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Conceitos Básicos de Eletricidade, Física do Arco Elétrico e Máquinas de Solda Docente: Mário Bittencourt Conceitos Básicos de Eletricidade Átomo � É a unidade fundamental da matéria. � Estrutura eletricamente neutra constituída por um NÚCLEO (que contém prótons e nêutrons) e uma eletrosfera que contém ELÉTRONS. O que é eletricidade? O que é eletricidade? � Os átomos possuem cargas elétricas, chamadas elétrons. � Os elétrons se deslocam, desde que exista uma ação. � Eletricidade é todo e qualquer movimento de elétrons. _ + Corrente elétrica � É a quantidade de elétrons que passam por uma seção transversal do condutor (fio) em uma unidade de tempo. � É medida em Ampéres � Simbolizada pela letra A Tensão � Pode ser definida como a força que fornece movimento aos elétrons para criar a corrente elétrica. � É medida em VOLTS � Simbolizada pela letra V Movimento dos elétrons � Os elétrons se deslocam do pólo negativo (cátodo) para o polo positivo (anodo). _ + Tipos de corrente elétrica �Alternada �Continua + + + _ _ Corrente alternada � A corrente alternada passa nos cabos, alternando o sentido do deslocamento dos elétrons. Peça Tocha Deslocamento dos elétrons + _ + _ Corrente alternada � O número de vezes que esta mudança ocorre em um segundo é chamado de frequência. Tempo + _ _ + T e n s ã o + _ Corrente alternada � A frequência é medida em Hz (Hertz). � No Brasil a frequência é 60 Hz. � Isto quer dizer que a polaridade é alternada 120 vezes em um segundo. � Isto significa 60 períodos (ou ciclos) por segundo. Corrente alternada � A corrente alternada é utilizada em iluminação, aparelhos domésticos, e SOLDA ELÉTRICA. � É simbolizada em português pelas letras CA (corrente alternada) e � em inglês pelas letras AC (alternating current). Corrente contínua � É uma corrente elétrica, onde os elétrons se deslocam sempre no mesmo sentido. Corrente contínua � A corrente contínua é utilizada em baterias de carro, pilhas, e SOLDA ELÉTRICA. � É simbolizada em português pelas letras CC (corrente contínua) e � Em inglês pelas letras DC (direct current). Corrente contínua � Existem materiais que permitem a passagem de corrente elétrica apenas em um sentido. � Estes materiais são chamados semi condutores. � A retificação da corrente é realizada através destes materiais. � Ex.: Selênio, Silício, Germânio. Corrente contínua � Os elétrons passam através dos semi condutores em apenas um sentido, do pólo negativo para o positivo. + T e n s ã o _ + Corrente contínua polaridade direta �CCPD Deslocamento dos elétrons Peça Tocha + _ _ + Corrente contínua polaridade inversa �CCPI Peça Tocha Deslocamento dos elétrons + + _ _ Física do Arco Elétrico � É a visualização da passagem de uma corrente elétrica através de uma atmosfera gasosa. Arco elétrico ÂNODO (peça) CÁTODO (eletrodo) � Esta corrente elétrica é estabelecida entre dois eletrodos (ânodo e cátodo), � Temperatura pode variar entre 6000ºC e 30.000ºC. � Radiações emitidas: - Raio X, - Ultra Violeta e - Infra Vermelho. Arco elétrico Arco elétrico � Os elétrons emitidos no cátodo passam pela coluna do arco na forma de íons e elétrons livres (PLASMA) e alcançam o ânodo onde entregam a sua energia cinética em forma de calor. Plasma � A região central entre os dois eletrodos é denominada PLASMA. � Plasma é o gás no estado dissociado e ionizado. � Ocorre quando um gás se dissocia e se ioniza livremente entre um ânodo e um cátodo. � Nesta condição, o gás é um condutor elétrico, contendo portadores de cargas livres. Plasma ÂNODOCÁTODO ATMOSFERA GASOSA � É chamado de o quarto estado da matéria Plasma � É chamado de o quarto estado da matéria. SÓLIDO LIQUIDO GASOSO PLASMA Plasma � O plasma e suas funções são influenciados pelas propriedades físicas do gás de proteção, tais como: - energia de dissociação - energia de ionização - condutibilidade elétrica Ionização � É a decomposição do átomo ou moléculas em íons e elétrons (portadores de carga positiva ou negativa) � Para que ocorra esta decomposição é necessária uma energia que é retirada do arco elétrico Ar Ar+ + e- He He+ + e- ESTADO MOLECULAR IONIZAÇÃO Potencial de ionização � É a tensão necessária para remover um elétron da camada de um átomo. � A proximidade do elétron com o núcleo do átomo, determina se o potencial de ionização é ALTO ou BAIXO. Potencial de Ionização BAIXO Potencial de Ionização ALTO ARGÔNIO HÉLIO Potencial de ionização BAIXO � O gás de proteção conduz melhor a energia elétrica, a abertura do arco elétrico é mais fácil e a estabilização é melhor. ALTO � A tensão do arco é mais alta para uma determinada corrente e comprimento de arco, e a energia produzida é, em parte, devida ao gás de proteção. Dissociação � É a decomposição de gases multiatômicos (moleculares) em seus componentes atômicos. Ex.: CO2 – O2 – N2 – H2 � Dependendo do gás e da temperatura do arco, parte de seus componentes será depois ionizado. Dissociação � A energia necessária para manter o processo é fornecida pelo arco elétrico. N2 2 N 2N+ + 2e- ESTADO MOLECULAR DISSOCIAÇÃO IONIZAÇÃO O2 2 O 2O+ + 2e- Física do arco HIDROGÊNIO H2 RECOMBINAÇÃO PRODUÇÃO DE ENERGIA H H H2 DISSOCIAÇÃO IONIZAÇÃO - - H H H+ H+ e ABSORÇÃO DE ENERGIA - e H2 Gas Dissociation energy Ionisation energy eV eV Ar -- 15,7 He -- 24,5 CO2 6,3 14,4 O2 8,05 12,5 N2 9,76 15,8 H2 4,48 15,4 Energia de dissociação e ionização Arco elétrico � Assim, quando um gás, dissociado e/ou ionizado atinge a peça, se arrefece e se recompõe, fazendo que o plasma volte ao estado de gás. � Desta forma a energia de dissociação e ou ionização se transfere para a peça em forma de calor. Condutibilidade elétrica do gás plasma 5 10 20 30 He N2 Ar 100 10 1 temperature P=1 b 10 °K 3 H2 He Energia de soldagem ou Heat Input � Quando o arco elétrico for a fonte de energia de um processo de soldagem, introduz-se o conceito de ENERGIA DE SOLDAGEM ou HEAT INPUT. � Energia de soldagem ou heat input é a quantidade de calor produzido pelo arco elétrico e transferido para a peça. � O valor nominal da Energia de Soldagem pode ser determinado pela fórmula: EN (J/mm) = V (volts) X I (ampéres) Vsoldagem (mm/s) Energia de soldagem ou Heat Input � Na prática cada processo de soldagem a arco elétrico possui uma eficiência de transferência de calor (f), que geralmente é maior do que 0,8 e frequentemente próximo a 1,0. � Desta forma a Energia de Soldagem, ES, é dada por: ES = f EN Energia de soldagem ou Heat Input � O heat input influi na: - taxa de resfriamento da junta soldada, - na microestrutura, - nas propriedades mecânicas, - na taxa de deposição e - na diluição. metal de base metal de solda ZTA Energia de soldagem ou Heat Input Máquinas de Solda Máquinas de solda �Transformadores � Retificadores Transformadores Tensão baixa (80V) Corrente regulável Corrente alternada Subestação Tensão alta (13800V) Corrente fixa Corrente alternada Retificadores Tensão baixa (80V) Correnteregulável Corrente contínua Subestação Tensão alta (13800V) Corrente fixa Corrente alternada Características elétricas máquina solda �Ciclo de trabalho �Grau de proteção �Classe de isolamento Ciclo de trabalho da máquina de solda �É o percentual de tempo (10 minutos) que a máquina sustenta uma determinada corrente de soldagem. Ciclo de trabalho da máquina de solda Como igualar ciclos de trabalho? �Qual a corrente que a Millermatic fornece para um ciclo de 35%? I35% = 150A2 x 40% = 160 A 35% Ciclo da Powertec 250C: 250A a 35% Ciclo da Millermatic DVI2: 150A a 40% Grau de proteção � Os invólucros dos equipamentos elétricos devem oferecer um determinado grau de proteção aos seus componentes. � Esta proteção varia conforme as características do local em que serão instalados e de sua acessibilidade. Grau de proteção � Por exemplo, o gabinete da máquina deve suportar jatos de água, para valores de pressão e ângulo de incidência, sem que haja penetração de água. Grau de proteção Grau de proteção Grau de proteção Proteção contra contato Proteção contra corpos estranhos Proteção contra água • IP 00 • IP 02 • não tem • não tem • não tem • não tem • não tem • pingos de água até uma inclinação de 15º com a vertical • IP 11 • IP 12 • IP 13 • toque acidental com a mão • corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 50 mm • pingos de água na vertical • pingos de água até uma inclinação de 15º com a vertical. • água de chuva até uma inclinação de 60º com a vertical. • IP 21 • IP 22 • IP 23 • toque com os dedos • corpos estranhos sólidos de dimensões acima de 12 mm • pingos de água na vertical. • pingos de água até uma inclinação de 15º com a vertical. • água de chuva até uma inclinação de 60º com a vertical • IP 44 • toque com ferramentas • corpos estranhos sólidos acima de 1 mm. • respingos de todas as direções • IP 54 • IP 55 • proteção completa contra toques • proteção contra acúmulo de poerias nocivas. • respingos de todas as direções. • jatos de água de todas as direções. Classe de isolamento �Os materiais isolantes e os sistemas de isolamento são agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO. �Cada classe é definida pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. Classe de isolamento �A experiência mostra que a isolamento tem uma duração praticamente ilimitada, se a sua temperatura for mantida abaixo de um certo limite. �O limite de temperatura depende do tipo de material empregado. Classe de isolamento Classe de isolamento Classe de isolamento A E B F H Temperatura do ponto mais quente 105ºC 120ºC 130ºC 155ºC 180ºC Bibliografia � MARQUES, P. V.; MODENESI, P. J.; BRACARENSE, A. Q., “Fontes de Energia para Soldgem a Arco. ”. In: Soldagem fundamentos e tecnologia, 3 ed., capítulo 5, Belo Horizonte, MG, Editora UFMG, 2009.
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