FONTES DE ENERGIA FONTES DE ENERGIA

FONTES DE ENERGIA A soldagem por fusão é realizada pela aplicação de energia localizada em uma parte da junta de forma a conseguir a sua fusão localizada, de preferência afetando termicamente ao mínimo o restante da peça. A fonte transfere energia à junta através de uma área de contato (A 0 ) aquecendo o material próximo até a fusão, por outro lado, devido à elevada condutividade térmica dos metais e a grande diferença de temperatura entre as regiões próximas e afastadas da área de contato, o calor se difunde rapidamente para o restante da peça, resfriando e dificultando a fusão da região de contato e afetando termicamente regiões vizinhas. FONTES DE ENERGIA

FONTES DE ENERGIA Para ser efetiva na soldagem por fusão, a fonte deve fornecer energia a uma taxa elevada e em uma área suficientemente pequena para garantir a fusão localizada do metal de base na região adjacente à área de contato, antes que o calor se difunda para o restante da peça. Define-se potencia específica (Pesp) ou intensidade de uma fonte de energia como: FONTES DE ENERGIA Onde E é a quantidade de energia gerada pela fonte, η é o rendimento térmico da fonte e t é o tempo. No caso de fontes elétricas, como arco, a energia gerada por unidade de tempo é dada pelo produto da tensão elétrica V e a corrente I. Assim a equação anterior se torna:

FONTES DE ENERGIA Para ser usada na soldagem por fusão, uma fonte deve ter uma potencia especifica entre cerca de 10 6 e 10 13 W/m 2, Abaixo do limite inferior, a densidade de energia é insuficiente para fundir a região próxima à área de contato antes que o calor se difunda para o restante da peça. Acima do limite superior, o calor é fornecido de forma tão concentrada que vaporiza a região de contato antes da fusão ou aquecimento apreciável de outras partes da peça. FONTES DE ENERGIA Outros fatores alem da potencia especifica que influenciam o formato do cordão são: - Espessura da junta - Condutividade térmica do metal de base

FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO Classicamente a soldagem é considerada como um processo de união, porem, na atualidade, muitos processos de soldagem ou variações destes são usados para deposição de material sobre uma superfície, visando à recuperação de peças desgastadas ou para formação de um revestimento com características especiais. Diferentes processos relacionados à soldagem são usados para corte de peças metálicas e em muitos aspectos estas operações se assemelham a operações de soldagem. FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO INTRODUÇÃO Os fenômenos envolvidos na transferência metálica são bastante complexos e por isso não são muito estudados, principalmente na transferência metálica por eletrodos revestidos. O conhecimento desses fenômenos é de fundamental importância para o melhor controle do processo de soldagem.

FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO DEFINIÇÃO Um arco elétrico pode ser definido como um feixe de descargas elétricas formadas entre dois eletrodos e mantidas pela formação de um meio condutor gasoso chamado plasma. Há neste fenômeno a geração de energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, através da fusão localizada das peças a serem unidas. A expressão soldagem a arco elétrico se aplica a um grande número de processos de soldagem que utilizam o arco elétrico como fonte de calor; nestes processos a junção dos materiais sendo soldados pode requerer ou não o uso de pressão ou de material de adição. FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO

FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO ABERTURA E FUNCIONAMENTO DO ARCO ELÉTRICO: Um arco elétrico é formado quando 2 condutores de corrente elétrica (dois eletrodos) são aproximados para fazer o contato elétrico e depois separados. Isto aumenta a resistência ao fluxo de corrente e faz com que as extremidades dos eletrodos sejam levados a altas temperaturas, bem como o pequeno espaço de ar entre eles. Os elétrons vindo do eletrodo negativo (catôdo) colidem com as moléculas e átomos do ar, desmembrando-os em íons e elétrons livres e tornando a fresta de ar um condutor de corrente devido à ionização. FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO Isto mantém a corrente através do espaço de ar e sustenta o arco; na prática para acender o arco, o soldador esfrega a extremidade do eletrodo na peça a soldar e depois o afasta ligeiramente. No instante de contato, a corrente passa no circuito e continua a circular quando o eletrodo é afastado, formando um arco, devido ter acontecido a ionização do ar, isto é, o ar ter se tornado condutor de corrente.

FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO A coluna do arco pode ser constituída de elétrons livres, íons positivos, íons negativos e uma pequena quantidade de átomos neutros. Essas cargas existentes formam o plasma, que é, portanto o constituinte da coluna do arco. Apesar das cargas existentes, ela é considerada eletricamente neutra.

FÍSICA DO ARCO ELÉTRICO CARACTERISTICAS ELETRICAS Eletricamente o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença de potencial entre suas extremidades e pela corrente elétrica que circula por este. A queda de potencial ao longo do arco elétrico não é uniforme, distinguindo-se três regiões distintas. A queda de tensão no arco elétrico pode ser dividida em três partes: queda de tensão catódica, queda de tensão na coluna do arco e queda de tensão anódica.

CARACTERISTICAS ELETRICAS CARACTERISTICAS ELETRICAS Em um fio metálico percorrido por uma corrente, a tensão elétrica varia uniformemente ao longo de seu comprimento. O mesmo não acontece ao longo de um arco elétrico, existindo quedas abruptas de tensão junto aos eletrodos (anodo e catodo) que atingem entre 1 e 20 V. Eletricamente o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença de potencial entre suas extremidades e pela corrente elétrica que circula por este.

CARACTERISTICAS ELETRICAS A queda de tensão no arco elétrico pode ser dividida em três Regiões: - Zona de queda catódica, - Coluna de Plasma, e -Zona de queda REGIÃO CATÓDICA CARACTERISTICAS ELETRICAS Embora Seu volume seja desprezível em comparação com a coluna, a região catódica é extremamente importante para existência do arco, pois ela, é responsável pelo fornecimento da maioria dos elétrons responsáveis pela condução de corrente no arco. Na soldagem com corrente alternada (CA), na qual o arco se apaga a cada mudança de polaridade dos eletrodos, os processos ocorrendo no catodo são importantes para a reabertura do arco.

CARACTERISTICAS ELETRICAS Os elétrons podem ser emitidos de varias maneiras, em soldagem os mais importantes são: Emissão termiônica: Ocorre, basicamente, do aquecimento do material a uma temperatura suficientemente alta para causar a emissão (ou vaporização ) de elétrons em sua superfície por agitação térmica. Emissão a frio: Ocorre na soldagem com eletrodos consumíveis, o catodo não pode atingir temperaturas suficientemente altas e mecanismos alternativos de transmissão de eletros devem operar para explicar as densidades de corrente observadas no arco. CARACTERISTICAS ELETRICAS REGIÃO ANÓDICA A região anódica, embora essencial para a continuidade do arco, não é tão importante para manutenção do arco como a zona catódica. O anodo não emite íons positivos (que são criados pela ionização térmica na coluna do arco). COLUNA DE PLASMA A coluna compreende praticamente todo volume do arco, sendo constituída por partículas neutras (moléculas e átomos), íons e elétrons livres. Para a formação do plasma, o gás deve ser aquecido a temperaturas elevadas para, como resultado da agitação térmica, ocorrerem choques entre os seus constituintes e, assim a sua ionização.

CARACTERISTICAS TÉRMICAS DO ARCO ELÉTRICO O arco elétrico de soldagem tem uma eficiência alta ( 100%) na transformação de energia elétrica em energia térmica. Baseado nessa eficiência podemos afirmar que o calor gerado num arco elétrico pode ser estimado a partir de seus parâmetros elétricos pela equação: Q = V. I. t onde: Q = energia térmica gerada, em joule (J); V = queda de potencial no arco, em Volt (V); I = corrente elétrica no arco, em ampère (A); t = tempo de operação, em segundos (s). CARACTERISTICAS TÉRMICAS DO ARCO ELÉTRICO São conseguidas altas temperaturas no arco, conforme mostra o perfil térmico (isotermas) de um arco de soldagem, aberto com um eletrodo não consumível de Tungstênio e uma peça de Cobre refrigerada a água e separados entre si por 5 mm, em atmosfera de gás inerte.

CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO O arco de soldagem é um condutor de corrente elétrica e sendo assim, sofre interação da corrente elétrica por ele transportada com os campos elétricos por ela gerados; isto gera alguns efeitos que podem favorecer ou prejudicar a soldagem. Quando um condutor de comprimento l, percorrido por uma corrente i é colocado numa região de influência de um campo magnético B, então ele experimenta uma força F, conhecida como Força de Lorentz, que é enunciada pela equação: CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO F = B. i. l onde: F, B e i são grandezas vetoriais perpendiculares entre si, sendo que o sentido de F pode ser obtido aplicando-se a Regra do Parafuso, onde imagina-se um parafuso convencional que gira no sentido de i para B. O sentido de F será aquele de avanço do parafuso.

CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO Um efeito magnético de suma importância no arco elétrico é o chamado Jato Plasma, que é um dos responsáveis pela penetração do cordão de solda e que pode ser considerado um condutor elétrico gasoso de forma cônica e que ao passar a corrente por ele, induz um campo magnético de forma circular concêntrico em seu eixo e ele se comporta como um condutor colocado em um campo magnético; dessa maneira surgem forças de Lorentz na região do arco, que têm sentido de fora para dentro, conforme vemos na figura a seguir: CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO

CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO A intensidade do campo magnético diminui com o quadrado da distância à linha de centro do condutor. Como o diâmetro do arco é sempre menor na região próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a ser maiores nesta região do que na proximidade da peça, formando assim na região uma pressão interna maior do que junto à peça; esta diferença de pressão causa um fluxo de gás no sentido eletrodo-peça que é o jato de plasma. O campo magnético e as forças de Lorentz são proporcionais à intensidade de corrente, portanto quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de plasma, promovendo assim uma maior penetração do cordão de solda. CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO A intensidade do campo magnético diminui com o quadrado da distância à linha de centro do condutor. Como o diâmetro do arco é sempre menor na região próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a ser maiores nesta região do que na proximidade da peça, formando assim na região uma pressão interna maior do que junto à peça; esta diferença de pressão causa um fluxo de gás no sentido eletrodo-peça que é o jato de plasma. O campo magnético e as forças de Lorentz são proporcionais à intensidade de corrente, portanto quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de plasma, promovendo assim uma maior penetração do cordão de solda.

CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DO ARCO ELÉTRICO A intensidade do campo magnético diminui com o quadrado da distância à linha de centro do condutor. Como o diâmetro do arco é sempre menor na região próxima ao eletrodo, as forças de Lorentz tendem a ser maiores nesta região do que na proximidade da peça, formando assim na região uma pressão interna maior do que junto à peça; esta diferença de pressão causa um fluxo de gás no sentido eletrodo-peça que é o jato de plasma. O campo magnético e as forças de Lorentz são proporcionais à intensidade de corrente, portanto quanto maior for a corrente, tanto maior será o jato de plasma, promovendo assim uma maior penetração do cordão de solda. TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA A forma pela qual o metal de adição fundido se transfere para a poça de fusão influencia o nível de respingos e fumos gerados, a capacidade de soldar fora da posição plana, o formato do cordão e a própria estabilidade do processo. O modo de transferência de uma dada condição de soldagem depende de fatores como os parâmetros elétricos (tipo e valor da corrente, tensão e polaridade), o diâmetro e composição do metal de adição, tipo e composição do meio de proteção, comprimento do eletrodo, etc.

TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA Os tipos mais comuns de transferência metálica são apresentados abaixo: TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA TRANSFERÊNCIA GLOBULAR: O metal é transferido por glóbulos co diâmetro próximo ao eletrodo nu ou alma do eletrodo revestido. Não é adequado para soldagem fora de posição. TRANSFERÊNCIA POR PULVERIZAÇÃO: O metal é transferido por gotas pequenas, bem menores que o diâmetro do eletrodo nu, ou alma do eletrodo revestido. Pode ser utilizada na soldagem em posição plana ou horizontal. a transferência por pulverização pode ser axial, onde o jato tem o formato cônico na direção do eixo do eletrodo, ou rotacional, onde o jato gira em torno do eixo do eletrodo.

TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA TRANSFERÊNCIA POR CURTO-CIRCUITO O metal é transferido por contato direto entre o eletrodo e a poça de fusão através de uma gota. Pode ser utilizado em qualquer posição. TRANSFERÊNCIA POR ARCO PULSADO O metal é transferido similarmente a por pulverização, ela difere da outra porque uma gota é transferida por pulso. Solda em todas as posições. O tipo de transferência pode ser determinado pela geometria do eletrodo nu (diâmetro e comprimento), sua composição, tipo de gás protetor, composição do revestimento do eletrodo, corrente de soldagem, comprimento do arco, etc. TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA TRANSFERÊNCIA METÁLICA NA SOLDAGEM MIG/MAG Este processo apresenta classicamente três formas principais de transferência metálica: (a) transferência por curto circuito, (b) transferência globular e (c) transferência por pulverização. Formas derivadas destas são também citadas nas literaturas. Nos processos MIG/MAG pode ocorrer uma mudança brusca no volume e na massa das gotas, devido a um aumento na corrente de soldagem.

TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA A faixa de corrente onde ocorre essa mudança de comportamento é chamada de faixa de transição. Abaixo dela, a transferência metálica é do tipo globular, enquanto que acima é do tipo de pulverização axial. O tipo de transferência metálica está relacionado com a energia necessária par para fundir o eletrodo e com a taxa de fusão. Enquanto na transferência globular a taxa de fusão é baixa, o mesmo não acontece para a transferência por pulverização que tem uma elevada taxa de fusão. Para que se tenha uma taxa de fusão elevada, a energia necessária para fundir o eletrodo nu deve ser alta. TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA TRANSFERÊNCIA METÁLICA NA SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO O estudo desta transferência é dificultado devido aos gases gerados pela queima do revestimento e as gotas de escoria que são transferidas junto com as gotas metálicas. Acredita-se que os três tipos de transferência metálica, descritos anteriormente, podem ser obtidos com eletrodos revestidos. De maneira geral, o tipo de transferência metálica é influenciado pelo revestimento do eletrodo, pela corrente e pela posição de soldagem.

TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA TIPOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA TRANSFERÊNCIA METÁLICA NA SOLDAGEM AO ARCO SUBMERSO Neste processo, a observação da transferência metálica é difícil pois o arco ocorre sob uma camada de fluxo. De forma similar a outros processo a transferência depende da polaridade do eletrodo, e como na soldagem com eletrodo revestido a composição do fluxo influencia de forma importante o tipo de transferência. A transferência pode ocorrer através do arco ou as gotas podem colidir co a parede de fluxo e se transferir através desta.