UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

INSTITUTO DE TECNOLÓGIA

FACULADE DE ENGENHARIA MECÃNICA

LABORATÓRIO DE SOLDAGEM

PROFESSOR: ALEXANDRE SALDANHA / GILCIMAR PEREIRA

FABIO DOURO DE SOUZA / 03021009601

FONTES PARA SOLDAGEM A ARCO VOLTAICO

BELÉM

2013

Sumário

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 1

1.1. Processos de fabricação ............................................................................................................ 1

1.2. Requisitos básicos .................................................................................................................... 2

1.3. Características estáticas ............................................................................................................ 3

1.4. Características dinâmicas ......................................................................................................... 3

1.5. Ciclo de trabalho ...................................................................................................................... 4

1.6. Tensão em vazio ....................................................................................................................... 5

2. TIPOS DE FONTES ...................................................................................................................... 5

2.1. Fontes transformadoras ............................................................................................................ 6

2.2. Fontes retificadoras .................................................................................................................. 6

2.3. Fontes eletrônicas ..................................................................................................................... 7

3. FONTES ELETRÔNICAS ............................................................................................................ 7

3.1. Fonte tiristorizada..................................................................................................................... 7

3.2. Fonte transistorizada ................................................................................................................ 9

3.2.1. Fonte transistorizada analógica ........................................................................................ 9

3.2.2. Fonte transistorizada chaveada .......................................................................................10

3.3. Fonte inversora .......................................................................................................................11

REFERÊNCIAS .....................................................................................................................................14

1

1. INTRODUÇÃO

1.1. Processos de fabricação

Dentro dos processos de fabricação temos os processos de soldagem, que está inserido

nos processos metalúrgicos onde são aplicadas temperatura acima das temperaturas de fusão e

tem como principal objetivo a união de duas ou mais peças.

Devido a sua versatilidade e simplicidade dos equipamento a soldagem é um processo

essencial e largamente utilizado na construção de estruturas de aço e em diversos setores

industriais, tais como o automobilístico, naval, construção civil, aeronáutico, etc.

Basicamente os equipamentos utilizados são uma fonte e o eletrodo, que em sua grande

maioria no Brasil é utilizado o eletrodo revestido. Nas últimas décadas tem ocorrido inúmeras

pesquisas para o desenvolvimento dos processos de soldagem a arco elétrico.

A Figura 1 ilustra um fluxograma como vários processos de fabricação

Figura 1 – Fluxograma dos processos de fabricação

Processos de Fabricação

Processos Mecânicos

Aplicação de Tensões (σ)

Conformação Plástica

σ<σruptura

Forjamento

Extrusão

Laminação

Trefilação

Conformação por Usinagem

σ>σruptura

Convencional

Torneamento

Fresamento

Plainamento

Retificação

Não convencional

Jato D'água

Laser

Plasma

Ultrasom

Processos Metalúrgicos

Aplicação de Temperaturas (T)

Conformação por Solidificação

T>Tfusão

Fundição

Lingotamento

Soldagem

Conformação por Sinterização

T<Tfusão

Metalúrgia do Pó

2

Grande parte dos processos de soldagem necessitam da geração de elevadas

temperaturas pontuais que permitam a união dos metais, para tal é necessário um certo tipo de

fonte geradora de calor. Para esta geração de calor faz-se necessário a utilização de um

equipamento apropriado para fornecer tensão e corrente, a este damos o nome de fonte para

soldagem ou simplesmente máquina de solda.

Basicamente existem três tipos de fontes empregadas na soldagem à arco elétrico, fonte

transformadora, fonte retificadora e fonte eletrônica, a seguir abordaremos resumidamente cada

tipo de fonte. No presente trabalho vamos nos ater às fontes eletrônicas para soldagem à arco

voltaico.

1.2. Requisitos básicos

Para a escolha da fonte deve ser levado em conta algumas condições, existem três

requisitos básicos para a seleção da fonte de energia utilizada na soldagem a arco voltaico.

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.

Outros parâmetros que também devem ser considerados no que diz respeito ao projeto

da fonte, adicionalmente temos:

Que assegurar a conformidade com as exigências das normas e códigos que estejam

relacionados à sua funcionalidade e principalmente a segurança;

Apresentar resistência e durabilidade em ambientes fabris, assegurando uma instalação

e operação simples e segura;

Ter interação e controles de fácil manuseio, para facilitar a utilização e compreensão do

usuário;

Com o avanço da tecnologia, deverá possuir interface ou saída para sistemas

automatizados, quando for necessário.

3

1.3. Características estáticas

O funcionamento de uma fonte de energia para a soldagem, depende das características

cinemáticas e dinâmicas, ondem ambas contribuem para a estabilidade do arco voltaico e a

aplicação da máquina de soldagem para um determinado processo.

As características estáticas são pertinentes aos valore médios da corrente e da tensão de

saída da fonte devido ao resultado da aplicação de uma carga resistiva.

Podemos identificar as características estáticas através dos gráficos obtidos em testes

com cargas resistivas e que normalmente são fornecidas pelo fabricante do equipamento. A

curva característica fornece a classificação da fonte, podendo ser de corrente constante ou de

tensão constante.

A Figura 2 exibe a curva característica para a corrente e tensão constante,

respectivamente, bem como às curvas das máquinas, curvas características do arco e o ponto de

operação da fonte.

Figura 2 – Curvas características. (a) corrente constante e (b)tensão constante

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

1.4. Características dinâmicas

As variações transientes de corrente e tensão geradas pela fonte devido sua resposta as

mudanças durante os processos de soldagem estão relacionados às características dinâmicas.

Para caracterizar as variações transientes é muito difícil, quando comparada à

caracterização estática, devido aos intervalos de tempo serem muito curtos.

A importância das características dinâmicas está relacionada a:

Abertura do arco;

4

Mudanças rápidas no comprimento do arco;

A transferência de metal através do arco;

A extinção e reabertura do arco em cada meio ciclo de corrente para o caso de soldagem

com corrente alternada

1.5. Ciclo de trabalho

O ciclo de trabalho ou fator de trabalho, como também é conhecido, é a relação entre o

tempo de operação ou tempo de arco (𝑡𝑎𝑟𝑐𝑜) permitido durante um intervalo de teste (𝑡𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒). O

tempo de teste é normalmente estipulado em 10 minutos. Através da equação abaixo é possível

estipular o ciclo de trabalho.

𝑪𝒕 =𝒕𝒂𝒓𝒄𝒐𝒕𝒕𝒆𝒔𝒕𝒆

∗ 𝟏𝟎𝟎%

Para uma fonte com 𝐶𝑡 = 40%, por exemplo, significa que a cada 10 minutos a máquina

de solda pode operar por até 4 minutos.

Isto é importante para a proteção dos componentes internos das fontes, pois com a

utilização prolongada os mesmos tendem a aquecer demasiadamente, devido a passagem da

corrente, ou seja, quando o equipamento não está operando o mesmo tende a resfriar. Respeitar

o ciclo de trabalho significa minimizar o aquecimento interno e garantir que a vida útil das

fontes não seja reduzido drasticamente.

A Figura 3 ilustra os ciclos de aquecimento e resfriamento interno durante a operação

de uma fonte.

Figura 3 – Ciclos de aquecimento e resfriamento interno

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

5

1.6. Tensão em vazio

A tensão em vazio ocorre quando a fonte não está submetida a nenhuma carga, ou seja,

corrente igual a 0. Independentemente do tipo da característica estática da fonte, a mesma

sempre fornecerá uma tensão em vazio para cada ajuste, a qual será maior ou igual à tensão de

trabalho.

Quanto maior a tensão em vazio da fonte, mais fácil é a abertura e a manutenção do

arco, em contra partida o risco de choque elétrico também é maior. Essa tensão varia entre 50

e 90 V.

2. TIPOS DE FONTES

A fonte de energia representa um papel fundamental na geração de uma corrente de

energia constante, mesmo ocorrendo variações na distância do arco e na tensão elétrica, esta

exigência deve-se ao fato de a maioria das aplicações serem manuais, onde a destreza e

habilidade dos soldadores são fundamentais para a manutenção do arco.

A fonte de potência deve ser selecionada para atender a demanda requerida e

particularidades de cada processo bem como manter o arco estável.

Podemos diferenciar as fontes a arco voltaico em dois tipos principais:

Fontes convencionais: onde os ajustes são feitos apenas para as características estáticas,

a Figura 4 mostra os principais tipos de fontes convencionais;

Figura 4 – Classificação das fontes convencionais

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

6

Fontes eletrônicas: sendo usados elementos da eletrônica de potência para o controle

não apenas das características estáticas, mas também as características dinâmicas.

2.1. Fontes transformadoras

Fontes transformadoras são equipamentos que transferem a energia elétrica de um

circuito de corrente alternada para outro através de um campo magnético sem modificar a

frequência, mas, dependendo de sua construção, levando a um aumento ou redução da tensão,

porém fornecem exclusivamente corrente alternada. São as mais simples de todas, sendo muito

barata.

Figura 5 – Fonte transformadora

Fonte: http://www.fg.com.br, acessado em 03/10/2013

2.2. Fontes retificadoras

Fontes retificadoras são do tipo transformador-retificador, que possuem semicondutores

e possibilitam a transformação de corrente alternada para corrente contínua, usando para isto

uma ponte de diodos. Essas fontes possuem CC e CA e em geral a alimentação da fonte é

trifásica e, mediante uma ponte retificadora de Greatz, obtém-se uma onda de saída monofásica.

Figura 6 – Fonte retificadora

7

Fonte: http://www.esab.com.br, acessado em 03/10/2013

2.3. Fontes eletrônicas

As fontes eletrônica é o objeto de estudo deste trabalho, a seguir abordaremos com mais

ênfase, porém resumidamente iremos diferenciá-las das fontes convencionais.

Em comparação com as fontes convencionais as fontes eletrônicas possuem um

desempenho superior, apresentando uma resposta dinâmica e reprodutibilidade muito elevadas.

Outra vantagem está na interface mais fácil com equipamentos periféricos automatizados, além

de poderem ser programadas

A redução de peso e dimensões, também são características marcantes das fontes

eletrônicas, porém seu alto custo e manutenção mais complexas são as principais desvantagens

quando relacionado com as fontes convencionais.

3. FONTES ELETRÔNICAS

3.1. Fonte tiristorizada

Máquinas de soldagem tiristorizadas apresentam um desempenho muito superior que as

fontes convencionais, pode ser considerada a primeira fonte eletrônica e é muito utilizada

quando comparada à outras fontes eletrônicas, devido sua robustez para a utilização em

ambientes fabris abertos, simplicidade na construção do equipamento de soldagem e a

possibilidade de controlar a saída da fonte com pequenos sinais eletrônicos.

8

O tiristor ou retificador controlado de silício (SCR) pode ser considerado como um tipo

de diodo chaveado, onde a condução da corrente no sentido de baixa resistência elétrica do

tiristor se inicia quando um sinal baixo é enviado a uma conexão adicional do dispositivo,

podendo ser denominado como um gatilho.

A Figura 8 a ilustra um diagrama esquemático de uma fonte tiristorizada monofásica.

Figura 8 – Diagrama esquemático de uma fonte tiristorizada monofásica

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

A velocidade de resposta deste tipo de fonte é limitada devido a anulação da corrente

antes do gatilho ser acionado novamente, mesmo com este inconveniente e com controles da

distorção da saída da corrente o desempenho e muito superior às fontes convencionais, o

controle da distorção é feito com o uso de alimentação trifásica e filtros, como capacitores ou

indutores.

Figura 9 – Fonte tiristorizada

Fonte: http://www.esab.com.br, acessado em 03/10/2013

9

3.2. Fonte transistorizada

As fontes transistorizadas podem ser divididas em dois tipos, transistorizadas analógicas

e fontes transistorizadas chaveadas.

3.2.1. Fonte transistorizada analógica

O funcionamento de uma fonte transistorizada analógica, ou series regulators, consiste

na operação em série dos transistores, que é um componente eletrônico onde a saída da corrente

é controlada pelo ajuste de uma pequena corrente atravessando uma de suas conexões,

denominado “base”, com um transformador-retificador. Esta operação conjunta controla

continuamente a saída da fonte através de uma corrente de base menor que seu valor de

saturação.

A Figura 10 exibe o princípio citado anteriormente, já a figura 11 mostra o

funcionamento do transistor, que pode ser comparado a um sistema hidráulico, onde a passagem

de água ou a corrente no caso do transistor que passa no duto principal é controlada por uma

válvula acionada por uma pequena vazão de água em um duto secundário.

Figura 10 – Princípio de funcionamento de uma fonte transistorizada analógica

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

Figura 11 – Sistema hidráulico análogo a um transistor de potência

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

10

O transistor pode operar com uma resistência variável ou uma chave liga-desliga. A

chave liga-desliga opera somente em dois níveis de corrente de base (𝐼𝑏), ou seja, 0 quando

desligado e 𝐼𝑠𝑎𝑡 quando ligado, isto é mostrado nas Figuras 11 (a) e 11 (c). Variando o valor da

corrente de base entre 0 e 𝐼𝑠𝑎𝑡 controlamos a saída da corrente, ver a Figura 11 (b).

Figura 12 – Fonte transistorizada analógica

Fonte: http://www.esab.com.br, acessado em 03/10/2013

3.2.2. Fonte transistorizada chaveada

Podendo também ser denominada de “choppers”, as fontes transistorizadas chaveadas

tem como diferencial em relação às fontes transistorizadas analógicas, a utilização dos

transistores como chaves, controlando a saída da fonte a uma elevada velocidade pelo tempo

que os mesmos permanecem abertos ou fechados.

A utilização de transistores como chaves, possibilita elevar de forma significativa a

eficiência da fonte, bem como utilizar o ar como sistema de refrigeração. Como consequência

pode-se projetar fontes mais baratas devido a construção mais simples, com menores dimensões

e um menor número de transistores.

Como a frequência do chaveamento é muito elevada, o processo gera um baixo ruído na

saída da máquina de solda, outra vantagem desta alta frequência é a velocidade de resposta da

fonte, sendo mais rápidas que as fontes convencionais.

A Figura 13 ilustra o circuito de fontes transistorizadas chaveadas, podemos observar

que o mesmo é semelhante ao das fontes transistorizadas analógicas.

11

Figura 13 – Princípio de funcionamento de uma fonte transistorizada chaveada

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

Figura 14 – Fonte transistorizada chaveada

Fonte: http://www.imc-soldagem.com.br/larry_flex.html, acessado em 03/10/2013

3.3. Fonte inversora

As fontes inversoras visam melhorar a eficiência das máquinas de soldagem, elas

trabalham com frequências muito elevadas o que possibilita a redução do tamanho das fontes,

devido a redução nos tamanhos dos transformadores. Outra vantagem das fontes inversoras está

relacionado à redução significativa no consumo de energia elétrica. A velocidade de resposta

bastante elevada também é uma grande vantagem.

O princípio de funcionamento consiste na retificação da corrente alternada da rede, em

seguida, no inversor a corrente contínua de tensão elevada é convertida em corrente alternada

de alta frequência, variando basicamente entre 5 e 50 kHz. A próxima etapa é a redução da

tensão, como a frequência é muita alta, um pequeno transformador é capaz de reduzir com

bastante eficiência.

12

Para a obtenção de uma corrente contínua para o processo de soldagem na saída do

transformador a mesma passa novamente por outro retificador.

A figura 15 mostra esquematicamente o funcionamento de fontes inversoras.

Figura 15 – Princípio de funcionamento de uma fonte inversora

Fonte: Fonte LHN 220i Plus - 50/60Hz - Catálogo ESAB

Como este processo provoca muito ruído, são instalados reatores ou capacitores para a

diminuição deste ruído.

Para efeito de comparação com fontes tiristorizadas a figura 16 mostra a variação da

corrente de soldagem durante a abertura do arco.

Figura 16 – Fonte transistorizada chaveada

Fonte: Soldagem: fundamentos e tecnologia

A figura 18 ilustra uma vista explodida com os principais componentes de uma fonte

inversora para soldagem com eletrodos revestidos e TIG.

13

Figura 18: Vista explodida de uma fonte inversora

Fonte: Fonte LHN 220i Plus - 50/60Hz - Catálogo ESAB

Figura 19 – Fonte transistorizada chaveada

Fonte: http://www.esab.com.br, acessado em 03/10/2013

14

REFERÊNCIAS

FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos Metais. Editora Edgard Blücher LTDA.

São Paulo, SP, 1977.

MARQUES, Paulo Villani, MODENESI, Paulo José & BRACARENSE, Alexandre

Queiroz. Soldagem: fundamentos e tecnologia. 3 ed. Minas Gerais: UFMG Editora. 2009.

WAINER, Emilio; BRANDI, Sergio Duarte; HOMEM DE MELLO, Fabio Decourt (Coord.). Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: E. Blücher, 1995-2005

Modern Welding Technology, 4a edição, H. B. Cary, Prentice Hall, cap. 10, 1998

http://pt.wikipedia.org/wiki/Soldagem_a_arco_el%C3%A9trico_com_eletrodo_revestido,

acessado em 27 de setembro de 2013.

http://www.esab.com.br/br/por/Produtos/equipamentos/index.cfm, acessado em 27 de

setembro de 2013.

http://www.labsolda.ufsc.br/, acessado em 27 de setembro de 2013.

http://www.drmsoldas.com.br/templates/drm/index.php?urlPage=downloads&idDwn=14,

acessado em 28 de setembro de 2013.

http://www.infosolda.com.br/component/search/?searchword=fontes&searchphrase=all&Item

id=121, acessado em 29 de setembro de 2013.

http://www.metalica.com.br/index.php, acessado em 29 de setembro de 2013.