Arco Electrico

Tecnologia dos Processos de
Soldadura e Equipamentos
Direcção de Formação
Módulo 1.5
Arco Eléctrico
Curso de Engenharia de Soldadura EWF
IIW Guideline – doc. IAB-002-2000/EWF-409 (Revisão 1)
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –2
Rev. 0 (20-10-2003)
Luisa Coutinho de Almeida Quintino
Objectivo
No final do presente Módulo o formando deverá estar apto a:
Identificar as diferentes zonas do arco eléctrico e o que caracteriza
cada uma delas.
Enunciar as características das zonas do arco eléctrico.
Reconhecer as razões que levam à utilização de determinado tipo de
corrente e polaridade.
Identificar quais os valores de temperatura mais comuns para o arco
eléctrico.
Analisar a quantidade e o tipo de radiação emitida pelo Arco
eléctrico.
Identificar a influência dos campos magnéticos no arco eléctrico.

Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –3
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Luisa Coutinho de Almeida Quintino
Temas a Discutir
Física do arco eléctrico (escorvamento do arco eléctrico, zonas do arco
eléctrico, estabilidade do arco eléctrico)
Distribuição de tensão no arco eléctrico
Geração de calor no cátodo e no ânodo
Polaridade e características do arco eléctrico em DC e AC e seu controlo
Influência do processo de soldadura
Distribuição de temperatura no arco e seus efeitos
Influência dos campos magnéticos no arco eléctrico
Limites de Aplicação
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –4
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Luisa Coutinho de Almeida Quintino
Resultados Esperados
Explicar em detalhe os fundamentos físicos do arco eléctrico, incluindo os
parâmetros que mais significativamente influenciam a estabilidade do
arco.
Detalhar a geração de calor nas várias zonas do arco eléctrico.
Deduzir a influência dos campos magnéticos no arco eléctrico.
Solucionar os problemas de deflexão do arco eléctrico.
Explicar as características do arco eléctrico para DC e AC incluindo o seu
controlo e limitações.

Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –5
Rev. 0 (20-10-2003)
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1 - Princípios Básicos
Um arco eléctrico pode ser definido como um condutor gasoso no qual se
transforma energia eléctrica em calorífica.
Eléctrodos – Descarga Eléctrica, que ocorre entre dois eléctrodos através
de um gás ionizado a alta temperatura
O eléctrodo negativo, a partir do qual são emitidos os electrões que
passam através do gás, é chamado cátodo.
O eléctrodo positivo, é conhecido como ânodo.
O deslocamento dos electrões do cátodo para o ânodo é o resultado da
diferença de potência entre os dois eléctrodos.
Num arco eléctrico é possível distinguir três domínios:
A coluna de arco, relativamente pouco emissiva e que assegura a
ligação entre as duas manchas extremamente brilhantes que
aparecem ao nível dos eléctrodos
mancha catódica
mancha anódica
Em corrente contínua, para o arco eléctrico entre eléctrodos de carvão, por
exemplo, a mancha anódica (3500 K aproximadamente), parece mais
brilhante que a mancha catódica (2700 K aproximadamente).
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –6
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Nos numerosos tipos de arco de soldadura existem três movimentos de
partículas:
Os electrões que partem do cátodo e vão bombardear o ânodo.
Os iões positivos que retornam na direcção do cátodo.
Os iões negativos, tais como os de oxigénio, que caminham na direcção
do ânodo.
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –7
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –8
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Zona de Queda
de Tensão
Catódica
Zona de
Coluna de Arco
Zona de Queda
de Tensão
Anódica

Queda de tensão total no arco
V = V + V + V
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c
p
Entrega térmica
E t
= η
VI
v
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a
V c - queda de tensão catódica
V a - queda de tensão anódica
V p - variação de tensão de coluna de arco
η – rendimento do processo
V– tensão
I – intensidade de corrente
ν – velocidade de soldadura
O arco eléctrico de soldadura conduz na sua coluna um meio gasoso
de alta temperatura em permanente evolução (5500 K no caso do arco
eléctrico entre eléctrodos de carvão), no qual se formam iões por
choque, o que justifica o nome de plasma para o designar.
Em termos gerais pode-se considerar que a formação de um arco eléctrico
estável requer:
• Temperatura elevada do cátodo, para que se gere a emissão de
electrões.
• Voltagem elevada, maior do que o potencial de ionização do gás
que constitui o arco eléctrico.
• Um ambiente gasoso que gere iões positivos em número suficiente.

2 – Características Eléctricas
A corrente e a tensão em cada zona podem ser expressas por:
P - potência (W)
V i - tensão no ânodo (V)
V c - tensão no cátodo (V)
V p - tensão no plasma (V)
I - corrente (A)
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P = I(V i +V c +V p )
Características típicas do arco eléctrico para diferentes
processos de soldadura

Característica Estática do Equipamento
Em soldadura TIG Assumindo que a parte relevante da característica da máquina é
uma linha recta dada por: V = V0 + mI
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Então:
dI 1
=
dV m
A alteração da potencia de arco com a tensão é:
d dI 1
( VI)
= I + V = I + V
dV
dV m
de modo que para não haver alterações de entrega térmica
I
m V
=
1
V1
Se o ponto operatório for I1 V1, então o declive óptimo é −
I1
e a equação fica V1
V V0
I
I
− =
O decline óptimo para minimizar alterações na potência do arco e portanto na entrega térmica mostrase
na figura para os pontos operatórios 1 e 2.
Em soldadura MIG
b’ e n são constantes, logo para obter o ajuste do comprimento do arco rapidamente, deve fazer
m – a inclinação da característica estática da fonte de potência, o mais baixo possível ⇒
característica estática horizontal.
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1
V = V0 + mI
V = V1 + nx
x – comprimento do arco eléctrico
dx
dt
= −
dx
= −b'
dt
( v − b'
I )
( I I )
o −
∂
⎛ ∂x
⎞ ∂I
n
⎜ ⎟ = b'
= b'
∂x
⎝ ∂t
⎠ ∂x
m

3 – Eficiência do Arco Eléctrico
O calor fornecido pelo arco eléctrico é transferido para o eléctrodo (q e ),
transferido por radiação e convenção na coluna de arco (q p ) e transferido
para a peça (q w )
q
η = 1−
Soldadura TIG
( 1−
n)
q
VI
n - % de calor transferida da coluna de arco para a peça
m - % de calor dissipado
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e
+
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p
+ mq
w
η = 1−
Soldadura MIG
( 1 n)
−
q
p +
VI
mq
4 – Características das Zonas do Arco Eléctrico
4.1 - Coluna de Arco
A coluna de arco zona central do arco eléctrico, é composta por
electrões, iões positivos e partículas neutras (átomos e moléculas no
estado excitado e não-excitado), é caracterizada por dois aspectos:
Elevada temperatura (de forma a que o gás esteja suficientemente
ionizado para que se torne condutor).
Fluxo de elevada velocidade (do eléctrodo para a peça).
Gases com condutibilidade térmica baixa (por exemplo o Argon) dão
origem a arcos estáveis, enquanto que gases de elevada condutibilidade
térmica (por exemplo Hélio) conduzem a arcos mais instáveis.
w

A equação de Saha para determinar o grau de ionização de uma
coluna de gás, pode ser expressa da seguinte forma:
n n
n o
e i
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i e
= 3
o
2 Z ( 2∏ m kT)
Z h
3
2
exp
i
{ - V
kT }
n e , n i , n o - densidade partículas (número de partículas por unidade de volume,
de electrões, iões, e átomos neutros, respectivamente)
V i - potencial de ionização do átomo neutro
Z i , Z o - funções de partição dos iões e partículas neutras
H - constante de Planck
m e - massa dos electrões
k - constante de Boltzman
T - Temperatura
A densidade de partículas pode ser determinada considerando as
condições de equilíbrio, assim o número de electrões é igual ao número
de iões.
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n e =n I

A coluna de arco é caracterizada por:
• Elevada temperatura, de modo a
que o gás fique suficientemente
ionizado para ser condutor.
• Elevada velocidade direccional do
eléctrodo para a peça.
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4.2 – Zona de Queda de Tensão Catódica
Uma das teorias com maior aceitação [Ref. 3] sugere três tipos de
mecanismos alternativos para explicar a zona de queda de tensão catódica
baseado no comportamento experimental em três casos extremos. Na
prática podem ocorrer dois destes mecanismos, em simultâneo, ou
alterações do tipo do mecanismo, durante a execução do cordão de
soldadura.
Os três mecanismos identificados são os seguintes:
Emissão térmica (TIG)
Emissão plasmogénica (corrente baixa, pressão elevada)
Emissão de campo (MIG/MAG)
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O balanço energético no cátodo tem influência na soldadura e pode-se dizer,
que em geral, a energia desenvolvida na zona de queda de tensão catódica é
utilizada para:
Alimentar a corrente de electrões que entra na coluna de arco com
uma energia cinética dada por:
E C = 3/2 (KTI / e)
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K – constante de Boltzmann
T – Temperatura
I - Intensidade de corrente
E – Carga do electrão
Aquecer qualquer gás ou vapor que circule através da zona de queda
de tensão catódica
Balanço Energético no Cátodo
Soldadura TIG
Cátodo termoíonico
Os cátodos termoiónicos
ocorrem em eléctrodos em:
• carbono
• tungsténio
• molibdénio
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Soldadura MIG
Cátodo não-termoíonico
Os cátodos não termoiónicos
ocorrem em soldadura:
• em metais não refractários
• em metais refractários a baixa
corrente e/ou pressão.

IV c
Balanço Energético num Cátodo Termoíonico
⎛ 3 KT ⎞
= qe + I⎜φ
+ ⎟
⎝ 2 e ⎠
f – função de trabalho
T – temperatura do gás
3 KT
2 e
V c
⎛
= ⎜ φ +
⎝
- energia térmica dos electrões
3
2
KT
e
⎞
⎟
⎠
qe
I
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+
Sabe-se actualmente que o valor de qe não varia significativamente com a corrente, portanto a
queda de tensão catódica deve reduzir quando a corrente aumenta. Quantitativamente para
eléctrodos toriados. φ = 3,5
3 KT
2 e
qe
a
I
=
0,
5
a 1V
100 A = 0,
8V
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I ↑⇒Vc ↓
⇒ = 4,
8 a 5,
3V
V c
⇓
V medido de 7,5V
Como Va é 2,2 a 2,7 o valor
calculado está correcto.

Balanço Energético num Cátodo não Termoíonico
Há pelo menos três tipos de cátodos não termo iónicos:
• Os de vapor, que se formam em metal limpo, sem filmes.
• Os em forma de túnel, que se formam quando há películas de óxidos finas.
• Os que se movimentam, que se formam quando há películas espessas de óxidos.
Em soldadura MIG forma-se sempre uma película de óxido superficial no qual condensam iões
positivos, originando um campo eléctrico elevado.
i) No caso de filmes finos, se o campo é maior que 109 v/m, os electrões “furam” um túnel através
do filme de óxido e geram em local de emissão;
ii) para filmes mais espessos o fenómeno conhecido como “gwitching” (movimentação) torna o
filme condutor localmente. Isto permite o fluxo de correntes relativamente elevadas nos
filamentos através do óxido. Cada local de emissão tem aproximadamente 100 nm de diâmetro
e um tempo de vida de 1ns a 1µs.
O efeito geral é o descolar da película de óxido e a geração de jactos de vapor metálico muito
pequenos mas intensos e salpicos.
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Cátodos móveis ⇒ transferência repelida
Balanço energético de um cátodo não termoiónico
V c I - absorvida como calor na chapa
- gasto como energia química e eléctrica na dispersão dos óxidos
- gasto como energia cinética no jacto de vapor emitido pelas manchas catódicas
individuais
Ligas de alumínio com elementos com elevada pressão de vapor – Mg, Zn, Li ⇒
instabilidade do arco, salpicos
Material
Al
Mg
Mg
Al2O3
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –26
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Função
Trabalho
4.28
3.66
3.1
3.9
Tabela - Função de trabalho de vários
elementos e dos seus óxidos

Balanço de Potência Calorífica num cátodo não Termoiónico
Cátodos móveis ⇒ transferência repelida
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Ra
R R
Fe Fe
Ra
R R
Queda de tensão num cátodo não-termoiónico – V c =10 a 20V
V c I - absorvida como calor na chapa
- gasta como energia química e eléctrica na dispersão dos óxidos
- gasta como energia cinética no jacto de vapor emitido pelas
manchas catódicas individuais
Em soldadura MIG utiliza-se polaridade inversa para evitar os
problemas de instabilidade do arco eléctrico e
consequentemente do modo de transferência, embora a
produtividade do processo fosse superior em polaridade directa.
Em soldadura TIG utiliza-se polaridade directa para reduzir a
quantidade de calor libertado no eléctrodo e evitar a sua fusão.
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –28
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Fe
Ra
Ra
Fe

4.3 – Zona de Queda de Tensão Anódica
Embora se tenham realizado vários estudos com o objectivo de explicar a
zona de queda de tensão anódica a teoria está ainda incompleta. No entanto
há três fenómenos que devem ocorrer:
A temperatura deverá descer do valor da coluna de arco para o
valor da do ânodo.
Deve ser produzida uma determinada quantidade de iões para
fluirem para a coluna de arco.
Os iões produzidos devem ser acelerados e a sua temperatura deve
aumentar até ao valor da temperatura da coluna de arco.
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –29
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Soldadura TIG
Balanço Energético do Ânodo
Os fenómenos que ocorrem no ânodo e que influenciam as características do
processo são:
• Calor desenvolvido
• Densidade de corrente
• Queda de tensão anódica
E é necessário compreender o efeito das variáveis do processo nestes aspectos.
Em soldadura TIG, usualmente, utiliza-se polaridade directa logo o ânodo está
na peça.
Soldadura MIG
Em soldadura MIG utiliza-se usualmente corrente contínua e polaridade inversa,
logo o ânodo está no eléctrodo e forma-se na sua ponta ou na superfície do fio.
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –30
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –31
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Modos Anódicos
Baixa corrente
Anode Spot Mode (modo de mancha anódico)
O ânodo fixa-se num ponto específico na peça.
A movimentação do eléctrodo provoca
alterações da posição ânodo - modo de
mancha anódica.
Alta corrente
Anode manual Mode (modo anódico normal)
A coluna de arco tem a forma de sino, o ânodo
é estável simétrico e não é significamente
influenciado pelo movimento do ânodo
Soldadura MIG
O modo anódico é normal
Balanço do Calor no Ânodo
Soldadura TIG
Quando o ânodo está na chapa a entrega térmica é devida à condensação dos electrões
mais a energia ganha na passagem da zona de queda de tensão anódica e o calor
gerado por convenção e radiação no arco. Utilizando a mesma notação que para o
calor catódico temos:
⎛ 3 KT ⎞
( 1+
m)
qw = ⎜φ
w + + Va
⎟I
+ nqp
⎝ 2 e ⎠
Soldadura MIG
Quando o ânodo está no eléctrodo não há contribuição de calor por convecção e
radiação em coluna de arco pelo que:
⎛ 3 KT ⎞
( 1+
m) qe = ⎜φ
+ + VA
⎟I ⎝ 2 e ⎠
Queda de tensão anódica
Va = 1a 5V
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –32
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Tipos de Corrente e Polaridade
Nos processos de soldadura por arco eléctrico utilizam-se dois tipos de
corrente:
• Corrente alterna
• Corrente contínua
A utilização de corrente contínua em relação à corrente alterna, traz algumas
vantagens entre as quais se podem referir:
• A ocorrência de um arco mais estável devido à ausência do problema do
reescorvamento do arco todos os meios ciclos.
• Uma vez que a polaridade é constante. uma mais fácil e regular
transferência de metal através do arco.
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –33
Rev. 0 (20-10-2003)
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Para obter um arco eléctrico estável devem-se seguir os seguintes princípios:
• Estabilidade na localização da mancha catódica ou anódica no eléctrodo;
• Se o eléctrodo for consumível a transferência do metal em fusão do eléctrodo para
a peça deverá ser regular, em pequenas gotas, de modo axial, bem dirigida e sem
salpicos;
• Na peça o banho de fusão deve mover-se suavemente, e manter uma posição fixa
em relação ao eléctrodo, i.e. o arco deve incidir sempre na mesma zona do banho
de fusão, o que no caso de soldaduras de grande velocidade ou de pequeno banho
de fusão é particularmente crítico, uma vez que nestes casos o arco tende a ter
um carácter errático;
• A corrente de soldadura deve ser estável;
• O arco não se deve extinguir facilmente.
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –34
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Manchas Catódicas em TIG Corrente Alterna
Função de trabalho de vários elementos e
dos seus óxidos
Material
Al
Mg
MgO
Al2O3
Função
Trabalho [V]
4.28
3.66
3.1
3.9
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –36
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Dispersão de manchas catódicas
Al 1050 Al 5083
5 - Gás de Protecção
Soldadura por fusão
Um gás com baixo potencial de ionização como o argon,
transforma átomos em iões com facilidade. Um gás com
elevado potencial de ionização como o hélio, produz um arco
mais difícil de iniciar e mais instável.
Os gases que têm condutibilidade térmica mais elevada
transferem mais calor para a peça, influenciando portanto a
forma do cordão de soldadura obtido.
A composição dos fumos desenvolvidos e nomeadamente o teor
de ozono libertado é um condicionante a tomar em conta na
selecção do gás de protecção.

Opinião dos soldadores sobre diferentes misturas gasosas, numa média obtida em cordões
depositados em quatro posições: ++ excelente, + bom, 0 satisfatório, - pobre, -- muito
pobre
Estabilidade do arco
Controlo do banho de fusão
Comportamento do banho de fusão
Poucos bordos queimados
Poucos salpicos
Luminosidade do cordão
Regularidade da superfície do
cordão
Total (+)
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –37
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Argon
4.8
+
+
+
+
++
++
++
10
Ar+
0.03%No
++
++
+
++
++
++
++
13
Ar/He
(70/30)
6 - Transferência de Metal
+
+
++
+
++
+
+
9
Ar/He(70/30)
+0.03No
O modo de transferência influencia significativamente a estabilidade do arco e
consequentemente a qualidade do cordão de soldadura
Os mecanismos que levam à ocorrência de um ou outro modo de transferência têm sido
abordados por vários investigadores:
• Conray – 1940
• Spraragen and lengyel – 1943
• Les newich – 1955/1958
• Needham – 1960
• Cooksey and Milner – 1966
• Becken – 1969
• Nishiguchi and Matsunawa – 1976
• Erdmann Jesnitzer – 1977
• Waszink and Croat – 1979
• Allum and Quintino – 1985
• Waszink and Piena – 1985
Em 1976 foi acordado, no Instituto Internacional de soldadura, que independentemente dos
mecanismos envolvidos e da física do processo, os modos de transferência se classificam do
seguinte modo:
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –38
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++
++
++
++
++
++
++
14

Modos de Transferência
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –39
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –40
Rev. 0 (20-10-2003)
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Modo de transferência influencia significativamente:
Estabilidade do arco ⇒ qualidade do cordão de soldadura
As forças que actuam na transferência de metal são:
Fg – força de gravidade
Fs – força de arrastamento do plasma
Fem – força electromagnética
Fγ – tensão superficial
Fv – Forças de vaporização
uma gota destaca-se quando:
F g + F s + F em = F γ + F v

Força de gravidade
Fg mgg
=
Força de arrastamento do plasma
F = 0,
5πv
s
2 2
g dgr
Força electromagnética
2 2
µ I ⎡ra
⎤
Fem = ln
4π
⎢
⎣R
⎥
⎦
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –41
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –42
Rev. 0 (20-10-2003)
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c
m g – massa da gota
g – componente vertical da aceleração da gravidade
v g – velocidade do gás
d g – densidade do gás
r – raio da gota
c – coeficiente de arrastamento
µ -permeabilidade magnética
I – intensidade de corrente
r a – raio de “saída” da corrente
R – raio de “entrada” da
corrente
Força devida à tensão superficial
F
γ
= πd
× γ
Força de vaporização
d – diâmetro do fio
γ – tensão superficial
mo
Fv
IJ
dv
mo – total de massa vaporizada por seg. por amp
I – intensidade de corrente
J – densidade de corrente
dv – densidade de vapor
=
Soldadura por fusão

Designação do modo de transferência
1. Transferência em voo livre
1.1 Globular
1.1.1 Gota a Gota
1.1.2 Repelida
1.2 Chuveiro (spray)
1.2.1 Projectada
1.2.2 Jacto não direccional
1.2.3 Rotacional
2 Transferência com formação de ponte líquida
2.1 Curto circuito
2.2 Ponte sem interrupção
3. Transferência com protecção gasosa
3.1 Guiada por parede de fluxo
3.2 Outros Modos
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –43
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Frequência de destacamento de gotas
em fio de alumínio de 1.6mm em argon
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –44
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Exemplo de processo de soldadura onde ocorre
MIG/MAG baixa corrente
MAG e MIG DCEN
MIG/MAG corrente pulsada
MIG/MAG corrente média e alta
MIG/MAG corrente elevada
MIG/MAG baixa corrente
TIG com varreta
SAS
SAS, fio fluxado electroescória
Frequência de destacamento de gotas em
alumínio, eléctrodo positivo, protecção-argon.

Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –45
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –46
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –47
Rev. 0 (20-10-2003)
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –48
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –49
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Luisa Coutinho de Almeida Quintino
Soldadura MIG com Corrente Pulsada
Em determinadas circunstâncias pode ser benéfico utilizar soldadura MIG com baixa entrega
térmica que implica a utilização de intensidades de corrente abaixo da corrente de transição.
Uma possibilidade para se conseguir um modo de transferência estável, caracterizado por
gotas pequenas que se destacam regularmente da ponta do eléctrodo é, injectar um impulso
de corrente que provoque o destacamento da gota – transferência projectada (classificação
IIW).
Considerando uma onda quadrada
temos que a corrente média é dada
por:
I
m
Ipt
p + Ib
+ b
=
t + t
p
b
F =
t
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –50
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p
1
+ t
b

Para destacar uma gota por impulso a equação genérica é:
n
t = D
Ip p
em que n e D são coeficientes experimentais que variam com o material e as
condições de soldadura.
Para alumínio estes valores são:
Diâmetro do
fio
1.2
1.6
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t
p
I
1,
556
p
Ip
250
200
⎛ w.
A ⎞
O volume da gota é dado por: ⎜Vg
= ⎟
⎝ F ⎠
2
Taxa de deposição: = αI
+ βl
Ip + t F
desde que
W m
p
Ipt F >> I
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p
b
t
b
=
16,
85
Alumínio
Tp
2.5
5.0
em alumínio W≈K
( I , t , l)
K = f p p
I
m ( kA)
F
Vg
=
Utilizando as equações apresentadas é possível determinar os
parâmetros adequados do seguinte modo:
1. Seleccionar os valores de IP e tP através da curva de destacamento do material.
2. Seleccionar o valor adequado de Im para a aplicação
3. Determinar a velocidade de alimentação de fio através da curva da taxa de fusão
4. Seleccionar a frequência da onda de corrente através da curva velocidade de
alimentação – frequência
⎛ 1 ⎞
5. Determinar tp através de: t b = ⎜ ⎟ − t p
⎝ F ⎠
6. Determinar Ib através de:
b
[ I m ( t p + t b ) I pt
p ] / t b
I =
−

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A taxa de fusão para
alumínio é dada por:
Taxas de fusão para eléctrodos em alumínio em arcos de elevada corrente
Metal
Alumínio
Gás
Argon
Argon
Argon
Argon
Hélio
Sabendo a taxa de fusão do fio pode-se seleccionar a intensidade de corrente que
se pretende para obter a taxa de depósito desejada.
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b
a
πr
=
2
e
Polaridade
do eléctrodo
Positivo
Positivo
Positivo
Negativo
Positivo
φ + V
Wρ
=
I H +
m
a
Taxa de
fusão b a
10 -6 [Kg/A.s]
2,3
2,0
2,0 – 2,3
4,0
2,25 – 2,5
3 KT
+
2 e
( Td
− Tm
) cp
Soldadura por fusão
Exemplo de forma da onda de corrente
Modo de transferência obtido

Temperatura na Coluna de Arco
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –58
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Distribuição de temperatura em
soldadura TIG para intensidades de
corrente diferentes
Efeito da variação do comprimento
do arco eléctrico na distribuição das
isotérmicas

Distribuição da temperatura em Soldadura MIG de Alumínio
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –59
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Na equação de equilíbrio energético de Elenbaas - Heller, as perdas
radiais devido à condução e à geometria cilíndrica do arco podem ser
expressas da seguinte forma:
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σ 2
E = - 1
r d
dr
σ - condutibilidade eléctrica
E - força do campo eléctrico
k - condutibilidade térmica
r - raio da coluna de arco
T - temperatura
(rk dT
dr )

Condutibilidade térmica de alguns gases em função da temperatura
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7 - Radiação
Espectro de um arco estabelecido em eléctrodo de tungsténio e
protecção a argon.

8 – A Influência dos Campos Magnéticos no Arco Eléctrico
Os efeitos dos campos magnéticos externos no arco eléctrico são determinados
pela força de Lorentz a qual é proporcional ao vector do produto da força de
campo exterior pela corrente. São estes campos magnéticos externos que
ocasionam deflexão do arco.
Sob certas condições o arco tem tendência a afastar-se do ponto da soldadura
tornando difícil a execução de um cordão com características satisfatórias. Este
fenómeno, ao qual se chama sopro magnético, resulta de efeitos magnéticos que
envolvem o arco eléctrico. Em geral o sopro magnético é o resultado de duas
condições básicas:
1. Mudança de direcção do fluxo de corrente ao entrar na peça e ao ser
conduzido para o "cabo de massa".
2. A distribuição assimétrica do campo magnético em torno do arco que
normalmente ocorre quando se executa o cordão perto do fim de chapas de
materiais ferromagnéticos.
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Força que actua sobre o arco causada pela assimetria do campo
magnético, devido à posição da ligação à terra.
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –66
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Distorção do arco provocada pela assimetria do
campo magnético na parte final da chapa.
Sopro magnético nas pontas de uma peça
ferromagnética.
Efeito da corrente Eddy de
neutralização do campo magnético
induzido por corrente alternada.

Evolução da Tecnologia Laser:
Laser CO 2
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Soldadura Laser
- maior potência
- melhor qualidade de feixe
- menor dimensão do equipamento
Laser Nd-YAG - maior potência
- melhor capacidade de transporte através de
fibras ópticas
Laser diodo - pequena dimensão
- baixo peso
- limitação na potência máxima
- baixa qualidade do feixe
Absorção de energia
Eficiência de transferência
Ea
ηt
= - energia absorvida
ET
- energia gerada pelo laser
Modo condução de calor – ηt ⇔ absortividade do material
Modo “Key-hole” – η t ↑⇔absortividade aumenta porque há reflexões multiplas no “key-hole”
Esta relação pode ser expressa por:
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –68
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ηλ λ
( T ) = ε ( T ) = 0,
365(
r / λ)
Onde: - η λ (T) e ε λ (T) são a absortividade e a emissividade à temperatura T
- r é a resistividade à temperatura
- λ é o comprimento de onda
Modo “key-hole” – Absorção aumenta
CO2 em Aℓ – requer Pmin CO2 = 106 Wcm-2 ND-YAG em Aℓ –requerP < Pmin CO2
1/
2

Natureza de superfície ⇒
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Preparação de superfície
Anodizado
Limpo a jacto de areia
Como recebido
Polimento electrolítico
5456 Al Alloy
27
22
5-12
4
99 999% Al
22
20
7
5
Concentração de elementos de liga voláteis no banho de fusão – ligas com
mais elementos voláteis são mais facilmente soldáveis.
Exemplo: Li na 2090
Mg nas 5xxx
Zn nas 7xxx
Dimensão e natureza do plasma:
- absorve energia do laser
- dispersa energia do laser
Eficiência de fusão
η
=
Q
m.
b
f
Qabsorv.
η
f
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- calor necessário para fundir o metal base
- calor total absorvida pela peça
( − R / 6.
8)
− 0,
17 exp(
− R / 59)
= 0, 48 − 0,
29exp
y
y
em que
R y – é o número de Rykaline modificado:
qin.
v
α
∆Hm
R y 2
q in – potência absorvida pela peça
v – velocidade de soldadura
α – difusividade térmica à temperatura de liquidus
∆Hm – entalpia de fusão
Deve-se usar a maior potência laser disponível e velocidades de soldadura elevadas mas tendo o
cuidado de manter o modo “key-hole” para se obter a melhor eficiência de fusão.

Forças de actuam no Key-hole
Forças que tendem a formar e
manter o “Key-hole”
a) Pressão do feixe (Pb)
É a pressão de radiação
W
Pb =
Ac
W
em que é a densidade de potência e
A
c é a velocidade da luz.
b) Pressão do vapor (Pv)
c) Pressão de recuo
2 2
Pr = W / Pg
QA
Q – calor requerido para vaporizar 1Kg
de metal
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Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –72
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Forças que tendem a fechar o “Key-hole”
a) Pressão gravítica
Pg = ρ gh
b) Pressão superficial
2γ
Pγ
=
R
Balanço de forças no “Key-hole”
a) Fundo do key-hole
2γ
Pb + Pr
+ Pv
= + ρgh
r
2γ
Pb
+ Pr
+ Pv
−
h =
r
ρg
b) Lados do key-hole
γ
Pressão nas paredes do capilar exercida pela tensão superficial -
r
γ
P gx para que o “key-hole” não feche (x – profundidade)
v >
+ ρ
r

Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –73
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Conclusões
1. A tecnologia de soldadura apresenta um conjunto de processos que permitem
responder a uma grande diversidade de casos, como p.ex. a soldadura de metais,
plásticos e compósitos ou a soldadura de chapa/tubo muito fino ou muito espesso.
2. A evolução da tecnologia de soldadura tem sido no sentido de maximizar a
produtividade e melhorar a qualidade dos cordões obtidos.
3. Os processos de soldadura distinguem-se entre si pela fonte de energia envolvida,
fonte de calor, esforço mecânico, tipo de protecção, existência de material de adição.
4. As especificidades de tecnologia de soldadura e os riscos associados à execução
incorrecta de cordões de soldadura têm vindo ao desenvolvimento de normalização
nacional e internacional (NP, EN, ISO).
5. A execução de uma construção soldada exige um conhecimento não só sobre os
processos de soldadura mas também sobre materiais, normalização, garantia de
qualidade, concepção e projecto.
Módulo 1.1 – Introdução à Tecnologia de Soldadura –74
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Bibliografia
1. Processos de Soldadura
(JF Oliveira Santos, L. Quintino, Edições ISQ)
2. Welding Handbok
(AWS American Welding Society, Vol. I, 8ª Edição )
3. The procedure Handbook of Arc Welding
(Lincoln Electric, 12ª Edição )
4. Tecnologia da Soldagem
(Paulo Villani Marques, Belo Horizonte, Brasil, 1991)
5. Manual del Soldador
(German Hernandez Music, José L. Diaz Reux e Belén Pérez Marces,
Association Española de Soldadura Y Tecnologias de Unión, 1996 )