Processos - aula 04 Eletricidade e fisica do arco de solda

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Mário Bittencourt – 2017.2 1 
14/08/2014 
Conceitos Básicos de 
Eletricidade, Física do Arco 
Elétrico e Máquinas de Solda 
Docente: Mário Bittencourt 
 
Conceitos Básicos de 
Eletricidade 
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14/08/2014 
Átomo 
v É a unidade fundamental da matéria. 
v Estrutura eletricamente neutra constituída por um 
NÚCLEO (que contém prótons e nêutrons) e uma 
eletrosfera que contém ELÉTRONS. 
O que é eletricidade? 
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14/08/2014 
O que é eletricidade? 
v Os átomos possuem cargas 
 elétricas, chamadas elétrons. 
v Os elétrons se deslocam, 
 desde que exista uma ação. 
v Eletricidade é todo e qualquer 
movimento de elétrons. 
 
_ 
+ 
Corrente elétrica 
v É a quantidade de elétrons que 
passam por uma seção 
transversal do condutor (fio) em 
uma unidade de tempo. 
v É medida em Ampéres 
v Simbolizada pela letra A 
 
 
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Tensão 
v Pode ser definida como a força 
que fornece movimento aos 
elétrons para criar a corrente 
elétrica. 
v É medida em VOLTS 
v Simbolizada pela letra V 
 
 
Movimento dos elétrons 
 
v Os elétrons se deslocam do pólo negativo (cátodo) 
para o polo positivo (anodo). 
 _ 
+ 
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Tipos de corrente elétrica 
 
v Alternada 
 
 
 
v Continua 
+ 
+ + 
_ 
_ 
Corrente alternada 
v A corrente alternada passa nos cabos, alternando o 
sentido do deslocamento dos elétrons. 
Peça 
Tocha 
Deslocamento 
dos elétrons 
+ 
_ 
+ 
_ 
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Corrente alternada 
v O número de vezes 
que esta mudança 
ocorre em um 
segundo é 
chamado de 
frequência. 
Tempo 
+ 
_ 
_ 
+ 
T
e
n
s
ã
o
 
+ 
_ 
Corrente alternada 
v A frequência é medida em Hz (Hertz). 
v No Brasil a frequência é 60 Hz. 
v Isto quer dizer que a polaridade é alternada 120 
vezes em um segundo. 
v Isto significa 60 períodos (ou ciclos) por 
segundo. 
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Corrente alternada 
v A corrente alternada é utilizada em iluminação, 
aparelhos domésticos, e SOLDA ELÉTRICA. 
v É simbolizada em português pelas letras CA 
(corrente alternada) e 
v em inglês pelas letras AC (alternating current). 
 
 
Corrente contínua 
v É uma corrente elétrica, 
onde os elétrons se 
deslocam sempre no 
mesmo sentido. 
 
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Corrente contínua 
v A corrente contínua é utilizada em baterias de 
carro, pilhas, e SOLDA ELÉTRICA. 
v É simbolizada em português pelas letras CC 
(corrente contínua) e 
v Em inglês pelas letras DC (direct current). 
 
Corrente contínua 
v Existem materiais que permitem a passagem de 
corrente elétrica apenas em um sentido. 
v Estes materiais são chamados semi condutores. 
v A retificação da corrente é realizada através 
destes materiais. 
v Ex.: Selênio, Silício, Germânio. 
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Corrente contínua 
v 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 
v CCPD 
Deslocamento 
dos elétrons 
Peça 
Tocha 
+ 
_ 
_ 
+ 
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Corrente contínua polaridade inversa 
v CCPI 
Peça 
Tocha 
Deslocamento 
dos elétrons 
+ 
+ 
_ _ 
Física do Arco Elétrico 
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v É a visualização da passagem de uma corrente 
elétrica através de uma atmosfera gasosa. 
 Arco elétrico 
ÂNODO 
(peça) 
CÁTODO 
(eletrodo) 
v Esta corrente elétrica é 
estabelecida entre dois 
eletrodos (ânodo e 
cátodo), 
v Temperatura pode variar entre 6000ºC e 30.000ºC. 
v Radiações emitidas: 
 - Raio X, 
 - Ultra Violeta e 
 - Infra Vermelho. 
 Arco elétrico 
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Arco elétrico 
v 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 
v A região central entre os dois eletrodos é 
denominada PLASMA. 
v Plasma é o gás no estado dissociado e ionizado. 
v Ocorre quando um gás se dissocia e se ioniza 
livremente entre um ânodo e um cátodo. 
v Nesta condição, o gás é um condutor elétrico, 
contendo portadores de cargas livres. 
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Plasma 
ÂNODO CÁTODO 
ATMOSFERA GASOSA 
 É chamado de o quarto 
 estado da matéria 
Plasma 
v É chamado de o quarto 
 estado da matéria. 
SÓLIDO 
LIQUIDO 
GASOSO 
PLASMA 
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Plasma 
v O plasma e suas funções são 
influenciados pelas 
propriedades físicas do gás de 
proteção, tais como: 
 - energia de dissociação 
 - energia de ionização 
 - condutibilidade elétrica 
 
Propriedades Gerais dos Gases 
Gas 
 
Argon 
 
Helium 
 
CO2 
 
Oxygen 
 
Nitrogen 
 
Hydrogen 
 
 
Symbol 
 
Ar 
 
He 
 
CO2 
 
O2 
 
N2 
 
H2 
Purity 
% 
 
99,99 
 
99,99 
 
99,7 
 
99,5 
 
99,5 
 
99,5 
Dew point 
1b,°C 
 
-50 
 
-50 
 
-35 
 
-35 
 
-50 
 
-50 
Chem. reaction 
in welding 
 
inert 
 
inert 
 
oxydising 
 
oxydising 
 
low reactive 
 
reducing 
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Ionização 
v É a decomposição do átomo ou moléculas em íons e 
elétrons (portadores de carga positiva ou negativa) 
v 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 
v É a tensão necessária para 
remover um elétron da 
camada de um átomo. 
v 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 
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Potencial de ionização 
 BAIXO 
v 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. 
 
 
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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 
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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. 
 
 
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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. 
 
Mário Bittencourt – 2017.2 20 
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 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 
Mário Bittencourt – 2017.2 21 
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 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 
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Máquinas de solda 
 
Transformadores 
 Retificadores 
 Inversores 
Transformadores 
Tensão baixa (80V) 
Corrente regulável 
Corrente alternada 
Subestação 
Tensão alta (13800V) 
Corrente fixa 
Corrente alternada 
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Retificadores 
Tensão baixa (80V) 
Corrente regulável 
Corrente contínua 
Subestação 
Tensão alta (13800V) 
Corrente fixa 
Corrente alternada 
Inversores 
Tensão baixa (80V) 
Corrente regulável 
Corrente contínua 
Subestação 
Tensão alta (13800V) 
Corrente fixa 
Corrente alternada 
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Escolha da Fonte de Energia 
Escolha da Fonte de Energia 
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Escolha da Fonte de Energia 
Escolha da Fonte de Energia 
Tensão em circuito aberto 
Corrente nominal 
Ciclo de trabalho 
Grau de proteção 
Classe de isolamento 
Mário Bittencourt – 2017.2 26 
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Tensão em Circuito Aberto (em vazio) 
A tensão em vazio (U0) é o valor fornecido pela fonte na 
ausência de qualquer carga, isto é, sem passagem de 
corrente. 
Uma valor mais elevado de U0 tende a facilitar o início 
do processo (abertura do arco), mas pode representar 
um maior risco para a segurança do soldador. 
Definição da Fonte de Energia 
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Corrente Nominal 
É a corrente elétrica, normalmente expressa 
em ampères (A), que será observada (ou medida) em 
um determinado equipamento, quando este estiver 
operando adequadamente. 
Este parâmetro é definido pelo fabricante do 
equipamento. 
Também é utilizada para expressar a capacidade 
máxima de um determinado equipamento, sendo 
portanto um limite de corrente elétrica que pode ser 
exigido do equipamento sem que este seja danificado. 
Definição da Fonte de Energia 
Mário Bittencourt – 2017.2 28 
14/08/2014 
É o percentual em tempo que a máquina pode 
trabalhar em cada 10 minutos utilizando a corrente 
nominal e sem provocar sobreaquecimento. 
É definido pela Norma IEC 60974-1. 
 
Ciclo de Trabalho 
Mário Bittencourt – 2017.2 29 
14/08/2014 
Assim, a máquina que pudesse trabalhar 6 minutos 
continuamente utilizando a corrente nominal a cada 
intervalo de 10 minutos teria um rendimento de 60%. 
Ciclo de Trabalho 
Definição da Fonte de Energia 
Mário Bittencourt – 2017.2 30 
14/08/2014 
Mário Bittencourt – 2017.2 31 
14/08/2014 
Como igualar ciclos de trabalho? 
As máquinas poderão operar com correntes diferentes 
da nominal e consequentemente com ciclos de trabalho 
(rendimento) diferentes. 
Para igualar os ciclos utiliza-se a seguinte fórmula: 
 
 
I1 = corrente para um determinado ciclo de trabalho 
I2 = corrente para um segundo ciclo de trabalho 
T1 e T2 = percentual do ciclo 
I2
2 = I1
2 x T1 
 T2 
Como igualar ciclos de trabalho? 
 
 
Qual a corrente que a Millermatic fornece para um ciclo 
de 35%? 
 
 I35% = 150A
2 x 40% = 160 A 
 35% 
 
Ciclo da Powertec 250C: 250A a 35% 
Ciclo da Millermatic DVI2: 150A a 40% 
Mário Bittencourt – 2017.2 32 
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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. 
 
Mário Bittencourt – 2017.2 33 
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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.
Mário Bittencourt – 2017.2 34 
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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. 
Mário Bittencourt – 2017.2 35 
14/08/2014 
Classe de isolamento 
Classe de isolamento 
Classe de
isolamento
A E B F H
Temperatura do
ponto mais quente
105ºC 120ºC 130ºC 155ºC 180ºC
Mário Bittencourt – 2017.2 36 
14/08/2014 
Bibliografia 
 SILVA,F. J. G., Tecnologia da soldadura, 1 ed., Porto, 
PRT, Editora Publindústria, 2014. 
 WAINER, E.; BRANDI, S.; MELLO, F., Soldagem: 
processos e metalurgia, São Paulo, SP, Editora Blucher, 
2013. 
 SENAI-SP, Soldagem, 1 ed., São Paulo, SP, Editora 
SENAI-SP, 2013. 
 MARQUES, P. V.; MODENESI, P. J.; BRACARENSE, A. 
Q., Soldagem fundamentos e tecnologia, 3 ed., Belo 
Horizonte, MG, Editora UFMG, 2009.