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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA SOLDAGEM INTRODUÇÃO O arco elétrico é a fonte de calor mais comumente utilizada na soldagem de materiais metálicos por fusão, pois apresenta uma combinação ótima de características, incluindo uma concentração adequada de energia para a fusão localizada do metal de base, facilidade de controle, baixo custo relativo do equipamento e um nível aceitável riscos a saúde dos seus operadores.
FONTES DE ENERGIA A soldagem por fusão é realizada pela aplicação de energia localizada em uma parte da junta de forma a conseguir a sua fusão localizada, de preferência afetando termicamente ao mínimo o restante da peça. A fonte transfere energia à junta através de uma área de contato (A0) aquecendo o material próximo até a fusão, por outro lado, devido à elevada condutividade térmica dos metais e a grande diferença de temperatura entre as regiões próximas e afastadas da área de contato, o calor se difunde rapidamente para o restante da peça, resfriando e dificultando a fusão da região de contato e afetando termicamente regiões vizinhas.
2 Para ser efetiva na soldagem por fusão, a fonte deve fornecer energia a uma taxa elevada e em uma área suficientemente pequena para garantir a fusão localizada do metal de base na região adjacente à área de contato, antes que o calor se difunda para o restante da peça. Para ser usada na soldagem por fusão, uma fonte deve ter uma potencia especifica entre cerca de 106 e 1013 W/m2 , Abaixo do limite inferior, a densidade de energia é insuficiente para fundir a região próxima à área de contato antes que o calor se difunda para o restante da peça. Acima do limite superior, o calor é fornecido de forma tão concentrada que vaporiza a região de contato antes da fusão ou aquecimento apreciável de outras partes da peça. Outros fatores alem da potencia especifica que influenciam o formato do cordão são: - Espessura da junta - Condutividade térmica do metal de base
FORMAÇÃO DE UMA JUNTA SOLDADA Uma peça metálica pode ser considerada como sendo formada por um numero muito grande de átomos, dispostos em um arranjo espacial característico de sua estrutura cristalina. No interior desta estrutura, cada átomo é cercado por um numero de vizinhos, posicionados a uma certa distancia r0 na qual a energia do sistema é mínima. Nesta região, cada átomo está na condição de energia mínima, não tendendo a se ligar a nenhum outro. No interior do sólido isto é valido, mas, nas superfícies, esta situação não se mantém, pois, neste caso, os átomos superficiais estão ligados a um numero inferior de vizinhos, possuindo mais energia que um átomo no interior do sólido. Esta energia pode ser diminuída (e conseqüentemente a energia total do sistema) se estes átomos superficiais se ligarem a outros. Assim, aproximando-se duas peças metálicas a distâncias suficientemente pequenas para que as forças interatômicas pudessem agir, formando ligações permanentes, as peças estariam soldadas.
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Entretanto, sabe-se que isto não ocorre para duas peças metálicas exceto em condições muito especiais. A explicação para este fato está na existência de obstáculos que impedem a aproximação efetiva das duas superfícies até distancias da ordem de r0. estes obstáculos podem ser de dois tipos básicos: Mesmo as superfícies com acabamento cuidadoso apresentam irregularidades da ordem de 500 ângstrons, isto é, de cerca de 200 camadas atômicas. Isto impede que as superfícies como um todo se aproximem efetivamente, ocorrendo apenas alguns poucos pontos de contato, de modo que o numero de ligações atômicas que poderiam se formar é insuficiente para garantir resistência à junta. As superfícies metálicas estão normalmente cobertas por camadas de óxidos, umidade, gordura, poeira, etc., o que impede a ligação metal/metal. Um dos modos de superar estes obstáculos consiste na fusão localizada das peças, na região de união e do metal de adição, se for usado, produzindo a ligação destas na solidificação do metal fundido com o seu resfriamento.
4 ARCO ELÉTRICO Pode-se definir o arco elétrico como “a descarga elétrica mantida através de um gás ionizado a alta temperatura chamado PLASMA, produzindo energia térmica suficiente para ser usado em soldagem, através da fusão localizada das peças a serem unidas”. Em soldagem, o arco elétrico ocorre entre um eletrodo cilíndrico e um plano (a peça), dando a esse um formato típico de tronco de cone. O eletrodo pode ser de um material refratário como tungstênio (eletrodo não consumível) ou metal de menor ponto de fusão como o aço (eletrodo consumível). Neste último caso, o processo é mais complicado pois tem-se: (a) passagem de metal fundido (e, às vezes escoria) através do arco, (b) geometria variável da ponta do eletrodo e (c) comprimento do arco variável e dependente do balanço entre as velocidades de alimentação e fusão do eletrodo.
A abertura do arco elétrico para soldagem necessita do aquecimento e bombardeamento com elétrons do gás que circunda o eletrodo. A fonte de energia possui uma diferença de potencial característica (tensão em vazio) que favorece a abertura do arco. Quando o eletrodo toca o metal base, essa tensão cai rapidamente para um valor próximo a zero. Por efeito Joule, a região do eletrodo que tocou o metal base fica incandescente, favorecendo transmissão termiônica. Os elétrons emitidos fornecem mais energia térmica, promovendo a ionização térmica tanto do gás como do vapor metálico na região entre metal base e o eletrodo. Obtida a ionização térmica, o eletrodo pode ser afastado sem que o arco elétrico seja interrompido.
5 A coluna do arco pode ser constituída de elétrons livres, íons positivos, íons negativos e uma pequena quantidade de átomos neutros. Essas cargas existentes formam o plasma, que é, portanto o constituinte da coluna do arco. Apesar das cargas existentes, ela é considerada eletricamente neutra.
CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS Em um fio metálico percorrido por uma corrente, a tensão elétrica varia uniformemente ao longo de seu comprimento. O mesmo não acontece ao longo de um arco elétrico, existindo quedas abruptas de tensão junto aos eletrodos (anodo e catodo) que atingem entre 1 e 20 V. Eletricamente o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença de potencial entre suas extremidades e pela corrente elétrica que circula por este. A queda de tensão no arco elétrico pode ser dividida em três Regiões: - Zona de queda catódica, - Coluna de Plasma, e - Zona de queda
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