Arco voltaico - Soldaduras

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Resumo teórico
Inicialmente consultemos um dicionário (Aurélio, por exemplo):

Soldadura
1. Ato ou efeito de soldar; soldagem.  2. A parte por onde se soldou. 

Solda
Substância metálica e fusível usada para ligar peças também metálicas. 

1 - Solda autógena. 
Solda de dois metais por fusão parcial deles, conseguida por meio do maçarico. 

2 - Solda de bismuto. 
A que se efetua com liga de bismuto, chumbo e estanho, de ponto de fusão muito baixo, usada na selagem dos extintores automáticos de incêndio. 

3 - Solda de chumbo. 
A que se efetua mediante liga de chumbo e estanho, de baixo ponto de fusão, relativamente mole, e pouco resistente. 

4 - Solda de prata. 
A que se efetua mediante liga de prata, zinco e cobre, e é muito dura e resistente. 

5 - Solda elétrica. 
A que se efetua pela ação de um arco elétrico. 

Soldadura elétrica por resistência
O aquecimento mediante corrente elétrica é amplamente usado para a soldadura de metais. Normalmente se utiliza da corrente alternada (rede elétrica), a qual é bastante conveniente para a obtenção das intensas correntes necessárias ao processo. A técnica mais comum para a obtenção de tais correntes implica no uso de um transformador abaixador de tensão.

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. 
A soldadura por pontos é freqüentemente usada em lugar da rebitagem;  com máquinas automáticas de solda elétrica por pontos o processo torna-se uniforme e rápido, demorando a soldadura de cada ponto apenas una fração de segundo.

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
Quando a corrente cessa num circuito, mediante a ação de um interruptor ou é interrompida por qualquer outro modo, se observa a amiúde um pequeno centelha entre os terminais metálicos onde ocorreu a interrupção: trata-se de um arco elétrico momentâneo. 
Com altas tensões o arco tende a persistir e não raramente deve-se recorrer a métodos especiais para suprimi-lo. Por outro lado, quando controlado apropriadamente, admite úteis aplicações.

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). 
O arco recebe este nome porque a corrente de ar quente que se eleva, tende a desvia-lo para cima, tomando a forma de um arco.

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 3 500^oC, enquanto que o negativo alcança uns 2 500^oC. 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.
Com o propósito de manter estacionária a corrente, deve-se associar em série um resistor de lastro.

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.
Como alternativa ao resistor de lastro, pode ser utilizado um gerador especial como fonte de alimentação para o arco. 

Soldadura elétrica por arco
Esta soldadura difere daquela de resistência por dois aspectos: não só o arco elétrico é responsável pela obtenção da temperatura de fusão, como também se acrescenta metal fundido extra para completar a soldadura. Por tanto, esta é uma forma de solda por fusão, distinta da solda por pressão, onde o metal tendo chegado à temperatura de solda, é unido por pressão, como ocorre na soldadura por resistência. 

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
Produção de intensa luminosidade; condução gasosa; obtenção de altas temperaturas; forno elétrico.

Material
Dois bastões de carvão, com cobertura de fina camada de cobre (carvões usados em projetores cinematográficos antigos, diâmetro 0,4 a 1 cm, comprimento acima de 15 cm); 
um resistor para chuveiro (220 V, 3000 W); 
suporte metálicos em latão; 
cordão de força para 15 A e interruptor para 15 A;
base para montagem (piso cerâmico).

Montagem

Comentário
Os carvões podem ser retirados de pilhas de telefone gastas, ou ainda, obtidos de projetores cinematográficos antigos (procure em cinemas antigos e você achará caixas desses bastões totalmente sem uso). A distância entre os bastões verticais é de 0,5 cm. A excitação inicial, efetuada entre as extremidades livres, pode ser feita com o carvão de um lápis de carpinteiro, tocando simultaneamente as duas pontas. 
Uma vez incandescentes, o arco se estabelece e se mantém mesmo retirando o excitador.

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: