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tec.nologia da soldagem acrco eletrico fisica
Tipologia: Notas de estudo
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Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Prof. Paulo J. Modenesi
Colaboração: Prof. Alexandre Q. Bracarense Departamento de Engenharia Mecânica
Belo Horizonte, abril de 2012
Página
(com suas unidades usuais)
A 0 .............. Área de contato (m^2 ) Ad .............. Área depositada do cordão de solda (mm^2 ) Af .............. Área fundida do cordão de solda (mm^2 ) Aw ............. Seção transversal do eletrodo (mm^2 ) B ............... Indução magnética (Wb/m^2 = tesla = N/A.m) c ................ Calor específico (J/oC kg) .................. Velocidade da luz no vácuo (299792 km/s) e ................ Carga do elétron (1,60218x10-19^ C) E ............... Potência gerada no arco (W) Campo elétrico (V/m) d ................ Diâmetro do eletrodo (mm) D ............... Parâmetro de destacamento (A^2 .s) Diâmetro da gota de metal líquido (mm) f................. Velocidade de alimentação (m/min) F ................ Força (N) FC .............. Fator de curto-circuito FCAW ...... Soldagem com arame tubular GMAW ..... Soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa (= MIG/MAG) GTAW ...... Soldagem com arame não consumível de tungstênio e proteção gasosa (= TIG) g ................ Aceleração da gravidade (9,80665 m/s^2 ) h ................ Distância do bico de contato à peça (mm) .................. Constant de Planck (6,626068x10-34^ Js) I................. Corrente elétrica (A) Ib ............... Corrente de base (A) IP ............... Corrente de pico (A) J ................ Densidade de corrente (J/m^2 ) k ................ Constante de Boultzman (1,38065x10-23^ J/K) Condutividade térmica (J/s m oC) l ................. Largura do cordão (mm) L ............... Calor latente de fusão l a................ Comprimento do arco (mm) m ............... Inclinação (“slope”) do fonte de energia (V/A) Massa (kg) m_ ............. Massa do elétron (9,10938x10-31^ kg) MAG......... Soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa ativa (= GMAW) MIG .......... Soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa inerte (= GMAW) N 0 .............. Número de Alvogadro (6,02214x10^24 mol-1) p ................ Penetração do cordão (mm) P ................ Pressão (Pa) PA .............. Pressão atmosférica (101.325 Pa) Pesp ............ Potência específica (W/m^2 ) Q ............... Calor ou potência dissipada (J ou W) r................. Raio (mm) Reforço do cordão (mm) R ............... Constante dos gases (8,31447 J/mol K) Raio (mm) s ................ Extensão do eletrodo ou “Stickout” (mm)
SAW ......... Soldagem ao arco submerso SMAW ..... Soldagem com eletrodos revestidos t ................. Tempo (s ou ms) T ............... Período (ms) Temperatura (ºC) tb ............... tempo de base (ms) tP ............... tempo de pico (ms) TIG ........... Soldagem com arame não consumível de tungstênio e proteção gasosa (= GTAW) Tm ............. Temperatura de fusão (oC) U ............... Tensão elétrica (V) U 0 .............. Tensão de vazio da fonte (V) UA ............. Tensão anódica (V) UC ............. Tensão catódica (V) Tensão de reignição (V) UCP ............ Tensão na coluna de plasma (V) v ................ Velocidade (m/s) VI, VII ....... Potencial de ionização (V) x ................ Grau de dissociação w ............... Velocidade de fusão (m/min ou mm/s) Vazão (m^3 /s) wm ............. Taxa de fusão (kg/h) zm .............. Taxa de deposição (kg/h) ............... Difusividade térmica (m^2 /s) Grau de ionização Constante de fusão do arame (mm/sA) ................ Constante de fusão do arame (1/sA^2 ) 0 ............... Permeabilidade do espaço livre (8,85419x10-11^ farad/m) ................ Função-trabalho (eV) Diâmetro do eletrodo (mm) ............... Eficiência de deposição ................ Tensão superficial (N/m ou J/m^2 ) ................ Resistividade elétrica (ohm.m) Densidade (kg/m^3 ) e............... Densidade de carga (C/m^3 ) ............... Condutividade elétrica (ohm-1.m-1) ............... Rendimento térmico Coeficiente de Viscosidade ................ Livre percurso médio (m) 0 .............. Permeabilidade magnética (4x10-7^ N/A^2 ) G............. Variação de Energia Livre (J/mol) H............. Variação de Entalpia (J/mol) S ............. Variação de Entropia (J/mol K)
A soldagem por fusão é realizada pela aplicação de energia concentrada em uma parte da junta (região da(s) peça(s) onde a solda será realizada) de forma a conseguir a sua fusão localizada, de preferencia afetando termicamente ao mínimo o restante da(s) peça(s). Este processo é ilustrado na figura 2.1. A fonte transfere energia à junta através da área de contato ( A0 ) entre a fonte e a peça, causando o aquecimento do material adjacente até a sua fusão.
Contudo, em vista da elevada condutividade térmica dos metais e da grande diferença de temperatura entre as regiões próximas e afastadas da região de contato, o calor tende a se difundir rapidamente para restante da peça, resfriando e dificultando a fusão da região de contato e afetando termicamente regiões mais afastadas desta.
Figura 2.1 - Fluxo geral de calor na soldagem por fusão.
Assim, para ser efetiva na soldagem por fusão, a fonte deve fornecer energia a uma taxa suficientemente 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 em quantidades apreciáveis para o restante da peça. Para caracterizar este processo, define-se a potência específica (Pesp) ou Intensidade de uma fonte de energia como:
. (^0) m
tA
onde E é a quantidade de energia gerada pela fonte, é o rendimento térmico da fonte, isto é, a fração da energia que é transferida para a peça e t é o tempo de operação. A energia gerada pela fonte depende fundamentalmente de sua natureza. No caso de fontes elétricas, como o arco elétrico, a energia gerada por unidade de tempo é dada pelo produto da tensão U e a
corrente I. Desta forma, para processos de soldagem a arco, a equação de potência específica se torna:
0 m^2
esp
Por exemplo, seja uma operação de soldagem TIG ( T ungsten I nert G as) em que se esteja usando uma corrente de 120A e uma tensão de 10V. Considerando-se que o rendimento térmico deste processo seja cerca de 50% e que o diâmetro do arco junto a peça valha cerca de 3mm, a potência específica nestas condições seria:
2 8 ,^5107 /^2 ( 0 , 003 / 4 ) Pesp ^0 ,^50 x^120 x^10 x W m
Para a soldagem oxi-acetilênica, a equação da potência específica da chama é dada por:
0 2
( 2 2 ) ( 2 2 ) 3600 m
onde QC(C2H2) é o calor de combustão do acetileno, o qual vale 48kJ por litro de C 2 H 2 e V(C2H2) é a vazão de acetileno (em litros/hora). A 0 pode ser estimada como .d^2 /4, onde d é o diâmetro do cone interno da chama, onde ocorre a reação primária do acetileno com o oxigênio.
De uma forma geral, para ser útil na soldagem por fusão, uma fonte precisa ter uma potência específica entre cerca de 10^6 e 10^13 W/m^2 (figura 2.2). No limite inferior desta faixa, a densidade de energia é insuficiente para aquecer a região próxima da área de contato até a sua fusão antes que o calor se difunda para o restante da peça. Neste caso, a fonte permite apenas o aquecimento de toda a peça sem ser capaz de promover a sua fusão localizada (este é o caso, por exemplo, de um maçarico de aquecimento ou uma manta térmica que, embora possam gerar uma quantidade apreciável de calor, este é transferido para a peça através de uma área de contato relativamente grande).
No limite superior, o calor é fornecido de forma tão concentrada que causa uma vaporização do material na região de contato em poucos microsegundos, antes mesmo da fusão ou de um
do material.
Figura 2.3 – Distribuição de temperatura prevista pela equação (2.4) para diferentes tempos de atuação da fonte de calor (2,4 x 10^7 W/m^2 ) na superfície de uma placa espessa de aço de baixo carbono inicialmente a 25ºC.
Se o tempo de atuação da fonte em uma região da junta for inferior a tm , não será possível se
conseguir a sua fusão localizada e, portanto, a soldagem por fusão não será possível. Assim, pode-se definir a velocidade máxima do processo de soldagem ( vmax ) como:
onde d 0 é o diâmetro da área de contato ( A 0 ). Substituindo, nesta expressão, os valores de d 0 ,
tm e Pesp , obtém-se:
3 / 2
2 max
a A o
E t K
v^
Assim, uma maior potência específica implica em uma velocidade de soldagem máxima maior e, portanto, na possibilidade de uma maior produtividade. Por outro lado, se tm for
associado com o tempo de resposta necessário para controlar um processo de soldagem, pode- se concluir que a soldagem oxiacetilênica ( tm 100 -10^1 s) é facilmente executável pelo ser
humano enquanto que a soldagem com feixe de elétron ( tm 10 -5^ s) precisa ser mecanizada.
De uma forma geral, as diferenças mais significativas de Pesp conseguidas entre os vários processos de soldagem são obtidas principalmente por variações na área de contato da fonte de energia com a peça (figura 2.4) e não da potência gerada na fonte ( E/t ). Isto é feito porque é claramente mais vantajoso (deseja-se, enfim, obter uma fusão localizada ) e, em geral, é mais fácil reduzir a área de contato da fonte do que aumentar a potência do equipamento de soldagem. Assim, por exemplo, enquanto a potência gerada em um arco elétrico é similar à associada com um feixe de elétrons, a área de contato neste último é duas ou mais ordens de grandeza menor.
Os limites de potência específica definidos acima para a fusão localizada (figura 2.2) são aproximados e dependem de diversos fatores, em particular, do tipo de metal de base, suas dimensões e forma e de sua temperatura inicial. Assim, uma peça de um material de elevada condutividade térmica (cobre ou alumínio, por exemplo) exige uma fonte de maior intensidade específica para sua fusão localizada do que uma peça de aço e a dificuldade para a fusão localizada aumenta com a espessura da peça. Por outro lado, uso de pré-aquecimento reduz a difusão do calor para o restante da peça e facilita a soldagem de materiais de elevada condutividade térmica.
Figura 2.4 - Valores típicos do diâmetro da área de contato com a potência específica da fonte de energia.
Figura 3.2 - Característica estática Tensão/Corrente de uma descarga elétrica em um gás a baixa pressão (esquemático).
Estas formas de descarga elétrica apresentam diferenças (particularmente em relação aos processos que ocorrem no cátodo e aos seus valores usuais de pressão, corrente e temperatura de operação) e, também, semelhanças com o arco elétrico. Em comum, todas envolvem alguma forma de tornar e manter o meio gasoso como condutor de eletricidade através de sua ionização. Esta pode ser conseguida e mantida, por exemplo, por: aquecimento do meio a temperaturas elevadas (possibilitando a ocorrência de choques violentos entre os seus componentes; esta é a forma usual de conseguir e manter a ionização no arco de soldagem); uso de radiações ionizantes (por exemplo, na forma de raios cósmicos ou a partir de fontes naturais de radiação); aplicação de uma diferença de potencial elevada e/ou variável com uma alta frequência; e uso de baixa pressão (esta é uma forma de manter a ionização pela redução da oportunidade de contato entre as partículas ionizados e, desta forma, da chance de sua neutralização).
Uma pequena descrição de algumas das diferentes forma de descarga elétrica em gases será apresentada abaixo para possibilitar uma melhor compreensão das mesmas e do próprio arco.
Na região A (figura 3.2), na presença de um campo elétrico, parte dos íons e elétrons existentes naturalmente no gás (gerados por interação com a radiação ionizante, por exemplo)
são atraídos e capturados pelos eletrodos antes de se recombinarem. Com um aumento do campo elétrico, a proporção dos íons e elétrons capturados aumenta até se atingir uma condição de saturação (ponto B ), quando praticamente todos os íons produzidos são capturados.
Na região C , o elevado campo elétrico usado acelera os elétrons livres inicialmente presentes no gás até estes terem uma energia cinética suficientemente elevada para causar a ionização de novos átomos (e moléculas), produzindo um efeito de cascata (as novas partículas ionizadas são, também, aceleradas, podendo causar novas ionizações) que aumenta a corrente elétrica. Outros mecanismos que aumentam esta corrente passam a atuar entre os pontos C e D : emissão de elétrons no cátodo pelo choque de íons positivos acelerados pelo campo elétrico, ionização pelo choque de íons e átomos, foto emissão no cátodo, etc. Até o ponto D , a descarga elétrica depende de uma fonte externa de ionização para a sua manutenção e deixará de existir se esta fonte for retirada (isolando o gás do ambiente colocando-o, por exemplo, dentro de uma caixa de chumbo). Além deste ponto, tem-se a região de transição ( D-E ), quando a descarga torna-se luminosa e capaz de se manter sem estímulos externos. Os diversos mecanismos de criação de elétrons/íons consomem uma maior proporção da energia gerada pela descarga, reduzindo as suas perdas para o ambiente e, assim, causando uma redução na queda de tensão com o aumento da corrente.
A descarga luminescente (" Glow Discharge " - região E-F ) é caracterizada por uma diferença de potencial relativamente constante e a sua coluna é caracterizada, em geral, por bandas claras e escuras (figura 3.3). A densidade de corrente na área de emissão do cátodo é constante, assim esta área tende a aumentar quando a corrente é aumentada. Além do ponto F, tem-se a descarga luminescente anormal. Nesta, a região de emissão de elétrons no cátodo torna-se saturada. Como consequência, a densidade de corrente no cátodo tende a aumentar elevando a tensão da descarga em centenas de volts e o cátodo torna-se progressivamente mais aquecido. No ponto G , os efeitos térmicos no cátodo passam a dominar a emissão de elétrons, ocorre uma forte contração (redução de tamanho) da área de emissão de elétrons no cátodo e a tensão se reduz drasticamente. Tem-se, assim, a transição para o arco.
O arco, relembrando a definição dada no início desta seção, é caracterizado por correntes elétricas elevadas (em relação às outras formas de descarga discutidas anteriormente) e uma baixa tensão. Esta definição, contudo, é imprecisa e pode gerar confusão uma vez que, na
contraem periodicamente. Na soldagem com eletrodos revestidos, o arco pode se mover rápida e erraticamente na superfície do eletrodo em associação com o movimento de líquidos na extremidade deste.
No processo TIG, o formato do arco foi mais extensivamente estudado, tendo sido observados diferentes modos de operação associados com as características do eletrodo de tungstênio e as condições de soldagem. No modo normal , não existe um ponto catódico bem definido no eletrodo de tungstênio, o arco parece cobrir toda a superfície da ponta do eletrodo e a coluna do arco tem o formato de um cone truncado. O modo de ponto catódico ocorre com eletrodos de tungstênio cuja ponta é mantida aguda, na qual um ponto catódico bem definido é formado e o arco tem um formato característico de sino. Existem, na literatura, descrições de modos adicionais de operação que não serão tratados aqui.
Figura 3.4 - Imagem do arco elétrico no processo TIG obtido sobre um anodo de cobre.
Figura 3.5 - Imagem do arco elétrico no processo MIG/MAG.
O arco elétrico de soldagem compreende uma região relativamente pequena do espaço caracterizada por temperaturas elevadas (similares ou mesmo superiores à da superfície do sol), forte geração de radiação luminosa e ultravioleta, fluxo intenso de matéria e grandes gradientes de propriedades físicas. Assim, o estudo tanto experimental como teórico do arco é, em geral, bastante complicado e, apesar do grande volume de literatura gerado nesta área, muitos aspectos ainda permanecem pouco compreendidos. O estudo do arco é de especial interesse da soldagem e, também, de outras áreas como, por exemplo, a astrofísica, a indústria elétrica e a nuclear.
O estudo experimental do arco elétrico é realizado principalmente de forma indireta, uma vez que as condições no arco são extremamente agressivas e métodos diretos tendem a perturbar de forma significativa as condições do arco. Como métodos diretos pode-se citar, por exemplo, a utilização de sondas para medir o campo elétrico no interior do arco ou de pequenas partículas para a observação do fluxo de gases pelo arraste das mesmas.
Existe um número enorme de técnicas indiretas que podem ser utilizadas para o estudo do arco. Apresenta-se, a seguir, de forma muito resumida, algumas das técnicas comumente utilizadas, em particular, em estudos envolvendo o arco elétrico em soldagem. Uma discussão mais detalhada e específica de parte destas técnicas será apresentada na seção 11.
Apesar de suas vantagens, os sinais digitalizados apresentam características particulares que precisam ser consideradas para a sua adequada utilização. Em particular, o próprio processo de digitalização impõe importantes limitações no sinal que está sendo medido. Este processo basicamente converte o sinal de uma dada variável do processo (em geral, um valor real que varia com o tempo de forma contínua) em um conjunto de números inteiros medidos em intervalos de tempo, em geral, constantes. A transformação do valor medido em um número inteiro permite o seu armazenamento na memória do dispositivo de aquisição de dados, mas causa uma certa perda de informação deste valor. O número de posições (bits) de memória usados para armazenar o valor medido determina a variação máxima que este pode ter e, desta forma, a sua resolução. Esta ( ∆y ) pode ser estimada por:
2 1
MAXBITS MIN y y y (4.1a) onde ( yMAX - yMIN ) é o intervalo em que o sinal y está sendo medido. Por exemplo, supondo que a tensão de soldagem está sendo coletada em um sistema de 10 bits com uma faixa de 0 a 100 V. A resolução máxima será: y [^100 210 (^) ^01 ] V 0 , 098 Vou 0 , 1 % (4.1b) A taxa de aquisição dedados (número de medidas feitas por segundo) é também fundamental para a reprodução adequada do sinal. Uma aquisição muito rápida implica no uso de equipamentos de aquisição de melhor desempenho (em geral, mais de maior custo) e na geração de um volume maior de dados (processamento mais lento). Por outro lado, baixas taxas de aquisição podem levar à perda de informação ou, mesmo, à distorção das informações contidas no sinal. A figura 4.2 ilustra este efeito para o sinal de tensão de testes de soldagem com o processo GMAW com transferência por curto-circuito (ver seção 11).
o ofuscamento causado pelo arco e facilitar a observação de fenômenos relacionados com os eletrodos.
(a)
(b)
(c)
(d) Figura 4.2 – Variação da tensão de soldagem durante um teste de soldagem GMAW com transferência por curto-circuito. Taxas de aquisição de dados: (a) 2,5k, (b) 10k, (c) 40k e (d) 160k medidas por segundo.
(^00 5 10 15 20 )
10
20
30
40
Tensمo (V)
Tempo (ms)
(^00 5 10 15 20 )
10
20
30
40
Tensمo (V)
Tempo (ms)
(^00 5 10 15 20 )
10
20
30
40
Tensمo (V)
Tempo (ms)
(^00 5 10 15 20 )
10
20
30
40
Tensمo (V)
Tempo (ms)
