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 ( P_arc) 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 \tfrac{1}{2}\rho v^2. Na prática, P_arc 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 ( P_recoil). 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 \mathbf{j} e o campo magnético \mathbf{B}, gerando
\mathbf{f} = \mathbf{j}\times\mathbf{B}.
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 \sigma do metal fundido varia com a temperatura. Como \sigma diminui ou aumenta de forma diferente no centro (mais quente) e nas bordas (mais fracas), forma-se um gradiente \nabla\sigma 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 \
P_{\text{arc}} + P_{\text{recoil}} (pressões para baixo) \
\text{Superfície}í \
\leftarrowFluxo de Marangoni\to \
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:
1. Pressão do arco ( P_arc) que empurra o metal para baixo.
2. Pressão de vapores metálicos ( P_recoil) que aprofunda o keyhole.
3. Força eletromagnética Pinch ( \mathbf{j}\times\mathbf{B}) que comprime radialmente.
4. Efeito Marangoni (gradiente de tensão superficial) que induz convecção na poça.

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