Soldagema arco elétrico

Prof. Hélio Padilha

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

• 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.

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”.

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.

• 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.

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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 figura ao lado mostra a variação da tensão no arco com a corrente de soldagem . Esta curva é conhecida como “característica estática 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.

• 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.

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.

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 calor gerado num arco elétrico pode ser estimado, a partir da equação:

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• 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.

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.

• 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.

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.

• 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”.

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.

• 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.

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.

• 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.

Características magnéticas do arco

• 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;– Soldar com arco mais curto;– 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 alternada, pois o efeito de

sopro é menor.

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Fontes de energia para soldagem a arco

Introdução• 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.

Requisitos básicos

• 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;

• Controlar, durante a soldagem, a variação dos níveis de corrente e tensão de acordo com os requisitos da aplicação.

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 são importantes:– Na abertura do arco elétrico;– Durante mudanças rápidas no comprimento 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.

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.

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.

• 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.

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.

• 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.

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.

• 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.

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