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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA LAPROSOLDA/UFU FONTES DE SOLDAGEM A ARCO VOLTAICO Prof. Américo Scotti (Outubro de 1998) Universidade Federal de Uberlândia Departamento de Engenharia Mecânica 30400-902 - Uberlândia - MG Tel: (034) 239-4192 ramal 50 Fax: (034) 239-4206 e-mail: ascotti@mecanica.ufu.br 1 - Introdução Fontes de energia para soldagem a arco voltaico podem ser consideradas simplesmente como o ponto de alimentação da energia elétrica ao processo. Entretanto, as fontes exercem grande influência sobre o desempenho de um processo de soldagem (qualidade e produtividade). Desta forma, um maior conhecimento das características e princípios de funcionamento das fontes de energia, é condição necessária para todos aqueles que intencionam trabalhar com soldagem. Existem três requisitos básicos para uma fonte de energia para soldagem a arco: • produzir saídas de corrente e tensão a níveis e com características adequadas para o processo de soldagem (baixa tensão e alta corrente); • permitir o ajuste adequado dos valores de corrente e/ou tensão para aplicações específicas; • controlar a variação e a forma de variação dos níveis de corrente e/ou tensão de acordo com os requerimentos do processo de soldagem e aplicação. Adicionalmente, o projeto de uma fonte para soldagem precisa atender outros requisitos, tais como: • estar em conformidade com normas e códigos relacionados com a segurança e funcionalidade; • apresentar resistência e durabilidade à ambientes fabris, com instalação e operação simples e segura. No caso das fontes modernas, outros requisitos são o de possuir interfaces para monitoramento e/ou sistemas de automação e possuir versatilidade e precisão nos controles dos parâmetros. Para satisfazer todas estas exigências, uma complexa interação de conhecimentos de eletrônica e eletrotécnica é aplicada pelos pesquisadores e projetistas em função das demandas da física da soldagem a arco. Entretanto, o conhecimento do funcionamento desta linha de equipamento pode ser alcançado à partir da forma com que as fontes de soldagem atendem os três requisitos básicos. Para produzir níveis de saída adequados para a maioria dos processos de soldagem a arco, a energia elétrica da rede precisa ser convertida, de sua forma de tensão relativamente alta e corrente disponível relativamente baixa para menores valores de tensão (o que também é benéfico do ponto de vista de segurança) e maiores valores de corrente. Esta etapa é feita pelos transformadores. Para permitir os ajustes adequados dos sinais elétricos de saída se usam os indutores e controles eletrônicos, estes últimos também responsáveis pela variação controlável destes sinais. Se corrente contínua é necessária, um banco ___prof. Américo Scotti 2 de retificadores pode ser colocado na saída do transformador. 2 - Transformadores Elétricos Transformadores Elétricos, ou simplesmente transformadores, são aparelhos estacionários para transferir energia elétrica de um circuito de corrente alternada para um outro, sem alterar a freqüência, através de um campo magnético. A função de um transformador é aumentar ou diminuir a tensão. A Figura 1 ilustra a composição básica de um transformador. A alma (bloco retangular com um furo quadrado no centro) de um transformador é feita de lâminas retangulares, normalmente de aço ao silício (baixa permeabilidade magnética),. sobrepostas uma a outra no sentido da espessura. Sobre a alma são enrolados dois segmentos de fios (normalmente de cobre), os chamados enrolamentos Primário (P) e Secundário (S), que por simplicidade esquemática são mostrados em apenas uma camada e em lados (pernas) separados. O princípio do transformador é: uma fonte de corrente alternada (A) fornece uma corrente alternada (I0) com uma queda de tensão E1 ao enrolamento primário (P). Esta corrente produz um fluxo magnético, o qual liga os dois enrolamentos. Dependendo do número de voltas em cada enrolamento, aparecerá uma tensão E2 nos terminais do enrolamento secundário (S). Se a chave do circuito (X) é fechada, também aparecerá no circuito secundário uma corrente I2. Detalhando um pouco mais o princípio de funcionamento, no instante inicial, a corrente no terminal positivo do enrolamento primário é positiva e crescente. O enrolamento primário então cria um fluxo magnético (φ) no sentido horário ao redor da alma. Este fluxo que liga ambos enrolamentos é chamado de fluxo mútuo e sua alternância (pela alternância da corrente com o tempo) induz uma força eletromotriz (f.e.m.) nos dois enrolamentos. A força eletromotriz induzida no primário é uma f.e.m. contrária (força contra eletromotriz - f.c.e.m.), a qual opõe a corrente entrando no primário (corresponde à força elétrica que faz um motor girar). A força eletromotriz induzida no secundário pode entregar energia a partir do secundário (correspondendo à força elétrica entregue por uma gerador). A f.e.m. induzida em cada enrolamento do transformador é dada por E = 4,44 x 10-8 φm f N [volts], onde φm é o valor instantâneo máximo do fluxo em maxwells, f é a freqüência em ciclos por segundo (Hz) e N é o número de voltas no enrolamento. Como φm é comum aos dois enrolamentos, a força induzida em cada enrolamento é proporcional aos números de espiras (N) de cada, ou seja: 1 2 1 2 N N E E = (Equação 1). Mesmo com X aberto (sem carga), devido à tensão fornecida , uma corrente I0 flui no primário Figura 1 - Descrição esquemática de um Transformador ___laprosolda/ufu 3 (proporcional à resistência e indutância do primário) e produz um fluxo φ, que, por sua vez, produz perdas na alma devido à corrente parasitas e histereses. Sem carga, a perda de potência (RI2) no cobre é desprezível. A corrente I0 é então chamada de corrente de excitação e sua perda de eficiência é normalmente de somente 1 a 2 %. Se a chave X no circuito secundário é fechada, o secundário é capaz de entregar corrente. Pela lei de Lenz1, a direção da corrente no secundário é de tal forma a opor o fluxo φ. Quando o fluxo φ é reduzido, a f.c.e.m. E1 é reduzida e mais corrente (além da de excitação) flui no primário para fornecer a potência de que o secundário requer (a f.c.e.m. difere da tensão real aplicada pela fonte de apenas 1 a 2%, a qual pode ser considerada constante). Se E1 permanece essencialmente constante, o fluxo magnético mútuo permanece essencialmente constante e, então, a relação intensidade de corrente x número de espiras (I x N) agindo sobre a alma permanece essencialmente constante. Lembrando, a intensidade de fluxo magnético devido a um solenóide (enrolamento) longo é uma função da corrente e do número de espiras, como expresso pela Equação 2. L IN0µ=Φ [weberes/m2] (Equação 2), onde µ0 é a permeabilidade magnética do meio, N é o número de espira, I a corrente e L o comprimento do enrolamento. Desta forma, a I x N no secundário requerida quando uma carga é acionada (X ligado) tem de ser balanceada por uma relação I x N no primário de igual valor e sentido contrário. A corrente de excitação é pequena comparada com a corrente requerida pela carga e são normalmente bem defasadas no tempo. Então, pode-se dizer que: 2 1 1 2 N N I I = (Equação 3). Resumindo, com a aplicação das Equações 1 e 3 fica evidente a possibilidade de se aumentar ou reduzir a tensão e a corrente do primário, através da alteração da relação do numero de espiras no primário e secundário. Na prática, os transformadores de soldagem utilizam o princípio de auto-transformação. Auto- transformador é definido com um transformador no qual as espiras são comuns para ambos enrolamentos (primário e secundário). Quando a razão de transformação é baixa, há umaconsiderável economia em custo e um crescimento na eficiência, comparativamente ao transformador convencional com 2 enrolamentos. A Figura 2 ilustra um esquema de um auto-transformador. O enrolamento é dividido em duas ou mais seções nas pernas opostas da alma. Para obter, por exemplo, uma razão 2:1 , a conexão b é fixada no meio do enrolamento ac (alimentação primária), de tal forma que a saída (tensão do secundário) é obtida entre os pontos b e c. Assumindo uma carga (dd') que consome 20 A (Ic) a 50 V (E2) ligada nos terminais do secundário. Como o primário está alimentado com 100 V (E1), a corrente (I1) que flui de a para b é de 10 A. Esta corrente de 10 A induz o campo magnético e cria uma outra corrente (I2) de 10 A. Desta forma, do total de 1000 W, 500 w flui por condução de a para b sem transformação e os restantes 500 W é transformada. Se um transformador convencional tivesse sido utilizado, haveria uma quantidade igual de cobre para cada enrolamento. O auto-transformador economiza também no tamanho da alma e as perdas são menores. 3 - Característica Estática de Fontes para Soldagem a Arco 3.1 - Conceituação e Analogia com a rede pública Característica Estática de um equipamento será aqui definido como o comportamento em regime 1 - A lei de Lenz estabelece que uma f.e.m. induzida tem um sentido tal a opor a própria causa de sua geração. ___prof. Américo Scotti 4 do mesmo, quando submetido a cargas variadas (resistivas, capacitivas ou indutivas). Este comportamento é quantificado pelo par de ordenadas tensão (V) e corrente (I) e visualizado em gráficos, onde na abcissa se encontra a tensão, e na ordenada se encontra a corrente. A característica estática, desta forma, se diferencia da chamada característica dinâmica, a qual determina a resposta da fonte quanto ao comportamento transiente da corrente e da tensão em relação ao tempo. A visualização da característica dinâmica se dá geralmente em gráficos de corrente e tensão versus o tempo, comumente chamados de oscilogramas (como o visor de um osciloscópio). Para facilitar a compreensão do significado de uma característica estática, vamos usar algo bem familiar; considerando uma tomada da rede elétrica residencial como fonte de energia e estando nenhuma carga ligada a esta fonte (fonte em vazio), a colocação dos cabos de um multímetro nos bornes da tomada levará à indicação de uma corrente igual a zero e uma tensão igual à da tensão da rede pública local (por exemplo 220 V). Adicionando agora cargas (lâmpadas, aquecedores, etc.) progressivamente nesta tomada, o valor da tensão permanecerá o mesmo, enquanto o valor da corrente crescerá proporcionalmente, até o valor máximo que a instalação residencial pode fornecer (geralmente determinada pelo fusível ou disjuntor). Traçando-se agora um gráfico V x I com os dados obtidos, uma reta paralela ao eixo das abcissas Figura 3 - Levantamento da Característica Estática da rede pública, como fonte de energia. Figura 2 - Esquema de funcionamento de um auto-transformador V A Lâmpada TV Rádio Te ns ão (V ) V1 I1 I2 I3 Corrente (A) ___laprosolda/ufu 5 será obtida (Figura 3), indicando uma característica desta fonte, ou seja, tensão constante. Desta forma, se a rede pública pudesse ser usada diretamente como fonte de soldagem, ela seria classificada como uma fonte com característica estática do tipo tensão constante. Outros exemplos de fonte do tipo tensão constantes seriam as baterias de carros ou mesmo os transformadores tratados no item 2, os quais reduzem ou levam a intensidade da tensão da rede pública, mas fornecendo caracteristicamente tensão constante. Não tão familiares, porém, são outros tipos de fontes ditas corrente constante. Neste caso, a fonte fornece uma corrente sempre constante e, analogamente, o aumento de carga representa um aumento de tensão. Sendo assim, as fontes de energia elétrica se classificam quanto à característica estática em Tensão Constante e Corrente Constante. 3.2 - Características Estáticas das Fontes de Soldagem (CEF) As fontes de soldagem a arco voltaico compõem uma categoria especial das fontes de energia elétrica, caracterizando-se principalmente por fornecerem baixa tensão de trabalho (normalmente entre 10 e 40 V) e altas correntes (comumente entre 50 e 1000 A). Da mesma forma das fontes genéricas, as fontes de soldagem também se identificam por características estáticas, classificando-se como Fontes do Tipo Tensão Constante e Fontes do Tipo Corrente Constante (também conhecidas como fontes tombantes). Uma associação americana que normaliza equipamentos elétricos, The National Electrical Manufactures Association - NEMA, em uma publicação específica para fontes de soldagem defini as fontes de soldagem da seguinte forma: - Fonte Corrente Constante - É aquela que permite o ajuste da corrente de trabalho e que tem uma curva estática tensão-corrente que tende a produzir uma corrente de trabalho relativamente constante. A tensão, para uma dada corrente, retrata a velocidade na qual o eletrodo consumível é alimentado no arco, exceto quando o eletrodo não consumível é usado, para o qual a tensão retrata a distância eletrodo-chapa. - Fonte de Tensão Constante - É aquela que permite o ajuste da tensão de trabalho, e que tem uma curva estática tensão-corrente que tende a produzir uma tensão de trabalho relativamente constante. A corrente, para uma dada tensão, retrata a velocidade na qual o eletrodo consumível é alimentado no arco. Como visto, em ambas definições se usa o termo "relativamente constante" para a corrente e a tensão, respectivamente. Para entender a razão das fontes convencionais não fornecerem uma curva estática tensão-corrente ideal, deve-se tomar a Figura 4, a qual ilustra um transformador mais realista do que o da Figura 1, ou seja, com o enrolamento primário posicionado sobre o enrolamento secundário. A configuração da Figura 4 é feita para diminuir a fuga de fluxo, fenômeno que ocorre quando os enrolamentos estão muito afastados. Mas mesmo considerando a maior proximidade de P e S, existe Figura 4 - Ilustração de uma transformar com os enrolamentos próximos ___prof. Américo Scotti 6 uma certa quantidade de fluxo φ, a qual é produzida pela corrente primária e que circula somente sobre o enrolamento primário (chamada de fuga de fluxo). Fenômeno análogo ocorre no secundário. Estes dois fluxos produzem perda por reatância em suas espiras, a qual em combinação com as perdas resistivas decrescem a tensão no terminal secundário ao se aplicar a carga. Para entender o exposto acima, deixe fazer lembrar alguns conceitos. A magnitude da queda de tensão (em rms) de uma onda senoidal em um circuito com elementos contendo resistência, indutância e capacitância é dado pelas Equações 4, 5 e 6. IRVR =∆ (Equação 4), LL XI)Lf2(I)L(IV =π=ω=∆ (Equação 5), )X1(I)Cf21(I)C1(IV CC =π=ω=∆ (Equação 6), onde XL e XC são a reatâncias indutiva da indutância L e reatância capacitiva, respectivamente (ambos em ohms). Embora a somatória das Equações 4, 5 e 6 dê a magnitude da perda de tensão no circuito, elas não indicam a relação entre as fases. Em geral, para qualquer número de elementos em série , se R é a resistência total e X a reatância total (X = XL + XC), a impedância total (|ZT|) e o angulo de fase (Θ) é dado por: 22 T ZRZ += (Equação 7) e RXarctg=Θ (Equação 8). Em fontes de soldagem, R é muito pequeno e C é adicionado no circuito para reduzir Θ (ângulo de defasagem entre I e V). O valor de L é o responsável, então, pela impedância total, que naturalmente afeta a tensão no terminais do secundário, já que ∆V2 = I |ZT|. Desta forma, quantomaior a corrente, maior a queda de tensão (menor a tensão disponível) no secundário. Este fato é que justifica a inclinação da curva de característica estática denominada tensão constante de uma fonte com controle eletromagnético (sem retroalimentação), Figura 5(a). A introdução de um indutor extra em série permite também alterar o valor da tensão disponível no secundário ou até mudar o formato da característica estática da fonte, passando para a denominada corrente constante (Figura 5(b)). Te ns ão (V ) Corrente (A) Fonte corrente constante ∆V ∆I ∆V/∆I > 200 mV/A Te ns ão (V ) Corrente (A) Fonte tensão constante ∆I ∆V ∆V/∆I ≤ 50 mV/A (a) (b) Para detalhar melhor o que se entende por "tensão ou corrente relativamente constante", considera- Figura 5 - Curvas típicas de Característica Estática de Fontes eletromagnéticas sem controle (retroalimentação) ___laprosolda/ufu 7 se uma fonte como corrente constante quando apresenta uma variação maior que 200 mV/A na faixa de 20 a 30 volts, enquanto uma fonte é dita tensão constante quando apresentar variação menor do que 50 mV/A em qualquer condição de regulagem. Estas variações são devidas às limitações construtivas. As características estáticas das fontes (CEF) de soldagem representam, assim, o comportamento delas em regime de carga, para um determinado ajuste. Para cada ajuste existe uma curva, ou seja, uma característica estática. Como visto, nas fontes do tipo tensão constante, é possível ajustar a tensão, enquanto nas fontes do tipo corrente constante, ajusta-se a corrente. Este ajuste pode ser contínuo, quando a posição das curvas características são ajustadas por pequenos incrementos, ou por escalões ("taps"), para o qual este incremento é maior e não permite a fixação de valores intermediários a cada escalão. A Figura 6 ilustra painéis de fontes com ajustes de características contínuas e por escalões. O levantamento das CEF de qualquer fonte pode ser feito medindo-se os pares de corrente e tensão em função da variação da carga. Esta variação de carga pode ser tanto a própria variação da distância porta-eletrodo/peça (fontes corrente constante), como a variação da velocidade de alimentação do eletrodo (fontes tensão constantes). Entretanto, devido à dificuldade de manter o arco estável quando se varia muito os parâmetros, um método mais preciso é usar cargas resistivas (resistores da alta potência ou cuba eletrolítica) ao invés do arco. A Figura 7 ilustra as características estáticas levantadas de um equipamento comercial. 4 - Tensão em Vazio de Fontes Quando a fonte não está submetida a nenhuma carga (corrente = 0), o valor da tensão fornecida por esta fonte é chamado de tensão em vazio. Independente do tipo de CEF, a mesma sempre fornecerá uma tensão em vazio para cada ajuste, a qual será maior ou igual à tensão de trabalho. No exemplo da Figura 7, a tensão em vazio das várias curvas é coincidente (75V), mas poderia ser diferente. A tensão em vazio (Vv) de uma fonte é, pois, a tensão lida nos terminais da fonte (quando ligada) sem carga (arco aberto). Quanto maior a tensão em vazio da fonte, mais fácil é a abertura e a manutenção do arco, mas maior é o risco de choque elétrico. Normalmente as fontes de soldagem apresentam tensão em vazio entre 50 e 80V. Valores menores conduzem a arco instáveis, enquanto valores maiores levam a risco de segurança. As fontes têm normalmente Vv menor que 90 V (maior que 55 V para fontes do tipo corrente constante). As fontes com alto Vv são propagadas proporcionar uma "soldagem macia", o que atraem o soldador. Entretanto, a níveis maiores de 80V o soldador deve trabalhar em condições próprias, como local seco e material de segurança. Por isto, recomenda-se soldar com fontes com Vv inferior a 80V. Figura 6 - Desenho Esquemático de painéis de fontes com ajuste da característica estática contínua (a) e por escalões (b). 60 80 140120100 160 18060 80 140120100 160 180 ___prof. Américo Scotti 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 100 200 300 400 Corrente (A) Te ns ão (V ) Figura 7 - Curvas de CEF de uma fonte do tipo corrente constante para soldagem 5 - Tipos de Fontes quanto ao Tipo de Corrente É importante lembrar que a rede residencial, já classificada como fonte do tipo tensão constante, fornece tensão e corrente do tipo alternada. O comportamento da tensão e corrente ao longo do tempo, em regime e não em transientes, é comumente chamado de tipo de corrente (alternada, contínua, etc.). O tipo de corrente não deve também ser confundido com característica dinâmica da fonte, uma vez que esta última, como visto, está relacionada com as respostas da fonte frente à variações transitórias e não em regime. Os tipos mais comuns de correntes aplicadas em soldagem são as alternadas do tipo senoidal (como da rede pública) e contínua (como das baterias), cujos oscilogramas são apresentados nas Figuras 8(a) e 8(b). Entretanto, o formato da onda pode variar, como por exemplo no caso da onda alternada quadrada (Figura 8(c)) ou da contínua pulsada (Figura 8(d)). Desta forma, as fontes também podem ser classificadas quanto ao tipo de corrente, que para uso em soldagem seriam: • Corrente contínua ⇒ constante ⇒ pulsada • Corrente alternada ⇒ senoidal ⇒ quadrada De agora em diante, não deverá mais ser surpresa para o leitor encontrar definições de fontes aparentemente sem nexo, como por exemplo, uma fonte definida como corrente constante/corrente alternada, já que o primeiro termo se refere à característica estática da fonte e o segundo ao tipo de corrente. 6 -Funcionamento de uma Fonte de Soldagem Uma vez regulada a fonte para um determinado valor de tensão (fontes tensão constante) ou corrente (fontes corrente constante), na verdade está se regulando uma característica estática desta fonte (CEF). O valor para o qual se tentou ajustar, variará de acordo com a corrente (fonte tensão constante) ou com a tensão (fonte corrente constante) de trabalho e esta variação será tanto maior quanto maior for ∆V ou ∆I da Figura 5, os quais dependem do projeto da fonte. Somente as fontes mais modernas são capazes de garantir ∆V ou ∆I nulos, ou seja, o valor ajustado para tensão ou corrente se mantém o mesmo, independentemente da carga. ___laprosolda/ufu 9 Agora, para uma dada CEF, o valor da corrente (fonte tensão constante) ou tensão (fonte corrente constante) de trabalho é determinado pela carga, no caso expressa pelas características estáticas do arco (CEA), as quais representam o comportamento em regime de um dado arco, identificadas pelos pares coordenadas de tensão e corrente. A CEA é, pois, única para um arco; variações no comprimento do arco, tipo de gás, material e dimensões do eletrodo etc., fazem com que a posição e forma da curva também se alterem. O ponto de encontro de uma CEA com a CEF determina o chamado ponto de trabalho, ou seja, os valores de tensão e corrente que o arco necessita e que a fonte pode fornecer, como ilustra a Figura 9. O aumento do comprimento do arco, por exemplo, obtido pela elevação do porta-eletrodo ou da tocha, fará com que a CEA se mova para cima. Isto resultará ou em menor corrente do que desejado, no caso da fonte tensão constante, ou em maior tensão, no caso da fonte corrente constante. Por analogia, arcos menores produzirão ou correntes maiores ou tensões menores. Figura 8 - Tipos de corrente: a) alternada senoidal; b) contínua constante; c) alternada de onda quadrada; d) contínua pulsada. Figura 9- Representação esquemática de pontos de trabalho em fontes dotipo Tensão Constante (a) e Corrente Constante (b). Linhas pontilhadas representam outros arcos. C or re nt e ou te ns ão Tempo + _ Tempo + _ Tempo + _ Tempo + _ C or re nt e ou te ns ão C or re nt e ou te ns ão C or re nt e ou te ns ão (a) (b) (c) (d) Te ns ão (V ) Corrente (A) CEF (a) V2 V1 I2 I1 2 1 CEA1 CEA2 Te ns ão (V ) Corrente (A) (b) CEF CEA1 CEA2 I1I2 V1 V2 ___prof. Américo Scotti 10 6.1 -. Controle Interno Nos processos automáticos ou semi-automáticos (MIG/MAG, arco submerso, eletrodo tubular), a alimentação do arame é feita através de um motor acionando um jogo de roletes que empurram ou puxam o arame na direção da solda. Ao se usar uma fonte do tipo tensão constante, quanto maior a velocidade de alimentação do arame (Valim), menor o comprimento do arco e maior a corrente, para uma dada tensão. Suponha agora que uma velocidade de alimentação adequada tenha sido ajustada (e consequentemente uma CEA), de tal modo que o encontro entre a CEF e a CEA determine o ponto de trabalho, como ilustrado pela Figura 10. Este ponto é identificado pelo ponto "1" e corresponde a um arco de comprimento a1, para o qual a velocidade de alimentação é igual à velocidade de fusão do eletrodo. Como se sabe, a qualidade de uma solda é altamente determinada pela constância da corrente e do comprimento do arco. Se por qualquer motivo esta arco é alterado, por exemplo, aumentado-o para um comprimento a2, como ilustrado pela Figura 10, a CEA tende a se posicionar à esquerda da CEA original, identificado pelo ponto "2". A corrente forçosamente será reduzida (I2) e, consequentemente, menor será a velocidade de fusão do eletrodo. Como a velocidade de alimentação, determinada pela rotação do motor, não se altera (uma vez ajustada), ela se torna maior que a velocidade de fusão. Consequentemente a ponta do eletrodo se aproxima da peça, reduzindo progressivamente o comprimento do arco. Esta redução do comprimento do arco é também acompanhada de um aumento progressivo da corrente, e ambos recuperam os valores iniciais do ponto "1", identificado pela dimensão a3 na Figura 10. Fenômeno semelhante aconteceria caso, ao invés de aumentar o comprimento do arco, o mesmo fosse reduzido. Este auto-ajuste do comprimento da corrente e comprimento do arco nos processos automáticos e semi-automáticos é conhecido como Controle Interno, controle pela velocidade de fusão, e só acontece quando se utiliza fontes do tipo tensão constante. 6.2 - Controle Externo Supondo agora o uso de uma fonte do tipo corrente constante para alimentar os processos automáticos e semi-automáticos, onde, de uma forma análoga, uma corrente (CEF) e a Valim do arame (CEA) tenham sido ajustadas, como ilustrado pela Figura 11. O aumento do comprimento do arco, neste caso, não afeta significantemente a corrente e, consequentemente, a velocidade de fusão fica inalterada (apenas a tensão aumenta). Desta forma, não há possibilidade do comprimento do arco se auto-regenerar, com prejuízo para a qualidade da solda. Para se conseguir a manutenção do comprimento do arco constante, é preciso, no caso das fontes Figura 10- Esquema para descrição do fenômeno do controle interno de um processo de soldagem Te ns ão (V ) Corrente (A) CEF V2 V1 I2 I1 2 1 CEA1 CEA2 Valim = constant a1 a2{{ } a3 = a1 ___laprosolda/ufu 11 do tipo corrente constante, o uso de uma ação externa. O método mais simples é retroalimentar o motor de acionamento do sistema de alimentação do arame, de tal forma a aumentar a velocidade do arame no caso do crescimento do arco (e vice-versa). Este sistema, conhecido como Controle Externo, ou controle pela velocidade de alimentação, usa o sinal da tensão como referência, já que arcos mais longos significam maiores tensões, enquanto arcos mais curtos produzem menores tensões. Métodos mais modernos de controle externo também usam a tensão como sinal de referência, mas ao invés de agirem sobre a velocidade de alimentação do arame, os mesmos agem sobre a fonte (no sentido de aumentar ou reduzir temporariamente a corrente) ou sobre a própria altura da tocha em relação à chapa, fazendo-a aproximar ou afastar da chapa, conforme o caso. 7 - Seleção de Fontes O primeiro fator a se considerar na seleção de uma fonte é a característica estática que mais se adequa ao processo. Outros fatores, como resposta dinâmica, robustez, repetibilidade, etc., são também importantes e serão tratados em outro item à frente. 7.1 - Fontes para Eletrodo Revestido No processo eletrodo revestido, o soldador avança o eletrodo na direção da solda na mesma velocidade em que o mesmo é consumido (função da corrente), procurando manter um comprimento de arco sempre constante. Se o soldador tentar usar uma fonte do tipo tensão constante, variações no comprimento do arco provocaria uma grande variação na corrente (Figura 12(a)), o que levaria também a uma variação da velocidade de consumo do eletrodo. Supondo que o soldador esteja trabalhando inicialmente com um arco de comprimento a0 e uma corrente Io, e que por algum motivo o arco elevou-se para a1. A reação natural do soldador seria aumentar a velocidade com que o mesmo vinha avançando o eletrodo na direção da poça (Valim), para retornar ao comprimento original. Mas com a queda da corrente (I1), a velocidade de fusão (Vfusão) do eletrodo também diminuiria, o que por si só faria com que o comprimento do arco se reduzisse (controle interno). A somatória da reação natural do soldador com a queda da Vfusão faria com que o arco reduzisse além de lo, atingindo um arco curto a2. De maneira semelhante, o aumento da Vfusão provocada pelo aumento da corrente (I2), aliado à reação natural do soldador em reduzir a Valim, faria com que o arco ultrapassasse novamente o comprimento ao. Resumindo, o soldador teria dificuldades em manter o comprimento do arco constante, provocando variações na geometria da poça, devido a inconstância da corrente e comprimento do arco. Por outro lado, o uso de uma fonte do tipo corrente constante (Figura 12(b)) impediria a variação da corrente e, consequentemente, da Vfusão. O Comprimento do arco seria regenerado apenas pela reação natural do soldador, através da Valim. Figura 11 - Esquema para descrição do princípio do controle externo de um processo de soldagem Valim = variável a1 a2{{ } a3 = a1 V 2 1 Te ns ão (V ) Corrente (A) CEF CEA1 CEA2 I1I2 V1 V2 ___prof. Américo Scotti 12 7.2 - Fontes para TIG Como no processo TIG o eletrodo não é consumível, o soldador não necessita de avançar o eletrodo na direção da solda. Desta forma, o mesmo seria capaz de regenerar um comprimento de arco pelo reposicionamento da tocha em relação à peça, mesmo usando uma fonte do tipo tensão constante. Entretanto, o processo TIG se caracteriza por apresentar arcos com características estáticas muito planas (Figura 13), contra um aspecto crescente dos arcos de eletrodos consumíveis. Ao se usar uma fonte do tipo tensão constante, pequenas variações no comprimento do arco (inevitáveis mesmo em automação) acarretaria em variações enormes da corrente, ou mesmo o apagamento do arco (impossibilidade de encontro entre CEA e CEF). Da mesma forma que para os eletrodos revestidos, a fonte do tipo corrente constante é a mais adequada para o processo TIG. Devido ao fato de que no processo TIG o eletrodo não seja consumível, e de que a forma da ponta do eletrodo é essencial para o bom desempenho do processo, é sempre recomendado que o acendimento doarco não se dê por curto circuito (contato eletrodo na peça). Desta forma, as fontes TIG convencionais vêm geralmente com um ignitor acoplado à mesma, ignitor este que permite o acendimento do arco sem contato. Fontes modernas permite o acendimento por contato, mas com controle da corrente (a corrente de contato é limitada a um baixo valor, menor do que 10 A, e só após o afastamento do eletrodo é que a Figura 12 - Relação CEF x CEA para eletrodos revestidos (a = comprimento do arco, onde a1> ao> a2). Figura 13 - Relação entre CEF x CEA para o processo TIG; (a = comprimento do arco, onde a' > ao > a"). Te ns ão (V ) Corrente (A) CEF (a) I1 I2 Te ns ão (V ) Corrente (A) (b) CEF a‘ a0 a“ a‘ a0 I0 ≈ I’ ≈ I” a“ Te ns ão (V ) Corrente (A) CEF (a) I1 I2 2 1 Te ns ão (V ) Corrente (A) (b) CEF I1 ≈ I0 ≈ I2 0 I0 a1 a0 a2 2 1 0 a2 a0 a1 ___laprosolda/ufu 13 corrente nominal de soldagem é liberada) 7.3 - Fontes para Processos Automáticos e Semi-Automáticos com eletrodos consumíveis. Enquadram-se no grupo dos processos de soldagem a arco, automáticos e semi-automáticos, com eletrodos consumíveis, os processos MIG/MAG, arco submerso e eletrodo tubular. Conforme descrito no item 6, consegue-se manter o comprimento do arco e correntes constantes para estes processos usando-se tanto fontes do tipo tensão constante como do tipo corrente constante. No primeiro caso, há um auto ajuste do comprimento do arco, pelo fenômeno denominado controle interno. No segundo caso, a constância do comprimento do arco é obtida através de meios externos, denominados controle externo. Ao se definir qual a fonte mais adequada, a velocidade com que o arco se regenera passa a ser um fator decisivo. Como pode ser visto na Figura 14, ao se usar uma fonte do tipo tensão constante, as variações de comprimento do arco ao longo da soldagem produziria uma certa oscilação da corrente em torno do valor médio. A amplitude desta variação é tão maior quanto mais lenta for a velocidade com que o arco restabelece seu comprimento (resposta dinâmica). Numa fonte do tipo tensão constante, a tensão pouco oscilaria, uma vez que a mesma é imposta pela fonte e não é função do arco (a oscilação seria zero se o CEF fosse realmente paralela ao eixo X). Já ao se usar uma fonte do tipo corrente constante, a oscilação se daria principalmente na tensão (dependente do arco) e não na corrente (imposta pela fonte). A amplitude da oscilação da tensão é dependente da resposta dinâmica do sistema usado para o controle externo. No controle interno, a resposta dinâmica está vinculada à inércia da fusão e depende do diâmetro do eletrodo; eletrodos mais finos, que representam menos massa a ser fundida, possuem respostas mais rápidas. Já no controle externo, a resposta dinâmica está ligada ao mecanismo de controle. Se a ação de controle é feita sobre o motor que aciona o eletrodo, a resposta dinâmica é função da inércia mecânica que acontece durante a transição da mudança de velocidade do motor. A Figura 15 esquematiza uma comparação das velocidades de resposta dos sistemas em função dos diâmetros. Como o controle externo independe do diâmetro, sua resposta dinâmica é constante, ao contrário da resposta do controle interno, que diminui no sentido dos diâmetros maiores. De uma forma geral, o ponto de interseção das curvas é para diâmetros em torno de 2 a 3mm. Outro fator na decisão da escolha da fonte é o custo. O uso da fonte do tipo corrente constante, apesar de ter menor oscilação da corrente e maior constância do comprimento do arco, para diâmetros maiores, exige o sistema de controle. Isto naturalmente encarece o equipamento quando comparado com o controle interno da fonte tensão constante. Se a oscilação da corrente em torno do valor médio não provoca nenhum problema no formato do cordão, é preferível conviver com ela e usar uma fonte do tipo tensão constante do que investir mais para se usar uma fonte do tipo corrente constante. Este é o caso típico do processo arco submerso, que a despeito dos grandes diâmetros de eletrodos, usam normalmente fontes Figura 14 - Oscilogramas hipotéticos de fontes de tensão constante (a) e corrente constante (b), usadas para processos automáticos e semi-automáticos. (a) (b) tempo V I tempo V I ___prof. Américo Scotti 14 tensão constante. É importante lembrar que tecnologias mais avançadas estão reduzindo a resposta dinâmica e os custos dos sistemas de controle externo, viabilizando-os para soldagem com eletrodos finos, onde a necessidade de uniformidade da corrente e do comprimento do arco é mais crítica. Este é o caso particular das fontes eletrônicas, onde a ação do controle externo pode se dar eletronicamente sobre o sistema de controle de corrente, com velocidade de resposta surpreendentemente altas. 8 - Tipos de Fontes Até o presente, as fontes foram apresentadas pelas suas adequabilidades em fornecer energia (característica estática) ao processo e pelos tipos de corrente que podem produzir. Um outro aspecto de importância para a tecnologia da soldagem é como as fontes produzem esta energia. De uma forma simplística, as fontes de soldagem a arco são máquinas que convertem uma energia qualquer em energia elétrica adequada ao processo. Em termos práticos, a energia de entrada é a energia elétrica da rede pública ou a energia mecânica, gerada por motores de combustão ou mesmo elétrico. A energia de saída, além do dimensionamento e da forma da característica estática, deve ainda satisfazer requisitos do processo, tais como o formato da onda ou as características dinâmicas. Em função desta definição, as fontes de soldagem podem se classificar em: - Transformadores . onda senoidal CA . onda quadrada CA - Moto-Gerador . CA (alternadores) . CC (conversores) - Transformador-Retificador (CC) . controle eletromagnético . controle eletrônico - Inversores Os transformadores de onda senoidal CA são as máquinas de projeto mais simples. Através de dois enrolamentos, conhecidos como primário e secundário, a energia (como da rede pública) é transformada em valores adequados para soldagem (alta corrente e baixa tensão). Apesar da simplicidade, os transformadores de onda senoidal só fornecem corrente alternada (nem sempre a mais adequada) e φ eletrodo R es po st a D in âm ic a Controle Interno Controle Externo φ crítico Figura 15 - Relação entre resposta dinâmica e diâmetro de eletrodos ___laprosolda/ufu 15 transportam todos ruídos do sinal de entrada para o sinal de saída. O baixo custo e robustêz fazem os transformadores serem muito empregados, principalmente para serviços leves, como de serralheiros. Para um transformador produzir corrente de onda quadrada é necessário a inclusão de um sistema eletrônico que permita a transformação da forma de onda senoidal de entrada para a onda quadrada de saída. Dependendo do nível de projeto do sistema, pode-se variar a amplitude e freqüência do sinal quadrático, ou mesmo ajustar independentemente a duração e amplitude do sinal para cada polaridade. Estas características fazem este tipo de transformador muito adequado para soldagem TIG de alumínio, tornando-o uma classe à parte dos transformadores, classe esta de equipamentos mais caros. Os moto-geradores se caracterizam por produzirem o sinal de saída a partir do princípio da indução eletromagnética. Se o sinal de saída é em CC, estes equipamentos são conhecidos por conversores, enquanto uma saída em CA é produzida pelos chamados alternadores. A energia de entrada dos moto-geradoresé normalmente mecânica. Motores à diesel são os mais comuns, e são aplicados no campo, onde não há disponibilidade de energia elétrica. Motores elétricos são também bastante populares, principalmente para os conversores. É que o sinal contínuo de saída dos conversores é relativamente constante e sem ruídos oriundos do sinal de entrada. O sinal de saída dos conversores é melhor do que dos da maioria dos retificadores convencionais. Os custos dos moto- geradores estão bastante relacionados com os dos motores de acionamento, mas as maiores desvantagens destes equipamentos são o barulho e a necessidade de manutenção, devido às partes móveis. Os transformadores-retificadores, como o nome indica, são transformadores que aos quais são adicionados circuitos eletrônicos retificadores, para fornecer corrente contínua como sinal de saída. O desempenho e capabilidade de um transformador-retificador estão diretamente relacionados com o sistema de controle, se eletromagnético (Fontes Convencionais) ou eletrônico (Fontes Modernas). Os sinais de saída podem ser oscilantes e compostos de ruídos ou ainda sinais bastante regulares e limpos. Os sistemas de controle, que serão tratados a frente, também afetam o custo e robustez de uma fonte do tipo retificadora. De uma forma geral, as fontes convencionais são relativamente mais simples, robustas e mais baratas do que as modernas. Finalmente se tem as fontes inversoras. Estas fontes classificadas com fontes modernas, e cuja aplicação vem crescendo notavelmente nos últimos anos, se diferencia das fontes transformadores basicamente pela existência de um circuito eletrônico que aumenta a freqüência do sinal de entrada, antes que o mesmo alcance o transformador. Esta tecnologia permite a redução significativa do tamanho do transformador (maior e mais pesado componente de uma fonte), além de, por usar a eletrônica, conseguir sinais de saída de precisão. 9 - Fator de Carga (Ciclo de Trabalho) As fontes de soldagem são projetadas de acordo com os requerimentos do processo. Uma fonte superdimensionada, ou seja, com capacidade de fornecimento de energia maior do que o processo requer, pode significar a inviabilidade econômica da mesma. Além disto, o tamanho físico das fontes é também diretamente proporcional à capacidade das mesmas, reduzindo-se a mobilidade do equipamento. Um dos maiores problemas ligados à capacidade energética das fontes de soldagem é o aquecimento, principalmente no transformador. Este aquecimento, com origem nos enrolamentos (efeito Joule), pode ser tal a danificar não só componentes eletro-eletrônicos, mas também o próprio material utilizado na isolação elétrica. Quanto maiores os diâmetros dos fios utilizados na fabricação do transformador, menor o aquecimento, mas maiores são os custos e o peso. A Figura 16(a) ilustra o aquecimento de uma fonte em operação. A característica assintótica da curva é devido à capacidade da fonte em se resfriar; ao longo do aquecimento o gradiente de temperatura entre a fonte e o meio ambiente cresce, também crescendo a troca de calor, até que o equilíbrio seja atingido. Neste ponto, a taxa de aquecimento torna-se igual à taxa de resfriamento, não havendo, portanto, mais aquecimento se a temperatura máxima atingida for inferior à temperatura crítica (I1). Temperaturas superiores danificam a fonte (I2). ___prof. Américo Scotti 16 A refrigeração da fonte pode ser natural ou forçada (ventiladores ou exaustores), dependendo do projeto e necessidades. Refrigeração natural, apesar de mais simples e barata, normalmente não é eficiente para altas potências. A refrigeração forçada implica em maiores custos e produção de ruídos. Cabe aos fabricantes, pois, projetar, sistemas de refrigeração o mais simples, baratos, silenciosos e eficientes, para poderem economizar na fiação dos transformadores. Se o processo de soldagem servido pela fonte exigir soldagem contínuas, a fonte tem de ser projetada de tal forma a nunca ultrapassar a temperatura crítica, a qual é função dos componentes e materiais empregados na construção da fonte. Por outro lado, se o processo trabalha intermitentemente (Figura 16 (b)), os períodos de pausa permitirão que, mesmo usando uma corrente que levaria a temperatura máxima acima da temperatura crítica, o equipamento suporte o aquecimento. Este comportamento faz surgir o termo Fator de Carga (FC) ou Ciclo de Trabalho, que é a razão entre o tempo que a fonte está sujeita à carga (arco aberto) e o tempo total de trabalho. Em termos práticos, pode-se definir o Fator de Carga como o tempo máximo, em percentagem, que uma fonte de soldagem pode operar fornecendo energia durante intervalos sucessivos de tempo, sem que a temperatura atinja um calor crítico. Para aplicar o conceito de FC é necessário se definir os intervalos de tempo total de trabalho, ou seja, o ciclo de trabalho. A NEMA , por exemplo, especifica um ciclo de trabalho dentro de um intervalo de 10 minutos. Um FC=60% significa que a fonte pode operar 6 minutos continuamente num intervalo de 10 minutos, sem superaquecimento. A definição de uma "Soldagem Manual Nominal", que seria os tempos médios (estaticamente) gastos em soldagens manuais com eletrodos revestidos, é dada por: 2 segundos - curto circuito 64 segundos - carga 54 segundos - pausa O tempo de curto circuito representa o acendimento do arco, sendo a carga o período de arco aceso, fundindo o eletrodo. O tempo de pausa é gasto na limpeza do cordão, troca de eletrodo, etc. De acordo com este conceito, o FC de uma soldagem manual nominal é de 55%. Os fabricantes utilizam um conceito ou outro para especificar suas fontes. A identificação passa a ser dada por uma corrente admissível (Iadm) da fonte para um determinado fator de carga. Por exemplo, um Iadm=250 A e um FC=60% indicam que se trabalhando com no máximo 60% do tempo de arco aberto, a corrente máximo admissível desta fonte é 250 A. Qualquer valor acima poderá danificar o equipamento. Obviamente nos processos automáticos e semi-automáticos (MIG/MAG), arco submerso, eletrodo tubular) as fontes devem ter um Iadm relativo a um FC de l00%. O Iadm não significa a corrente máxima que a fonte pode fornecer, e sim a garantia de um bom funcionamento. O uso de uma corrente maior pode ser tolerado desde que reduzido o fator de carga. Figura 16 - Curvas de aquecimento de uma fonte de soldagem, em função do ciclo de trabalho. (a) (b) tempo Te m pe ra tu ra Tmax Tcrítico tempo Te m pe ra tu ra Tmax Tcrítico I1 I2 Resfriamento ___laprosolda/ufu 17 Analogamente, um fator de carga de l00% (processos automáticos) limitam o valor da corrente abaixo do Iadm. Em termos práticos, os valores de corrente ou FC a serem utilizados além do especificado podem ser razoavelmente calculados pela seguinte expressão: 2 R 2 N CN CR I I F F = onde FCR e IR são o fator de carga e corrente desejados e FcN e IN são o fator de carga e correntes nominais do equipamento. Devido a importância destas especificações para os usuários, a NEMA dividiu as fontes em três classes, em função do fator de carga e corrente nominal, conforme tabela 1. A Classe I são máquinas com fator de carga de 60%, 80% ou 100%, enquanto a Classe II são para fatores de carga de 30%, 40% ou 50%. A classe III engloba as fontes de serviço leve com fator de carga de 20%. Um exemplo de designação de uma fonte da Classe I com FC = 60% é "NEMA CLASS I (60)". Tabela 1 - Correntes Admissíveis (A) para Fontes de Soldagem, segundo Nema(1) CLASSE 1 CLASSE II CLASSE III 200 150 180-230 250 175 235-295 300 200 400 225 500 250 600 300 800 350 1000 1200 1500 10 - Resumo O uso de uma fonte de soldagem está inicialmente ligado à formaque a mesma fornece energia quando submetida a uma carga, no caso o arco. Uma fonte pode fornecer corrente contínua ou alternada, e o formato do sinal pode ser constante, pulsante, senoidal ou quadrado, dependendo das necessidades do processo. O comportamento da fonte frente à carga, medido pelos valores da corrente e tensão em estado de regime (característica estática da fonte), é outro ponto importante. Algumas fontes fornecem corrente, enquanto a tensão é função da carga (fonte do tipo corrente constante). Outras fontes fornecem tensão, enquanto a corrente é função da carga (fonte do tipo tensão constante). Tanto a característica estática, como o tipo de corrente, caracterizam a fonte quanto ao processo a ser usado. Fontes do tipo corrente constante são apropriadas para eletrodo revestido ou TIG, enquanto fontes do tipo tensão constante são normalmente mais adequadas para os processos automáticos e semi- automáticos, com eletrodos consumíveis. A produção da energia pela fonte é função do projeto de construção. Neste termos, as fontes podem se classificar em transformadores, geradores, retificadores e inversores. A aplicação da eletrônica em fontes de soldagem, por afetar a performance das mesmas, fez aparecer uma outra classificação das fontes, que subdividem-se em Fontes Convencionais e Fontes Modernas. O projeto da fonte, além de afetar o desempenho, afeta também os custos e robustez das mesmas. As fontes devem ser especificadas também pela capacidade de trabalhar continuamente, ou intermitentemente, por um longo período sem danificar-se por aquecimento. A corrente admissível de uma fonte é função do fator de carga da mesma, o qual representa a relação entre o tempo que a fonte está sob carga e o tempo total. Fontes para processos automáticos exigem uma capacitação para fatores de carga de 100%, enquanto processos intermitentes, tais como os processos manuais e semi-automáticos, requerem uma capacidade relativa a fatores de carga menores. ___prof. Américo Scotti 18 Finalmente, as fontes devem ter uma tensão em vazio, isto é, a tensão quando a fonte não está sujeita a cargas, suficientemente alta para facilitar o acendimento e manutenção do arco, mas não tão alta a por em risco a segurança do soldador.
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