C A P Í T U L O I I I O ARCO ELÉTRICO

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1 10 C A P Í T U L O I I I O ARCO ELÉTRICO 1. Características do arco. O arco elétrico pode ser considerado como um condutor gasoso, que transforma energia elétrica em calor e é usado na soldagem para produzir grande quantidade de calor e por ser de fácil controle por meios elétricos. A origem do nome arco é devida à forma assumida pelo mesmo, quando estabelecido entre dois eletrodos colocados na posição horizontal, em função da corrente ascendente dos gases aquecidos. Além de usado como fonte de calor, o arco é também usado em certos casos, na remoção de óxidos da superfície metálica. Além disso, o arco influencia sobemaneira o modo de transferência do metal líquido quando existe deposição, desde o eletrodo até a peça. O arco eletrico usado em soldagem é considerado como uma descarga num meio gasoso condutor e a corrente conduzida através do meio, gera calor e luminosidade. Os arcos usados em soldagem podem ser contínuos, mais frequentemente intermitentes, por causa de interrupções causadas por curtos-circuitos ou descontínuos, influenciados por alternância do fluxo de corrente ou por fluxo turbulento de gás condutor. A corrente no arco é transferida através do plasma, ou seja, o estado em que o gás se encontra ionizado e onde o número de elétrons é aproximadamente igual ao número de íons ( equivale a dizer, um meio eletricamente neutro ). É um meio de alta temperatura, em equilíbrio e em evolução permanente. O nome plasma em grego significa meio. Para a manutenção do arco elétrico é necessário o cumprimento de algumas condições particulares: - existência de uma diferença de potencial conveniente entre os eletrodos. - existência de uma distância mínima entre os eletrodos. - existência de uma atmosfera ionizável. - capacidade de termo-emissão eletrônjica por parte do eletrodo. Inúmeros parâmetros podem modificar o aspecto do arco: natureza, forma e dimensões do eletrodo, comprimento do arco, forma e pressão do meio envolvente, característica da fonte de corrente e intensidade da corrente elétrica. 2. Descrição dos fenômenos elétricos do arco. O estudo do arco elétrico através de uma lente escura, permite vislumbrar três áreas distintas. - uma zona brilhante no catodo. - uma zona mais brilhante no anodo. - uma coluna gasosa, de alta temperatura, ligando anodo e catodo. O catodo emite elétrons na razão direta da intensidade da corrente. No trajeto, os elétrons se chocam com moléculas, gerando o choque, alta energia, com formação de íon, que nada mais são que moléculas portadoras de carga. A maioria dos gases raros ( argônio e hélio ), N 2 e H 2 formam íons positivos pela perda de um elétron. Desta maneira, dois elétrons vão em direção ao anodo, enquanto o íon positivo retorna ao catodo. O oxigênio por seu lado, pode captar um elétron e haver formação de íons negativos, que caminha em direção ao anodo. Dessa maneira, são três os tipos de partículas que se deslocam no interior do arco: - elétrons que saem do catodo e bombardeiam o ando. - íons positivos que vão em direção ao catodo. - íons negativos (como do oxigênio), que vão em direção ao anodo. 3. Queda de tensão anódica e catódica. Estudos demonstram a existência de bruscas quedas de tensão no anodo e no catodo, enquanto que no arco propriamente, há uma variação linear da queda de tensão ( função da distância entre eletrodos ), como se fosse um condutor metálico. As zonas de queda de tensão anótica e catódica tem espessuras de 10-2 e 10-5 cm, respectivamente. São áreas de intensa liberação de calor, diretamente relacionadas com as quedas de

2 11 tensão anótica e catódica; essas quedas de tensão, no caso dos arcos usados em soldagem, são pouco influenciadas pelo comprimento do arco ou pela intensidade da corrente. A emissão eletrônica é devida ao forte gradiente de potencial ( campo magnético ), que existe na superfície catódica e ao efeito termo-eletrônico ( emissão de elétrons sob efeito do calor ). Em certos tipos de eletrodos, tungstênio e carbono, por exemplo, este fenômeno é preponderante. e - 10 s m i + 10 s m Queda de tensão 4. Temperatura do arco elétrico A temperatura do arco elétrico é de difícil determinação, mas pode-se afirmar que fica entre e K, dependendo do tipo de plasma e da intensidade da corrente transportada pelo mesmo. Quando se trata de eletrodos revestidos, dada a presença de elementos químicos ionizantes (como sódio e potássio) no revestimento, pode-se dizer que a máxima temperatura atingida é da ordem de K. No caso de arco estabelecido em atmosfera de gases inertes, as temperaturas podem chegar a K e mesmo a K em fontes muito potentes. As medidas de temperatura são feitas através da medição da radiação espectral emitida. A figura mostra a ditribuição térmica num arco em atmosfera de argônio, com 200A, estabelecido entre um eletrodo de tungstênio e uma placa de cobre refrigerada a água. As perdas de energia no arco variam com o perfil da temperatura e com a condutividade térmica, com a convecção e com a radiação. A figura mostra as condutividades térmicas de vários gases a 1 atmosfera de pressão. O N 2 e o H 2 apresentam picos em razão da dissociação e da associação, nas formas molecular e atômica. 5. Radiação A quantidade de radiação emitida pelo arco é função da massa atômica e da estrutura do gás, da pressão e temperatura do mesmo. A perda de energia por radiação pode chegar a 20% no caso de arco sob argônio, enquanto nos outros processos, dificilmente ultrapassa 10%.

3 12 6. Características elétricas Igualmente aos condutores elétricos, também o arco se comporta como resistência elétrica. A resistência é inversamente proporcional à densidade das cargas transportadas e sua mobilidade, sendo que a impedância total depende distribuição radial e axial das cargas. A potência dissipada no arco é expressa como o produto das quedas de tensão pela corrente. P = I ( E a + E c + E p ) Onde P é a potência expressa em watts, I a corrente em Amperes, E a a queda de tensão anódica, E c a queda de tensão catódica e E p a queda de tensão no arco ( ou plasma de arco ). Na secção transversal do arco há regiões onde ocorrem expanções e contrações e em função disso, o arco toma a forma do sino ou cone, formas elípticas ou outras configurações não cilíndricas. Os fatores que influenciam as várias formas do arco podem ser : configuração geométrica dos terminais ( eletrodos ), forças gravitacionais, forças magnéticas e interações entre o plasma e a pressão ambiente. A área por onde flui a corrente entre os terminais ( anodo e catodo ) tem forte efeito no perfil do arco e no fluxo de energia entre os mesmos ; a densidade de corrente é muito importante no tamanho e na forma da zona de fusão e na penetração do cordão. 7. Influência dos campos magnéticos no arco elétrico O arco elétrico é influenciado por campos magnéticos, tanto induzidos como permanentes, que produzem campos de força que defletem o arco, comumente chamado sopro de arco ; os campos magnéticos também influenciam a coluna de plasma e a transferência do metal através do arco. O campo magnético pode ser auto- induzido e associado à corrente do arco ou ser produzido por magnetismo residual do metal que está sendo soldado ou por fonte externa. O efeito dos campos magnéticos externos é determinado pelas forças de Lorentz, dado pelo produto vetorial entre o campo externo e a corrente. O arco é defletido numa curva, que vai da ponta do eletrodo em direção ao metal de base. A deflexão é dada pela regra da mão esquerda e pode ser entendida como linhas de fluxo que envolvem um condutor, somadas vetorialmente as linhas de campo aplicadas de um lado e anuladas de outro lado. O arco será defletido na direção do fluxo de menor intensidade. A deflexão na direção do trabalho resulta num cordão mais largo e menos penetrante, podendo inclusive ser usado na soldagem de chapas de pequenas espessuras. A deflexão na direção contrária ao trabalho melhora a aparência e reduz as mordeduras quando se usa altas velocidades de soldagem. A deflexão também pode ser causada por eletrodos múltiplos ( arco submerso com 3 eletrodos ) onde se usa o campo eletromagnético vizinho para aumentar a velocidade de soldagem, sem a ocorrência de mordeduras 8. Sopro de arco Sob dadas condições o arco tem tendência a fugir do ponto a ser soldado, dificultando a execução do cordão ; é o resultado de distúrbios magnéticos nas propriedades do arco e decorre de duas condições básicas : - a mudança na direção da corrente que entra na peça e se dirige ao ponto de trabalho. -ao arranjo assimétrico nos materiais magnéticos em torno do arco ( condição comum quando se inicia ou finaliza soldas em chapas, em materiais ferromagnéticos). Embora o fenômeno não possa ser eliminado, pode ser reduzido. Nas figuras abaixo são mostrados o sentido da corrente e das linhas de fluxo. As linhas de fluxo estão concentradas no arco e são esparsas em outros pontos da peça. Consequentemente o campo é mais forte onde há maior concentração do fluxo que em outros pontos e pela regra da mão esquerda, a força tende a se afastar do ponto da conexão elétrica. É sabido que as linhas de fluxo passam mais facilmente no material magnético que no ar. No caso da soldagem em início ou fim de chapas, o metal de base terá um fluxo maior que o ar, trazendo com isso o desvio do arco. Baixa tensão de arco resulta em arco mais rígido, que resiste melhor ao sopro magnético que uma alta tensão de arco.

4 13 Na soldagem em CA, o efeito do sopro de arco é menos sensível, em funçào da mudança de polaridade, que induz menos correntes parasitas na peça.

5 14 C A P Í T U L O I V C R I T É R I O S D E E S C O L H A D E F O N T E S D E C O R R E N T E P A R A S O L D A G E M A A R C O Para que se possa selecionar corretamente uma fonte de corrente a ser utilizada em soldagem a arco, deve-se em primeiro lugar detalhar o processo a ser utilizado e as características da soldagem. Definido o processo, o tipo de material a ser soldado, o tipo da corrente a utilizar e a espessura, pode-se então especificar as características da fonte de corrente. Daí à escolha da máquina, outras considerações devem ser feitas: disponibilidade de carga, necessidades futuras, facilidade de manutenção, considerações econômicas, porte do equipamento, segurança, nível de serviço do fabricante e padronização de peças. - disponibilidade de carga : verificar no ponto de fornecimento de energia elétrica do local de instalação a capacidade do transformador, a fim de conhecer a disponibilidade de carga do mesmo. A mesma observação é válida em grandes empresas que tenham em cada setor circuitos elétricos independentes, alimentados por transformadores distintos. - necessidades futuras: os fabricantes de fontes de corrente dispõem de máquinas de variadas potências, bem como máquinas que abrangem vasta faixa de regulagem. As fontes que fornecem corrente dentro de faixas específicas e estreitas, são mais baratas que aquelas que atingem variada gama ; se a máquina a ser adquirida deve trabalhar num único tipo de junta, pode-se optar pelo tipo mais barato. As grandes máquinas, além de terem maior custo, tem também menor rendimento, principalmente quando trabalham no limite inferior da faixa de regulagem trazendo com isso uma maior despesa com energia elétrica. É preciso que se conheça com exatidão as necessidades atuais e futuras para o uso do equipamento, de modo que a escolha seja a mais correta possível. - facilidade de manutenção: grande parte das vezes, uma máquina que apresenta defeito, pode ser consertada pela equipe de manutenção da empresa. Por esse motivo deve-se comprar máquinas que ofereçam facilidade na manutenção, com fácil acesso ao seu interior, simplicidade na montagem e desmontagem. Em caso de defeitos mais complicados é interessante contar com a assistência técnica do fabricante. - considerações econômicas: dada a variedade de fabricantes de equipamentos de soldagem, torna-se corrente encontrar equipamentos similares com grandes diferenças de preços. Tais diferenças podem ser devidas à fama do fabricante ou à qualidade dos materiais empregados. É preciso que as diferenças de preço sejam aparadas de maneira a que se tenha parâmetros homogêneos que permitam a real comparação entre os equipamentos. - porte do equipamento : o porte do equipamento é importante devido principalmente à mobilidade e ao espaço requerido pelo mesmo. Um equipamento que deve ficar em local é diferente daquele utilizado em manutenção, exigindo este último maior mobilidade, devendo-se prever sua instalação sobre rodas. - segurança: os vários equipamentos oferecidos tem diferentes níveis de segurança, não só a nível de proteção do operador como a nível de proteção da própria máquina. A proteção à máquina pode ser obtida através da instalação de termo elementos que desligam a máquina quando há sobreaquecimento ou através da utilização de vernizes de revestimento do enrolamento, com maior resistência às altas temperaturas. - nível de serviço do fabricante : a escolha da máquina está diretamente relacionada ao nível de serviço oferecido pelo fabricante do equipamento. Tal dado pode ser obtido tanto de experiências vividas pelo próprio usuário, como através de consultas a outros utilizadores do mesmo tipo de equipamento. Os pontos importantes que devem ser considerados são os seguintes: presteza no atendimento, qualidade do serviço prestado, e rapidez no fornecimento de peças. - padronização de peças: os estoques de peças custam dinheiro à empresa, razão pela qual devem ser mantidos sempre no nível mais baixo. Máquinas diferentes daquelas encontradas na linha de produção podem levar à existência de estoques de peças exclusivas para a máquina em questão. Por esse motivo, é por vezes preferível que a máquina a ser adquirida seja da mesma marca e tipo de outras já existentes, facilitando dessa maneira a existência de estoques mínimos e no caso de falta de peças em estoque permitir a retirada de peças de outra máquinas.

6 15 1. Tipos de fontes As fontes de corrente utilizadas em soldagem podem fornecer corrente alternada ( CA ) ou corrente contínua ( CC ). Pode-se obter a energia necessária à soldagem, em tensões convenientes para a realização da operação, por meio de transformadores-retificadores, de moto-geradores ou de moto-alternadores. No presente, tende-se ao uso generalizado de transformadores em detrimento às maquinas girantes, em função da maior facilidade de manutenção e da quase não existência de peças móveis. Todas as máquinas tem uma curva característica externa. As fontes de corrente utilizadas na soldagem são do tipo corrente constante ou do tipo tensão constante; estas classificações são determinadas pelas características estáticas das fontes e tem influência fundamental nos processos a que se destinam. O termo constante não é de todo correto, salvo para pequenas faixas de operação. Sob esse aspecto, falar-se em tensão constante é mais específico que corrente constante, conforme será visto adiante. As fontes do tipo corrente constante são também conhecidas como tensão variável, vertical, mergulhante ou tombante; as do tipo tensão constante como corrente variável ou horizontal Fontes de corrente constante A fonte de corrente constante é aquela onde é possível um ajuste na corrente do arco. Tem uma característica externa ( Volt- Ampere ) que proporciona uma queda de tensão relativamente constante com a variação da corrente; a tensão de arco, para uma dada corrente, é responsável pela taxa de fusão do eletrodo (exceção feita ao eletrodo não consumível, quando a distância eletrodo peça é responsável pela tensão de arco ) A principal característica desse tipo de fonte é que se houver variação no comprimento do arco, por influência externa, com consequente variação da tensão, a corrente tende a permanecer constante. As fontes de corrente constante são utilizadas em processos que empregam eletrodos manuais, eletrodos revestidos e eletrodos não consumíveis, onde o fator humano provoca variação no comprimento do arco. Pode-se também usar estas fontes em soldagem semi- automática ou automática, quando o comprimento do arco é mantido constante por mudança automática na velocidade de alimentação do eletrodo Fontes de tensão constante A fonte de tensão constante é aquela onde é possível um ajuste na tensão do arco. Tem uma característica externa ( Volt- Ampere ) que proporciona uma tensão de saída relativamente constante; a corrente, para uma dada tensão, é responsável pela taxa de fusão do eletrodo. Um arco mantido por uma fonte de tensão constante, com a utilização de eletrodo consumível e alimentação com velocidade constante, torna-se auto- regulado, ou seja, quando ocorrem variações no comprimento do arco ou flutuações de tensão na fonte de energia, há uma tendência natural ao arco retornar ao seu comprimento original. A corrente de soldagem e a tensão de arco estão sempre correlacionadas e no caso das fontes de característica horizontal, há uma rápida mudança no comprimento do arco. Deve-se sempre ter em mente que a tensão de arco é proporcional ao comprimento do mesmo. A variação no comprimento do arco é basicamente determinada pela diferença entre a velocidade de fusão do arame e sua velocidade de alimentação. Se o comprimento do arco ( tensão do arco ) varia por qualquer razão, ocorre imediatamente uma variação na corrente para um valor maior ou menor, o que alterará a taxa de fusão, fazendo com que o arco volte ao comprimento inicial. 2.Princípio de funcionamento dos transformadores Conforme visto em Fontes de Corrente para Soldagem, os transformadores produzem uma mudança na tensão de alimentação para uma tensão de uso. São máquinas compostas basicamente por um núcleo elaborado em ferro- sílico, de grande permeabilidade magnética e dois enrolamentos, primário e secundário, em metal condutor. O núcleo passa no interior dos enrolamentos.

7 16 Um condutor elétrico submetido a uma diferença de potencial gera um fluxo de elétrons. Os elétrons ao percorrerem o condutor geram um campo magnético radial, cujo o sentido é determinado pela regra de mão direita. Se ao condutor em questão for dada uma forma circular, o campo magnético continua a existir, só que com maior intensidade, pois deixou de ser linear. O campo pode ser mais reforçado, se ao invés de uma única volta, forem feitas inúmeras delas, dando-se ao condutor a forma de uma bobina. Ao se submeter um condutor elétrico a um campo magnético, há o aparecimento de um fluxo de elétrons a percorrer o condutor. O sentido da corrente, também nesse caso, é determinado pela regra da mão direita. Analogamente ao caso anterior, se o condutor tiver a forma circular, a corrente obtida será maior. Se ao invés de uma volta, forem feitas inúmeras, a corrente será aumentada. A continuidade da corrente elétrica, quando gerada por campo magnético, só é possível quando há variação do mesmo ao longo do tempo. O funcionamento dos transformadores baseia-se em fenômenos eletromagnéticos. O enrolamento primário ( também chamado bobina primária ) é conectado à rede e percorrido por uma corrente elétrica. Esta corrente elétrica ao percorrer as espiras da bobina primária gera um ponto magnético. Como a rede fornece corrente alternada, o campo magnético gerado no enrolamento primário é pulsante, ou seja, passa de nulo a máximo num sentido, retorna a zero e passa a máximo em outro sentido, para a seguir retornar a zero. Com isso, o núcleo também passa a ser percorrido por um campo magnético variável e alternado, produzindo-se uma força eletromotriz de auto- indução, que se opõe à variação da corrente. Pelo fato do circuito magnético ter a forma de um quadro fechado, o fluxo magnético percorre-o contínuamente e a bobina secundária passa a ser percorrido pelo campo. Este campo magnético induz na bobina secundária uma força eletromotriz, chamada força eletromotriz de indução mútua, a partir da qual será possível a obtenção da corrente elétrica que será utilizada para a soldagem. Pode-se dizer de maneira simplificada que um transformador transfere energia elétrica de uma bobina para outra através de um campo magnético alternado. Se todas as linhas do campo magnético gerado no enrolamento primário alcançassem o enrolamento secundário, a corrente elétrica obtida no secundário seria igual àquela introduzida no primário e o transformador teria um rendimento de 100%. Na realidade, uma pequena parte da energia elétrica introduzida no enrolamento primário é transformada em calor por causa da resistência elétrica do condutor,sendo o restante transformado em fluxo magnético. Uma parte do fluxo magnético acaba não atingindo o secundário, por se perder no ambiente, ao que se dá o nome de fluxo de dispersão ( fenômeno que será usado nos transformadores de soldagem para fazer variações na corrente de operação ). Com isso os transformadores tem um rendimento sempre menor que 100%. Se o enrolamento primário tiver 100 espiras e o secundário 1000 espiras, a tensão induzida no secundário será 10 vezes maior que a tensão do primário. O campo magnético será produzido pela passagem da corrente durante 100 vezes no primário; o campo gerado será conduzido pelo núcleo e recebido pelo secundário, induzindo uma força eletromotriz em 1000 espiras, ou seja, uma tensão 10 vezes maior. As tensões usadas na soldagem são sempre menores que as da rede, razão pela qual os transformadores tem maior número de espiras no primário que no secundário, provocando um abaixamento na tensão. As bobinas dos transfornadores de qualidade são sempre feitas em cobre, dada a baixa resistividade desse metal. Para que o volume da máquina não seja exagerado, é necessário que as espiras fiquem tão próximas quanto possível uma das outras e para que as mesmas não sejam curtocirquitadas, devem ser isolados entre sí. Tal isolação poderia ser feita com plástico ( tal qual a isolação dos fios utilizados em instalações elétricas ). Como este isolamento plástico ocupa um certo volume, recai-se no caso anterior, de excessivo volume do equipamento. A solução está no uso de vernizes isolantes que, aplicados sobre o fio de cobre, garantem uma isolação adequada com espessuras bastante reduzidas, reduzindo o problema do grande volume da máquina. 3. Características de trabalho dos transformadores Todos os condutores metálicos se comportam como resistências elétricas. O fluxo de elétrons através deles provoca aparecimento de calor devido à resistência do metal ( fato ocorrido mesmo no cobre, apesar da sua baixa resistividade elétrica ). A dissipação da energia é função do quadrado da corrente e da resistência do metal, de acordo com a fórmula P = R. I 2

8 17 Os enrolamentos dos transformadores são calculados de forma a suportar uma determinada corrente máxima, quando a dissipação de calor será máxima. No cálculo dos enrolamentos está prevista também a quantidade de calor que pode ser absorvida pela isolação, já que o verniz de isolamento suporta uma temperatura limite antes de entrar em deterioração ( queima ). Um condutor é calculado para suportar uma corrente máxima durante um tempo infinito, sob determinadas condições de refrigeração ( por exemplo, em ar atmosférico ), o que não significa que não possa suportar corrente maior que a máxima durante dado espaço de tempo. Os transformadores de soldagem para serem mais compactos tem, na maior parte das vezes, um ventilador para refrigeração forçada. As fontes de corrente utilizadas em soldagem devem sempre trazer a indicação da corrente máxima que podem fornecer, além de outro valor de corrente associado a um ciclo de trabalho (também conhecido como fator de trabalho ou fator de marcha ou fator de utilização ). Ciclo de trabalho: tomando-se um tempo base, o ciclo de trabalho é o tempo que o equipamento permanece ligado em relação ao tempo base. Tal fator é expresso em porcentagem e expresso pela fórmula: C T = T f / T b x 100 onde CT é o Ciclo de Trabalho, T f é o tempo de funcionamento e T p é o tempo base. O tempo base é definido pelas normas da ABNT e pela normalização internacional como sendo de 5 minutos. Portanto para um equipamento que trabalhe 3 minutos, o Ciclo de Trabalho será de 60%. Entre a corrente fornecida pela fonte e o ciclo de trabalho existe uma relação que é dada por : C 1. ( I 1 ) 2 = C 2. ( I 2 ) 2 onde C 1 é o Ciclo de Trabalho a uma Corrente de Trabalho I 1 e C 2 é o Ciclo de Trabalho a uma Corrente de Trabalho I 2. Conhecendo-se pois três dos quatro índices acima torna-se possível determinar o quarto. Exemplificando: se uma fonte de corrente fornece 200 A a um Ciclo de Trabalho de 60% e a corrente máxima fornecida for 280 A, é possível operar nessa corrente com um fator de trabalho de 38,4 %.

9 18 C A P Í T U L O V F O N T E S D E C O R R E N T E 1. Generalidades Na soldagem a arco ( e ENTENDA-SE a soldagem a arco, a soldagem com eletrodo revestido, M IG, TIG e arco submerso ), o mesmo é usado como fonte de calor e é estabelecido entre um eletrodo ( consumível ou não ) e a peça a ser soldada. O estudo do arco e suas propriedades e particularidades, não serão aqui discutidos já tendo sido objeto de estudo. A corrente necessária à soldagem não pode ser obtida diretamente da rêde de energia elétrica pública, ja que as tensões obtidas são bastante elevadas para este tipo de operação. Se fosse feita uma tentativa de reduzir a tensão da rêde para a tensão necessária à soldagem ( de 15 a 45 V ), por meio da insersão de resistências elétricas no circuito, o rendimento seria mínimo, da ordem de 10 a 20%, com grande parte da energia da rêde sendo transformado em calor. É por isso que se usa uma fonte específica de corrente para soldagem a arco, que deve, no entanto satifazer as condições seguintes: - fornecer entre os pôlos uma tensão que corresponda às necessidades do arco. - fornecer sob esta tensão, uma corrente que possa ser limitada entre faixas, faixas essas que são função do tipo de trabalho ( natureza do metal base, espessura, posição, tipo de junta, atmosfera ou fluxo envolvente, etc.). Ter características estáticas e dinâmicas que favoreçam a estabilidade de arco. 2. Classificação A fontes de corrente são classificadas segundo o tipo de corrente fornecida, alternada ou contínua e conforme sejam estáticas ou rotativas. 3. Transformadores Princîpio O transformador é constituído por uma circuito magético fechado em forma de quadro e de dois enrolamentos: primário e segundário. Cada bobina é composta de N 1 e N 2 espiras. Se entre os terminais do primário for aplicada uma tensão alternada U 1, é criada uma corrente primária I 1, que circula na bobina. Esta corrente, induz um campo magnético no núcleo; o campo magnético ao percorrer o circuito magnético ( quadro ), induz no segundário uma tensão alternada U 2, de modo que: N 1 / N 2 = U 1 / U 2 Esta relação é exata somente quando o circuito está aberto. Em carga, devido às fugas de fluxo magnético e à resistência interna das bobinas, a fórmula sofre alteração. Estas perdas, que em transformadores industiais não são levadas em conta, são inoportunas em transformadores de soldagem e busca-se reduzí-las a zero. Da mesma forma que para a tensão, existe uma relação entre o número de espiras e corrente, tal que: N 1 / N 2 = I 1 / I 2

10 19 A relação N 1 / N 2 é chamada relação de transformação do transformador. No transformador real, tenta-se reduzir a corrente em circuito aberto, adotando-se um circuito magnético num só núcleo, sobre o qual estão dispostos concentricamente os enrolamentos primário e secundário, sujeitando-os ao mesmo fluxo. Os transformadores desde tipo são de tensão sensivelmente constante e por consequencia, se U 1 é constante, U 2 também o será, mesmo em carga. Este sistema faz com que o porte dos equipamentos fique extremamente grande, devido à grande massa de ferro e cobre, o que faz com que a preferência recaia sobre transformadores autoreguladores, onde a reatância é obtida por uma fuga do fluxo eletromagnético, que conforme é variado, faz com que seja produzida uma variação na corrente de soldagem. Considerando-se o caso em que o circuito de soldagem é constituído por um transformador a tensão constante e uma bobina de defasagem entre a corrente de soldagem e a tensão U 0. O rendimento η do transformador, ou seja, a razão entre a potência do arco U I e a potência ativa do secundário U o I cos ϕ, que é igual à potência ativa do primário, se o transformador é perfeito, pode ser escrita como: η = U I / U o I cos ϕ ou seja, ηcosϕ = U / U o Para estes transformadores, as curvas características U = f ( I ) são arcos de elipse. O rendimento de tais aparelhos é de 0,9, mas com os valores usuais de U e U 0, o cos ϕ é da ordem de 0,5 a 0,6. Da relação acima deduz-se que : U o I = U I /η. cos ϕ U o I é a potência aparente secundária. Sendo o transformador perfeito, esta potência é igual à potência aparente do primário, podendo-se dizer que: obtém-se a potência aparente de um transformador, multiplicando-se a tensão em vazio secundária pela corrente de soldagem. U ª Lω I Fase de I U R.I 3.2. Transformadores de tensão constante Transformadores de tensão constante associados a uma bobina de reatância de regulagem contínua ou descontínua. Nestes transformadores, a bobina de reatância com circuito próprio, é colocada no circuito de soldagem. A regulagem é feita fazendo-se o variar a reatância pela mudança de taps do segundário de dispersão ( Figura 5 ) ou por um núcleo de entreferro variável ( Figura 6 ). No primeiro, pouco empregado a corrente de soldagem é tanto menor, quanto mais espiras são introduzidas no circuito. No segundo, a corrente de soldagem cai, à medida que o núcleo é introduzido. Esta última, é uma regulagem contínua, enquanto a outra é por etapas.

11 20 Há certas máquinas em que a bobina de reatância é incorporada ao transformador, de maneira que o mesmo núcleo varia a fuga magnética e a reatância conforme a figura 7. Fig Transformadores a tensão constante associados a um transdutor. Os transdutores ou reatâncias saturáveis são relativamente simples e possibilitam a variação contínua e precisa de uma corrente alternada, agindo-se sobre uma corrente contínua de pequena intensidade. O ganho ou fator de amplificação ( relação entre as potências de saída e de entrada ) depende da montagem e dos materiais construtivos ( permeabilidade magnética ), variando de 50 a O esquema da figura 8, mostra o princípio de um transdutor. As bobinas a e b formam o circuito de utilização, alimentado por uma fonte de corrente alternada S e estão dispostas sobre os núcleos laterais do circuito magnético de 3 núcleos. Sobre o núcleo central está disposta um bobina C, percorrida por corrente contínua vinda de uma fonte d e regulável por um reostato e. Os fluxos induzidos nos núcleos laterais não penetram no núcleo central, enquanto a corrente contínua satura mais ou menos os núcleos laterais e a corrente no circuito de soldagem, varia em função da corrente contínua de comando. A corrente contínua é fornecida por um pequeno retificador alimentaddo pela rede ou pelo primário do transformador de soldagem. Apesar de haver um aumento de peso e de preço, o emprego de um transdutor para regular a corrente de soldagem está sendo cada vez mais utilizado, principalmente quando se deseja um comando à distância ( muito importante quando do trabalho em grandes obras ( ocasiões em que a máquina deve ficar distante do operador ).

12 Central de soldagem de corrente alternada Quando muitos soldadores devem trabalhar contínuamente em espaço delimitado, pode ser economicamente viável alimentar todos os postos através de uma única fonte de corrente. Se a corrente é alternada, a fonte de corrente é constituída por um transformador ( 500 a A ) de tensão constante. Este transformador abaixa a tensão da rede para V e alimenta as caixas de distribuição individuais, próximas aos postos de soldagem. A distribuição em tensão constante é necessária para que os equipamentos vizinhos não sejam perturbados. A regulagem da corrente de soldagem é feita por cada soldador através de uma reatância variável, conforme figura Transformadores auto-reguladores Nestes transformadores os enrolamentos primário e secundário não são ajustados. Em vazio, as linhas magnéticas do campo criado pelo circuito primário, induzem no secundário a tensão em vazio. Em carga, uma parte do fluxo é perdida por dispersão; agindo-se sobre essa dispersão é possível regular a tensão secundária e consequentemente a corrente de soldagem. Várias são as maneiras de se agir sobre a dispersão do fluxo magnético: Transformadores auto-reguladores com bobina de dispersão regulável por taps. Uma bobina é montada no mesmo circuito magnético do transformador, sendo a bobina percorrida pela corrente secundária ( muito raramente pela primária ). O caso mais frequente é o da figura 10, onde os enrolamentos primário e secundário ( P e S 1 ) são concêntricos e ajustados sobre o mesmo núcleo. Em série com o secunário, uma bobina S 2 é disposta sobre o outro núcleo do circuito magnético e a conexão entre S 1 e S 2 feita por uma barra de ligação de bornes.

13 22 Com o circuito aberto, a bobina S 2 não é atravessada por qualquer corrente e o fluxo magnético passa pelo núcleo sem qualquer alteração ( linha tracejada ). Em carga, S 2 induz no núcleo um fluxo magnético de sentido inverso ao fluxo principal, desviando-o e obrigando-o a se dispersar, em parte, no ar. S 2 é também chamada bobina de dispersão. Para qualquer posição da barra, o número total de espiras secundários no circuito é sempre o mesmo. Deduz-se que a tensão em vazio U 0 é constante para qualquer regulagem e que a família de curvas estáticas tem o aspecto da figura 11. Se os bornes forem dispostos como na figura 12, a cada regulagem corresponde um certo número de espiras secundárias e consequentemente, uma diferente tensão em vazio U 0 ( obtendo-se as curvas características da figura 13 ). É possível ainda, combinar as duas disposições, de modo a que sejam obtidas as características da figura 14. Pode-se fazer uma variação dos dispositivos acima, como na figura 15, onde o enrolamento primário é seccionado em duas bobinas dispostas sobre núcleos distinto. A conexão entre os primários é feita por taps, de modo a que o número de espiras do primário seja constante. endo a corrente primária, menor intensidade que a secundária, há a vantagem do comando por taps se dar no primário do transformador. A tensão, no entanto, é mais elevada, o que pode trazer riscos de choque elétrico Transformadores com bobina de dispersão exterior Os enrolamentos primário e secundário estão dispostos sobre dois núcleos diferentes; a bobina de dispersão é ligada em série com o secundário e externa aos dois enrolamentos. A regulagem é feita por taps no secundário ( figura 16 ) Transformadores com bobinas móveis deslizantes

14 23 A variação da distância entre os enrolamentos primário e secundário, modifica a dispersão do circuito magnético e quanto mais próximas as bobinas, maior será a corrente de soldagem. Nesta montagem é possível uma variação contínua na corrente de soldagem. A figura 17 é um esquema desta disposição e dependendo do construtor, a bobina móvel tanto pode ser primária como secundária. Em qualquer caso a máquina é volumosa, o que dificulta sua movimentação Transformadores de solda com fuga magnética Transformadores com shunt magnético fixo e bobina de dispersão Bastante parecidos com os transformadores de tensão constante, possuem um único primário, um secundário normal colocado no mesmo núcleo que o primário e um secundário de dispersão. Os dois secundários são divididos em enrolamentos parciais em taps ( 4 taps na figura 18 ). Usando-se as saídas e e E, somente o secundário normal funciona. Como está disposto sobre o mesmo núcleo que o primário, as fugas magnéticas são baixas, a tensão em vazio é mínima e a corrente de soldagem é máxima. Usando-se a e A, somente o secundário de dispersão fica em serviço e a corrente de soldagem tem um valor mínimo. O uso dos taps intermediários permite variar a corrente entre esses limites. O número de espiras entre dois taps não é necessariamente igual à esquerda e à direita, de modo que as duas combinações podem corresponder tensões em vazios diferentes Transformadores com shunt magnético móvel

15 24 Os enrolamentos primário e secundário sãio dispostos sobre dois núcleos A e B no circuito magnético, com prolongamento C e D, conforme figura 19. O primário é composto por duas bobinas E e F, que envolvem o núcleo A. No mesmo núcleo é colocado um enrolamento secundário, chamado conjugado, enquanto no núcleo B é colocado um outro enrolamento secundário chamado não conjugado. Cada um destes enrolamentos é constituído por 3 taps, o que possibilita a ligação de 3 faixas de corrente de soldagem ( as conexões são feitas de tal maneira que a soma das espiras seja sempre a mesma, para que a tensão em vazio obtida seja sempre a mesma ). Dessa maneira é possível, através do deslocamento do núcleo móvel J, uma variação contínua da corrente de soldagem, sendo a corrente tanto menor, quanto mais próximo J estiver de I. As características externas obtidas são aquelas mostradas na figura Transformador monofásico com shunt magnético e entreferro variável Uma maneira eficaz de criar fugas magnéticas num circuito magnético, consiste em introduzir no circuito um entreferro, que pela maior ou menor aproximação do núcleo, pode reduzir ou anular o campo magnético. É um processo muito usado, havendo diversas maneiras construtivas, sempre com bom rendimento da máquina e sem vibração das partes móveis. O esquema abaixo representa o clássico transformador de núcleo retangular. Na figura 21, o núcleo superior tem forma de V, que ao ter sua altura variada, faz variar a quantidade de fuga magnética, chegando mesmo a anulá-la. Na figura 22, o núcleo tem movimento vertical, aumentando ou diminuindo o entreferro. Outro tipo construtivo é mostrado na figura 23, onde os enrolamentos primário e secundário estão dispostos sobre dois núcleos distintos de um circuito retangular. Entre os enrolamentos há duas barras que criam um fluxo de dispersão; um comando por parafuso a duplo passo ( direita e esquerda ) aproxima ou afasta as barras do circuito magnético principal. Quanto mais próximas estão as barras, menor é a corrente de soldagem e quanto mais afastadas, maior o fluxo no secundário ( já que o fluxo atravessa as barras ) e maior a corrente de soldagem. Fig.21 Fig.23 Fig Transformador de relutância variável

16 25 O transformador representado pela figura 24 possui um circuito magnético particular: o núcleo central é composto por dois cilindros com fedas. Ambos são solidários entre sí e podem girar em ângulos de 0 a 90º. No caso do esquema b, a relutância é máxima, assim como a corrente. Se as fendas são paralelas ao fluxo, a relutância, e consequentememte a corrente é mínima Fonte de corrente monofásica alimentada em trifásico São subdivididas em transformadores rotativos trimonofásicos e conversores de frequência Transformadores rotativos trimonofásicos Estes aparelhos não são mais utilizados. São compostos por um motor assíncrono, cujo estator tem um enrolamento monofásico que alimenta o circuito de soldagem, enquanto o rotor equilibra as três fases ( tanto em vazio, como em carga ) Conversores de frequência Os conversores de frequência são formados por um alternador a estator trifásico excitado pela rede e que produz um campo girante em sentido inverso ao do rotor monofásico, nos polos do qual é retirada a corrente de soldagem de média frequência ( de 150 a 450 Hz ). O alternador é tocado por um motor assíncrono trif ásico, alimentado pela rede. O controle da corrente é feito por uma bobina de reatância a núcleo móvel, conforme descrito no ítem Geradores de corrente contínua 4.1. Princípio de funcionamento Um gerador usado em soldagem é composto por: - 2 ou 4 polos indutores. - polos auxiliares. - induzido com coletor e escovas fixas ou móveis. O induzido de um gerador é composto por um grande número de espiras enroladas em torno de um cilindro de chapas folhadas, sendo que cada espira forma um setor. Os condutores ativos dos setores estão dispostos em ranhuras longitidinais e localizadas na periferia do induzido. O funcionamento do gerador pode ser entendido relacionando-o a um dos setores.

17 26 Os condutores ativos aa e ss estando sujeitos à ação dos polos NS, são percorridos por uma corrente i, cujo sentido é tal, que as forças eletromagnéticas f e f formam um momento oposto ao sentido do movimento. Quando o setor assume a posição pontilhada, envolve o fluxo máximo; o movimento antagônico é nulo, bem como a força eletromotriz gerada. A força eletromotriz obtida nos pontos a e s é alternada; para que seja unidirecional, os setores são montados em série, de modo que o fim de um s, seja ligado a uma lâmina do coletor e ao condutor a do setor seguinte. Obtém-se desta forma, um circuito fechado, onde as forças eletromotrizes se opõem e é precisamente nesses pontos que são colocadas as escovas sobre o coletor, para que colham a força eletromotriz máxima. É o que se chama de linha neutra, quando o gerador trabalha em vazio. Quando duas lâminas sucessivas do coletor passam sob as escovas, uma espira é curtocircuitada e diz-se estar em comutação. Se o gerador fornece corrente, o sentido da circulação da mesma se inverte na espira que está em comutação. Como a indutância é elevada, há a criação de uma força eletromotriz de auto-indução, chamada de retorno, tendendo a prolongar o sentido da corrente preexistente na espira, antes da comutação e cujo efeito seria o de provocar um centelhamento, que as destruiria. Se forem representados em corte as seções das espiras ( figura abaixo ) quando o gerador fornece corrente e o induzido gira no sentido da flecha, nota-se que os condutores da metade direita (+) são percorridos por correntes que se afastam ( para dentro do papel ), enquanto as da esquerda (-) se aproximam ( saem do papel ). Estas correntes induzem na armadura do induzido e nas massas polares vizinhas, dois fluxos magnéticos Ø o e Ø g cujas linhas de força escoam no sentido indicado na figura esquerda abaixo. 5. Retificadores de corrente com células secas 5.1. Princípio de funcionamento Os retificadores de correntes usados em transformadores de soldagem são feitos com semicondutores de selênio ou silício. Os retificadores de selênio, não mais utilizados pela indústria, são feitos com uma placa metálica ( aço, alumínio, cobre, latão ) sobre a qual é depositada, por metalização, uma camada de selênio extra puro, com adições de iodetos ou brometos, recoberta por uma camada de óxido de selênio que forma a camada de retenção. O contato elétrico é obtido com um metal de baixo ponto de fusão e por outra placa, que faz o papel de segundo eletrodo. A corrente elétrica passa facilmente da primeira para a segunda placa, mais pelo fato da resistência elétrica no sentido inverso ser bastante elevada, não há passagem de corrente. Como no sentido não condutor de corrente aparece uma grande tensão, chamada de tensão inversa, usa-se um empilhamento de três elementos em série.

18 27 Os retificadores em silício são constituídos por uma pastilha retirada de um monocristal extra-puro dopado com certos traços de fósforo. A camada de retenção é constituída por uma película formada por um eutético Al - Si, sendo a pastilha brasada num bloco de latão. Os retificadores em silício podem suportar tensões inversas muito elevadas ( da ordem de algumas centenas de volts ). Os retificadores são montados em paralelo e dimensionados de acordo com a corrente que devem suportar, de tal modo que a temperatura de dano ao elemento não seja atingida, mesmo sob severas condições de trabalho. As densidades de corrente nos retificadores de silício são da ordem de 120A / cm 2 e tem temperatura limite de trabalho ao redor de 150 a 175ºC. Para que se possa retificar uma corrente monofásica alternada, deve-se montar 4 diodos em ponte ; se a corrente é trifásica monta-se 6 diodos dispostos em ponte de Graetz, que fornece uma taxa de ondulação ( variação instantânea da corrente com relação a corrente média ) de 4%. O rendimento dos retificadores de silício é da ordem de 95%.

19 Transformador de soldagem com regulagem por reostato no primário Para a obtenção de característica mergulhante, é preciso que se coloque no enrolamento primário ou após o secundário do transformador uma reatância regulável. O transformador trifásico é ligado à rede, com a interposição de um reostato sobre cada enrolamento, que são regulados por cursores montados sobre um mesmo eixo, comandado por um volante. É usual o uso de protetores contra sobretensão nos diodos. Este tipo deregulagem sobre o primário é bastante simples, não permitindo porém, que se atinja grande gama de regulagens, sendo usado em máquinas de pequena potência Transformador - retificador de soldagem com regulagem por transdutor A fonte de corrente é um transformador trifásico, cuja corrente primária alimenta um pequeno retificador A 4 diodos montados em ponte. A corrente retificada ( 6A sob 28V ) permite variar a saturação das 3 bobinas de reatância instaladas entre o secundário do transformador e o bloco de retificação. Uma variação utilizada é a incorporação do transdutor ao transformador, fornecendo uma corrente que possibilita um arco calmo sem respingos Centrais de soldagem de corrente retificada Torna-se por vezes vantajosa a ditribuição da corrente a um grande número de postos de soldagem. O uso de corrente contínua, permite este tipo de ligação em função do rendimento do transformador ser quase constante dentro de vasta faixa de corrente. Se a corrente é superior a A os transformadores e retificadores são separados.

20 29 C A P Í T U L O VI F í S I C A D E S O L D A G E M Vários processos de soldagem necessitam de fonte de calor, normalmente de alta densidade de energia, que se desloca sobre a junta, para levar o metal (tanto o de base, como o de adição, se houver) à fusão. A potência transferida é a razão entre a energia e um dado intervalo de tempo, normalmente expresso em watts, enquanto a densidade de energia é a relação entre a potência e a área da peça efetivamente atingida pelo calor, expressa em watt/cm 2. O significado da densidade de energia é importante nos processos de soldagem e a tendência é o desenvolvimento dos processos ditos de alta densidade de energia, como plasma, laser e bombardeamento eletrônico. A transferência de energia do arco para a peça é um fenômeno complexo e a densidade de energia nos vários processos não pode ser expressa por um número preciso, em função da dificuldade de definição exata da área de contato entre o arco e a peça; apesar dessa dificuldade, o conceito de densidade de energia é importante na compreensão e na comparação entre as fontes de calor. Pode-se analisar a transferência do calor de um arco para uma peça, como sendo composta por dois processos de transferência uma do calor transferido do arco à superfície da peça e outra, da condução na própria peça, da parte mais quente para a mais fria. Os processos de grande densidade aquecem e fundem rapidamente o ponto focalizado, sem que haja tempo do calor fluir pela peça, enquanto por outro lado os processos de baixa densidade transferem grandes quantidades de calor à peça antes de haver fusão. Ou seja, a eficácia da fonte de calor depende das densidades de energia da fonte. O conceito de calor injetado na peça ( heat input ) é fundamental para o entendimento de como a fonte de calor afeta o material que está sendo soldado; o calo = r injetado na peça é a quantidade de energia introduzida por unidade de comprimento, expressa em Joules por milímetro. A energia injetada é dada pela relação entre a potência ( produto da tensão em volts e da corrente em amperes ) expressa em watts e a velocidade de deslocamento da fonte de energia em mm / s. A energia injetada na peça é então: E = U. I / v ( 1 ) Se há necessidade da determinação exata do calor no material, pode-se usar a relação: E útil =f. U. I / v (2) onde f é a eficiência da transferência de calor (calor transferido para a peça dividido pelo calor gerado pela fonte). Nos processos com eletrodos consumíveis f é sempre maior que 0,8 e muitas vezes próximo a 1,0. A energia gerada na fonte deve fundir o metal e a quantidade de energia necessária à fusão é dada pelo tamanho e configuração da junta, pelo número de passes e pelo processo de soldagem. Por razões metalúrgicas é preferível o uso da mínima energia, objetivo atingido pelo uso de fontes com elevada densidade de energia. A eficiência da fusão é uma fração da energia útil da fonte usada para fundir o metal. A figura abaixo mostra esquematicamente três áreas características de um cordão: A m = área fundida do metal de base A a = área do metal adicionado (metal de adição) A 2 = área da Zona Afetada Termicamente (ZAT)

21 30 A secção do metal soldado é A = A + A e se não houver metal de adição A = A Há também uma quantidade de calor teórica Q, necessária para fundir um dado volume de metal (a partir da temperatura ambiente a quantidade de calor Q e função das propriedades do metal (ou liga) e é determinada pelos calores latente e sensível do metal, ou seja, pelo calor necessário para leválo da temperatura ambiente até a de fusão e pelo calor necessário para levar o metal de sólido a líquido. O calor Q (J/mm 3 ) é dado aproximadamente pela relação: Q = (T F + 273) 2 / (3) onde T F é a temperatura de fusão depnede do metal em ºC. A eficiência de fusão de fusão f 2 num passe, é determinada pela área fundidda e pelo calor injetado. f 2 é o mínimo calor necessário para a fusão, dividido pela energia útil. f 2 = Q. A / E (4) f 2 = Q. A. v / f 1. P (5) f 2 = Q. A. v / f 1. E. I (6) A eficiência da fusão depende do processo de soldagem, do material, da configuração da junta e da espessura. Quando maior a condutividade térmica do metal a soldar, menor a eficiência de fusão, em razão do grande deslocamento de calor na região soldada. Esse efeito é ainda maior quando se usa fonte de baixa densidade de energia. Na soldagem do alumínio por chama oxiacetilênica, somente 2% do calor injetado na peça é usado para a fusão, sendo o resto dissipado na peça, razão pela qual não se dá preferência aos processos de baixa densidade de energia na soldagem deste metal. Por outro lado, os processos de elevada densidade de energia, como bombardeamento eletrônico e laser, tem eficiência de quase 100%, havendo a fusão localizada antes do início do fluxo de calor. As máximas densidades de energia são da ordem de 10kw/mm 2 ; as densidades maiores, apesar de possíveis, levam o metal à fusão e à ebulição, ocorrendo uma ação de erosão ou de corte. Em função disso, o laser e o bombardeamento eletrônico são tembém usados em operações de furação e de corte. A soldagem ao arco submerso é bastante eficiente como fonte de calor. A elevada densidade de energia e a eficiência de fusão são maiores que em outros processos que fazem uso de arco aberto. A substituição na equação (6) de E, da equação (2), forneçe uma relação entre a seção de metal depositado e a energia injetada na peça: A = f 2. E / Q (7) A = f 1. f 2. E / Q (8) Em qualquer processo de soldagem, a eficiência da transferência de calor f 1 e de fusão f 2 não variam grandemente com a mudança de variáveis específicas de soldagem, como velocidade, tensão de arco ou corrente, o que significa que a seção de um passe simples é proporcional à energia injetada. Quando um arco é estabelecido sob as seguintes condições: E = 20 V I = 200 A v = 5 mm / s f 1 = 0,9 f 2 = 0,3 Q = 10 J / mm 3 a área do passe pode ser estimada pela equação (8):A = 0,9. 0, / = 2l,6 mm 2