Parte 2 4

Prévia do material em texto

1
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
REGIÕES DE UM ARCO
 
 (-) mm 
 
 
 Zona de Queda Catódica 
 
 Coluna de Plasma 
 
 
 Zona Queda Anódica 
 V 
 (+) 
Zona de Queda 
Catódica
Zona de Queda 
Anódica
Coluna de 
Plasma
Dimensão 10-6 m 10-6 m
Queda de Tensão (E) 107 V/m 107 V/m 103 V/m
Densidade Corrente (J) 109 A/m2 107 A/m2 106 V/m2
• Pergunta-se:
1) Estime as quedas de tensão em cada região de um arco com 5 mm, com base nos valores 
apresentados.
2) Quais as dimensões da mancha anódica e catódica para um arco de 100 A ? (Admitir como 
sendo circulares).
3) Considerando tensões de arco (total) de 22 V e 23 V, respectivamente, quais seriam os 
comprimentos (alturas) desses arcos (coluna de plasma + zonas anódica e catódica).
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
Perfil numérico da queda de tensão axial no centro do arco (Vilarinho)
2
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
CARACTERÍSTICAS DE CADA ZONA
1) Zona de Queda Catódica (-)
Os íons positivos tem baixa mobilidade (alto peso (mAr  6,6
x 10–26 Kg) e baixa velocidade (vAr  7 x 10
3 m/s)) e são
atraídos pelo cátodo  produzindo alto potencial elétrico;
 
 + -e 
 (-) + + -e 
 + -e 
- elétrons são emitidos para o ânodo;
- Acredita-se não haver choque entre elétrons e íons nessa região, não
provocando desaceleração dos elétrons.
- Há choques de íons positivos contra o cátodo
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
 
 + -e 
 (-) + + -e 
 + -e 
- Se o material do cátodo for refratário (tungstênio), o aquecimento pode ser suficiente para
emissão termoiônica, sendo esse o principal mecanismo de emissão de elétrons para
arcos com eletrodos não consumíveis (cátodo quente).
- A densidade e corrente devido ao efeito termoiônico pode ser estimada pela equação de
Richardson- Dushiman.
• EMISSÃO TERMOIÔNICA OU CÁTODO QUENTES
3
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
KT
e
ATJ

 exp2
• EQUAÇÃO DE RICHARDSON- DUSHIMAN
(EFEITO TERMOIÔNICO)
A = Constante igual a 6 a 7 x 105 A.m-2.K-2 para o aço;
T = Temperatura [K];
e = Carga do elétron 1,6 x 10–19 C;
 = Função trabalho do metal [eV];
K = Constante de Boltzmman (1,38 x 10-23 J/K)
 T e/ou     J 
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
Obs:  Fe  Al  W , mas não existe emissão termoiônica para o Fe e o Al. Nas 
temperaturas de ebulição dos materiais como Fe ao se aplicar Richardson- Dushiman, 
tem-se:
J Fe = 3 x 10 
6 A/m2 a Tebulição = 3160 K
J W = 4,5 x 10 
9 A/m2 a Tebulição = 5800 K
(considerando  = 4 eV e A = 7 x 105 A.m-2.K-2, para o aço, e  = 4,535 eV e A = 600 x 106
A.m-2.K-2 para o W)
Para se obter esta emissão a área de cada ponto do Fe seria muito grande, sendo irreal, 
baseado na prática:
AFe = 100 mm
2 dFe = 11 mm para 300 A 
AW = 0,065 mm
2 dW = 0,3 mm para 300 A
Pergunta-se (Exercício para casa):
1) E se for considerado a temperatura de fusão ? 
2) No Matlab (ou Excell), traçar curvas do diâmetro do ponto em função da temperatura, 
para um arco de 100 A, considerando 3 tipos de eletrodo emitindo termoionicamente 
(por exemplo Al, Fe, Cu, W, Grafita, etc.)
4
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
• EMISSÃO POR CAMPO OU CÁTODO FRIO (Pontos Catódicos)
 Os elétrons para serem emitidos por gradiente elétrico necessitam de um V muito maior que o
existente.
Pontos catódicos são pequenos
pontos brilhantes vagando
rapidamente pela superfícies
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
• EMISSÃO POR CAMPO OU CÁTODO FRIO (Pontos Catódicos)
O calor gerado nas pequenas áreas funde os óxidos, possibilitando a emissão de elétrons.
 Outras teorias:
** Os elétrons rompem e quebram a camada de óxido;
** Os íons positivos chocam e destroem a camada (Ar é + eficiente que o He)
Aço ao C
+
Ar/O2
(oxidante)
Os pontos se formam sobre os
mesmos pontos continuamente
 estável.
Alumínio
+
TIG Ar puro
(neutro)
Os pontos só acontecem
em regiões novas
 limpeza do óxido
** Quanto maior a corrente, mais pontos;
** Após a quebra dos óxidos, a área deve se tornar “fria” (diminui o gradiente). Vida curta de cada
ponto, de 1 a 10 ms;
** Se houver oxigênio, o óxido se regenera;
** Se não houver oxigênio, instabilidade do arco.
5
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
• OUTROS MECANISMOS SUGERIDOS NA LITERATURA
 Efeito conjunto por campo e termoiônico;
 Emissão eletrônica por captura Auger de íons positivos;
 Emissão eletrônica por fótons;
 Emissão por átomos excitados ou metaestáveis;
 Liberação de elétrons através de filmes óxidos carregados com íons positivos;
 Condução metálica em vapores formados na superfície do cátodo;
 Liberação de íons positivos em vapores formados no cátodo.
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
2) Região de Queda Anódica (+)
Fenômeno similar à região catódica;
** Elétrons menor massa, maior velocidade - - - - 
** São emitidos mais elétrons que íons - - + - + - 
 *** Mais elétrons que íons; + - - + - + - 
 *** Emissão termoiônica / campo. - - - - - + - - - 
 
Sabe-se que m.v
2
/2 = 3.k.T/2 (+) 
 • Não há emissão de íons pelo ânodo (não há transferência de energia);
• Alta concentração de elétrons é responsável pelo alto potencial elétrico (
107 V/m)
• Abundante choque de elétrons
6
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
Condução de Carga num arco 
• Corrente predominante de elétrons (íons  3% do fluxo)
• Elétrons menor massa, maior velocidade 
Sabe-se que m.v2/2 = 3.k.T/2
Considerando a condição de equilíbrio térmico (T ión = T elétron) 
Assim ve / vg+ = (mg+ / me)
1/2 = 7 x 104  ve >> vg+
• São emitidos mais elétrons que íons na coluna
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
• BALANÇO DE CALOR ENTRE O ÂNODO E O CÁTODO
 GANHO DE ENERGIA PELO ÂNODO
- A energia fornecida ao ânodo pelos elétrons incidentes, consiste de:
* Energia cinética dos elétrons (alto gradiente elétrico)  alta velocidade;
* Energia térmica do elétron (reação exotérmica quando choca com o ânodo).
- Ao ânodo ainda é fornecida energia devido à:
* Energia de recombinação de íons na superfície;
* Condução de calor e radiação do arco;
* Reações químicas;
* Aquecimento por efeito Joule.
 AS PERDAS DE ENERGIA DO ÂNODO
- Energia perdida para evaporar átomos metálicos;
- Partículas volumosas expelidas do ânodo;
- Energia gasta para dissociar moléculas gasosas em contato com a superfície;
- Condução de calor para a chapa ou eletrodo;
- Convecção e radiação de calor para o meio ambiente.
 O GANHO DE ENERGIA DO CÁTODO
- Choque de íons (em menor número e energia do que os elétrons em relação ao ânodo);
- Reações químicas;
- Calor do arco, condução e radiação (área pequena, se for eletrodo);
- Aquecimento por efeito Joule.
 AS PERDAS DE ENERGIA PELO CÁTODO
- Principalmente condução (refrigeração do eletrodo);
- Arrancamento de elétrons (processo endotérmico).
7
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scottie Louriel O. Vilarinho
• BALANÇO DE CALOR ENTRE O ÂNODO E O CÁTODO
Como resultado:
60 a 70 % do calor no ânodo (+)
30 a 40 % do calor no cátodo (-)
!!!! CUIDADO !!!!
Resultado da Literatura
• Pergunta-se:
1) Ao se soldar com eletrodo de W (Processo TIG), qual 
a polaridade deve ser usada ?
2) A relação acima de balanço de calor seria a mesma ao 
se usar ora o eletrodo de W como cátodo e uma 
chapa de aço como ânodo e ora o eletrodo de W 
como ânodo e a chapa de aço como cátodo?
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
• BALANÇO DE CALOR ENTRE O ÂNODO E O CÁTODO PARA ELETRODOS CONSUMÍVEIS
 Modelos para explicar:
- Em eletrodo refratário (CC-), necessita-se de pouca 
energia para arrancar elétrons. O aquecimento é menor. Já 
em eletrodo consumível em CC-, como o mecanismo não é 
termoiônico, conseqüentemente mais difícil, a geração de 
calor é maior. A adição de elementos de fácil ionização no 
cátodo, como o Ca, pode fazer com que a situação se 
inverta. (+) (-) 
 
 
 
 
 Processo MIG e alguns casos de ER  Eletrodo no negativo (CC-) consome mais que 
quando o eletrodo no positivo para uma mesma corrente.
- Em MIG negativo, há repulsão de gotas. O arco “arde” 
mais diretamente sobre o eletrodo do que sobre a gota 
(arde = conexão arco-eletrodo).
8
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
- Em MIG negativo, há uma tendência do arco subir no eletrodo a procura de pontos 
catódicos (emissão de campo) . O arco também neste caso “arde” mais diretamente 
sobre o eletrodo.
(+) (-)
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
3) Coluna de Plasma
• Suficiente energia é necessária para manter a temperatura capaz de sustentar o arco;
• Existe fluxo de massa e energia pela coluna
- Cálculos de perdas de calor de um arco é complexo e são incertos;
   















































z
h
C
J
r
h
C
J
e
k
2
5
S
JJ
z
h
C
k
zr
h
r
C
k
rr
1
z
wh
r
ruh
r
1
p
z
p
rB
R
e
2
r
2
z
pp 
Conservação da Energia: 
- Acredita-se que a maior perda de calor num arco se dê por 
dissipação convectiva ( 50 % da potência da coluna de plasma e 16 
% da potência total do arco);
- Em arcos curtos, a dissipação convectiva é significante, 
mas à medida que se cresce o comprimento do arco a perda por 
condutividade térmica aumenta ( 30 % da potência da coluna de 
plasma e 10 % da potência total do arco);
- A radiação é a menor fração ( 9 % da potência da coluna 
de plasma e 3 % da potência total do arco).
9
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
Real significado da resistência elétrica de um arco
Ao longo do curso, vem se tentando demonstrar que a não se deve falar em 
resistência elétrica de arco no sentido da palavra. Ou seja, a queda de tensão 
numa coluna de arco não é propriamente dita resistência.
Neste tipo de dados, simulados ou medidos, 
se considera a propriedade do gás em si e 
não um arco (não está trocando de calor com 
o meio ambiente).
Se na mistura nada é ionizada (temp. 
ambiente), a resistência é alta 5.000.000 
/metro. Considerando uma corrente de 200 
A, calcule a tensão para fazer esta corrente 
passar (U = R x I)
Se por outro lado o arco está em altas 
temperaturas, com o gás totalmente ou 
parcialmente ionizado, a resistência é baixa, 
ou seja, em torno de 0,005 /metro. 
Considerando uma corrente de 200 A, a 
tensão para fazer esta corrente passar (U = R 
x I) é de 1 V/m (ou 0,01 V/mm)
Fundamentos dos Processos de Soldagem –
Américo Scotti e Louriel O. Vilarinho
Real significado da resistência elétrica de um arco
Mas lembrando-se de que a média da queda de tensão na coluna do arco, como 
mostrado no exercício do 3º slide, é de 1 V/mm, somente cerca de 1% da queda de 
tensão do arco é devido à resistência elétrica do meio.
De onde vem, então o restante?
Exatamente da energia para se reionizar a parcela do gás ionizado que se desioniza 
continuamente devido a transferência de calor com o meio ambiente (para fazer os 
choques de elétricos com os átomos, cedendo energia para eles se reionizarem).