Relatório - Prática 1 - Tecnologia da Soldagem - Estudo do rendimento do arco (eficiência do arco elétrico)

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Universidade Federal do Ceará 
 
Centro de Tecnologia 
 
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Relatório 1 - Eficiência térmica do arco elétrico na Soldagem TIG 
NOME:​ Bruno Matos de Araújo 
Matrícula:​ 391739 
Disciplina:​ Tecnologia da Soldagem 
 
 
Fortaleza, 12 de Setembro de 2019 
 
 INTRODUÇÃO 
 
​O processo de soldagem TIG ou Gas Tungsten Arc Welding ( GTAW ), como é mais 
conhecido atualmente, é um processo de soldagem a arco elétrico que utiliza um arco entre 
um eletrodo não consumível de tungstênio e a poça de soldagem. A poça de fusão, o 
eletrodo e parte do cordão de solda são protegidos por um gás ​inerte para que a eficiência 
do processo seja aumentada. No caso da prática em estudo, o gás utilizado foi o argônio. 
O arco elétrico é criado pela passagem de corrente elétrica pelo gás de proteção 
ionizado, estabelecendo-se o arco entre a ponta do eletrodo e a peça. Vale ressaltar que o 
esse processo de soldagem é aplicável para a maioria dos metais e suas ligas, 
particularmente adequada na soldagem de chapas finas e de materiais de difícil 
soldabilidade. Sabe-se que pode ser feita com metal de adição ou não. Na atividade 
laboratorial em estudo, o metal de adição não foi utilizado. 
Metais ferrosos, tais como o aço inoxidável, são soldados na condição CC- (corrente 
contínua e eletrodo ligado ao terminal negativo da fonte). Nesta condição, a corrente é 
conduzida através do plasma, parcialmente por íons e principalmente por elétrons que são 
emitidos pelo cátodo de tungstênio. 
 
 
 
Figura 1 - Esquema do processo soldagem TIG 
Algumas aplicações da soldagem TIG 
 
• Soldagem de tubos e chapas de espessuras finas; 
• Soldagem de alumínio e magnésio e suas ligas; 
• Soldagem de materiais dissimilares; 
• Soldagem de uma ampla gama de metais, como aços carbono e baixa liga, aços 
inoxidáveis, ligas de alumínio, ligas de níquel, ligas de cobre e ligas de magnésio. 
 
 
 
 
 
 
OBJETIVOS 
 
● Estudar quanto em percentual de calor é transmitido para o metal base num 
processo de soldagem TIG; 
 
● Entender como a alteração de uma das variáveis da soldagem, no caso a ​distância 
da ponta do eletrodo até a peça (DPEP)​, de 3 mm e 4,5 mm, pode alterar o 
rendimento do processo. 
 
 
MATERIAIS 
 
Os componentes e materiais utilizados na atividade foram: 
 
● Tocha de soldagem; 
● Eletrodo de tungstênio (em tubo de aço inoxidável austenítico 
 AWS 317 de 4 mm de espessura); 
● Fonte de energia: IMC INVERSAL (figura 3); 
● Cilindro com gás inerte - argônio (figura 3); 
● Computador para processamento e armazenamento dos dados do ensaio; 
● Tubulação para passagem de água para refrigeração; 
● Máscara de proteção; 
● Bata de proteção. 
 
- Figura 2 
 
 - ​Figura 3 
METODOLOGIA 
 
Vale ressaltar que, para a realização dos ensaios, com ​distâncias da ponta do eletrodo até a 
peça (DPEP) diferentes, ​alguns dados já eram conhecidos e outros poderiam ser facilmente 
calculados por fórmulas também conhecidas: 
 
Tempo de Soldagem: ​20 segundos 
Vazão da água (V):​ 0,00000305 m³/s 
Corrente elétrica do ensaio (i):​ 90 A 
Tensão (U):​ 14 V 
Potência: ​P = Ui = 90 x 14 =​ ​1260 W 
 
Além disso, os valores de calor específico da água e densidade da água poderiam ser 
facilmente encontrados na literatura: 
 
Cp - água ( J/Kg°C) = ​4187 
𝜌 água (Kg/m³) = ​997 
 
Não obstante, para o cálculos das temperaturas de entrada e de saída da água (medida nos 
dois momentos em que a água passa pelos sensores) foram utilizados termopares. 
 
A energia entregue ao corpo de prova no processo de soldagem, por sua vez, segue a 
equação 1 abaixo: 
 
Tendo isso estabelecido, o rendimento do processo poderia ser facilmente calculado pela 
equação 2 (abaixo), dando margem para que fosse possível fazer uma comparação entre a 
eficiência de soldagem nas duas DPEP’S: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCEDIMENTO E RESULTADOS 
 
Foram feitos dois ensaios de soldagem TIG no tubo: 
 
Ensaio 1: DPEP de 3 mm, corrente de 90 A e tocha perpendicular ao tubo. O número de 
linhas aqui, ou seja, o número de vezes em que foram feitas as medições de temperatura foi 
3600. 
 
Considerando a vazão de água constante e os outros dados já pré-estabelecidos e 
mencionados na metodologia, temos que: 
 
 
Dessa forma: , 0000305 x 997 x 4187 x 822, 1 x 3600 10467, 3654 J Q = 0 0 1 = 1 
 
Obs.: a integral foi obtida calculando todas as subtrações entre os valores de temperatura 
de saída - valores de temperatura de entrada, fazendo um somatório dessas e, logo após, 
dividindo o somatório por “n” e ainda multiplicando, dentro da integral, por “ ”.tΔ 
 
Além disso, 
 ​η = 10467,13654 /(1260x20) = ​41,54% 
 
 
 
dados e resultados - ensaio 1 - DPEP de 3 mm 
 
 
 
Gráfico - ensaio 1 - DPEP de 3 mm 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ensaio 2: DPEP de 4,5 mm. corrente de 90 A e tocha perpendicular ao tubo. O número de 
linhas aqui, ou seja, o número de vezes em que foram feitas as medições de temperatura foi 
3330. 
 
Considerando a vazão de água constante e os outros dados já pré-estabelecidos e 
mencionados na metodologia, temos que: 
 
 
Dessa forma: , 0000305 x 997 x 4187 x 790, 3 x 3330 10068, 7836 J Q = 0 0 8 = 8 
 
Obs.: a integral foi obtida calculando todas as subtrações entre os valores de temperatura 
de saída - valores de temperatura de entrada, fazendo um somatório dessas e, logo após, 
dividindo o somatório por “n” e ainda multiplicando, dentro da integral, por “ ”.tΔ 
 
Além disso, 
 ​η = /(1260x20) = ​39,95%0068, 78361 8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Dados e resultados - ensaio 2 - 4,5 mm 
 
 
 
Gráfico - ensaio 2 - DPEP de 4,5 mm 
Figura 4 - Processo Soldagem TIG 
Figura 5 - Processo de Soldagem TIG 
 
 
CONCLUSÃO 
 
Diante do exposto, pôde-se concluir que a eficiência do processo ficou abaixo do esperado 
(60-70%) e que isso aconteceu provavelmente pela perda de calor por radiação (dissipado) 
. Além disso, ficou claro que é possível estudar quanto em percentual de calor é 
definitivamente transmitido para o metal base. Ademais, a prática confirmou que a alteração 
de uma variável tem influência direta sobre o rendimento de um processo de soldagem. No 
caso, a soldagem realizada com uma distância ​da ponta do eletrodo até a peça (DPEP) 
menor (3 mm), mostrou-se mais eficiente. 
 
BIBLIOGRAFIA 
 
SCHWEDERSKY, Mateus Barancelli et al . Soldagem TIG de elevada produtividade: influência dos gases de 
proteção na velocidade limite para formação de defeitos. Soldag. insp.​, São Paulo , v. 16, n. 4, p. 333-340, 
Dec. 2011 . Available from 
<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-92242011000400004&lng=en&nrm=iso>. access 
on 13 Sept. 2019. ​http://dx.doi.org/10.1590/S0104-92242011000400004​.