Fontes de Energia Para Soldagem a Arco

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISDepartamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais

Fontes de Energia para a Soldagem a Arco

Prof. Paulo J. Modenesi

Dezembro de 2005

Fontes de Energia - 1/31

Fontes de Energia para a Soldagem a Arco

1. Introduo:

A soldagem a arco exige uma fonte de energia (mquina de soldagem) especialmente

projetada para esta aplicao e capaz de fornecer tenses e corrente, em geral, na faixa de

10 a 40V e 10 a 1200A, respectivamente. Nas ltimas duas dcadas, tem ocorrido um

vigoroso desenvolvimento no projeto e construo de fontes para soldagem associados com

a introduo de sistemas de controle eletrnicos nestes equipamentos. Atualmente, pode-se

separar as fontes em duas classes bsicas: (a) mquinas convencionais, cuja tecnologia

bsica vem das dcadas de 1950 e 60 (ou antes), e (b) mquinas "eletrnicas", ou

avanadas, de desenvolvimento mais recente (dcadas de 1970, 80 e 90). No Brasil, a

grande maioria das fontes fabricadas so convencionais. Em pases do primeiro mundo, a

situao bastante diferente. No Japo por exemplo, fontes para os processos GTAW e

GMAW fabricadas atualmente so, na grande maioria, eletrnicas (figura 1). Nos Estados

Unidos, mais da metade das fontes comercializadas para o processo GMAW so

eletrnicas.

2. Requisitos Bsicos das Fontes:

Existem trs requisitos bsicos para uma fonte de energia para soldagem a arco:

produzir sadas de corrente e tenso a nveis com caractersticas adequadas para o

processo de soldagem;

permitir o ajuste adequado dos valores de corrente e/ou tenso para aplicaes

especficas;

controlar a variao e a forma de variao dos nveis de corrente e tenso de acordo

com os requerimentos do processo de soldagem e aplicao.

Adicionalmente, o projeto da fonte precisa atender outros requisitos tais como:

estar em conformidade com exigncias de normas e cdigos relacionados com a

segurana e funcionalidade;


apresentar resistncia e durabilidade ambientes fabris, com instalao e operao

simples e segura.;

possuir controles/interface do usurio satisfatrios;

quando necessrio, ter interface ou sada para sistemas de automao.

Para produzir nveis de sada adequados para a maioria dos processos de soldagem a arco, a

energia eltrica da rede precisa ser convertida de sua forma de tenso relativamente alta e

baixa corrente para menores valores de tenso (o que tambm mais seguro para o

soldador ou operador) e com corrente relativamente altas, o que , em geral, feito por um

transformador comum. Se corrente contnua necessria, um banco de retificadores pode

ser colocado na sada do transformador. O uso de retificador tem a vantagem adicional de

permitir a utilizao de alimentao trifsica.

70 75 80 85 90 950

50

100

Fontesinversoras etransistoriz.

Fontes tiristorizadas

Fontes convencionais

Produo Relativa (%)

Ano (a)

70 75 80 85 90 950

50

100

Fontesinversoras etransistoriz.


Fontesconvencionais

Produo Relativa (%)

Ano (b)

Figura 1 - Produo relativa de diferentes tipos de fontes no Japo. (a) Processo GMAW e(b) processo GTAW1.

1 Ushio, M. et al., Trans. of the JWRI, 23(1), 1994.


3. Fontes Convencionais:

3.1 Caractersticas Estticas e Dinmicas:

O funcionamento de uma fonte de energia depende fundamentalmente de suas

caractersticas estticas e dinmicas. Ambas afetam a aplicabilidade do fonte para um dado

processo de soldagem e a sua estabilidade, mas de uma forma diferente. Caractersticas

estticas se relacionam aos valores mdios de corrente e tenso de sada da fonte como

resultado da aplicao de uma carga resistiva.

Caractersticas dinmicas envolvem as variaes transientes de corrente e tenso associadas

com o processo de soldagem. Estas variaes podem envolver intervalos de tempo muito

curtos, por exemplo da ordem de 10-3 s, sendo, portanto, de caracterizao muito mais

difcil que as caractersticas estticas. As caractersticas dinmicas so importantes, em

particular, (1) na abertura do arco, (2) durante mudanas rpidas de comprimento do arco,

(3) durante a transferncia de metal atravs do arco e (4), no caso de soldagem com

corrente alternada, durante a extino e reabertura do arco a cada meio ciclo de corrente.

As caractersticas dinmicas das fontes so, em geral, afetadas por (1) dispositivos para

armazenamento temporrio de energia como bancos de capacitores em paralelo ou bobinas

de indutncia em srie, (2) controles retroalimentados em sistemas regulados

automaticamente e (3) mudanas dinmicas no formato e na frequncia de sada da fonte.

As duas ltimas formas de controle das caractersticas dinmicas no so usadas em fontes

convencionais, sendo tpicas de fontes com controle eletrnico.

As caractersticas estticas da fonte so indicadas na forma de curvas caractersticas,

obtidas atravs de testes com cargas resistivas, e que podem ser publicadas pelo fabricante

da fonte no seu manual. Com base na forma de sua curva caracterstica, uma fonte

convencional pode ser classificada como de corrente constante (CI) ou de tenso constante

(CV). A figura 2 ilustra os diferentes tipos de curva caracterstica.


Corrente

Tenso

Arco

(a)

Fonte

Ponto deoperao

Corrente

Tenso

Arco

(b)

Fonte

Ponto deoperao

V0

V0

Icc

Figura 2 - Curvas caractersticas de fontes (a) CI e (b) CV.

As fontes de corrente constante apresentam uma tenso em vazio (V0, tenso na ausncia

de qualquer carga) relativamente elevada (entre cerca de 55 e 85V). Na presena de uma

carga, esta tenso cai rapidamente e, no caso de um curto circuito, a corrente atinge um

valor no muito elevado, a corrente de curto circuito (ICC, figura 2). A inclinao ("slope")

da curva caracterstica tende a variar ao longo da curva, mas, na regio de operao do

arco, situa-se entre cerca de 0,2 e 1,0V/A para fontes convencionais de CI. Em contraste,

mquinas modernas com sada de CI podem ter uma inclinao quase infinita, isto , uma

sada quase vertical na faixa de tenses de trabalho.

Mquinas de corrente constante permitem que, durante a soldagem, o comprimento do arco

varie sem que a corrente de soldagem sofra grandes alteraes. Eventuais curtos circuitos

do eletrodo com o metal de base no causam, tambm, uma elevao importante da

corrente. Este tipo de equipamento empregado em processos de soldagem manual, onde o

soldador controla manualmente o comprimento do arco (SMAW, PAW e GTAW), em

processos mecanizados de soldagem com eletrodo no consumvel (PAW e GTAW) e, em

alguns casos, em processos semi-automticos, mecanizados ou automticos com eletrodo

consumvel, quando o equipamento apresenta algum mecanismo especial de controle do

comprimento do arco.


Fontes de tenso constante fornecem basicamente a mesma tenso em toda a sua faixa de

operao. O slope deste tipo de fonte situa-se entre cerca de 0,01 e 0,04V/A, os maiores

valores sendo mais adequados para a soldagem GMAW com transferncia por curto

circuito. Fontes CV permitem grandes variaes de corrente se o comprimento do arco

variar durante a soldagem. Este comportamento permite o controle do comprimento do

arco por variaes da corrente de soldagem (e, portanto, da taxa de fuso do arame) em

processos de soldagem nos quais o arame alimentado com uma velocidade constante (por

exemplo, nos processos GMAW e SAW). Adicionalmente, a grande elevao de corrente

durante um curto circuito do eletrodo com o metal de base, facilita a fuso e a transferncia

do metal fundido do eletrodo para a poa de fuso na soldagem com transferncia por

curto-circuito.

Alguns processos de soldagem a arco, particularmente a soldagem a arco submerso, podem

utilizar mais de um arame. Nesta situao, os arames podem ser alimentados pela mesma

fonte ou por fontes separadas. Quando se trabalha com corrente alternada, uma diferente

fase pode ser usada para cada arame. Estas situaes no sero discutidas aqui. Para

maiores informaes, consultar, por exemplo, os captulos 1 e 6 do Welding Handbook,

Vol.2, 8a Edio (editado pela American Welding Society).

3.2. Ciclo de Trabalho:

Os componentes internos de uma fonte de energia tendem a se aquecer pela passagem da

corrente eltrica durante uma operao de soldagem. Por outro lado, no intervalo entre

operaes de soldagem, o equipamento tende a se resfriar, particularmente quando este

apresenta ventiladores internos. Se a temperatura interna da fonte se tornar muito elevada

por um certo perodo de tempo, esta poder ser danificada pela queima de algum

componente ou pela ruptura do isolamento do transformador ou poder ter sua vida til

grandemente reduzida. A figura 3 ilustra esquematicamente os conceitos expostos acima.


Tempo

Temperatura

Aquecimento

Resfriamento

Temperatura Crtica

Figura 3 - Ciclos de aquecimento e resfriamento interno durante a operao de uma fonte.

O ciclo de trabalho (ou fator de trabalho) definido como a relao entre o tempo de

operao permitido durante um intervalo de teste especificado (em geral, 10 minutos), isto

:

Ct tt

xARCOTESTE

= 100

Assim, uma fonte com Ct = 60% pode operar por at 6 minutos em cada intervalo de 10

minutos (observao: o tempo de teste padronizado, podendo variar de acordo com a

norma considerada).

Para uma dada fonte, o valor do ciclo de trabalho vem geralmente especificado para uma

ou mais nveis de corrente de trabalho. importante no utilizar uma fonte acima de seu

ciclo de trabalho de forma a evitar o aquecimento de seus transformador e outros

componentes a temperaturas que podem levar sua falha. O ciclo de trabalho um fator

determinante do tipo de servio para o qual uma dada fonte projetada. Unidades

industriais para a soldagem manual so, em geral, especificadas com Ct de 60% na corrente

de trabalho. Para processos semi-automticos ou mecanizados, um Ct de 100% mais

adequado. Fontes de pequena capacidade, de uso domstico ou em pequenas oficinas, tm

um ciclo de trabalho de 20%.


Para se estimar o fator de trabalho de uma fonte para correntes de soldagem diferentes das

especificadas pelo fabricante pode-se utilizar a frmula abaixo:222

211 ICtICt =

onde os Ct's e I's so os ciclos trabalho e as correntes nas condies 1 e 2.

3.3. Classificao:

Fontes de energia convencionais para soldagem podem ser classificadas de diversas

maneiras. A figura 4 mostra um sistema para a classificao proposto por Cary A energia

eltrica para soldagem pode ser (1) gerada pela prpria fonte no local de soldagem ou (2)

obtida de uma rede de distribuio e transformada pela fonte. Em ambos os casos, a energia

eltrica pode ser fornecida para soldagem na forma de corrente alternada (CA) ou contnua

(CC).

Outra forma de classificao pela sua curva caracterstica de sada: fontes de corrente

constante (CI) e fontes de tenso constante (CV). Fontes, ainda, podem ser classificadas de

acordo com a suas caractersticas construtivas ou operacionais como, por exemplo,

mquinas rotativas, unidades moto-geradoras, mquinas estticas, transformadores,

transformadores-retificadores, fontes para um operador, fontes para vrios operadores, etc.

Aspectos adicionais importantes para a classificao e seleo de fontes de energia so a

sua capacidade ou corrente nominal e o seu ciclo de trabalho (item 3.2).

3.4. Construo e Mtodos de Controle de Fontes Convencionais Estticas:

Fontes convencionais que utilizam diretamente a energia eltrica da rede so formadas

basicamente de um transformador, um dispositivo de controle da sada da fonte e um banco

de retificadores (em equipamentos de corrente contnua), figura 5.


Fontes de Energiapara Soldagem

Rotativa(Geradora)

Movida porMotor Eltrico

Movida por Motor de Combusto

CC CACC

CI CV CI CICVCI/CV

Esttica(Conversora)

Transformador Transformador-Retificador

CA CCCA/CC

CICI CI CVCI/CV

Mtodo de Ajuste da Sada da Fonte: Taps, Reator Varivel, Shunt Magntico,Reator Saturvel, Bobina Mvel, Retroalimentao, etc

Figura 4 - Classificao de fontes de energia convencionais para soldagem

Transfor-mador

Sistemade

Controle

Banco deRetificadores

Alimentao Sada

Figura 5 - Diagrama de bloco de uma fonte convencional.

O transformador um dispositivo que transfere energia eltrica de um circuito de corrente

alternada para outro atravs de um campo magntico sem modificar a frequncia, mas,

dependendo de sua construo, levando a um aumento ou reduo da tenso. Em linhas

gerais, um transformador composto de um ncleo de chapas de ao sobrepostas e

enrolado por dois segmentos de fio que formam os enrolamentos primrio (de entrada) e

secundrio (de sada). Desprezando-se as perdas de energia e de eficincia do

transformador (que podem ser considerveis quando este est ligado a uma carga), a


relao entre as suas tenses de entrada e sada (V1 e V2) diretamente proporcional

relao entre os nmeros de espiras dos enrolamentos (N1 e N2):

2

1

2

1

NN

VV

=

Os retificadores (smbolo: ) so dispositivos eletrnicos que apresentam valores de

resistncia eltrica diferentes dependendo do sentido de fluxo da corrente, isto , a

resistncia baixa em um sentido e muito elevada em outro. O uso deste dispositivo em

um circuito de corrente alternada permite bloquear o fluxo de corrente em um sentido e,

desta forma, retificar a corrente. Este processo mais eficiente quando um nmero de

retificadores so colocados em arranjos especiais (pontes). A figura 6 mostra exemplos

tpicos de pontes para circuito CA monofsicos e trifsicos. A corrente contnua resultante

apresenta flutuaes remanescentes mais fortes em sistemas monofsicos (figura 6). Estas

flutuaes so, em geral, reduzidas pelo uso de bancos de capacitores ou indutores que

atuam como filtros da corrente.

(b)

Sada

EntradaA B C A

BC

+

-

(a)

Entrada+- Sada

+ ++

-

Figura 6 Exemplos de pontes retificadoras para circuitos (a) monofsicos e (b) trifsicos.


O dispositivo de controle , em geral, de acionamento mecnico ou eltrico. As formas

mais comuns de controle empregadas so:

Transformadores com "tap";

Bobina mvel;

Ncleo de ferro mvel;

Reator de ncleo mvel;

Amplificador magntico.

Transformadores com vrios taps, seja no primrio seja no secundrio do transformador

permitem um ajuste descontnuo das condies de soldagem pela variao da relao entre

os nmeros de espiras no primrio e secundrio do transformador (figuras 7 e 8). Fontes

mais simples apresentam, em seu painel, vrios bornes e as condies de soldagem so

selecionadas pela conexo do cabo ao borne adequado (figura 8b). Em sistemas um pouco

mais sofisticados, a seleo da condio de soldagem pode ser feita atravs de uma chave

de vrias posies. Esta forma de controle mais usada em sistemas pequenos e de baixo

custo e no permite controle remoto ou ajuste contnuo. Em mquinas para soldagem

GMAW ou SAW de tenso constante, um sistema de controle similar, mas muito mais

verstil, utiliza sapatas mveis no secundrio da transformador para uma variao contnua

da relao de espiras.

Corrente Corrente

Tenso Tenso

Arco Arco

(a) (b)

Figura 7 - Ajuste das condies de soldagem por taps (a) fonte decorrente constante, (b) fonte de tenso constante.


Sada

Terra

Alimen-tao

Sada

Bornes

(a) (b)

Entra-da

Figura 8 (a) Diagrama de uma fonte tipo transformador com ajuste de sada por taps. (b)Desenho esquemtico de uma fonte deste tipo.

O controle por bobina mvel essencialmente mecnico e consiste no uso de um

transformador de ncleo alongado que permite o movimento de uma bobina (normalmente

o primrio) em relao outra. A distncia entre as bobinas regula o acoplamento

magntico destas. Assim, quanto mais afastadas as bobinas, menor tende a ser a sada da

fonte, isto , mais inclinada fica a sua curva caracterstica (figura 9).

Em fontes com controle por ncleo mvel, as bobinas so mantidas em posio fixa e a

sada da fonte controlada pela posio de um shunt do mesmo material do ncleo da

transformador colocado entre as bobinas do primrio e do secundrio. Quando a posio do

shunt entre as bobinas muda, uma maior ou menor parte do fluxo magntico no

transformador passa atravs do shunt, diminuindo ou aumentando a sada da fonte de forma

similar mostrada na figura 10.

Um reator varivel pode controlar a sada de uma fonte, por exemplo, atravs do

deslocamento de uma parte de seu ncleo metlico. Quando esta parte mvel afastada do

restante do ncleo do reator, a permeabilidade magntica reduzida e a menor reatncia

indutiva permite a passagem de corrente maiores. Com a parte mvel colocada junto do

restante do ncleo, a permeabilidade aumentada e a corrente de sada reduzida.

Alternativamente, o nmero de espiras do reator pode ser varivel (figura 11).


(a) (b)

Primrio

Secundrio Secundrio

Corrente

Tenso

Arco(a)(b)

(c)

Figura 9 Ajuste de uma fonte tipo transformador de bobina mvel para sada de corrente(a) mnima e (b) mxima. (c) Curvas caractersticas resultantes.

SadaAlimentao

Transformador

Figura 10 Fonte (transformador) com controle por ncleo mvel.


SadaAlimentao

Transformador

Reator

Figura 11 Fonte (transformador) com controle por reator varivel.

Para o controle por amplificador magntico ou reator saturvel, uma bobina percorrida por

uma corrente contnua varivel (corrente de controle) enrolada em um ncleo metlico

junto com outra por onde a sada do transformador de soldagem passa. Um aumento da

corrente de controle tende a aumentar a saturao do reator, isto , diminui a sua eficincia,

permitindo, assim, a passagem de uma maior corrente de soldagem. Esta tcnica permite

uma variao contnua da sada da fonte (figura 12) e pode ser facilmente utilizada em

controle remoto. Contudo, o valor relativamente elevado da corrente de controle (da ordem

de 1 a 10A) e a velocidade de resposta relativamente pequena deste sistema dificultam a

sua utilizao junto com sistemas de controle digitais. Amplificadores magnticos so

comumente utilizados em fontes convencionais GTAW.

SadaAlimentao

Transformador

Retificadorsecundrio

Reator

Reostato

Figura 12 Fonte (transformador) com controle por reator saturvel.


3.5. Fontes Tipo Gerador:

O gerador de soldagem (ou motor-gerador) um dos tipos mais antigos de fonte de energia

para soldagem a arco e , ainda hoje, uma das fontes mais versteis. Podem ser projetados

para gerar qualquer tipo de curva caracterstica e, embora geralmente produzam corrente

contnua, existem equipamentos de corrente alternada com frequncia diferentes de 50 ou

60Hz.

Fontes deste tipo so constitudas de um motor que gera energia mecnica a qual

transmitida atravs de um eixo ou por um sistema de correia e polias ao gerador de energia

eltrica (figura 13). O motor pode ser eltrico ou de combusto interna, tendo, como

combustvel, gasolina, leo desel, gs natural, etc. Este tipo de equipamento mais

comumente utilizado na soldagem com eletrodo revestido no campo, particularmente em

locais onde o acesso rede de distribuio de eletricidade complicado. So, por outro

lado, equipamentos mais pesados, barulhentos e de manuteno mais complicada do que as

fontes estticas convencionais.

MotorEnergia EltricaGasolinaleo Desel, etc.

Gerador

Figura 13 - Diagrama esquemtico de um motor-gerador.

4. Fontes com Controle Eletrnico:

Fontes convencionais estticas (transformadores e transformadores-retificadores)

dependem de sistemas mecnicos ou eltricos para o controle e ajuste de sua sada. Estas

fontes pouco mudaram nos ltimos quarenta anos. Estes equipamentos tm, em geral, um

formato fixo de sua curva caracterstica, velocidade de resposta baixa (da ordem de 10-1 s),


insuficiente para controlar diversos eventos que ocorrem no arco e na transferncia de

metal, alm de serem de difcil interao com sistemas digitais de controle. A partir da

dcada de 60 e, de forma importante, nas dcadas de 80 e 90, novos conceitos foram

introduzidos no projeto e fabricao de fontes de energia para soldagem. Estes conceitos

tm em comum a introduo de dispositivos eletrnicos, muito mais versteis e rpidos

(figura 14), para o controle da sada da fonte.

Em comparao com as fontes convencionais, as fontes com controle eletrnico so

caracterizadas por:

Desempenho superior, isto , apresentam resposta dinmica e reprodutibilidade muito

superiores s fontes convencionais.

ArcoEltrico

Transferncia

de Metal

Convencional

Tiristor

Transistor

Freq. de operao (Hz): 1 10 100 1k 10k 100k

PontosCatdicos

Plasma: Carac. estticas edinmicas - Abertura do arco

Transferncia

Respingos

Controle de Fase

Controle de Fase

Freq. de Controle (Hz): 1 10 100 1k 10k 100k

Controle Chaveado

Controle Analgico (em Srie)

Controle por Inversor

FenmenosFsicos

Elementode Controle

Figura 14 - Relao entre o tempo caracterstico de fenmenos no arco eltrico e afrequncia de controle de vrios tipos de fontes (Ushio et al.).


Funes mltiplas: a possibilidade de se usar uma pequena corrente para controlar a

sada da fonte e o uso de retroalimentao (feedback), permite o desenvolvimento de

fontes com mltiplas curvas caractersticas. A elevada velocidade de resposta permite a

mudana, em operao, da sada da fonte ou, mesmo, de sua curva caracterstica,

adequando-a, por exemplo, a eventos que estejam ocorrendo no arco.

Conexo mais fcil com equipamentos perifricos e capacidade de ser programada: O

controle eletrnico permite que a fonte troque sinais com sensores externos,

microprocessadores internos, computadores, robs, etc. Condies de soldagem

otimizadas ou regras preestabelecidas para a seleo de parmetros de soldagem

podem ser armazenadas em alguma forma de memria eletrnica e usadas para definir

a operao do equipamento. Esta capacidade permitiu o desenvolvimento de fontes que

podem ser operadas atravs de um nico controle bsico, as fontes conhecidas como

one-knob machines.

Reduo de peso e dimenses: A introduo, na dcada de 80, de fontes inversoras (ver

abaixo) levou a uma grande reduo nas dimenses do transformador devido ao uso de

corrente alternada de alta frequncia. Como o transformador a maior parte de uma

fonte convencional, isto permitiu uma grande reduo no tamanho da fonte.

Maior custo e manuteno mais complexa.

Existe uma srie de diferentes projetos de fontes que podem ser classificadas como de

comando eletrnico. As formas mais conhecidas so:


Fontes transistorizadas

em srie (Series regulators)

chaveadas no secundrio (Choppers)

inversoras (Inverters) ou chaveadas no primrio


4.1. Fontes Tiristorizadas:

Tiristores, ou retificadores controlados de silcio (SCR), podem ser considerados como

diodos chaveados. A conduo de corrente no sentido permitido (isto , aquele de baixa

resistncia eltrica) do SCR s se inicia quando um pequeno sinal enviado a uma

conexo adicional do dispositivo conhecida como gatilho (em ingls: gate). Uma vez

disparado, o dispositivo continua a conduzir a corrente at que esta se anule ou o seu

sentido se inverta. SCRs podem ser usados em substituio aos retificadores comuns aps

o transformador de uma fonte de corrente contnua. Para regular a sada desta fonte, o

momento de disparo do gatilho controlado a cada meio ciclo de corrente (figura 15).

Assim, para se obter uma corrente relativamente pequena com este sistema, necessrio

retardar bastante o disparo do gatilho, o que pode tornar a sada da fonte muito distorcida.

Esta problema minimizado pelo uso de alimentao trifsica e de filtros na forma de

capacitores ou indutores. Estes ltimos reduzem a velocidade de resposta da fonte.

(a)

Controle

+

-SCR

Transformador

(b)

Corrente

TempoCorrente

Tempo

SadaEntrada

Figura 15 - (a) Diagrama esquemtico de uma fonte tiristorizada monofsica. (b) Efeito dotempo de disparo do tiristor na forma de onda da corrente de sada.


As vantagens do controle por SCR so a sua simplicidade, robustez e a possibilidade de

controle da sada da fonte com pequenos sinais eletrnicos. A velocidade de resposta do

sistema limitada pela necessidade da corrente se anular antes do gatilho poder ser

novamente disparado e para se reiniciar a passagem de corrente. Assim, o menor tempo de

resposta que pode ser esperado com este sistema de cerca de 3 a 9ms. Mesmo com a

possibilidade de distoro da sada e a baixa velocidade de resposta, possvel obter fontes

tiristorizadas de desempenho muito superior que as convencionais. Em particular,

possvel compensar a sada da fonte contra possveis variaes na rede atravs do uso de

retroalimentao. Controle tiristorizado tem sido utilizado em fonte para soldagem SMAW

com corrente contnua, GMAW, GTAW pulsado ou com corrente alternada quadrada e

para soldagem SAW.

4.2. Fontes transistorizadas analgicas (Series regulators):

O transistor um dispositivo eletrnico cuja sada controlada atravs do ajuste de uma

pequena corrente passando atravs de uma de suas conexes (a base). O seu

funcionamento pode ser explicado atravs de um sistema hidrulico anlogo no qual a

passagem de gua no duto principal controlada por uma vlvula acionada por uma

pequena vazo de gua em um duto secundrio (a base), figura 16.

Base

(a) (b)

Base

I > 0b

I

(c)

I > Ib sat

Base

I

Figura 16 - Sistema hidrulico de funcionamento anlogo a um transistor de potncia. (a)Corrente da base (Ib) nula, circuito principal interrompido. (b) Corrente da base pequena,corrente principal (I) proporcional a Ib. (c) Ib acima de seu valor de saturao Isat, corrente

principal passa livremente.


Dependendo do valor da corrente na base e da forma de sua variao, o transistor pode

operar de uma forma anloga a uma resistncia varivel ou a uma chave liga-desliga. O

primeiro caso ocorre quando Ib mantida entre zero e Isat, figura16b. O segundo caso

ocorre quando somente dois valores de Ib so usados (0 e Isat), figura 16a e c.

Em uma fonte de energia analgica, um banco de transistores operando em srie com um

transformador-retificador controla continuamente a sada da fonte atravs de uma corrente

de base menor que o seu valor de saturao. Normalmente, um sistema de controle por

retroalimentao incorporado para garantir a estabilizao da sada (figura 17).

TranformadorRetificador

ControleRef.

TransistorArco

Figura 17 - Princpio de funcionamento de uma fonte transistorizada analgica.

As caractersticas marcantes das fontes analgicas so a sua capacidade de reagir de forma

muito rpida (tempos de resposta da ordem de microsegundos) e a sua sada praticamente

isenta de rudos. As maiores desvantagens destas fontes so a sua baixa eficincia e

elevado custo. A baixa eficincia resulta do modo de funcionamento do transistor, similar a

uma resistncia varivel. Assim, uma frao razovel da energia consumida pela fonte

dissipada nos transistores que, portanto, necessitam, na maioria das aplicaes, de sistemas

de resfriamento com gua. O alto custo do equipamento resulta do nmero de transistores

usados, da necessidade destes serem balanceados e do necessidade de um sistema de

resfriamento. As caractersticas deste tipo de fonte so mais adequadas para pequenas

fontes de alta preciso para fontes a serem usadas em laboratrio e centros de

desenvolvimento e pesquisa.


4.2. Fontes transistorizadas chaveadas (Chopper):

Nas fontes chaveadas, os transistores trabalham como chaves (figura 16c) que so abertas e

fechadas a uma elevada velocidade. Desta forma, a sada da fonte controlada pela razo

dos tempos em que os transistores permanecem abertos ou fechados (figura 18).

Corrente

Tempo

MdiaMdia

(a)

Corrente

Tempo

MdiaMdia

(b)

Figura 18 - Tcnicas de modulao para controle da sada. (a) Modulao da frequncia (b)Controle da largura do pulso.

Embora o circuito bsico destas fontes seja muito similar ao das anteriores (figura 19), a

utilizao dos transistores no modo chaveado permite um grande aumento na eficincia da

fonte e, assim, a utilizao de resfriamento ao ar. A maior eficincia permite tambm uma

construo mais simples, com menor nmero de transistores, o que reduz o preo da fonte.

O processo de chaveamento gera um rudo na sada do equipamento, mas, se a frequncia

de chaveamento for suficientemente elevada, esse rudo no tem nenhum efeito negativo no

processo. Frequncias de chaveamento de 5 a 200 kHz podem ser usadas.


TranformadorRetificador

ControleRef.

TransistorArco

Filtro

Figura 19 - Princpio de funcionamento de uma fonte transistorizada chaveada.

A velocidade de resposta da fonte tambm depende da frequncia de chaveamento. Fontes

com alta velocidade de chaveamento so capazes de responder em poucos microsegundos,

sendo significantemente mais rpidas do que as fontes convencionais.

4.3. Fontes inversoras:

Os tipos de fontes apresentados acima usam um transformador convencional para reduzir a

tenso da rede at o valor requerido para a soldagem. Este transformador opera na mesma

frequncia da rede (50/60 Hz). As fontes inversoras trabalham com um transformador

muito menor, o que possvel quando a frequncia da corrente alternada grandemente

elevada, melhorando, assim, a eficincia do transformador (figura 20). A figura 21 ilustra o

funcionamento bsico de uma fonte inversora.

Numa fonte inversora, a corrente alternada da rede retificada diretamente e a corrente

contnua de tenso elevada convertida corrente alternada de alta frequncia (5000 a

200.000 Hz) atravs de um sistema de transistores, o inversor, colocado antes do

transformador (isto , no circuito primrio). Devido sua elevada frequncia, um

transformador de pequenas dimenses pode ser usado eficientemente para reduzir a tenso.

A sada da fonte controlada atuando-se no inversor. A velocidade de resposta bastante

elevada, dependendo, dentre outros fatores, da frequncia de operao do inversor. A sada


do transformador novamente retificada para a obteno da corrente de soldagem

contnua. Reatores ou capacitores so usados para reduzir o nvel de rudos da fonte. A

figura 22 compara a velocidade de subida da corrente durante a abertura do arco com uma

fonte tiristorizada e com uma fonte inversora e ilustra a maior velocidade de resposta das

fontes transistorizadas.

Figura 20 - Comparao entre o transformador de uma fonte inversora (direita) ede uma fonte convencional (esquerda) de mesma capacidade.

Reti-ficador

Inversor Transfor-mador

Reti-ficador

Controle

50/60 Hz CC CA - 5000 a 200.000 Hz CC

Arco

Figura 21 - Princpio de funcionamento de uma fonte inversora


(a) (b)

Figura 22 - Comparao da velocidade de subida da corrente na abertura do arco para(a) uma fonte tiristorizada e (b) uma fonte inversora. Intervalo entre traos: 10ms2.

A elevada frequncia da corrente no transformador permite, nas fontes inversoras, um

grande potencial de reduo do consumo de energia eltrica. Byrd3 indica redues de at

80%. O controle da fonte no primrio permite tambm uma grande reduo na dissipao

de energia quando a fonte est operando em vazio. Byrd mediu perdas em vazio entre 0,07

e 0,71kW para fontes inversoras em comparao com 0,99 a 4,81kW para fontes

convencionais.

4.4. Fontes hbridas:

Uma tendncia recente tem sido a combinao dos tipos de fonte acima descritos de modo

a aumentar o desempenho das fontes de energia a um menor custo. Cita-se, por exemplo, a

utilizao de controle por transistores tanto no primrio como no secundrio de forma a se

obter caractersticas operacionais especiais.

Uma outra tendncia muito importante observada nas fontes transistorizadas a

substituio progressivo de sistemas fsicos (hardware) de controle por sistemas

baseados em programao (software). Esta tendncia, j observada em diversos outros

2 Byrd, T. Welding Journal, 72(1), 1993.


tipos de equipamento, permite uma crescente flexibilidade ao equipamento e uma grande

capacidade de atuar no processo de soldagem, particularmente na transferncia de metal.

A tabela I compara as caractersticas gerais das fontes convencionais estticas e das fontes

com controle eletrnico.

Tabela I - Caractersticas de fontes convencionais e eletrnicas.

Tipo de Fonte Sada EficinciaEltrica

CaractersticasFsicas

CustoRelativo

Aplicaes

Conven-cionais

Fixada pelo projeto,resposta lenta, semestabilizao da rede

Razovel Grande, pesada,robusta, eresistente.

1 SMAW manual,GTAW. Uso geral.

Tiristorizada Resposta varivel,mas relat. lenta.Estabilizao da rede,rudo elevado.

Razovel Mais compacta doque fontesconvencionaisequivalentes.

3 GMAW/GTAWmanual e mecanizada,SMAW manual.Qualidade mdia aalta.

Analgica Resposta muitorpida, flexibilidade,precisa, ausncia derudo, altareprodutibilidade.

Pobre Relat. Grande,necessitarefrigerao degua.

6 GTAW/GMAW dealta qualidade, Sadapulsada, pesquisa edesenvolvimento.

Chaveada ouHbridas

Resposta rpida,sada varivel ereprodutvel,estabilidade.

Muito boa Tamanho mdio,refrigerao peloar.

4 Qualidade mdia aalta, multiprocessos.

Inversora Resposta rpida,sada varivel ereprodutvel,estabilidade.

Muito boa Compacta,projeto complexo.

4 Qualidade mdia aalta, multiprocessos.

5. Modos de Aplicao e Mtodos de Controle

O resultado de uma operao de soldagem em geral, particularmente com os processos

GMAW e FCAW, depende criticamente da seleo das diversas variveis do processo e de

sua evoluo durante a operao. Discute-se, a seguir, alguns modos de aplicao de

processos de soldagem e tcnicas de controle que esto se tornando comuns em associao

com as fontes modernas, principalmente com o processo GMAW. Deve-se ter em mente que

diversas outras tcnicas existem ou esto sendo desenvolvidas por grupos de pesquisa em

universidades e empresas para diversos dos processos de soldagem a arco.


5.1. Controle do Comprimento do Arco com Fontes Convencionais:

Para que um processo de soldagem a arco com eletrodo consumvel opere de uma forma

estvel, dois requisitos bsicos devem ser satisfeitos:

a velocidade de alimentao do arame (f) deve ser igual velocidade media de fuso do

mesmo (w), isto : f = w;

o metal fundido formado na ponta do arame deve ser transferido para a poa de fuso sem

causar fortes perturbaes ao processo.

Quando o primeiro requisito no obedecido, o comprimento do arco varia, aumentado

quando f < w e diminuindo quando f > w. Esta seo discute a relao entre a curva

caracterstica esttica da fonte e o controle do comprimento do arco (la) para diferentes

processos de soldagem. A prxima seo discute o controle da transferncia de metal na

soldagem GMAW e a seguinte apresenta algumas tcnicas usadas em fontes modernas para o

controle dos requisitos acima na soldagem GMAW.

Processos de soldagem com eletrodo no consumvel (GTAW e PAW) ou com eletrodo

consumvel cuja velocidade de fuso seja relativamente baixa (SMAW) so usados com

fontes de corrente constante. Nestes, como as variaes de comprimento do arco tendem a

ocorrer de forma lenta, a distncia da tocha pea e o la podem, em princpio, ser controlados

manualmente pelo soldador. Em sistemas automatizados com o processo GTAW, por

exemplo, a posio da tocha e la podem ser controlados atravs de um sistema (AVC

Automatic Voltage Control) que compara a tenso de soldagem com um valor de referncia

(VR). Se a tenso de soldagem for, por exemplo, superior a VR, o que seria esperado para lamaior do que o desejado, um motor acionado para aproximar a tocha da pea (reduzindo la)

at que a tenso seja igualada a VR.. Um sistema similar pode ser utilizado para mecanizar a

alimentao do eletrodo na soldagem SMAW. Neste caso, o consumo do eletrodo revestido

compensado aproximando-se o porta eletrodo da pea usando-se a tenso de soldagem para

controlar o mergulho deste.

Os processos de soldagem SAW, GMAW e FCAW podem ser, em princpio, utilizados com

fontes de corrente constante e um sistema similar ao descrito acima para controlar a

velocidade de alimentao do arame e, desta forma o comprimento do arco. Como este


controle depende de variaes na velocidade do motor do alimentador de arame, ele tende a

ser menos efetivo em situaes em que se trabalha com velocidade de alimentao elevada

(por exemplo, na soldagem GMAW com arames de pequeno dimetro). Neste caso, o sistema

pode apresentar um tempo de resposta relativamente longo (devido inrcia do motor) para

compensar as mudanas que ocorrem no processo e, assim, controlar efetivamente

comprimento do arco. Entretanto, em condies em que a velocidade de alimentao no

muito elevada (por exemplo, na soldagem SAW com arames de grande dimetro), este

sistema funciona de modo adequado e comumente utilizado.

Na soldagem GMAW ou FCAW convencional usual trabalhar-se com fonte de tenso

constante em conjunto com um alimentador de arame de velocidade constante. Neste tipo de

sistema, a velocidade de alimentao do arame mantida constante e um valor de tenso de

soldagem relativamente fixo imposto durante a operao, enquanto que os valores de

corrente e os comprimentos do eletrodo e do arco resultam do ajuste dos parmetros

anteriores e de fatores como a distncia do bico de contato pea e o dimetro do eletrodo.

Como o comprimento do arco depende fortemente da tenso e esta mantida relativamente

constante (fonte CV), o seu valor mdio tambm permanece relativamente constante durante

a soldagem. Por outro lado, o comprimento do eletrodo e principalmente a corrente variam de

forma a responder a perturbaes no processo.

A figura 23 ilustra esta situao: Suponha que o processo esteja operando de uma forma

estvel na condio correspondente corrente I0 e tenso V0. Isto , nesta condio, w = f. Se,

em um dado momento, o processo sofre uma perturbao de modo que o comprimento de

arco aumente de (la)0 para (la)1, a corrente tender a cair de I0 para I1. Como w depende

fortemente da corrente, w se reduzir (ficar menor que f). Com w < f, o comprimento de arco

tender a diminuir at o sistema retornar para a sua condio inicial Um processo similar

ocorrer se o comprimento de arco for reduzido. Assim, o uso de uma fonte de tenso

constante permite, nos processos considerados, um controle intrnseco (ou uma auto-

regulagem) do comprimento do arco que no necessita da atuao do soldador.


Corrente

Tenso

la( )1la( )0

(I , V )0 0

(I , V )1 1

Bico decontato

w

f

w

f

la( )1la( )0

(a) (b)

Figura 23 Controle do comprimento do arco com uma fonte CV. (a) Curvascaractersticas e (b) comprimento do arco e velocidades de fuso e alimentao

5.2. Controle do Modo de Transferncia:

Na soldagem com transferncia por curto-circuito, quando este ocorre, a corrente tende a

aumentar devido queda brusca de tenso. Um aumento muito rpido na corrente pode

ocasionar a ruptura explosiva da ponte de metal lquido entre o eletrodo e a poa de fuso e

causar a formao de respingos. Por outro lado, se a corrente aumentar de forma muito lenta,

esta pode no atingir um valor suficientemente elevado para garantir a interrupo do curto

circuito e o arame pode penetrar na poa de fuso e o processo ser interrompido. Em

equipamentos convencionais, a taxa de variao da corrente controlado pela colocao, no

circuito de corrente contnua da mquina, de uma bobina varivel capaz de controlar a

velocidade com que a corrente varia em resposta a uma variao da tenso (controle de

indutncia, figura 24).

Em sistemas com fontes eletrnicas, a velocidade de variao da corrente de soldagem pode

ser determinada e controlada pelo sistema de controle da fonte, sendo possvel utilizar

velocidades diferentes para o aumento e a reduo de corrente e ou variveis de acordo com a

condio de operao.


Figura 24 Variao esquemtica da corrente na soldagem GMAW com transferncia porcurto circuito em funo da indutncia da fonte.

Na soldagem GMAW com corrente pulsada, as condies de transferncia de metal

dependem fortemente dos parmetros de pulsao da corrente, particularmente do valor da

corrente e da durao do pulso (corrente e tempo de pico). As melhores condies de

transferncia so conseguidas quando um, e apenas uma, gota de metal de adio transferida

para cada pulso de corrente. Esta condio conseguida apenas para valores definidos da

corrente e do tempo de pico que dependem da composio e dimetro do eletrodo e da

composio do gs de proteo entre outros fatores. Selecionar estes valores e outros

parmetros importantes para uma dada aplicao tende a ser complexo e, em geral, invivel

com equipamentos convencionais. O desenvolvimento das fontes controladas

eletronicamente permitiu uma revoluo nos mtodos de controle utilizados na soldagem

GMAW pulsada que, em ltima anlise viabilizaram a sua aplicao industrial.

A primeira aplicao prtica deste conceito ficou conhecida como soldagem MIG Sinrgica.

Esta forma de operao da soldagem GMAW foi desenvolvida no The Welding Institute

(TWI - Inglaterra) na dcada de 60. O termo inicialmente englobava um grupo de tcnicas de

controle atravs das quais o valor e a estrutura da corrente pulsada eram determinados com

base no valor da velocidade de alimentao de arame medida com um sensor (figura 25). Para

isto, as regras para a seleo das condies de soldagem (algoritmo sinrgico) ficavam

armazenadas na mquina de soldagem as quais, uma vez estabelecidos o material e dimetro


do eletrodo e o tipo de gs de proteo, determinariam as condies de soldagem com base na

velocidade de alimentao do arame. Desta forma, pde-se conceber um equipamento com

ajuste em um controle nico ("one-knob machine") aliviando o operador da necessidade de

especificar as condies de pulsao da corrente.

Alimentador Arame

Sensor

Pea

Sistemade

controle

Fonte de energia Arco

f

Figura 25 - O controle sinrgico.

O uso do termo soldagem MIG sinrgica foi estendido e hoje engloba diferentes sistemas

baseados na medida de outras variveis de soldagem alm da velocidade de alimentao de

arame ou, mesmo, sem a medida de alguma varivel (sistema em malha aberta) e, alm disso,

para outras formas de operao como a soldagem com transferncia por curto-circuito. Para

esta forma de transferncia, fontes eletrnicas com controles adequados podem responder e

controlar as diversas etapas da transferncia (por exemplo, o incio e o trmino do curto

circuito) e, em alguns sistemas, sincronizar estas com alteraes na velocidade de

alimentao do arame alterando profundamente o processo e permitindo uma operao com

esta forma de transferncia virtualmente livre de respingos.

A possibilidade de fazer alteraes rpidas e controladas nas condies de soldagem pode ser

usada no apenas para controlar a transferncia de metal na soldagem GMAW, mas tambm

para atuar em diferentes outros aspectos do processo de soldagem. Um exemplo o uso de


pulsao dupla da corrente. Neste caso, a pulsao de maior frequncia (em geral, 101 a

102 Hz) usada para controlar a transferncia de metal (como discutido acima) enquanto que

a de menor frequncia (100 a 101 Hz) usada para controlar a poa de fuso de forma similar

usada na soldagem GTAW. A figura 26 ilustra esta idia.

Figura 24 Variao esquemtica da corrente na soldagem GMAW com pulsao dupla.

5.3. Controle Adaptativo:

Este termo , na realidade, extremamente genrico e engloba diferente tcnicas que envolvem

a medio, durante a soldagem, de diferentes sinais, tais como a corrente, tenso, nvel de

luminosidade ou de rudos do arco e o perfil tico ou acstico da poa de fuso. Estes sinais

so processados, interpretados em termos de caractersticas do processo e enviadas para o

sistema de controle. O resultado obtido em um determinado instante comparado com um

resultado esperado e diferenas so corrigidas atravs de mudanas nos parmetros de

operao baseadas em algum modelo terico ou emprico. Em princpio, diversas variveis

do processo (comprimento do arco, velocidade de soldagem, orientao da tocha, velocidade

do arame, posicionamento ao longo da junta, controle da fuso, enchimento da junta,

formao de defeitos, etc.) podem, em princpio, ser ajustadas desta forma. No limite, pode se

cogitar no desenvolvimento de um sistema automtico de soldagem capaz de realizar vrias

das intervenes que um soldador realiza intuitivamente, alterando a velocidade de soldagem

e a posio da tocha, para controlar a formao do cordo de solda.


Alguns sistemas j foram sugeridos, nos quais monitorao em tempo real de alguns aspectos

do processo pode ser utilizada para o controle das condies de soldagem e o

acompanhamento da junta. Entre as tcnicas de monitorao utilizadas podem-se citar, por

exemplo, a monitorao atravs de parmetros do arco, sensores indutivos e o emprego de

mtodos ticos.

6. Concluso:

Existem, atualmente, um grande nmero de opes, em termos de modo de funcionamento

e de custo, de fontes de energia para soldagem para uma dada aplicao. Na seleo de uma

fonte, itens como tipo de processo de soldagem, nvel de corrente e posio de soldagem,

ciclo de trabalho, disponibilidade de energia eltrica e tipos de equipamentos auxiliares,

particularmente a necessidade de interfaceamento com robs e outros dispositivos, devem

ser considerados. Pontos adicionais que no podem ser esquecidos incluem o custo do

equipamento, sua eficincia eltrica, facilidade ou, mesmo, disponibilidade de manuteno

adequada para o tipo de fonte considerada e, ainda, a experincia e confiabilidade do seu

fabricante e fornecedor.

7. Leitura Complementar:

- Modern Welding Technology, J. Norrish, IOP, cap. 3, 1993.

-. Welding Handbook, vol. 2, 8 edio, AWS, cap. 1, 1991.

- Welding Handbook, vol. 1, 9 edio, AWS, cap. 10, 2001

- Modern Welding Technology, H. B. Cary, Prentice Hall, cap. 10, 1998.

Documents

Fontes de Energia Para Soldagem a Arco