Fontes de Energia para Soldagem [PDF]

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SOLDAGEM Fontes de energia para soldagem Aula 2 Professora Ana María Pérez Ceballos Engenheira Metalúrgica, M. Sc.



Abril de 2013



A soldagem ao arco elétrico é o processo



Introdução



no qual a fonte calorífica necessária à



soldagem



é



obtida



por



um



arco



estabelecido entre o eletrodo e a peça a ser soldada.



O arco elétrico é definido como sendo uma descarga elétrica num meio gasoso, acompanhado



por



um



intenso



desprendimento de calor e de brilho incandescente. O arco elétrico é gerado quando dois condutores de corrente (eletrodos) são unidos, efetuando o contato elétrico, e depois separados.



Introdução O calor gerado devido ao curto circuito, provocará grande movimentação eletrônica, fazendo com que o espaço de ar entre os eletrodos deixe passar corrente (ionização), mantendo assim o arco.



Na abertura do arco, é necessária uma tensão maior do que para mantê-lo, devido à necessidade do ar ser inicialmente ionizado. Para manter o arco, o eletrodo e a peça



devem ter uma diferença de potencial que depende do material, da corrente, do arco e de seu comprimento.



Introdução



Variação da corrente e da tensão em função do tempo



Fontes de Energia para soldagem Uma fonte de potência para a soldagem ao arco elétrico, deve ser projetada para satisfazer a demanda requerida pelos parâmetros estabelecidos, possuir conveniente velocidade de resposta aos transientes e atender particularidades especificas de cada processo, mantendo o arco estável.



Fontes de Energia para soldagem Existem três requisitos básicos para uma fonte de energia para soldagem a arco, os quais estão listados a seguir:  Produzir saídas de corrente e tensão a níveis com características adequadas para o processo de soldagem;  Permitir o ajuste adequado dos valores de corrente e/ou tensão para aplicações específicas;  Controlar a variação e a forma de variação dos níveis de corrente e tensão de acordo com os requerimentos do processo de soldagem e aplicação.



Fontes de Energia para soldagem Características Estáticas das Fontes As fontes de energia para soldagem, segundo suas características estáticas (CE), isto é, os pares de valores Ueficaz e Ieficaz



que



fornecem



quando



alimentando um arco em regime estático de operação. Elas podem ser:  fontes de tensão constante  fontes de corrente constante



Características Estáticas de uma fonte de energia para soldagem.



Fontes de Energia para soldagem Fontes de tensão constante Quando a tensão fornecida pela fonte praticamente não muda não importando a carga que seja conectada a ela (variação menor que 50mV/A para qualquer corrente de soldagem). Características Estáticas de uma fonte de energia para soldagem.



Fontes de Energia para soldagem Fontes de corrente constante Aquelas que fornecem uma corrente praticamente constante, não importando a carga conectada a elas. Consideram-se do tipo Icte as fontes cuja característica estática apresente uma redução da tensão maior que 200mV por cada aumento de 1 A de corrente, quando alimentando um arco de soldagem (isto é, para tensões na faixa de 15-45 V).



Características Estáticas de uma fonte de energia para soldagem.



Fontes de Energia para soldagem Aplicações das Fontes Para processos de soldagem manuais, isto é, aqueles em que o próprio soldador controla o comprimento do arco, a fonte a usar deve ser do tipo corrente constante. Se, por exemplo, o soldador acidentalmente aumentar o comprimento do arco, isto leva a um aumento da resistência do arco.



Variação da corrente quando o arco de soldagem é alimentado por uma fonte de tensão constante, e muda o comprimento do arco .



Se a fonte fosse de tensão constante, o aumento da resistência resulta numa diminuição da corrente (segundo a lei de Ohm) e isto, por sua vez, resultaria numa diminuição da velocidade de fusão do eletrodo (no caso do ER) ou da potência do arco (no TIG).



Fontes de Energia para soldagem Aplicações das Fontes Para processos de soldagem semi-automáticos (ou automáticos), a fonte a usar deve ser do tipo:  Tensão constante, quando se usa o modo de controle interno do comprimento do arco, também chamado controle da velocidade de fusão. Nele a velocidade de alimentação do arame é constante. Quando ocorre, por exemplo, um aumento do comprimento do arco, aumenta sua resistência e, por ser constante a tensão fornecida, diminui a corrente e, com isto, diminui a velocidade de fusão do eletrodo. A diferença entre as velocidades de fusão e de alimentação do eletrodo tende, então, a retornar o comprimento do arco ao seu valor antes da perturbação.



Fontes de Energia para soldagem Aplicações das Fontes Para processos de soldagem semi-automáticos (ou automáticos), a fonte a usar deve ser do tipo:



 Corrente constante, quando se usa o modo de controle externo do comprimento o arco, também chamado controle da velocidade do arame. Nesse caso, por ser constante a corrente, também o é, aproximadamente, a velocidade de fusão do eletrodo. Nesse modo de operação, a velocidade de alimentação do arame é controlada (por meio de um servomotor) em função do valor medido da tensão do arco, que é diretamente proporcional ao comprimento do arco.



Fontes de Energia para soldagem Características dinâmicas das fontes Na soldagem ocorrem transientes, sendo os mais representativos:  o acendimento do arco.



 os curtos-circuitos.  as reversões de polaridade, quando a soldagem com CA. As respostas que a fonte oferece (em termos de tensão e de corrente) ante esses transientes são chamadas de características dinâmicas, e tem forte influência sobre a estabilidade conseguida no arco de soldagem. Por exemplo, é desejável que a fonte tenha meios de controlar a taxa de aumento da corrente e o valor máximo de corrente atingido após um curto-circuito, para reduzir problemas como respingos.



Fontes de Energia para soldagem Podem-se distinguir dois tipos principais de fontes:



 As fontes convencionais: que somente permitem ajustar as características estáticas. Por exemplo, ao escolher numa dessas fontes um valor de corrente a usar, na verdade o que se está selecionando é uma das várias características estáticas disponíveis.  As fontes eletrônicas: que, usando elementos de eletrônica de potência, fornecem meios de controlar não só suas características estáticas, mas também as características dinâmicas.



Tipos de fontes



Fontes de Energia para soldagem Fontes Convencionais O funcionamento de uma fonte de energia depende fundamentalmente de suas características estáticas e dinâmicas.  Características estáticas se relacionam aos valores médios de corrente e tensão de saída da fonte como resultado da



aplicação de uma carga resistiva.  Características dinâmicas envolvem as variações transientes



de corrente e tensão associadas com o processo de soldagem.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Convencionais



Classificação das fontes de energia convencionais para a soldagem.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Convencionais Foram as primeiras a serem desenvolvidas (ainda em uso hoje em dia), e por décadas as únicas disponíveis. Incluem os seguintes tipos:  Conversor de soldagem: é constituído de um motor (elétrico ou de



combustão) que move um gerador (para fornecer CC) ou um alternador (para fornecer CA). Por ser mais complexo e ter peças móveis, é mais caro, em termos de investimento e manutenção.  Fontes eletromagnéticas: são aquelas em que o ajuste da energia entregue ao arco é feito mediante elementos como transformadores,



bobinas e núcleos magnéticos. Nessas fontes, o tipo de característica estática é função das características magnéticas do transformador.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Convencionais



Esquema básico de uma fonte eletromagnética: A= elementos de ajuste da corrente/tensão; B= ponte retificadora (se for desejada CC).



Fontes de Energia para soldagem Fontes Eletrônicas Permitem controlar os valores de tensão e/ou corrente fornecidas, e a taxa de aumento deles durante os transientes (isto é, controlar a forma de onda). Podem ser tiristorizadas ou transistorizadas.



 Fontes tiristorizadas: Os tiristores (SCRs= Silicon Controlled Rectifiers), são uma variante dos diodos, que permitem a passagem de corrente numa única direção, sempre e quando sejam cumpridas duas condições:  Que exista a polarização direta entre os terminais do tiristor;  Que seja aplicado um pulso de energia em um terceiro terminal, denominado de porta (gate). Esse pulso de energia é fornecido por um circuito de controle, de modo que, dependendo da defasagem entre o instante do estabelecimento da polarização direta e a aplicação do pulso de energia tem-se, além do efeito de retificação, um controle do valor médio da corrente, já que o tempo de passagem da onda está sendo controlado.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Eletrônicas Retificador trifásico semi-controlado por tiristores: a) componentes básicos



b) ondas de tensão da entrada trifásica e da saída monofásica, para ângulo de disparo dos tiristores de 30º.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Eletrônicas Permitem controlar os valores de tensão e/ou corrente fornecidas, e a taxa de aumento deles durante os transientes (isto é, controlar a forma de onda). Podem ser tiristorizadas ou transistorizadas.  Fontes transistorizadas : Devido a que os fenômenos físicos no arco ocorrem em intervalos de tempo curtos, para poder utilizar as modernas técnicas de controle as fontes de energia devem ter resposta suficientemente rápida. Isto só é possível com as fontes transistorizadas, cujos tempos de reação estão na faixa de alguns milisegundos.



As fontes transistorizadas têm a grande versatilidade de controlarem indistintamente a tensão ou a corrente do arco, para o qual basta simplesmente mudar a variável que é monitorada.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Eletrônicas De uma forma geral, uma fonte de soldagem transistorizada é constituída de:



 Um conjunto transformador-retificador, que supre corrente contínua com CE do tipo Ucte, num patamar de tensão único, suficientemente elevado para atender os vários níveis de solicitação possíveis para as soldagens a que se destina a fonte;  Dispositivos de ajuste de potência;



 Um conversor transistorizado;  Uma unidade de controle.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Eletrônicas



a) Diagrama de blocos de uma fonte transistorizada analógica; b) formas de onda obtidas nos diferentes estágios.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Eletrônicas



a) Diagrama de blocos de uma fonte transistorizada chaveada no secundário; b) formas de onda obtidas nos diferentes estágios.



Fontes de Energia para soldagem Fontes Eletrônicas



a) Diagrama de blocos de uma fonte transistorizada chaveada no primário; b) formas de onda obtidas nos diferentes estágios.



Fontes de Energia para soldagem Seleção de fontes de energia Os fatores que devem ser levados em conta são, dentre outros:



 As condições operacionais.  A energia primária disponível.  As condições de serviço.  O regime de carga.  O tipo de instalação.



Fontes de Energia para soldagem Seleção de fontes de energia Os fatores que devem ser levados em conta são, dentre outros:  As condições operacionais: Considerando os tipos e dimensões dos materiais de base a soldar, além dos requerimentos de qualidade da solda e as restrições econômicas, seleciona-se o processo de soldagem mais adequado e os tipos de materiais de adição a usar. A partir daí, determina-se:  Se a fonte deve fornecer CC e/ou CA.  A faixa de correntes de soldagem necessárias.  Os requerimentos da característica estática da fonte, isto é, se ela deve ser de CE do tipo Ucte e/ou Icte.  A necessidade da fonte ser eletrônica (para controlar as características estáticas e dinâmicas, fornecer corrente pulsada, etc.) ou de poder ser convencional.



Fontes de Energia para soldagem Seleção de fontes de energia Os fatores que devem ser levados em conta são, dentre outros:  A energia primária disponível : Tem-se duas opções:



 Existe rede elétrica de CA: nesse caso, se pode usar um transformador ou retificador.  Não há disponível rede elétrica: é necessário usar um conversor ou então, um gerador elétrico alimentando a fonte. Sempre que possível, prefere-se soldar com CC do que com CA, pois dá arco mais estável e melhores propriedades da solda.



Fontes de Energia para soldagem Seleção de fontes de energia Os fatores que devem ser levados em conta são, dentre outros:  Condições de serviço: • As fontes são, em geral, projetadas para uso em condições normais, como temperatura ambiente entre 0 e 40 º C, e exposição só às faíscas, poeira e fumaça provindas do arco de soldagem. • Por outra parte, podem ser previstas para a fonte condições de uso fora do normal, como: temperatura ambiente abaixo de 0 ou acima de 40 ºC; exposição a vapores de umidade ou de óleo em excesso; exposição a poeira excessiva; exposição a impactos e vibrações anormais; trabalho em atmosferas salinas.



Fontes de Energia para soldagem Seleção de fontes de energia Os fatores que devem ser levados em conta são, dentre outros:  Fator de carga : • Os componentes internos da fonte aquecem quando circula corrente por eles. A quantidade de calor tolerada é determinada pela temperatura em que os componentes elétricos e materiais isolantes falham. • O aquecimento da fonte ocorre segundo uma curva exponencial assintótica respeito a uma linha horizontal (em que o calor gerado no equipamento é igual ao calor perdido por ele para o meio ambiente). A taxa de aquecimento aumenta com o aumento da corrente. Ao ser apagado o arco, a fonte esfria segundo uma única curva exponencial, assintótica com respeito à temperatura ambiente.



Fontes de Energia para soldagem Seleção de fontes de energia Os fatores que devem ser levados em conta são, dentre outros:  Fator de carga : • As fontes para soldagem manual (ER, TIG), normalmente são projetadas para Fc= 60% embora, na prática, o fator de carga pode ser muito mais baixo, em razão da grande parcela de tempo despendida na preparação das peças durante a soldagem. • As fontes para soldagem automática (MIG, AS, ET), normalmente possuem Fc= 100%.



Fontes de Energia para soldagem Seleção de fontes de energia Os fatores que devem ser levados em conta são, dentre outros:  Fator de carga :



Segundo as normas NEMA: • A corrente máxima utilizável da fonte deve ser 1,25 ⋅ In • A corrente mínima que a fonte deve entregar de forma estável e contínua (sob a tensão normalizada) é de 0,2 ⋅ In • A tensão normalizada, obtida através de estudos estatísticos das CE dos arcos, pôde ser exprimida matematicamente como: