PScap II Arco V - Apontamentos utilizados para a realização da segunda parte de soldadura da cadeira PDF

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Apontamentos utilizados para a realização da segunda parte de soldadura da cadeira do terceiro ano de engenharia mecânca...

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2.1

CAP. II- O ARCO VOLTAICO DE SOLDAGEM Arco voltaico é uma descarga de eletricidade de elevada intensidade através de uma atmosfera gasosa ionizada (chamada de plasma), entre dois eletrodos submetidos a uma diferença de potencial. Essa descarga de eletricidade ocorre entre eletrodos em um gás ou em vapor formado a partir dos eletrodos, e apresenta uma queda de tensão no cátodo da ordem do potencial de excitação do vapor do eletrodo (aprox. 10 V). A corrente fluindo no arco pode ter qualquer valor quase sem limite acima de um mínimo, que é ao redor de 100 mA. Para correntes abaixo dessa mínima podem ocorrer descargas incandescentes (glow discharges) com uma maior queda de tensão no cátodo, entre 10 e 500 V. 2.1- Descrição geral das descargas de arco. A corrente num arco de soldagem passa entre o gás e o circuito elétrico através dos eletrodos metálicos. O eletrodo negativo a partir do qual os elétrons passam para o gás é chamado de cátodo. O eletrodo positivo é chamado de ânodo. Essas duas regiões, onde a transição entre a condição metálica e gasosa ocorre, apresentam vários fenômenos físicos que, apesar da intensiva pesquisa por várias décadas, não têm sido compreendidos completamente. Os mecanismos básicos do arco que são responsáveis pela regeneração das partículas carregadas e sem os quais a descarga se extinguiria, estão concentrados dentro da região de queda catódica, que inclui a superfície do cátodo e uma muito fina camada de gás e vapor do eletrodo junto a ele. No arco voltaico de soldagem um dos eletrodos é uma vareta e o outro é uma chapa. O arco tem forma de sino: sua parte mais estreita na extremidade do eletrodo e sua parte mais aberta no lado da peça, de modo que a corrente do arco se dispersa lateralmente e assim gera um jato de plasma que flui em direção à peça. O comprimento do arco, que é aproximadamente igual à distância entre a peça e o extremo livre do eletrodo, compreende: • a zona (de queda de tensão) catódica. • a coluna do arco. • a zona (de queda de tensão) anôdica. Visto que o comportamento do arco, em termos de estabilidade e de distribuição de temperaturas, é influenciado pela polaridade em que estão conectados o eletrodo e a peça de trabalho, quando se especificam as condições de soldagem com corrente continua é preciso referenciar a polaridade específica. Para tal, convencionou-se chamar de polaridade direta ou normal (direct polarity) ou, simplificadamente, CC − , àquela em que o eletrodo é o polo negativo, e chamar de polaridade inversa (reverse polarity), ou CC+, àquela em que o eletrodo é positivo. As principais características das regiões próximas aos eletrodos são: a) Os elevados campos elétricos. No arco voltaico, a queda de tensão total no comprimento do arco (isto é, a chamada tensão do arco), se reparte entre a queda de tensão no cátodo (que varia entre 10 e 20 V), a queda no ânodo (de 1 a 5 V) e a queda na coluna do arco, que varia de forma aproximadamente linear com o comprimento (fig. 2.1). Essas quedas ocorrem em distâncias muito curtas a partir das superfícies dos eletrodos− da ordem de 0.01 mm−, de modo que os campos elétricos (gradientes de tensão) nessas regiões são extremamente grandes. Enquanto que na coluna do arco o gradiente de tensão pode ser tão baixo como 1 V/mm, no cátodo 6 ultrapassa 10 V/mm.

2.2

b) Os elevados gradientes de temperatura. A temperatura do arco é maior no gás próximo do eletrodo, onde ela pode estar entre 6000 e 20000 K ou mais, e é menor na vizinhança da poça fundida. Na ponta do eletrodo, o metal pode ser levado até temperaturas entre seus pontos de fusão e ebulição. As diferenças de temperatura entre os elevados valores na coluna do arco e os relativamente baixos na superfícies dos eletrodos são elevadas, de modo que perto dos eletrodos existem elevados gradientes de temperatura (figura 2.2). c) A contração, isto é, as elevadas densidades de corrente em relação àquelas da coluna do arco. Enquanto que as densidades de corrente na coluna do arco tem valores entre 2 1 e 10 A/mm , as densidades nas regiões próximas dos eletrodos são maiores: 4 6 2 - em cátodos não-termoiônicos: entre 10 e 4x10 A/mm . 2 - em cátodos termoiônicos: 1 a 100 A/mm . 2 - no ânodo: 1 a 1000 A/mm .

Fig. 2.1- Distribuição das quedas de tensão ao longo de um arco voltaico (esquemática).

Fig. 2.2- Características observadas no aquecimento com um arco TIG estacionário (I= 200 A, la= 10 mm): a) isotermas no arco, b) distribuição de densidade de corrente no ânodo; c) densidade de fluxo de calor no ânodo.

2.3

2.2- Obtenção do plasma (ionização). Nas condições normais de pressão e temperatura existentes na superfície da Terra, todo gás se comporta como isolante elétrico quando submetido a campos elétricos de intensidades normais. O ar, por exemplo, situado entre dois eletrodos afastados de 1 mm, necessita da aplicação de uma diferença de potencial de cerca de 4 kV para se tornar condutor. Na natureza podemos encontrar plasma: • nas regiões mais altas da atmosfera, devido à baixa pressão. • no interior do sol e das estrelas, onde as pressões são tão elevadas que os átomos não podem organizar-se como os conhecemos. Entretanto, em soldagem não são utilizadas essas formas de ionizar, mas as seguintes: • pela aplicação de uma corrente alternada de alta freqüência. Este método é usado, por exemplo, quando se solda alumínio pelo processo TIG com corrente alternada senoidal: para manter a ionização do gás durante as reversões de polaridade se usa− em conjunto com a fonte principal de soldagem− uma fonte de alta tensão (vários kV), alta freqüência (MHz) e baixa corrente. • mediante o bombardeio com elétrons. • mediante o aquecimento do gás a elevadas temperaturas. Quando um gás é aquecido, as moléculas adquirem mais energia. A baixas temperaturas esta energia é principalmente translacional, isto é, ela é energia associada com velocidade do movimento. A maiores temperaturas, as moléculas diatômicas, tais como as do hidrogênio, nitrogênio ou oxigênio, absorvem energia primeiro por rotação e depois por vibração (movimento relativo de aproximação e afastamento dos dois átomos entre se). Quando a energia vibracional atinge um nível suficientemente elevado, ela pode romper as ligações de valência que mantêm os dois átomos juntos, fazendo com que eles se dissociem num estado monoatômico. A maiores temperaturas ainda, parte da energia é absorvida pela camada externa de elétrons dos átomos individuais, e eventualmente causa o destacamento de um dos elétrons mais externos− o átomo se ioniza em um elétron e um íon com carga positiva. Um maior incremento da temperatura pode causar ionização múltipla, quando os átomos perdem mais que um elétron. Os níveis de energia para a ionização são substancialmente maiores que para a dissociação. Portanto, a ionização vem a ser significativa quando o gás é substancialmente monoatômico. Na figura 2.3 é graficado o grau de ionização (fração de átomos ionizados) em função da temperatura para alguns gases e vapores metálicos. O grau de ionização, em certas condições de temperatura e pressão, depende da energia de ionização eVI. A tabela 2.1 lista os potenciais de ionização VI para vários gases e vapores metálicos. Note que os potenciais de ionização dos vapores metálicos são muitos menores que aqueles do oxigênio, nitrogênio, argônio e hélio. Portanto, numa mistura de vapores metálicos e gases a alta temperatura, por exemplo a 6000 K, os vapor metálicos estarão altamente ionizados enquanto que os gases estarão substancialmente não ionizados.

2.4

Fig. 2.3- Grau de ionização em função da temperatura para vários elementos. Tabela 2.1- Potenciais de ionização VI de alguns gases e vapores metálicos (em V) Elemento Hélio Argônio Nitrogênio Oxigênio Hidrogênio Carbono Mercúrio Silício Tungstênio Ferro Magnésio Prata Titânio Cálcio Alumínio Sódio Potássio

Estágio de ionização I II 24.580 54.400 15.755 27.620 14.540 29.605 13.614 35.146 13.595 11.264 24.376 10.44 18.8 8.149 16.340 7.940 7.900 16.180 7.644 15.030 7.574 21.480 6.830 13.630 6.111 11.870 5.984 18.823 5.138 47.290 4.339 31.810

O numeral romano indica o número de elétrons que foram perdidos.

2.3- Emissão de elétrons no cátodo. Por outra parte, para o estabelecimento do arco voltaico não é suficiente que exista o plasma. Também é necessário que o cátodo emita elétrons, para o qual existem dois mecanismos básicos: a) emissão termoiônica: Quando um cátodo é aquecido a uma suficientemente elevada temperatura, são emitidos elétrons com uma densidade de corrente J dada pela equação de Richardson-Dushman: J = AT 2e − b/ T Onde, T = temperatura da superfície em K.

2.5 5

2 2

A = constante, que possui um valor de cerca de 6x10 A/m K para a maioria dos metais. b= φe/k, onde, φ = função de trabalho (termiônica) da superfície do cátodo. -19 e = carga do elétron (1.602x10 coulomb). k = constante de Boltzmann. Assim sendo, a densidade de corrente na emissão termoiônica depende criticamente da temperatura da superfície do cátodo e, a menos que esta possa ser levada a um valor suficientemente alto, não será possível atingir as densidades de corrente que são encontradas nos arcos de soldagem. É somente quando os cátodos são de materiais refratários (tais como o W e o C, com temperaturas de ebulição de 5930 e 4200 ºC, respectivamente, muito maiores que a do Fe, de 2900 ºC) que a emissão termiônica pode explicar as densidades de corrente observadas no cátodo (figura 2.4) que, para um eletrodo de tungstênio emitindo termoionicamente estão na 2 faixa de 1 a 100 A/mm , e a mancha no cátodo (cathode spot) normalmente ocupa uma posição fixa. Uma mudança de um arco termioiônico a um com uma mancha catódica contraída e móvel pode ocorrer devido a uma queda de temperatura ou a contaminação da superfície do eletrodo.

Fig. 2.4- Temperaturas para a emissão termiônica a vários níveis de densidade de corrente. Os pontos individuais indicam a temperatura de ebulição e a função de trabalho dos elementos puros. b) emissão não-termoiônica: ocorre em cátodos de materiais não refratários ou em materiais refratários trabalhando a baixas temperaturas. Há três tipos de cátodos nãotermoiônicos: o tipo vapor, que se forma em metais sem filmes; o tipo túnel (tunnelling), que se forma em camadas finas de óxidos (menores que 10 nm); e o tipo comutação (switching), que se forma em camadas de óxidos mais grossas.

2.6

O tipo vapor ocorre na superfície de metais liquefeitos, sem a presença de filmes óxidos. Acima da superfície se forma uma densa corrente de vapor, que facilita a ionização do meio por reduzir o potencial necessário para arrancar os elétrons de valência. Na soldagem a arco com gás protetor estamos sempre trabalhando com superfícies recobertas de óxidos (exceto no caso da prata e ouro), mas nos processos eletrodo revestido, arco submerso e eletrodo tubular existe uma escória líquida pelo menos na superfície da poça fundida. Pouco se sabe sobre os mecanismos do cátodo para metais cobertos de escória, mas as escórias emitem íons positivos a partir dos metais alcalinos quando estes são aquecidos a temperaturas entre 600 e 1800 ºC, e isto ajuda a manter a continuidade da corrente na soldagem com CA. Para explicar o comportamento no caso dos metais recobertos por óxidos, é sugerido que os íons positivos se condensam na superfície dos óxidos e estabelecem um elevado campo elétrico. No caso de filmes finos de óxidos, se o campo for maior que aproximadamente 1000 V/mm, os elétrons podem atravessar o filme e gerar um local emissor (efeito túnel). Para espessuras de filme maiores, um fenômeno conhecido como comutação faz o filme localmente condutor, o que permite que relativamente grandes correntes fluam em canais filamentares através dos óxidos. Os locais emissores individuais tem cerca de 100 nm de diâmetro e tempos de vida curtos (1 ns a 1 µs). O efeito geral é destacar os óxidos da superfície do metal e gerar um muito pequeno mas intenso jato de resíduos e vapores metálicos. Esses locais podem-se formar onde quer que haja fornecimento de íons positivos, de modo que, na superfície da chapa, eles podem oscilar randomicamente sobre toda a área em que o arco está em contato com o metal. A formação desses locais, entretanto, pode ser inibida por uma inabilidade de gerar o requerido campo através do filme de óxidos, isto é, devido a uma excessiva espessura dos óxidos e/ou uma demasiado baixa densidade de íons. No caso de metais tendo óxidos refratários, tais como o alumínio e magnésio, a limpeza superficial produzida por um cátodo não-termoionico é benéfica à soldagem, pois produz o chamado efeito de limpeza catódica dos óxidos, que é obtido quando se solda com polaridade CC+. Por outro lado, existe evidência de que os arcos se tornam instáveis e se extinguem quando há falta de suficiente óxidos e outras impurezas na superfície do cátodo. 2.4- Comportamento dinâmico do Arco Voltaico. O comportamento dinâmico do arco é a resposta que este oferece (em termos de corrente e tensão) às perturbações a que é submetido. Podemos diferenciar esse comportamento em dois momentos diferentes: • no acendimento do arco. • durante o “regime” de trabalho do arco. 2.4.1. Comportamento dinâmico durante o acendimento. A seguir são descritos os fenômenos que ocorrem quando o acendimento é realizado mediante um curto-circuito, que é o mêtodo mais comumente usado (fig. 2.5): • antes de iniciar o arco, a corrente é zero, e a tensão U é a tensão em vazio da fonte de soldagem (isto é, a tensão quando a fonte não tem nenhuma carga conectada a ela). • ao fazer curto-circuito, a corrente sobe rapidamente e atinge o valor de Icurtocircuito, que é limitada pela impedância de todo o circuito de soldagem (fonte, cabos de ligação, eletrodo e arco). A tensão não chega a zero, porque existe uma resistência de contacto na interface do eletrodo com a peça. • a região de contato é fortemente aquecida por efeito Joule (devido a que nesse local tem-se a maior resistência elétrica) e, ao chegar à incandescência, há liberação de elétrons por efeito termoiônico e, ao mesmo tempo, formação de vapores metálicos que facilitam a ionização da atmosfera circundante.

2.7

• conseguida a ionização do gás, pode-se afastar o eletrodo da peça uma certa distância (que será o comprimento do arco), o que é feito: na soldagem com eletrodo revestido, pelo próprio soldador; na soldagem com processos com controle automático do comprimento do arco, pela própria fusão acelerada do eletrodo no instante do curto-circuito. Ao distanciar o eletrodo da peça, o arco continuará a subsistir, e a tensão e corrente atingirão os valores próprios de regime, ou seja, os chamados valores “de soldagem”. A continuidade do processo será conseguida pela constante ionização da atmosfera gasosa, graças ao continuo bombardeamento por elétrons a que são submetidos os átomos do gás e às elevadas temperaturas atingidas no arco.

Fig. 2.5- Variação da tensão e da corrente no acendimento do arco. 2.4.2- Comportamento dinâmico durante o regime de trabalho. Durante a soldagem ocorrem transientes, particularmente: • em soldagem com eletrodos consumíveis usando CC: se a gota fundida na ponta do eletrodo cresce até encostar na peça, ocorre um curto-circuito. Nesse instante há uma diminuição da tensão e aumento da corrente, mas esta corrente flui preferencialmente pela ponte constituída pela gota líquida. Assim, durante o tempo do curto-circuito cessa o bombardeiamento do gás por elétrons e diminui a temperatura, o que reduz sua ionização. Ao ser transferida a gota fundida, volta a existir uma distância entre o eletrodo e a peça, mas com uma maior resistência ao passo de corrente, devido à menor ionização do plasma (veja a figura 2.6-a). • em soldagem com CA: além dos possíveis curtos-circuitos, tem-se reversões de polaridade (e, portanto, do sentido de fluxo da corrente), duas vezes em cada ciclo da onda de tensão da fonte. Nessas reversões, a tensão passa pelo zero e, no mesmo instante, a corrente no arco também vai a zero (pois o arco é um elemento eminentemente resistivo). O arco voltaico só é reestabelecido quando a tensão (diferença de potencial entre o eletrodo e a peça) atingir um valor suficiente para romper o dielétrico (veja a fig. 2.6-b). Para continuar o processo, após esses fenômenos transientes deve acontecer o que se chama reacendimento ou reignição do arco.

2.8

Fig. 2.6- Oscilogramas de corrente e tensão para soldagem com eletrodo revestido usando: a) corrente continua (CC); b) corrente alternada (CA). 2.5- Característica Estática do Arco Voltaico. A curva de característica estática do arco corresponde à curva formada pelos pares de valores de Ueficaz vs. Ieficaz que pode assumir um arco específico durante o seu regime de trabalho. Ela define, portanto, o comportamento em regime estável de um arco com determinadas condições de comprimento do arco, tipo de processo, tipo e diâmetro do eletrodo, tipo de corrente, gás de proteção, etc. O formato geral da curva de característica estática é (fig. 2.7): • para processos que usam eletrodos permanentes (p.ex. TIG): primeiro descendente e depois ascendente. • para processos com eletrodos consumíveis: fortemente ascendente, em toda a faixa de correntes, devido a que a fusão e vaporização do eletrodo consomem energia.

2.9

Fig. 2.7- Curvas características estáticas do arco em função do seu comprimento, para vários processos: a) processo TIG usando dois tipos de gás de proteção; b) processo MAG com CO2 puro; c) processo MIG com argônio puro. O processo MIG/MAG foi aplicado com eletrodo de aço de 1.0 mm e tomada de corrente t= 14 mm. 2.6- Estabilidade do Arco Voltaico. Como foi assinalado no item 2.4, a estabilidade do arco deve ser definida em termos de estabilidade da transferência metálica e do transporte de carga elétrica. Embora de forma empírica se tenha algum conhecimento do comportamento, em termos de estabilidade, dos vários processos e dos consumíveis usados para soldagem, não existe ainda consenso entre os estudiosos sobre os parâmetros mais objetivos para quantificar a estabilidade. Na tabela 2.2 são dados alguns índices usados para essa quantificação no caso do processo com eletrodo revestido. Um arco estável será aquele que tiver os menores (ou maiores) valores médios e menores varianças desses índices. Tabela 2.2 - Índices propostos para a quantificação da estabilidade do arco em soldagem com eletrodo revestido.

para CC Para CA

Transferência Metálica

Transporte de Carga Elétrica

maior freqüência de ocorrência de curtos-circuitos. menores tempos de duração dos curtos-circuitos.

menor energia dispendida no reacendimento do arco. maior taxa de aumento da condutividade elétrica do arco no seu reacendimento.

2.10

2.7- Rigidez do Arco e Sopro Magnético Por natureza não é possível para a coluna do arco, que é composta de gases, possuir a qualidade de rigidez. Porém, já que no arco existe um fluxo axial de gás, se a velocidade de fluxo for suficientemente elevada o deslocamento lateral do arco por efeito de uma força transversal será reduzido. Para tomar um exemplo simples: suponha que a velocidade axial é constante e igual a Vz, e que existe um vento transversal com velocidade Vy. Então, o deslocamento lateral Y é dado por: Y= (Vy/Vz)z Onde z é a distancia axial. Então, quanto maior for a velocidade axial, menor será o deslocamento. A velocidade axial máxima do plasma pode ser estimada mediante a seguinte fórmula: µ0 ⋅ I ⋅ J Vx = 2π ⋅ ρ Onde, -7 2 µo= permeabilidade do espaço livre, é igual a 4πx10 N/A . J= densidade de corrente. I= corrente. ρ= densidade de massa. A figura 2.8 apresenta exemplos de distribuição de velocidade do plasma e de distribuição da pressão que o plasma exerce sobre a peça, em soldagens com o processo TIG.

O deslocamento lateral lateral do arco pode ser causado por: a) movimento da raiz do arco no eletrodo. Na soldagem com eletrodo revestido a raiz do arco está em continuo movimento, mas o arco permanece geralmente dirigido à peça e não há perda de controle por causa deste movimento. Na soldagem TIG, a mancha ...