Para determinar o rendimento térmico deve-se ter em conta a potência elétrica, energia de soldagem e energia imposta. O cálculo de cada uma destas parcelas tem sido objeto de discussões conforme descrito no Item 2.4 da Revisão Bibliográfica. A seguir será explicado o método de cálculo utilizado neste trabalho.
3.4.1. Cálculo da potência elétrica de soldagem
Como apresentado Item 2.4, o método mais adequado para o cálculo da potência elétrica é através da potência média instantânea que representa de forma mais precisa o comportamento da energia levando em consideração qualquer variação na corrente e a tensão durante o tempo de soldagem, definida pela Eq. 2.16.
Neste trabalho, os sinais de aquisição foram divididos em três zonas, sendo estas o tempo de arco fechado, tempo de tensão em vazio e tempo de arco aberto (processo de soldagem), como pode ser observado na Fig. 3.12 para o processo GTAW CC- e na Fig. 3.13 para o processo GMAW curto-circuito convencional. O tempo de arco aberto está definido pela diferença entre o tempo inicial de arco aberto tiab e o tempo final de arco aberto tfab. Para o processo GTAW a ignição do arco é realizada de forma manual, ou seja, é realizado um curto circuito entre o eletrodo e a placa teste com um eletrodo do mesmo tipo para abrir o arco. O tiab para este processo é considerado a partir do momento em que a corrente aumenta e se estabiliza em um determinado valor descartando o tempo de ignição do arco, já que a maioria do calor gerado em essa fração de tempo é captada pelo eletrodo de ignição, Fig. 3.12 (a). O tfab é considerado quando o arco deixa de atingir a placa teste e a corrente cai para zero Fig. 3.12(c).
No processo GMAW a alimentação do arame é realizada de forma automática, ou seja, não precisa da intervenção manual para abrir o arco de soldagem como no processo GTAW apresentado neste trabalho. Assim, foi considerado o tempo inicial de arco aberto (tiab) quando a corrente aumenta de zero para um determinado valor, Fig. 3.13 (a) e o tempo final de arco aberto (tfab) quando a corrente cai para zero Fig. 3.13 (c).
Figura 3. 12- Representação das zonas de arco aberto e arco fechado para processo GTAW
Figura 3. 33-Representação das zonas de arco aberto e arco fechado para processo GMAW
3.4.2. Cálculo da energia de soldagem
A energia de soldagem é definida como a potência elétrica gasta para produzir a fonte de calor num determinado tempo. Melfi (2010) afirma que, segundo a ASME IX, o método tradicional para medir a energia de soldagem esta definida pela Eq. 3.1, sendo utilizada para processo que não tem controle do arco e para processos com controle do arco a energia de soldagem esta definida pela Eq. 3.2.
E P ⁄Vs ; J mm⁄ (3.1)
Onde:
Parco = Potência elétrica instantânea do arco, [W]; Vs = Velocidade de soldagem, [mm/s]. E P ∗ t /L ; J mm⁄ (3.2) Onde: 10,0 10,5 0 50 100 C or re nt e, [A ] Tempo, [s] 58,4 58,5 58,6 58,7 0 50 100 C or re nt e, [A ] Tempo, [s] 4,0 -150 0 50 100 150 200 250 300 350 400 C or re nt e, [A ] Tempo, [s] 25,4 25,5 25,6 -150 0 50 100 150 200 250 300 350 400 C or re nt e, [A ] Tempo, [s] tiab tfab tiab tfab
a
b
a
b
c
c
Equipamentos, Materiais e Métodos- 49
Parco = Potência elétrica instantânea, [W]; tsold = Tempo de soldagem, [s];
Lc = Comprimento do cordão de solda, [mm/s].
Neste trabalho os cálculos correspondentes a energia de soldagem foram realizados de acordo as Eq. 3.1 e Eq. 3.2 e aplicabilidade em cada processo como é sugerido pela norma ASME IX.
3.4.3. Cálculo do calor imposto na placa teste
O cálculo do aporte térmico foi realizado através do calorímetro de N2L e de fluxo contínuo de água. Os cálculos correspondentes são apresentados no Item 2.2.5 para o calorímetro de N2L e no Item 2.2.1 para o calorímetro de fluxo contínuo de água.
Nesta seção serão descritos os sinais de saída esperados para cada um dos calorímetros, facilitando a interpretação dos pontos principais de cada gráfico. Os sinais de saída para o calorímetro de N2L e fluxo contínuo são apresentados nas Fig. 3.14 e 3.15 respectivamente. No caso do calorímetro de N2L, o sinal de saída apresentado nesta seção é valido para as duas etapas de medição, lembrando que a primeira é realizada para placas com energia imposta do processo de soldagem e a segunda é a energia que contém placa em condições ambientais, como foi explicado no Item 2.2.5 (para maiores detalhes dos pontos de massa inicial e final ver Anexo A). Os pontos de massa inicial e final podem ser definidos de duas formas por critério do usuário ou por meio de um programa que permita estabelecer as mesmas condições de avaliação para todos os testes. Para este trabalho se optou por desenvolver um programa em MatLab que permite encontrar estes pontos (Anexo C)
Já para o sinal de saída para o calorímetro de fluxo contínuo pode-se observar que se têm duas curvas. A curva 2 correspondente à temperatura de saída, Tw2, (neste caso dois pontos de monitoramento de saída, Sai1 e Sai2) representa o ciclo térmico da placa teste que compreende o tempo de aquecimento (durante a soldagem) e tempo de resfriamento (tempo que vai desde que o arco deixa de atingir a placa teste até seu total resfriamento e equilíbrio com a temperatura de entrada). A curva 1 representa a temperatura de referencia sendo esta a temperatura de entrada da água ao calorímetro (Tw1), também monitorada do mesmo modo que a saída em dois pontos (Ent1 e Ent2). O cálculo do aporte térmico para este tipo de calorímetro corresponde à área confinada entre a curva 1 e curva 2 de acordo com a Eq. 2.6, sendo calculada a média para o sinal de entrada e saída através de integração numérica com o programa OriginPro 7.5.
Figura 3.4- Esquema do sinal de saída esperado para a massa evaporada de N2L
Figura 3. 5- Esquema do sinal de saída esperado dos termopares do calorímetro de fluxo contínuo
3.4.4. Cálculo do rendimento térmico em processo de soldagem
Com o conhecimento da energia de soldagem calculada a partir dos sinais de corrente e tensão do processo de soldagem e o aporte térmico medido por meio experimental (calorimetria), pode-se calcular o rendimento térmico conforme a Eq. 2.2 (Item 2.1).
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 20 22 24 26 28 30 32 34 36 T em pe ra tu ra , o C Tempo, s ENT1 ENT2 SAI1 SAI2 Curva 2 (Tw2) Curva 1 (Tw1)
C APITULO IV
PROJETO E CONSTRUÇÃO DOS CALORÍMETROS DE N2L E DE FLUXO
CONTÍNUO
Neste capítulo é apresentado o desenvolvimento do calorímetro de N2L e fluxo contínuo de água, assim como também os componentes, funcionamento e modo de uso de ambos os equipamentos.