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Arco voltaico - Soldaduras Prof.
Luiz Ferraz Netto Resumo
teórico Soldadura Solda Soldadura
elétrica por resistência
A figura (a) mostra o princípio da soldadura de topo. As peças metálicas, a serem unidas pela soldadura elétrica, são postas em contato e se faz fluir por elas uma intensa corrente elétrica. A região da junção apresenta uma resistência elétrica muito maior que aquelas impostas pelas peças metálicas e, por isso, ali, a temperatura se eleva rapidamente até a temperatura de soldadura; forças de compressão são aplicadas para completar o processo. Um
método diferente, conhecido como soldadura por
pontos, figura (b), é o mais empregado para soldar placas
ou laminas metálicas. As folhas, sobrepostas, são apertas entre dois
eletrodos de uma liga de cobre de grande condutividade, amiúde resfriados
interiormente. Quando passa a corrente entre dois eletrodos, o ponto de
união das lâminas se aquece até a temperatura de soldadura; então se
corta a corrente e se afastam os eletrodos. Os métodos esboçados acima denominam-se soldaduras por resistência, porque se baseiam na resistência elétrica das superfícies metálicas em contacto. Existe outro método importante chamado soldadura autógena ou, ainda, soldadura de arco; porém, antes de comentarmos sobre isso, vale considerar primeiro o arco elétrico e suas propriedades. Arco
elétrico No
arco de carvão (carbono) - muito conhecido
por arco voltaico -, são postos em contato dois bastões de
carbono (normalmente revestidos por fina camada de cobre), que são
separados a seguir. A intensa corrente elétrica esquenta os bastões no
ponto de contacto e, quando se separam, o fluxo continua através do vapor
de carbono que há entre eles, formando um arco luminoso, como na figura
(c).
Grande parte da intensa luz produzida provém não propriamente do arco e sim d os extremos superaquecidos dos bastões de carvão. O carvão positivo (nas aplicações onde o sistema é alimentado por corrente contínua) alcança uma temperatura ao redor dos 3 500oC, enquanto que o negativo alcança uns 2 500oC. Isto justifica porque o positivo contribui com três quartas partes da luz produzida mas, todavia, como queima muito mais rapidamente que o bastão negativo, fica explicado também o porque, geralmente, esse bastão é fabricado mais grosso que o outro (repare isso na figura (c)). Sob corrente contínua, quando os bastões se encontram próximos, forma-se uma cratera no extremo do bastão positivo. A d.d.p. necessária para manter o arco depende da separação dos bastões ou barras do material utilizado. Com eletrodos de carvão são necessários cerca de 40 volts para sua produção e devemos acrescentar uns 3 volts para cada milímetro de separação; por exemplo, um arco típico de 5 milímetros de extensão necessitará de 50 a 60 volts para ser mantido. Com eletrodos metálicos a d.d.p. de funcionamento é muito menor. A lei de Ohm, no geral, não é obedecida para a condução através de um vapor ou de um gás, sendo isso particularmente correto no caso do arco elétrico. Se a corrente elétrica que passa pelo arco for controlada e ajustada mediante um reostato em série e medirmos para sucessivos valores da intensidade de corrente a d.d.p. entre os extremos do arco, obteremos uma curva característica como a ilustrada na figura (d).
Nota: Aqui utilizamos o eixo horizontal para as intensidades de corrente e o eixo vertical para as correspondentes d.d.p., técnica pouco comum para o levantamento de curvas características. A razão disso é que o arco não manterá uma corrente constante para uma d.d.p. fixada, porém, inversamente, se a intensidade de corrente for mantida constante (mediante um controle externo), a d.d.p. se manterá fixa. Assim, a intensidade de corrente aqui é a variável 'independente' e, como tal, grafada no eixo horizontal. A
curva mostra que, ao aumentarmos a intensidade de corrente, diminui a
d.d.p. através do arco. Um fator de contribui para isso é o aumento na
seção transversal do arco, o que determina uma diminuição em sua
resistência efetiva. Uma conseqüência importante disso é que o arco
torna-se instável quando se opera com uma fonte de tensão constante; se
a corrente diminui, a d.d.p. (que é constante) torna-se inadequada para
manter o arco e esse se extingue; se a corrente aumenta, a d.d.p. (que é
constante) comporta-se muito alta para a operação e o arco se fortalece
até formar um verdadeiro curto circuito. A curva característica do arco de carvão da figura (d) foi reproduzida na figura (e), com o objetivo de investigar o efeito de se intercalar um resistor de lastro de resistência de 1 ohm. A
curva característica do resistor é uma reta, pela origem, porque obedece
a lei de Ohm; também, como sua resistência é de 1 ohm, a razão
entre a d.d.p. e a intensidade de corrente ao longo da linha reta é a
unidade (U/i = 1). As características combinadas do resistor e do arco em
serie se obtém somando-se as ordenadas; por exemplo, para uma corrente de
20 ampères, a tensão, AC, entre os terminais do resistor é de 20 volts
e entre os extremos do arco, AB, é de 52 volts; então, a tensão total
para resistor e arco será de 72 volts, como é indicado por AD. As
características combinadas têm seu ponto de mínimo em P, que
corresponde a uma intensidade de corrente de 8 ampères. Abaixo deste
valor de corrente o circuito é instável, porém, acima desse valor sua
operação é estável como se observa pela curva característica que se
eleva. Quanto maior for o valor da resistência de lastre, tanto menor
será a corrente com a qual se chega à estabilidade. Soldadura
elétrica por arco A figura (f) representa o principio da soldadura por arco, formando-se este entre o eletrodo e a união das duas placas. Quando se utiliza um eletrodo metálico, o calor do arco funde sua ponta, obtendo-se assim o metal extra necessário para a soldadura. São necessários uns 50 volts, para formar o arco e uns 20 volts para mantê-lo, enquanto que a corrente, em um caso típico, fica ao redor de uns 100 ampères. Esses dados requerem uma 'atualização' e, assim, sugestões de profissionais do ramo seriam altamente bem vindas.
Com um eletrodo de carvão, figura (g), o trabalho se conecta, via de regra, ao positivo da fonte, chegando-se assim mais facilmente à temperatura de soldadura. O metal extra se fabrica em forma de varetas que serão fundidas na chama do arco. O arco se forma com a aplicação de uns 80 volts e se mantém sob uns 45 volts com correntes de mais de 600 ampères. Parte Experimental Objetivo
Montagem
Comentário Mantenha a vista protegida da luz produzida, pois é fortíssima! Esses bastões de carvão, para cinema, são produzidos com carvão pulverizado e, a seguir, aglomerados dentro de um tubo de cobre de paredes bem finas. Para arcos voltaicos de pequena potência (para demonstrações em sala de aula, por exemplo), podemos utilizar os carvões (grafites) retirados de lápis de carpinteiro. Em lugar do resistor de chuveiro pode-se experimentar, na série, lâmpadas desde 40 até 200 W. Outra possibilidade é usar os carvões retirados de pilhas de telefone. Eis a montagem (sem escala) dessa variante, com grafites de lápis de carpinteiros:
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