Arco Electrico

Tecnologia dos Processos de Soldadura e Equipamentos

Módulo 1.5

Arco Eléctrico Direcção de Formação

Curso de Engenharia de Soldadura EWF IIW Guideline – doc. IAB-002-2000/EWF-409 (Revisão 1)

Objectivo No final do presente Módulo o formando deverá estar apto a:      

Identificar as diferentes zonas do arco eléctrico e o que caracteriza cada uma delas. Enunciar as características das zonas do arco eléctrico. Reconhecer as razões que lev am à utilização de determinado tipo de corrente e polaridade. Identificar quais os valores de temperatura mais comuns para o arco eléctrico. Analisar a quantidade e o tipo de radiação emitida pelo Arco eléctrico. Identificar a influência dos campos magnéticos no arco eléctrico.

Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –2 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Temas a Discutir 

Física do arco eléctrico (escorvamento do arco eléctrico, zonas do arco eléctrico, estabilidade do arco eléctrico)



Distribuição de tensão no arco eléctrico



Geração de calor no cátodo e no ânodo

 

Polaridade e características do arco eléctrico em DC e AC e seu controlo Influência do processo de soldadura



Distribuição de temperatura no arco e seus efeitos



Influência dos campos magnéticos no arco eléctrico



Limites de Aplicação


Resultados Esperados 

Explicar em detalhe os fundamentos físicos do arco eléctrico, incluindo os parâmetros que mais significativamente influenciam a estabilidade do arco.



Detalhar a geração de calor nas várias zonas do arco eléctrico.



Deduzir a influência dos campos magnéticos no arco eléctrico.



Solucionar os problemas de deflexão do arco eléctrico.



Explicar as características do arco eléctrico para DC e AC incluindo o seu controlo e limitações.


1 - Princípios Básicos Um arco eléctrico pode ser definido como um condutor gasoso no qual se transforma energia eléctrica em calorífica. Eléctrodos

– Descarga Eléctrica, que ocorre entre dois eléctrodos através de um gás ionizado a alta temperatura

O eléctrodo negativo, a partir do qual são emitidos os electrões que passam através do gás, é chamado cátodo. O eléctrodo positivo, é conhecido como ânodo. O deslocamento dos electrões do cátodo para o ânodo é o resultado da diferença de potência entre os dois eléctrodos. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –5 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Num arco eléctrico é possível distinguir três domínios: 



A coluna de arco, relativamente pouco emissiva e que assegura a ligação entre as duas manchas extremamente brilhantes que aparecem ao nível dos eléctrodos mancha catódica

 mancha anódica

Em corrente contínua, para o arco eléctrico entre eléctrodos de carvão, por exemplo, a mancha anódica (3500 K aproximadamente), parece mais brilhante que a mancha catódica (2700 K aproximadamente). Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –6 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Nos numerosos tipos de arco de soldadura existem três movimentos de partículas: 

Os electrões que partem do cátodo e vão bombardear o ânodo.



Os iões positivos que retornam na direcção do cátodo. Os iões negativos, tais como os de oxigénio, que caminham na direcção do ânodo.






Zona de Queda de Tensão Catódica



Zona de




Coluna de Arco Zona de Queda de Tensão Anódica

Queda de tensão total no arco V = Vc

Vc - queda de tensão catódica Va - queda de tensão anódica Vp - variação de tensão de coluna de arco

+ Vp + Va

Entrega térmica

Et

=η

VI v

η– V– I – ν–

rendimento do processo tensão intensidade de corrente velocidade de soldadura


O arco eléctrico de soldadura conduz na sua coluna um meio gasoso de alta temperatura em permanente evolução (5500 K no caso do arco eléctrico entre eléctrodos de carvão), no qual se formam iões por choque, o que justifica o nome de plasma para o designar .

Em termos gerais pode-se considerar que a formação de um arco eléctrico estável requer: • Temperatura elevada do cátodo, para que se gere a emissão de electrões. • Voltagem elevada, maior do que o potencial de ionização do gás que constitui o arco eléctrico. • Um ambiente gasoso que gere iões positivos em número suficiente. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 10 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

2 – Características Eléctricas A corrente e a tensão em cada zona podem ser expressas por: P = I(Vi + Vc + Vp) P Vi Vc Vp I -

potência (W) tensão no ânodo (V) tensão no cátodo (V) tensão no plasma (V) corrente (A)

Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 11 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Características típicas do arco eléctrico para diferentes processos de soldadura Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 12 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Característica Estática do Equipamento Em soldadura TIG

Assumindo que a parte relevante da característica da máquina é uma linha recta dada por: V = V0 + mI Então:

dI dV

=

1

m

A alteração da potencia de arco com a tensão é: d dI 1 (VI ) = I + V =I+ V dV dV m de modo que para não haver alterações de entrega térmica

1 = I

m

V V

Se o ponto operatório for I1 V1, então o declive óptimo é − 1 I1 e a equação fica V = V − V1 I 0

I1

O decline óptimo para minimizar alterações na potência do arco e portanto na entrega térmica mostrase na figura para os pontos operatórios 1 e 2. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 13 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Em soldadura MIG

V = V0 + mI V = V1 + nx x – comprimento do arco eléctrico

dx = −(v − b' I ) dt dx = −b' (I o − I ) dt

∂  ∂x  ∂I n   = b' = b ' ∂x  ∂t  ∂x m b’ e n são constantes, logo para obter o ajuste do comprimento do arco rapidamente, deve fazer m – a inclinação da caract erística estática da fonte de potên cia, o mais baixo pos sível ⇒ característica estática horizontal. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 14 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

3 – Eficiência do Arco Eléctrico O calor fornecido pelo arco eléctrico é transferido para o eléctrodo (q e), transferido por radiação e convenção na coluna de arco (qp) e transferido para a peça (qw) Soldadura TIG

η = 1−

qe

+ (1 − n ) qp + mq w VI

Soldadura MIG

1 n q mq η = 1− ( − ) p + w VI

n - % de calor transferida da coluna de arco para a peça m - % de calor dissipado Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 15 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

4 – Características das Zonas do Arco Eléctrico 4.1 - Coluna de Arco A coluna de arco zona central do arco eléctrico, é composta por electrões, iões positivos e partículas neutras (átomos e moléculas no estado excitado e não-excitado), é caracterizada por dois aspectos:  

Elevada temperatura (de forma a que o gás esteja suficientemente ionizado para que se torne condutor). Fluxo de elevada velocidade (do eléctrodo para a peça).

Gases com condutibilidade térmica baixa (por exemplo o Argon) dão origem a arcos estáveis, enquanto que gases de elevada condutibilidade térmica (por exemplo Hélio) conduzem a arcos mais instáveis. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 16 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

A equação de Saha para determinar o grau de ionização de uma coluna de gás, pode ser expressa da seguinte forma: 3

n n = 2 Z i ( 2 ∏ m e k T )2 e x p { - V i } kT no Z o h3 e

ne, ni, no Vi Zi , Z o H me k T

i

- densidade partículas (número de partículas por unidade de volume, de electrões, iões, e átomos neutros, respectivamente) - potencial de ionização do átomo neutro - funções de partição dos iões e partículas neutras - constantedePlanck - massa dos electrões - constantedeBoltzman - Temperatura


A densidade de partículas pode ser determinada considerando as condições de equilíbrio, assim o número de electrões é igual ao número de iões. ne = nI


A coluna de arco é caracterizada por: • Elevada temperatura, de modo a que o gás fique suficientemente ionizado para ser condutor. • Elevada velocidade direccional do eléctrodo para a peça.


4.2 – Zona de Queda de Tensão Catódica Uma das teorias com maior aceitação [Ref. 3] sugere três tipos de mecanismos alternativos para explicar a zona de queda de tensão catódica baseado no comportamento experimental em três casos extremos. Na prática podem ocorrer dois destes mecanismos, em simultâneo, ou alterações do tipo do mecanismo, durante a execução do cordão de soldadura. Os três mecanismos identificados são os seguintes: Emissão térmica (TIG) Emissão plasmogénica (corrente baixa, pressão elevada) Emissão de campo (MIG/MAG) Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 20 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

O balanço energético no cátodo tem influência na soldadura e pode-se dizer, que em geral, a energia desenvolvida na zona de queda de tensão catódica é utilizada para:  Alimentar

a corrente de electrões que entra na coluna de arco com

uma energia cinética dada por: EC = 3/2 (KTI / e)

K – constante de Boltzmann T – Temperatura I - Intensidade de corrente E – Carga do electrão

 Aquecer

qualquer gás ou vapor que circule através da zona de queda de tensão catódica


Balanço Energético no Cátodo Soldadura TIG

Soldadura MIG

Cátodo termoíonico

Cátodo não-termoíonico

Os cátodos termoiónicos

Os cátodos não termoiónicos ocorrem em soldadura:

ocorrem • carbonoem eléctrodos em: • tungsténio • molibdénio


• em metais não refractários • em metais refractários a baixa corrente e/ou pressão.

Balanço Energético num Cátodo Termoíonico  

IVc = qe + I  φ +

3 KT   2 e 

f – função de trabalho T – temperatura do gás

3 KT 2 e Vc

- energia térmica dos electrões

3 KT  qe =  φ + + 2 e  I 

Sabe-se actualmente que o valor de qe não varia significativamente com a corrente, portanto a queda de tensão catódica deve reduzir quando a corrente aumenta. Quantitativamente para eléctrodos toriados. = 3,5 Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 23 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

3 KT = 0,5 a 1V 2 e qe a 100 A = 0,8V I

I ↑ ⇒ Vc ↓

⇒V

= 4,8 a 5,3V

⇓ V medido de 7,5V


c

Como Va é 2,2 a 2,7 o valor calculado está correcto.

Balanço Energético num Cátodo não Termoíonico Há pelo menos três tipos de cátodos não termo iónicos: • Os de vapor, que se formam em metal limpo, sem filmes. • Os em forma de túnel, que se formam quando há películas de óxidos finas. • Os que se movimentam, que se formam quando há películas espessas de óxidos. Em soldadura MIG forma-se sempre uma película de óxido superficial no qual condensam iões positivos, srcinando um campo eléctrico elevado. i) do No filme caso de se em o campo é maior que 109 v/m, os electrões “furam” um túnel através de filmes óxido efinos, geram local de emissão; ii) para filmes mais espessos o fenómeno conhecido como “gwitching” (movimentação) torna o filme condutor localmente. Isto permite o fluxo de correntes relativamente elevadas nos filamentos através do óxido. Cada local de emissão tem aproximadamente 100 nm de diâmetro e um tempo de vida de 1ns a 1 µs. O efeito geral é o descolar da película de óxido e a geração de jactos de vapor metálico muito pequenos mas intensos e salpicos. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 25 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Cátodos móveis ⇒ transferência repelida Balanço energético de um cátodo não termoiónico VcI - absorvida como calor na chapa - gasto como energia química e eléctrica na dispersão dos óxidos - gasto como energia cinética no jacto de vapo r emitido pelas manchas catódicas individuais Ligas de alumínio com elementos com elevada pressão de vapor – Mg, Zn, Li ⇒ instabilidade do arco, salpicos Material Al Mg

Função Trabalho 4.28 3.66

Mg Al2O3

3.1 3.9


Tabela - Função de trabalho de vários elementos e dos seus óxidos

Balanço de Potência Calorífica num cátodo não Termoiónico Cátodos móveis ⇒ transferência repelida

R

R

R

R

Fe Fe

Fe

Fe Ra

Ra

Ra Ra

Queda de tensão num cátodo não-termoiónico – V c =10 a 20V VcI - absorvida como calor na chapa - gasta como energia química e eléctrica na dis persão dos óxidos - gasta como energia cinética no jacto de vapor emitid o pelas manchas catódicas individuais Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 27 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Em soldadura MIG utiliza-se polaridade inversa para evitar os problemas de instabilidade do arco eléctrico e consequentemente do modo de transferência, embora a produtividade do processo fosse superior em polaridade directa. Em soldadura TIG utiliza-se polaridade directa para reduzir a quantidade de calor libertado no eléctrodo e evitar a sua fusão.


4.3 – Zona de Queda de Tensão Anódica Embora se tenham realizado vários estudos com o objectivo de explicar a zona de queda de tensão anódica a teoria está ainda incompleta. No entanto há três fenómenos que devem ocorrer:   

A temperatura deverá descer do valor da coluna de arco para o valor da do ânodo. Deve ser produzida uma determinada quantidade de iões para fluirem para a coluna de arco. Os iões produzidos devem ser acelerados e a sua temperatura deve aumentar até ao valor da temperatura da coluna de arco.


Balanço Energético do Ânodo Soldadura TIG Os fenómenos que ocorrem no ânodo e que influenciam as características do processo são: • Calor desenvolvido • Densidade de corrente • Queda de tensão anódica E é necessário compreender o efeito das variáveis do processo nestes aspectos. Em soldadura TIG, usualmente, utiliza-se polaridade directa logo o ânodo está na peça.

Soldadura MIG Em soldadura MIG utiliza-se usualmente corrente contínua e polaridade inversa, logo o ânodo está no eléctrodo e forma-se na sua ponta ou na superfície do fio. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 30 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Modos Anódicos Baixa corrente Anode Spot Mode (modo de mancha anódico)

O ânodo fixa-se num ponto específico na peça. A movimentação do eléctrodo provoca alterações da posição ânodo - modo de mancha anódica. Alta corrente Anode manual Mode (modo anódico normal) A coluna de arco tem a forma de sino, o ânodo é estável simétrico e não é significamente influenciado pelo movimento do ânodo

Soldadura MIG O modo anódico é normal Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 31 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Balanço do Calor no Ânodo Soldadura TIG Quando o ânodo está na chapa a entrega térmica é devida à condensação dos electrões mais a energia ganha na passagem da zona de queda de tensão anódica e o calor gerado por convenção e radiação no arco. Utilizando a mesma notação que para o calor catódico temos:

3 KT (1 + m)qw =  φ w + + Va I + nq p 2 e   Soldadura MIG Quando o ânodo está no eléctrodo não há contribuição de calor por convecção e radiação em coluna de arco pelo que:  3 KT +  (1 + m)qe =  φ + VA  I  2 e  Queda de tensão anódica Va = 1a 5V Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 32 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Tipos de Corrente e Polaridade Nos processos de soldadura por arco eléctrico utilizam-se dois tipos de corrente: • Corrente alterna • Corrente contínua A utilização de corren te contínua em relação à corrente alterna, traz alguma s vantagens entre as quais se podem referir: • A ocorrência de um arco mais estável devido à ausência do problema do reescorvamento do arco todos os meios ciclos. • Uma vez que a polaridade é constante. uma mais fácil e regular transferência de metal através do arco. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 33 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Para obter um arco eléctrico estável devem-se seguir os seguintes princípios:

• Estabilidade na localização da mancha catódica ou anódica no eléctrodo; • Se o eléctrodo for consumível a transferência do metal em fusão do eléctrodo para a peça deverá ser regular, em pequenas gotas, de modo axial, bem dirigida e sem salpicos; • Na peça o banho de fusão deve mover-se suavemente, e manter uma posição fixa em relação ao eléctrodo, i.e. o arco deve incidir sempre na mesma zona do banho de fusão, o que no caso de soldaduras de grande velocidade ou de pequeno banho de fusão é particularmente crítico, uma vez que nestes casos o arco tende a ter um carácter errático; • A corrente de soldadura deve ser estável; • O arco não se deve extinguir facilmente. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 34 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Manchas Catódicas em TIG Corrente Alterna

Função de trabalho de vários elementos e dos seus óxidos Dispersão de manchas catódicas

Material Al Mg

Função Trabalho [V] 4.28 3.66

MgO Al2O3

3.1 3.9

Al 1050

Al 5083


Soldadura por fusão

5 - Gás de Protecção Um gás com baixo potencial de ionização como o argon, transforma átomos em iões com facilidade. Um gás com elevado potencial de ionização como o hélio, produz um arco mais difícil de iniciar e mais instável. Os gases mais que têm térmica maisportanto elevadaa transferem calor condutibilidade para a peça, influenciando forma do cordão de soldadura obtido. A composição dos fumos desenvolvidos e nomeadamente o teor de ozono libertado é um condicionante a tomar em conta na selecção do gás de protecção. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 36 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Opinião dos soldadores sobre diferentes misturas gasosas, numa média obtida em cordões depositados em quatro posições: ++ excelente, + bom, 0 satisfatório, - pobre, -- muito pobre Argon Ar+ Ar/He Ar/He(70/30) 4.8

0.03%No

(70/30)

+0.03No

Estabilidade do arco

+

++

+

++

Controlo do banho de fusão

+

++

+

++

Comportamento do banho de fusão Poucos bordos queimados

+ +

+ ++

++ +

++ ++

Poucos salpicos

++

++

++

++

Luminosidade do cordão

++

++

+

++

Regularidade da superfície do cordão Total (+)

++

++

+

++

10

13

9

14


6 - Transferência de Metal O modo de transferência influencia significativamente a estabilidade do arco e consequentemente a qualidade do cordão de soldadura Os mecanismos que levam à ocorrência de um ou outro modo de transferência têm sido abordados por vários investigadores: • Conray – 1940 • Spraragen and lengyel – 1943 • Les newich – 1955/1958 • Needham – 1960 • • • • • • •

Cooksey and Milner – 1966 Becken – 1969 Nishiguchi and Matsunawa – 1976 Erdmann Jesnitzer – 1977 Waszink and Croat – 1979 Allum and Quintino – 1985 Waszink and Piena – 1985

Em 1976 foi acordado, no Instituto Internacional de soldadura, que independentemente dos mecanismos envolvidos e da física do processo, os modos de transferência se classificam do seguinte modo: Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 38 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Modo de transferência influencia significativamente: Estabilidade do arco ⇒ qualidade do cordão de soldadura

Modos de Transferência


As forças que actuam na transferência de metal são: Fg – força de gravidade Fs – força de arrastamento do plasma Fem – força electromagnética Fγ – tensão superficial Fv – Forças de vaporização uma gota destaca-se quando: Fg + Fs + Fem = Fγ + Fv


Força de gravidade

Fg

= mg g

mg – massa da gota g – componente vertical da aceleração da gravidad e

Força de arrastamento do plasma F

= 0,5 πv 2 d r 2 c

s

g

g

vg – velocidade do gás dg – densidade do gás r – raio da gota c – coeficiente de arrastamento

Força electromagnética

Fem

µI2  ra  = ln 4π  R 

µ -permeabilidade magnética I – intensidade de corrente ra – raio de “saída” da corrente R – raio de “entrada” da corrente

2



Força devida à tensão superficial

Fγ

= πd× γ

d – diâmetro do fio γ – tensão superficial

Força de vaporização Fv

mo I J dv

=

mo dv

IJ

– total de massa vaporizada por seg. por amp – intensidade de corrente – densidade de corrente – densidade de vapor


Designação do modo de transferência 1. Transferência em voo livre 1.1 Globular 1.1.1 Gota a Gota 1.1.2 Repelida 1.2 Chuveiro (spray) 1.2.1 Projectada 1.2.2 Jacto não direccional 1.2.3 Rotacional 2 Transferência com formação de ponte líquida 2.1 Curto circuito 2.2 Ponte sem interrupção 3. Transferência com protecção gasosa 3.1 Guiada por parede de fluxo 3.2 Outros Modos

Exemplo de processo de soldadura onde ocorre

MIG/MAG baixa corrente MAG e MIG DCEN MIG/MAG corrente pulsada MIG/MAG corrente média e alta MIG/MAG corrente elevada MIG/MAG baixa corrente TIG com varreta SAS SAS, fio fluxado electroescória


Frequência de destacamento de gotas em fio de alumínio de 1.6mm em argon Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 44 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Frequência de destacamento de gotas em alumínio, eléctrodo positivo, protecção-argon.






Soldadura MIG com Corrente Pulsada Em determinadas circunstâncias pode ser benéfico utilizar soldadura MIG com baixa entrega térmica que implica a utilização de intensidades de corrente abaixo da corrente de transição. Uma possibilidade para se conseguir um modo de transferência estável, caracterizado por gotas pequenas que se destacam regularmente da ponta do eléctrodo é, injectar um impulso de corrente que provoque o destacam ento da gota – transferência projectada (classificação IIW). Considerando uma onda quadrada temos que a corrente média é dada por:

Im =

Ip t p + I b + b tp + tb

F=

1 tp + tb


Para destacar uma gota por impulso a equação genérica é:

Ip n t p = D em que n e D são coeficientes experimentais que variam com o material e as condições de soldadura. 1,556 Para alumínio estes valores são: t p I p = 16,85 Diâmetro do fio

Alumínio Ip 250 200

1.2 1.6 O volume da gota é dado por: Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 51

Tp 2.5 5.0

 V = w.A   g  F  

Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Taxa de deposição: desde que

W = αI m + βl Ip 2 + t p F

em alumínio

Ipt p F >> I b t b

W≈K

K = f (I p , t p , l ) Vg = (kA )

Utilizando as equações apresentadas é possível determinar os parâmetros adequados do seguinte modo: 1. Seleccionar os valores de IP e tP através da curva de destacamento do material. 2. Seleccionar o valor adequado de Im para a aplicação 3. Determinar a velocidade de alimentação de fio através da curva da taxa de fusão 4. Seleccionar a frequência da onda de corrente através da curva velocidade de alimentação – frequência 1 5. Determinar tp através de: tb =   − tp  F

6. Determinar Ib através de: I b Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 52 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

= Im t p + t b − Ipt p / t b

Im F



A taxa de fusão para alumínio é dada por:

ba

=

πre 2 W ρ I

=

3 KT 2 e Hm + (Td − Tm )c p

φ + Va +

Taxas de fusão para eléctrodos em alumínio em arcos de elevada corrente

Metal

Gás

Polaridade do eléctrodo

Taxa de fusão ba 10-6[Kg/A.s]

Alumínio

Argon Argon Argon Argon Hélio

Positivo Positivo Positivo Negativo Positivo

2,3 2,0 2,0 – 2,3 4,0 2,25 – 2,5

Sabendo a taxa de fusão do fio pode-se seleccionar a intensidade de corrente que se pretende para obter a taxa de depósito desejada. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 55 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino


Exemplo de forma da onda de corrente

Modo de transferência obtido Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 56 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Temperatura na Coluna de Arco

Distribuição de temperatura em soldaduracorrente TIG para intensidades de diferentes


Efeito da variação do comprimento do arco eléctrico na distribuição das isotérmicas


Distribuição da temperatura em Soldadura MIG de Alumínio Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 59 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Na equação de equilíbrio energético de Elenbaas - Heller, as perdas radiais devido à condução e à geometria cilíndrica do arco podem ser expressas da seguinte forma:

σ E2 = -

1 d

(rk

r dr

- condutibilidade eléctrica E - força do campo eléctrico k - condutibilidade térmica r - raio da coluna de arco T - temperatura Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 60 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

dT dr

)

Condutibilidade térmica de alguns gases em função da temperatura Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 61 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

7 - Radiação

Espectro de um arco estabelecido em eléctrodo de tungsténio e protecção a argon. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 62 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

8 – A Influência dos Campo s Magnéticos no Arco Elé ctrico Os efeitos dos campos magnéticos externos no arco eléctrico são determinados pela força de Lorentz a qual é proporcional ao vector do produto da força de campo ext erior pela co rrente. São es tes ca mpos magnéticos ext ernos que ocasionam deflexão do arco.

Sob certas condições o arco tem tendência a afastar-se do ponto da soldadura tornando difícil a execução de um cordão com características satisfatórias. Este sopro magnético, de efeitos magnéticos fenómeno, qualelé sectrico chama. Em envolvem oaoarco gera l o sopro resulta magnético é o resul tado de dque uas condições básicas:

1. Mudança de direcção do fluxo de corrente ao entrar na peça e ao ser conduzido para o "cabo de massa". 2. A distribuição assimétrica do campo magnético em torno do arco que normalmente ocorre quando se executa o cordão perto do fim de chapas de materiais ferromagnéticos.


Força que actua sobre o arco causada pela assimetria do campo magnético, devido à posição da ligação à terra. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 64 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Distorção do arco provocada pela assimetria do campo magnético na parte final da chapa.

Sopro magnético nas pontas de uma peça ferromagnética. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 65 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Efeito da corrente Eddy de neutralização do campo magnético induzido por corrente alternada.


Soldadura Laser Evolução da Tecnologia Laser: Laser CO2

- maior potência - melhor qualidade de feixe - menor dimensão do equipamento

Laser Nd-YAG - maior potência - melhor capacidade de transporte através de fibras ópticas Laser diodo

- pequena dimensão - baixo peso - limitação na potência máxima - baixa qualidade do feixe


Absorção de energia Eficiência de transferência E - energia absorvida ηt = a ET - energia gerada pelo laser Modo condução de calor – ηt ⇔ absortividade do material Modo “Key-hole” – ηt ↑ ⇔ absortividade aumenta porque há reflexões multiplas no “key-hole” Esta relação pode ser expressa por: η λ (T )

= ε λ (T ) = 0,365(r / λ )1 / 2

Onde: - ηλ(T) e ελ(T) são a absortividade e a emissividade à temperatura T - r é a resistividade à temperatura - λ é o comprimento de onda Modo “key-hole” – Absorção aumenta CO2 em Aℓ – requer Pmin CO2= 106 Wcm-2 ND-YAG em Aℓ – requer P < Pmin CO2 Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 68 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Natureza de superfície

Preparação de superfície Anodizado Limpo a jacto de areia Como recebido Polimento electrolítico

5456 Al Alloy 99 999% Al 27 22 22 20 5-12 7 4 5

Concentração de elementos de liga voláteis no banho de fusão – ligas com mais elementos voláteis são mais facilmente soldáveis. Exemplo: Li na 2090 Mg nas 5xxx Zn nas 7xxx Dimensão e natureza do plasma: - absorve energia do laser - dispersa energia do laser Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 69 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Eficiência de fusão Q - calor necessário para fundir o metal base η f = m. b Q absorv. - calor total absorvida pela peça η f = 0,48 − 0,29 exp − R y / 6.8 − 0,17 exp − R y / 59 em que Ry – qin – v– α– ∆Hm –

é o número de Rykaline modificado: R y

in .v αq2 ∆Hm

potência absorvida pela peça velocidade de soldadura difusividade térmica à temperatura de liquidus entalpia de fu são

Deve-se usar a maior potência laser disponível e velocidades de soldadura elevadas mas tendo o cuidado de manter o modo “key-hole” para se obter a melhor eficiência de fusão. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 70 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Forças de actuam no Key-hole Forças que tendem a formar e manter o “Key-hole”

Forças que tendem a fechar o “Key-hole”

a) Pressão do feixe (Pb) É a pressão de radiação Pb em que

W

=

W Ac

a) Pressão gravítica Pg = ρ gh

é a densidade de potência e

A

c é a velocidade da luz.

b) Pressão superficial

2γ R

Pγ =

b) Pressão do vapor (Pv) c) Pressão de recuo

Pr = W 2 / Pg QA 2 Q – calor requerido para vaporizar 1Kg de metal Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 71 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Balanço de forças no “Key-hole” a) Fundo do key-hole

Pb + Pr + Pv =

h=

2γ + ρgh r

Pb + Pr + Pv −

ρg b) Lados do key-hole Pressão nas paredes do capilar exercida pela tensão superficial -

γ r

γ Pv > + ρgx para que o “key-hole” não feche (x – profundidade) r Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 72 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

2γ r

Conclusões 1. A tecnologia de soldadura apresenta um conjunto de processos que permitem responder a uma grande diversidade de casos, como p.ex. a soldadura de metais, plásticos e compósitos ou a soldadura de chapa/tubo muito fino ou muito espesso. 2. A evolução da tecnologia de soldadura tem sido no sentido de maximizar a produtividade e melhorar a qualidade dos cordões obtidos. 3. Os processos de soldadura distinguem-se entre si pela fonte de energia envolvida, fonte de calor, esforço mecânico, tipo de protecção, existência de material de adição. 4. As especificidades de tecnologia de soldadura e os riscos associados à execução incorrecta de cordões de soldadura têm vindo ao desenvolvimento de normalização nacional e internacional (NP, EN, ISO). 5. A execução de uma construção soldada exige um conhecimento não só sobre os processos de soldadura mas também sobre materiais, normalização, garantia de qualidade, concepção e projecto. Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura – 73 Rev. 0 (20-10-2003) Luisa Coutinho de Almeida Quintino

Bibliografia 1.

Processos de Soldadura (JF Oliveira Santos, L. Quintino, Edições ISQ)

2.

Welding Handbok

(AWS American Welding Society, Vol. I, 8ª Edição ) 3.

The procedure Handbook of Arc Welding

(Lincoln Electric, 12ª Edição ) 4.

Tecnologia da Soldagem (Paulo Villani Marques, Belo Horizonte, Brasil, 1991)

5.

Manual del Soldador (German Hernandez Music, José L. Diaz Reux e Belén Pérez Marces, Association Española de Soldadura Y Tecnologias de Unión, 1996 )


Arco Electrico

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