A obtenção de juntas soldadas com boas propriedades mecânicas e características geométricas satisfatórias seria impossível se o arco não se mantivesse estável. Por isso, um dos aspectos mais importantes na análise do processo de soldagem ao arco voltaico é a determinação da sua estabilidade.
Para uma mesma característica estática da fonte de soldagem, as propriedades físicas da atmosfera gasosa da coluna do arco são fatores determinantes do comportamento do mesmo. Assim, a energia de ionização, a condutibilidade térmica e elétrica, assim como as suas variações com a temperatura deverão ser suficientes para garantir o melhor comportamento do arco. Para os processos de soldagem com formação de escória, deve-se considerar ainda as propriedades de emissão da mesma.
A interação entre estas propriedades é bastante complexa e inúmeras são as pesquisas voltadas para a otimização dessas grandezas objetivando um comportamento ótimo do arco. Assim, os fabricantes de eletrodos e outros insumos procuram introduzir compostos facilmente ionizáveis, para facilitar a abertura e estabilização do arco, ao mesmo tempo que se deseja alta condutibilidade elétrica e uma energia térmica que garanta a penetração desejada do cordão de solda. Além disso, deve-se garantir também boa operacionalidade do processo e o controle das características metalúrgicas da solda. Como se vê, há todo um malabarismo para se chegar a uma solução ótima. E por isso que a composição química dos revestimentos dos eletrodos e fluxos de soldagem são tão complexas. Não se tem até hoje, um modelo completo que permita estudar e entender o comportamento de um arco elétrico de soldagem principal mente quando há transferência de material e presença de escória. A situação toma-se ainda mais complicada quando se considera os diferentes tipos de corrente: o arco pode mudar completamente de comportamento quando se altera a polaridade em corrente contínua ou quando se passa para corrente alternada.
Além dos fatores inerentes à composição da sua atmosfera, o arco voltaico de soldagem é afetado por forças eletromagnéticas. A corrente produz um campo de forças de indução magnética, a qual atua perpendicularmente à direção da corrente através do arco [25]. Estas forças radiais, chamadas forças de Lorentz, causam uma pressão sobre a coluna do arco, sendo maior quanto mais estreito for o plasma, ocasionando um fluxo na direção axial, denominado jato de plasma. Este é o chamado "efeito constricção". Um aumento na condutibilidade térmica do gás, que resulta em um arco mais estreito, devido ao seu equilíbrio de energia, aumenta as forças axiais (caso do C 02).
A transferência de metal de adição é outro fator que influi enormemente no comportamento do arco. Muitas das teorias desenvolvidas para arcos sem material de adição, como o TIG, não se aplicam quando se trabalha com MIG ou MAG, por exemplo. A situação toma-se ainda mais crítica quando se
estuda arcos voltaicos de soldagem manual com eletrodos revestidos. Neste caso particular, a transferência de metal não é tão controlada como no MIG, e a quantidade de gases resultantes da queima do revestimento assim como a escória envolta nas gotas, dificultam a observação direta da transferência, causando explosões e produzindo fumaças, mudando completamente as condições de operação do arco. Neste caso, o mais comum é estudar o comportamento do arco através da observação dos oscilogramas de tensão e corrente de soldagem.
TABELA 3 - Densidade de corrente e queda de tensão do ânodo [13]
Cátodo Ânodo I (A) Atmosfera j, (A/cm2) « .(V )
I
Fe Fe 965 Ar 1450 - Cu Cu 1800 Ar 1800 ■ Fe Al 1050 Ar 1670 Fe C 990 Ar 1000 - Fe Fe 630 ar 1500 - Fe Fe 615 N , 1430 - C C 10-40 ar - 10-16 c C 2-50 n2 - 2-17 c C 20-200 Ar - 5-7 C C 200 ar - 1-2 Fe Fe 200-220 ar 1300-2000 - Cu Cu 200-220 ar 1000-1800 - Al Al 200-220 ar 500-1000 - Fe C 200-220 arfKjC03 200-400 - Fe C 200-220 ar+Ba(N03)j 500-800 - * FC C 200-220 ar+CaCOj 1000-2200 -
Finalmente, o arco voltaico pode sofrer ainda influência de outras forças eletromagnéticas, ocasionando o seu desvio do caminho mais curto entre o eletrodo e a peça, tomando-se instável. Este comportamento errático, conhecido como sopro magnético, causa vários problemas na solda e prejudica a transferência de metal através da coluna do arco [26], De forma que, para se analisar o comportamento do arco com relação as propriedades citadas anteriormente, deve-se ter a garantia de que não há influência do sopro magnético.
Vários critérios têm sido sugeridos para a avaliação quantitativa da estabilidade do arco voltaico. A seguir destacam-se os mais importantes:
(a) Um dos mais simples é conhecido como "critério Khrenov", o qual se baseia na medição do comprimento do arco no momento de sua extinção [27],
(b) Outro critério, empregado em vários trabalhos sobre eletrodos revestidos, avalia a estabilidade pela freqüência de extinções naturais do arco durante a soldagem [28,29],
(c) Paton propôs um método que avalia a estabilidade em CA pela magnitude do pico de reignição U, (figura 4) [27],
Tempo (s)
Figura 4 - Curvas de tensão e corrente indicando as variáveis empregadas no cálculo dos índices
(d) Um procedimento muito antigo [30], que relacionava a estabilidade do arco com a menor tensão em vazio eficaz de um transformador na qual o arco não se extingue espontaneamente [27], ressurge com grande atualidade com o advento do computador. A tensão em vazio mínima, U,,“1", pode ser determinada pela equação:
ü. min (V) (09)
onde: U,+ - média dos valores da tensão de reignição do arco no meio ciclo positivo (V) (fig. 4); o U( - desvio-padrão dos valores de U,+ (V).
Desta forma, quanto menor o valor de U0min, maior a estabilidade do arco.
(e) Pokhodnya e colaboradores [31] propuzeram um índice de estabilidade, B, que representa a taxa média do aumento da condutiv idade elétrica do espaço entre o eletrodo e o material de base durante o período de reignição do arco quando da mudança de polaridade em corrente alternada, que é determinada de acordo com a fórmula:
B
=Ux . t x
(Q V 1) (10)Para analisar a característica B, a tensão de reignição U, pode ser dada como: