AULA 3 INTRODUÇÃO A FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO

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ESCOLA DE ENGENHARIA PROCESSOS METALÚRGICOS

SOLDAGEM

Prof. Bruno Brum Moura

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Programação da Disciplina

-03/OUT: INTRODUÇÃO À SOLDAGEM;

-05/OUT: TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA DOS PROCESSOS DE

SOLDAGEM;

-10/OUT: - INTRODUÇÃO A FÍSICA DO

ARCO ELÉTRICO

VOLTAICO;

-12/OUT: FERIADO NACIONAL;

-17/OUT: PROCESSOS DE SOLDAGEM MIG/MAG/TIG/ ELETRODO

REVESTIDO;

-19/OUT: AULA PRÁTICA DE SOLDAGEM NO LABORATÓRIO

MIG/MAG

-24/OUT: REVISÃO DOS CONTEÚDOS ABORDADOS

-26/OUT A 21/NOV: ENG. MEC. JÚLIO ROSCA

-23/NOV: REVISÃO PARA PROVA PROF. DR. JORGE BRÁZ

-28/NOV: AVALIAÇÃO PROF. DR. JORGE BRÁZ.

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ESCOLA DE ENGENHARIA

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Revisão

• Como se dividem os processos de Soldagem?

• Como podem ser divididos os processos de soldagem por fusão?

• Cite e explique 4 processos de soldagem por pressão, aponte suas principais características. • Qual a principal característica do Processo de soldagem por Brasagem que o diferencia dos

demais processos por fusão?

• Como podem ser divididos os processos de soldagem a arco elétrico?

• Cite ao menos 3 processos de soldagem por fusão, que utiliza arco elétrico, e defina suas

principais características.

• Através da terminologia e simbologia, especifique um processo de soldagem TIG de junta

Topo, com chanfro em V, de ângulo 60°, folga de 8mm (ou abertura de raiz), perna de 20 mm e garganta efetiva (penetração) de 25mm, que deve ser realizada em campo, com a utilização de um dispositivo cobre junta.

• Especifique um processo de soldagem MIG de junta em ângulo, de filete duplo, com chanfro

em meio V, perna de 10 mm e garganta efetiva (penetração) de 12mm, que deve ser realizada em campo, de largura igual a 60mm espaçadas de 120mm.

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PROCESSOS METALÚRGICOS Introdução à Física do Arco elétrico voltaico

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Na soldagem a arco elétrico

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.

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. O termo arco foi aplicado a este fenômeno em função de sua forma característica resultante da convecção dos gases quentes gerados pelo mesmo;

Na pressão atmosférica, o arco é caracterizado por temperaturas muito elevadas, que causam a ionização parcial de seus gases com formação de íons positivos e elétrons. Estes (íons e elétrons) são os responsáveis pela condução da corrente elétrica através do arco, sendo os elétrons responsáveis por mais de 90% da corrente total

Introdução à Física do Arco elétrico voltaico

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ABERTURA E FUNCIONAMENTO DO ARCO ELÉTRICO:

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 (cátodo) 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. Isto mantém a corrente através do espaço de ar e sustenta o arco;

Na prática para acender o arco, no processo de soldagem por eletrodo revestido, 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

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Em soldagem, o arco normalmente ocorre entre um eletrodo cilíndrico e uma superfície (a peça), dando a esse um formato típico de tronco de cone. O eletrodo pode ser de um material refratário como o tungstênio (eletrodo não consumível) ou de metal de menor ponto de fusão como o aço (eletrodo consumível). Neste último caso, o processo é mais complicado pois tem-se:

(a) passagem de metal fundido (e, às vezes, de escória) através do arco; (b) geometria variável da ponta do eletrodo e;

(c) comprimento de arco variável e dependente do balanço entre as velocidades de alimentação e fusão do eletrodo

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Determinação de Curvas características do arco no processo GTAW

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Pode-se observar que estas curvas são diferentes da esperada para uma resistência comum, para a qual vale a Lei de Ohm (U = Ri, com R constante) que expressa uma linha reta que passa pela origem.

A curva característica do arco apresenta um valor mínimo de tensão para valores intermediários de corrente. Para maiores ou menores correntes, a tensão tende a aumentar.

O aumento da tensão para pequenos valores de corrente está ligado, em parte, com a redução da temperatura dos gases do arco devido à menor quantidade de energia gerada no arco. Menores temperaturas implicam em menos ionização e, portanto, em uma maior resistência à passagem da corrente elétrica.

Estas curvas dependem de diversos fatores tais como: Tamanho, forma, material e temperatura dos eletrodos; Composição e pressão do gás de proteção; e

Comprimento do arco (la)

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A composição química da atmosfera do arco influência características como a facilidade de ionização e a transferência de calor do arco para o meio ambiente. Estes efeitos por sua vez afetam a condutividade elétrica do arco e, portanto, a forma da curva característica. Por exemplo, na soldagem GTAW, a adição ao argônio de praticamente qualquer um dos gases usualmente usados neste processo tende a aumentar a tensão de operação do arco, isto é, desloca a curva característica para cima.

O cátodo (o eletrodo ligado ao polo negativo da fonte que fornece energia elétrica para o arco) tem grande importância sobre a curva característica pois passa para o arco a maior parte dos elétrons necessários para a sua manutenção.

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O mesmo não acontece ao longo do arco elétrico, existindo quedas abruptas de tensão junto aos eletrodos (ânodo e cátodo) que atingem entre 1 e 20 V.

A variação da tensão ao longo do arco sugere que este pode ser dividido em, pelo menos, três regiões principais:

-Zona de Queda Catódica: fornece a maior parte dos

elétrons responsáveis pela condução da corrente para o Arco

-Coluna de Plasma: A coluna compreende praticamente todo

o volume do arco, sendo constituída por partículas neutras (moléculas e átomos), íons e elétrons livre

-Zona de Queda Anódica: O ânodo não emite íons positivos

(que são criados por ionização térmica dos gases na coluna do arco) e assim, há uma maior concentração de elétrons (cargas negativas), o que causa a queda de tensão nesta região

Em um fio metálico percorrido por um dado valor de corrente, a tensão elétrica varia uniformemente ao longo de seu comprimento (x) pois:

U=R.I ... R=𝝆𝒙

𝑨

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Energia Térmica gerada no arco elétrico

Dista sobre a transformação da energia elétrica em energia térmica, devido a uma elevada eficiência, o calor gerado em um arco elétrico pode ser estimado a partir de seus parâmetros elétricos

Q=V.I.t

Onde:

Q= energia térmica gerada em joule (j) V=queda de potencial no arco (v)

I=corrente elétrica no arco (A) t= tempo de operação (s)

A figura ao lado representa um perfil térmico (isotermas) em um processo de soldagem TIG em uma peça de cobre refrigerada a água e com L_a = 5 mm, em gás inerte

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Características magnéticas do arco elétrico

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:

F = B . i . l

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.

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Corrente de Soldagem (Polaridade)

Em função do comportamento dos polos do arco serem diferentes, convencionou-se chamar de

polaridade direta aquela em que o eletrodo é o cátodo (polo negativo) e a peça é o anodo,

representada por CC- ;

Quando o eletrodo é o anodo (polo positivo) e a peça o cátodo, a polaridade é dita inversa, CC+

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Balanço energético.

a) O calor gerado no ânodo e no cátodo é aproximadamente o mesmo, para um mesmo modo de emissão

b) Se o eletrodo é negativo: metal-base se torna mais aquecido que o eletrodo, tendo penetração grande e estreita.

c) Se o eletrodo é positivo: eletrodo é mais aquecido. Necessário maior diâmetro. Penetração do cordão é pequena e larga.

d) Íons são responsáveis pela limpeza da superfície

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Balanço energético.

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CORRENTE CONTÍNUA

CC-Fluxo de elétrons do eletrodo para o metal de base - fenômeno denominado “Emissão Termiônica”, que

demanda pouca energia (baixa tensão, para uma dada corrente) e, consequentemente, aquece pouco o eletrodo.

Esse tipo de corrente e polaridade se aplica para a soldagem de aços ao carbono, de baixa liga e de aços inoxidáveis

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CORRENTE CONTÍNUA CC+

Em CC + o arco elétrico é menos estável que com a corrente CC – e normalmente utilizado em chapas finas;

Há um aquecimento excessivo (desgaste) do eletrodo;

Se o eletrodo é mais aquecido se faz necessário maior diâmetro. Penetração do cordão é pequena e larga

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CORRENTE ALTERNADA CA

Utilizada em solda de alumínio, magnésio e suas ligas (devido a capacidade de limpeza catódica).

Na soldagem com corrente alternada (CA), na qual o arco se apaga a cada mudança de polaridade dos eletrodos, os processos ocorrendo no cátodo são também importantes para a reabertura do arco.

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CORRENTE PULSADA

O cordão assume um bom aspecto, com estrias finas e regularmente espaçadas;

Diminui a susceptibilidade à formação de trincas de solidificação pela quebra da frente de solidificação a cada ciclo de pulso

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Transferência de Metal de Adição

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 se soldar fora da posição plana,  o formato do cordão e

 a própria estabilidade do processo.

A maioria dos estudos de transferência de metal foi realizada com o processo GMAW. O modo de transferência de uma dada condição de soldagem depende de fatores como:

 os parâmetros elétricos do arco (tipo e valor da corrente, tensão e polaridade);  o diâmetro e composição do metal de adição;

 tipo e composição do meio de proteção;  comprimento o eletrodo, etc.

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PROCESSOS METALÚRGICOS Terminologia e Simbologia

Transferência por Curto Circuito

• Ocorre na soldagem com um pequeno comprimento do arco (baixa tensão) e, mais comumente, com uma baixa corrente.

• A ponta do eletrodo atinge periodicamente a poça de fusão, ocasionando um curto circuito e a extinção do arco.

• Com o curto circuito, a corrente eleva-se rapidamente, aquecendo o eletrodo por efeito Joule (R I2_{) e aumentando a sua fusão.}

• Com isto, o curto circuito é rompido e o arco é restabelecido.

A cada segundo, entre cerca de 20 e 200 curtos podem ocorrer neste tipo de transferência

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Condições de corrente e tensão para as diferentes formas de transferência

para a soldagem GMAW com um gás de proteção a base de argônio (esquemático).

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Transferência Globular

• Caracterizada pela formação, na ponta do eletrodo, de grandes gotas de metal líquido (diâmetro superior ao do eletrodo) que se transferem sob a ação da gravidade para poça de fusão com uma baixa frequência (10-1 a 100 gotas/s).

• Com um gás de proteção a base de argônio, esta forma de transferência é observada para corrente baixa e tensão (e comprimento de arco) elevada.

• Na soldagem de aço com proteção a base de CO2, a transferência globular ocorre mesmo com valores elevados de corrente

• A transferência globular típica é similar a uma torneira gotejando.

• O metal líquido forma-se na ponta do arame e mantém-se preso a esta por ação da tensão superficial. Com o aumento do tamanho da gota, o seu peso aumenta e acaba por ocasionar a sua separação do arame e a sua transferência para a poça de fusão ocorre por ação da gravidade

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Transferência Globular repulsiva

Ocorre na soldagem GMAW com eletrodo negativo ou com proteção de CO2, a gota na ponta do eletrodo pode ser repelida do eletrodo para longe da poça de fusão.

Está associada com forças de reação pela geração de vapores ou do plasma em uma pequena região da gota.

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Transferência explosiva

Quando o metal de adição possui materiais voláteis capazes de gerar grande quantidade de gases na gota ainda presa à ponta do eletrodo, esta pode explodir devido à formação de bolhas no seu interior. Neste caso (transferência explosiva), o material se transfere na forma de finas gotas, lançadas em diferentes direções

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Transferência Spray (Goticular):

Quando a mistura de proteção é rica em argônio e o eletrodo está ligado ao polo positivo, o diâmetro das gotas transferidas se reduz com o aumento da corrente.

Acima de um certo nível de corrente (corrente de transição, Ic), ocorre uma rápida redução do diâmetro das gotas ao mesmo tempo que o arco, que antes cobria apenas a parte inferior da gota na ponta do eletrodo, passa a envolvê-la completamente.

A transferência não é mais controlada pela força de gravidade, passando a ser dominada pela força magnética, e as gotas são lançadas para a poça de fusão independentemente da posição de soldagem.

A transferência tende a ser muito estável, com mínimas perturbações no arco e muito poucos respingos.

A necessidade de uma corrente relativamente alta dificulta ou inviabiliza a soldagem de chapas finas (pela facilidade de furar o metal base)

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Transferência Spray (Goticular):

A corrente de transição depende de fatores como a composição, diâmetro e comprimento do eletrodo e o tipo de gás de proteção. A tabela a seguir, mostra valores da corrente de transição para aço carbono e alumínio para diferentes diâmetros de arame.

A transferência spray é característica da soldagem GMAW com proteção rica em argônio e com o eletrodo positivo. Na soldagem dos aços, adições de CO2 ao gás de proteção aumentam Ic até que, acima de cerca de 30% de CO2, esta forma de transferência não é mais observada. Adições de O2 ao argônio reduzem Ic até cerca de 5% de O2 quando, então, Ic passa a aumentar

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Resumo transferência metálica

1. Globular: metal é transferido por glóbulos com diâmetro próximo ao eletrodo nu, ou alma do eletrodo.

2. Spray: metal é transferido por gotas pequenas, bem menores que o diâmetro do eletrodo.

3. Curto circuito: metal é transferido por contato direto entre eletrodo e a poça de fusão através de uma gota.

4. Arco Pulsado: similar ao spray, difere porque a gota é transferida por pulso.

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Modenesi, P. J Introdução à Física da Soldagem . Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Janeiro de 2012.