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Sistema de Controle da Oscilao do Arco Eltrico no Processo de Soldagem TIG por Meio da
Variao do Campo Magntico
(Control System of the Electric Arc Oscillation in the Welding Process TIG by Variation of the Magnetic
Field)
Diego Raimundi Corradi1, Leonel Dimas de Abreu
2, Wellerson Romaniello de Freitas
3, William de Melo Silva
1
1PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DE MINAS GERAIS, Departamento de Ps Graduao em
Engenharia Mecnica, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, [email protected],
[email protected] 2PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DE MINAS GERAIS, Departamento de Engenharia Mecnica,
Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, [email protected] 3PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DE MINAS GERAIS, Departamento de Fsica, Belo Horizonte,
Minas Gerais, Brasil, [email protected]
Resumo
A oscilao do arco eltrico durante a realizao do cordo de solda pelo processo TIG pode ser feita por meio
do eletromagnetismo. Assim, foi desenvolvido um sistema capaz de controlar os parmetros da oscilao do
arco eltrico. A partir de testes experimentais, foi analisado o comportamento do arco diante do campo
magntico gerado. Foi verificado o campo magntico necessrio para provocar a deflexo do arco eltrico,
cuja resposta, devido s alteraes no campo magntico, instantnea. O arco se mostrou estvel quando
posicionado a 20 mm do entreferro do eletrom para as condies de frequncia de oscilao em 0,3 e 0,5 Hz,
e comprimento de arco de 8 mm. Todavia, ocorreu uma tendncia sua extino quando posicionado
diretamente no entreferro. A elevao da corrente de soldagem causou maior estabilidade ao arco eltrico e
reduo na amplitude de oscilao. Contudo, para promover uma fuso uniforme sob toda a rea de
deslocamento do arco eltrico necessrio que a inverso de campo magntico se d de modo suave e contnuo.
Por fim, verificou-se que um eletrom de menor capacidade pode apresentar resultados to satisfatrios quanto
os encontrados, alm de economia de peso, melhor dimensionamento e reduo de temperatura no ncleo.
Palavras-chave: Arco eltrico. TIG. Eletromagnetismo. Deflexo. Cordo de solda.
Abstract: The electric arc oscillation during the execution of the weld bead by TIG process can be done by
electromagnetism. Thus, a system which is capable for controlling the parameters of the arc oscillation was
developed. From experimental tests, the arcs behavior, due to the magnetic field generated, was analyzed. It was checked the magnetic field necessary to cause the deflection of the arc, whose response, due to changes in
the magnetic field, is instantaneous. The arc was stable when positioned 20 mm from the air gap of the
electromagnet, for the conditions of oscillation frequency of 0.3 and 0.5 Hz, and arc length of 8 mm. However,
there was a tendency to arc extinction when it is placed directly in the air gap. The increase in the welding
current causes more arc stability, although promoting a reduction in the oscillation amplitude. To promote an
uniform melting in the whole area of the arc's displacement, it is necessary that the inversion of magnetic field
occurs in a slower and continuous mode. Finally, it was found that an electromagnet of lower capacity could
produce results as satisfactory as those found, besides of weight saving, better designed and reduction in the
core temperature.
Key-words: Electric arc. TIG. Electromagnetism. Deflection. Weld bead.
XXXIX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem 25 a 28 de Novembro de 2013
Curitiba, PR, Brasil
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1. Introduo
Durante a realizao do passe de raiz em juntas de topo chanfradas com o processo de soldagem TIG, sigla
proveniente do ingls - Tungsten Inert Gas, o movimento oscilatrio da tocha normalmente executado
manualmente ou por um sistema mecnico. Contudo, como o arco eltrico de soldagem um condutor flexvel,
ele est sujeito s influncias de campos magnticos externos, o que possibilita sua deflexo a partir de foras de
origem eletromagntica. Quando um condutor eltrico de comprimento definido e percorrido por uma corrente
eltrica colocado em uma regio onde exista um campo magntico, ele experimentar uma fora, conhecida
como Fora de Lorentz, sendo essa fora perpendicular ao campo magntico e ao comprimento do condutor [1]. O arco eltrico um condutor de corrente eltrica no estado gasoso, por sua vez, a sua sensibilidade a
campos magnticos significativamente influenciada. Assim, possvel defletir o arco eltrico a partir de um
campo magntico. O que possibilita o desenvolvimento de um sistema capaz de oscilar o arco eltrico por meio
do eletromagnetismo.
Os primeiros testes nessa rea ocorreram em 1960, quando foi registrada uma carta patente de William J.
Greene [2], sobre um sistema eletromagntico capaz de oscilar o arco eltrico em processos de soldagem a arco
com proteo gasosa aplicado em revestimentos de chapas. Tal sistema consistia de duas bobinas conectadas em
srie e uma fonte de alimentao de frequncia varivel. O arco eltrico foi posicionado entre essas duas
bobinas, cujos polos prximos do arco so de polaridades opostas. Greene observou que h uma relao crtica
entre a frequncia de oscilao do arco eltrico e o tempo necessrio para que ocorra a transferncia do metal
fundido da ponta do eletrodo para a pea. Para ele, esse tempo deve ser inferior a meio ciclo de oscilao do
arco, preferencialmente, inferior a um quarto do ciclo. Greene afirma que os melhores resultados do processo so
garantidos quando a corrente de soldagem contnua, e a das bobinas alternada, em forma de onda quadrada.
Caso a corrente de soldagem seja alternada, a frequncia de oscilao do arco ser a diferena entre a frequncia
da corrente de soldagem e a frequncia da corrente nas bobinas. Em 1990, Chen, Smith e Lucas [3]
desenvolveram um sistema eletromagntico para controle da oscilao do arco eltrico no processo de soldagem
TIG. Nesse sistema foi utilizado um microcomputador, um conversor digital analgico, amplificadores de
potncia e um nico eletrom. Eles afirmam que o eletrom deve ser posicionado atrs do eletrodo a uma
distncia de 5 mm e que a forma de onda do campo magntico deve ser trapezoidal para um melhor controle da
largura do cordo de solda e da fuso do material. Foi observado que a intensidade do campo magntico, a
deflexo do arco eltrico e, consequentemente, a tenso do arco crescem linearmente com o aumento da corrente
na bobina e que quanto maior a intensidade do campo magntico mais largo o cordo de solda e menor a
penetrao. A oscilao do arco eltrico tambm proporcionou uma melhora aprecivel na aparncia do cordo
de solda.
Diversos estudos encontrados na literatura abordam os efeitos da oscilao do arco eltrico na soldagem de
ligas de alumnio [4, 6, 9 e 11], titnio [5], nquel [7] e ao [8 e 10]. Em geral, observado que para valores
timos de frequncia e amplitude de oscilao, a solda apresenta uma melhora em suas propriedades mecnicas,
devido ao refino de gros e formao de gros equiaxiais. Isso se deve reduo na energia de soldagem devido
ao aumento da velocidade efetiva de soldagem causada pela oscilao do arco eltrico, que contribui com o
aumento da taxa de resfriamento [9]. Biradar e Raman [11] investigaram o fenmeno da fissurao a quente na
soldagem da liga de alumnio AA2014 pelo processo TIG com oscilao mecnica transversal do arco eltrico.
Eles observaram que a oscilao garantiu a solda alta resistncia fissura a quente. Essa oscilao pode ser feitas
de forma mecnica [8-11], eletromagntica [4-7] e manual. Podendo tambm variar o tipo da deflexo, que pode
ser transversal [4, 5, 9-11], longitudinal [8], circular ou elipsoidal [6]. A combinao do processo com oscilao
do arco eltrico e corrente pulsada garante resultados ainda melhores solda [6].
Diante dos benefcios que a oscilao do arco eltrico garante a solda, e da possibilidade de defletir o arco
eltrico por meio do eletromagnetismo, o presente trabalho visa desenvolver um sistema eletromagntico de
oscilao para o processo de soldagem TIG, que permita o controle da frequncia e amplitude de oscilao do
arco eltrico, e concluir realizando uma anlise do comportamento do arco diante do campo magntico externo
produzido pelo sistema.
2. Materiais e Mtodos
O eletrom utilizado neste trabalho apresentado na Figura 1. Ele consiste de trs ncleos de ao silcio,
sendo dois em perfil U e um em perfil I, duas bobinas ligadas em paralelo, cada uma com trezentas espiras feitas
de enrolamento de fio de cobre e resistncia total de 2,1 , e indutncia de 39 mH. A seleo do eletrom foi feita a partir de testes experimentais, j que no era conhecido o valor do campo magntico necessrio para
defletir o arco eltrico. Assim, a partir de um arco de 8 mm produzido por uma mquina de solda TIG, cuja
corrente de soldagem era de 150 A, eletroms foram testados. Buscou-se o eletrom que fosse capaz de defletir
o arco eltrico, aplicando em seus terminais tenses contnuas de at 5 V, e que no apresentasse um
aquecimento excessivo em seu ncleo e suas bobinas durante um tempo mnimo de funcionamento de 5 minutos.
CorradiRealce
CorradiRealce
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Figura 1. Eletrom utilizado
Os experimentos envolvendo o sistema de controle da oscilao e o arco eltrico foram feitos com o processo
de soldagem TIG autgeno, sendo utilizada a mquina de solda Caddy TIG 2200i AC/DC, fabricada pela ESAB.
O gs de proteo utilizado foi o gs argnio com pureza de 99,999%, um eletrodo de tungstnio com 2% de
tria (ThO2), dimetro de 3,2 mm e ponta com ngulo de 60. A polaridade da corrente de soldagem utilizada foi
CC-. A soldagem foi realizada sobre um bloco de ao SAE 1045 de 75 mm de espessura. As medies do campo
magntico produzido pelo eletrom foram feitas a partir do gaussmetro digital com preciso de 2 %
GAUSSMETER MG-2000 com sensor Hall, fabricado pela empresa Magnetos Gerais. Foram realizados cinco
experimentos objetivando analisar o comportamento do arco eltrico diante do campo magntico produzido e
controlado pelo sistema eletromagntico de oscilao. Sendo essa anlise feita em funo de trs variveis: 1.
Corrente de soldagem, 2. Frequncia de inverso do campo magntico, 3. Intensidade do campo magntico. A
tocha de soldagem, juntamente com o eletrom, permaneceu fixa em relao ao bloco de ao onde formaria a
poa de fuso, garantindo um comprimento de arco de 8,0 mm. O esquema de montagem para os testes
apresentado na Figura 2.
Figura 2. Montagem para os testes
CorradiRealce
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Nos experimentos, os valores do campo magntico, ajustados pelo sistema de controle da amplitude
oscilao, foram de 0,01 e 0,02 T. Os valores da frequncia de oscilao, ajustados pelo sistema de controle da
frequncia de oscilao, foram de 0,3 e 0,5 Hz. A corrente de soldagem foi ajustada na mquina de solda, cujos
valores utilizados foram de 45, 75, 100 e 150 A. Os testes foram realizados sob duas condies, com o arco
eltrico posicionado dentro, e com afastamento de 20 mm do entreferro. A Tabela 1 apresenta os valores das
variveis de processo para cada teste feito.
Tabela 1. Valores das variveis de processo para cada teste feito.
Teste Intensidade do Campo
Magntico (T)
Corrente no
Eletrom (A)
Frequncia de Inverso do
Campo Magntico (Hz)
Corrente de
Soldagem (A)
1 0,02 1,0 0,3 45
2 0,02 1,0 0,3 75
3 0,01 0,6 0,3 100
4 0,01 0,6 0,5 100
5 0,01 0,6 0,5 150
3. Resultados e Discusso
3.1. Frequncia Mxima de Oscilao do Arco Eltrico
O circuito eltrico formado pelo eletrom e uma fonte de tenso contnua pode ser modelado como um
circuito RL, cuja equao caracterstica dada pela Equao 1 [1].
( ) ( )
(1)
Onde R a resistncia (), L a indutncia (H), E a tenso contnua (V), i(t) a corrente eltrica em funo do tempo (A) e t o tempo (s).
A corrente eltrica nesse tipo de circuito apresenta um comportamento caracterstico devido presena do
indutor, no caso, o eletrom. Cargas indutivas se comportam de acordo com a Lei de Lenz [1]. Essa lei afirma
que, inicialmente, um indutor se ope a qualquer variao da corrente que o atravessa. Aps um determinado
tempo, o indutor se comporta como um fio comum. Esse tempo conhecido como tempo de acomodao e
separa o regime transiente, onde a corrente cresce exponencialmente, do regime permanente, onde a corrente
permanece constante e com seu valor mximo, que o valor desejado [12]. A Figura 3 exemplifica o
comportamento da corrente no eletrom deste trabalho, cuja resistncia (R) de 2,1 e a indutncia (L) de 39 mH, para uma tenso contnua (E) de 2,1 V.
Figura 3. Grfico da corrente em funo do tempo no eletrom
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Conhecer o valor do tempo de acomodao fator determinante, uma vez que ele limita a frequncia mxima
de oscilao do arco eltrico. Isso acontece porque antes que esse tempo seja atingido, a corrente imposta no
eletrom para produzir um campo magntico desejado ainda no ter sido alcanada. Assim, para frequncias
acima desse valor mximo, a inverso da corrente no eletrom, objetivando inverter o sentido do campo
magntico e, consequentemente, da deflexo do arco eltrico, ocorre antes que ela atinja seu valor mximo,
interferindo na amplitude de oscilao do arco, que no atingir seu valor desejado, j que esta depende do
campo magntico que, por sua vez, depende da corrente eltrica. A partir da Equao 2, possvel calcular o
valor desse tempo para uma acomodao de 99,3 % do valor mximo [12]. A frequncia mxima de oscilao
dada pelo inverso do tempo de acomodao.
(2)
De acordo com essa equao, o tempo de acomodao depende da indutncia (L) e da resistncia (R) do
eletrom. A partir de um multmetro foi medido o valor da resistncia total das bobinas do eletrom, ligadas em
paralelo. O valor encontrado foi de 2,1 . J o valor da indutncia foi encontrado a partir do experimento ilustrado na Figura 4 e clculos que sero demostrados a seguir. Nesse experimento uma tenso alternada de 12
V foi aplicada no eletrom, cujas bobinas estavam ligadas em paralelo, sendo gradativamente reduzida. Com o
auxlio de um multmetro, os valores da corrente eltrica para cada tenso foram coletados.
Figura 4. Experimento para medio da impedncia do eletrom
A equao que caracteriza o eletrom alimentado por uma tenso alternada [1]:
(3)
Onde Vca a tenso alternada (V), Z a impedncia () e ica a corrente alternada (A). Com os valores de tenso alternada e suas respectivas correntes foi gerado um grfico, cujo coeficiente
angular o valor da impedncia (Z) do circuito, no caso 14,846 . A Figura 5 apresenta o grfico gerado.
-
Figura 5. Grfico da Tenso Alternada (Vca) pela Corrente Alternada (ica)
Sabendo que, para o circuito RL [1],
(4)
Onde Z a impedncia (), R a resistncia () e XL a reatncia indutiva (). E que [1],
(5)
Onde f a frequncia da tenso alternada (Hz) e L a indutncia (H). Substituindo a Equao 5 na Equao 4 e
isolando L, temos:
(6)
Assim, sabendo que a frequncia (f) equivale a 60 Hz, a impedncia (Z) 14,85 , a resistncia (R) 2,1 e substituindo esses valores na Equao 6, temos o valor da indutncia do eletrom deste trabalho que de 39
mH. A partir da Equao 2 e dos valores de indutncia (L) e resistncia (R) do eletrom, temos o tempo de
acomodao (93 ms). Assim, a frequncia mxima de oscilao, que o inverso do tempo de acomodao,
equivale a 10,75 Hz. Para frequncias acima desse valor, o eletrom utilizado no atende, conforme explicado
anteriormente.
3.2. Desenvolvimento do Sistema de Controle da Oscilao do Arco Eltrico
A oscilao do arco eltrico est em funo de duas variveis, a frequncia e a amplitude, sendo que cada
uma dessas variveis controlada de forma independente. Assim, existem dois sistemas de controle, um
responsvel pelo controle da frequncia de oscilao e o outro pela amplitude oscilao. Como a deflexo do
arco eltrico cresce linearmente com o aumento da corrente na bobina [3], permitido utilizar uma fonte de
tenso contnua varivel como o sistema responsvel pelo controle da amplitude de oscilao do arco eltrico.
Assim, controlando a tenso no eletrom, se controla a corrente, o campo magntico e, consequentemente, a
amplitude de oscilao do arco eltrico. Nesse trabalho, a fonte de alimentao digital MPL-1305M fabricada
pela Minipa foi utilizada. Ela capaz de fornecer uma sada varivel de tenso contnua de 0 a 32 V e de
corrente contnua de 0 a 5 A. Para o controle da frequncia de oscilao do arco eltrico, um sistema eletrnico
foi desenvolvido, cujo circuito eletrnico apresentado na Figura 6. Esse sistema consiste em um circuito
integrado (CI) capaz de gerar pulsos de tenso em frequncia controlada. Em um nvel alto dos pulsos, um
transistor polarizado e passa a conduzir corrente, permitindo que um rel seja acionado, invertendo a tenso e,
consequentemente, o campo magntico no eletrom. J em nvel baixo, o transistor encerra a conduo de
corrente e o rel retorna a posio de origem, invertendo novamente a tenso e, consequentemente, o campo
magntico. Com esse sistema, possvel inverter o campo magntico em frequncias de 0,3 a 0,9 Hz. A forma
de onda do campo magntico se aproxima de uma onda quadrada alternada.
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Figura 6. Circuito eletrnico do sistema de controle da frequncia de oscilao do arco eltrico
O CI utilizado o 555, representado na Figura 6 como U1. Nesse sistema, ele est operando como um
oscilador, ou seja, um gerador de pulsos, sendo os tempos em nvel alto e em nvel baixo iguais. Para esse modo
de operao, uma configurao especial necessria, que feita a partir da ligao de U1 com capacitores e
resistores, conforme ilustrado na Figura 6. Essa configurao exige um capacitor de polister metalizado (C2)
de 22 nF ligado no pino 5 e um capacitor de polister metalizado (C3) de 220 nF ligado no pino 8, sendo esses
dois capacitores tambm aterrados. necessrio alimentar o pino 4 e 8 com 15V e aterrar o pino 1. No pino 2
est ligado um capacitor de tntalo (C1) de 1 F que tambm aterrado e em paralelo a ele tem-se um resistor (R1) de 1 M em srie com um trimpot (R2) de 2 M que tambm est ligado no pino 3, que o sinal de sada dos pulsos de tenso.
O tempo de durao do pulso em nvel alto ou em nvel baixo, j que os dois so iguais, depende dos valores
de C1, R1 e R2. Seu clculo feito a partir da Equao (7). Esse tempo deve ser maior ou igual ao tempo de
acomodao, para que a corrente atinja seu valor desejado antes que ocorra sua inverso.
(7)
Onde C o valor da capacitncia de C1 (F) e R o valor da soma das resistncias de R1 e R2 (). Neste trabalho, C1 possui a capacitncia de 1 F e a soma das resistncias de R1 e R2 pode variar de 1 a 3 M. Assim, esse tempo pode varia de 1,1 at 3,3 s, dependendo da resistncia definida em R2, que varivel. A frequncia
de oscilao o inverso deste tempo e varia de 0,3 a 0,9 Hz.
O diodo D1 (1N4148) est ligado na sada de U1 (pino 3), que serve de proteo ao CI. O resistor R3 (10K) limita a corrente de base que chega ao transistor T1 (BC338). O LED D3, ligado junto com o resistor R4 (1K), serve apenas para facilitar a visualizao do sinal de oscilao gerado. O diodo D2 (1N4001) ligado em
paralelo com a bobina do rel, funcionando como um diodo de roda livre, para a proteo da bobina do rel RL
contra a tenso reversa gerada devido a Lei de Lenz [1]. RL um rel de dois contatos reversveis (1NA e 1NF).
Esse sistema exige uma alimentao de 15 V. Uma proteo para os contatos de RL, contra a alta variao de
tenso que existe em seus contatos devido inverso, praticamente instantnea, de tenso que ocorre a cada
chaveamento do transistor, foi criada. Sendo essa proteo um Snubber, apresentado na Figura 7, constitudo de
um capacitor de polister metalizado de 100nF em srie com um resistor de 68. Foi utilizado um para cada contato.
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Figura 7. Snubbers de proteo
A simulao do sistema de controle da frequncia de oscilao do arco eltrico foi feita pelo software Proteus
8 Demonstration, fabricado pela Labcenter Eletronics.
3.3. Deflexo do Arco Eltrico
Em todos os testes foi observada uma deflexo satisfatria do arco eltrico, sendo que o campo magntico
necessrio para causar tal deflexo foi menor que o esperado. A Figura 8 mostra a deflexo do arco para os
campos magnticos de 0,01 T (Corrente de soldagem de 100 A) e 0,02 T (Corrente de soldagem de 150 A).
Figura 8. Poa de fuso formada durante o processo
A poa de fuso se mostrou uniforme apenas nos extremos de oscilao do arco eltrico, ocorrendo uma falta
de fuso no ponto mdio da deflexo, conforme pode ser observado na Figura 9. Isso se deve a forma de onda do
campo magntico gerado, que se aproxima de uma onda quadrada alternada, e do tempo de resposta
praticamente instantneo do arco eltrico diante das alteraes na intensidade e no sentido do campo magntico.
Confirmando as observaes feitas por Chen, Smith e Lucas [3], que afirmam que a forma de onda do campo
magntico deve ser trapezoidal para um melhor controle da largura do cordo de solda e da fuso do material.
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Figura 9. Poa de fuso formada durante o processo
Reis et al. [13] estudaram a resistncia do arco eltrico extino devido presena externa de campos
magnticos dinmicos em funo da corrente de soldagem e da direo de deflexo, no processo de soldagem
TIG com corrente contnua. Eles observaram que quanto maior a corrente de soldagem, maior a resistncia
extino do arco. J o sentido da deflexo apresenta pouca influncia, mas arcos que se defletem para trs so mais resistentes extino. Eles afirmam tambm que amplitudes elevadas de deflexo podem levar a um alto
risco de extino. Nos experimentos deste trabalho, o arco se mostrou estvel quando posicionado a 20 mm do
entreferro, mas com grande tendncia extino quando posicionado diretamente no entreferro. Apenas no teste
com corrente de soldagem de 150 A, o arco eltrico suportou a regio do entreferro, a Figura 10 mostra sua
deflexo nessa regio. Foi constatado que a elevao da corrente de soldagem atribui maior estabilidade ao arco
eltrico, apesar de promover uma reduo na amplitude de oscilao.
Figura 10. nica condio em que o arco eltrico suportou a regio do entreferro
4. Concluses
O valor do campo magntico necessrio para promover uma deflexo satisfatria do arco eltrico, para as
condies de testes, foi relativamente pequeno, em torno de 0,01 e 0,02 T. O eletrom utilizado no experimento
est superdimensionado para essa aplicao, assim, um eletrom de capacidade bem menor que o utilizado
poderia ser empregado. Este fato possibilitar uma reduo no tamanho do eletrom e, assim, uma reduo no
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peso final da estrutura que suporta a tocha de soldagem e o eletrom. Poder tambm ser testado um eletrom
com um entreferro maior, reduzindo assim a proximidade do seu ncleo com o arco eltrico e,
consequentemente, evitando o aquecimento excessivo do mesmo. Um eletrom melhor dimensionado tambm
poder ser utilizado, facilitando sua montagem na estrutura. Para as condies de teste, o arco se mostrou estvel
quando posicionado a 20 mm do entreferro do eletrom, mas com tendncia a extino quando posicionado
dentro da regio do entreferro. A elevao da corrente de soldagem garante maior estabilidade ao arco diante do
campo magntico. Contudo, reduz a amplitude de oscilao. A forma de onda do campo magntico produzido no
eletrom utilizado se aproxima bastante de uma onda quadrada alternada, isso provoca uma inverso instantnea
de posio do arco eltrico quando o campo magntico inverte de sentido, j que o arco apresenta uma rpida
resposta diante das alteraes do campo magntico, alm de permanecer apenas nos extremos de oscilao,
levando a uma falta de fuso no ponto mdio de deslocamento do arco eltrico. Assim, para garantir uma poa de
fuso mais uniforme sob toda a rea de deslocamento do arco eltrico, necessrio que a inverso de campo
magntico se d de modo mais suave e contnuo, utilizando um sistema de controle de tenso e corrente mais
sofisticado, como um inversor de frequncia ou um chopper.
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