Mproc-3, Mproc-4a&b - Fisica Do Arco

Faculdade de Tecnologia SENAI CimatecMestrado em Gesto e Tecnologia Industrial

Docente: Manoel carreira Neto Dr. [email protected]

Disciplina: Tecnologia da Soldagem1 Fsica do Arco Eltrico

2010

EMENTAEMENTA

Introduo Soldagem, Eletrotcnica, Fsica do Arco Eltrico, Fontes de Soldagem, Processo Eletrodo Revestido, Introduo a Soldagem com Gs de Proteo, Processo TIG, Processos MIG/MAG e Arame Tubular.

DATAS:8 e 914,15,1621,22,23 Outubro18, 19, 25, 26 de novembro

AVALIAO:

Lista de Exerccios ou Trabalho

ApresentaApresentaoo


Referncias:Referncias:

WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia;WAINER, Emilio. Soldagem: Processos e Metalurgia;

LANCASTER, J. F. LANCASTER, J. F. TheThe PhysicsPhysics ofof WeldingWelding, , InternationalInternational InstituteInstitute ofof WeldingWelding. .

MACHADO, Ivan. Soldagem e TMACHADO, Ivan. Soldagem e Tcnicas Conexas: Processos;cnicas Conexas: Processos;

QUITES, Almir M., IntroduQUITES, Almir M., Introduo o Soldagem a Arco Voltaico; Soldagem a Arco Voltaico;

ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering; ASM Handbook: Welding, Brazing and Soldering;

The James F. Lincoln Arc Welding Foundation. Procedure HandbookThe James F. Lincoln Arc Welding Foundation. Procedure Handbook ; ;

MARQUES, Paulo Villani, Soldagem: Fundamentos e Tecnologia; MARQUES, Paulo Villani, Soldagem: Fundamentos e Tecnologia;

Revista Soldagem & InspeRevista Soldagem & Inspeo; o;

Revista Revista WeldingWelding JournalJournal..

Onde buscar informaes sobre a rea de soldagem?Associao Brasileira de Soldagem - ABS (www.abs-soldagem.org.br)American Welding Society - AWS (www.aws.org/) Infosolda (www.infosolda.com.br/)The International Institute of Welding - IIW (www.iiw-iis.org/)University Cambridge (www.msm.cam.ac.uk/)The Welding Institute and Welding & Joining Society - TWI (www.twi.co.uk/)PATON Eletric Welding Institute (www.paton.kiev.ua/eng/inst/inst.html) ASM (http://asmcommunity.asminternational.org/portal/site/asm/)Edison Welding Institute - EWI (www.ewi.org/)Labsolda UFSC (www.labsolda.ufsc.br)Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais da UFMG (www.demet.ufmg.br) Graco UnB (www.graco.unb.br/) Laprosolda UFU (www.mecanica.ufu.br/Laboratorios/laprosolda/index.html) Site da Soldagem (www.sitedasoldagem.com.br)


POR QUE ESTUDAR SOLDAGEM?

Setores envolvidosSetores envolvidos

reas de aplicao e importncia econmica da indstria /setor de soldagem (fonte SBarra)

IndIndstria automotivastria automotiva

50 bilhes de 50 bilhes de Euros/anoEuros/ano

5% dos custos relacionados 5% dos custos relacionados com soldagemcom soldagem

IndIndstrias naval e strias naval e aeroespacialaeroespacial



Mecnica pesadaMecnica pesada



ConstruConstruo Meto Metlicalica



Bens para o pr-sal tero de ser

fabricados no pas

(Fonte: Agncia Estado)

Indstria naval pode investir at US$ 40 biPlataformas, sondas,

petroleiros e embarcaes de apoio em encomendas bilionrias da Petrobras podem fazer do Brasil a

meca dos investimentos da indstria naval nos prximos anos. Os valores chegam a

US$ 17 bilhes numa primeira fase (entre 2009 e 2010), podendo ir a US$ 40

bilhes at 2012.(Fonte: www.power.inf.br/)

ComparaComparao entre os diferentes processos de soldagem / o entre os diferentes processos de soldagem / MotivaMotivao para estudar os processos de soldagemo para estudar os processos de soldagem

Joining process Operation Advantage Skill level required

Welding position

Current type Distortion*

Cost of equipment

Shielded metal-arc Manual Portable and flexible

High All ac, dc 1 to 2 Low

Submerged arc Automatic High deposition

Low to medium

Flat and horizontal

ac, dc 1 to 2 Medium

Gas metal-arc Semiautomatic or automatic

Most metals Low to high

All dc 2 to 3 Medium to high

Gas tungsten-arc Manual or automatic

Most metals Low to high

All ac, dc 2 to 3 Medium

Flux-cored arc Semiautomatic or automatic

High deposition

Low to high

All dc 1 to 3 Medium

Oxyfuel Manual Portable and flexible

High All 2 to 4 Low

Electron-beam, Laser-beam

Semiautomatic or automatic

Most metals Medium to high

All 3 to 5 High

* 1, highest; 5, lowest.

Caractersticas gerais dos processos de soldagem por fuso.

Quais as motivaes para estudar os processos de soldagem (1)?a) Qualidade final do depsito dependente do conhecimento e manipulao da relao entre o processo de soldagem, as caractersticas fsicas e qumicas produzidas no arco eltrico e as propriedades metalrgicas obtidas no depsito;

b) Uma vez entendida a relao acima, possibilidade de minimizar do valor financeiro relacionado com a operao de soldagem e maximao das propriedades finais do depsito (impacto sobre a produo e a satisfao do cliente).

Por que estudar soldagem (2)?Por que estudar soldagem (2)? Os processos de unies/revestimentos so essenciais para o procOs processos de unies/revestimentos so essenciais para o procedimento de edimento de manufatura de uma gama de componentes de engenharia, que podem vmanufatura de uma gama de componentes de engenharia, que podem variar de ariar de grandes estruturas (pontes ou navios), complexas estruturas comograndes estruturas (pontes ou navios), complexas estruturas como pps de turbinas ou s de turbinas ou micro componentes da industria eletrnica. micro componentes da industria eletrnica.

Para entender os fenmenos envolvidos (Para entender os fenmenos envolvidos (ffsicossicos, , ququmicosmicos e e mecnicosmecnicos) e tentar ) e tentar correlacionar seus posscorrelacionar seus possveis efeitos sobre a regio do depveis efeitos sobre a regio do depsito (potencialidades e sito (potencialidades e limitalimitaes).es).

Processo de soldagem(MIG/MAG, ER, TIG, etc.)

Parmetros de soldagem(Is, Us, va, gs, etc.)

Estrutura e geometria do cordo(tamanho e forma do gro,

microconstituintes, etc.)

Condies desejadas / projeto (resistncia, dureza,

tenacidade, etc.)ObsObs: Estas informa: Estas informaes permitem determinar a es permitem determinar a posspossvel faixa de aplicavel faixa de aplicao de umo de um processo de soldagem.

ConceituaConceituao de soldagemo de soldagem

E o que vem a ser soldagem?

-- UnioUnio localizada de localizada de metais ou nometais ou no--metaismetais, produzida ou , produzida ou pelo pelo aquecimentosaquecimentos dos metais atdos metais at a temperatura de a temperatura de soldagem, com ou sem a soldagem, com ou sem a aplicaaplicao de pressoo de presso, ou pela , ou pela aplicaaplicao de presso somente, com ou sem uso de metal o de presso somente, com ou sem uso de metal de adide adio (AWS, 1987).o (AWS, 1987).

-- Uma Uma coalescnciacoalescncia localizada de localizada de metalmetal, onde a , onde a coalescnciacoalescncia produzida pelo produzida pelo aquecimento aquecimento temperaturas convenientes, com ou sem a aplicatemperaturas convenientes, com ou sem a aplicao de presso e o de presso e com ou sem a aplicacom ou sem a aplicao de metal de adio de metal de adio. O o. O metal de adimetal de adioo, ou possui , ou possui ponto ponto de fusode fuso aproximadamente igual aos metais de base, ou possui ponto de fuaproximadamente igual aos metais de base, ou possui ponto de fu so so abaixo daquele dos metais mas acima de 800 abaixo daquele dos metais mas acima de 800 F (F ( 450 450 C) (AWS, 1958).C) (AWS, 1958).

ConceituaConceituao de soldagemo de soldagem

-- Processo que visa a Processo que visa a unio localizadaunio localizada de materiais, de materiais, similares ou no, de formasimilares ou no, de forma permanentepermanente, baseada na a, baseada na ao o de de forforas em escala atmicaas em escala atmica semelhantes semelhantes s existentes no s existentes no interior do material e interior do material e a forma mais importante de unio a forma mais importante de unio permanente de pepermanente de peas usadas industrialmente (Wikipas usadas industrialmente (Wikipdiadia)). .

-- Processo metalProcesso metalrgico de unio de rgico de unio de metaismetais ou ou ligas ligas metmetlicaslicas,devendo os materiais estarem em seu estado ,devendo os materiais estarem em seu estado fundidofundido ou ou pastosopastoso..

-- OperaOperao que visa obter a unio de duas ou mais peo que visa obter a unio de duas ou mais peas, as, assegurando na junta a assegurando na junta a continuidade das propriedadescontinuidade das propriedadesffsicas e qusicas e qumicas.micas.-- Processo de unio de entre Processo de unio de entre duas partesduas partes metmetlicas, usando uma fonte de licas, usando uma fonte de calor, com ou sem aplicacalor, com ou sem aplicao de presso (Wainer, 2002).o de presso (Wainer, 2002).

-- Ato ou efeito de soldarAto ou efeito de soldar (Dicion(Dicionrio Aurrio Aurlio).lio).

O que se entende por soldabilidade (definiO que se entende por soldabilidade (definio)?o)? a capacidade de um material ser unido/revestido (fabricado), poa capacidade de um material ser unido/revestido (fabricado), po r um r um determinado processo de soldagem, numa estrutura que irdeterminado processo de soldagem, numa estrutura que ir desenvolver desenvolver satisfatoriamente as condisatisfatoriamente as condies desejadas de projeto (es desejadas de projeto (defeitos x perda de defeitos x perda de propriedadespropriedades).).

Quais os fatores que influenciam a soldabilidade dos materiais?Quais os fatores que influenciam a soldabilidade dos materiais?

ComposiComposio quo qumica do metal de base (por exemplo: teor elevado de mica do metal de base (por exemplo: teor elevado de carbono ou presencarbono ou presena de S/O/Se); a de S/O/Se);

Propriedades fPropriedades fsicas (condutividade tsicas (condutividade trmica, expanso linear, outros); rmica, expanso linear, outros);

CaracterCaractersticas do metal de adisticas do metal de adio (forma, composio (forma, composio quo qumica, outros);mica, outros);

Projeto da junta (folga da raiz, tipo de chanfro, ngulo, outroProjeto da junta (folga da raiz, tipo de chanfro, ngulo, outros); s);

Procedimento de soldagem (posiProcedimento de soldagem (posio, movimentao, movimentao da tocha, outros).o da tocha, outros).

II) A TENDNCIA AUTOMAO Necessidade de reduo de custos, tempos de execuo e produtividade.Exemplo: Produo de veculos x crescimento econmico x lucro

III) A TENDNCIA PROLIFERAO DE NORMAS, ESPECIFICAES E MTODOS DE CONTROLE Especificaes e tolerncias mais estreitas, aliada a controle de qualidade.Exemplo: Norma ASME Seo IX

I) A TENDNCIA PROLIFERAO DE METAIS E LIGASPerspectiva da necessidade da soldagem de novos materiais e/ou substituio de parte de componentes (ligas) por liga mais avanada.Exemplo: Plantas das petroqumicas com 30 anos de operao (troca de material)

Quais os fatores determinantes para a evoluo de um determinado processo de soldagem?

a) Projeto de junta;b) Processo de soldagem;c) Calor a ser aportado;d) Consumvel (eletrodo, gs,

outros); e) Necessidade de pr-

aquecimento;f) Necessidade do controle da

temperatura de interpasse;g) Necessidade de ps-

aquecimento;h) Necessidade de alvio de

tenses (controle de distoro, propagao de trinca, outros).

Fatores a serem considerados durante a elaborao de um procedimento de soldagem ESPECIFICAO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM

(Par uso didtico)

Espec.P NGr. NUNS NOUTROSEsp. (mm)

Espec.Class. (AWS)OutrosF NA N

Energia max. (J) Dim.Progresso Fabricante

Marc. Com.

PROCESSO METAL DE ADIO CORRENTE TENSO VELOC. OBSCLASSIF. DIM. TIPO/POL. Valor (A) (V) AVANO

ER 70 S3 2,4 / 3,25 CC - 140 - 150 16 - 20 N/AE 7018 2,5 CC + 80 - 120 22 - 26 N/A

E 7018 3,25 CC + 100 - 140 22 - 26 N/A

Equipe (nomes): Aprovao da banca de avaliao Visto do Coordenador do Curso

____________________________

Perodo letivo: 1o Semestre/2005Folha: 1 / 2Identificao da Equipe:Cliente: Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec

Detalhes da Junta

Dados do Procedimento de SoldagemProcesso (s) de Soldagem - Raiz: Eletrodo Revestido Enchimento: Eletrodo RevestidoN RQPS de Cobertura: No aplicado Norma: ASME Sec. IXFaixa de Espessura Qualificada - Metal de Base: 4,8 < t < 50,0 mmFaixa de Espessura Qualificada - Metal de Solda: Proc. Raiz: 12,8 mm Proc. Enchim.: 37,2 mm

Metais de Base

61

N/AKestra

RaizSFA 5.18ER 70 S3

N/A

Obs.:

Metais de Adio

N/A N/A4,8 < t < 50,0 mm 4,8 < t < 50,0 mm

1 1N/A N/A

Metal 1 Metal 2

1 1Ao Carb. (obs. 1) Ao Carb. (obs. 1)

Tcnicas de Soldagem

KST 70 S3

EnchimentoSFA 5.1E 7018

N/A41

N/AESAB

Pureza (%)

GasesPurga Bocal

Vazo (l/min.)

N/A 99,99

Velocidade (cm/min.)

PASSEN

ASSINATURA ____/____/____

OK 48.04Oscilao:Limpeza entre passes:Goivagem da raiz

Caractersticas Eltricas

N/A

Cobre Juntas: N/A

N/A 10 - 15N/A ArgnioTipo

N/AAscendente

3 X Dim. Eletrodo ou vareta

1 - 2 TIG

Escova rotativa ou esmerilhadeiraN/A

3 - N Eletrodo RevestidoOU

3 - N Eletrodo Revestido

Modelo de formulrio utilizado na

elaborao de uma EPS (pgina 1)

ESPECIFICAO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM(Para uso didtico)

Temperatura Interpasse

Ps-aquecimento

Equipe: Aprovao da banca de avaliao Visto do Coordenador do Curso

____________________________

Tempo Patamar: N/ATemperatura Patamar: N/A

Taxa de Aquecimento: N/A

Taxa de Resfriamento: N/A

Temperatura (C): N/ATempo: N/AMtodo Aquecimento: N/A

Mtodo de Controle: N/A

Mtodo Aquec.: N/A

Mtodo de Controle: N/A Mtodo de Controle: N/A

Perodo letivo: 1o Semestre/2005Folha: 1 / 2Identificao da Equipe:Cliente: Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec

Observaes

Tratamento Trmico

Ciclo Trmico

Temperatura (min.) (C): N/AMtodo Aquec.: N/A

Pr-aquecimentoTemperatura (mx.) (C): N/A

1) EPS vlida para soldagem dos aos carbono.

ASSINATURA ____/____/____

EPS (continuao)

Modelo de formulrio utilizado na

elaborao de uma EPS (pgina 2)

Fonte: SENAI Cimatec

Fonte: Annelise (2008)

Uso da soldagem: Uso da soldagem: unio, recuperaunio, recuperao (manuteno (manuteno) e/ou proteo) e/ou proteoo

ComparaComparao da soldagem com outros mo da soldagem com outros mtodos de unio/fabricatodos de unio/fabricaoo Montagem de conjuntos com rapidez, simplicidade, seguranMontagem de conjuntos com rapidez, simplicidade, seguran a e economia a e economia (redu(reduo de peso e aumento da resistncia);o de peso e aumento da resistncia);

Garantia de Garantia de estanqueidadeestanqueidade, mesmo sobre elevada presso;, mesmo sobre elevada presso;

Possibilidade de formaPossibilidade de formao e propagao e propagao de fratura (problemas o de fratura (problemas metalmetalrgicos);rgicos);

Possibilidade variaPossibilidade variaes de espessura na pees de espessura na pea e unio de diferentes a e unio de diferentes materiais;materiais;

Maior flexibilidade quanto a alteraMaior flexibilidade quanto a alteraes de projeto;es de projeto;

Uso conjunto com outros processos de fabricaUso conjunto com outros processos de fabricao.o.

Viso da soldagem como um misto de Viso da soldagem como um misto de tecnologia x cincia x artetecnologia x cincia x arte

ObservaObservao: Nas construo: Nas construes que envolvem juntas, a integridade estrutural da unio es que envolvem juntas, a integridade estrutural da unio crcrtica tica para a seguranpara a segurana da estrutura como um todo.a da estrutura como um todo.

EvoluEvoluo histo histrica dos processos de soldagemrica dos processos de soldagem As primeiras evidncias histAs primeiras evidncias histricas sobre o processo de unio por soldagem ricas sobre o processo de unio por soldagem datam de 3000 a 2000 aC (datam de 3000 a 2000 aC (brasagembrasagem e forjamento e forjamento Egito/Iraque).Egito/Iraque).

Advento do Advento do gerador elgerador eltricotrico ddnamonamo ((FaradayFaraday, 1831)., 1831).

I e II Guerras MundiaisI e II Guerras Mundiais (necessidade de produ(necessidade de produo ro rpida e confipida e confivel).vel).

Patente para o Patente para o carboncarbon arc arc weldingwelding((BernardusBernardus e e OlszevanskiOlszevanski, 1885)., 1885).

Desenvolvimento do eletrodo revestido (camada de argila Desenvolvimento do eletrodo revestido (camada de argila StrohmengerStrohmenger, , 1900 e imerso em banho mineral 1900 e imerso em banho mineral calcal Oscar Oscar KjellbergKjellberg, 1907)., 1907).

Precursores dos processos TIG e MIG considerados antieconmicosPrecursores dos processos TIG e MIG considerados antieconmicos ((HobartHobarte e DeversDevers, 1926)., 1926).

Patentes dos processos TIG (Meredith e Patentes dos processos TIG (Meredith e PaulekaPauleka, 1941/42) e MIG (Muller, , 1941/42) e MIG (Muller, 1948/50).1948/50). Desenvolvimento da soldagem em corrente pulsada (TWI, 1965).Desenvolvimento da soldagem em corrente pulsada (TWI, 1965).

Uso de Uso de circuitos integrados e circuitos integrados e componentes eletrnico no estado componentes eletrnico no estado sslidolido em fontes de potncia (1975).em fontes de potncia (1975).

FabricaFabricao comercial de fontes com o comercial de fontes com transistores de potncia e tecnologia transistores de potncia e tecnologia inversora (1980).inversora (1980).

Atualmente, incorporaAtualmente, incorporao cada vez o cada vez maior da maior da eletrnica e da informeletrnica e da informticatica(facilidade e confiabilidade na (facilidade e confiabilidade na interveninterveno das vario das variveis de soldagem).veis de soldagem).

EvoluEvoluo dos processos de o dos processos de soldagem nos soldagem nos ltimos 200 anosltimos 200 anos

Exemplos: Ligas inteligentes na forma de Exemplos: Ligas inteligentes na forma de consumconsumveis; sinais de soldagem veis; sinais de soldagem

realimentados, em tempo real, para realimentados, em tempo real, para manutenmanuteno da qualidade do depo da qualidade do depsito.sito.

Taxa de deposiTaxa de deposio para diferentes processos de soldagemo para diferentes processos de soldagem

SMAW SMAW Eletrodo revestidoEletrodo revestido

GTAW/PAW GTAW/PAW TIG/PlasmaTIG/Plasma

GMAW GMAW MIG/MAGMIG/MAG

FCAW FCAW Arame tubularArame tubular

SAW SAW Arco submersoArco submerso

ESW ESW -- EletroescEletroescriaria

Barreiras (obstBarreiras (obstculos) ao processo de unio por soldagemculos) ao processo de unio por soldagem A condiA condio bo bsica par haver o processo de unio entre as pesica par haver o processo de unio entre as peas que se as que se almejam almejam soldarsoldar que se atinja a distncia que se atinja a distncia interatmicainteratmica rr00 (menor n(menor nvel de energia vel de energia condicondio de equilo de equilbrio). brio). Mecanismo de atraMecanismo de atrao entre corpos distintos por defeito o entre corpos distintos por defeito de superfde superfcie (contornos de gro cie (contornos de gro falta de vizinhos)falta de vizinhos)..

RepresentaRepresentao da condio da condio de equilo de equilbrio entre dois brio entre dois tomos (rtomos (roo) ) ligaligao quo qumicamica

RepresentaRepresentao das foro das foras as atuantes no processo de atuantes no processo de

ligaligao atmica o atmica (obten(obteno de ro de roo))

Pergunta:: Para se unir Pergunta:: Para se unir diferentes pediferentes peas as necessnecessrio rio que se funda as superfque se funda as superfcies cies de contato?de contato?

Barreiras normalmente encontradas no processo de soldagem.Barreiras normalmente encontradas no processo de soldagem.a) Rugosidade superficial em escala atmica (grau de acabamentoa) Rugosidade superficial em escala atmica (grau de acabamento inviabilidade inviabilidade de de planicidadeplanicidade em nem nvel atmico);vel atmico);

CondiCondio de o de mmxima xima

planicidadeplanicidade(ausncia de (ausncia de rugosidade)rugosidade)

PePea Aa A

PePea Ba B

> r> roo

= r= roo

CondiCondio real obtida com os processos bo real obtida com os processos bsicos sicos de acabamento (polimento de acabamento (polimento 0,1 a 1 0,1 a 1 m)m)

rroo por fusopor fuso

rroo por por pressopresso

gelogelo

b) Formab) Formao da camada de o da camada de xido (por exemplo: Alxido (por exemplo: Al22OO3 3 apresentando apresentando 1200 1200 de de espessura, apespessura, aps s 15 s15 s de exposide exposio, e temperatura de fuso de 2050 o, e temperatura de fuso de 2050 C)C)

c) Formac) Formao da camada de go da camada de gs adsorvidos adsorvido

d) Presend) Presena umidade, poeira e gorduraa umidade, poeira e gordurasubstratosubstrato

Substrato e Substrato e xidoxido

UmidadeUmidade

xidoxido

GGs adsorvidos adsorvido

GorduraGordura

Poeira ionizadaPoeira ionizada

RepresentaRepresentao das barreiras normalmente o das barreiras normalmente apresentadas durante a operaapresentadas durante a operao de o de

soldagem (Fonte: Villani, 2002) soldagem (Fonte: Villani, 2002)

Aprisionamento de Aprisionamento de xido pela dificuldade de xido pela dificuldade de expulso (obtenexpulso (obteno parcial de o parcial de rroo))

Pergunta: A presenPergunta: A presena da camada de a da camada de xido xido na superfna superfcie cie prejudicial ao processo de prejudicial ao processo de unio?unio?

MMtodos utilizados para a dissipatodos utilizados para a dissipao das barreiraso das barreiras FragmentaFragmentao e disperso mecnica;o e disperso mecnica; DissoluDissoluo e difuso no estado so e difuso no estado slido da interface da solda para o metal de lido da interface da solda para o metal de base; base; DissipaDissipao por volatilizao por volatilizao;o; EscorificaEscorificaoo, seguida de separa, seguida de separao por gravidade;o por gravidade; DissoluDissoluo e redistribuio e redistribuio em um metal no estado lo em um metal no estado l quido.quido.

CritCritrios necessrios necessrios ao processo de uniorios ao processo de unio Fornecer energia (fuso, presso, difuso, etc.);Fornecer energia (fuso, presso, difuso, etc.); Prover mecanismos de limpeza da superfProver mecanismos de limpeza da superfcie; cie; Prevenir (isolar) os efeitos da contaminaPrevenir (isolar) os efeitos da contaminao atmosfo atmosfrica;rica; Permitir que os mecanismos e os fenmenos envolvidos sejam contPermitir que os mecanismos e os fenmenos envolvidos sejam cont rolados.rolados.

Quais os requerimentos para a Quais os requerimentos para a coalescnciacoalescncia dos materiais?dos materiais? Calor;Calor; Intimidade do contato (presso ou no presso).Intimidade do contato (presso ou no presso).

Fundamentos de FFundamentos de Fsica do arcosica do arco

Por que estudar o arco elPor que estudar o arco eltrico?trico? Entender a formaEntender a formao da poo da poa e, quando aplica e, quando aplicvel, a fuso do eletrodo;vel, a fuso do eletrodo; Conhecer as forConhecer as foras (as (eletromagneletromagnticatica e e presso do jato presso do jato arrastearraste) ) decorrentes da formadecorrentes da formao do arco;o do arco; Entender os mecanismos envolvidos na transferncia metEntender os mecanismos envolvidos na transferncia metlica (eletrodo lica (eletrodo para a popara a poa);a); Entender a relaEntender a relao entre o projeto da fonte de potncia e a estabilidade do o entre o projeto da fonte de potncia e a estabilidade do arco.arco.

Arco x forma de alimentao x forma de onda

(a) Formas de ondas de corrente, tenso e velocidade de alimentao do arame sobre a forma e estabilidade do arco e (b) perfil de distribuio de presso no arco eltrico. Fontes (Barra, 2003 e Eagar, 1990).

Por que estudar o arco elPor que estudar o arco eltrico (Continuatrico (Continuao)?o)? Entender o motivo da utilizaEntender o motivo da utilizao dos processos de soldagem ao arco elo dos processos de soldagem ao arco eltrico trico como como fonte de aquecimentofonte de aquecimento;; Conhecer as vantagens do uso dos processos de soldagem ao arco Conhecer as vantagens do uso dos processos de soldagem ao arco eleltrico trico (custo, tipo de corrente utilizada, portabilidade e faixa de uso(custo, tipo de corrente utilizada, portabilidade e faixa de uso dos equipamentos, dos equipamentos, nnvel de qualificavel de qualificao da moo da mo--dede--obra, outros);obra, outros); Entender as diferenEntender as diferenas primas primrias entre os processos de soldagem ao arco rias entre os processos de soldagem ao arco eleltrico (calor, protetrico (calor, proteo gasosa e metal de adio gasosa e metal de adio).o).

Vareta (continuo ou

no)GTAW

Processo Fonte de calor Proteogasosa Metal de adio

SMAW

GMAW

Arco eltricoGerao de gsdecorrente da

queima do revestimento

Alimentaoexterna de gs

(cilindro)

Eletrodo

Arame macio(continuo)

Alimentaoexterna de gs

(cilindro)Arco eltrico

Arco eltrico

O que O que o arco elo arco eltrico?trico?

Considerado o 4Considerado o 4oo estado da matestado da matria (ria (plasmaplasma););

Descarga elDescarga eltrica entre dois eletrodos (trica entre dois eletrodos (aramearame--pepeaa) em um g) em um gs, ou vapor s, ou vapor metmetlico, altamente ionizado e eletricamente neutro (T = 3.000 a 30.lico, altamente ionizado e eletricamente neutro (T = 3.000 a 30. 000 000 CC););

Uma descarga elUma descarga eltrica sustentada atravtrica sustentada atravs de um plasma condutor (s de um plasma condutor (ggs s ionizado ionizado presenpresena de a de ons e eons e e-- livreslivres) de elevada temperatura produzindo ) de elevada temperatura produzindo suficiente energia tsuficiente energia trmica para aplicarmica para aplicao na unio de metais por fuso (ASM); o na unio de metais por fuso (ASM);

O jato de plasma, sempre, se desloca do eletrodo (arame O jato de plasma, sempre, se desloca do eletrodo (arame -- cilcilndrico) para a ndrico) para a pepea (plana).a (plana).

Obs: Nas condiObs: Nas condies normais de temperatura e es normais de temperatura e presso todo gpresso todo gs s isolante elisolante eltrico.trico.

Arco eltrico - TIG Arco eltrico MIG/MAG

Conceitos envolvidos no estudo da fConceitos envolvidos no estudo da f sica do arco elsica do arco eltrico:trico: Calor (choques devido ao movimento de cargas);Calor (choques devido ao movimento de cargas); IonizaIonizao (mudano (mudana de a de rbita rbita eleltron livre por energia ttron livre por energia trmicarmica);); Emisso Emisso termoinicatermoinica (libera(liberao de elo de eltrons da superftrons da superfcie cie banda de condubanda de conduoo).).

Postulado 4:Postulado 4:Salto quntico devido Salto quntico devido

energia externaenergia externa

Postulado 5:Postulado 5:Retorno a uma Retorno a uma rbita rbita menos enmenos enrgica forma rgica forma onda eletromagnonda eletromagntica (luz)tica (luz)

e n e r g i a

- + n c l e o s a l t o

K L e n e r g i a

- + n c l e o s a l t o K L

Postulado 3: Postulado 3: Salto de nSalto de nveis (fveis (fton)ton)

KK

LLMM

NN

OO

PP

Postulados de Postulados de Niels BohrNiels Bohr (1913)(1913)::ee--++on on positivopositivo

Nveis ou camadas de energia (K, L, M, N, O, P e Q) ou nmero quntico principal n (1 a 7)

Alguns PIs (Alguns PIs (eVeV):):Ar Ar 15,715,7COCO22 13,713,7Fe Fe 7,87,8Ba Ba 5,25,2

IonizaIonizao to trmica rmica coliso entre partcoliso entre partculasculas aquecidas aquecidas Ao se obter a ionizaAo se obter a ionizao da regio entre os dois eletrodos, tmo da regio entre os dois eletrodos, tm--se else eltrons trons livres e livres e ons positivos em iguais proporons positivos em iguais propores es meio condutor de eletricidademeio condutor de eletricidade..A emisso A emisso termoinicatermoinica (libera(liberao de elo de eltrons de uma superftrons de uma superfcie cie banda de banda de conduconduo) pode ser representada por (lei de Richardson o) pode ser representada por (lei de Richardson -- 1928):1928):

IIee = A= Aoo.T.T22.e.e-- //kTkTOnde:Onde:IIee taxa de emisso de eltaxa de emisso de eltrons (A/cmtrons (A/cm22););AAoo constante de Richardson, variando de 60 a 100;constante de Richardson, variando de 60 a 100;T T temperatura em K;temperatura em K; funfuno de trabalho o de trabalho termoinicotermoinico ((eVeV););k k constante de Boltzmann.constante de Boltzmann.

para alguns para alguns elementos quelementos qumicos:micos:W W 4,54,5Fe Fe 4,44,4Ca Ca 2,32,3Ba Ba 2,12,1

ConsideraConsideraes sobre o uso do arco eles sobre o uso do arco eltrico como fonte de calor:trico como fonte de calor:qq ConcentraConcentrao adequada de energia para fuso localizada;o adequada de energia para fuso localizada;qq Facilidade de controle;Facilidade de controle;qq Baixo custo de equipamento e nBaixo custo de equipamento e nvel aceitvel aceitvel de risco ao soldador. vel de risco ao soldador.

AgitaAgitao o ttrmicarmica

Movimento Movimento cacaticotico

SSlidolido

LLquidoquido

GasosoGasoso

NN v

el d

e en

ergi

ave

l de

ener

gia

Estado da matEstado da matriaria

Menor Menor energiaenergia

Em funo do processo de soldagem, as temperaturas no interior do arco eltrico podem apresentar as seguintes faixas: 6.000 a 8.000 C para o GTAW, GMAW, FCAW e SAW; 10.000 a 20.000 C para o PAW.Obs: Estas temperaturas esto bem acima do ponto de ebulio dos metais (base e adio formao de vapores metlicos)

RepresentaRepresentao o dos diferentes dos diferentes estados da estados da matmatria, ria, mostrando o alto mostrando o alto nnvel energvel energtico tico apresentado apresentado pelo pelo plasmaplasma

++++

--

--

Igualdade e Igualdade e direcionamento direcionamento

de cargade carga

PlasmaPlasma

on, on, eleltron, tron, tomo e tomo e molmolculacula Obs: Em atmosfera normal (ar), para Obs: Em atmosfera normal (ar), para

a formaa formao do arco, seria necesso do arco, seria necessrio rio a imposia imposio de uma o de uma ddpddp de 5.000 V de 5.000 V por cada mm de distncia entre os por cada mm de distncia entre os eletrodos.eletrodos.

Pergunta: HPergunta: Hvantagem na vantagem na presenpresena de vapor a de vapor metmetlico na regio do lico na regio do arco?arco?

Efeitos da intensidade (densidade) da fonte de energia (Efeitos da intensidade (densidade) da fonte de energia ( arco ou chamaarco ou chama))

Intensidade de potncia variando de 0,001 (Intensidade de potncia variando de 0,001 (oxiacetilnicooxiacetilnico) a 1 MW/cm) a 1 MW/cm22(laser);(laser);

Tempo de interaTempo de interao (aquecimento) varia em funo (aquecimento) varia em funo o da densidade apresentada da densidade apresentada para o apara o ao: 25 s na o: 25 s na soldagem soldagem oxiacetilnicaoxiacetilnica (1000 W/cm(1000 W/cm22) e 0,25 ) e 0,25 s na s na soldagem laser (1 MW/cmsoldagem laser (1 MW/cm22););

Intensidades de calor aplicadas em Intensidades de calor aplicadas em diferentes processos de soldagemdiferentes processos de soldagem

Dificuldade de controle das flutuaDificuldade de controle das flutuaes no arco e na es no arco e na popoa (moa (mo--dede--obra qualificada ou automaobra qualificada ou automao);o);

RelaRelao entre o entre o grau de o grau de produtividade e produtividade e o custo o custo apresentado apresentado por diferentes por diferentes processosprocessos

Tempo Tempo necessnecessrio rio para fundir a para fundir a pepeaa

ConsideraConsideraes sobre a potncia especes sobre a potncia especfica da fonte (fica da fonte (PPespesp)) Valores oscilando entre 10Valores oscilando entre 1066 (limite inferior) a 10(limite inferior) a 101313 W/mW/m22 (limite superior);(limite superior);

O limite inferior caracteriza a densidade de energia mO limite inferior caracteriza a densidade de energia mnima para fundir a regio da nima para fundir a regio da rea de contato do arco antes que o calor difunda;rea de contato do arco antes que o calor difunda; O limite superior caracteriza pela O limite superior caracteriza pela vaporizavaporizao da regio de contato o da regio de contato antes da fuso ou aquecimento antes da fuso ou aquecimento apreciaprecivel de outras partes.vel de outras partes.

RelaRelao entre o entre PPespesp x formato x formato da zona fundida.da zona fundida.

RelaRelao entre o entre PPespesp x x rea de rea de contato x extracontato x extrao de calor.o de calor.

Potncia especPotncia especfica (fica (PPespesp) x processo de soldagem x condi) x processo de soldagem x condioo

Potncia especPotncia especfica de um determinado processos de soldagem x fica de um determinado processos de soldagem x possibilidade uniopossibilidade unio

O aumento na intensidade possibilita o incremento na O aumento na intensidade possibilita o incremento na vvss e reduz a largura e reduz a largura da ZTA (eficincia do processo da ZTA (eficincia do processo perda para a vizinhanperda para a vizinhanaa););

Incremento da mIncremento da mxima velocidade de soldagem xima velocidade de soldagem em funem funo da intensidade e dimetro da fonte o da intensidade e dimetro da fonte

(constri(constrio)o)

Efeito da densidade de potncia sobre a largura da ZTAEfeito da densidade de potncia sobre a largura da ZTA

Influncia sobre a relaInfluncia sobre a relao o penetrapenetrao x largurao x largura da poda poa a ((esbeltezesbeltez) ) na faixa de 0,1 para na faixa de 0,1 para baixa intensidade e 10 para alta.baixa intensidade e 10 para alta. TIGTIG

Feixe de Feixe de eleltronstrons

Regies que compem o arco elRegies que compem o arco eltrico (quedas de potencial)trico (quedas de potencial)

Compreendendo os eletrodos Compreendendo os eletrodos (arame e pe(arame e pea);a);

Confinamento de pequenas regies Confinamento de pequenas regies na superfna superfcie dos eletrodos;cie dos eletrodos;

Elevados campos elElevados campos eltricos e tricos e ttrmicos e alta densidade de rmicos e alta densidade de corrente (constricorrente (constrio);o);

DifDifcil ancil anlise e simulalise e simulao.o.

Considerado o quarto estado da Considerado o quarto estado da matmatria;ria;

Regio de neutralidade elRegio de neutralidade eltrica;trica;

Apresenta um gradiente de Apresenta um gradiente de presso (eletrodopresso (eletrodo--pepea);a);

Elevada temperatura.Elevada temperatura.

Obs2: O comportamento dos pObs2: O comportamento dos plos do arco no los do arco no idntico (motivo da preocupaidntico (motivo da preocupao em especificar a o em especificar a polaridade).polaridade).

Obs1: Uma vez interrompido a fluxo de corrente (por Obs1: Uma vez interrompido a fluxo de corrente (por exemplo, a passagem pelo exemplo, a passagem pelo 00 na corrente na corrente alternada) o arco passa do estado de condutor para alternada) o arco passa do estado de condutor para nono--condutor em intervalo condutor em intervalo nfimo de tempo (10nfimo de tempo (10 --33 s).s).

Obs3: As extremidades dos eletrodos apresentam elevadas Obs3: As extremidades dos eletrodos apresentam elevadas campos elcampos eltricos e magntricos e magnticos e alta densidade de corrente ticos e alta densidade de corrente devido a constridevido a constrio.o.

CC-

+-

O estudo da fO estudo da fsica do arco voltaico contempla trs regies:sica do arco voltaico contempla trs regies:

-- Regio catRegio catdicadica

-- Regio Regio anandicadica

-- Coluna do arcoColuna do arco

O processo de formaO processo de formao do arco elo do arco eltrico trico abertura do arcoabertura do arco Emisso Emisso termoinicatermoinica por aquecimento da superfpor aquecimento da superfcie (efeito Joule) durante cie (efeito Joule) durante o contato dos eletrodos (o contato dos eletrodos (riscamentoriscamento);); Bombardeamento eletrnico da coluna gasosa e dos vapores metBombardeamento eletrnico da coluna gasosa e dos vapores met licos;licos; Obtida a ionizaObtida a ionizao to trmica os eletrodos podem ser afastados sem a rmica os eletrodos podem ser afastados sem a extinextino do arco. o do arco.

Barreiras Barreiras

I (A)I (A)

CC CC --

++PePeaa

EletrodoEletrodo

ArcoArco ee--tomos e moltomos e molculas de gculas de gs e vapors e vapor

ons (+)ons (+)

UU

tt(a)(a)(b)(b) (c)(c)

(a)(a)

(b)(b)(c)(c)

IIUU00

UUcccc

UUssIIcccc

IIss

Obs: Logo apObs: Logo aps o acendimento do arco, s o acendimento do arco, mantendomantendo--se se lloo ctecte, a corrente tender, a corrente tender a a aumentar e a tenso a baixar aumentar e a tenso a baixar aumento aumento

progressivo da ionizaprogressivo da ionizao do arco.o do arco.

eletrodo

Complexidade envolvida no estudo do arco elComplexidade envolvida no estudo do arco eltricotrico ModelaModelao desprezando ou arredondando valores das grandezas fo desprezando ou arredondando valores das grandezas fsicas;sicas; Formato do arco variando em funFormato do arco variando em funo de outras vario de outras variveis de soldagem (gveis de soldagem (gs, s, elel, etc.);, etc.); Transferncia metTransferncia metlica (metal / esclica (metal / escria) atravria) atravs da coluna do arco;s da coluna do arco; VariaVariao da geometria da ponta do eletrodo;o da geometria da ponta do eletrodo; MudanMudana de posia de posio doo do arcoarco em funem funo do destacamento da gota e limpeza cato do destacamento da gota e limpeza catdica;dica; Comprimento do arco variando durante um desequilComprimento do arco variando durante um desequilbrio entre a taxa de fuso e taxa brio entre a taxa de fuso e taxa de alimentade alimentao do arame. o do arame.

Complexidade envolvida no estudo da formaComplexidade envolvida no estudo da formao e o e manutenmanuteno do arco durante a soldagem com eletrodo o do arco durante a soldagem com eletrodo

consumconsumvel e no consumvel e no consumvel.vel.

Fem Fem

Fpa

FgotaFgFg

Fpa

FbMetal de basePoa

Gota

Tocha

Regiodo Arco

Regio deimpacto das gotas

ForForas presentes na regio do arco e na poas presentes na regio do arco e na po a de a de fuso durante a operafuso durante a operao de soldagem.o de soldagem.

CaracterCaracterstica eststica esttica da fonte de soldagemtica da fonte de soldagem Representa o comportamento da relaRepresenta o comportamento da relao o tenso x correntetenso x corrente para uma determinada para uma determinada

variavariao no comprimento do arco (o no comprimento do arco (lloo).).

a) Fonte do tipo corrente constante (tombante)Grande variao em lo (Us) produz pequena variao no valor da corrente de soldagem (Is)

b) Fonte do tipo tenso constante (plana)Pequena variao em lo (Us) produz grande variao no valor da corrente de soldagem (Is)

U2

U1

U3

(a)

UI

I2 I1I3

(b)

UI

I2

I1I3

U2 U1

U3

Controle interno (Us x Is x Taxa de fuso) x lo

Fonte:

Lincoln Electric

Curva do arco (p/ Curva do arco (p/ lloo cte) cte) caractercaracterstica eststica estticatica

UU

II

CaracterCaracterstica eststica esttica do arcotica do arco o comportamento da relao comportamento da relao o tenso x correntetenso x corrente para um determinado valor fixo de para um determinado valor fixo de lloo

(a curva caracter(a curva caracterstica do arco difere muito da lei de Ohm stica do arco difere muito da lei de Ohm V = R.I, variaV = R.I, variao no o no uniforme no percurso de uniforme no percurso de lloo););

Para valores altos de IPara valores altos de Iss hh tendncia de ascenso na curva do arco em funtendncia de ascenso na curva do arco em funo de:o de:

a)a) Para o eletrodo noPara o eletrodo no--consumconsumvel vel saturasaturao na ionizao na ionizao da atmosfera e aumento no o da atmosfera e aumento no comprimento do arco devido a ascenso na ponta do eletrodo;comprimento do arco devido a ascenso na ponta do eletrodo;

Ascendncia da curva para Ascendncia da curva para valores elevados de valores elevados de

correntecorrente

EletrodoEletrodonono--consumconsumvelvel

EletrodoEletrodoconsumconsumvelvel

Obs: Para IObs: Para Iss = = ctecte, a rela, a relao Uo Uss x x lloo linear e varia com o glinear e varia com o gs de protes de proteo. o.

VariaVariao na posio na posio da curva do arco em funo da curva do arco em funo de o de lloo. . (a varia(a variao pode tambo pode tambm ocorrer pela mudanm ocorrer pela mudana do a do

tamanho, geometria e compositamanho, geometria e composio quo qumica do eletrodo mica do eletrodo e da alterae da alterao na presso e composio na presso e composio do go do gs). s).

b) Para o eletrodo consumb) Para o eletrodo consumvel vel consumo consumo adicional de energia pela vaporizaadicional de energia pela vaporizao e o e fuso do eletrodo (quanto maior o fuso do eletrodo (quanto maior o consumo do eletrodo mais consumo do eletrodo mais ngreme serngreme ser a a curva). curva).

Relao entre a curva caracterstica esttica da fonte x caracterstica esttica do arco (ponto de operao/trabalho)

A1 arco curto (Us baixo)

A2 arco longo (Us alto)Para a fonte do tipo Corrente Constante(tombante) a variao em lo (tenso) no implica numa variao grande de corrente.

Regies que compem o arco elRegies que compem o arco eltrico (quedas de potencial)trico (quedas de potencial)Para CC-(a) Regio catdica (situada

entre a coluna do plasma e o eletrodo)

(b) Coluna do arco

(c) Regio andica (situada entre a coluna do plasma e a pea)

Tenso de soldagem UsUs = Uano + Ucat + Uarc

e-

ions+

Pergunta:

Qual a explicao para a tenso de soldagem no processo TIG (Us = 14 V) ser inferior ao valor apresentado pelos processos MIG/MAG e ER (Us = 25 V)?

Regies que compem o arco elRegies que compem o arco eltrico (quedas de potencial)trico (quedas de potencial)

1 1 Regio catRegio catdicadica ((UcUc) ) mancha catmancha catdicadica acacmulo de carga (+)mulo de carga (+) Regio responsRegio responsvel pelos principais mecanismos que mantvel pelos principais mecanismos que mantm o arco;m o arco;

AcAcmulo de carga positiva (facilidade de passagem de mulo de carga positiva (facilidade de passagem de ons do plasma para o cons do plasma para o ctodo todo carga espacial envolvente carga espacial envolvente 1010--33 a 10a 10--55 cm cm 101022 a 10a 1033 V/mm) gerando uma V/mm) gerando uma queda de queda de tenso (5 a 20 V)tenso (5 a 20 V);;

Barreira de potencial para a saBarreira de potencial para a sada dos elda dos eltrons do eletrodo para o gtrons do eletrodo para o gs;s;

O cO ctodo todo termoinicotermoinico sobre elevada temperatura (emisso de elsobre elevada temperatura (emisso de eltrons sem fundir, trons sem fundir, em materiais refratem materiais refratrios rios W W ee CC) ) densidade de corrente densidade de corrente jj dependente criticamente da dependente criticamente da temperatura da superftemperatura da superfcie cie TT22;;

CCtodo esttodo estvel e estvel e esttico com tico com jj = 1 a 100 A/mm= 1 a 100 A/mm22..

+

-

RarcoRctodo

Rnodo

Com

prim

ento

Queda de tensoUeletrodo Unodo Uarco Uctodo

Reletrodo

IRegio Regio

catcatdicadica

ee--onsons

Nuvem de Nuvem de ons+ons+

Nuvem de eNuvem de e--

Resistncias passagem de

corrente eltrica -representao

1 1 Regio catRegio catdicadica ((UcUc) ) continuacontinuao o Gradiente de potencial podendo exceder a 10Gradiente de potencial podendo exceder a 1099 V/mV/m elevado campo magnelevado campo magnticotico

((queda variando de 1 a 10 Vqueda variando de 1 a 10 V); );

Em materiais Em materiais nono--termoinicostermoinicos, vaporiza, vaporizao abaixo da temperatura requerida para a o abaixo da temperatura requerida para a emisso, o cemisso, o ctodo todo mmvel vel vvrios pontos formados de forma errrios pontos formados de forma errtica.tica.

Obs1: A mobilidade errObs1: A mobilidade errtica do ctica do ctodo (eletro todo (eletro ++ e pee peaa --) pode gerar:) pode gerar:

a)a) Limpeza catLimpeza catdica (retirada dica (retirada quebraquebra de de xido por bombardeamento inico xido por bombardeamento inico Al e Mg);Al e Mg);

b)b) Instabilidade do arco na soldagem de aInstabilidade do arco na soldagem de aos com gos com gs inerte puro (importncia da s inerte puro (importncia da existncia da camada de existncia da camada de xido xido adiadio de Oo de O22 e COe CO22). ).

Obs2: Obs2: -- A adoA adoo de corrente alternada (CA), meio ciclo positivo, ou corrente o de corrente alternada (CA), meio ciclo positivo, ou corrente contcontnua nua com eletrodo positivo (CCEP) com eletrodo positivo (CCEP) uma adequada ferramenta de limpeza da camada de uma adequada ferramenta de limpeza da camada de xido presente na superfxido presente na superfcie da pecie da pea e da poa e da poa. Quando a camada a. Quando a camada exaurida em exaurida em uma regio uma regio limpalimpa, na ordem de 1 , na ordem de 1 s, a mancha moves, a mancha move--se para uma nova regio com se para uma nova regio com bastante bastante xido para sustentar a descarga de elxido para sustentar a descarga de eltrons;trons;

-- Nesta condiNesta condio a raiz do arco o a raiz do arco bastante mbastante mvel e, como conseqvel e, como conseqncia, o arco ncia, o arco menos estmenos estvel com o eletrodo positivo.vel com o eletrodo positivo.

Pergunta 1: Considerando os processos com eletro consumPergunta 1: Considerando os processos com eletro consumvel e novel e no--consumconsumvel, qual o vel, qual o inconveniente ou vantagem gerada na soldagem com eletrodo positiinconveniente ou vantagem gerada na soldagem com eletrodo positivo? vo?

Pergunta 2: Qual o motivo da adiPergunta 2: Qual o motivo da adio o dopagemdopagem de ThOde ThO22, ZrO, ZrO22 ou CeOou CeO22 no W?no W?

Obs: A dopagem do W Obs: A dopagem do W provoca uma queda de provoca uma queda de tenso de 1 a 2 V. Em tenso de 1 a 2 V. Em materiais no refratmateriais no refratrios rios (a(ao, alumo, alumnio, etc.), a nio, etc.), a tenso tenso 10 V maior que 10 V maior que no W dopado. no W dopado.

Limpeza catLimpeza catdicadica

CACA CC+CC+

Mecanismo da emisso Mecanismo da emisso a a friofrio (< 3500 K):(< 3500 K):

CombinaCombinao de o de adsoradsoro de o de ons (+), ons (+),

campos elcampos eltricos (E) e tricos (E) e filetes condutores que filetes condutores que emitem eemitem e-- (destrui(destruio o

do ponto de emisso do ponto de emisso AlAl22OO33 na forma de na forma de

vapor e fragmentos).vapor e fragmentos).

Obs: ConseqObs: Conseqncias ncias Instabilidade e Instabilidade e

elevaelevao na tenso do o na tenso do arco e efeito prejudicial arco e efeito prejudicial

na soldagem GMAW do na soldagem GMAW do aao carbono.o carbono.

Limpeza catLimpeza catdica do Aldica do Al

+-

RarcoRctodo

Rnodo

Com

prim

ento

Queda de tensoUeletrodo Unodo Uarco Uctodo

Reletrodo

IRegio Regio anandicadica

2 2 Regio Regio anandicadica ((UaUa) ) mancha mancha anandicadica -- acacmulo de carga (mulo de carga (--))

ee--onsons

Nuvem de Nuvem de ons+ons+

Nuvem de eNuvem de e--

Passagem livre dos elPassagem livre dos eltrons do plasma para o eletrodo (barreira de potencial baixa);trons do plasma para o eletrodo (barreira de potencial baixa);

Dificuldade de imerso dos Dificuldade de imerso dos ons positivos do eletrodo para o plasma (barreira de ons positivos do eletrodo para o plasma (barreira de potencial alta) e potencial alta) e UUanandicadica sendo funsendo funo da temperatura e condutividade to da temperatura e condutividade trmica;rmica;

FormaFormao de uma regio com carga espacial envolvente negativa (10o de uma regio com carga espacial envolvente negativa (10--1 1 a 10a 10--33 mm mm 101022 a 10a 1033 V/mm) gerando uma queda de tenso (V/mm) gerando uma queda de tenso (2 a 8 V2 a 8 V););

O nodo tem pouca influncia sobre a manutenO nodo tem pouca influncia sobre a manuteno do arco (no emisso de o do arco (no emisso de ons);ons);

A principal energia gerada no nodo A principal energia gerada no nodo decorrente da chegada dos eldecorrente da chegada dos eltrons. trons.

Emisso Emisso nono--termoinicatermoinica (campo), oriunda do campo el(campo), oriunda do campo eltrico, empurra os eltrico, empurra os eltrons trons do cdo ctodo (10todo (1099 V/m)V/m)

A passagem de corrente pelas manchas andicas e catdicas produz grande quantidade de

calor e eleva a ddp calor necessrio fuso)

A estabilidade do nodo depende da composiA estabilidade do nodo depende da composio do go do gs de protes de proteo e da geometria o e da geometria da junta;da junta;

Os eventos que acontecem no nodo podem ser controlados indiretaOs eventos que acontecem no nodo podem ser controlados indiretamente pelo mente pelo cctodo (todo (85% da energia chegando da po85% da energia chegando da poa vem ca vem ctodo todo fluxo de elfluxo de eltronstrons). ).

ContribuiContribuies relativas no aquecimento da pees relativas no aquecimento da pea (nodo) na soldagem TIG. Em a (nodo) na soldagem TIG. Em (a) contribui(a) contribuio individual dos parmetros (nodo o individual dos parmetros (nodo heatheat input) e (b) perda de input) e (b) perda de

calor da pocalor da poa para o metal de base e para o meio.a para o metal de base e para o meio.

ThomsonThomson perda de energia dos perda de energia dos eleltrons pela passagem de uma trons pela passagem de uma regio de alta para uma de baixa regio de alta para uma de baixa temperatura;temperatura;

ContribuiContribuio to trmica rmica perda por perda por convecconveco, radiao, radiao e conduo e conduo o (16%).(16%).Pergunta: Quais os fatores que determinam o tipo de polaridade aPergunta: Quais os fatores que determinam o tipo de polaridade a ser aplicada?ser aplicada?

GTAW

arco

poa de fuso

proteo do arco e da poa

eletrodo

corrente

tenso

velocidade

GTAW

arco

poa de fuso

proteo do arco e da poa

eletrodo

corrente

tenso

velocidade

A magnitude da queda A magnitude da queda provocada pelo nodo e cprovocada pelo nodo e ctodo todo depende de: material do depende de: material do eletrodo, parmetros de eletrodo, parmetros de soldagem e tipo de gsoldagem e tipo de gs de s de proteproteo.o.

3 3 Regio da coluna do arcoRegio da coluna do arco ((UpUp) ) baixo gradiente e eletricamente neutrabaixo gradiente e eletricamente neutra Regio do plasma com Regio do plasma com gradiente de potencial muito baixo (0,1 agradiente de potencial muito baixo (0,1 a 1 V/mm)1 V/mm);; Composta por partComposta por partculas neutras (culas neutras (tomos/moltomos/molculas) e carregadas (elculas) e carregadas (eltrons/trons/ons ons

positivos) positivos) campo elcampo eltrico constante ao longo da coluna do arco;trico constante ao longo da coluna do arco; Igualdade entre cargas positivas e negativas por unidade de voluIgualdade entre cargas positivas e negativas por unidade de volume (neutralidade);me (neutralidade); Temperatura dos elTemperatura dos eltrons sempre superior a do gtrons sempre superior a do gs (colises e controle s (colises e controle desionizadesionizaoo);); A elevada temperatura produzida na coluna mantA elevada temperatura produzida na coluna mantm o gm o gs suficientemente ionizado s suficientemente ionizado

para que seja condutor para que seja condutor UUarcoarco = f(potencial ioniza= f(potencial ionizao go gs, Is, geometria arco, troca de s, Is, geometria arco, troca de calor com o meio)calor com o meio);;

Em funEm funo da difereno da diferena de aceleraa de acelerao e grau de coliso, o centro do arco o e grau de coliso, o centro do arco mais mais aquecido do que a sua periferia. Nesta aquecido do que a sua periferia. Nesta ltima, ocorrerltima, ocorrer abaixamento da temperatura abaixamento da temperatura pela recombinapela recombinao com go com gs no ionizado/s no ionizado/desionizadodesionizado;;

ProduProduo de um fluxo de plasma de alta velocidade sempre no sentido elo de um fluxo de plasma de alta velocidade sempre no sentido eletrodo peetrodo pea a ((jato de plasmajato de plasma).).

Obs: O mecanismo de perda de calor do arco Obs: O mecanismo de perda de calor do arco dependerdepender do ndo nvel de vel de IsIs ((IIaltaalta perda por perda por radiaradiao e para o e para IIbaixabaixa perda por conduperda por conduoo).).

Pergunta: Por que a transferncia de calor Pergunta: Por que a transferncia de calor maior para a pomaior para a poa na soldagem com eletrodo a na soldagem com eletrodo consumconsumvel?vel? Perfil de temperatura na soldagem TIG (Is = 100 A)Perfil de temperatura na soldagem TIG (Is = 100 A)

ObservaObservao 1: Tipicamente um o 1: Tipicamente um arco de 150 A produz um plasma arco de 150 A produz um plasma com velocidade axial de 100 m/s com velocidade axial de 100 m/s (360 km/h).(360 km/h).

PossPossveis fontes de formaveis fontes de formao do jato de plasmao do jato de plasma

ObservaObservao 2: O jato de plasma o 2: O jato de plasma pode ou no conter vapor pode ou no conter vapor metmetlico oriundo do eletrodo.lico oriundo do eletrodo.

Obs 1: Lembrando que para um dado valor de Obs 1: Lembrando que para um dado valor de IsIs a queda de tenso no arco pode ser a queda de tenso no arco pode ser expressa por:expressa por:

VVsoldagemsoldagem = = VVnodonodo + + VVcctodotodo + + VVplasmaplasma onde: onde: VVplasmaplasma E.lE.l00Onde: E Onde: E campo elcampo eltrico (dependente do gtrico (dependente do gs s 800 a 1000 V/m para o 800 a 1000 V/m para o ArAr e 1500 a 1800 e 1500 a 1800 V/m para oV/m para o HeHe))Obs 2: Efeito da dissociaObs 2: Efeito da dissociao e da ionizao e da ionizao na estabilidade do arcoo na estabilidade do arco

-- Plasmas contendo elementos com baixo Plasmas contendo elementos com baixo VVionizaionizaoo, por exemplo vapores met, por exemplo vapores metlicos, licos, induzem condiinduzem condies para a manutenes para a manuteno do arco a menores temperaturas, facilitam a o do arco a menores temperaturas, facilitam a abertura do arco e reduzem a tenso de operaabertura do arco e reduzem a tenso de operao (maximizao (maximizao da estabilidade do o da estabilidade do arco). arco). Al Al 5,98 5,98 eVeV

Ar Ar 15,75 15,75 eVeV

He He 24,5 24,5 eVeV

Ce Ce 3,89 3,89 eVeV

Fe Fe 7,90 7,90 eVeV

Na Na 5,12 5,12 eVeV

K K 4,32 4,32 eVeVPotenciais de ionizaPotenciais de ionizao de o de alguns elementos qualguns elementos qumicos micos

((WWII))

Equao de Saha( )kTW IekT

gg

XX -+

+

23

)(2][][

00

NNmero de elmero de eltrons livres de 1 cmtrons livres de 1 cm33de vapor de metal ionizadode vapor de metal ionizado

nene = (n= (noo AvogradoAvogrado x peso x peso especespecfico)/peso atmicofico)/peso atmico

ne_ne_NaNa = 2,6.10= 2,6.102222 eleltrons livres de trons livres de Na (a)Na (a)

ne_ne_KK = 1,35.10= 1,35.102222 eleltrons livres de trons livres de KK (b)(b)

(a)(a) Arco mais estArco mais estvel apvel aps s estabelecidoestabelecido

(b)(b) Facilidade de reabertura do Facilidade de reabertura do arco)arco)

Avaliar os elementos Ce e FeAvaliar os elementos Ce e Fe

Onde: XOnde: X++ ((nene.ni) e .ni) e XXoo representam a frarepresentam a frao de o de tomos ionizados tomos ionizados ((ons e eons e e--) e ) e tomos neutros por cmtomos neutros por cm33;;

gg++ e e ggoo so funso funes relacionadas com a parties relacionadas com a partio de o de ons e partons e partculas culas neutras.neutras.

Efeito da geometria do eletrodo sobre as caracterEfeito da geometria do eletrodo sobre as caracter sticas do arcosticas do arco Na soldagem TIG o aumento no ngulo da ponto do eletrodo de W Na soldagem TIG o aumento no ngulo da ponto do eletrodo de W provoca a variaprovoca a variao no formato do arco (de sino para bola);o no formato do arco (de sino para bola); A mudanA mudana no ngulo da ponta produz diferena no ngulo da ponta produz diferena na geometria do cordoa na geometria do cordo

Efeito do ngulo da ponta do Efeito do ngulo da ponta do eletrodo sobre a forma do eletrodo sobre a forma do arco e a geometria do cordo.arco e a geometria do cordo.

Efeito do ngulo da ponta do Efeito do ngulo da ponta do eletrodo (celetrodo (ctodo) sobre a todo) sobre a forma do arco e a presenforma do arco e a presena a de constride constrio no nodo.o no nodo.

Efeito do ngulo da ponta do Efeito do ngulo da ponta do eletrodo (celetrodo (ctodo) sobre a todo) sobre a abertura prematura do arco.abertura prematura do arco.

Efeito da composiEfeito da composio do go do gs de protes de proteoo

A composiA composio do go do gs de protes de proteo (mistura gasosa) apresenta influncia o (mistura gasosa) apresenta influncia significativa sobre a a distribuisignificativa sobre a a distribuio de temperatura no arco e no perfil da o de temperatura no arco e no perfil da popoa de fuso.a de fuso.

Efeito combinado do ngulo Efeito combinado do ngulo da ponta e do tipo de da ponta e do tipo de proteproteo gasosa sobre a o gasosa sobre a geometria do cordo.geometria do cordo.

Efeito do gEfeito do gs de protes de proteo sobre o o sobre o valor da tenso do arco.valor da tenso do arco.

Avaliar:Avaliar:-- Potencial de ionizaPotencial de ionizaoo-- Condutividade tCondutividade trmicarmica-- DissociaDissociao e recombinao e recombinaoo-- Potencial de oxidaPotencial de oxidaoo

Efeito da composiEfeito da composio do go do gs de protes de proteo (propriedade x uso)o (propriedade x uso)

Condies experimentais: eletrodo de tungstnio com 2% thrio; 2,4 mm de dimetro, Is = 150 A e ngulo daponta de 90 100% Ar100% Ar 0% Ar0% Ar

Efeito da mistura gasosa sobre a tenso do arco.

Efeito da mistura gasosa sobre a forma do arco. Observa-se uma reduo da largura nas regies catdica e andica e mudana na luminosidade do arco com o aumento do teor de qualquer dos gases adicionados ao argnio.

Efeito do teor de He no aspecto superficial do

cordo.

Efeito do gEfeito do gs de protes de proteo sobre a condutividade elo sobre a condutividade eltrica e ttrica e trmica.rmica.

Condutividade tCondutividade trmica para rmica para diferentes gasesdiferentes gases

Condutividade elCondutividade eltrica trica para diferentes gasespara diferentes gases

Obs: Obs: -- O arco mais aquecido durante a soldagem com He O arco mais aquecido durante a soldagem com He decorre da combinadecorre da combinao de alta condutividade to de alta condutividade trmica com uma rmica com uma baixa condutividade elbaixa condutividade eltrica, em relatrica, em relao ao argnio;o ao argnio;

-- Em contraEm contra--partida o arco partida o arco mais estmais estvel no argnio (*).vel no argnio (*).

-- Baixa condutividade tBaixa condutividade trmica do Ar provocando centro do arco rmica do Ar provocando centro do arco mais aquecido (mais aquecido (argon finger-type penetration)

Argnio puroArgnio puro

Argnio + CO2Argnio + CO2

Efeito do gEfeito do gs sobre a o s sobre a o perfil de penetraperfil de penetrao e o o e o

aspecto superficial aspecto superficial (problema na emisso de (problema na emisso de

campo).campo).

Efeito do gEfeito do gs de protes de proteo sobre a condutividade elo sobre a condutividade eltrica e ttrica e trmica (cont.)rmica (cont.)

Tipo de gs x desempenho do arco

Efeito da adio de CO2

Efeito de diferentes protees

gasosa sobre o perfil de

penetrao.

RelaRelao entre o tipo de proteo entre o tipo de proteo gasosa x alimentao gasosa x alimentao do arame x o do arame x tenso de soldagem x corrente de soldagem x modo de transferncitenso de soldagem x corrente de soldagem x modo de transfernci aa

Material: Ao carbono (arame de 1,2 mm); Processo de Soldagem GMAW

- 100% de CO2 no permite o modo spray;- Incremento de CO2 implica na elevao da Us para manter a mesma taxa de deposio;- CO2 produz fora reversa a direo de destacamento.

Ar

CO2

Avaliao do efeito isolado da corrente de soldagem (I s), velocidade de soldagem (vs) e comprimento do arco (lo indiretamente Us)

Sopro magnSopro magntico (deflexo/oscilatico (deflexo/oscilao)o) OcorrnciaOcorrncia soldagem utilizando corrente contsoldagem utilizando corrente contnua (CC+ ou CCnua (CC+ ou CC--) e/ou magnetiza) e/ou magnetizao o provocando desbalanceamento nas linhas do campo magnprovocando desbalanceamento nas linhas do campo magntico ao redor do arco tico ao redor do arco (distribui(distribuio assimo assimtrica das linhas de campo);trica das linhas de campo); ConseqConseqnciasncias deslocamento lateral no controlado do arco, com a possibilidaddeslocamento lateral no controlado do arco, com a possibilidade de e de deslocamento da gota metdeslocamento da gota metlica de sua trajetlica de sua trajetria pretendida; Possibilidade de contaminaria pretendida; Possibilidade de contaminao o da regio do arco; Distorda regio do arco; Distoro na geometria do cordo, outros.o na geometria do cordo, outros.

a) Arco sem deflexob) Arco com deflexo lateral (sopro magntico)

a

b

Sopro magntico decorrente do

desbalanceamento de foras F provocado pela proximidade do

ponto de aterramento (concentrao local de

linha do campo magntico B)

F

Sopro magnSopro magntico (formas de ocorrncias tico (formas de ocorrncias -- origem)origem)

a

b

c

d

a) Efeito de borda

b) Efeito da localizao do ponto de aterramento (proximidade)

c) Efeito da localizao do ponto de aterramento (proximidade)

d) Efeito da abertura da junta (cordo de solda produzindo aumento de massa)

e) Interao de 02 arcos em

decorrncia da utilizao de 02

eletrodos (por exemplo, tandem

ou twin)

e

Sopro magnSopro magntico (medidas corretivas)tico (medidas corretivas)a) Inclinao do eletro forando o arco contra a deflexo

b) Adoo de soldagem em pequenos trechos

c) Modificar seqncia de deposio

d) Colocao de massa prximo a regio da soldagem

e) Reposicionamento do ponto de aterramento

f) Utilizar transformador (CA)

g) Fazer controle da defasagem na pulsao de corrente; Usar CA.

a

b

c

d

e

f

g

Documents

Mproc-3, Mproc-4a&b - Fisica Do Arco