Arco Voltaico de Soldagem

1

Laboratório de Engenharia de Soldagem

Definição Dispositivo que converte energia elétrica em luz e calor

LuzEnergia elétrica ARCO

CALOR

Definição clássica de Jackson (1960)

“O arco voltaico de soldagem consiste de uma descarga elétrica através de um plasma condutor a alta temperatura, produzindo energia térmica suficiente de modo a possibilitar a união de metais por fusão”.

Arco Voltaico de Soldagem


Região catódica( 10-4 – 10-5

mm)

Região anódica( 10-2 – 10-3 mm)

Pontos catódicos

Transição arco-gás de proteção

Coluna de plasma (arco)

+

+ +

e-

e-

e-

+

Ra.r Rc.rRa.cIarco

Queda de tensão anódica

Queda de tensão catódica

Queda de tensão na coluna

Distancia axial

0

Potencial axial

Representação esquemática de um arco mostrando suas divisões ao longo do eixolongitudinal (axial) e uma correspondente analogia com resistores em série.


2



Região Anódica( 10-2 – 10-3

mm)

Região catódica( 10-4 – 10-5 mm)

Pontos catódicos



-

e- e-

+

+

+

e-

Rc.r Ra.rRa.cIarco




Distancia axial

0

Potencial axial



Arco Voltaico de Soldagem Constituintes do arco voltaico

Átomos e moléculas, íons e elétrons átomos e moléculas: vapores

metálicos e gases permanentes

Principais propriedades Potencial de ionização

Condutibilidade térmica

Condutibilidade elétrica

Potencial de oxidação

3



Potencial de ionização x energia de ionização



Potencial de ionização x energia de ionização (argônio)

4







5






Propriedades

6



Região Anódica( 10-2 – 10-3

mm)

Região catódica( 10-4 – 10-5 mm)

Pontos catódicos



-

e- e-

+

+

+

e-

Rc.r Ra.rRa.cIarco




Distancia axial

0

Potencial axial



Arco Voltaico de Soldagem Queda catódica e anódica

Alto gradiente térmico (105 a 106 K/m)

Alto gradiente elétrico (108 V/m e 106 a 107 V/m)

Contração (106-1014 A/m2 e 106-109 A/m2)

Coluna do arco

Equilíbrio térmico (energia cinética aproximadas)

Equilíbrio elétrico (carga elétrica nula em dado volume)

Altas temperaturas

Fluxo de matéria

7


Emissão de elétrons

Emissão térmica

Na presença de uma elevada temperatura, os átomos superficiais são ativados e liberam elétrons

Emissão de campo

Condução de energia devido a presença de um campo eletrostático elevado.

Emissão de campo-térmica

Emissão realizada a partir da combinação dos dois mecanismos (emissão térmica e de campo)



C átodo (chapa )

óxidos

Â nodo

(Eletrodo)

Representação esquemática do fenômeno de emissão catódica.


Emissão de campo

8


Abertura do arco voltaico

Alta tensão (> 4.000 V)

Curto-circuito

Alta freqüência, alta tensão e baixa intensidade de corrente

Diferentes técnicas Contato e retração instantâneas

Intercalação de palha de aço ou pó de ferro

Aproximação sem contato

Eletrodos auxiliares



I II III IV V

Ten

são

(V)

Tempo (s)

Cor

rent

e (

I)

Tempo (s)


Abertura do arco voltaico I - não há o contato do eletrodo com

a peça;

II - resistência de contato;

III - ionização embrionária;

IV - formação do arco;

V - o arco se mantém.

9


Representação esquemática do comportamento dinâmica dossinais elétricos de um arco durante o seu acendimento após ocurto-circuito (eletrodo de 1,0 mm do diâmetro).“85, 92, ...” – números dos quadros;Velocidade da filmagem: 2000 quadros/segunda.

0

50

100

150

200

250

05

101520253035

0.888 0.89 0.892 0.894 0.896 0.898

(A)

(V)

t (s)

Corrente

Tensão

85 92 95 100 101 103


Após a abertura do arco voltaico

I – alta tensão por unidade comprimento

II – distância maior que o comprimento das regiões catódicas e anódicas

III – superfície líquida do eletrodo e da poça de fusão

IV – força contra-eletromotriz

V – Após alguns milisegundos o comprimento do arco aumenta, a resistência é elevada, a corrente cai e a força contra-eletromotriz deixa de atuar.


Aspectos Gerais do arco I – tensão do arco fornece a energia para manter o equilíbrio do arco:

energia gerada pelos choques dos elétrons, íons e átomos e energia perdida para o meio.

II – energia cinética dos átomos é proporcional à tensão disponível na fonte

III – o número de choques (maior energia gerada) é proporcional a intensidade de corrente.

A tensão do arco é o conversor de energia e a corrente é que faz o trabalho.


10


Comparação qualitativa entre a polaridade inversa e direta no caso da soldagem MIG/MAG.

b) Polaridade direta

Menor aporte de calorMenor profundidade de penetraçãoMaior taxa de fusão do arame eletrodoO modo da transferência metálica é desfavorável (globular irregular)

Fonte deenergia

- +

Fluxo deelétrons Fluxo

de íons

a) Polaridade inversa

Fluxo deelétrons

Fonte deenergia

- +

Fluxode íons

Maior aporte de calorMaior profundidade de penetraçãoMenor taxa de fusão do arame eletrodoHá variedade dos modos da transferência metálica a escolher um mais apropriado (curto-circuito, globular, goticular, pulsado, ...)

CCEP 10% de CCEN 30% de CCEN 50% de CCEN 70% de CCEN 90% de CCEN


Efeito da Polaridade


Características estáticas do arco

Comportamento da tensão e da corrente para um

mesmo comprimento de arco.

Variação da tensão com o comprimento do arco

Para a mesma atmosfera ionizante, a tensão aumenta

com o aumento do comprimento do arco.

Características dinâmicas do arco

Comportamento da tensão e da corrente com o tempo.


11



0

10

20

30

40

0 50 100 150 200 250

Arco com comprimento maior do que o de referência

Arco de referência

Arco com comprimentomenor do que o dereferência

U (V)

I (A)

Representação esquemática de Característica Estática de Arco (CEA)para diferentes comprimentos de arco.



Corrente (A)

TE

NS

ÃO

(V

)

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

140 180 220 260 300 340 380

Ar + 5%O2

Ar + 2%O2



12







13







14




MIG/MAG com argônio + 2% O2




15


a2 a1{{a2

U (V)

0

10

20

30

40

0 50 100 150 200 250 I(A)I1I2

V1 V2

a1{

a2

a1 a3

12



Tempo (s)

Cor

rent

e (A

)

Ten

são

(V)

0

20

40

60

80

100

120

140

-100

0

100

200

300

400

500

600

5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6

Corrente

Tensão

Tempo (s)

Cor

rent

e (A

)

Ten

são

(V)

0

20

40

60

80

100

120

140

-100

0

100

200

300

400

500

600

5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6

Corrente

Tensão

Arco Voltaico de Soldagem Características dinâmicas do arco

16


Características do meio ionizante e protetor

Energia de ionização dos gases e vapores metálicos

Função de trabalho da superfície dos metais e escórias

Propriedades físicas dos gases e escórias

Propriedades do meio ambiente (pressão)

Tipos de gases existentes

Tipos de atmosferas (gás e/ou escória)

Quantidade do meio ionizante e protetor



Soldagem em corrente contínua

Polaridade direta, CC- (eletrodo negativo)

Polaridade inversa, CC+ (eletrodo positivo)

Corrente pulsada (Ip, tp, Ib e tb)

Corrente modulada

Extinções do arco no curto-circuito

Aplicada a todos os processos de soldagem a arco

Sensível à ação de campos magnéticos


17


Soldagem em corrente alternada

Corrente de onda senoidal

Corrente de onda quadrada

Corrente pulsada (Ip, tp, Ib e tb)

Extinções do arco na mudança de polaridade (120 Hz)

Extinções do arco no curto-circuito

Não se aplica aos processos MIG/MAG e AT

Menos sensível à ação de campos magnéticos



Sopro magnético

Desvio do arco, que por ação de forças magnéticas,

afasta-o do caminho mais curto entre o eletrodo e o

material de base.

Fatores que afetam a magnitude e a direção das forças

Forma da peça

Posição do arco

Tipo e intensidade de corrente

Posição da conexão de corrente


18


Formas de minimizar o sopro magnético

Inclinar o eletrodo

Usar arco curto

Distanciar a conexão de corrente do arco

Reduzir a intensidade de corrente

Soldar em corrente alternada



Estabilidade do arco voltaico

O que é um arco estável?

Como avaliar a estabilidade?

Medição do comprimento do arco após a sua extinção

Freqüência de extinções naturais durante a soldagem

Magnitude do pico de tensão U1 em corrente alternada

Menor tensão em vazio na qual o arco não extingue Uomin

Índice B em corrente alternada

Desvio padrão relativo da tensão e dos tempos de curto


19



Soldagem com eletrodo permanente.

Soldagem com eletrodo consumível

Transferência metálica sem curto-circuito

Transferência metálica com curto-circuito

Soldagem sem curto-circuito

Corrente contínua não ocorre extinção do arco (U, I)

Corrente alternada extinção na inversão (U1, I1 e t1)




Soldagem com transferência por curto-circuito

Corrente contínua

Curto-circuito (tcc, T)

Reabertura do arco após o curto (U1, I1 e t1)

Corrente alternada

Curto-circuito (tcc, T)

Reabertura na inversão de polaridade (U1, I1 e t1)


20


Verificação experimental

Soldagem em bases giratórias de cobre

Filmagem com elevadas freqüências

Contagem das gotas com LASER

Radiografia com elevadas freqüências

Comportamento dinâmica da tensão e da corrente

Combinação de técnicas



Abordagem mais práticaAquisição dos valores instantâneos da tensão e da corrente do

arco em freqüências elevadas

Tensão x Tempo

Corrente x Tempo

Corrente x Tensão

Resistência x Tempo

Potência x Tempo


21


Metodologia de avaliação da estabilidade do arco

Fatores a considerar

Transporte de carga elétrica

Transporte de massa (metal líquido)

Facilidade e regularidade destes transportes

Arco estável

Transferência de metal fácil e uniforme

Transferência de carga elétrica fácil e uniforme



Transferência de metal em CC e CA

Facilidade de transferência de metal

Regularidade de transferência de metal

Fcc = 1· 1.000

T(s-1) Ftm = 1

· 1.000tcc

(s-1)

Rcc = TT

Rtm= tcctcc


22


Transferência de carga elétrica em CC

Facilidade de transferência de carga elétrica

Regularidade de transferência de carga elétrica

P1 = (P1 - Pr) · t1

2000(W · s)

1 FE1 = E1

(W- · s-)

P1 = U1 · I1 (W)

Pr = Ur · I r (W)

E1RE1 = E1



Transferência de carga elétrica em CA

Facilidade de transferência de carga elétrica

Regularidade de transferência de carga elétrica

B+ = I1+

· 1000 ( · s)

B+RB+ = B+

(U1+·t1

+)


23


Limitação da metodologia

Ocorrência de curtos-circuitos

Sistema adequado de aquisição de dados

Sistema adequado de tratamento de dados

Aspectos relevantes

Freqüência de aquisição de dados

Sistema de alimentação do eletrodo/soldador

Critérios de determinação dos parâmetros envolvidos



Estabilidade do Arco Voltaico Aspectos Gerais

Extinção do arco

0

20

0

100

200

300

0 20 40

Is (A)

Ua (V)

Tensão em vazio

Extinçãode arco

Ua

Is

t (ms)

24


Aspectos Gerais

Estabilidade do Arco Voltaico

Detalhe da curva de tensão e de corrente de soldagem com uma curta extinção de arco. Processo MAG com CO2, =1,0 mm, Val = 7 m/min, Ua 22,5 V, utilizando fonte inversora.

0

20

0

100

200

300

1.6 1.8 2 2.2 2.4

Extinção do arco

Is (A)

Ua (V)

t (s)

Intervalo, s 1,6 ... 2,6

Ua, V 21,4

KV (Ua), % 32,7

Is, A 169,4

KV (Is), % 32,2


Ua, V 21,4

KV (Ua), % 32,2

Is, A 166,5

KV (Is), % 32,6


Ua, V 21,4

KV (Ua), % 33,2

Is, A 172,3

KV (Is), % 31,7


Determinação da Tensão de Referência


0

20

40

60

N

0 1 2 3 4 5 6 7 ms

Fronteira entrecurtos-circuitosnormais eincidentais

Forma de histograma típico de tc-c nas condições de soldagemMIG/MAG.

25



0

10

20

30

0

100

200

300

4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Ua (V)

Is (A)

t (s)

Is = 155,8 AKv

i = 35,6%

Ua = 22,4 VKv

u = 38,4%

Uab = 27,1 VKv

u = 7,4%

Caso 1



0

10

20

30

0

100

200

300

4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Ua (V)

Is (A)

t (s)

Is = 138,5 AKv

i = 57,2%

Ua = 22,5 VKv

u = 40,4%

Uab = 26,7 VKv

u = 14,1%

Caso 2

26



),23.6

24

3.8

3.1

ln(b.a. SSSS = W

Ics

Iba

tcs

ta

Índices de Estabilidade

Onde:

• Ra, Pa – resistência e potência do arco dentro de

condições ótimas;

• Ri, Pi – resistência e potência média do arco.

,W + W + W = W pRa

), R/ R(2 = W iaR ln

), P/ P( = W iap ln



,AAK = S 2 22 /)(

Índices de Estabilidade

Onde:

• p and ni – índices estatísticos originados do exame da

tensão do arco.

,np= K i 100/)( 2 ,np= A i 100/)(

27



0

10

20

30

0 100 200 3000

10

20

30

0

100

200

300

0.05 0.07 0.09 0.11 0.13

Is (A)

Ua (V)

Is (A)t (s)

Ua

(V)

0

10

20

30

0

100

200

300

0.05 0.07 0.09 0.11 0.13

Is (A)

Ua (V)

t (s)0

10

20

30

0 100 200 300 Is (A)

Ua

(V)

AB

C

D

AB

C

D

A

Is

Is

Ua

Ua

Os exemplos dos diagramas Tensão x Corrente (a direto) para os processos de soldagem MIG/MAGcom melhor (superior) e pior (inferior) regularidade da transferência metálica.

Loop’s de UxI


Estabilidade do Arco Voltaico Índices de Estabilidade

Onde:

• N é o número de “loops” e S é a média aritmética das

áreas dos “loops”.

Quanto menor é o valor do desvio padrão das áreas dos

“loops” de I-U mais estável é processo.

,SSN

= k2

_

)(1

28


Estabilidade do Arco Voltaico Índices de Estabilidade

Ilustração esquemática do processo de soldagem com larga “reserva de estabilidade” (a) e com estreita “reserva deestabilidade” (b).

Área fora da zona de estabilidade

Área de estabilidade caso os parâmetros ótimos do processosejam mantidos rigorosamente.

Área onde a estabilidade do processo pode ser mantida adequadamenteapesar de mudanças nas condições de soldagem (área de reserva deestabilidade).a b



Caso 3

0

20

0

100

200

300

400

0.3 0.4 0.5 0.6

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40

0

20

0

100

200

300

400

0.6 0.7 0.8 0.90

10

20

30

40

0 10 20 30 40

0

20

0

100

200

300

400

0.25 0.35 0.45 0.55

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40

Ua = 17,7 V

Ua = 21,4 V

Ua = 24,7 V

Ua = 17,7 V Uab = 21,9 V

Uab = 3,8 V

Uab = 25,7 V

Ua = 24,7V

Ua = 7,0 Vt (s)

t (s)

t (s)

Ua (V)

Ua (V)

Ua (V)

Is (A)

Is (A)

Is (A)

N x 103

N x 103

N x 103

Ua (V)

Ua (V)

Ua (V)

29



0

45

90

135

N

0 1 2 3 4 5 6 7 ms

Ua = 24,7 V

0

45

90

135

N

0 1 2 3 4 5 6 7 ms

Ua = 17,7 V

0

45

90

135

N

0 1 2 3 4 5 6 7 ms

Ua = 21,4 V

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 4000

5

10

15

20

25

0 100 200 300 4000

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400

Nx103

Nx103

Nx103

Is (A) Is (A) Is (A)

Is = 151,5 A Is = 156,6 A Is = 160,7 A

Ua = 17,7 V Ua = 21,4 V Ua = 24,7 V

Fig 3.8 Histogramas de corrente de soldagem para três níveis de tensão total de arco Ua.

Caso 4



140 159 165 178 186 189 192 193 196 250 255256 259

55 59 60 61 76 80 95 103 109 115 120 123124 125

27

28

29

30

31

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55

U(V)

t (s)

Oscilograma mostrando a variação da tensão de soldagem em função do crescimento e dodestacamento da gota (transferência globular) na soldagem MIG com arame de aço carbonoprotegido com Ar+2%O2 (arame AWS ER70S6 de 1,0 mm; DBCP = 20 mm; Is = 182A; Val = 6,7m/min).

Efeito das gotas

30



0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 400 800 1200 1600 2000Temperatura (C)

Resistividade (m)

Ponto de fusão do Alpuro (660 C)

Faixa de fusão da liga de Al tipo 4043(575 – 632 C)

Ponto de fusãodo aço carbono

( 1515 C)

Aço inox tipo 430

Aço carbono tipo 1020

Al puro

Liga de Al tipo 4043

Comportamento da resistividade do alumínio puro, da liga de alumínio tipo 4043, doaço carbono tipo 1020 e do aço inox tipo 430 em função de temperatura [7, 8, 9,resist acima do ponto de fusão].

Efeito das gotas

Resistência elétrica


Estabilidade do Arco Voltaico Resistência elétrica

Efeito das gotas

Oscilograma mostrando a variação da tensão de soldagem em função do crescimento e do destacamentoda gota (transferência globular) na soldagem MIG com arame de aço inoxidável protegido com Ar+2%O2

(arame AWS ER308LSi de 1,2 mm; Is = 134 A; Val = 3,0 m/min).

28

29

30

31

32

33

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

U(V)

t (s)

215 240 253 255 256 373 385 400 429 452 498 525 554 614 633 642 648

31


Fig. 3.14 Oscilograma mostrando a variação da tensão de soldagem em função do crescimento e dodestacamento da gota (transferência globular) na soldagem MIG com arame de alumínio com Ar (arameAWS A5.10-88 de 1,2 mm; Is = 95 A; Val = 4,8 m/min)

18

20

22

24

26

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

U(V)

t (s)

224 225 230 243 271 370 570670 770 810 819 820

Resistência elétrica

Efeito das gotas



Representação de dois instantes específicos do arco aberto: 1 –instante que mostra a gota suspensa no eletrodo, antes dodestacamento e 2 – instante após o destacamento da gota.

La1

La2

1 2

Lg

Lel

Estabilidade do Arco Voltaico Resistência elétrica

Efeito das gotas

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Arco Voltaico de Soldagem