o calor gerado no arco, devido à conversão da potência elétrica (
), química, mecânica, etc., durante um período de tempo, mas que não necessariamente se transfere todo para a chapa (Qp)
o calor que vai efetivamente ser transferido para a chapa, mas não necessariamente fazer o cordão de solda
FONTE DE CALOR = Qp - PERDAS
Em se tratando do processo de soldagem, o que seriam as perdas acima referenciadas?
Passo 1
O que o enunciado dá e o que ele pergunta:
- Foi definido que existe um calor gerado no arco, chamado aqui de
, que vem da conversão de potência elétrica ( ) e de contribuições químicas, mecânicas etc., ao longo de um tempo . - Foi distinguido que parte desse calor vai efetivamente para a chapa (energia que pode aquecer e/ou derreter metal) e outra parte não (perdas).
- O enunciado formula a relação conceitual: FONTE DE CALOR
PERDAS. - Pergunta: em soldagem, quais são exatamente essas “perdas” referenciadas?
Informações relevantes que vamos usar (sem resolver nada ainda):
-
é a energia gerada na zona do arco durante um intervalo de tempo (por exemplo se for a potência média). - Nem toda a energia gerada fica disponível para formar o cordão de solda; parte é desviada ou dissipada por vários mecanismos — são essas as perdas que precisamos identificar e entender.
Passo 2
Conceito físico e balanço de energia (aula rápida e intuitiva)
- Energia elétrica entra no sistema pela fonte; no arco parte dessa energia aparece como calor no plasma, radiação, movimento de gotas, aquecimento de consumíveis e da peça, etc.
- Definição útil: eficiência de arco
dada por
onde
é a energia que efetivamente contribui para formar o cordão (aquecimento+melt pool útil). As perdas são tudo que faz
.
- Fórmula energética simples para visualizar:
Agora vamos listar e explicar, um por um, os mecanismos físicos que compõem
.
Passo 3
Perdas por radiação do arco e do plasma
- O arco emite energia na forma de luz (visível), infravermelho e ultravioleta. Essa emissão é perda porque essa energia sai para o ambiente e não aquece diretamente a zona de fusão.
- Ordem de grandeza e fórmula (apenas para ter noção): perda radiativa por tempo
onde
é emissividade,
é a constante de Stefan–Boltzmann,
é área radiativa e
é temperatura do plasma/superfície. Em soldagem isso pode ser uma contribuição significativa porque o plasma é muito quente.
Passo 4
Perdas por convecção (gases, fluxo e vento)
- O arco e a zona quente perdem calor por convecção para o ar e para o gás de proteção. Fluxo do gás de proteção muito forte ou corrente de ar ambiente aumenta essa perda.
- Modelo aproximado:
onde
é coeficiente convectivo (depende de velocidade do gás/vento).
- Na prática: sopro do gás, ventilação, ou geometria exposta aumentam
e resfriam a poça antes que ela forme o cordão ideal.
Passo 5
Perdas por condução para a peça (dissipação para massa fria)
- Parte grande da energia é conduzida para regiões frias da própria peça, para suportes, garras, matrizes, backing bars etc. Essa energia aquece metal que não entra no cordão imediato e “rouba” energia da poça.
- Conceito: condutividade térmica
e gradiente de temperatura governam essa perda. Para um “canal” simples:
onde
é uma distância característica para massa fria. Placas finas, peças com alta condutividade (ex.: cobre) ou com massas grandes acopladas (garras, recursos de apoio) aumentam essa perda.
Passo 6
Perdas associadas a massa em movimento: respingos (spatter), gotas que não aderem, fumaça e vapor
- Gotas que são projetadas para fora do cordão ou que aderem ao eletrodo/fluxo levam energia junto — calor e material que poderiam ter ido para o cordão.
- Vaporização do metal (fumaça, vapores metálicos) consome energia enorme: calor latente de vaporização. Mesmo pequenas quantidades de vapor significam perda energética grande.
- Formação de fumos e escória também retém energia.
Passo 7
Perdas associadas a transformações termodinâmicas e químicas
- Calor consumido em mudanças de fase:
- calor latente de fusão (derreter metal) — parte do
porque é necessário para formar cordão, mas se muito metal é aquecido sem fundir (aquecimento de grande volume) isso atua como perda relativa. - calor latente de vaporização (mais “perda” que fusão).
- calor latente de fusão (derreter metal) — parte do
- Reações químicas (oxidação, dissociação) podem ser endotérmicas e consumir energia; por outro lado algumas reações exothermic podem liberar calor — mas na prática a oxidação e evaporação tendem a prejudicar eficiência.
Passo 8
Perdas elétricas e na fonte: fios, contatos e instabilidade do arco
- Nem toda potência elétrica nominal chega ao arco: perdas por resistência em cabos, conexões, eletrodo, e eficiência do inversor/fonte reduzem a energia disponível no arco.
- Além disso, arcos instáveis (variação de comprimento) provocam oscilações na tensão e corrente, reduzindo energia “controlada” destinada ao banho de fusão.
- Essas perdas elétricas podem ser contabilizadas separadamente:
, e só entra no cálculo de se for medido na zona do arco.
Passo 9
Perdas por aquecimento de consumíveis e do próprio eletrodo/fluxo
- O eletrodo, arame e revestimento absorvem calor enquanto se aquecem. Parte desse calor fica neles (energia armazenada) e não é imediatamente transferida para o cordão.
- Fluxos (em eletrodos revestidos ou processos SAW) absorvem e transformam energia; parte vai para escória em vez de cordão.
Passo 10
Resumo prático: como esses mecanismos se manifestam e como reduzi-los (dicas de prova/obra)
- Radiação e convecção: reduzir comprimento de arco, controlar fluxo do gás, proteger da ventilação, ajustar gás de proteção.
- Condução para massa fria: pré-aquecer peças, usar isolamento térmico ou backing bar com baixa condutividade, reduzir seção transversa que “puxa” calor, ou aumentar velocidade de soldagem para concentrar energia.
- Vaporização e respingos: ajustar corrente e técnica para reduzir respingos; reduzir corrente de pico que vaporiza metal.
- Perdas elétricas: usar cabos curtos e conexões boas; escolher fonte apropriada.
- Escolha do processo: certos processos têm maior eficiência de arco (ex.: SAW muito eficiente) — para economia térmica, escolha processo adequado ao objetivo.
Passo 11
Como representar isso numericamente em balanço energético (fórmula útil)
- Se quiser medir ou estimar:
onde cada termo corresponde aos mecanismos explicados. Na prática, engenheiros medem
experimentalmente e inferem as perdas combinadas.
Resposta
Radiação do arco/plasma (energia emitida como luz/IR/UV).
Convecção para o gás de proteção e ar ambiente (resfriamento pelo fluxo de gás/vento).
Condução de calor para a peça fora da zona de fusão, garras, backing bars e massas frias.
Perdas por respingos, gotas que não aderem e vaporização (calor levado por massa e calor latente de vaporização).
Calor absorvido por consumíveis (eletrodo/arame/fluxo/escória) e por aquecer volumes que não se fundem.
Perdas elétricas na fonte, cabos e conexões e variações/instabilidades do arco.
Perdas por reações químicas ou transformações endotérmicas (oxidação, dissociação) que consomem energia.
Convecção para o gás de proteção e ar ambiente (resfriamento pelo fluxo de gás/vento).
Condução de calor para a peça fora da zona de fusão, garras, backing bars e massas frias.
Perdas por respingos, gotas que não aderem e vaporização (calor levado por massa e calor latente de vaporização).
Calor absorvido por consumíveis (eletrodo/arame/fluxo/escória) e por aquecer volumes que não se fundem.
Perdas elétricas na fonte, cabos e conexões e variações/instabilidades do arco.
Perdas por reações químicas ou transformações endotérmicas (oxidação, dissociação) que consomem energia.