Introdução à Física do Arco Elétrico

44 Pages·2012·0.6 MB·Portuguese

by  Paulo J. Modenesi

Universidade Federal de Minas Gerais
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Introdução à Física do Arco Elétrico

Soldagem I

Prof. Paulo J. Modenesi

Belo Horizonte, janeiro de 2012
SUMÁRIO

Página

1. Introdução ............................................................................................................. 01

2. Fontes de Energia para a Soldagem por Fusão ......................................................... 01

3. Descargas Elétricas em Gases ................................................................................. 03

4. Características Estáticas do Arco ............................................................................. 05

5. Perfil Elétrico ............................................................................................................ 08

6. Região Catódica ........................................................................................................ 09

7. Região Anódica ......................................................................................................... 11

8. Coluna de Plasma ...................................................................................................... 11

9. Uma Síntese: A tensão do Arco ................................................................................ 16

10. Transferência de Metal de Adição ............................................................................. 18

11. Taxa de Fusão de Arame ........................................................................................... 27

12. Variáveis da Soldagem a Arco .................................................................................. 30

13. Bibliografia …………………………………………………………………………. 41
LISTA DE SÍMBOLOS E CONSTANTES
(com suas unidades usuais)

A Área de contato (m2)
0
B Campo magnético (weber/m2 = N/A.m)
e Carga do elétron (1,6x10-19 C)
E Potência gerada no arco (w)
Campo elétrico (V/m)
D Parâmetro de destacamento (A2.s)
f Taxa de alimentação (m/min)
F Força (N)
I Corrente elétrica (A)
J Densidade de corrente (J/m2)
k Constante de Boultzman (1,38x10-23 J/K)
l Comprimento do arco (mm)
a
m Inclinação (“slope”) do fonte de energia (V/A)
Massa (kg)
m_ Massa do elétron (9,11x10-31 kg)
P Pressão (Pa)
P Potência efetiva (w/m2)
eff
R Constante dos gases (8,31 J/K mol)
Raio (m)
t Tempo (s)
T Período (s)
Temperatura (ºC)
U Tensão elétrica (V)
U Tensão de vazio da fonte (V)
0
U Tensão anódica (V)
A
U Tensão catódica (V)
C
v Velocidade (m/s)
V Potencial de ionização (V)
I
x Grau de dissociação
w Taxa de fusão (m/min)
Vazão (ml/s)
 Difusividade térmica (m2/s)
Grau de ionização
Constante de fusão de arame (mm/sA)
 Constante de fusão de arame (1/sA2)
 Permiabilidade do espaço livre (8,85x10-11 Farad/m)
0
 Função-trabalho (eV)
 Energia superficial (J/m2)
 Resistividade elétrica (ohm.m)
Densidade (kg/m3 ou g/cm3)
 Densidade de carga (C/m3)
e
 Condutividade elétrica (ohm-1.m-1)
 Permeabilidade magnética do ar (4x10-7 Henry/m)
0
G Energia Livre (J/mol)
Introdução à Física do Arco Elétrico

1. Introdução:

O arco elétrico é a fonte de calor mais utilizada na soldagem por fusão de materiais
metálicos, pois apresenta uma combinação ótima de características, incluindo uma
concentração adequada de energia para a fusão localizada do metal base, facilidade de
controle, baixo custo relativo do equipamento e um nível aceitável de riscos à saúde dos seus
operadores. Como consequência, os processos de soldagem a arco têm uma grande
importância industrial na atualidade, sendo utilizados na fabricação dos mais variados
componentes e estruturas metálicas e na recuperação de um grande número de peças
danificadas ou desgastadas. Obviamente, a seleção de parâmetros de soldagem, as suas
condições operacionais e seus resultados dependem fortemente de fenômenos que ocorrem no
próprio arco e em suas vizinhanças. Neste contexto, este documento busca apresentar uma
descrição geral das características do arco elétrico e de outros aspectos relacionados com a
sua aplicação que ocorrem nos eletrodos (incluindo as peças sendo soldadas). A ênfase aqui
será nos fenômenos físicos que controlam a soldagem a arco e não nos aspectos tecnológicos,
industriais ou metalúrgicos da soldagem.

2. Fontes de Energia para Soldagem por Fusão:

A soldagem por fusão é realizada pela aplicação localizada de energia em uma parte da junta
(região da(s) peça(s) onde será feita a solda) de forma a conseguir a sua fusão localizada, de
preferência 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 de uma área de contato (A )
0
de forma a aquecer o material adjacente até a sua fusão. Por outro lado, devido à elevada
condutividade térmica dos metais e à grande diferença de temperatura entre as regiões
próximas e afastadas da área de contato, a energia fornecida ao material tende a se difundir
rapidamente para restante da(s) peça(s), o que dificulta manter a fusão localizada na região de
contato e afeta termicamente as regiões vizinhas.

Fonte de
Energia
Área de Contato (A )
0
Calor difundindo na peça

Figura 2.1 - Fluxo geral de calor na soldagem por fusão.

Para ser efetiva na soldagem por fusão, a fonte deve fornecer energia a uma taxa elevada e
em uma área pequena para garantir a fusão localizada do metal base na região adjacente à
área de contato antes que o calor se difunda para o restante da peça. Para se quantificar este
requisito, define-se potência específica (P ) ou intensidade de uma fonte de energia
esp
como:
Modenesi: Física da Soldagem - 1
P W 
P  F (1)
esp  
A0 m2
onde, P é a potência (quantidade de energia por tempo) da fonte,  é o rendimento térmico
F
da fonte (a fração da energia gerada que é transferida para a peça) e A é a área de contato
0
entre a fonte e a peça. No caso de fontes elétricas, como o arco, a potência gerada pode ser
estimada pelo produto da tensão (U) e a corrente (I), quando estas não sofrem grandes
variações. Assim, para estes processos, a equação de potência específica se torna:
UI W 
P  (2)
esp  
A0 m2

Por exemplo, supondo-se uma soldagem GTAW operando com 120 A e 10 V e
considerando-se um rendimento térmico de 50% e um diâmetro do arco, junto à peça, de
3 mm, a potência específica seria igual a:
0,50x120x10
P   4x108W /m2
esp 0,0032 /4

Para ser usada na soldagem por fusão, uma fonte deve ter uma potência específica entre cerca
de 106 a 1013 W/m2 (figura 2.2). Abaixo do limite inferior, a densidade de energia é
insuficiente para fundir a região próxima da área de contato antes que o calor se difunda para
o restante da peça. Nesta caso, a fonte permite apenas o aquecimento da peça como um todo
sem causar a fusão localizada (como é o caso, por exemplo, de um maçarico de aquecimento
ou manta térmica). 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. Tem-se, assim, condições mais favoráveis ao corte do que à soldagem.

Figura 2.2 – Processos de soldagem e sua faixa usual de intensidade da fonte.

Um aumento da intensidade da fonte reduz o tempo necessário para a criação da poça de
fusão e aumenta a sua penetração no metal de base. Desta forma, fontes de maior intensidade
tendem a resultar um processos de soldagem de maior produtividade. A figura 2.3 mostra,
esquematicamente, a variação da forma da seção transversal do cordão com a intensidade da
fonte. Outros fatores, além da P , têm um efeito importante no formato do cordão (seção
esp
11). Entre as características da junta, destacam-se a sua espessura e a condutividade térmica
Modenesi: Física da Soldagem - 2
do material base. Neste contexto, a formação da poça de fusão em uma junta de cobre (metal
de alta condutividade térmica) tende a ser muito mais difícil do que em aço embora este
funda a temperaturas superiores ao cobre. A tabela I lista fontes de energia comumente
usadas na soldagem por fusão.

Figura 2.2 – Relação esquemática entre intensidade da fonte e formato (seção transversal) do
cordão.

Tabela I – Fontes de energia para a soldagem por fusão.
Fonte de Energia Exemplo de processo
 Química
- Combustão Oxigás OFW, PGW, AHW
- Reação Aluminotérmica TW, FOW

 Elétrica
- Arco Elétrico SMAW, FCAW, SAW, GMAW, …
- Resistência Elétrica ESW
- Feixe de elétrons EBW

 Feixe de radiação LBW, soldagem com microondas,
eletromagnética soldagem com infravermelho

3. Descargas Elétricas em Gases:

O arco é "uma descarga elétrica entre eletrodos em um gás ou vapor (gerado pelos
eletrodos) que tem uma queda de tensão, junto ao catodo, da ordem do potencial de
excitação do gás ou vapor (isto é, da ordem de 10 V) e na qual a corrente pode ter
praticamente qualquer valor superior a um valor mínimo de cerca de 100 mA". Atribui-
se a primeira observação do arco elétrico em condições controladas a Sir Humphrey Davy, no
início do século XIX. O termo arco foi aplicado a este fenômeno em função de sua forma
característica resultante da convecção dos gases quentes gerados pelo mesmo (figura 3.1). O
limite superior de corrente em um arco elétrico não é bem definido, podendo atingir dezenas
ou centenas de milhares de Amperes em certos circuitos. Na soldagem a arco, correntes
acima de 1000 A são utilizadas no processo ao arco submerso, sendo, contudo, mais comuns
valores da ordem de 101 a 102 A. Correntes da ordem de 1 A ou inferiores são usadas na
soldagem com microplasma. Na pressão atmosférica, o arco é caracterizado por
temperaturas muito elevadas, que causam a ionização parcial de seus gases com a
Modenesi: Física da Soldagem - 3
formação de íons positivos e elétrons. Estes (íons e elétrons) são os responsáveis pela
condução da corrente elétrica através do arco, sendo os elétrons responsáveis por mais de
90% da corrente total.

Arco

Figura 3.1 - Formato curvo de um arco livre entre eletrodos verticais.

Em soldagem, o arco normalmente ocorre entre um eletrodo cilíndrico e uma superfície (a
peça), dando a esse um formato típico de tronco de cone (figura 3.2). O eletrodo pode ser de
um material refratário como o tungstênio (eletrodo não consumível) ou de metal de menor
ponto de fusão como o aço (eletrodo consumível). Neste último caso, o processo é mais
complicado pois tem-se: (a) passagem de metal fundido (e, às vezes, de escória) através do
arco, (b) geometria variável da ponta do eletrodo e (c) comprimento de arco variável e
dependente do balanço entre as velocidades de alimentação e fusão do eletrodo (figura 3.3).

(a) (b)
Figura 3.2 – Aspecto típico do arco elétrico na soldagem (a) GTAW (Gas Tungsten Arc
Welding) e (b) GMAW (Gas Metal Arc Welding).

f
Ae Aw
w
Arco
la la

Figura 3.3 - Diferenças entre um processo de soldagem com eletrodo não consumível
(esquerda) e eletrodo consumível (direita). l - comprimento do arco, f – velocidade de
a
alimentação do arame (eletrodo), w - velocidade de fusão, A - área do eletrodo de tungstênio
e
e A - área do arame (eletrodo).
w

Modenesi: Física da Soldagem - 4
4. Características Estáticas do Arco:

A curva característica estática é a relação entre os valores médios de tensão (U) e corrente (i)
para um valor fixo do comprimento de arco e mantidas as outras características do processo
inalteradas. Ela pode ser obtida experimentalmente mantendo-se o comprimento do arco e
outras condições operacionais fixas e medindo-se a tensão e a corrente de soldagem enquanto
a regulagem da máquina de soldagem é variada (figura 4.1).

Figura 4.1 – Representação esquemática de uma montagem para a determinação de curvas
características do arco no processo GTAW. (A) Amperímetro e (V) Voltímetro.

A figura 4.2 mostra curvas características para três diferentes comprimentos de arco com o
processo GTAW (TIG). Pode-se observar que estas curvas são diferentes da esperada para
uma resistência comum, para a qual vale a Lei de Ohm (U = Ri, com R constante) que
expressa uma linha reta que passa pela origem. A curva característica do arco apresenta um
valor mínimo de tensão para valores intermediários de corrente. Para maiores ou menores
correntes, a tensão tende a aumentar. O aumento da tensão para pequenos valores de corrente
está ligado, em parte, com a redução da temperatura dos gases do arco devido à menor
quantidade de energia gerada no arco. Menores temperaturas implicam em menos ionização
e, portanto, em uma maior resistência à passagem da corrente elétrica.

18
15
)
V 6 mm
(

o
ã
s 12 4 mm
n
e
T
2 mm
9
0 50 100 150 200
Corrente (A)

Figura 4.2 - Curvas características do arco GTAW para diferentes comprimentos de arco.

A posição e forma da curva característica dependem de inúmeros fatores como o tamanho,
forma, material e temperatura dos eletrodos, composição e pressão do gás de proteção e o
Modenesi: Física da Soldagem - 5
comprimento do arco (l ). Um aumento do comprimento do arco desloca a curva
a
característica para maiores valores de tensão (figura 4.2). A relação entre U e l , para um
a
valor fixo de corrente, é descrita razoavelmente por uma reta que não passa pela origem, isto
é, U  U kl (figura 4.3). Este comportamento também diferencia o arco dos condutores
0 a
comuns, para os quais a relação entre a tensão e o comprimento do condutor para um valor
fixo de corrente pode ser descrita por uma reta que passa pela origem.

O cátodo (o eletrodo ligado ao pólo negativo da fonte que fornece energia elétrica para o
arco) tem grande importância sobre a curva característica pois passa para o arco a maior parte
dos elétrons necessários para a sua manutenção. No processo GTAW, a adição de pequenas
quantidades de óxido de metais como o tório, cério e tântalo ao eletrodo de tungstênio
modifica as condições de emissão de elétrons pelo eletrodo, tornando-a mais fácil e podendo
reduzir a tensão do arco em cerca de 1 a 2 V. Por outro lado, quando o cátodo é de um metal
não refratário (aço, alumínio, etc.), a maior dificuldade na produção de elétrons eleva a tensão
do arco em cerca de 10 V em comparação com o caso anterior (ver seção 6). Estes efeitos
obviamente mudam a posição e a forma da curva característica.

Figura 4.3 – Relação entre tensão e comprimento de arco (dados da figura 4.2).

A composição química da atmosfera do arco influência características como a facilidade de
ionização e a transferência de calor do arco para o meio ambiente. Estes efeitos por sua vez
afetam a condutividade elétrica do arco e, portanto, a forma da curva característica. Por
exemplo, na soldagem GTAW, a adição ao argônio de praticamente qualquer um dos gases
usualmente usados neste processo tende a aumentar a tensão de operação do arco, isto é,
desloca a curva característica para cima (figura 4.4).

Na soldagem com eletrodo consumível, a determinação da curva característica é mais
complexa, pois l depende do balanço entre as taxas de alimentação e fusão do eletrodo
a
(figura 3.2) e o formato da ponta do eletrodo é variável com a formação, crescimento e
destacamento de gotas de metal líquido. Existem resultados, contudo, que mostram que a
forma da curva característica do arco nestes processos é similar à obtida com eletrodos não
consumíveis.

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18
H
2
)
V
(

a 16
i
d
é
m N
2
o
ã
s 14
n
e
T
He
12
0 2 4 6 8 10
Teor de gás (%)

Figura 4.4 - Influência da adição de diferentes gases ao argônio na tensão do arco GTAW
(para corrente de 150 A e comprimento do arco de 4 mm).

É também possível levantar a curva característica para a máquina de soldagem1. Esta é
obtida, para uma dada regulagem do equipamento, variando-se o valor de uma resistência
elétrica ligada ao equipamento e medindo-se os valores obtidos de corrente e tensão.
Classicamente, as fontes de soldagem são divididas em dois tipos básicos: (a) de corrente
constante e (b) de tensão constante, figura 4.5. No primeiro tipo, para uma dada regulagem do
equipamento, a corrente é mantida relativamente constante enquanto a tensão varia de acordo
com as condições de operação. No segundo tipo, a corrente é que varia mais fortemente para
atender às condições operacionais. As primeiras são usadas, por exemplo, nos processos
SMAW e GTAW e as segundas são comumente usadas nos processos GMAW, FCAW e
SAW. Finalmente, considerando uma condição de soldagem relativamente estável, sem a
ocorrência de curtos-circuitos, os valores médios de corrente e tensão de soldagem
correspondem à interseção das curvas características do arco e da fonte (figura 4.5). Mais
detalhes sobre as máquinas de soldagem serão discutidos em seu capítulo específico.

Figura 4.5 – Curvas características de fontes de (a) corrente constante e de (b) tensão
constante. A interseção destas curvas com a curva do arco corresponde ao ponto de operação.

1 Existem atualmente máquinas de soldagem com controle eletrônico cuja curva característica pode variar
durante a operação. De qualquer forma, o conceito é útil para o entendimento de um processo de soldagem.
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