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Tecno_Soldadura_Cap3

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LDADURA POR ARCO ELÉTRICO 
• 
Física do arco elétrico 
Fatores externos que afetam 
a qualidade do arco 
• 
Particulares de cada processo 
relativamente ao arco 
Máquinas para soldadura 
por arco 
3.1. Física do Arco Elétrico 
A soldadura implica, na maioria dos casos, a fusão do material de base e, geralmente, também a do material 
de adição, embora haja exceções, conforme poderemos ver adiante. Quando pretendemos a fusão intensa dos 
materiais de base e de adição, utiliza-se em grande parte dos casos, como fonte de calor, um arco elétrico gerado 
pela passagem da corrente elétrica através de um meio gasoso situado entre o cátodo (elétrodo negativo) e o 
ânodo (elétrodo positivo). O arco elétrico é muito utilizado porque é um meio prático de gerar a energia necessária 
à soldadura. Os equipamentos apresentam custos aceitáveis, o controlo do processo é relativamente simples e 
o nível de risco para a saúde dos operadores é relativamente baixo. O arco elétrico produzido irá transformar 
energia elétrica em energia calorífica. Esta energia é transmitida à peça através da projeção do arco sobre a peça, 
dependendo da área de contacto entre a extremidade do arco e a peça. No entanto, dependendo do material de 
base, este calor tende a difundir-se no material de base, dificultando em determinados casos a soldadura. Assim, 
é importante que o calor fornecido pela fonte de alimentação se processe a uma taxa bastante superior à de 
dissipação do mesmo, através do material de base, para que se produza o efeito pretendido de fusão do material 
de base e do material de adição. 
onde ET simboliza a Entrega Térmica (J/mm), V a Diferença de Potencial (Volt), / a Intensidade de Corrente (Ampere) e v 
a Velocidade de Soldadura (mm/s). 
Em termos práticos, e de forma aproximada, poderemos afirmar que a quantidade de calor Q, expressa em _1/ 
mrn3, necessária para fundir um dado volume de material, poderá ser calculada através da seguinte expressão, sendo 
300000 um fator empírico que promove a adaptação de unidades e confere a aproximação necessária: 
= (7' + 273)2 Q 
300000 
onde Tm 
 representa a temperatura de fusão do material que se pretende fundir, expressa em °C. Por outro lado, 
',poderá medir-se a Eficiência da Fusão (f,), grandeza adimensional, através da seguinte expressão: 
0 ' Arr 	Arr- v 	• Air '1' 	 (1.4) 
— 	= 
- HATT f i•P fi •E•I 
onde Aw 
 representa a Secção reta do material fundido, expressa em mm2, H NET representa o Calor efetivamente 
transferido para a junta, expresso em J/mm, v representa a Velocidade de Soldadura, em mm/s, P representa a 
Energia total fornecida pela fonte, expressa em Watt, e f1 representa a Eficiência da Transferência Térmica, estando 
normalmente contido entre 0.8 e 1.0. Poderemos dizer que a eficiência do processo de soldadura por Feixe de 
Eletrões estará em cerca de 100% (1.0), já que a área de atuação é tão pequena e a velocidade de transmissão da 
energia tão elevada, que poderemos considerar que não existem perdas no processo. Rearranjando as expressões 
anteriores, poderemos chegar a uma outra expressão que relaciona a secção do material a unir com o calor que 
será necessário fornecer à junta: 
(1.3) 
T
E
C
N
O
L
O
G
IA
 D
A
 S
O
L
D
A
D
U
R
A
 
Área de contacto (A0) Fonte 
de energia An 
	f2 H NET = 	• H 
Q 	Q 
(1.5) 
 
Figura 53 
- Diagrama esquemático da projeção do arco elétrico sobre o material de base (Modenesi, 2001). 
Desta forma, o calor produzirá tanto mais efeito quanto mais concentrada for a área de contacto atrás referida, 
 or!, 
for o tempo necessário para a transmissão de energia e maior for a energia efetiva despendida no processo. Enl`z_c, 
a Potência Específica, expressa 
 ern W/m2
, poderá ser traduzida pela seguinte expressão para os processos d
e al' 
elétrico: 
De uma forma geral, poderemos afirmar que uma fonte está apta a ser utilizada em soldadura se a sua potência 
específica se situa entre 106 e 1013 W/m2. Abaixo do valor mínimo, a fonte não liberta calor suficiente para vencer 
a dissipação efetuada pelo material e, acima do valor máximo apontado, verifica-se a vaporização antes mesmo 
de ocorrer uma fusão e ligação do material, pelo que estas condições se tornam mais favoráveis ao corte de 
materiais, do que à soldadura. De seguida apresenta-se uma tabela que permite perceber qual o intervalo de 
Potência Específica próprio de cada processo, sendo necessário considerar que a área de contacto dos diferentes 
processos é também diferente. 
Tabela 8 - Gam a de Potência Específica característica de cada processo de soldadura (Adaptado de Modenesi, 2001). 
Plasma 
Laser 
Elétrodo Revestido 5 • 106 - 1 • 108 
5 108 - 5 101 ° 
5 • 1 09 - 5 • 10" 
FR
A
N
C
 
Pcsp = 
nta a 
in
.
te 
onde V representa a DiferenÇa de Potencial 
 ern 
 carga da fonte de energia, expressa em Volt,Ireprese 
	
dl 
de Corrente, expressa em Ampere, A, representa a Área de 
 Contact° expressa em m
2 e q representa o ren 
.rn 
processo. Por outro lado, poderemos considerar que a EntregaTérMica se define através da seguinte exPres 
. V • I 
2.10'0 -5.10u 
tOr Pecífica condiciona a geometria do cordão. Efetivamente, quanto mais elevada for a Potência Ira ser a concentração de calor, pois, como foi visto anteriormente, a Potência Específica expressa 
flergla cedida à junta por unidade de área. 
1/64 de esperar 
que os cordões assumam geometrias diferentes de processo para processo, e também 
tos de parâmetros utilizados em cada processo de soldadura. 
r = 
V 
10" 
	
1012 
	10" 
Pat&lda ESpedfiCa (VV/M2) 10' 
	
108 109 
	10'° 
TE
C
N
O
LO
G
IA
 
(1.9) 
-141Or 
106 
Figura 54- 
Diferentes geometrias usualmente assumidas pelos cordões de soldadura, em função da potência Específica própria 
de cada processo e de cada conjunto de parâmetros (Modenesi, 2009). 
Observando a figura anterior, facilmente poderemos concluir que um processo que caracteristicamente apresente 
baixa Potência Específica produz cordões geralmente mais largos e com menor penetração. Por outro lado, quando 
o 
processo apresenta Potência Específica mais elevada, sem que se entre na gama de valores que conduzem a uma 
evaporação do metal, os cordões tenderão a ser mais estreitos e com acentuada penetração, provocando normalmente 
zonas termicamente afetadas mais moderadas ou mesmo inexistentes, já que o calor é t
ransmito a uma menor porção 
volumétrica de material e a dissipação desse mesmo calor fica mais facilitada. 
Da figura anterior, poderíamos dizer que o cordão mais largo e menos profundo é caracteristicamente obtido 
por processos como o Elétrodo Revestido ou MIG-MAG, enquanto o cordão extremamente fino e profundo é mais 
característico de processos avançados, tais como o Laser e Feixe de Eletrões. 
Considerando que a fonte de calor atua homogeneamente na superfície, teremos que a diferença de temperatu 
longo de uma chapa muito espessa é dada pela seguinte expressão: 
, 
onde c 10 corresponde ao Diâmetro da área de contacto (mm) e tm 
 corresponde ao Tempo necessário para criar o 
banho de fusão. Assim, a uma maior maior Potência Específica, corresponderá uma maior Velocidade máxima de 
soldadura ou, por outras palavras, uma maior produtividade. 
Ao conhecermos os processos acima referidos, facilmente verificamos que a maior Potência Específica da 
Soldadura por Feixe de Eletrões não é conseguida através da fonte de energia usada, mas sim de uma forte redução 
da área de atuação do feixe. No entanto, isto traduz-se noutras dificuldades: será difícil de garantir ao humano, de 
forma manual, imprimir a velocidade necessária ao processo de soldadura por Feixe de Eletrões, enquanto facilmente 
consegue manipular e soldar com outros tipos de processos, nomeadamente o Eletrodo Revestido, pelo facto de a 
área de contacto ser substancialmente maior neste processo. 
No arco elétrico os eletrões, durante o seu trajeto (do cátodo para