Explique e desenhe esquematicamente como as 4 forças atuam na penetração durante a soldagem com arco elétrico.
Passo 1
O enunciado pede para explicar e desenhar esquematicamente como as quatro principais forças atuam na penetração do metal fundido durante a soldagem por arco elétrico. O conteúdo envolve mecânica dos fluidos aplicados à poça de fusão e física do arco: precisamos entender pressão de plasma, pressão de vapores metálicos, força eletromagnética (Pinch) e tensão superficial (efeito Marangoni).
Passo 2
A pressão do arco (
) é gerada pelo plasma ionizado que flui entre eletrodo e peça. Esse plasma, ao incidir sobre a superfície do banho, exerce uma pressão dinâmica que pode ser estimada como
. Na prática,
empurra o metal líquido para baixo, aprofundando a penetração.
Passo 3
A temperaturas muito elevadas parte do metal fundido vaporiza, gerando pressão de vapores metálicos (
). Esses vapores saem verticalmente para cima, mas ao escaparem provocam reação que empurra o líquido para baixo e lados, favorecendo a formação do keyhole e maior profundidade de fusão.
Passo 4
A corrente elétrica que passa pelo plasma e pela poça interage com o seu próprio campo magnético, produzindo a força de Lorentz ou “Pinch”. Em cada ponto do líquido existe a densidade de corrente
e o campo magnético
, gerando
.
O resultado é uma compressão radial do arco e do metal líquido, ajudando a concentrar calor e aprofundar a penetração.
O resultado é uma compressão radial do arco e do metal líquido, ajudando a concentrar calor e aprofundar a penetração.
Passo 5
A tensão superficial
do metal fundido varia com a temperatura. Como
diminui ou aumenta de forma diferente no centro (mais quente) e nas bordas (mais fracas), forma-se um gradiente
que induz o fluxo de Marangoni: o líquido se desloca do ponto de menor tensão superficial ao de maior tensão, geralmente do centro para a periferia, reorganizando o formato da poça e influenciando a penetração.
Passo 6
Esquema simplificado em seção transversal da poça de fusão e keyhole:
Arco elétrico \
\downarrow \
(pressões para baixo) \
\downarrow \
\leftarrowFluxo de Marangoni\to \
Poça de fusão (metal líquido) \
\nearrow \quad \nwarrow \
\left(j \times B\right) \quad \left(j \times B\right)
Poça de fusão (metal líquido) \
\nearrow \quad \nwarrow \
\left(j \times B\right) \quad \left(j \times B\right)
Resposta
As quatro forças que atuam na penetração durante a soldagem por arco são:
. Pressão do arco (
) que empurra o metal para baixo.
. Pressão de vapores metálicos (
) que aprofunda o keyhole.
. Força eletromagnética Pinch (
) que comprime radialmente.
. Efeito Marangoni (gradiente de tensão superficial) que induz convecção na poça.