FONTES DE SOLDAGEM A ARCO VOLTAICO

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1 7/0/06 FONTES DE SOLDAGEM A ARCO VOLTAICO Fontes de energia para soldagem a arco voltaico podem ser consideradas simplesmente como o ponto de alimentação da energia elétrica ao processo. Entretanto, as fontes exercem grande influência sobre o desempenho de um processo de soldagem (qualidade e produtividade) Existem três requisitos básicos para uma fonte de energia para soldagem a arco: - produzir saídas de corrente e tensão a níveis e com características adequadas para o processo de soldagem (baixa tensão e alta corrente); - permitir o ajuste adequado dos valores de corrente e/ou tensão para aplicações específicas; - controlar a variação e a forma de variação dos níveis de corrente e/ou tensão de acordo com os requerimentos do processo de soldagem e aplicação. Adicionalmente, o projeto de uma fonte para soldagem precisa atender outros requisitos, tais como: - estar em conformidade com normas e códigos relacionados com a segurança e funcionalidade; - apresentar resistência e durabilidade à ambientes fabris, com instalação e operação simples e segura. Para satisfazer todas estas exigências, uma complexa interação de conhecimentos de eletrônica e eletrotécnica é aplicada pelos pesquisadores e projetistas. Transformadores Elétricos Transformadores Elétricos são aparelhos estacionários para transferir energia elétrica de um circuito de corrente alternada para um outro, sem alterar a freqüência, através de um campo magnético. A função de um transformador é aumentar ou diminuir a tensão. A alma (bloco retangular com um furo quadrado no centro) de um transformador é feita de lâminas retangulares, normalmente de aço ao silício, sobrepostas uma a outra no sentido da espessura. Sobre a alma são enrolados dois segmentos de fios (normalmente de cobre), os chamados enrolamentos Primário (P) e Secundário (S), que por simplicidade esquemática são mostrados em apenas uma camada e em lados (pernas) separados. O princípio do transformador é: uma fonte de corrente alternada (A) fornece uma corrente alternada (I0) com uma queda de tensão E ao enrolamento primário (P). Esta corrente produz um fluxo magnético, o qual liga os dois enrolamentos. Dependendo do número de voltas em cada enrolamento, aparecerá uma tensão E nos terminais do enrolamento secundário (S). Se a chave do circuito (X) é fechada, também aparecerá no circuito secundário uma corrente I.

2 7/0/06 Característica Estática de Fontes para Soldagem a Arco Conceituação e Analogia com a rede pública V A Lâmpada TV Rádio V I I I 3 As fontes de energia elétrica se classificam quanto à característica estática em Tensão Constante e Corrente Constante. As fontes de soldagem a arco voltaico compõem uma categoria especial das fontes de energia elétrica, caracterizando-se principalmente por fornecerem baixa tensão de trabalho (normalmente entre 0 e 40 V) e altas correntes (comumente entre 50 e 000 A). The National Electrical Manufactures Association - NEMA, em uma publicação específica para fontes de soldagem defini as fontes de soldagem da seguinte forma: - Fonte Corrente Constante - É aquela que permite o ajuste da corrente de trabalho e que tem uma curva estática tensão-corrente que tende a produzir uma corrente de trabalho relativamente constante. - Fonte de Tensão Constante - É aquela que permite o ajuste da tensão de trabalho, e que tem uma curva estática tensão-corrente que tende a produzir uma tensão de trabalho relativamente constante. V/ I 50 mv/a Fonte corrente constante V Fonte tensão constante V V/ I > 00 mv/a I I

3 7/0/06 Nas fontes do tipo tensão constante, é possível ajustar a tensão, enquanto nas fontes do tipo corrente constante, ajusta-se a corrente. Este ajuste pode ser contínuo, quando a posição das curvas características são ajustadas por pequenos incrementos, ou por escalões ("taps"), para o qual este incremento é maior e não permite a fixação de valores intermediários a cada escalão. O levantamento das de qualquer fonte pode ser feito medindo-se os pares de corrente e tensão em função da variação da carga. Esta variação de carga pode ser tanto a própria variação da distância porta-eletrodo/peça (fontes corrente constante), como a variação da velocidade de alimentação do eletrodo (fontes tensão constantes). Entretanto, devido à dificuldade de manter o arco estável quando se varia muito os parâmetros, um método mais preciso é usar cargas resistivas (resistores da alta potência ou cuba eletrolítica) ao invés do arco Tipos de Fontes quanto ao Tipo de Corrente O comportamento da tensão e corrente ao longo do tempo, em regime e não em transientes, é comumente chamado de tipo de corrente (alternada, contínua, etc.). Os tipos mais comuns de correntes aplicadas em soldagem são as alternadas do tipo senoidal (como da rede pública) e contínua (como das baterias). Desta forma, as fontes também podem ser classificadas quanto ao tipo de corrente: - Corrente contínua - constante - pulsada - Corrente alternada - senoidal - quadrada Corrente ou tensão Corrente ou tensão (c) Corrente ou tensão Corrente ou tensão (d) 3

4 7/0/06 Funcionamento de uma Fonte de Soldagem Uma vez regulada a fonte para um determinado valor de tensão (fontes tensão constante) ou corrente (fontes corrente constante), na verdade está se regulando uma característica estática desta fonte (). V V CEA CEA V CEA CEA V I I I I Controle Interno Nos processos automáticos ou semi-automáticos (MIG/MAG, arco submerso, eletrodo tubular), a alimentação do arame é feita através de um motor acionando um jogo de roletes que empurram ou puxam o arame na direção da solda. Ao se usar uma fonte do tipo tensão constante, quanto maior a velocidade de alimentação do arame (Valim), menor o comprimento do arco e maior a corrente, para uma dada tensão. Valim = constant V V CEA CEA a { a{ } a 3 = a I I Controle Externo Supondo agora o uso de uma fonte do tipo corrente constante para alimentar os processos automáticos e semi-automáticos, onde, de uma forma análoga, uma corrente () e a Valim do arame (CEA) tenham sido ajustadas. O aumento do comprimento do arco, neste caso, não afeta significantemente a corrente e, consequentemente, a velocidade de fusão fica inalterada Valim = variável CEA V CEA V a { a{ } a 3 = a V I I 4

5 7/0/06 Seleção de Fontes O primeiro fator a se considerar na seleção de uma fonte é a característica estática que mais se adequa ao processo. Fontes para Eletrodo Revestido 0 a a 0 a a a 0 0 a I I 0 I I I 0 I Fontes para TIG a a a 0 a 0 a a I I I 0 I I Tipos de Fontes Em função desta definição, as fontes de soldagem podem se classificar em: - Transformadores. onda senoidal CA. onda quadrada CA - Moto-Gerador. CA (alternadores). CC (conversores) - Transformador-Retificador (CC). controle eletromagnético. controle eletrônico - Inversores Fontes inversoras. Estas fontes classificadas com fontes modernas, e cuja aplicação vem crescendo notavelmente nos últimos anos, se diferencia das fontes transformadores basicamente pela existência de um circuito eletrônico que aumenta a freqüência do sinal de entrada, antes que o mesmo alcance o transformador. Esta tecnologia permite a redução significativa do tamanho do transformador (maior e mais pesado componente de uma fonte), além de, por usar a eletrônica, conseguir sinais de saída de precisão. 5

6 7/0/06 Fonte Inversora Fator de Carga (Ciclo de Trabalho) Este comportamento faz surgir o termo Fator de Carga (FC) ou Ciclo de Trabalho, que é a razão entre o tempo que a fonte está sujeita à carga (arco aberto) e o tempo total de trabalho. Em termos práticos, pode-se definir o Fator de Carga como o tempo máximo, em percentagem, que uma fonte de soldagem pode operar fornecendo energia durante intervalos sucessivos de tempo, sem que a temperatura atinja um calor crítico. Temperatura Tmax I Temperatura Tmax Tcrítico I Tcrítico tempo tempo Resfriamento Para aplicar o conceito de FC é necessário se definir os intervalos de tempo total de trabalho, ou seja, o ciclo de trabalho. A NEMA, por exemplo, especifica um ciclo de trabalho dentro de um intervalo de 0 minutos. Um FC=60% significa que a fonte pode operar 6 minutos continuamente num intervalo de 0 minutos, sem superaquecimento. A definição de uma "Soldagem Manual Nominal", que seria os tempos médios (estaticamente) gastos em soldagens manuais com eletrodos revestidos, é dada por: segundos - curto circuito 64 segundos - carga 54 segundos - pausa O tempo de curto circuito representa o acendimento do arco, sendo a carga o período de arco aceso, fundindo o eletrodo. O tempo de pausa é gasto na limpeza do cordão, troca de eletrodo, etc. De acordo com este conceito, o FC de uma soldagem manual nominal é de 55%. 6

7 7/0/06 Os fabricantes utilizam um conceito para identificação de fontes, dada por uma corrente admissível (I adm ) da fonte para um determinado fator de carga. Por exemplo, um I adm =50 A e um FC=60% indicam que se trabalhando com no máximo 60% do tempo de arco aberto, a corrente máximo admissível desta fonte é 50 A. Qualquer valor acima poderá danificar o equipamento. Obviamente nos processos automáticos e semi-automáticos (MIG/MAG), arco submerso, eletrodo tubular) as fontes devem ter um I adm relativo a um FC de l00%. O I adm não significa a corrente máxima que a fonte pode fornecer, e sim a garantia de um bom funcionamento. O uso de uma corrente maior pode ser tolerado desde que reduzido o fator de carga. Analogamente, um fator de carga de l00% (processos automáticos) limitam o valor da corrente abaixo do I adm. Em termos práticos, os valores de corrente ou FC a serem utilizados além do especificado podem ser razoavelmente calculados pela seguinte expressão: F F CR CN I I N R onde F CR e I R são o fator de carga e corrente desejados e F cn e I N são o fator de carga e correntes nominais do equipamento. Devido a importância destas especificações para os usuários, a NEMA dividiu as fontes em três classes, em função do fator de carga e corrente nominal, conforme tabela. A Classe I são máquinas com fator de carga de 60%, 80% ou 00%, enquanto a Classe II são para fatores de carga de 30%, 40% ou 50%. A classe III engloba as fontes de serviço leve com fator de carga de 0%. Um exemplo de designação de uma fonte da Classe I com FC = 60% é "NEMA CLASS I (60)". 7