ECONOMICS

Ao se desenvolver fontes de soldagem com elevadas frequências de pulsação da corrente, como é o caso das fontes destinadas à aplicação do método do arco com excitação ultrassônica da corrente, devem ser considerados os aspectos elétricos relativos à obtenção da corrente pulsada e os efeitos inerentes às indutâncias do circuito de soldagem. Neste contexto, surgem alguns desafios a serem superados, a saber, o de conceber fontes de soldagem com características dinâmicas tais que permitam a variação da corrente nas elevadas taxas inerentes à sua oscilação em elevadas frequências e, especificamente no caso do método do arco com excitação ultrassônica, o desenvolvimento da tecnologia envolvida na modulação entre a corrente de excitação ultrassônica e a corrente principal de soldagem, principalmente nos casos onde a corrente de soldagem é alternada, o que torna esta modulação sensivelmente mais complexa.

No texto que segue, busca-se situar o leitor no contexto da tecnologia envolvida nos equipamentos de soldagem com alta velocidade de resposta da corrente. O normal seria fazer esta

abordagem no capítulo da revisão bibliográfica. Entretanto, devido à escassez de trabalhos na literatura que abordam este tema sob a ótica da soldagem3, não se consegue compor uma revisão bibliográfica como esta deveria ser. Outro fator agravante reside no fato de que nos poucos trabalhos que se tem acesso, as informações nem sempre estão completas. Somente em alguns deles são apresentadas a topologia do circuito, bem como as aquisições das formas de onda da corrente. Os trabalhos de Morisada et al. [192], Onuki et al. [193] e Zeng et al. [126] são exemplos dessas poucas referências onde as informações são apresentadas de forma completa.

Morisada et al. [192] desenvolveram uma fonte de soldagem destinada ao processo TIG, com o intuito de realizar a pulsação da corrente em frequências ultrassônicas (20 kHz ou mais) utilizando transistores de potência do tipo IGBT. Estes transistores, extremamente rápidos, foram empregados de modo a conceber uma fonte do tipo inversora (Figura 58), capaz de fornecer uma corrente de soldagem alternada de onda retangular.

Figura 58 – Diagrama esquemático da fonte de soldagem desenvolvida por Morisada et al.

Fonte: Adaptado de Morisada et al. [192].

Na Figura 59 é possível observar as formas de onda da tensão e da corrente obtidas por Morisada et al. [192]. Conforme pode ser visto, a fonte de soldagem desenvolvida possui velocidade de resposta suficiente para reproduzir a forma de onda retangular para a frequência de pulsação de 60 Hz (Figura 59a). Contudo, ao ser

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Quando se trata do desenvolvimento de estruturas de potência, a abordagem da maioria dos trabalhos presentes na literatura está associada à eletrônica de potência.

empregada uma frequência de pulsação de 20 kHz (Figura 59b), o equipamento não foi capaz de realizar a pulsação da corrente sem, entretanto, distorcer sua forma de onda. Este resultado está associado à relativa baixa velocidade de resposta do equipamento de soldagem, principalmente dado ao fato do chaveamento da corrente ocorrer no primário do transformador.

Figura 59 – Formas de onda da corrente e tensão obtidas por

Morisada et al. [192] para frequência de pulsação de (a) 60 Hz e (b) 20 kHz

Fonte: Adaptado do Morisada et al. [192].

Com o intuito de conceber uma fonte de soldagem de corrente alternada também com forma de onda retangular, Zeng et al. [126] empregaram transistores MOSFET de potência para conseguir frequências de pulsação de até 20 kHz, conforme mostra a Figura 60. Figura 60 – Diagrama esquemático da fonte de soldagem proposta por Zeng

et al.

Sua estrutura de potência faz uso de duas fontes DC convencionais, conectadas uma invertida em relação à outra, e um circuito gerador do sinal de referência. Este sinal de referência é então tratado para dar origem a dois sinais complementares que serão utilizados para controlar os MOSFET’s. Deste modo, ao se realizar o acionamento complementar desses MOSFET’s têm-se, como resultado, uma corrente alternada com forma de onda retangular percorrendo o circuito de soldagem. Ensaios de soldagem, empregando frequências de pulsação da corrente de até 20 kHz, foram realizados por Zeng et al. [126] com o processo TIG. O resultado obtido para a frequência de 20 kHz é apresentado na Figura 61. De acordo com os seus resultados, a taxa de transição da corrente da polaridade positiva para negativa foi cerca de 10 A/s e da polaridade negativa para positiva cerca de 6 A/s.

Figura 61 – Oscilogramas da tensão e corrente de soldagem obtidos por Zeng

et al. para frequência de pulsação de 20 kHz

Fonte: Adaptado de Zeng et al. [126].

Também utilizando a tecnologia dos IBGT’s, Onuki et al. [193] propuseram uma fonte de soldagem de elevada frequência de pulsação com altos valores de corrente de pulso. Seu equipamento consiste, basicamente, numa fonte DC de 140 V(4) conectada a uma estrutura de potência conhecida como ponte H. Assim, ao empregarem esta estrutura de potência na saída do equipamento, com a finalidade de reduzir a influência da indutância do circuito, contribuíram para aumentar a resposta dinâmica associada à corrente de soldagem.

Exemplos de correntes de soldagem obtidas por Onuki et al. [193] são apresentados na Figura 62. Conforme pode ser obervado, para a frequência de pulsação de 20 kHz a corrente adquire uma forma de onda triangular, em vez de retangular. Isto, naturalmente, é devido

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Esta elevada tensão tem por objetivo aumentar a taxa de subida e descida da corrente.

à relativa baixa taxa de transição da corrente, que apesar de não ser informada explicitamente no trabalho, pode ser estimada através do gráfico em 25 A/µs.

Figura 62 – Exemplos de correntes de soldagem obtidas por Onuki et al. ao empregar a fonte de soldagem desenvolvida

Fonte: Adaptado de Onuki et al. [193].

Há ainda na literatura trabalhos indexados em bases de dados do qual não se obteve acesso. Deste modo, não foi possível acessar o seu conteúdo completo, apenas às informações presentes nos seus respectivos resumos. Baseado nestas informações, Xu et al. [194] e Qi et al. [184] afirmam terem desenvolvido fontes de soldagem com taxas de transição da corrente de até 50 A/µs. Bojin et al. [189], ao desenvolverem uma fonte de soldagem que fornece uma corrente pulsada, com frequências acima de 20 kHz, modulada somente durante os períodos de polaridade positiva à corrente principal de soldagem alternada, relatam a obtenção de taxas de transição compreendidas entre 50 e 100 A/µs.

Conforme pode ser visto, nas fontes com pulsação em alta frequência que estão no topo do estado da arte, as máximas taxas de transição da corrente conseguidas são da ordem de 50-100 A/µs. Fontes de soldagem com estas características são classificadas como ultrarrápidas, sendo que os desenvolvimentos nesta área encontram algumas barreiras tecnológicas que tornam extremamente difícil a obtenção de maiores dinâmicas da corrente de soldagem. Uma delas é a própria tecnologia relacionada aos componentes eletrônicos, no que se refere à sua velocidade de comutação. Outro fator diz respeito aos efeitos indutivos inerentes a qualquer circuito elétrico quando sujeito a

elevadas di/dt, que fazem com que a transição da corrente seja naturalmente mais lenta.