  que  é  independente da  polaridade  e  do  tipo  de  corrente usados  e  é  conhecido  como  “jato  de plasma”. • Devido  a  este  formato,  o  valor  de  R  junto ao  eletrodo  é  menor  do  que  seu  valor junto  à  peça,  onde  portanto  a  pressão  é menor.  Esta  diferença  de  pressão  induz, no  arco,  um  intenso  fluxo  de  gás  do eletrodo  para  a  peça  que  é  independente da  polaridade  e  do  tipo  de  corrente usados  e  é  conhecido  como  “jato  de plasma”.

Slide12Características magnéticas  do  arco Características  magnéticas  do  arco • O  jato  de  plasma  direciona  os  gases  quentes do  arco  contra  a  peça,  sendo  um   dos mecanismos  responsáveis  pela  penetração  da solda.  Além  disso,  ele  garante  ao  arco  elétrico uma  certa  rigidez,  e  afeta  a  transferência  de metal  do  eletrodo  para  a  poça  de  fusão. • O  jato  de  plasma  direciona  os  gases  quentes do  arco  contra  a  peça,  sendo  um   dos mecanismos  responsáveis  pela  penetração  da solda.  Além  disso,  ele  garante  ao  arco  elétrico uma  certa  rigidez,  e  afeta  a  transferência  de metal  do  eletrodo  para  a  poça  de  fusão. • As  mesmas  forças  magnéticas  que  atuam  no arco  e  causam  a  formação  do  jato  de  plasma exercem  uma  influência  similar  na extremidade  fundida  dos  eletrodos consumíveis.  Estas  forças  tendem  a estrangular  o  metal  ( pinch )  o  metal  líquido  na região  em  que  seu  diâmetro  é  menor  e,  desta forma,  podem  contribuir  para  separá-lo  do  fio sólido.  Este  efeito,  particularmente  para valores  elevados  de  corrente,  pode  exercer um  papel  direto  na  transferência  de  metal  do eletrodo  para  a  peça. • As  mesmas  forças  magnéticas  que  atuam  no arco  e  causam  a  formação  do  jato  de  plasma exercem  uma  influência  similar  na extremidade  fundida  dos  eletrodos consumíveis.  Estas  forças  tendem  a estrangular  o  metal  ( pinch )  o  metal  líquido  na região  em  que  seu  diâmetro  é  menor  e,  desta forma,  podem  contribuir  para  separá-lo  do  fio sólido.  Este  efeito,  particularmente  para valores  elevados  de  corrente,  pode  exercer um  papel  direto  na  transferência  de  metal  do eletrodo  para  a  peça.

Slide13Características magnéticas  do  arco Características  magnéticas  do  arco • Outro  efeito  importante  de origem  magnética  é  o  chamado “sopro  magnético”  que  consiste de  um  desvio  do  arco  de  sua posição  normal,  de  forma intermitente,  e  similar  a  uma chama  sendo  soprada. • Outro  efeito  importante  de origem  magnética  é  o  chamado “sopro  magnético”  que  consiste de  um  desvio  do  arco  de  sua posição  normal,  de  forma intermitente,  e  similar  a  uma chama  sendo  soprada. • O  sopro  magnético  resulta  de uma  distribuição  assimétrica  do campo  magnético  em  torno  do arco,  o  que  causa  o aparecimento  de  forças  radiais atuando  sobre  o  arco  e  levando à  alteração  de  sua  posição. • O  sopro  magnético  resulta  de uma  distribuição  assimétrica  do campo  magnético  em  torno  do arco,  o  que  causa  o aparecimento  de  forças  radiais atuando  sobre  o  arco  e  levando à  alteração  de  sua  posição.

Slide14Características magnéticas  do  arco Características  magnéticas  do  arco • O  sopro  magnético  pode  ser minimizado  ou  eliminado  através  de algumas  medidas  simples,  entre  elas: • O  sopro  magnético  pode  ser minimizado  ou  eliminado  através  de algumas  medidas  simples,  entre  elas: – Inclinar  o  eletrodo  para  o  lado  para  o qual  se  dirige  o  arco; – Inclinar  o  eletrodo  para  o  lado  para  o qual  se  dirige  o  arco; – Soldar  com  arco  mais  curto; – Soldar  com  arco  mais  curto; – Usar  mais  de  uma  conexão  de  corrente na  peça,  visando  balanceá-la  em relação  ao  arco; – Usar  mais  de  uma  conexão  de  corrente na  peça,  visando  balanceá-la  em relação  ao  arco; – Usar  corrente  de  soldagem  mais  baixa, quando  possível; – Usar  corrente  de  soldagem  mais  baixa, quando  possível; – Usar  corrente  alternada,  pois  o  efeito de  sopro  é  menor. – Usar  corrente  alternada,  pois  o  efeito de  sopro  é  menor. a b

Slide16IntroduçãoIntrodução • A  soldagem  a  arco  utiliza  uma  fonte  de  energia  projetada especificamente  para  esta  aplicação  e  capaz  de  fornecer  tensão  e corrente,  em  geral,  na  faixa  de  10  a  40V  e  10  a  1200A, respectivamente.  Nas  últimas  três  décadas,  graças  aos  avanços  dos sistemas  eletrônicos,  ocorreu  um  grande  desenvolvimento  das fontes  empregadas  em  soldagem  a  arco  elétrico. • A  soldagem  a  arco  utiliza  uma  fonte  de  energia  projetada especificamente  para  esta  aplicação  e  capaz  de  fornecer  tensão  e corrente,  em  geral,  na  faixa  de  10  a  40V  e  10  a  1200A, respectivamente.  Nas  últimas  três  décadas,  graças  aos  avanços  dos sistemas  eletrônicos,  ocorreu  um  grande  desenvolvimento  das fontes  empregadas  em  soldagem  a  arco  elétrico.

Slide17Requisitos básicos Requisitos  básicos • Produzir  saídas  de  corrente  e  tensão  com características  adequadas  para  um  ou mais  processos  de  soldagem; • Produzir  saídas  de  corrente  e  tensão  com características  adequadas  para  um  ou mais  processos  de  soldagem; • Permitir  o  ajuste  de  dos  valores  de corrente  e/ou  tensão  para  aplicações específicas; • Permitir  o  ajuste  de  dos  valores  de corrente  e/ou  tensão  para  aplicações específicas; • Controlar,  durante  a  soldagem,  a  variação dos  níveis  de  corrente  e  tensão  de  acordo com  os  requisitos  da  aplicação. • Controlar,  durante  a  soldagem,  a  variação dos  níveis  de  corrente  e  tensão  de  acordo com  os  requisitos  da  aplicação.

Slide18Características dinâmicas Características  dinâmicas • As  características  dinâmicas  envolvem  variações transientes  de  corrente  e  tensão  fornecidas  pela fonte  em  resposta  a  mudanças  durante  a soldagem. • As  características  dinâmicas  envolvem  variações transientes  de  corrente  e  tensão  fornecidas  pela fonte  em  resposta  a  mudanças  durante  a soldagem. • As  características  dinâmicas  são  importantes: • As  características  dinâmicas  são  importantes: – Na  abertura  do  arco  elétrico; – Na  abertura  do  arco  elétrico; – Durante  mudanças  rápidas  no  comprimento  do  arco; – Durante  mudanças  rápidas  no  comprimento  do  arco; – Durante  a  transferência  de  metal  através  do  arco; – Durante  a  transferência  de  metal  através  do  arco; – No  caso  de  soldagem  com  corrente  alternada,  durante a  extinção  e  reabertura  do  arco  a  cada  ciclo. – No  caso  de  soldagem  com  corrente  alternada,  durante a  extinção  e  reabertura  do  arco  a  cada  ciclo.

Slide19Características estáticas Características  estáticas • As  características  estáticas da  fonte  são  indicadas  na forma  de  curvas características,  obtidas através  de  testes  com cargas  resistivas,  e  que  são, muitas  vezes,  publicadas pelo  fabricante  no  seu manual.  Com  base  na  sua curva  característica,  uma fonte  pode  ser  classificada como  de  corrente constante  ou  de  tensão constante. • As  características  estáticas da  fonte  são  indicadas  na forma  de  curvas características,  obtidas através  de  testes  com cargas  resistivas,  e  que  são, muitas  vezes,  publicadas pelo  fabricante  no  seu manual.  Com  base  na  sua curva  característica,  uma fonte  pode  ser  classificada como  de  corrente constante  ou  de  tensão constante.

Slide20Características estáticas Características  estáticas • As  fontes  de  corrente  constante  apresentam  uma  tensão  em  vazio relativamente  elevada  (entre  55  e  85V).  Na  presença  de  uma  carga,  esta tensão  cai  rapidamente.  A  inclinação  da  curva  tende  a  variar  ao  longo da  curva,  mas,  na  região  de  operação  do  arco,  situa-se  entre  cerca  de 0,2V  e  1V/A  para  fontes  convencionais  de  corrente  constante. • As  fontes  de  corrente  constante  apresentam  uma  tensão  em  vazio relativamente  elevada  (entre  55  e  85V).  Na  presença  de  uma  carga,  esta tensão  cai  rapidamente.  A  inclinação  da  curva  tende  a  variar  ao  longo da  curva,  mas,  na  região  de  operação  do  arco,  situa-se  entre  cerca  de 0,2V  e  1V/A  para  fontes  convencionais  de  corrente  constante. • Fontes  de  corrente  constante  permitem  que,  durante  a  soldagem,  o comprimento  do  arco  varie  sem  que  a  corrente  de  soldagem  sofra grandes  alterações.  Eventuais  curto-circuitos  do  eletrodo  com  o  metal de  base   não  causam,  também,  uma  elevação  importante  da  corrente. • Fontes  de  corrente  constante  permitem  que,  durante  a  soldagem,  o comprimento  do  arco  varie  sem  que  a  corrente  de  soldagem  sofra grandes  alterações.  Eventuais  curto-circuitos  do  eletrodo  com  o  metal de  base   não  causam,  também,  uma  elevação  importante  da  corrente.

Slide21Características estáticas Características  estáticas • Fontes  de  tensão  constante  fornecem  basicamente  a  mesma  tensão  em  toda  a sua  faixa  de  operação.  A  inclinação  deste  tipo  de  fonte  situa-se  entre  cerca  de 0,01  e  0,04V.  Estas  fontes  permitem  grandes  variações  de  corrente  durante  a soldagem  quando  o  comprimento  de  arco  varia  ou  ocorre  um  curto-circuito. • Fontes  de  tensão  constante  fornecem  basicamente  a  mesma  tensão  em  toda  a sua  faixa  de  operação.  A  inclinação  deste  tipo  de  fonte  situa-se  entre  cerca  de 0,01  e  0,04V.  Estas  fontes  permitem  grandes  variações  de  corrente  durante  a soldagem  quando  o  comprimento  de  arco  varia  ou  ocorre  um  curto-circuito. • Este  tipo  de  comportamento  permite  o  controle  do  comprimento  de  arco  por variações  da  corrente  de  soldagem  (a  qual  controla  a  velocidade  de  fusão  do arame)  em  processos  de  soldagem  nos  quais  o  arame  é  alimentado  com  uma velocidade  constante. • Este  tipo  de  comportamento  permite  o  controle  do  comprimento  de  arco  por variações  da  corrente  de  soldagem  (a  qual  controla  a  velocidade  de  fusão  do arame)  em  processos  de  soldagem  nos  quais  o  arame  é  alimentado  com  uma velocidade  constante. • Adicionalmente,  o  grande  aumento  de  corrente  que  ocorre  quando  o  eletrodo toca  o  metal  de  base,  facilita  a  abertura  do  arco  e  possibilita  a  transferência  do metal  de  adição  do  eletrodo  para  a  poça  de  fusão  durante  o  curto-circuito. • Adicionalmente,  o  grande  aumento  de  corrente  que  ocorre  quando  o  eletrodo toca  o  metal  de  base,  facilita  a  abertura  do  arco  e  possibilita  a  transferência  do metal  de  adição  do  eletrodo  para  a  poça  de  fusão  durante  o  curto-circuito.

Slide22Ciclo de  trabalho Ciclo  de  trabalho • Em  todas  as  máquinas  de  solda  são  especificadas  os  valores  do chamado  ciclo  (ou  fator)  de  trabalho.  Este  fator  relaciona  a  corrente de  soldagem  utilizada  e  o  tempo  de  soldagem  que  é  permitido utilizar  a  máquina  de  solda  com  arco  elétrico  aberto,  em  relação  a um  tempo  de  10  minutos. • Em  todas  as  máquinas  de  solda  são  especificadas  os  valores  do chamado  ciclo  (ou  fator)  de  trabalho.  Este  fator  relaciona  a  corrente de  soldagem  utilizada  e  o  tempo  de  soldagem  que  é  permitido utilizar  a  máquina  de  solda  com  arco  elétrico  aberto,  em  relação  a um  tempo  de  10  minutos. • Assim,  caso  se  faça  uma  regulagem  de  corrente  de  150  A, recomenda-se  que  num  tempo  de  10  minutos  não  se  ultrapasse  de (20%  X  10  minutos)  =  2  minutos  de  arco  aberto,  ou  seja  , efetivamente  soldando.  Caso  se  regule  a  máquina  com  80  A,  poder- se-ia  soldar  durante  6  minutos  num  tempo  total  de  10  minutos. • Assim,  caso  se  faça  uma  regulagem  de  corrente  de  150  A, recomenda-se  que  num  tempo  de  10  minutos  não  se  ultrapasse  de (20%  X  10  minutos)  =  2  minutos  de  arco  aberto,  ou  seja  , efetivamente  soldando.  Caso  se  regule  a  máquina  com  80  A,  poder- se-ia  soldar  durante  6  minutos  num  tempo  total  de  10  minutos.