Todos os processos de soldagem exigem alguma forma de energia. As fontes de energia na soldagem podem ser divididas em quatro categorias quanto à forma de energia: elétricas, químicas, óticas e mecânicas.
8.2.1 Fontes elétricas - arco elétrico
O arco elétrico é usado em vários processos importantes de soldagem como fonte de calor, fornecendo uma grande quantidade de calor concentrado e controlado.
O arco elétrico é resultado da descarga elétrica entre um eletrodo e a peça a ser soldada, sendo um o anodo, ou terminal positivo do arco, e o outro o cátodo, ou terminal negativo do arco. A região central entre estes eletrodos é o plasma, região de gases ionizados. A voltagem típica é em torno de 25 V e corrente de 300 A. Os elétrons emitidos na região catódica passam pela coluna do arco na forma de íons e elétrons livres e alcançam o anodo para o qual transferem a sua energia cinética em forma de calor. Através de colisões mútuas entre os íons e elétrons livres, o interior do arco pode atingir altas temperaturas, cerca de 6.000 °C a 30.000 °C, dependendo do processo. A intensidade de calor é da ordem de 106 a 108 W/m2. A Figura 8.1 apresenta uma ilustração esquemática
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Figura 8.1 Ilustração esquemática de um arco elétrico.
A corrente pode ser contínua ou alternada e a abertura do arco elétrico pode ser feita pelo contato entre a peça e o eletrodo (curto circuito) ou ainda pelo uso de um dispositivo que imponha uma corrente alternada de alta frequência (100 a 500 kHz) suficiente para ionizar os gases entre as duas partes.
No caso de corrente alternada (CA), a polaridade não é fixa entre a peça e o eletrodo, mudando segundo a frequência de variação da corrente. Entretanto para o caso de corrente contínua (CC), a polaridade pode ser do tipo polaridade direta (CC-), em que o eletrodo é o catodo (-) e a peça o anodo (+) ou do tipo polaridade reversa (CC+), em que o eletrodo é o anodo (+) e a peça o cátodo (-). A polaridade tem grande importância, pois a transferência de energia térmica pelo bombardeio dos elétrons sobre o anodo é maior do que aquela provocada pelo bombardeio dos íons sobre o catodo, devido principalmente à maior energia cinética e fluxo dos elétrons. Como consequência, temos que a temperatura do anodo é maior do que o do catodo. Assim, como ilustra a Figura 8.2, dependendo do tipo de corrente e da polaridade, temos um maior aquecimento na
108 peça ou do eletrodo. Um maior aquecimento na peça provocará uma maior fusão desta, enquanto o eletrodo aquecerá e/ou fundirá menos e vice-versa.
A corrente, tensão, eletrodo e o tipo de gás de proteção determinam o modo de transferência e taxa com que o metal fundido do eletrodo se projeta para a peça que, por sua vez, tem influência na estabilidade do arco, perda por salpicos, composição química, defeitos, posição de soldagem e taxa de deposição. Os modos de transferência podem ser: do tipo globular, ocorrendo com uma corrente baixa em relação ao diâmetro do eletrodo, transfere o metal como glóbulos com diâmetro maior do que o do eletrodo com taxa de cerca de 10 a 20 glóbulos por segundo; por spray, ocorrendo com correntes muito altas, transfere o metal como gotículas finas com taxa de cerca de 250 gotículas por segundo; por curto-circuito, transfere o metal com a fusão globular do eletrodo cuja gota vai aumentando de tamanho até tocar a poça de fusão, produzindo um curto-circuito que estrangula a gota e lança-a em direção axial, devido a efeitos eletromagnéticos, com taxa de cerca de 50 a 200 gotas por segundo; por arco pulsante, em que um arco de corrente baixa é mantido, porém com pulsos regulares de alta corrente são injetados sobre ele, o que resulta numa transferência por jatos de gotículas durante esses pulsos. A Figura 8.3 mostra esquematicamente esses modos de transferência.
Figura 8.2 Influência do tipo de corrente e da polaridade do arco elétrico no aquecimento da peça e do eletrodo.
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Figura 8.3 Modos de transferência metálica em um arco elétrico.
8.2.2 Fontes elétricas - resistência elétrica
Processos de soldagem por resistência utilizam uma combinação de força e calor para produzir uma solda. Neste caso, o calor é gerado por efeito Joule, pela resistência à passagem de corrente elétrica de um material colocado na interface das partes a serem unidas (escória no processo de soldagem por eletroescória), ou mesmo que a própria interface das partes unidas oferece. A intensidade de calor varia de 106 a 109 W/m2.
8.2.3 Fontes químicas - chama direta
O calor é gerado pela queima de um gás combustível, utilizando gases como acetileno, propileno, hidrogênio, propano e gás natural combinados com oxigênio. A razão gás/oxigênio é muito importante, pois determina se a chama é redutora, neutra ou oxidante, assim como determina a temperatura da chama, que tipicamente é na faixa de 2.500 °C a 5.100 ºC. A intensidade de calor é da ordem de 106 a 108 W/m2.
8.2.4 Fontes químicas - aluminotermia
O calor é gerado pela reação altamente exotérmica da oxidação do alumínio, como por exemplo, 3FeO4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3, em que o calor liberado é da ordem de 719
110 8.2.5 Fontes óticas
São exemplos desse tipo de fonte o laser, que é resultado da conversão de um feixe de luz intenso, concentrado e colimado, em calor utilizando CO2 ou Nd:YAG, e feixe de
elétrons, em que o calor é gerado pela colisão de um feixe de elétrons sobre a peça. A intensidade nesses casos é muito alta, podendo ultrapassar 1010 W/m2.
8.2.6 Fontes mecânicas
Existem três tipos de soldagens que utilizam fontes mecânicas de energia, mas nem em todas elas ocorre fusão das partes a serem soldadas. Na soldagem por fricção, o calor é gerado pelo atrito mecânico entre as superfícies a serem unidas, ocorrendo, assim, uma difusão e deformação plástica entre elas, soldando-as. Na soldagem por ultrassom, uma energia vibratória de alta frequência (15 a 75 kHz) é induzida na zona de soldagem por um transdutor. Essa tensão de cisalhamento oscilatório resulta em uma histerese elástica, escorregamento localizado e deformação plástica nas superfícies de contato que, após a quebra da camada de óxido, permite a difusão atômica entre as superfícies, soldando-as. Na soldagem por explosão, a detonação de um explosivo é utilizada para acelerar um componente à alta velocidade contra um componente estacionário. Ocorre uma colisão progressiva e controlada entre as superfícies dos dois componentes (chapas, por exemplo) soldando-as.