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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DA VIABILIDADE OPERACIONAL DO PROCESSO DE
SOLDAGEM MAG COM ALIMENTAÇÃO ADICIONAL DE ARAME
FRIO
ALBERTO DIAS SÁBIO
UFPA/
ITEC /PPGEM
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ
BELÉM-PARÁ-BRASIL
2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
__________________________________________________________________________________________
ii
ESTUDO DA VIABILIDADE OPERACIONAL DO PROCESSO DE
SOLDAGEM MAG COM ALIMENTAÇÃO ADICIONAL DE ARAME FRIO.
AUTOR: ALBERTO DIAS SÁBIO
Dissertação submetida à banca examinadora e aprovada pelo
colegiado do Curso de Mestrado em Engenharia Mecânica do Instituto
Tecnológico da Universidade Federal do Pará, como requisito para
obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica na área de
Materiais e Processos de Fabricação.
APROVADO EM: 09 /11/2007
BANCA EXAMINADORA:
______________________________________________
Prof. Dr. EDUARDO DE MAGALHÃES BRAGA (UFPA)
Orientador
______________________________________________
Prof. Dr. MARCELO FERREIRA MOTTA (UFC)
Membro externo
______________________________________________
Prof. Dr. JOSÉ HILTON FERREIRA DA SILVA (CEFET-PA)
Membro convidado
______________________________________________
Prof. Dr. CALOS ALBERTO MENDES DA MOTA (UFPA)
Membro interno
______________________________________________
Prof. PhD. MANOEL FERNANDES MARTINS NOGUEIRA
Coordenador do PPGEM/ITEC/UFPA
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iii
Aos meus pais
Alípio Dias Sábio e Mary Sebastiana Moreira Sábio
pelo exemplo e abnegação que sempre demonstraram na vida.
Às minhas queridas esposa e filha: Selma Sábio e
Judy Sábio pelo carinho, incentivo,
paciência e pelo irrestrito apoio.
iv
AGRADECIMENTOS
Principalmente ao senhor nosso Deus por iluminar os meus caminhos e
dar-me sabedoria.
Ao meu orientador Prof. Dr. Eduardo de Magalhães Braga pela
contribuição técnica e científica a este trabalho e incentivos.
Ao Prof. Dr. Carlos Alberto Mendes da Mota pelo seu valor altíssimo como
educador na transmissão de conhecimentos, como companheiro e amigo no ato de
incentivar e mostrar como progredir e evoluir na educação tecnológica e, também,
por proporcionar o primeiro contato no mestrado.
Ao Programa de Pós Graduação da Engenharia Mecânica da UFPA e ao
CEFET-PA pelo suporte infra-estrutural.
A todos os professores do Programa de Pós-Graduação da Engenharia
Mecânica, em especial àqueles da área de Materiais e Processos de Fabricação,
que contribuíram na transmissão de conhecimentos científicos voltados ao ensino-
aprendizagem e pelo apoio.
Ao CEFET-PA pela liberação de parte da minha carga horária de trabalho
para a realização deste pleito.
Aos alunos de iniciação científica e em especial aos amigos Engenheiros
Thiago Barrozo, Nelson Mendonsa, Fábio Marinho e Alderi Fernandes pela
importante contribuição na fase experimental deste trabalho.
Ao Prof. MSc Arildomá Lobato Peixoto, com muita estima, pela ajuda e
contribuição científica no desenvolvimento deste trabalho de pesquisa voltado a área
de soldagem.
Ao Professor do CEFET/PA e amigo José do Carmo Smith Mesquita –
Empresa TORNAMA, que contribuiu na idealização e confecção do suporte
alimentador de arame frio, acoplado à tocha de soldagem.
A todos os amigos e companheiros professores do CEFET-PA que direta
ou indiretamente contribuíram e apoiaram a realização desta obra literária científica.
v
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS............................................................................................
ix
LISTA DE FIGURAS.............................................................................................
x
SIMBOLOGIA........................................................................................................ xiv
RESUMO...............................................................................................................
xvii
ABSTRACT...........................................................................................................
xix
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................
1
1.1 Justificativa para o trabalho............................................................................. 3
1.2 Motivação........................................................................................................ 5
3 OBJETIVOS......................................................................................................
6
3.1 Objetivo geral.............................................................................................. 6
3.1.1 Objetivos específicos............................................................................ 6
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................................................
7
2.1 Introdução................................................................................................... 7
2.2 A histórico do processo de soldagem MIG/MAG........................................ 7
2.2.1 Evolução do processo.......................................................................... 7
2.3 Processo de soldagem MIG/MAG............................................................... 9
2.4 Princípios do processo MIG/MAG............................................................... 10
2.4.1 Obtenção do Arco Voltaico................................................................... 11
2.4.2 Pistola (tocha) de soldagem MIG/MAG................................................ 12
2.4.3 Influência da inclinação da pistola........................................................ 14
2.4.4 Bico (tubo) de contato.......................................................................... 15
2.4.5 Distância entre bico de contato peça (DBCP)...................................... 16
2.4.6 Distância do bocal de gás..................................................................... 17
2.4.7 Fonte de soldagem............................................................................... 17
2.4.8 Consumíveis......................................................................................... 20
2.4.9 Gás de proteção................................................................................... 20
a) Argônio................................................................................................ 23
b) Hélio.................................................................................................... 24
c) Dióxido de Carbono (CO
2
).................................................................. 24
d) Misturas............................................................................................... 25
2.5 Soldagem MIG/MAG com duplo arame...................................................... 24
vi
2.5.1 Fundamentos do processo MIG/MAG duplo arame............................. 26
2.5.2 Característica do processo................................................................... 27
a) MIG/MAG duplo arame com potencial único (DAPU)......................... 27
b) MIG/MAG duplo arame com potenciais isolados (DAPI).................... 28
2.6 Configuração do processo duplo arame..................................................... 29
a) Quanto à disposição dos arames........................................................ 29
2.6.3 Gás de proteção no processo duplo arame......................................... 30
a) Efeito dos gases de proteção no processo duplo arame.................... 31
2.6.4 Parâmetros de soldagem e tópicos a fins............................................. 31
a) Tensão de soldagem (U
s
)................................................................... 32
b) Corrente de soldagem (I
s
)................................................................... 32
c) Velocidade de soldagem..................................................................... 33
d) Velocidade de alimentação dos arames............................................. 34
e) Penetração em soldagem................................................................... 34
2.6.5 Transferência metálica......................................................................... 34
a) Transferência metálica por curto-circuito............................................ 39
2.6.6 Campo de aplicação econômica........................................................... 42
2.6.7 Estabilidade do Arco Voltaico............................................................... 42
a) Oscilograma........................................................................................ 45
b) Histograma.......................................................................................... 46
2.6.8 Características econômicas.................................................................. 47
2.6.9 Características geométricas................................................................. 48
2.7 Ensaio por Líquidos Penetrantes................................................................ 49
3 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................
51
3.1 Materiais utilizados...................................................................................... 51
3.1.1 Consumível.......................................................................................... 51
a) Arame-eletrodo / arame frio................................................................ 51
b) Gás de Proteção................................................................................. 52
c) Metal base........................................................................................... 52
3.2 Equipamentos............................................................................................. 53
3.2.1 Bancada de soldagem.......................................................................... 53
a) Central de soldagem multiprocessos.................................................. 53
vii
b) Sistema de alimentação de arame-eletrodo....................................... 54
c) Sistema de posicionamento e deslocamento automático da tocha
de soldagem.......................................................................................
55
d) Tocha de Soldagem............................................................................ 55
e) Sistema auxiliar de alimentação de arame frio................................... 56
f) Suporte guia do arame frio................................................................... 56
3.2.2 Balança digital...................................................................................... 58
3.2.3 Sistema de medição de tempo, comprimento e velocidade de
alimentação do arame eletrodo..........................................................
58
3.2.4 Máquina de serrar de fita...................................................................... 59
3.2.5 Lixadeira / Politriz................................................................................. 59
3.2.6 Máquina de corte (cut-off) e disco de corte.......................................... 60
3.3 Dispositivos auxiliares para aquisição de dados......................................... 60
3.3.1 Programas computacionais.................................................................. 61
3.4 Material de ensaio líquido penetrante......................................................... 61
3.5 Planejamento e técnica experimental......................................................... 62
3.5.1 Metodologia experimental..................................................................... 62
a) Configuração do processo MAG-CW........................................................ 63
b) Sistema de alimentação de arame /suporte de fixação da tocha e guia
do arame frio..............................................................................................
65
3.5.2 Obtenção das Amostras....................................................................... 69
3.5.3 Obtenção das Amostras dos Corpos de Prova Soldados.................... 70
3.5.4 Estabilidade do arco voltaico
...........................................................
71
a) Metodologia......................................................................................... 71
b) Metodologia empregada para o levantamento dos histogramas........ 74
3.5.5 Tratamento dos dados experimentais.................................................. 79
3.5.6 Características econômicas.................................................................. 80
a) Equações convencionais.................................................................... 80
b) Equações modificadas........................................................................ 80
3.5.7 Características geométricas................................................................. 83
3.5.8 Ensaio por Líquidos Penetrantes......................................................... 84
3.5.9 Aspecto Superficial do metal depositado............................................. 85
3.5.10 Pacote operacional............................................................................. 85
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES......................................................................
88
4.1 Análise e resultados da estabilidade do arco............................................. 88
viii
4.1.1 Tempos de curtos-circuitos através dos histogramas........................... 93
4.2 Análise e Resultados das características econômicas............................... 98
4.3 Análise e Resultados das características geométricas............................... 103
4.4 Análise do aspecto superficial do cordão de solda..................................... 110
4.4.1 Análise e resultado do ensaio por Líquido Penetrante (LP)..................... 114
5 CONCLUSÃO....................................................................................................
117
6 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...................................
119
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................
120
ix
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Classificação de transferência metálica pelo IIW.............................. 35
TABELA 2 - Composição química do arame......................................................... 52
TABELA 3 - Fatores e Níveis para os Processos MAG e MAG-CW.................. 66
TABELA 4 - Apresentação do pacote operacional fatores/níveis......................... 86
TABELA 5 - Planejamento experimental dos ensaios........................................... 87
TABELA 6 - Apresentação dos parâmetros obtidos de Im e Vm 89
TABELA 7 - Dados da estabilidade do arco referentes à transferência metálica. 98
TABELA 8 - Resultados das características econômicas..................................... 99
TABELA 9 - Dados da ANOVA. Características Econômicas............................... 100
TABELA 10 - Resultados das características geométricas................................... 104
TABELA 11 - Dados da ANOVA. Características geométricas............................. 105
x
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 - Representação esquemática do conjunto para soldagem
MIG/MAG Barra (1998);.....................................................................................
10
FIGURA 2.2 - Região do arco na soldagem GMAW, Modenesi
(2006).................................................................................................................
12
FIGURA 2.3 - Tocha para soldagem GMAW semi-automática. (a) Detalhesda
tocha e (b) tocha completa (Modenesi, 2006)....................................................
13
FIGURA 2.4 - Tocha para soldagem GMAW semi-automática. Fonte:
Modenesi (2001)................................................................................................
14
FIGURA 2.5 - Ângulo de posicionamento da tocha, (Barra, 2003).................... 15
FIGURA 2.6 - Representação da distância bico de contato peça (DCP) e
projeção do arame (stickout). Barra (1998)........................................................
15
FIGURA 2.7 - Parâmetros de soldagem para os processos de alta produção.
Quites (2002)......................................................................................................
17
FIGURA 2.8 - Característica estática da fonte x curva do arco. a) tensão
constante e b) corrente constante. Barra (1998)................................................
19
FIGURA 2.9 - Efeito do tipo de gás de proteção no formato do cordão
(Waine
r
et al, 2002)............................................................................................
21
FIGURA 2.10 - Representação do sistema duplo arame com potencial único,
Motta (2002).......................................................................................................
28
FIGURA 2.11 - Representação do sistema duplo arame com potenciais
isolados, Motta (2002)........................................................................................
28
FIGURA 2.12 - Representação esquemática dos principais modos de
transferência metálica (Barra, 1998).................................................................
38
FIGURA 2.13 - Forma de onda da tensão e da corrente na soldagem com
MIG/MAG, transferência por curto-circuito. Gorh (2002)....................................
40
FIGURA 2.14 - Seqüência de separação da gota metálica na transferência
por curto-circuito: a) Gorh (2002) e b) Quites (2002).........................................
41
FIGURA 2.15 - Oscilograma (U x t) do processo MAG com tensão média
(Um). Fonte: LABSOLDA/UFPA.................................................................................
46
FIGURA 2.16 - Oscilograma (I x t) do processo MAG com modo de
transferência por curto circuito, indicando corrente média (Im).........................
46
FIGURA 2.17 - Histograma típico de nº de ocorrências (nº.) x tempo (ms)....... 47
FIGURA 2.18 - Esquema do perfil geométrico do cordão de solda................... 49
FIGURA 2.19 - Resumo da seqüência do ensaio de LP (Andreucci, 2006) ...... 50
FIGURA 3.1 - Central de soldagem multiprocessos - Detalhes da bancada de
soldagem MIG/MAG. Fonte: (LABSOLDA/UFPA)..............................................
54
FIGURA 3.2 - Cabeçote de alimentação de arame. Modelo: STA20D.
Fonte: (LABSOLDA/UFPA)................................................................................
54
FIGURA 3.3 - Sistema de posicionamento e deslocamento automáticoda
tocha...................................................................................................................
55
FIGURA 3.4 - Aspecto da pistola “push” adaptada para soldagem com o
arame frio, posição tandem, utilizada neste trabalho.........................................
55
FIGURA 3.5 - Detalhes do sistema de alimentação auxiliar do arame frio........ 56
FIGURA 3.6 - Suporte da tocha de alimentação do arame não energizado...... 57
FIGURA 3.7 - Representação esquemática atual do suporte guia.................... 57
FIGURA 3.8 - Detalhe do suporte guia de alimentação do arame frio............... 58
xi
FIGURA 3.9 - Sistema de monitoração da produtividade em operações de
soldagem............................................................................................................
59
FIGURA 3.10 - Máquina automática de serrar (serra em fita)............................ 60
FIGURA 3.11 - Máquina politriz..........................................................................
FIGURA 3.12 - Máquina de corte – cut-off......................................................... 60
FIGURA 3.13 - Material para ensaio líquido penetrante; (a) Penetrante (b)
revelado
r
.............................................................................................................
61
FIGURA 3.14 - Tocha de soldagem com sentido de alimentação do arame
frio Twin..............................................................................................................
63
FIGURA 3.15 - (a) Ângulos de entrada dos arames e (b) tocha de soldagem... 64
FIGURA 3.16 - Tocha de soldagem com sentido de alimentação do arame
frio tandem com os ângulos de entrada dos arames.........................................
64
FIGURA 3.17 - Foto do dispositivo de fixação e suporte guia do arame frio
acoplado a tocha de soldagem...........................................................................
66
FIGURA 3.18 - Representação esquemática da amostra............................... 69
FIGURA 3.19 - Esquema do corte para obtenção dos corpos de prova............ 70
FIGURA 3.20 - Oscilograma de tempo x tensão sem filtragem.......................... 75
FIGURA 3.21 - Oscilograma após primeiro filtro................................................ 75
FIGURA 3.22 - Oscilograma após segundo filtro............................................... 76
FIGURA 3.23 - Apresenta o oscilograma após o terceiro filtro.......................... 77
FIGURA 3.24 - Apresenta o oscilograma após o quarto filtro............................ 77
FIGURA 3.25 - Esquema de parte do oscilograma de tensão ampliado............ 79
FIGURA 4.1 - Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG para VAE=
6m/min e sentido de soldagem empurrando..........................................
90
FIGURA 4.2 - Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG para VAE=
6m/min e sentido de soldagem puxando............................................................
90
FIGURA 4.3 - Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
V
AE= 6 m/min e V
A
F= 3 m/min, sentido de soldagem empurrando e posição
de alimentação do arame não energizado Tandem...........................................
90
FIGURA 4.4 - Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
V
AE= 6 m/min, V
A
F= 3 m/min, sentido de soldagem puxando e posição do
arame não energizado Twin...............................................................................
91
FIGURA 4.5- Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
V
AE = 7,5 m/min e VAF= 4 m/min, sentido de soldagem empurrando e
posição de alimentação do arame não energizado Tandem .............................
91
FIGURA 4.6 - Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
V
AE= 7,5 m/min, V
A
F= 4 m/min, sentido de soldagem puxando e posição do
arame não energizado Twin...............................................................................
91
FIGURA 4.7 - Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
V
AE = 9 m/min e V
A
F= 5 m/min, sentido de soldagem empurrando e posição
de alimentação do arame não energizado Tandem...........................................
92
FIGURA 4.8 - Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
V
AE = 9 m/min, VAF= 5 m/min, sentido de soldagem puxando e posição do
arame não energizado Twin. ............................................................................
92
FIGURA 4.9 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 6 m/min; Soldagem empurrando..............
93
FIGURA 4.10 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 6 m/min; Soldagem puxando...................
93
FIGURA 4.11- Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 7,5 m/min; Soldagem puxando. ..............
94
xii
FIGURA 4.12 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 7,5 m/min; Soldagem empurrando...........
94
FIGURA 4.13 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 9 m/min; Soldagem empurrando..............
94
FIGURA 4.14 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 9 m/min; Soldagem puxando...................
95
FIGURA 4.15 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (6-3) m/min; Soldagem
empurrando; Tandem.........................................................................................
95
FIGURA 4.16 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (6-3) m/min; Soldagem puxando;
Twin....................................................................................................................
95
FIGURA 4.17 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (7,5-4) m/min; Soldagem
empurrando; Tandem.........................................................................................
96
FIGURA 4.18 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (7,5-4) m/min; Soldagem puxando;
Twin....................................................................................................................
96
FIGURA 4.19 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (9-5) m/min; Soldagem
empurrando; Tandem.....................................................................................
96
FIGURA 4.20 - Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (9-5) m/min; Soldagem puxando;
Twin....................................................................................................................
97
FIGURA 4.21 - Efeito da VAE sobre a taxa de fusão (TF) para os processos
de soldagem MAG e MAG-CW ensaiados........................................
101
FIGURA 4.22 - Efeito da V
A
E sobre a taxa de deposição (TD) para os
processos de soldagem MAG e MAG-CW ensaiados........................................
102
FIGURA 4.23 - Efeito da VAE sobre o Rendimento de deposição (R) para os
processos de soldagem ensaiados....................................................................
103
FIGURA 4.24 - Efeito das VAE e dos Processos de Soldagem sobre a
penetração..........................................................................................................
106
FIGURA 4.25 - Efeito da VAE e dos Processos de Soldagem sobre o Reforço
do cordão de solda.............................................................................................
107
FIGURA 4.26 - Efeito da VAE sobre a largura do cordão de solda................... 108
FIGURA 4.27 - Efeito das VAE e dos Processos de Soldagem sobre a
diluição...............................................................................................................
109
FIGURA 4.28 - Cordão de solda destacando áreas do reforço e penetração.... 109
FIGURA 4.29 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
V
AE= 6 m/min; sentido de soldagem empurrando.............................................
110
FIGURA 4.30 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
V
AE= 6 m/min; sentido de soldagem puxando...................................................
110
FIGURA 4.31 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
V
AE= 7,5 m/min; sentido de soldagem empurrando..........................................
111
FIGURA 4.32 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
V
AE= 7,5 m/min; sentido de soldagem puxando................................................
111
FIGURA 4.33 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
V
AE= 9 m/min; sentido de soldagem empurrando.............................................
111
FIGURA 4.34 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
V
AE= 9 m/min; sentido de soldagem puxando...................................................
111
xiii
FIGURA 4.35 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-
CW, VAE= 6 m/min, VAF= 3 m/min, sentido de soldagem puxando, posição
do arame não energizado Twin..........................................................................
112
FIGURA 4.36 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-
CW, VAE= 6 m/min, VAF= 3 m/min, sentido de soldagem empurrando,
posição do arame não energizado Twin.............................................................
112
FIGURA 4.37 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-
CW, VAE= 7,5 m/min, VAF= 4 m/min, sentido de soldagem puxando, posição
do arame não energizado Twin.............................................................
112
FIGURA 4.38 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-
CW, VAE= 7,5 m/min, VAF= 4 m/min, sentido de soldagem empurrando,
posição do arame não energizado Tandem.......................................................
112
FIGURA 4.39 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-
CW, VAE= 9 m/min, VAF= 5 m/min, sentido de soldagem puxando e posição
do arame não energizado Twin.............................................................
113
FIGURA 4.40 - Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-
CW, VAE= 9 m/min, VAF= 5 m/min, sentido de soldagem empurrando e
posição do arame não energizado Tandem.......................................................
113
FIGURA 4.41 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - E13R-Tandem....................
114
FIGURA 4.42 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo Processo
MAG-CW com VAE= 7,5 m/min e VAF= 4 m/min - P17-R-Tandem................
114
FIGURA 4.43 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 7,5 m/min e VAF= 4 m/min - P20-Twin.........................
114
FIGURA 4.44 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 9 m/min e VANE= 5 m/min - E24-Twin............................
114
FIGURA 4.45 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - E25R-Twin..........................
115
FIGURA 4.46 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 7,5 m/min e VAF= 4 m/min - P29R-Twin.......................
115
FIGURA 4.47 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG com VAE 6= m/min - E1............................................................................
115
FIGURA 4.48 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG com VAE= 9 m/min - E5............................................................................
115
FIGURA 4.49 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG com VAE= 9 m/min - P6............................................................................
115
FIGURA 4.50 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 9 m/min e VAF= 5 m/min - E9-Tandem.........................
116
FIGURA 4.51 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 9 m/min e VAF= 5 m/min - P12-Tandem.......................
116
FIGURA 4.52 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - E7-Tandem.........................
116
FIGURA 4.53 - Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - P19-Twin............................
116
xiv
SIMBOLOGIA
A
⇒
Ampere
Ar
⇒
Argônio
Ar-He
⇒
Mistura Argônio-Hélio
Ar+CO
2
⇒
Mistura Argônio dióxido de cabono
AE
⇒
Arame-eletrodo
AWS
⇒
“American Welding Society”
α ⇒
Índice de significância
b
⇒
Largura do cordão
C
⇒
Carbono
CC
+
⇒
Corrente contínua com o eletrodo no pólo positivo
CO
2
⇒
Dióxido de carbono
C
0
–
1
cm
–
1
s
–
1
⇒
Condutividade térmica
d
⇒
Diluição
DAPI
⇒
Duplo arame com potencial isolado
DAPU
⇒
Duplo arame com potencial único
DBCP
⇒
Distância bico de contato peça
Δ t
⇒
Variação de tempo de curto-circuito
ΔU ⇒
Variação de tensão
et al
⇒
Et alili (e outros)
ev
⇒
Potencial de ionização
EEF
⇒
Equilíbrio estático de forças
F
⇒
Índice de Ficher
He
⇒
Hélio
I
⇒
Intensidade de corrente
Im
⇒
Intensidade média de corrente
Is
⇒
Corrente de soldagem
IEP
⇒
Instabilidade como decorrência do efeito Pinch
IIW
⇒
“International Institute of Welding”
KHz
⇒
Freqüência
l
⇒
Comprimento do arame consumido
xv
l
1
⇒
Comprimento linear do arame-eletrodo
l
2
⇒
Comprimento linear do arame-frio
l/min
⇒
Vazão de gás
l
0
⇒
Comprimento do arco
MAG
⇒
“Metal Active Gas”
MAG-CW
⇒
“Metal Active Gas – Cold Wire”
m
f
⇒
Massa final da junta depois da soldagem
m
i
⇒
Massa inicial da junta antes da soldagem
Mn
⇒
Manganês
ms
⇒
Milisegundos
MJm
–
1
⇒
Potencial de ionização
n
⇒
Instante
O
⇒
Oxigênio
O
2
⇒
Gás oxigênio
P
⇒
Fósforo
p
⇒
Significância
pe
⇒
Penetração
%
⇒
Percentual
R
⇒
Rendimento do processo
r
⇒
Reforço do cordão
ρ ⇒
Densidade linear do arame consumível
ρ
1
⇒
Densidade linear do arame-eletrodo
ρ
2
⇒
Densidade linear do arame frio
S
⇒
Enxofre
s
⇒
Segundos
Si
⇒
Silício
t
⇒
Tempo
“Tander Wire”
⇒
Tocha de soldagem com a disposição do arame frio em
posição longitudinal ao sentido de deslocamento da tocha
t
m
⇒
Tempo médio de soldagem dos arames
t
1
⇒
Tempo do arame-eletrodo
t
2
⇒
Tempo do arame frio
xvi
tmin
⇒
Tempo mínimo de curto-circuito
tmax
⇒
Tempo máximo de reabertura do arco
TD
⇒
Taxa de deposição
TF
⇒
Taxa de fusão
t
n
⇒
Tempo de soldagem referente ao vale
t
n-1
⇒
Tempo de soldagem relativo ao início de formação da gota
t
n+1
⇒
Tempo de soldagem relativo a reignição do arco
tr
n
⇒
Tempo relativo no instante “n”
tr
n+1
⇒
Tempo relativo no instante “n+1”
“Twin Wire”
⇒
Tocha de soldagem com arranjo do arame frio em posição
transversal ao sentido de deslocamento da tocha
U
⇒
Tensão
U
n
⇒
Tensão no vale ou tensão de curto-circuito
U
n-1
⇒
Tensão de início de formação da gota,
U
n+1
⇒
Tensão de no pico (reignição do arco)
U
r
⇒
Tensão de referência
U
s
⇒
Tensão de soldagem
V
⇒
Velocidade
V
0
⇒
Tensão em vazio (U
0
)
V
s
⇒
Velocidade soldagem
VAE
⇒
Velocidade de Alimentação do Arame-eletrodo
VANE
⇒
Velocidade de Alimentação do Arame Não Energizado
Z
⇒
Altura da tomada de corrente
ZTA
⇒
Zona termicamente afetada
xvii
Sábio, A. D., 2007, “Estudo da viabilidade operacional do processo de soldagem
MAG com alimentação adicional de arame frio”. Dissertação de Mestrado,
Universidade Federal do Pará, Belém-Pa.
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo experimental da viabilidade
operacional, econômica, geométrica e da qualidade da solda com o uso do processo
intitulado MAG-CW (Metal Active Gas–Cold Wire); entendido como: processo de
soldagem MAG com adição de arame frio ou não energizado. Neste contexto, para o
desenvolvimento deste trabalho utilizou-se os processos de soldagem MAG e o
MAG-CW, sendo utilizados arames consumíveis sólidos de 1,2 mm de diâmetro, da
classe AWS E-70S6 e o dióxido de carbono puro, CO
2
, como gás de proteção com
vazão de 17 l/min, para os dois processos empregados. A soldagem automatizada
foi realizada com o auxílio de uma fonte eletrônica ajustada em CC
+
, no modo
tensão constante e interfaceada a um microcomputador. Para ambos os processos,
os cordões de solda foram depositados sobre corpos de prova de aço carbono SAE
1020 medindo 76x155x12,7 mm, com passes em simples deposição, na posição
plana puxando e empurrando o arco voltaico. Para o processo MAG-CW adicionou-
se o arame frio, na região do arco elétrico, por um sistema de alimentação auxiliar
de arame de forma seqüencial Tandem e Twin, também, na posição plana. As
variáveis de influência foram a Velocidade de Alimentação do Arame-Eletrodo, VAE,
que variou em três níveis: 6, 7,5 e 9 m/min, respectivamente, a Velocidade de
Alimentação de Arame Frio, VAF, que também variou em três níveis, sendo: 3, 4 e 5
m/min combinadas com VAE. As variáveis de resposta para a avaliação
experimental foram a estabilidade do arco elétrico, as características econômicas, as
características geométricas e a qualidade superficial do cordão de solda. Os
resultados mostraram satisfatória estabilidade do arco, bem como, elevada produção
em relação ao processo MAG e bom aspecto superficial das soldas. Neste sentido, o
processo MAG-CW, quando comparado ao processo MAG, foi superior na taxa de
fusão (TF) em 57% para a VAE igual a 6 m/min, 59 % para VAE igual a 7,5 m/min e
de 53 % para a VAE igual a 9 m/min. Observou-se, ainda, que o mesmo ocorreu
para a taxa de deposição (TD) aumentando em todos os níveis de velocidade: 62%
para a VAE na condição igual a 6 m/min e 7,5 m/min e de 57 % para a VAE na
xviii
condição igual a 9 m/min. A boa performance no aumento das taxas obtidas pelo
processo MAG-CW demonstra vantagem, com maior evidência no desempenho
destas características, em função da adição de arame frio ao arco.
Palavras chave: MIG/MAG; MAG-CW; Duplo Arame; Arame frio; Transferência
Metálica. Características Econômicas; Características Geométricas.
xix
“Operational Viability Study about the MAG welding process with cold wire additional
feeding”. Master's Degree Monography - Universidade Federal do Pará, Belém –
Pará – Brasil.
ABSTRACT
The present study shows experimental research of the weld concerning operational,
economic and geometric viability as well as its superficial quality when using MAG-
CW (Metal Active Gas – Cold Wire), understood as: MAG welding process with non-
energized wire or cold wire. For the development of this research, welding MAG and
MAG-CW processes have been used together with 1,2 mm of diameter consumable
solid wires, class AWS E-70S6 and carbon dioxide pure, CO
2
, as protection gas with
17 l/min release for both processes. Automated welding was performed with
electronic source adjusted in CC+, in constant tension mode, interfaced by a
microcomputer. In both processes the welds were put on steel carbon samples SAE
1020, 76x155x12,7 mm size, with simple disposition passes, pulling and pushing the
voltage arc. The MAG-CW process added cold wire on the electric arc region, fed by
the Tandem and Twin sequential wire shape auxiliary system on plane position. The
variables of influence were: Velocidade de Alimentação do Arame-Eletrodo, VAE,
which varied in three levels: 6; 7,5 and 9 m/min, respectively, Velocidade de
Alimentação do Arame-Fio, VAF, which also varied in three levels: 3; 4 and 5 m/min
combined with VAE. Response variables for experimental evaluation were electric
arc stability, economic features, geometric features and weld superficial quality. The
results demonstrated satisfactory arc stability as well as high production concerning
MAG process and also good superficial aspect of welds. Rising rates obtained by
MAG-CW process demonstrates the superiority due to non-energized wire addition to
the arc. Thus, the MAG-CW process, in comparison with MAG process,
demonstrated superiority concerning the 57% in rate of fusion (RF) for the VAE of 6
m/min, 59 % for the VAE of 7,5 m/min and 53 % for the VAE in 9 m/min. it has also
been observed that the same occurred with the rate of deposition (RD) increasing in
all speed levels: 62% for the VAE in both conditions of 6 m/min and 7,5 m/min and in
57 % for the VAE in 9 m/min. The good performance in the increase of the taxes
obtained by the process MAG-CW demonstrates advantage, with larger evidence in
the acting of these characteristics, in function of the addition of cold wire to the arch.
xx
Key words: MIG/MAG; MAG-CW; Double Wire; Cold Wire; Metal Transference;
Economic Features and Geometric Features.
1
1- INTRODUÇÃO
O processo de soldagem MIG/MAG foi introduzido no mercado somente
em 1948 quando se tornou viável comercialmente, pois o propósito era majorar a
produtividade e a versatilidade da fabricação soldada de ligas ferrosas e não
ferrosas. Esse processo de união de materiais é um dos mais utilizados nos países
industrializados (Bohme et al, 1996).
O avanço da tecnologia impulsionou as indústrias para o aumento da
produtividade tornando o mercado cada vez mais competitivo, e com este salto, o
processo de soldagem MIG/MAG talvez, de forma limitada, não atenda a demanda
de produção das indústrias que buscam a redução de custos e de tempo com taxas
superiores de deposição de solda.
Neste sentido, o LabSolda da UFPa estuda a viabilidade operacional,
econômica, metalúrgica e de propriedades mecânicas da soldagem MAG com a
adição de um arame frio ou não energizado, Metal Active Gas-Cold Wire – MAG-
CW, sugerindo esta técnica como variante do processo MIG/MAG duplo arame.
A soldagem com duplo arame foi aplicada em 1948 especificamente na
soldagem com arco submerso, sendo esta técnica logo aceita como um método de
aumento na produção soldada (Michie et al, 1999).
Esta variante do processo de soldagem MIG/MAG, o duplo arame,
também foi explorada em 1955, porém, já no campo da soldagem com proteção
gasosa, cuja alternativa baseia-se na formação de dois arcos elétricos entre a peça
e dois arames-eletrodos alimentados continuamente. A poça de fusão é inteiramente
protegida por um fluxo de gás inerte, ativo ou mistura de ambos, como na soldagem
MIG/MAG, (Michie et al, 1999).
O projeto de pesquisa da soldagem MAG com alimentação adicional de
arame frio surgiu a partir da idéia do processo de soldagem MIG/MAG duplo arame.
O duplo arame, além de alto rendimento, também trabalha com altas
taxas de densidade de corrente, proporcionando elevadas taxas de fusão e,
consequentemente, pela possibilidade de maiores taxas de velocidade de soldagem
ou cordões mais volumosos, garantindo menor tempo de soldagem em relação ao
processo de soldagem MIG/MAG, (Berge, 2001; Groetelaars, 2005).
2
Em 1955 quando o processo duplo arame foi introduzido através da
soldagem com proteção gasosa, as limitações da tecnologia empregada nas fontes
de soldagem da época não permitiram a evolução ou o impulsionamento do
processo de soldagem. Com a pesquisa e o avanço tecnológico no mundo, houve o
aperfeiçoamento das fontes permitindo, então, o meio necessário para o suprimento
de energia ao arco voltaico viabilizando a utilização deste processo que apresenta
atualmente um aumento da produção com redução no tempo de operação
Esta nova técnica de operação de soldagem utilizando o processo de
soldagem duplo arame é especialmente utilizada com vantagem na soldagem de
revestimento e no enchimento de chanfros (Bacelar & Ferraz, 2005).
A proposta da soldagem MAG-CW se estabelece como uma alternativa
técnica e econômica em relação à soldagem MAG. Esta nova versão da soldagem
utiliza apenas um equipamento convencional (uma fonte de tensão constante) com
um cabeçote extra para alimentação do arame frio conjugado à tocha de soldagem.
A diferença entre o duplo arame e o arame frio está na inserção de
apenas um arame maciço energizado conectado à fonte de soldagem e responsável
por único arco voltaico e outro arame maciço não energizado, dito “frio”, adicionado
à poça de fusão por um cabeçote alimentador. O arco elétrico funde
simultaneamente os dois arames. Neste contexto, a adição de arame frio é uma
técnica nova diante do que se pesquisou na bibliografia de soldagem com duplo
arame, o que revela a possibilidade de pesquisas no desenvolvimento dessa nova
alternativa de soldagem.
A alimentação do arame frio é realizada através de um segundo cabeçote
alimentador e um sistema acoplado à extremidade da tocha de soldagem a fim de
conduzi-lo até a poça de fusão. A energia elétrica fornecida ao cabeçote extra de
alimentação de arame frio é proveniente da mesma fonte de energia o qual está
conectado.
Existem duas possibilidades de arranjo dos arames na tocha de soldagem
podendo ser em posição transversal “Twin” ou longitudinal “Tandem”.
As vantagens do emprego do processo de soldagem MAG-CW estão
associadas ao controle das características econômicas e geométricas, a alimentação
dos arames em diferentes velocidades, ao emprego de arame-eletrodo e frio com
3
diferentes diâmetros. O processo MAG-CW também apresenta algumas limitações,
como a capacidade mecânica do dispositivo guia do arame frio, a combinação das
velocidades de alimentação do arame-eletrodo com a do arame frio limitando as
taxas de fusão e de deposição.
1.1 - Justificativa para o trabalho
A escolha do processo é de fundamental importância para o
desenvolvimento do projeto. O processo MAG é tido como uma das alternativas mais
econômicas para a substituição do processo a arco voltaico com eletrodo revestido,
em função da facilidade para a soldagem de grandes estruturas metálicas e de sua
elevada produção.
A característica inovadora do processo utilizando duplo arame apresenta-
se hoje como uma das mais promissoras alternativas no intuito de aumentar a
produtividade da indústria que utiliza processo de soldagem para união e
revestimento de materiais de engenharia.
Os diversos setores da indústria de fabricação experimentam, no mundo
todo, um acelerado processo de expansão em busca de produtividade e
competitividade. As inovações tecnológicas na indústria da soldagem não param,
abrangem desde a concepção de novas fontes de energia, programas, consumíveis
e adequações de processos as novas e desafiadoras exigências de mercado. Este
trabalho consiste na concepção de uma técnica de soldagem com a introdução de
um arame não energizado adaptado à soldagem a arco voltaico MAG, a essência
deste trabalho. O processo de soldagem MAG se caracteriza pela sua elevada
produtividade, diversidade de arames comerciais, qualidade e resistências do metal
depositado. A introdução de um arame não energizado independente do arame
energizado visa aumentar ainda mais essa produtividade com a garantia de
manutenção da qualidade e da resistência mecânica. Existem problemas
relacionados ao uso da técnica de soldagem com duplo arame (energizados).
Destacam-se os custos adicionais e elevados com investimentos em novos e
modernos equipamentos, instrumentos e dispositivos de posicionamento e de
deslocamento das pistolas de soldagem, além de sérias dificuldades para o ajuste
dos parâmetros operacionais. Este último caso exige a presença de um especialista.
4
Soma-se ainda a todos esses fatores a concorrência dos processos de soldagem a
arco, já tradicionais, e com características consolidadas de altas taxas de produção
como é o caso, por exemplo, da soldagem a arco submerso.
Devido às características do processo de soldagem MAG, planejou-se a
soldagem de revestimento sobre superfícies metálicas de aços baixo carbono
introduzindo suplementação de arame não energizado, através de um sistema
auxiliar de alimentação de arame. O objetivo é contribuir para o melhoramento do
desempenho econômico do processo com características de uma técnica alternativa
de baixo custo e investimento.
Constituiu-se no desafio a ser enfrentado para o desenvolvimento deste
projeto de pesquisa o estudo comparativo do desempenho do processo MAG com o
desempenho do processo MAG-CW em soldagem de simples deposição sobre
superfície metálica.
5
1.2 - Motivação
Este projeto de pesquisa está em fase conclusiva no GETSOLDA/UFPA
(Grupo de Estudo em Tecnologia da Soldagem da Universidade Federal do Pará),
intitulado
ESTUDO DO PROCESSO DE SOLDAGEM MAG COM ALIMENTAÇÃO ADICIONAL DE
ARAME NÃO ENERGIZADO.
A contribuição tecnológica esperada relaciona-se à expectativa dos
resultados obtidos na soldagem nos modos MAG e MAG-CW.
¾ Uma contribuição tecnológica bastante significativa é o
estabelecimento de pacotes operacionais para o processo MAG-
CW como função das velocidades de alimentação, do tipo e do
diâmetro do arame para a geração de um banco de dados auxiliar.
Existem problemas relacionados ao uso da técnica de soldagem com o
duplo arame energizado. Destacam-se os custos adicionais e elevados com
investimentos em novos e modernos equipamentos, instrumentos e dispositivos de
posicionamento e de deslocamento das pistolas de soldagem, além de sérias
dificuldades para o ajuste dos parâmetros operacionais. Este último caso exige a
presença de um especialista. Soma-se ainda a todos esses fatores a concorrência
dos processos de soldagem a arco, já tradicionais e com características
consolidadas de altas taxas de produção. Portanto, isto dá motivação para não
medir esforços na pesquisa, para que as metas estabelecidas para este projeto
alcancem o sucesso desejado.
A expectativa para resultados futuros através da soldagem a arco voltaico
pelo processo MAG-CW é que a técnica empregada possa contribuir para o
melhoramento do desempenho econômico do processo MAG ao se inserir um outro
arame maciço frio na atmosfera do arco, como também de uma técnica alternativa
de baixo custo e investimento.
A principal contribuição científica nesta dissertação está relacionada à
motivação para estudos avançados de pesquisa, com vistas ao desenvolvimento de
conhecimentos sobre a soldagem MIG/MAG.
6
3 - OBJETIVOS
3.1 - Objetivo geral
Estudar a viabilidade operacional da soldagem MAG-CW (Metal Active
Gas-Cold Wire) com ênfase na estabilidade do arco, na economia, na geometria e
na sanidade do metal depositado.
3.1.1 - Objetivos específicos
Comparar o desempenho da soldagem MAG com o desempenho da
soldagem MAG-CW com destaque nos seguintes aspectos:
a- Estabilidade do arco – dinâmica do arco e oscilogramas de tensão e
corrente de soldagem;
b- Análise econômica – taxa de deposição, taxa de fusão e rendimentos
de deposição;
c- Análise geométrica – largura, reforço, penetração da solda e diluição;
d- Sanidade da solda – inspeção visual (LP).
7
2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1- Introdução
Este capítulo tem por objetivo oferecer as bases tecnológicas
forçosamente inevitáveis para a clareza de compreensão, conhecimento e
entendimento no desenvolvimento deste projeto.
O processo de soldagem MIG/MAG duplo arame vem sendo
comercializado, pesquisado e avaliado no mundo, com potencial de aplicação em
franco desenvolvimento, (Groetelaars, 2005; Motta, 2002; Mulligan & Melton, 2002;
Ketron et al, 2002; Michie et al, 1999). Conforme Michie et al (1999), as variantes
deste processo vêm sendo investigadas desde os anos 1950 e somente com a
chegada de equipamentos de soldagem eletrônicos, o mesmo se tornou disponível
ao mercado comercial.
Em função do desenvolvimento dos processos de fabricação e da
engenharia de materiais no mundo, os processos de soldagem sofreram um grande
avanço tecnológico nos últimos anos, tanto relacionado com o processo quanto ao
desenvolvimento de novos consumíveis. Entretanto, com o intuito de conseguir
processos mais econômicos e contínuos que os processos manuais, nos últimos
anos foram desenvolvidos o aperfeiçoamento das fontes permitindo o meio
necessário para o suprimento de energia ao arco voltaico e um maior controle
operacional dos processos com alimentação contínua de arame, como: MIG/MAG,
Arco Submerso e o Arame Tubular (AT).
Durante a investigação para a obtenção de dados na bibliografia deste
trabalho, sobre a soldagem MIG/MAG com duplo arame, percebeu-se a carência de
trabalhos científicos relativos ao processo, o que torna relevante a possibilidade de
pesquisas no desenvolvimento dessa nova alternativa de soldagem com adição de
arame frio ao processo MAG (MAG-CW).
2.2 - A história do processo de soldagem MIG/MAG
2.2.1 - Evolução do processo
No passado e por volta dos anos 1920 as experiências com processos de
soldagem com proteção gasosa provaram que podia alcançar melhores
8
propriedades do cordão de solda, desde que o arco elétrico e a poça de fusão
fossem protegidos por um gás inerte da contaminação atmosférica, (Wainer, 1978).
O processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) foi o primeiro processo
de soldagem com proteção gasosa introduzido no final dos anos 1930, mas só foi
disponibilizado para o comércio no início dos anos 1940. Este processo utilizando
gases como o argônio e o hélio para a proteção gasosa soldava magnésio, aço
inoxidável, alumínio e outros metais, com a alimentação manual de um metal de
adição (vareta de adição) introduzida através do arco voltaico mantido entre um
eletrodo de tungstênio não consumível e o metal de base. Este processo é ainda
muito usado hoje. A idéia TIG ajudou a desenvolver e aprimorar um novo processo
com maior velocidade, o MIG, haja vista, que o processo TIG utilizava baixa
velocidade de soldagem.
O processo de soldagem MIG (Metal Inert Gas) ou Metal Gás Inerte
surgiu no final dos anos 40 do século XX e o eletrodo de Tungstênio foi substituído
por um arame-eletrodo consumível com diâmetro reduzido, que através de uma
bobina e uma tocha de soldagem era impulsionado por um motor para alimentar
diretamente o arco voltaico. Entretanto, somente em 1948 é que o processo de
soldagem MIG tornou-se viável comercialmente com os primeiros equipamentos
semi-automáticos com alimentação contínua de arames maciços em condições de
uso sendo entregues ao mercado americano. Naquele tempo, o processo foi
chamado de "Processo de Soldagem S.I.G.M.A.", o que foi a forma abreviada de
Shielded Inert Gas Metal Arc e significa aproximadamente o mesmo que a
designação atual: Soldagem MIG (APENGSOLD, 1997).
Este processo foi utilizado para a soldagem dos metais não ferrosos,
porém, como eram utilizados gases inertes e com custos elevados não foi possível
utilizar o mesmo para a soldagem dos aços comuns e aços ligas.
Novas pesquisas, a partir dos anos 1930, realizadas com gases
produzidos na desintegração dos revestimentos dos eletrodos direcionaram as
pesquisas a ensaios com gás carbônico com atmosfera protetora do arco voltaico.
Com o avanço das pesquisas os primeiros trabalhos foram desenvolvidos com gás
ativo dióxido de carbono, CO
2,
na soldagem dos aços (Wainer, Brandi & Mello,
2002). Com isto, começa a ser usado um novo processo de soldagem com a sigla
9
MAG (Metal Active Gas) ou Metal Gás Ativo e se torna bastante popular no início
dos anos 1950 (Wainer, Brandi & Mello, 2002).
Esse processo foi mais empregado também na Alemanha para a
soldagem de aços ao carbono e de baixa liga porque o argônio ainda era muito caro
naquele tempo. Com a queda do preço do argônio, empregaram-se nos anos 60 os
gases mistos - inicialmente a base de argônio/dióxido de carbono, Ar/CO
2
(embora
40% mais caro que o dióxido de carbono) – cuja aplicação se estende cada vez mais
como gases de proteção usados para soldagem MAG (APENGSOLD, 1997).
No final da década de 50 do século XX a empresa Norte Americana
Lincool Eletric Company patenteou um processo chamado Innershield (inglês,
indicando que a proteção vem de dentro). A idéia era que confiando no grande
desempenho da dupla combinação fluxo e arame contínuo fosse introduzido no
interior do arame eletrodo o fluxo contendo elementos desoxidantes e estabilizantes
à semelhança dos revestimentos dos eletrodos. E assim nasceu o processo de
soldagem arame tubular, atualmente conhecido com a sigla FCAW – Flux Cored Arc
Welding e definido como um processo de soldagem por fusão, semelhante ao
processo de soldagem MIG/MAG diferenciando-se por carregar no interior do arame
o fluxo, composto por materiais inorgânicos e metálicos (Wainer et al, 1992).
Esses arames foram primeiramente estudados na década de 1920 e
desenvolvidos posteriormente por russos e americanos.
Atualmente, vêm sendo continuamente aperfeiçoado várias alternativas
de soldagem baseada nas investigações do contexto exposto acima, com a
implantação dos processos de soldagem MIG/MAG duplo arame para atender a
atual modernização da indústria.
2.3 - Processo de soldagem MIG/MAG
Nos Estados Unidos o processo de soldagem MIG/MAG é mais conhecido
pela sigla GMAW (Gas Metal Arc Welding), Figura 2.1, ou ainda, “Soldagem a Arco
Voltaico com Atmosfera Gasosa”. Conceitualmente pode ser descrito como um
processo de soldagem que utiliza o arco voltaico como fonte de calor para aquecer o
metal de base, bem como, um arame-eletrodo maciço consumível ou metal de
alimentação contínua, para a união de metais. Emprega uma fonte externa de gás
10
de proteção para a poça de solda suprida com pressão e vazão adequadas,
responsável pelo ambiente formado pelo arco elétrico e por proteger da oxidação as
gotas metálicas em transferência e a poça de fusão contra a atmosfera vizinha a
este arco (Gohr, 2002).
Quando o processo de soldagem utilizar um arco em atmosfera de gás
inerte entre o eletrodo nu consumível e a peça a soldar, recebe a denominação de
MIG (Metal Inert Gas), ou no caso de utilizar um gás ativo, o processo recebe a
denominação de MAG (Metal Active Gas), (APENGSOLD, 1997).
Outra característica do processo MIG/MAG é a sua aplicação em corrente
contínua CC+ tendo-se ainda a vantagem da limpeza do filme de óxido, crítico na
soldagem do alumínio e magnésio, permitindo uma adequada coalescência e um
perfil do cordão de solda mais uniforme (ALCAN, 1993).
A Figura 2.1 ilustra esquematicamente o processo de soldagem MIG/MAG
sendo composto por uma fonte de soldagem, um sistema de alimentação de arame-
eletrodo, uma tocha de soldagem normalmente com um modo independente de
refrigeração e um sistema de abastecimento de gás externo.
Figura 2.1 – Representação esquemática do conjunto para soldagem MIG/MAG
(Barra, 2003)
2.4 - Princípios do Processo MIG/MAG
Fundamentalmente, os principais processos de soldagem contínua
empregados mundialmente utilizam a energia calorífica gerada no arco voltaico para
11
acontecer de fato à solda e dentre estes processos destaca-se o MIG/MAG,
considerado por ter qualidade própria de se distinguir como um dos mais admitidos
pelas indústrias em face da boa flexibilidade, alta qualidade das soldas produzidas e
elevado nível de produtividade (Miranda, 2002; Gohr, 2002).
O processo MIG/MAG em condições de soldagem normalmente trabalha
com intensidades de correntes na faixa de 60 a 600 A e tensões de soldagem na
faixa de 15 a 35 V (AWS, 1992) em corrente contínua com polaridade inversa (CC
+
)
resultando em um arco estável com transferência metálica regular e com baixa
quantidade de salpicos. A solda resultante geralmente apresenta penetração
adequada dentro de uma boa gama de correntes, assim como boas propriedades
mecânicas e estéticas.
O processo de soldagem GMAW foi inicialmente desenvolvido e primeiro
usado principalmente para soldar alumínio e ainda é popular para este propósito.
Mas logo coverteu-se em um método de manufatura eficiente para união de juntas e
componentes em aço. Porém, também é usado amplamente por soldar todos os
principais metais comerciais inclusive aço carbono, ligas e aços inoxidáveis, como
também metais não ferrosos como o cobre (Sadler, 1999). As principais aplicações
são convergidas para onde o desejo pelo bom acabamento é esperado, como a
indústria automobilística e agrícola, fabricação de tanques e tubulações e fabricação
de estruturas leves e pesadas.
A elevada quantidade de solda depositada por tempo em kg/h; a relativa
facilidade de mecanização ou automatização do processo; o alto ciclo de operação
com tempo de arco aberto/tempo total de produção caracteriza-se como vantagens e
são as razões do empenho em aperfeiçoar o processo de soldagem para torná-lo
menos passível ao aparecimento de defeitos de deposição.
A soldagem pode ser praticada em todas as posições, de forma
automática e semi-automática, com estabilidade do processo.
2.4.1 - Obtenção do Arco Voltaico
O arco consiste de uma descarga de corrente elétrica, relativamente alta,
entre dois eletrodos, que é sustentado por um gás ionizado, denominado plasma,
AWS (1987). A formação do arco voltaico é determinada por meio do contato
12
provocado pelo curto-circuito entre o arame-eletrodo e a peça, conforme a Figura 2.1
e a Figura 2.2. Isto facilita a passagem de uma elevada corrente causando um
aquecimento ao longo do arame-eletrodo com uma conseqüente ruptura do curto
circuito, ocasionada através da fusão do arame na região de contato com a peça.
Entretanto, já que um pólo da fonte de energia está ligado na peça e outro no
eletrodo, então, nesse instante se estabelece o arco voltaico. O eletrodo, portanto, é
ao mesmo tempo suporte do arco elétrico e metal de adição. Com o arco elétrico
instalado e o arame-eletrodo sendo continuamente alimentado, parte da energia
responsável pela fusão da extremidade do eletrodo é devida ao efeito Joule gerado
pela passagem da corrente através do arame na parte que corresponde ao espaço
entre o bico de contato e o arco elétrico, causando um aquecimento do mesmo. No
entanto, a maior parte da energia provém do próprio arco na região de contato,
transformando a ponta do eletrodo em pequenas gotículas de metal fundido e logo
transferido-as para a poça de fusão da peça a soldar, determinando a geometria do
cordão de solda (Gohr, 2002).
Figura 2.2 – Região do arco na soldagem GMAW. (Modenesi, 2006)
2.4.2 - Pistola (tocha) de soldagem MIG/MAG
A tocha para a soldagem MIG/MAG, Figura 2.3 tem a função de abastecer
a região da soldagem com o gás protetor, guiar o arame-eletrodo e conduzir a
corrente de soldagem através do tubo de contato para o arame-eletrodo e metal de
base.
A Figura 2.3 apresenta uma pistola típica para a soldagem MIG/MAG.
13
Figura 2.3 – Tocha para soldagem GMAW semi-automática. (a) Detalhes da tocha e
(b) tocha completa (Modenesi, 2006)
Os diversos tipos de tochas de soldagem são projetados para se obter a
máxima eficiência do processo, para as mais severas operações de manuseio, para
a passagem de corrente elétrica em um duto interno, para proporcionar a máxima
produção devendo ser leves e não afetar o soldador.
Estas tochas para soldagem manuais são normalmente em forma de
tromba (pescoço curvilíneo). Consiste de um bico de contato deslizante para
transmitir corrente ao arame, Figura 2.3a, orifícios para a passagem de gás de
proteção, de um bocal que orienta o fluxo de gás protetor à região do arco e da poça
de fusão e de um gatilho (interruptor) de acionamento do sistema, Figura 2.3b. Em
seguida, o acionamento do sistema põe em ação um contactor que está ligado ao
primário do transformador da fonte, energizando o circuito de soldagem, além de
acionar o alimentador de arame e válvula solenóide para comandar o fluxo de gás
protetor a tocha (APENGSOLD, 1997).
Na soldagem manual com o processo MAG, são empregadas tochas
refrigeradas a ar, para intensidades de correntes abaixo de 300 A, e acima de 300 A
refrigeradas à água. Na soldagem manual MIG solda-se também abaixo de 300 A
com tochas refrigeradas à água, por causa da mais forte carga térmica, em virtude
do gás protetor inerte (Ar, He), assim como na soldagem mecanizada pelo maior
tempo que permanece ligado.
(b) (a)
14
2.4.3 - Influência da inclinação da pistola
A inclinação da tocha de soldagem forma com a reta vertical situada
perpendicularmente a linha de soldagem, um ângulo de deslocamento ou de ataque
que pode ser para frente ou para trás, negativo ou positivo, Figuras 2.4 e 2.5.
A utilização da pistola de soldagem pode ser contra ou a favor à direção
de soldagem e pode influenciar na geometria de solda. A pistola se inclinando para
frente, Figura 2.4, ângulo positivo e a favor da direção da soldagem, imaginando-se
que esta direção seja efetuada da esquerda para a direita, tem-se a chamada
soldagem “à direita”, Neste caso, o jato de plasma empurra o metal líquido para trás
e o arco incide mais diretamente no metal de base. Assim, a largura do cordão será
menor, com maior penetração e reforço convexo, embora o controle da operação de
soldagem seja mais difícil e o efeito da proteção de gás tende a diminuir gerando
porosidades.
Figura 2.4 – Efeito da inclinação do eletrodo (Quites, 2002)
Com a pistola juntamente com o eletrodo inclinados para trás, para o lado
da solda, ângulo de deslocamento negativo, Figuras 2.4 e 2.5, imaginando-se que a
direção de soldagem seja efetuada da esquerda para a direita, têm-se a chamada
soldagem “à esquerda”. Desta forma o jato de plasma espalha o material líquido na
forma de um colchão fluído. Isto faz aumentar a largura do cordão de solda e
diminuir o reforço e a penetração (Quites, 2002).
A utilização de um ângulo de deslocamento ou ataque compreendido
entre 0 a 20º, já que seu valor depende da posição de soldagem empregada,
corresponde à aplicação de ângulos negativos, Figuras 2.5, apesar da facilidade na
operação, também provoca baixa penetração além de um cordão largo e chato e
com reduzida incidência de salpicos (Barra, 2003).
15
O ângulo de trabalho localiza-se transversalmente à solda, conforme
representa na Figura 2.5, e corresponde normalmente entre 35 a 115º em relação à
vertical, que apresenta influência sobre a simetria do cordão de solda. A seleção do
ângulo de trabalho dependerá da posição de soldagem e do tipo de junta.
Figura 2.5 – Ângulo de posicionamento da tocha, (Barra, 2003).
2.4.4 - Bico (tubo) de Contato
O bico de contato é um tubo a base de cobre ou liga de cobre, cujo
diâmetro interno é ligeiramente maior que o diâmetro do arme-eletrodo (0,13 a 0,25
mm), servindo para energizar o arame-eletrodo e de contato deslizante permitindo a
passagem do arame sem restrições.
A posição do bico de contato, mostrado na Figura 2.6, dependerá do
modo de transferência com o qual se deseja soldar. De uma maneira simples para a
soldagem no modo curto-circuito, o bico de contato deverá permanecer faceado ou
projetado do bocal e, para a soldagem goticular o bico de contato deverá
permanecer recuado em relação ao bocal (Barra, 2003).
Figura 2.6 – Representação da distância bico de contato peça (DBCP) e projeção do
arame (stickout) (Barra, 2003)
16
2.4.5 - Distância entre Bico de Contato e Peça (DBCP)
Valores baixos da distância bico de contato e peça (metal de base) DBCP
podem ocasionar penetração profunda, reforços altos e cordões estreitos (pela
redução no valor de tensão) e aderência de salpico no bocal. Valores altos de DBCP
podem prejudicar a proteção do local de soldagem e facilitar a oscilação do arame
projetado, aumentar a incidência de respingos e porosidade e tornar o cordão
irregular (Barra, 2003).
O comprimento do arame entre o bico de contato e sua extremidade é
relativamente curto, assim podem ser empregadas altas densidades de corrente
(100 A/mm
2
), apesar do pequeno diâmetro dos eletrodos (APENGSOLD, 1997).
Segundo Quites (2002), o comprimento do arame-eletrodo no processo de
soldagem MIG/MAG é muito importante porque o diâmetro deste é muito pequeno.
Nele é produzida uma perda de energia por efeito Joule, (aquecimento já citado
anteriormente). Esta perda aumenta com o comprimento do arame-eletrodo (stick-
out). Para uma velocidade de alimentação de arame constante no modo tensão
constante, o aumento do comprimento do eletrodo implica em redução da corrente.
Por isto, este comprimento deve ser mantido, durante a soldagem, o mais invariável
possível. Por sua vez, o comprimento do arco também deve ser mantido constante.
Logo, o comprimento do arame influi decisivamente na geometria da solda.
A distância da tomada de corrente (DBCP) pode ser calculada pela soma
do comprimento do arco com o comprimento do eletrodo, Figura 2.6, no entanto,
deve ser estabelecida a princípio e conservada constante durante a operação. Para
o processo MAG, Qiutes (2002), informa que comumente se trabalha tornando
DBCP igual a Z, Figura 2.7, logo:
Z= I / 20 ; (1)
onde “I” é a intensidade de corrente em (A) e “Z” em (mm).
17
Figura 2.7 - Parâmetros de soldagem para os processos de alta produção.
(Quites, 2002)
V= velocidade; V
e
= velocidade de mergulho do eletrodo; Z= altura da tomada de
corrente; U= tensão de soldagem; I= corrente de soldagem.
2.4.6 - Distância do Bocal de Gás
No processo de soldagem MAG com gás de proteção ativo (CO
2
), Qiutes,
(2002) cita que para garantir uma melhor proteção gasosa é freqüente, para
intensidades de correntes entre 200 e 300 A, que as alturas do bocal e da tomada
de corrente (Z) sejam iguais (extremidade do tubo de contato e bocal esta no mesmo
plano) e a altura da tomada de corrente seja de 10 mm para correntes da ordem de
100 A e de 15 mm para corrente de 400 A.
2.4.7 - Fonte de Soldagem
O início da utilização do processo MIG/MAG foi perturbado e negativo
devido à falta de controle efetivo sobre a transferência metálica em face da pouca
evolução tecnológica das fontes de energia. Esta dificuldade apresentada levou o
processo a ser considerado como passível de contrair defeitos de fusão. Em
aplicações industriais como na soldagem de componentes estruturais de grande
responsabilidade, o processo não foi utilizado, embora, atualmente o processo
MIG/MAG seja considerado uma ferramenta de manufatura eficaz (Gohr, 2002).
Em decorrência dos avanços tecnológicos, nas últimas décadas, de
instrumentos e equipamentos empregados na soldagem, através da pesquisa tem
ocorrido apreciável benefício para a indústria permitindo metodologias de controle da
transferência por meio de informações fornecidas pelas próprias variáveis de
soldagem. O avanço tecnológico proporcionou o desenvolvimento de componentes
18
eletrônicos do estado sólido como o dos diodos que viabilizaram o controle, os
tiristores SCR, os transistores IGBT e os sistemas de memória –
EPROM, FLASH
ROM
e outras. O avanço da informática, iniciado nos anos 80, também proporcionou
o desenvolvimento e disponibilidade de computadores (hardware) e programas
computacionais (software) com velocidade de processamento cada vez maior. A
dupla “eletrônica/informática” possibilitou o progresso tecnológico de fontes de
soldagem eletrônicas com controle sobre a dinâmica de resposta, como: tensão e
velocidade de alimentação do arame em função do tempo; flutuação da corrente
(Ting, 2000; Altshuller, 1998; Machado, 1996; Dutra, 1995) apud Barra (2003) cita
que tal controle viabiliza o melhoramento, o desenvolvimento e a inserção de novas
variantes na soldagem MIG/MAG.
A fonte de energia, conforme esquematizado na Figura 2.1 pode ser do
tipo tensão constante sendo a corrente uma variável dependente baseada na
velocidade de alimentação do arame. Assim, as variáveis básicas e independentes,
previamente ajustadas, são a tensão e a velocidade do arame-eletrodo. Portanto, a
fonte de energia é responsável pelo controle dos principais parâmetros de soldagem,
sendo considerada a mais importante dos equipamentos.
No processo MIG/MAG existe a possibilidade da utilização de fontes de
soldagem retificadoras convencionais ou de fontes eletrônicas. Entretanto, estas
fontes podem apresentar duas características estáticas: tensão cte ou curva corrente
cte. A característica do arco determinará qual o tipo de fonte a ser utilizada, ou seja,
característica estática do tipo tensão constante (ou plana) ou do tipo corrente
constante (ou tombante), conforme esquematizado, respectivamente na Figura 2.8a
e 2.8b (Barra, 2003).
A tensão em vazio V
0
, chamada de tensão de circuito aberto, está situado
na ordem de 70 V (com valor máximo normalizado de 100 V). Em regime, este valor
decresce para o patamar da tensão de soldagem U
s
ou tensão do arco de 15 a 40 V.
A escolha pela aplicação de fontes do tipo tensão constante, Figura 2.8a
recai no controle interno da máquina, onde qualquer variação na distância entre o
bico de contato e a peça (DBCP) provocará uma mudança no comprimento do arco
em relação à condição do equilíbrio (
l
0
), além de uma alteração na taxa de fusão.
Entretanto, a alteração brusca na corrente de soldagem (I
s
) tende a manter o
19
comprimento do arco constante em l
0
e, consequentemente, alterando a projeção
do arame, sem alteração na velocidade de alimentação do arame.
As vantagens do uso destas fontes eletromagnéticas de curva
característica do tipo tensão constante são:
) Facilidade na abertura do arco.
) Prevenção de fusão do bico de contato;
) Manutenção do comprimento do arco
l
0
.
Figura 2.8 – Característica estática da fonte x curva do arco. a) tensão
constante e b) corrente constante (Barra, 2003)
Barra (2003) cita e destaca como desvantagem das fontes convencionais
a variação no aporte térmico que gera perfis diferenciados na penetração e na zona
termicamente afetada (ZTA),
Apenas como informação, para a escolha de fontes de energia
convencional com características estáticas do tipo curva tombante ou corrente
constante, Figura 2.8b, o controle da manutenção do comprimento
l
0,
será através
do controle externo, de forma que, qualquer variação de
l
0
é detectada através da
tensão de soldagem, o que implica em corrente de soldagem com pequenas
variações ou aproximadamente constante.
20
2.4.8 - Consumíveis
Os consumíveis empregados na soldagem MIG/MAG são basicamente o
arame-eletrodo e o gás de proteção. Para a soldagem de aços não ligados e com
baixo teor de carbono, o arame-eletrodo geralmente apresenta composição química
próxima à do metal de base. Scotti (1991) ressalta que a escolha do tipo de arame-
eletrodo deve ser realizada em função das finalidades e exigências do processo de
soldagem, pois alguns elementos de liga que são adicionados ao arame-eletrodo a
fim de melhorar uma determinada qualidade podem afetar outras.
O eletrodo é constituído de um arame delgado, com diâmetros reduzidos
e bitolas que variam entre 0,8 mm e 1,6 mm, podendo chegar a certos casos até 2,4
mm, o qual é bobinado em carretéis apropriados e impulsionados até o local de
contato da corrente elétrica por pequenos rolos acionados por um motor elétrico
(Quites, 2002).
Sabendo que o pólo negativo (-) da fonte de energia está ligado a obra e
o outro pólo positivo ao arame-eletrodo, o arco voltaico se estabelece entre o arame
consumível e o metal de base. O eletrodo, portanto, é ao mesmo tempo suporte do
arco elétrico e metal de adição. O calor do arco funde a extremidade do arame-
eletrodo e a superfície do metal de base, a fim de formar a poça de fusão na junta
soldada. O arame eletrodo se funde no calor do arco e o metal líquido é impelido por
um conjunto de forças, predominantemente eletromagnéticas, em direção ao metal
de base, formando a poça de fusão, conforme a Figura 2.2. O ambiente que se
formou o arco voltaico, as gotas metálicas em transferência, juntamente com o metal
de base fundido na poça de fusão são inteiramente protegidos pelo gás de proteção,
da oxidação causada pelo contato com o ar atmosférico. O gás é alimentado
externamente e flui por um bocal concêntrico da tocha de soldagem, Figura 2.6
(Quites, 2002; Gohr, 2002).
2.4.9 - Gás de Proteção
O tipo de gás de proteção influi no modo de transferência e nos formatos
do arco e do cordão de solda, entre outros fatores, como mostra na Figura 2.9, que
em (a) o gás é o argônio e em (b) é o CO
2
(Wainer et al, 2002; Baum, L & Ficher,
21
1981). Na figura 2.9 observa-se, também, a mudança no comprimento do arco
voltaico.
Figura 2.9 - Efeito do tipo de gás de proteção no formato do cordão (Wainer et
al, 2002)
A proteção do arco é realizada através de gases e os mais utilizados na
soldagem MIG/MAG são: o argônio (Ar), o hélio (He) ou de gases ativos como o
oxigênio (O
2
) e o dióxido de carbono (CO
2
) ou ainda de misturas de gases inerte
mais gás ativo. Estes gases têm a função de proteger a poça de fusão (região do
arco) contra elementos nocivos contidos no meio atmosférico, melhorar a
estabilidade do arco elétrico e proporcionar um cordão de solda com boa geometria
(Miranda, 2002; Norrih, 1992; Lyttle & Stapon, 1990).
A escolha do gás de proteção, para o uso no processo MIG/MAG deve ser
levado em consideração a sua eficácia na proteção do arco, na qualidade do metal
depositado, na estabilidade do arco, na geometria do cordão de solda e nas
propriedades mecânicas da solda (Groetelaars, 2005).
O gás de proteção é alimentado por um sistema adequado através do
bocal da pistola de soldagem, Figura 2.2, para proteger o arame, o arco e a poça de
fusão. Segundo Miranda (2002), as características físicas do gás de proteção, como
a condutibilidade térmica, a resistência elétrica e o potencial de ionização têm
influência direta sobre o comportamento da soldagem e Bennet (1989) classificou os
gases de proteção para soldagem MIG/MAG através dos efeitos sobre as
características do arco, a transferência metálica e o comportamento da poça fundida.
Assim, os gases de proteção têm duas características físicas importantes que são o
potencial de ionização e a condutibilidade térmica.
22
) Potencial de Ionização: energia necessária à produção de um elétron
livre ou tensão necessária para remover um elétron de um átomo tornando este em
um íon. A formação do plasma é dependente do potencial de ionização e dos gases
vizinhos. Variações nesta propriedade criam algumas das diferenças distintas de
desempenho entre os gases de proteção (Lyttle & Stapon, 1990; Groetelaars, 2005).
O arco é subdivido em três regiões distintas: região de queda catódica;
coluna de plasma e região de queda anódica. As quedas de tensão são medidas
nestas regiões catódicas e anódicas são da ordem de 1 a 15 V, o que confere um
significativo gradiente de tensão. Considerando-se o volume do arco, este é formado
quase que exclusivamente pela coluna do arco. A queda de tensão na coluna de
plasma é aproximadamente proporcional ao comprimento do arco e está associada à
composição do gás do plasma e outros fatores como rigidez do arco, intensidade de
corrente etc.
A coluna do plasma é formada de partículas neutras (moléculas e
átomos), de íons e de elétrons livres. Os íons e elétrons livres são os principais
responsáveis pela passagem da corrente elétrica entre os eletrodos. A ionização do
gás se dá através do aquecimento do mesmo a altas temperaturas provocando uma
agitação térmica do gás e promovendo choques entre seus constituintes, ocorrendo
a ionização parcial e em função disto a formação do plasma. No caso dos arcos
elétricos de soldagem, o interesse está voltado para a ionização térmica, que é a
ionização por colisão entre partículas bastante aquecidas.
Quando o eletrodo entra em contato com o metal base, a tensão cai
instantaneamente a um valor muito baixo e a corrente cresce a um valor bem
próximo da corrente de curto-circuito. A região do eletrodo em contato com o metal
de base se aquece por efeito joule imediatamente até atingir a incandescência
favorecendo o fenômeno chamado de “efeito termiônico”. Esses elétrons emitidos se
chocam com os átomos dos gases que compõem a atmosfera do local e fornecem
mais energia térmica. Assim, esses gases promovem o fenômeno da ionização
térmica, tendo elétrons livres e íons positivos, significando que os gases passam
para o estado de plasma, formando consequentemente um meio condutor de
energia elétrica.
A coluna do plasma requer uma temperatura suficiente para manter o
grau de ionização, quanto maior for o potencial de ionização dos constituintes da
23
coluna, maior será a energia necessária para manter o nível de ionização desejada,
logo maior será a temperatura do arco voltaico. O gás hélio apresenta potencial de
ionização de 2,37 Mjmol
-1
e o gás argônio apresenta potencial de ionização de 1,37
Mjmol
-1
ambos são empregados na soldagem.
Os autores Lyttle & Stapon (1990) citam que o acendimento e a
estabilidade do arco elétrico são influenciados pelo potencial de ionização dos gases
de proteção empregados nos processos de soldagem. Um gás com baixo potencial
de ionização, como o argônio, pode transformar átomos em íons facilmente,
auxiliando a manter o arco suave e estável.
) Condutividade Térmica: diferenças nas características dos depósitos
do metal de solda resultante são proporcionadas pelas diferenças na condutividade
térmica dos componentes do gás protetor. Os gases que possuem mais alta
condutividade térmica transferem mais calor para a peça, influenciando a forma e o
perfil da penetração da solda. Melhor transferência de calor para o metal de base
proporciona melhor penetração na junta e mais fluida será a poça de fusão. Neste
sentido, alta condutividade térmica é crítica, especialmente quando se solda metais
muito condutores, isto é, metais que cedem calor com muita rapidez, como o cobre e
o alumínio. Estes materiais necessitam de um arco que transfira mais calor para a
peça, para que as soldas efetuadas nestes materiais não apresentem problemas de
falta de fusão e/ou penetração, (Lyttle & Stapon, 1990 apud Groetelaars, 2005).
a) Argônio
O argônio é um dos gases mais utilizados no processo de soldagem
MIG/MAG. É inerte e possui densidade maior que o ar com baixo potencial de
ionização (15,8 eV) facilitando a reignição do arco, baixo potencial de oxidação,
baixa condutividade térmica e promove proteção e arco estável e eficiente. De
acordo com Dillembeck & Castagno (1987), Norrish et al (1988) e Lyttle & Stapon
(1990), a elevada densidade do argônio é maior que a do ar (cerca de 1,37 em
relação ao ar) proporciona uma efetiva ação protetora em fluxo de gás moderado,
porque facilmente ele substitui o ar em torno da solda.
O gás argônio, por ter característica não oxidante, propicia soldas livres
de inclusões, logo nos aços carbonos comuns a coluna do arco fica mais estreita e o
24
arco elétrico instável, além de uma pobre molhabilidade. A adição de gases ativos
como O
2
ou CO
2
ao argônio supera esta dificuldade, porque os óxidos formados por
estes gases promovem a fixação de cátodos, aumentando a estabilidade do arco.
Devido o gás ser inerte e não reativo, a proteção a base de argônio propicia
retenção de elementos de liga, melhorando a qualidade das propriedades mecânicas
do metal depositado, permite também transferência goticular (“spray”), além da
estabilidade de arco e do bom acendimento em baixas intensidades de correntes de
soldagem. O menor potencial de oxidação reduz a tensão do arco, gerando menor
potência no arco e, portanto, menor penetração na junta, mordedura e um perfil
irregular do cordão (Groetelaars et al, 2005).
b) Hélio
O gás hélio é inerte possui densidade baixa e menor que a do ar (cerca de
0,137 em relação ao ar) com alto potencial de ionização (24,6 eV) tendo maiores
dificuldades para reignição do arco e demanda uma maior tensão para uma dada
corrente e comprimento do arco quando comparado com argônio. A utilização deste
gás é mais onerosa e requer maior vazão, porém o emprego deste gás é
evidenciado em aplicações que requerem velocidade de soldagem e/ou penetração
mais elevada no perfil de solda.
c) Dióxido de Carbono (CO
2
)
O gás Dióxido de Carbono é um gás ativo na soldagem que possui
condutibilidade térmica elevada sendo responsável por uma alta transferência de
calor para o metal de base e núcleo de condução do arco de pequeno diâmetro
(Groetelaars, 2005; Scotti, 1991; Lyttle & Stapon, 1990). As duas últimas
características citadas, geralmente prejudicam a estabilidade do arco e produzem
uma quantidade excessiva de respingos. As vantagens do CO
2
são: velocidade de
soldagem e penetração elevadas com baixo custo. Comercialmente o CO
2
é o de
custo mais baixo, sendo 4 vezes mais barato que o gás argônio e o mais utilizado
gás de proteção para soldagem MIG/MAG e eletrodo tubular, sendo amplamente
utilizado sozinho no processo MAG em aplicação exclusivamente para a soldagem
25
de aços carbono e aços de baixa liga com transferência por curto-circuito (Lyttle &
Stapon, 1990; Pierre, 1987; Dillembeck & Castagno, 1987).
De outro lado, são desvantagens o excesso de respingos e a atmosfera
do arco oxidante podendo causar porosidade, caso o arame-eletrodo nu não ofereça
desoxidantes em sua constituição, e podendo influir na qualidade das propriedades
mecânicas do metal depositado.
A tensão do arco voltaico é 1 a 2 vezes maior em CO
2
do que em
misturas a base de argônio, para uma intensidade de corrente e comprimento de
arco equivalente (Norris et al, 1998; Scotti, 1991; Lyttle & Stapon, 1990). Como o
calor de entrada é ligeiramente maior, resulta em uma maior fusão do metal de base.
Apresenta um perfil de penetração mais largo e arredondado quando comparado
com o argônio e maior distorção no metal de base (Lucas, 1992).
d) Misturas
A American Welding Society (AWS) é uma Sociedade Americana de
Soldagem que rege entre outros, trabalhos para desenvolver especificações e
recomendações de uso para os gases de proteção.
As misturas de gases de proteção são formuladas para soldagem de tipos
específicos de metais. A seleção da mistura é baseada na disponibilidade e nas
necessidades específicas do trabalho.
A adição de pequenas quantidades de CO
2
em argônio é mais
conveniente para trabalhos de soldagem em chapas finas enquanto maiores adições
de CO
2
são melhores para seções grossas (Hilton, 1990; Lyttle & Stapon, 1990).
O CO
2
é geralmente aplicado para proporcionar maior penetração na
junta soldada, entretanto uma mistura de argônio mais dióxido de carbono (Ar+CO
2
)
com níveis de intensidade de corrente controlados e arco mais estável possa
propiciar ótima penetração. Para grandes penetrações de soldagem na junta, devem
ser aumentados os níveis de intensidade de corrente de soldagem favorecendo
também maior produtividade (Hilton, 1990 e Lyttle & Stapon, 1990).
26
2.5 - Soldagem MIG/MAG Duplo Arame
O processo tem sido aplicado comercialmente, embora atualmente esteja
em pleno desenvolvimento como advento da evolução tecnológica das fontes
eletrônicas e nos últimos anos este processo vem passando por avaliações (Michie
et al, 1999; Ketron et al, 2002; Mulligan & Meltron, 2002 e Motta, 2002).
Michie et al (1999) e Motta (2002) citam que a aplicação deste processo
tem aumentado na indústria, principalmente, em atividades que solicitem um baixo
aporte de energia sobre as peças, permitindo a imposição de maior velocidade de
deslocamento e ainda proporcionar alta taxa de metal depositado. Além disto, estes
autores citam que estas são algumas das principais vantagens do processo com
duplo arame em relação ao processo de soldagem MIG/MAG e destacam, ainda,
que os problemas como falta de fusão, porosidade e mordedura são reduzidas com
a aplicação do duplo arame na soldagem.
2.5.1 - Fundamentos do Processo MIG/MAG Duplo Arame
Os processos de soldagem MIG/MAG Duplo Arame surgem no mercado
industrial como uma alternativa para aumento de produção, haja vista, que
atualmente há uma busca incessante das empresas industriais modernas por
aumento de competitividade, e por isso um crescente investimento em novas
tecnologias. Dentro deste contexto, nasceu a idéia de gerar uma alternativa que
reunisse as características de versatilidade do processo MIG/MAG com a alta
produtividade do processo arco submerso multi-eletrodos. Neste sentido, surgiu o
processo de soldagem GMAW duplo arame.
Michie et al (1999) citam que o processo de soldagem com duplo arame
foi primeiramente utilizado com o processo de soldagem arco submerso, no final dos
anos 1940 e essa técnica foi rapidamente admitida como um método de aumento na
produtividade. Na metade dos anos 50 (século XX) essa técnica inovadora foi
introduzida no campo da soldagem com proteção gasosa não tendo grandes
repercussões. Porém, atualmente avanços tecnológicos nas fontes estão
relacionados ao uso de componentes eletrônicos que permitem controlar de forma
eficiente os parâmetros elétricos. Logo, a tecnologia forneceu o suporte necessário
27
que estava faltando para o desenvolvimento e viabilização do processo MlG/MAG
duplo arame.
Comparativamente à soldagem MlG/MAG, as principais diferenças são
caracterizadas pela maior taxa de deposição de metal, possibilidade de soldagens
com velocidades de deslocamento mais elevadas e menor aporte térmico sobre a
peça. Este último como conseqüência da utilização de velocidades de soldagem
mais altas.
2.5.2 - Característica do processo
O processo MlG/MAG com dois arames caracteriza-se pela formação de
um par de arcos elétricos entre uma única poça fundida e a extremidade de dois
eletrodos consumíveis (Motta, 2002).
O processo duplo arame apresenta uma diferença em relação ao
processo MIG/MAG, sendo o emprego de alimentação contínua de dois arames,
formando uma ou duas poças de fusão, protegidas por gases protetores
previamente selecionados.
Encontra-se na literatura pesquisada duas alternativas implementadas
como variações para o processo de soldagem duplo arame. O processo apresenta
duas variações principais: MIG/MAG Duplo Arame Potencial Único, Figura 2.10, e
MIG/MAG Duplo Arame com Potenciais Isolados, Figura 2.11.
a) MIG/MAG Duplo Arame com Potencial Único (DAPU)
Os eletrodos são fornecidos ao local de solda através de alimentadores
de arames independentes e submetidos ao mesmo potencial elétrico, uma vez que
ambos estão em contato elétrico no bico da tocha, conforme Figura 2.10. Neste
sistema pode-se utilizar uma ou duas fontes de potência para a realização das
soldagens. No entanto, quando se trata de uma única fonte de potência, essa
deverá ser capaz de fornecer corrente suficiente para fundir ambos os arames
simultaneamente, conforme a taxa de deposição de material solicitada. A vantagem
deste sistema com duplo arame potencial único em relação ao duplo arame com
potenciais isolados é o menor custo operacional, tendo em vista que a quantidade,
28
necessária de acessórios e equipamentos para a soldagem por este processo, é
inferior (Motta, 2002).
Figura 2.10 – Representação do sistema duplo arame com potencial único
(Motta, 2002)
b) MIG/MAG Duplo Arame com Potenciais Isolados (DAPI)
No segundo sistema, Figura 2.11, os dois eletrodos são isolados
eletricamente e os arcos são mantidos por duas fontes de soldagem separadas. O
isolamento elétrico entre os eletrodos e a manutenção dos arcos por fontes de
soldagem separadas são as características que identificam este processo (Motta,
2002). Portanto, assim como no processo duplo arame com potencial único os
eletrodos são fornecidos por dois alimentadores de arames. Uma vantagem deste
sistema é a possibilidade de se atuar de forma independente sobre a manipulação
dos parâmetros de soldagem de cada arco elétrico, através de ambas as fontes,
conferindo-se funções distintas a cada um dos dois arcos.
Figura 2.11 – Representação do sistema duplo arame com potenciais isolados,
(Motta, 2002)
29
Os dois sistemas DAPU e DAPI empregam dois alimentadores de arame-
eletrodo. Logo, podem ser usados arames com diferentes composições químicas e
obter distintas velocidades de alimentação.
2.6.2 - Configuração do processo duplo arame
Alinhamento dos arames em relação à direção da tocha.
De acordo com a aplicação, o processo de soldagem duplo arame permite
ao usuário alternar o posicionamento dos arames em relação à direção de
deslocamento da tocha.
Não há uma terminologia própria empregada para caracterizar as técnicas
operacionais dos processos envolvendo o duplo arame. Em alguns casos, como
neste trabalho, usaremos os mesmos termos “Twin” e “Tandem” utilizados nos
processos DAPU e DAPI para caracterizar o posicionamento dos arames em relação
ao sentido de soldagem.
a) Quanto à disposição dos arames
Com o emprego de dois arames o processo permite alterar a disposição
geométrica relativo às pontas dos mesmos em relação à peça. Basicamente, são
duas as principais possibilidades de arranjo de alinhamento nas aplicações do
processo, cujas características estão descritas a seguir:
) Em posicionamento transversal “Twin Wire”
A tocha de soldagem com a disposição dos arames em posição
transversal “Twin Wire”, que apenas indica tratar de arames gêmeos (duplo) em que
os dois arames estão lado a lado numa posição transversal ao sentido de
deslocamento da tocha (Gonzáles, 1999). A utilização do alinhamento transversal
twin é referenciada como vantajosa na soldagem de juntas de topo e revestimentos
soldados.
Segundo Gonzáles (1999), no caso de revestimentos soldados, o
processo configurado desta forma também encontra grandes vantagens, pois foram
30
obtidos depósitos de solda com pequena penetração e baixa diluição, características
desejáveis nesta aplicação.
Motta (2002) encontrou bons resultados em aplicações de cordões
uniformes para revestimento utilizando o processo duplo arame com duas tochas
acopladas, tanto na posição plana quanto na posição sobre cabeça.
) Em Posicionamento Longitudinal “Tandem Wire”
A tocha de soldagem com a disposição dos arames em posição
longitudinal “Tandem Wire”, em que neste arranjo os arames são dispostos na
posição longitudinal tandem ao longo do cordão de solda, ou seja, os eletrodos
estão em cooperação posicionados um em frente ao outro na direção da velocidade
de soldagem (Gonzáles, 1999; Motta 2002). Esta disposição é empregada com o
intuito de aumentar a velocidade de soldagem.
2.6.3 - Gás de proteção no processo duplo arame
Groetelaars (2005) resume os fatores que contribuem e direcionam a
seleção de gases de proteção para a soldagem MIG/MAG. Destacam-se entre eles o
metal de base a ser soldado, o diâmetro do eletrodo, o tipo e posição de soldagem
bem como a transferência metálica desejada.
Em temperatura ambiente o CO
2
exibe uma característica de gás inerte
por não reagir com outros elementos, embora em temperaturas elevadas como as
de soldagem ele tem comportamento de gás ativo, por se dissociar-se no arco para
formar CO e O
2
gerando uma proteção oxidante (Lucas, 1992; Dillembeck &
Castagno, 1987). Groetelaars (2005) cita que a porosidade no cordão de solda pode
ser prevenida pela presença de desoxidantes no metal de adição, por exemplo, pelo
uso de um arame-eletrodo AWS ERXXS6.
A condutividade elétrica do CO
2
é baixa. Uma complexa interação de
forças ocorre no arco a medido que as gotas metálicas se formam na ponta do
arame. A resultante destas forças age no sentido de reter as gotas havendo um
crescimento excessivo e instável destas na ponta do eletrodo, sendo repelidas pelo
arco, transferindo-se de modo explosivo gerando excesso de salpicagem (Lucas,
1992; Lyttle & Stapon, 1990; Dillembeck & Castagno, 1987; Pierre, 1987).
31
Groetelaars (2005) relata que o uso de arcos curtos e controle de
indutância, obtêm-se transferência por curto-circuito mais estável, podendo melhorar
o desempenho do processo duplo arame.
a) Efeito dos gases de proteção no processo duplo arame
Groetelaars (2005) menciona que o desempenho dos gases de proteção
na soldagem com duplo arame é parecido com o do processo MIG/MAG, sendo que
o efeito de diferentes misturas é bem conhecido. Dilthey et al (1998) investigaram
esse efeito para aços carbono no processo MIG/MAG duplo arame e constataram
que com um aumento do teor de CO
2
(mais de 18%) em misturas com Argônio,
houve um aumento da penetração lateral no perfil do cordão soldado, formando
assim perfis com formato mais simétrico. Os autores ainda observaram que
velocidades de soldagem acima de 2 m/min não puderam ser alcançadas com gases
de alto teor de CO
2
, pois com tal velocidade a poça de fusão tomou-se mais viscosa
e maiores gotas são formadas pela união da transferência metálica dos dois arames
(efeito de interferência do campo magnético), ocasionando a transferência por curto-
circuito, gerando assim muito respingo.
2.6.4 - Parâmetros de soldagem e tópicos afins
Na soldagem MIG/MAG a penetração da solda está diretamente ligada á
pressão que o arco exerce sobre a poça fundida. A pressão do arco tem influência
sobre a transferência metálica, a penetração da solda e o formato do cordão. A
pressão do arco é composta pelo jato de gás de plasma, pela componente axial da
força de Lorents e pela inércia das gotas que se chocam com a poça de fusão. É
ainda, responsável pela compressão da superfície líquida abrindo um canal que
permite ao calor fluir para o metal de base (Motta, 2002).
A correta utilização do processo dependerá do perfeito entendimento
como as diversas variáveis envolvidas na operação de soldagem podem influenciar
na estabilidade do arco e na qualidade final do metal depositado.
As variáveis mais importantes do processo e sua influência no cordão de
solda, conforme (Barra, 2003), são:
32
) Tensão do arco;
) Intensidade de corrente;
) Velocidade de soldagem;
) Extensão livre do eletrodo;
) Inclinação e diâmetro do arame-eletrodo.
Um aproveitamento melhor do processo de soldagem MIG/MAG duplo
arame passa pelo conhecimento dos efeitos das variáveis, tais como:
a) Tensão de soldagem (U
s
)
A tensão de soldagem influencia no insumo de calor e apresenta uma
relação direta com o comprimento do arco e a largura do arco.
De uma maneira geral, tensões baixas favorecem a transferência por
curto-circuito.
Para uma mesma intensidade de corrente, provocará cordões de solda
mais estreitos e maior penetração. O oposto acorrendo para tensões mais altas,
além da ocorrência de salpicos grosseiros.
Valores elevados de tensão podem proporcionar o aparecimento de
salpicos, mordedura e porosidade e já para valores baixos de tensão podem
propiciar o aparecimento de sobreposição de metal na margem do cordão de solda e
porosidade.
b) Corrente de soldagem (I
s
)
A corrente de soldagem alta poderá influenciar diretamente na geometria
do cordão de solda, no volume da poça fundida, no incremento da taxa de fusão, na
largura da ZTA e no efeito sobre o aporte térmico mexendo com a microestrutura do
metal depositado.
A corrente de soldagem pode alterar o modo de transferência metálica.
Para a soldagem com o processo MAG-CW, usou-se basicamente
corrente contínua CC (+), na qual o pólo positivo está ligado ao arame-eletrodo.
33
Para o processo duplo arame, a corrente de soldagem é dependente
direta da velocidade de alimentação do arame-eletrodo no processo e pode variar de
acordo com as velocidades de alimentação do mesmo.
É possível controlar a corrente e a tensão no arco mantendo ou não o
consumo.
c) Velocidade de soldagem (Vs)
A velocidade de soldagem é quem da à possibilidade de aumento de
produção, portanto é um parâmetro de grande importância para o processo
MIG/MAG duplo arame.
O processo MIG/MAG soldando em altas velocidades proporciona
descontinuidades nos cordões de solda ocasionadas por uma intensa força do arco
voltaico, que se origina de altas correntes de soldagem (Michie et al, 1999).
Um aumento na velocidade de soldagem proporciona uma diminuição na
largura do cordão e um aumento na penetração, num primeiro instante e diminuição
desta em valores mais altos. Em velocidades muito elevadas poderá ocorrer o
surgimento de trincas de solidificação e de mordeduras (geometria irregular do
cordão). Mantidos os outros parâmetros fixos, o incremento na velocidade de
soldagem acarretará em um nível de distorção menor, tamanho da ZTA e
modificação na microestrutura do metal depositado.
O processo duplo arame oferece um grande número de características
que podem atuar com solução de alguns problemas ocorridos no processo
MIG/MAG utilizando altas velocidades de soldagem. O emprego de dois eletrodos,
para uma dada corrente, aumenta a área da poça de fusão onde a força do arco
atua possibilitando o uso de maiores correntes totais ante do aparecimento de
mordeduras e de outros efeitos. Maiores correntes de soldagem resultam em
maiores taxas de deposição e de fusão (Groetelaars, 2005).
34
d) Velocidade de alimentação
A soldagem com o processo duplo arame emprega dois arames, logo há a
possibilidade de variar a velocidade de alimentação dos dois arames, pois o
processo trabalha independentemente com dois cabeçotes alimentadores de arame.
Uma das grandes vantagens do MIG/MAG duplo arame com potencial
isolado é justamente a possibilidade de obter maiores variações de velocidade de
alimentação para cada arame, por causa da maior capacidade de ajustes de
parâmetros para cada arame (Groetelaars, 2005). Segundo esse autor, para uma
aplicação em chapa fina a opção empurrando parece mais atrativa.
e) Ângulo da tocha
A tocha pode ser posicionada de três maneiras diferentes em relação ao
ângulo de ataque: puxando a poça de fusão, empurrando a poça de fusão e
perpendicular. Classicamente, a posição puxando favorece a penetração no metal
de base e a posição empurrando favorece um cordão menos convexo em detrimento
da penetração (Groetelaars, 2005).
2.6.5 - Transferência metálica
O conhecimento dos fenômenos envolvidos na transferência metálica é
de fundamental importância para o melhor controle do processo de soldagem.
Basicamente, a transferência metálica significa a forma com que o metal
líquido superaquecido (gota metálica) que se formou na extremidade do arame-
eletrodo, é transferido até a poça de fusão, o que é uma característica operacional
da soldagem a arco voltaico afetando de forma significativa a sua estabilidade. Um
dos principais requisitos para o melhoramento no sistema de controle da soldagem
MIG/MAG é a capacidade de monitoramento no modo de transferência metálica, que
depende de vários parâmetros de soldagem. Segundo Abreu (2003); AWS (1991);
Machado (1996); Modenesi (1994), o modo pelo qual a gota metálica irá se
transferir, em determinada condição de soldagem, dependerá, entre outros, da
combinação dos seguintes fatores:
) Tipo de corrente (CC, CA ou pulsada);
35
) Tipo de gás de proteção e nível de vazão
) Projeção do arame em relação ao bico de contato;
) Diâmetro e composição química do eletrodo;
) Polaridade do arco;
) Tensão de soldagem;
) Comprimento energizado do arame-eletrodo.
A Tabela 1 apresenta a classificação completa dos tipos de transferência
metálica MIG/MAG junto com alguns tipos adicionais e esquematicamente ilustrada
através da Figura 2.12 (Vilarinho, 2000; Stenbacka & Persson, 1989; Machado,
1996). A transferência metálica pode ser classificada, segundo o IIW (International
Institute of Welding) por um sistema composto por três grupos principais:
transferência por vôo livre, transferência por contato e transferência guiada por
escória, mas, em geral, três tipos são geralmente citados nas publicações científicas,
como sendo: curto-circuito, globular e goticular (Groetelaars, 2005; Vilarinho, 2000;
Machado, 1996; Liu & Siewert, 1989).
Tabela 1 - Classificação de transferência metálica pelo IIW.
Tipo de Transferência Processos de Soldagem (exemplos)
I
Transf
e
rência
p
or vôo livre
1. Globular MIG/MAG baixas correntes
1.1 Globular re
p
elida MIG/MAG
p
rote
g
ido
p
or CO
2
2. Goticular
(
"S
p
ra
y
"
)
2.1 Goticular axial MIG/MAG com corrente intermediária
2.2 Goticular com elon
g
amento MIG/MAG com corrente média
2.3 Goticular rotacional MIG/MAG com corrente alta
3. Gotas ex
p
losivas Eletrodos revestidos e arame tubular
/
/ Transferência
p
or contato
2.1 Curto-circuito MIG/MAG com baixas correntes e
2.2 Contato sem interru
pç
ão TIG com alimenta
ç
ão
/
// Transferência
g
uiada
p
or escória
3.1 Fluxo
g
uiado
p
or
p
arede Arco Submerso
3.2 Outros modos Eletrodo Revestido, Arame tubular,
36
Wang, Liu e Jones (1995) afirmam que de acordo com o tamanho e
característica da transferência da gota fundida, diferentes modos de transferência
metálica podem ser definidos, tais como, curto-circuito, globular e spray. Estes
modos de transferência metálica apresentam diferenças na estabilidade de arco,
poça de fusão, penetração, produção de salpicos, porosidade e nível de gás
aprisionado (Kim et al, 1993).
O modo de transferência do metal de adição é importante na soldagem
MIG/MAG, porque afeta a geometria e as propriedades da solda. Assim sendo, o
modo também afeta as características do processo como exemplo, a quantidade de
gases absorvida pela poça de fusão, a estabilidade do arco, a aplicabilidade do
processo em determinadas posições, a geometria da solda, o modo operacional e a
quantidade de salpicagem.
Os mecanismos de transferência metálica têm sido pesquisados desde a
introdução dos processos com eletrodos consumíveis nas décadas de 1950 e 1960,
quando técnicas de filmagem, com câmaras de alta velocidade, consideradas como
uma das mais importantes ferramentas de observação foi usada para investigar o
arco elétrico do processo de soldagem MIG/MAG. Portanto, para caracterizar o tipo
de transferência metálica pode ser através de filmagens em alta velocidade, também
chamada de “Shadowgrafia”. Por este método, admite-se que se o diâmetro de uma
gota for menor do que o diâmetro do arame eletrodo considera-se a transferência no
modo spray. Entretanto, se o diâmetro da gota for maior do que o diâmetro do arame
fica caracterizado a transferência no modo globular e se a gota tocar a poça de
fusão fica reconhecido como transferência em curto-circuito (VILARINHO, 2000).
As investigações também foram realizadas com o osciloscópio que
registra sinais de tensão e corrente simultaneamente com filmagem de alta
velocidade (Groetelaars, 2005; Liu & Siewert et al, 1989).
Por estas razões, os mecanismos envolvidos são muito estudados
havendo uma extensa bibliografia sobre o tema.
Para identificar o tipo de transferência metálica durante a soldagem,
várias técnicas são empregadas, entre elas tem-se:
) Identificação por meio de filmagem em alta velocidade
(Shadowgrafia);
37
) Identificação por meio dos sinais de tensão e de corrente de soldagem
(oscilogramas);
) Identificação por meio dos sinais sonoros;
) Identificação por meio da intensidade luminosa.
Wang, Liu e Jones (1995) utilizaram o modo de identificação por meio de
sinais de tensão e corrente de soldagem para classificar o modo de transferência
metálica. Neste sentido, estes pesquisadores notaram que o comprimento de arco
aumenta e diminui periodicamente com a formação e o destacamento de uma gota.
Conseqüentemente, cada evento de transferência corresponde a um pico
(extremidade superior do oscilograma de tensão x tempo) e um vale de tensão
(extremidade inferior do oscilograma de tensão x tempo). No entanto, os picos e os
vales de tensão são identificados através de programas computacionais, através dos
quais pode-se obter uma variação de tensão (ΔU) para cada evento durante um
determinado intervalo de tempo. Neste sentido, foi adotado um critério de variação
de tensão (ΔU) que correlacionava o modo de transferência metálica com a variação
entre o pico e o vale de tensão. Deste modo, os autores propuseram a seguinte
relação para a transferência metálica com o eletrodo E71T-1 e com Ar-25%CO
2
como gás de proteção:
) Curto-circuito: ΔU > 10 V
) Globular: 1 < ΔU < 10 V
) Spray: 0,3 < ΔU < 1 V
Os mecanismos de transferência envolvidos se originam a partir da ação
de forças de natureza distintas, como as de origem eletromagnéticas, gravitacional e
tensão superficial, agindo simultaneamente, e se dão pela interação complexa deste
conjunto de forças sobre a extremidade do eletrodo fundido, poça de fusão e arco
voltaico (Gohr, 2002). A magnitude destas forças está sob a influência direta das
variáveis elétricas tensão e corrente, do ambiente do arco com atmosfera inerte ou
ativa e da composição química do eletrodo/peça.
Como foi visto, a transferência metálica é resultado de um conjunto de
forças e a resultante destas forças determinará o destacamento da gota.
38
É sabido que existem algumas teorias para explicar e modelar o conjunto
destas forças como a teoria do Equilíbrio Estático de Forças (EEF) e teoria da
Instabilidade como Decorrência do Efeito Pinch (IEP).
Nesta revisão não são abordadas essas teorias e, portanto, é avaliada
apenas a classificação quanto ao tipo de transferência, já abordado, e um estudo
sobre a transferência por curto-circuito que ocorreu nos ensaios.
Na soldagem MIG/MAG a penetração da solda está diretamente ligada á
pressão que o arco exerce sobre a poça fundida. A pressão do arco tem influência
sobre a transferência metálica, a penetração da solda e o formato do cordão. A
pressão do arco é composta pelo jato de gás de plasma, pela componente axial da
força de Lorents e pela inércia das gotas que se chocam com a poça de fusão. É
ainda, responsável pela compressão da superfície líquida abrindo um canal que
permite ao calor fluir para o metal de base (Motta, 2002).
A Figura 2.12 apresenta esquematicamente os principais tipos de
transferência metálica ocorridos no processo de soldagem MIG/MAG.
Figura 2.12 – Representação esquemática dos principais modos de transferência
metálica (Barra, 1998)
Em situações comuns de soldagem, as transferências por curto-circuito,
por vôo livre na forma globular e a goticular pulsada projetada são as mais usadas
no processo de soldagem MIG/MAG. Este fato desperta nos pesquisadores a
atenção para a investigação dos princípios físicos e mecanismos de transferência.
39
a) Transferência metálica por curto-circuito
Para Abreu Filho (2003) o tipo de transferência por curto-circuito é
caracterizado, principalmente, pela velocidade de alimentação de arame-eletrodo ser
maior que a sua taxa de fusão.
Motta et al (2005) relatam que este modo de transferência ocorre na
soldagem MIG/MAG em níveis de tensão (comprimento do arco) e de corrente mais
baixa, apresenta uma poça de fusão de menor dimensão com intensidade de
energia mais baixa em relação aos demais modos de transferência, caracterizando
uma técnica de baixa energia térmica. Por estas características, normalmente é
indicado para a soldagem fora da posição ou na soldagem de chapas finas de aço,
quando estes baixos valores são necessários.
O ciclo de desprendimento da gota depende de fatores como a
composição e o diâmetro do eletrodo, a intensidade e a oscilação da corrente de
soldagem, entre outras e pode repetir-se em intervalos que variam entre 50 a 200Hz
(Street, 1990)
Neste tipo de transferência, a intensidade de corrente em arco aberto é
baixa, embora, o nível de corrente durante o período de curto-circuito seja elevado
(Norrish, 1992).
¾ Descrição da transferência por curto-circuito
A Figura 2.13 ilustra os oscilogramas de tensão e corrente de soldagem
deste tipo de transferência bem como a variação e a forma de onda destes sinais
elétricos.
Gohr (2002) descreve de forma sucinta a transferência por curto-circuito
considerando a soldagem em regime permanente. Pode-se observar que para uma
melhor compreensão, a transferência será dividida em quatro etapas distintas e
seqüenciais de separação da gota metálica, conforme a Figura 2.14.
Etapa A
) A extremidade do eletrodo encontra-se no ponto mais afastado da
poça de fusão - o arco possui o estado de maior nível energético - a corrente e a
tensão atingem seus máximos, Figura 2.14.
40
) O valor da corrente é reduzido exponencialmente a fim de conduzir a
tensão ao valor de referência (valor de tensão ajustado para soldagem), a uma taxa
de decréscimo determinada através da indutância da fonte de soldagem, Essa etapa
é responsável pela maior parcela na formação da gota metálica, produto da elevada
taxa de fusão do arame.
Etapa B
) O arco inicia um período de estabilização - a tensão do arco tende ao
valor de referência e, devido à redução da energia, a gota continua crescendo,
porém com uma taxa menor.
Figura 2.13 - Forma de onda da tensão e da corrente na soldagem com MIG/MAG
usando controle da tensão e transferência por curto-circuito (Gohr, 2002)
Etapa C
) Em função do contato da gota com a poça de fusão (curto-circuito) -
parte da gota é transferida por tensão superficial.
) Este contato causa, também, uma elevação na corrente elétrica
fazendo com que as forças de origem eletromagnéticas, aumentem a intensidade da
pressão sobre o eletrodo e a massa fundida.
) Durante o curto-circuito, a corrente tende a se elevar rapidamente,
causando uma maior fusão do eletrodo por efeito joule e, ao mesmo tempo, o metal
fundido tende a se transferir para a poça de fusão por ação da tensão superficial e
das forças eletromagnéticas.
41
) A elevação do valor da corrente ocorre porque a fonte de soldagem
tenta restabelecer o valor da tensão de referência. Neste caso, também, a indutância
é que determina a taxa de subida da corrente.
Etapa D
) É iniciado o processo de constrição da parte restante da gota que
forma a ponte de ligação entre o eletrodo e a peça.
) Uma das principais forças que atuam nesse momento é a
eletromagnética (efeito "pinch"), sendo sua intensidade tanto maior quanto maior o
valor da corrente e menor a espessura da ponte.
) Como a corrente é cada vez maior, a força também acompanha esse
aumento, reduzindo cada vez mais, a espessura da ponte.
) Com a redução da espessura da ponte, a força aumenta ainda mais.
Isso causa uma espécie de realimentação, acelerando o processo de constrição.
Figura 2.14 – Seqüência de separação da gota metálica na transferência por curto-
circuito (Gohr, 2002)
Pode-se observar que, no momento do curto-circuito, a corrente é máxima
e a tensão é mínima, havendo uma faixa de freqüência de curto-circuito na qual a
estabilidade do arco é otimizada.
42
A regularidade da transferência metálica está condicionada a um
equilíbrio entre a velocidade com que o eletrodo é introduzido no arco e a taxa de
formação e a transferência das gotas à poça de fusão (taxa de fusão do eletrodo).
Este modo de transferência pode apresentar uma grande instabilidade no
arco, podendo manifestar uma intensa salpicagem. Entretanto, esta dificuldade pode
ser limitada pela seleção adequada dos parâmetros de soldagem e o correto ajuste
da fonte de energia, de modo que os curtos-circuitos ocorram de forma muito mais
regular.
Tem-se pouco conhecimento a respeito da influencia da mudança de
alguns parâmetros de soldagem e aspectos construtivos de tochas e acessórios
sobre o comportamento da transferência metálica no processo duplo arame MAG-
CW.
Motta et al (2005) investigaram a transferência metálica, a influência dos
campos eletromagnéticos entre os arcos para o processo MIG/MAG (DAPI) e
verificaram ainda a diferença no comportamento dos arcos elétricos quando estão
pulsando a corrente em fase e defasados, tendo identificado interferência
eletromagnética entre os arcos. O modo de transferência metálica atuante pode ser
influenciado por vários fatores, principalmente por aqueles relacionados com a
intensidade de corrente, o comprimento do arco, a composição do gás, o diâmetro
do arame, o comprimento do eletrodo e o metal de adição.
2.6.6 - Campo de aplicação econômica
O processo de soldagem MAG-CW poderá ser utilizado em trabalhos de
pequeno, médio e grande porte na indústria em geral e setores de serviço, para
produção e manutenção. O processo pode ser usado em soldagem semi-automática
e em instalações automáticas (dependendo do desenvolvimento tecnológico).
2.6.7 - Estabilidade do Arco Voltaico
O arco elétrico é um fenômeno complexo e é a fonte de calor mais
utilizada na soldagem por fusão de materiais metálicos, por apresentar uma
43
combinação de características que destaca a concentração adequada de energia
por fusão localizada do metal de base (Modenesi, 1994).
Farias (1993) cita que de uma forma geral, a estabilidade implica tanto na
facilidade de soldagem como na obtenção de uma geometria o mais regular possível
do cordão de solda. Em ambos os casos, um arco estável deve atender a duas
ordens de requisitos:
) A transferência de metal deve ser fácil e uniforme. A avaliação é a
partir de índices, que quanto maiores, mais expressam a facilidade de ocorrência de
curto-circuito e de transferência metálica por curto-circuito.
) A transferência de carga elétrica fácil e uniforme. Avalia também a
partir de índices as condições de reabertura do arco após o curto circuito em CC e
após a mudança de polaridade para o meio ciclo positivo em CA, a facilidade de
transporte de carga elétrica, que quanto maior, maior a facilidade de transferência de
carga elétrica em CC.
Mota (1998) cita que a estabilidade do arco voltaico é uma das condições
básicas para o bom desempenho da soldagem, interferindo diretamente na
qualidade final do metal depositado, na salpicagem, no consumo, na produção, no
rendimento de deposição, na entrada de gás atmosférico na poça de fusão, nas
propriedades mecânicas etc. Para uma mesma característica estática da fonte de
energia, as propriedades físicas da atmosfera gasosa do arco são alguns dos pontos
determinantes do comportamento dinâmico do arco. Deste modo, a energia de
ionização, a condutibilidade elétrica e térmica, bem como, as suas variações com a
temperatura devem ser adequadas para garantir um melhor comportamento do arco
voltaico.
Hoje, com a evolução e o desenvolvimento da ciência, a soldagem
emprega diversos processos a arco voltaico com características diferentes, podendo
apresentar eletrodo consumível ou permanente, outros diferindo pelo modo de
transferência metálica e/ou de carga elétrica, tipo de fluxo, tipo de arame maciço ou
tubular, pela forma de proteção (escória ou gás) ou ainda pelo tipo de gás de
proteção. Com a interferência das várias condições de soldagem, tais como: o valor
da tensão, o tipo de corrente utilizada no processo, fonte de energia, a posição de
soldagem e o comprimento eletrodo, estas diferenças aumentam acrescentando-se
44
a isto a complexidade e a dinâmica de fenômenos elétricos, magnéticos, químicos,
metalúrgicos e mecânicos que ocorrem num reduzidíssimo intervalo de tempo e que
interferem na transferência metálica e de carga elétrica (Norrissh, 1992; Lucas, 1997
e Mota, 1998).
Para Abreu Filho (2003) a estabilidade do arco voltaico é um requisito
básico e fundamental para o sucesso de um projeto em estruturas soldadas. Logo, a
manutenção, o controle e o ajuste adequado dos parâmetros de soldagem são
importantes para que forneçam as melhores condições e características ao arco
elétrico, sendo fundamentais na obtenção da soldagem livre de instabilidades e
melhor qualidade do cordão depositado.
A estabilidade do arco não depende somente dos parâmetros, mas
também de outros fatores que interferem e podem produzir instabilidade no processo
de soldagem. Através da pesquisa foram investigadas estabilidades de arco na
soldagem, como por exemplo: Modenesi e Nixon (1994) que estudaram a influência
do comprimento do arco na soldagem, potencial de oxidação do gás de proteção e
as características da fonte de soldagem sobre a estabilidade do arco na soldagem
GMAW. Segundo os pesquisadores mencionados, a instabilidade do processo está
associada às mudanças repentinas na corrente e tensão do arco, causando
perturbações no modo de transferência metálica.
Modenesi et al (1994) estudaram a influência do aquecimento do bico de
contato sobre a instabilidade do arco na soldagem MIG/MAG, foi observado por
esses autores e através dos oscilogramas de tensão picos rápidos de tensão
podendo ser uma indicação de operação do arco em modo instável. Entretanto,
Abreu Filho (2003) observou o mesmo fato com a avaliação da estabilidade do arco
na soldagem MIG duplamente pulsado através dos estudos em oscilogramas
tensão/tempo, observando, ainda, que para velocidades de alimentação de arame
acima de 8 m/min ocorreram sensíveis alterações no comportamento dinâmico do
arco.
45
a) Oscilograma
A avaliação da estabilidade do arco e a maneira pela qual a transferência
metálica está ocorrendo para o metal de base são realizadas com o auxilio de um
oscilograma.
O oscilograma, assim é denominado pela forma gráfica com que a
variação com o tempo da corrente e a tensão instantânea é apresentada. Portanto, é
possível obter curvas, num determinado intervalo de tempo, que representam a
variação da tensão em função da corrente. As Figuras 2.15 a 2.16 apresentam os
oscilogramas relativos à variação instantânea da tensão e corrente no processo
MIG/MAG. As figuras ilustram esta relação quando se observa que, no momento do
curto-circuito, a corrente é máxima e a tensão é mínima no “vale” e o momento da
reabertura de arco, para um valor de pico “P”, a tensão é máxima até que esta
começa a decrescer. O arco é mais instável quanto maior for este valor máximo “P”,
com tendência a diminuir se acontecer os seguintes fatores:
) Inserção de indutância no circuito;
) Aumento da freqüência;
) Existência de elementos químicos de baixo potencial de ionização no
arco;
) Eletrodos de alta emissividade eletrônica.
A Figura 2.15 mostra um oscilograma típico de Tensão x Tempo (Uxt),
onde o destacamento da gota e a reabertura do arco são indicados pelo pico de
tensão.
46
Amplitude de Tensão
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de Soldagem-U (V)
Tensão Média-Um
Um
Figura 2.15 – Oscilograma (U x t) do processo MAG com tensão média Um.
Fonte: LABSOLDA/UFPA.
A Figura 2.16 mostra um oscilograma típico de Corrente x Tempo (I x t).
Amplitude da Corrente
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
100
200
300
400
500
600
Corrente de Soldagem (A)
Corrente de Soldagem-I (A)
Corrente Média-Im
Im
Figura 2.16 – Oscilograma (I x t) do processo MAG com modo de transferência
por curto circuito, indicando corrente média Im. Fonte: LABSOLDA/UFPA.
b) Histograma
Na estatística, um histograma é uma representação gráfica da distribuição
de frequências de uma massa de medições, normalmente um gráfico de barras
verticais.
O histograma é um gráfico composto por retângulos justapostos em que a
base de cada um deles corresponde ao intervalo de classe e a sua altura à
respectiva frequência. Quando o número de dados aumenta indefinidamente e o
intervalo de classe tende a zero, a distribuição de frequência passa para uma
Pico de tensão
Vale
47
distribuição de densidade de probabilidades. A construção de histogramas tem
caráter preliminar em qualquer estudo e é um importante indicador da distribuição de
dados. Bastos (2001) cita que:
) O Histograma é um dos métodos gráficos mais utilizados para
apresentar informação;
) Agrupando os dados em células evidencia-se a freqüência das
ocorrências e a dispersão entre os valores superiores e inferiores dos dados;
) Os histogramas são especialmente usados quando se pretende
analisar um grande volume de dados, realçando o impacto visual da informação;
) A distribuição de freqüência é uma "ferramenta" estatística muito útil
para a apresentação de um grupo de fatos numerosos numa forma em que se torne
mais evidente a tendência central e a dispersão.
A Figura 2.17 mostra a representação gráfica de barras verticais da
distribuição do número de ocorrências em intervalos de tempo.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Te mpo (m s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
No de ocorrências
....
t
Histograma
Figura 2.17 – Histograma típico de nº de ocorrências x tempo (ms).
2.6.8 - Características econômicas
O desejável na indústria é reduzir os custos de fabricação de um
determinado produto, mantendo-se ou melhorando-se a sua qualidade. Uma
alternativa para isto é minimizar o tempo de produção ou o tempo de operação. Para
alcançar este fim, em relação à soldagem, é necessário melhorar a produtividade de
48
trabalho, ou seja, aumentar o rendimento do processo (Suban e Tusek, 2001 apud
Nascimento, 2005).
As características econômicas do arame consumível são compostas
através do consumo, da produção e dos rendimentos de deposição.
Segundo Mota (1998) e Farias (1993) um dos fatores de grande
importância na seleção de um arame consumível ou eletrodo para soldagem é o seu
desempenho econômico. No entanto, dentre as variáveis capazes de interferir ou
influenciar no desempenho do consumível destacam-se: a composição química; o
modo de transferência metálica; a natureza e o valor da corrente e a polaridade; os
valores da tensão e do comprimento da distância do eletrodo (bico de contato peça
“stick-out”), além das perdas de metal por salpicagem. Deve-se considerar, ainda, o
diâmetro do arame consumível, o tipo de proteção e a fonte de energia, bem como,
as condutividades elétricas e térmicas do consumível que, juntamente com as
demais condições de soldagem, interferem de maneira bastante complexa no
balanço energético do arco voltaico, responsável pela fusão do arame-eletrodo.
O comportamento das características econômicas de um consumível para
soldagem a arco voltaico é analisado através do seu desempenho operacional e é
representado por TF (taxa de fusão) que pode ser estabelecida pelo seu consumo,
TD (taxa de deposição) determinada pela produção. O rendimento R pode ser
definido como rendimento de deposição real através da razão entre a massa do
consumível, incorporado ao metal de solda, e a massa de arame consumida durante
a operação de soldagem, na mesma unidade de tempo, ou seja, o rendimento é a
razão entre as taxas TD/TF adquiridas na soldagem (Machado, 1993).
2.6.9 - Características geométricas
A avaliação da geometria da superfície plana do cordão de solda é
realizada pela análise dimensional de sua seção transversal.
Segundo Mota (1998) e Braga (1997), para o mesmo material e tipo de
junta, a natureza do consumível, a corrente de soldagem, o comprimento do
eletrodo, a tensão e a velocidade de soldagem interferem na geometria da solda. A
geometria do cordão de solda tem influência básica na resistência mecânica da junta
soldada
49
A Figura 2.18 ilustra o esquema do perfil geométrico do cordão de solda e
nela estão indicadas as principais grandezas que caracterizam a geometria do
cordão de solda: a penetração (pe), o reforço (r) e a largura (b).
Figura 2.18 – Esquema do perfil geométrico do cordão de solda.
A análise da geometria da solda é realizada pela avaliação dimensional
da seção transversal da Figura 2.18. As medidas de largura (b), reforço (r) e
penetração (pe), definem tais características geométricas do cordão de solda
depositado na superfície da placa metálica. Portanto, a largura do cordão de solda
tem relação diretamente proporcional a corrente de soldagem, a tensão do arco
elétrico e ao diâmetro do consumível, porém, uma relação inversamente
proporcional com a velocidade de soldagem (Farias, 1993). O reforço da solda tem
relação direta com a corrente de soldagem e inversa com a tensão, com o diâmetro
do consumível e com a velocidade de soldagem. Entretanto, alguns estudos com
eletrodos revestidos, comprovam que a penetração da solda no metal de base tem
relação inversa com a velocidade de soldagem, com o diâmetro do arame eletrodo e
direta com a corrente de soldagem (Farias, 1993).
2.7 - Ensaio por Líquidos Penetrantes
O ensaio por líquidos penetrantes é um método desenvolvido
especialmente para a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais, e
ainda que estejam abertas na superfície do material (Andreucci, 2007).
O objetivo do Ensaio por Líquido Penetrante é assegurar a confiabilidade
do produto, por meio de:
a) Revelação da natureza da descontinuidade sem danificar a peça;
b) Obtenção de uma imagem visual, que revela a descontinuidade na
superfície da peça (mancha);
50
c) Separação das peças aceitáveis das não aceitáveis segundo o critério
estipulado.
A Figura 2.19 mostra um resumo da seqüência do ensaio por líquidos
penetrantes.
Figura 2.19 – Resumo da seqüência do ensaio de LP (Andreucci, 2006).
51
3 - MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo apresenta a especificação e a descrição dos materiais e
equipamentos, bem como da metodologia experimental empregadas neste trabalho.
Para as análises teóricas e o processamento das informações, deve-se
dispor de literatura técnica, programas e equipamentos especializados. Além disso,
para o planejamento e o desenvolvimento das experiências foram utilizados os
laboratórios da faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pará
e o laboratório do Curso Técnico de Mecânica do Centro Federal de Educação
Tecnológica do Pará.
3.1 - Material utilizado
3.1.1- Consumível
a) Arame-eletrodo / Arame frio
Na fase experimental deste trabalho foram utilizados dois arames sólidos
consumíveis da classe AWS ER70S-6, norma AWS A5.18.
A seleção deste tipo de consumível esta relacionada as suas
características de elevada produção, facilidade de manutenção da estabilidade do
arco e, em especial, a sua adequação experimental ao processo de soldagem com
alimentação de arame frio, ora em desenvolvimento. Além disso, trata-se de um
arame largamente utilizado em diversas aplicações no setor metal-mecânica na
soldagem de aços baixo carbono.
A Tabela 2 apresenta a composição química básica deste consumível,
conforme AWS A5.18. Para a realização dos experimentos foram adotados os
seguintes dados:
Diâmetro: 1,2 mm
Natureza e polaridade da Corrente: CC
+
52
Tabela 2 – Composição química do arame, AWS ER70S-6.
COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%)
C 0,07
Si 0,80
Mn 1,20
P 0,010
S 0,005
b) Gás de Proteção
O gás de proteção utilizado neste trabalho experimental foi o Dióxido de
Carbono (CO
2
) puro. Caracteristicamente ativo quando decomposto às elevadas
temperaturas do arco voltaico (Lucas, 1992; Dillembeck & Castagno, 1987).
¾ Aplicações
O CO
2
foi selecionado como gás de proteção por ser bastante utilizado na
indústria de transformação mecânica, na soldagem de aços carbono e de baixa liga
pelo processo de soldagem MAG. São fatores determinantes, o seu baixo custo em
relação a outros gases de proteção e, também, suas características físico-químicas
que proporcionam vantagens operacionais em aplicações ligadas à soldagem em
estruturas em aço.
A utilização do gás CO
2
para a soldagem MAG-CW como gás de proteção
é justificada, primeiro por ter custo economicamente viável e segundo por
observações significantes na qualidade e desempenho do processo, quando foram
utilizadas algumas práticas desenvolvidas em trabalhos experimentais no Labsolda
da UFPA.
A norma AWS A5.18 recomenda a utilização de CO
2
para a soldagem
MAG.
c) Metal base
O Aço SAE 1020 foi selecionado como metal de base para soldagem das
amostras. Pertence à classe dos aços com baixo teor de carbono e é utilizado em
componentes estruturais onde, em princípio, não se exigem grandes requisitos de
propriedades mecânicas. Para os aços de especificação SAE, a norma apenas
53
garante a composição química. Tomou-se o cuidado de especificar uma amostra de
dimensões apropriada, para resistir à alta carga de energia implementada pelo
processo de soldagem MAG-CW. O material de base empregado foi na forma de
barra chata com dimensões de 12,7 mm de espessura, 76 mm de largura e 155 mm
de comprimento, (Figura 3.18).
O material de base a ser empregado determinará a composição química
dos arames utilizados.
3.2 - Equipamentos
3.2.1 - Bancada de soldagem
Para por em prática a fase experimental foi montada uma bancada para
ensaios, Figura 3.1, onde foi possível o controle dos diversos parâmetros de
soldagem. Essa bancada de ensaios foi composta por uma fonte de soldagem com o
respectivo cabeçote alimentador, um sistema de posicionamento da tocha, uma
tocha de soldagem, um cabeçote auxiliar de alimentação para o arame frio, mesa de
soldagem, um sistema de gás de proteção, um sistema de medição de tempo,
comprimento e velocidade para os dois arames e um sistema de monitoramento e
aquisição dos dados instantâneos de corrente e tensão.
a) Central de soldagem multiprocessos
A fonte de soldagem empregada é multiprocessos, Figura 3.1, e optou-se
pelo processo MIG/MAG no modo de ajuste da fonte em tensão constante, natureza
da corrente e polaridade CC
+
.
Os dados técnicos referentes à fonte de soldagem são listados a seguir:
Tipo: Fonte eletrônica transistorizada
Modelo: DIGITEC 600
Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC
Corrente Nominal: 600 A
Tensão de alimentação: 200, 380 ou 440 V, trifásico
54
Tensão em vazio: 64 V
Potência máxima consumida: 12 KW
Fator de Potência: 0,94
Figura 3.1 – Central de soldagem multiprocessos - Detalhes da bancada de
soldagem MIG/MAG. Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
b) Sistema de alimentação de arame-eletrodo
O sistema de alimentação de arame-eletrodo é composto por um
cabeçote de alimentação, Figura 3.2, e cabos guia, modelo STA20D, fabricante
IMC/LABSOLDA/UFSC, com rampa de aceleração e desaceleração da velocidade
do arame com diâmetros na faixa de 0,60 até 1,60 mm. Este cabeçote foi acoplado a
fonte de soldagem e possui roletes tracionadores para permitir , tanto a alimentação
contínua do arame-eletrodo bobinado, essencial ao processo MAG, quanto a
velocidade de avanço deste arame regulada manualmente em 6 m/min, 7 m/min e 9
m/min. Este sistema tem como finalidade, alimentar o arame-eletrodo até o arco
voltaico e possui velocidade de avanço de 1,0 a 20,0 m/min.
Figura 3.2 – Cabeçote de alimentação de arame. Modelo: STA20D.
Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
55
c) Sistema de posicionamento e deslocamento automático da tocha
de soldagem
Foi utilizado neste trabalho um sistema de posicionamento e
deslocamento automático da tocha, Figura 3.3, modelo Tartílope V1, fabricante
IMC/LABSOLDA – UFSC, com faixa de velocidade de deslocamento 5 a 160 cm/min
e resolução 0,2 cm/min.
Figura 3.3 – Sistema de posicionamento e deslocamento automático da tocha.
Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
d) Tocha de Soldagem
A Figura 3.4 apresenta a tocha de soldagem MIG/MAG com um
dispositivo de fixação da tocha e guia do arame frio.
Foi empregada em todos os experimentos uma tocha de soldagem
comercial marca Binzel, modelo MB 501 D, do tipo “Push”, com capacidade de
corrente de 500 A, refrigerada a água e com cabo de 3 m, equipada com conduíte
de aço para o processo MIG/MAG e adaptada posteriormente para o processo MAG-
CW.
Figura 3.4 – Aspecto da pistola “push” adaptada para soldagem com o arame frio,
posição tandem, utilizada neste trabalho.
56
e) Sistema auxiliar de alimentação de arame frio
Neste projeto, o sistema auxiliar de alimentação de arame frio é composto
por um cabeçote auxiliar de alimentação de arame, Figura 3.5, e cabos guia, com a
finalidade de auxiliar a alimentação de arame frio até o arco voltaico. As
características do cabeçote de alimentação são: modelo MEF 30, fabricante ESAB,
alimentação elétrica (VCA - 50/60 Hz), velocidade de avanço 1,50 a 2.14,00 m/min e
diâmetros de arame 0,60 a 1,60 mm. Este cabeçote foi acoplado a fonte de
soldagem e possui roletes tracionadores para permitir a alimentação contínua do
arame-eletrodo bobinado, necessário ao processo MAG-CW, e a velocidade de
avanço do arame frio empregado no experimento, regulada em 3 m/min, 4 m/min e 5
m/min.
Figura 3.5 – Detalhes do sistema de alimentação auxiliar do arame frio.
Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
f) Suporte guia do arame frio
O suporte guia do arame frio foi desenvolvido e confeccionado em
alumínio (corpo principal) e latão (tubo condutor e posicionador do arame frio) para
ter mais leveza. Ele tem a finalidade de conduzir o arame até o arco voltaico
estabelecido pelo arame energizado do processo MAG. O suporte é conjugado à
tocha de soldagem e é constituído por um conjunto de peças, tais como corpo do
suporte; tubo condutor e posicionador do arame frio e transferidor de ângulos,
conforme Figura 3.6.
O corpo do suporte (1) é fixado através de parafuso (
P) diretamente a
tocha MAG, Figuras 3.6 e 3.8.
57
O cilindro guia (2) e o bico guia (3) condutores e posicionadores do arame
frio são fixados junto ao transferidor (4), a fim de posicionar o ângulo de entrada do
arame frio no arco voltaico.
O transferidor de ângulos (4) é fixado junto à haste angular (5) para medir
o ângulo de inclinação do bico guia (3) condutor de arame frio.
Figura 3.6 – Suporte da tocha de alimentação do arame não energizado,
A Figura 3.7 e a Figura 3.8 apresentam um esquema ilustrativo do
“dispositivo de fixação da tocha e suporte guia de deslizamento” para a alimentação
de arame frio ao ambiente da soldagem.
Figura 3.7 – Representação esquemática atual do suporte guia.
1
4
2
3
P
5
58
Figura 3.8 – Detalhe do suporte guia de alimentação do arame frio.
3.2.2 - Balança digital
A balança digital foi usada para a pesagem dos corpos de prova antes e
após a deposição do metal de solda sobre a superfície do metal de base. As
características da balança são: modelo: BG4000, fabricante: GEHAKA, valor máximo
4,040 g, valor mínimo: 0,5 g, resolução: 0,01 g e erro de 0,1 g.
3.2.3 - Sistema de medição de tempo, comprimento e velocidade de
alimentação do arame eletrodo
Em todos os experimentos foram utilizados dois equipamentos e
introduzidos na saída dos arames dos cabeçotes alimentadores. Este sistema de
medição, Figura 3.9, fabricante IMC/LABSOLDA – UFSC modelo MVA – 2 foi
responsável pela monitoração da produtividade durante as operações de soldagem,
ou seja, o sistema respondeu pelas medidas de tempo de soldagem, comprimento
do arame-eletrodo consumido na soldagem e velocidade instantânea de alimentação
do arame-eletrodo e do arame frio.
Suporte lateral E
de fixação na tocha
Transferidor
Sustentador
do cilindro
P3
P2
Cilindro G guia
Bico guia
P4
P5
Haste angular
Porca borboleta
Suporte lateral D
de fixação na tocha
Parafuso P1
Fixador do
Suporte
59
Figura 3.9 – Sistema de monitoração da produtividade em operações de
soldagem. Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
3.2.4 - Máquina de serrar de fita
A máquina automática de serrar, Figura 3.10, modelo FM18 e fabricante
FRANHO - Máquinas e Equipamentos S/A foi responsável pelo corte dos corpos de
prova.
Figura 3.10 – Máquina automática de serrar (serra em fita).
Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
3.2.5 - Lixadeira / Politriz
O processo de lixamento foi manual e consistiu na utilização de uma placa
feita de material acrílico acoplada a uma tubulação para circulação de água. O
processo de polimento foi efetuado na politriz da Figura 3.11, especificada pelo
fabricante Panambra S/A como modelo DPU-10.
Transdutor
Ó
tico
60
Figura 3.11 – Máquina politriz
3.2.6 - Máquina de corte (cut-off) e disco de corte
A máquina de corte denominada “cut-off”, Figura 3.12, fabricante – Arotec,
modelo COR 40, Potência 1,5 CV e Voltagem 220 V trifásico foi empregada para o
corte da amostras utilizadas no ensaio metalográfico.
Figura 3.12 – Máquina de corte – cut-off. Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
3.3 – Dispositivos auxiliares para aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados é composto por um microcomputador
modelo Pentium 133 MHz, fabricante Intel, e uma placa de aquisição identificada
pelo fabricante IMC/LABSOLDA – UFSC como modelo INTERDATA e freqüência de
aquisição de 10 kHz por canal. Os sensores responsáveis pela geração de sinais de
tensão e corrente estão dispostos internamente nas fontes. A comunicação entre a
fonte e a placa foi efetuada via cabo o que possibilitou a ligação direta da placa de
aquisição à fonte de energia.
61
3.3.1 - Programas computacionais
Para levar a efeito a aquisição e o tratamento dos dados foram
empregados vários programas computacionais específicos, tais como:
) Oscilos SAP – Fabricante – IMC/Labsolda-UFSC. Programa para
executar tarefas relacionadas à aquisição de dados e na geração dos
oscilogramas para análise dos resultados, durante a realização das
soldagens;
) Programa para análise gráfica, empregado na geração de gráficos;
) AutoCAD 2004 – Fabricante Microsoft. Programa comercial de
computação gráfica usado na modelagem de sólidos 3D e na
medição da geometria das amostras soldadas;
) Statistica – Fabricante Statsoft. Utilizado no tratamento estatístico dos
dados.
3.4 - Material de ensaio líquido penetrante
A Figura 3.13 apresenta o material utilizado no ensaio por líquidos
penetrantes para a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais
(a) (b)
Figura 3.13 – Material para ensaio líquido penetrante; (a) Penetrante, (b) Revelador.
Dados técnicos:
a) Penetrante: VP-30 lavável a água N° 02
Fabricante: Met-L-Chek
b) Revelador: D-70 N° 03
Fabricante: Met-L-Chek
62
3.5 - Planejamento e técnica experimental
3.5.1 - Metodologia experimental
Neste tópico é apresentada a metodologia experimental empregada para
a execução de cada uma das etapas propostas, ou seja, a determinação dos
parâmetros operacionais utilizados nos processos de soldagem MAG e MAG-CW, da
geometria do cordão de solda (largura, reforço, penetração e diluição), dos
parâmetros econômicos (consumo, produção e rendimento) e da análise do aspecto
superficial do metal depositado.
Os experimentos foram obtidos empregando os processos MAG e MAG-
CW em uma bancada de soldagem, conforme a Figura 3.1, ajustada para operação
automatizada, na posição plana, com as técnicas operacionais puchando e
empurrando o arco voltaico. O suporte guia de alimentação do arame frio foi
acoplado a tocha de soldagem em disposição geométrica transversal “Twin” e
posicionamento longitudinal “Tandem”.
O processo de soldagem MAG-CW (Metal Active Gas-Cold Wire), ou
simplesmente soldagem a “Arco Voltaico com proteção de Gás Ativo e adição de
Arame Frio”, pode ser caracterizado como um processo duplo arame e uma variante
do processo MIG/MAG.
Este trabalho foi realizado com o emprego de dois arames sólidos de aço
carbono e de mesmos diâmetros. Segundo Dithey et al (1998) citam a aplicação do
duplo arame em soldagens de aço utilizando arames tubulares. Mulligan & Melton
(2002) também relatam ser possível o emprego de dois tipos de arames combinados
para o processo com duplo arame, sendo normalmente usado o primeiro arame
sólido como líder e imediatamente atrás o arame tubular, ambos cooperando com
resultados na penetração e no acabamento. Ainda, estes autores ressaltam o uso
dos vários modos de combinação de arames, tais como: a combinação de arame
sólido/tubular ou dois arames sólidos, com objetivos da soldagem em chapas “não
preparadas”.
A soldagem MAG-CW utiliza dois arames nus sólidos consumíveis
contínuos e independentes, sendo um arame-eletrodo energizado o principal
responsável pela abertura e manutenção do único arco voltaico estabelecido. O
63
outro arame frio é introduzido e fundido simultaneamente no calor do arco e o metal
liquefeito é impelido por um conjunto de forças em direção ao metal de base
formando uma única possa de fusão. O arco voltaico, as gotículas em transferência
juntamente com a única poça de fusão são inteiramente protegidas pelo gás de
proteção.
a) Configuração do processo MAG-CW
Alinhamento dos arames em relação à direção da tocha.
) Quanto à disposição dos arames
Com o emprego de dois arames o processo MAG-CW permitiu alterar a
disposição geométrica relativo às pontas dos mesmos em relação à peça.
Devido à comprovação de bons resultados, em revestimentos soldados
com o processo duplo arame, pelos autores (Gonzáles, 1999; Motta 2002), tomou-se
isto como critério e foi estudada neste trabalho a aplicação experimental da
soldagem em simples deposição através do processo MAG-CW.
Basicamente, foram utilizadas duas possibilidades de arranjo de
alinhamento nas aplicações do processo, cujas características estão descritas a
seguir:
A Figura 3.14a e a Figura 3.14b apresentam a tocha de soldagem com a
disposição do arame frio em posição transversal “Twin Wire”, onde se trabalhou com
os dois arames lado a lado numa posição transversal ao sentido de deslocamento
da tocha (Gonzáles, 1999).
Figura 3.14 – Tocha de soldagem com sentido de alimentação do arame frio Twin.
64
A Figura 3.15(a) e a Figura 3.15(b) mostram a tocha de soldagem com a
disposição do arame frio em posição longitudinal “Tandem Wire”, onde se trabalhou
neste arranjo com os arames dispostos na posição longitudinal tandem ao longo do
cordão de solda, ou seja, os dois arames estão em cooperação posicionados um em
frente ao outro na direção da velocidade de soldagem (Gonzáles, 1999; Motta 2002).
Figura 3.15 – (a) Ângulos de entrada dos arames e (b) tocha de soldagem com
sentido de alimentação do arame frio tandem. Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
Utilizou-se uma tocha de soldagem comercial para o processo MAG-CW
com suporte guia acoplado para a adição do arame frio e foi mantido constante o
ângulo de inclinação da tocha em 19° para as duas técnicas de soldagem, conforme
a Figura 3.15(a) e a Figura 3.16.
A Figura 3.16 mostra o ângulo de entrada, com disposição do arame frio
em posição longitudinal “Tandem Wire”, em 30º e, mais o ângulo de inclinação da
tocha no valor de 19º, totalizando o ângulo apresentado de 49º.
Figura 3.16 – Tocha de soldagem com sentido de alimentação do arame frio tandem
com os ângulos de entrada dos arames. Fonte: (LABSOLDA/UFPA).
65
b) - Sistema de alimentação de arame /suporte de fixação da tocha e guia do
arame frio
Neste processo, conforme esquematizado pela Figura 3.1 dois arames
são fornecidos por dois alimentadores de arame, sendo um deles independente, de
maneira que pode utilizar diferentes composições químicas de arames e obter
diferentes ou iguais velocidades de alimentação. Como somente um arame é
energizado os parâmetros elétricos são impostos apenas a esse arame.
São funções básicas do par sistema de alimentação / tocha:
) Controle da velocidade de avanço dos arames, objetivando
uniformidade no valor de
l
0
, mostrando a igualdade entre a taxa de fusão “TF” e a
taxa de alimentação do arame “T
a
”;
) Transferência de corrente de soldagem para o arame através do bico
de contato;
) Permitir o controle das variáveis envolvidas, tais como: velocidade de
alimentação de arame, vazão de gás, abertura e o fechamento do circuito elétrico de
soldagem.
A alimentação do arame energizado foi realizada através da tocha de
soldagem e a adição do arame frio foi experimentada como fato real por meio do
suporte guia ambos representados através da Figura 3.17. Portanto, este acessório
é utilizado conjugado a tocha de soldagem MAG para adicionamento do arame frio
ao processo, ou seja, passou-se a ter com esta invenção metodológica um arame
energizado e um arame não energizado (frio). Um dos maiores motivos para o uso
dessa técnica recai no aumento da produtividade por intermédio de uma maior taxa
de deposição de material, uma vez que, são empregados dois arames
simultaneamente. O suporte serve de guia para o arame frio e como tal foi
desenvolvido para este fim, pelo autor deste trabalho juntamente com José Smith,
professor do
CEFET-PA.
66
Figura 3.17 – Foto do dispositivo de fixação e suporte guia do arame frio
acoplado a tocha de soldagem. Fonte: (LABSOLDA/UFPA)
Nesta nova modalidade de soldagem, o processo MAG-CW trabalha com
dois arames e, por conseguinte as velocidades de alimentação podem ser diferentes
para cada arame. O arame energizado tem maior velocidade de alimentação para
poder conduzir maior corrente, considerando que a corrente é uma variável
dependente desta. É de se esperar que o segundo arame frio tenha menor
velocidade e há uma disputa pela alimentação com uma diferença de tempo na
entrada de dois segundos após o acendimento do arco pelo arame-eletrodo,
conforme se descreve na seção correspondente a técnica experimental.
A Tabela 3 apresenta as variáveis independentes para as etapas
experimentais de soldagem, bem como, os seus respectivos fatores e níveis.
Tabela 3 - Fatores e Níveis para os Processos MAG e MAG-CW
FATOR NÍVEL
Velocidade do Arame Eletrodo - VAE (m/min) - Processo MAG 6,0 7,5 9,0
Velocidade do Arame Frio - VAF (m/min) - Processo MAG-CW
3,0 4,0 5,0
VAE – Velocidade de Alimentação do Arame-Eletrodo (m/min);
VAF – Velocidades do Arame Frio (m/min).
O desenvolvimento experimental inicial deste trabalho realizou-se com a
operação de soldagem através do processo MAG e posteriormente, a experiência foi
concluída pelo processo de soldagem MAG-CW.
Tocha
Suporte Guia
Bocal
Arame “frio”
Dispositivo de fixação
67
As soldagens foram realizadas em ambos os processos com velocidade
de soldagem (Vs) constante, em 30 cm/min, enquanto a tensão de soldagem foi
ajustada na fonte em 32 V.
Na soldagem MAG-CW as Velocidades do Arame Frio (VAF) foram
determinadas em 3 m/min, 4 m/min e 5 m/min e as Velocidade de Alimentação do
Arame-Eletrodo (VAE) em 6 m/min, 7,5 m/min e 9 m/min, ou seja, para cada VAE
corresponde uma VAF que combinadas são representadas por VAE(6-3) m/min,
VAE(7,5-4) m/min e VAE(9-5) m/min. O pacote operacional correspondente a VAE(6-
3) m/min permaneceu constante e resultaram no menor nível de corrente média de
soldagem.
O valor para o comprimento de arco foi igual à distância bico de contato
peça (DBCP) em 15 mm e a vazão de gás em 17 l/min para gás ativo de proteção
CO
2
puro.
O gás de proteção é alimentado por um sistema adequado através do
bocal da pistola de soldagem, representado pela Figura 3.17 que ilustra a foto do
conjunto bocal, tocha e suporte guia, para proteger o ambiente de soldagem, como:
as gotas em transferência, agora referentes à fusão das duas extremidades dos dois
arames, o arco e a poça de fusão.
Os parâmetros utilizados neste trabalho foram determinados com base na
bibliografia estudada e através dos trabalhos realizados no LABSOLDA (Bacelar &
Ferraz, 2005; Barrozo, 2006; Mendonça, 2006) e outros.
Barrozo (2006), cujos valores de VAF variavam em 1 m/min, 2 m/min e 3
m/min para VAE 6 m/min, 1 m/min, 3 m/min e 5 m/min para VAE 8 m/min e por fim,
VAF de 1 m/min, 3 m/min e 6 m/min para VAE de 10 m/min.
Portanto, nesta pesquisa foram adotados os valores de VAF dentro dos
intervalos estabelecidos nos trabalhos citados, sendo um dos valores escolhidos, por
exemplo, VAF de 3 m/min valor máximo conseguido na operação de soldagem com
VAE de 6 m/min, sem haver nenhum comprometimento na soldagem, ou seja, sem
interrupção da alimentação de arame frio. No entanto, admitindo-se que velocidades
mais altas podem exceder esse limite tolerável e o arame pode ficar retido e
solidificado na poça de fusão, travando o sistema.
68
Para otimizar os procedimentos e obter boa realização nas investigações,
o planejamento experimental deste trabalho foi dividido em quatro etapas:
) Na primeira etapa demonstrou-se a seqüência de soldagem com
passes em simples deposição empregando o processo MAG e MAG-
CW com o propósito de levantar as condições preliminares de
soldagem registradas na determinação de parâmetros de soldagem,
em CC
+
, tomadas como referência para a definição do pacote
operacional;
) Na segunda etapa, com os parâmetros obtidos na fase anterior,
empregou-se à metodologia de avaliação dos parâmetros econômicos
dos processos;
) A terceira etapa concerne na avaliação da geometria do cordão de
solda;
) Finalmente, na quarta etapa, a análise da sanidade das soldas
depositadas.
A soldagem na condição de simples deposição ocorreu a partir de ajustes
sucessivos nos valores da variável velocidade de alimentação de arame pelos
processos MAG e MAG-CW.
A técnica experimental empregando a soldagem automática com o
processo MAG-CW é iniciada através de uma seqüência padronizada de operações.
Inicialmente a tocha de soldagem é posicionada a 5 mm após a borda do corpo de
prova e no sentido da soldagem. A abertura do arco elétrico é iniciada com
alimentação do arame-eletrodo e somente decorridos dois segundos (2s) de
soldagem entra em ação a alimentação de arame frio na operação caracterizando o
processo MAG-CW. A soldagem será finalizada após a interrupção da alimentação
do arame frio, também, dois segundos (2s) antes do ponto final, para que o processo
conclua o passe de solda e o fechamento do arco elétrico, nesta ordem.
Entretanto, esta diferença de tempo é benéfica, facilita a rápida fusão da
extremidade do arame, pois o local do arco já estava com temperaturas elevadas,
caso contrário o arame embola e a soldagem para. Finalmente, a diferença de tempo
69
na entrada da alimentação dos arames é essencial para a operacionalização do
processo. Esta característica é importante por aumentar a produção sem alterar
custos e, ainda, pode possibilitar um controle do acabamento pela ação do segundo
arame.
Durante as operações de soldagem, a aquisição dos dados instantâneos
da corrente e da tensão de soldagem foi obtida através de uma placa de aquisição
de dados em alta freqüência (10 kHz/canal), instalada no computador Pentium
133 MHz. O programa OSCILOS SAP de aquisição de dados que fornece os
oscilogramas de tensão e de corrente de soldagem realiza a aquisição dos pontos a
cada vinte e cinco milisegundos (25 ms). O tempo de aquisição utilizado foi de um
segundo (1s) e acarretou no fornecimento de um universo de 4000 pontos para cada
ensaio, o que foi suficiente para a análise pretendida. Foram realizadas repetições
dos ensaios, sendo produzida uma réplica para cada experimento.
3.5.2 - Obtenção das Amostras
Foram serradas 36 amostras em equipamento próprio, preparados,
identificados e soldados com cordões de solda depositados sobre chapas de aço
ABNT 1020 (simples deposição), medindo 76x155x12,7 mm, Figura 3.18, para a
análise das características econômicas e geométricas.
Figura 3.18 – Representação esquemática da amostra medindo
76x155x12,7 mm.
70
3.5.3 - Obtenção das amostras dos corpos de prova soldados
As amostras dos corpos de prova soldados foram seccionadas, Figura
3.19, para a análise geométrica do cordão de solda e foram obtidas através da
máquina de corte cut-off, Figura 3.12. O critério utilizado para a posição do corte da
amostra foi a de seccioná-la na região central, que se julgava a região do cordão
onde o arco, bem como, a transferência metálica estivesse mais estável. De cada
experimento realizado foi retirada 1 (uma) amostra.
A Figura 3.19 mostra o desenho esquemático do seccionamento transversal
das soldas experimentais, detalhando o corte para a remoção das amostras.
Figura 3.19 – Esquema do corte para obtenção dos corpos de prova.
3.5.4 - Estabilidade do arco voltaico
A avaliação da estabilidade do arco voltaico visa a interpretação dos
oscilogramas de tensão para a soldagem, que envolve possivelmente a transferência
metálica por curto-circuito, para fins de comparação de resultados entre os
processos de soldagem empregados.
Vários critérios e metodologias têm sido apresentados para interpretar a
estabilidade do arco, porém, existem outros critérios baseados na avaliação dos
oscilogramas de tensão e de corrente, nas curvas (UxI), em nível de ruídos emitido
ou na análise visual do arco (Farias, 1993).
Neste trabalho, o estudo da estabilidade do arco voltaico começa com a
análise dos oscilogramas de corrente e tensão gerados durante as soldagens e
captados por uma placa de aquisição de dados.
71
Os oscilogramas de corrente e de tensão de soldagem foram tratados por
meio de um programa computacional estatístico, que permite a traçagem de todas
as curvas tempo x tensão de soldagem (txU) e tempo x corrente de soldagem (txI),
através dos dados obtidos pela placa de aquisição durante toda a experiência.
Portanto, a avaliação da estabilidade do arco voltaico foi desenvolvida com o auxílio
do programa computacional Oscilos, cuja finalidade é realizar a aquisição de dados
em tempo real, armazenar e processar os dados instantâneos da corrente e da
tensão de soldagem, tempo e quantidade de ocorrências de curtos-circuitos.
Através do oscilograma de tensão podem ser verificados os picos
superiores de tensão, denominados neste trabalho de “pico” e os picos inferiores de
tensão denominados de “vale”. Cada ocorrência de transferência metálica
corresponde a um pico e um vale de tensão. Através de programas computacionais,
os quais identificam os picos e os vales de tensão e admitido que a ocorrência de
eventos que proporcionaram curtos-circuitos durante a soldagem dos experimentos
pode-se obter uma variação de tensão (ΔU) para cada evento durante um
determinado intervalo de tempo.
a) Metodologia
A metodologia relativa à experiência adotada neste trabalho para
obtenção de valores operacionais dos parâmetros de soldagem, como os dados
instantâneos da corrente e da tensão de soldagem, em condições de estabilidade do
arco, foi desenvolvida a partir da utilização do programa Oscilos. Este programa
computacional é uma ferramenta auxiliar na verificação do intervalo de tempo entre
os diversos destacamentos consecutivos da gota metálica.
Ao planejar este trabalho, ensaios preliminares foram executados e se
observou que empregando tensões de soldagem de 35 V, 34 V, 33 V, 28 V com a
VAE de 6 m/min, 8 m/min e 10 m/min e VAF de 3 m/min, 4 m/min e 5 m/min não se
obteve com estas combinações soldas com satisfatória qualidade, devido a
instabilidades no processo. Estas experiências foram realizadas com os seguintes
gases de proteção: ou mistura 75%Ar-25%CO
2
; ou com o gás ativo CO
2
puro.
Porém, como outros trabalhos pesquisados no LABSOLDA foram desenvolvidos
com mistura de gases, optou-se, por trabalhar com o CO
2
puro.
72
A execução dos experimentos foi realizada, então, empregando o
processo MAG e MAG-CW com proteção do gás ativo dióxido de carbono (CO
2
) e
definida a partir do valor de tensão de soldagem estabelecido em 32 V, como a
tensão que se comportou mais estável, com velocidades de alimentação do arame-
eletrodo (VAE) em 6 m/min, 7,5 m/min e 9 m/min e do arame frio (VAF) em 3 m/min,
4 m/min e 5 m/min. Entretanto, como houve aumento progressivo da velocidade de
alimentação do arame-eletrodo, combinada com a do arame frio, acarretou na
elevação da taxa de fusão do arame.
Para cada valor fixado na velocidade de alimentação do arame-eletrodo
obteve-se a corrente e a tensão média, Im e Um, correspondentes. Entretanto, foram
obtidos os valores médios, adquiridos de uma série de experimentos na mesma
velocidade de alimentação, a fim de comparar estes valores e correlacionar
graficamente entre os processos de soldagem empregados na experimentação.
Ao planejar este trabalho, ensaios preliminares foram executados e se
observou, através dos oscilogramas de tensão e corrente, que empregando o
processo MAG com gás de proteção CO
2
os vales de tensão registrados nos
oscilogramas de tensão estavam quase que sempre abaixo de 10 V caracterizando,
muito provavelmente, o número de curtos-circuitos bastante acentuados.
A avaliação da estabilidade do arco considera a transferência da gota
durante o curto-circuito, a partir da medição dos valores da corrente e da tensão de
soldagem no oscilograma. Após a aquisição dos dados da corrente e da tensão de
soldagem, estes foram adequadamente convertidos e analisados por meio de um
programa específico computacional estatístico (Statistica). Sendo assim, os valores
médios das grandezas obtidas resultante das duas repetições dos ensaios foram
submetidos à análise estatística de variância através do programa computacional
estatístico.
Como não se utilizou um programa específico para medição do tempo de
curto-circuito e tempo de transferência metálica, foi desenvolvida uma programação
matemática envolvendo uma planilha de dados para o levantamento dessas
medições, conforme metodologia para o levantamento dos histogramas. Neste
sentido, foi avaliado, portanto, a estabilidade do arco através da análise quantitativa
do comportamento dinâmico da tensão de soldagem, a freqüência e o tempo de
curto-circuito e as condições de reignição do arco.
73
Com base na metodologia empregada pelos pesquisadores Mota (1998),
Braga (1997), Wang, Liu e Jones (1995), para este trabalho três parâmetros foram
adotados como critérios de avaliação da transferência metálica em função do tempo
para o estudo da estabilidade do arco, cujos valores foram criteriosamente definidos.
Assim sendo, os parâmetros definidos são a tensão de referência (Ur) para o curto-
circuito, o tempo mínimo de curto-circuito com transferência da gota e o tempo
máximo de reignição do arco, após o curto-circuito. Por conseguinte, adotou-se:
) Tensão de referência (Ur) para o curto-circuito e neste critério, somente
haverá registro quando a tensão do arco for menor ou igual a 15 V, Ur ≤
15 V.
) Foi adotado Ur= 15 V, ou seja, é uma tensão de referência indicando
que tensões abaixo de Ur nos oscilogramas de tensão, são, muito
provavelmente, pontos relativos à tensão de curto-circuito.
Os pesquisadores Mota (1998) e Braga (1997) adotaram para os seus
experimentos, tensão de referência de 15 V e na soldagem com eletrodos
revestidos, Farias (1993) recomenda valores de tensão de referência, na faixa de 7 a
13 V.
) Tempo mínimo de curto-circuito com transferência da gota metálica
tmin= 1 ms. Foi observado que o maior número de ocorrências de curtos-
circuitos acontecia a partir deste valor. Através da análise do histograma
torna-se possível auferir o tempo que limita a transferência ou não da gota
por curto-circuito. Sendo assim, isto permite o processamento dos dados
com transferência da gota metálica, para tmin
>1 ms e sem transferência
metálica para tmin
<1 ms, porque, neste caso, o tempo é muito pequeno
para transferir a gota.
Os pesquisadores Mota (1998) e Braga (1997) sugerem em seus
trabalhos tmin= 1,5 ms. Já o pesquisador Farias (1993) propõe para os eletrodos
revestidos a faixa de 1,5 ms a 3,0 ms.
) Tempo máximo (tmax) de reabertura do arco. Este critério é definido
para a determinação da tensão de reignição do arco elétrico no pico, onde
se verifica a condição dada pela equação 2, para a diferença de tensão
maior que zero:
74
U
n
- U
n+1
>0 (2)
Sendo,
U Æ Tensão
n = 1, 2, ..., 3999;
U
n
– tensão no vale
U
n+1
– tensão no pico (reabertura do arco)
Os pesquisadores Mota (1998) e Magalhães (1997) sugerem em seus
trabalhos tmax = 1,0 ms.
A tensão máxima que satisfaz a equação 2 no intervalo de tempo (tmax) é
definida pela tensão de reabertura do arco.
Os pesquisadores Wang, Liu e Jones (1995) adotaram o critério de variação
de tensão (ΔU) no qual correlacionavam o modo de transferência metálica com a
variação entre o pico e o vale de tensão e propuseram para a transferência metálica
com o eletrodo E71T-1 e com Ar-25%CO
2
como gás de proteção para curto-circuito
uma diferença de tensão maior que 10V (ΔU > 10V).
b) Metodologia empregada para o levantamento dos histogramas
A seguir, a metodologia empregada visa o levantamento do tempo de
curto-circuito em cada ensaio.
Após a aquisição dos dados da corrente, da tensão de soldagem e do
tempo, estes são convertidos e analisados por meio de programa computacional do
tipo planilha de dados. Deste modo, são aplicados adequadamente aos dados vários
filtros, com o objetivo de suavizar as curvas de tensão e de corrente mantendo os
pontos concernentes aos picos e vales no oscilograma e encontrar o tempo de curto-
circuito.
Neste momento, são aplicados os filtros ao programa computacional
seguindo os seguintes passos:
1º filtro – o objetivo deste filtro é eliminar os pontos gêmeos no
oscilograma, conforme a equação 3.
A Figura 3.20 apresenta o oscilograma de tempo x tensão sem filtragem
75
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo
Tensã
o
Figura 3.20 – Oscilograma de tempo x tensão sem filtragem
OU[(U
n
<U
n-1
e
U
n
<U
n+1
) OU (U
n
>U
n-1
e
U
n
>U
n+1
)]; (3)
Sendo,
U
n-1
Æ Tensão de início de formação da gota metálica
A equação 3 possui duas condições e para que o ponto seja dado como
aceito pelo filtro, uma dessas condições deve ser obedecida. Se a primeira condição
for aceita, passe para o próximo ponto, senão, teste a próxima condição e se esta for
obedecida, passe para o próximo ponto, senão, o ponto analisado no oscilograma é
descartado e passa para o próximo.
Primeira condição: o ponto analisado deve ser menor que ponto anterior e
menor que ponto posterior.
Segunda condição: o ponto analisado deve ser maior que ponto anterior e
maior que ponto posterior.
A Figura 3.21 apresenta o oscilograma após o primeiro filtro.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo
Tensão
Figura 3.21 – Oscilograma após primeiro filtro
76
2º filtro – A equação 4 foi baseada no critério de variação de tensão (ΔU)
adotado por Wang, Liu e Jones (1995) e a finalidade é revelar quais são os pontos
relativos à tensão de curto-circuito (U
n
), para diferença de tensão de 10V, conforme
a equação 4:
|U
n
- U
n-1
|≥10 ou |U
n
- U
n+1
|≥10 ; (4)
A Figura 3.22 apresenta o oscilograma após o segundo filtro.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Corrente
Tensão
Figura 3.22 – Oscilograma após segundo filtro
3º filtro – o alvo deste filtro é eliminar pontos indesejáveis remanescentes
do 2º filtro, que se encontram entre as tensões de reabertura de arco e de curto-
circuito, conforme a equação 5:
O valor de 25V foi adotado empiricamente por ser um valor abaixo da
tensão média (32V) e acima da tensão de referência (15V).
U
n
≥ 25 Ou U
n
<U
n-1
e
U
n
<U
n+1
; (5)
A equação 5 possui duas condições lógicas e para que o ponto seja
aceito pelo filtro, uma dessas condições deve ser obedecida. Se a primeira condição
for aceita, passe para o próximo ponto, senão, teste a próxima condição e se esta for
obedecida, passe para o próximo ponto, senão, o ponto analisado no oscilograma é
descartado e passa para o próximo
Primeira condição: todos os valores de tensão maiores ou iguais à 25V.
Segunda condição: o ponto analisado deve ser, ao mesmo tempo, menor
que ponto anterior e menor que ponto posterior.
77
A Figura 3.23 apresenta o oscilograma após o terceiro filtro.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Corrente
Tensão
Figura 3.23 – Apresenta o oscilograma após o terceiro filtro
4º filtro – a intenção é eliminar pontos referentes a quedas de tensão que
não caracterizam curto-circuito, para tensões maiores que a tensão de referência,
Ur= 15 V, conforme a equação 6:
U
n
≥ 25 ou U
n
<U
n-1
ou
U
n
<U
n+1
e U
n
< 15] ; (6)
A equação 6 possui duas condições lógicas e para que o ponto seja
aceito pelo filtro, uma dessas condições deve ser obedecida
Primeira condição: semelhante à primeira condição mostrada na equação
5.
Segunda condição: o ponto analisado deve ser, ao mesmo tempo, menor
que ponto anterior, menor que ponto posterior e menor que 15V.
A Figura 3.24 apresenta o oscilograma após o quarto filtro.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Corrente
Tensão
Figura 3.24 – Apresenta o oscilograma após o quarto filtro
78
5º filtro – o objetivo deste filtro é determinar o tempo de curto-circuito (
Δ
t)
para Ur= 15 V interpolando na expressão matemática os pontos relacionados à
tensão e tempo para tensão no vale ou tensão de curto-circuito (U
n
), tensão de início
de formação da gota (U
n-1
), tensão de reignição do arco (U
n+1
), tempo de soldagem
referente ao vale (t
n
), tempo de soldagem relativo ao início de formação da gota (t
n-1
)
e tempo de soldagem relativo a reignição do arco (t
n+1
), conforme mostra a Figura
40.
Através das funções matemáticas:
Quando U
n
≤ 15 para n = 1, 2, ..., 3999, faça a interpolação dos pontos
para achar o tempo relativo (tr
n
) no instante “n” e o tempo relativo no instante “n+1”
(tr
n+1
):
()
11
1
1
1
1
1
1
−−
−
−
−
−
−
−
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−×
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
−
−
=
−
−
nnn
nn
nn
n
nn
nn
nn
nn
ttt
UU
UUr
tr
tt
ttr
UU
UUr
()
11
1
11
1
1
11
1
11
++
+
++
+
+
++
+
++
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−×
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
−
−
=
−
−
nnn
nn
nn
n
nn
nn
nn
nn
ttt
UU
UUr
tr
tt
ttr
UU
UUr
Sendo
Δ
t = |tr
n+1
– tr
n
|, o tempo de curto-circuito (7)
A partir daí, e de posse dos tempos de curtos-circuitos, esses dados
foram transferidos para o programa computacional específico de estatística e
gerados os histogramas.
Baseado nos critérios mencionados anteriormente adotou-se o valor para
t
min
= 1ms, como sendo muito provavelmente curto-circuito com transferência
metálica e para valores abaixo, curto-circuito sem transferência.
A Figura 3.25 apresenta um esquema ampliado de parte do oscilograma
de tensão de soldagem para identificar os principais pontos do tempo de curto-
circuito.
79
no oscilograma de tensão - ampliado.
Detalhe dos picos e dos vales
Figura 3.25 – Esquema de parte do oscilograma de tensão ampliado – tempo
de curto-circuito, para
Δ
t= |tr
(n+1)
– tr
n
|.
3.5.5 - Tratamento dos dados experimentais
Quanto ao procedimento para o tratamento dos dados adquiridos
experimentalmente foram realizadas análises estatísticas (ANOVA) pelo estudo da
interação entre as diversas causas e suas influências nos efeitos obtidos.
Neste trabalho, ao pretender-se avaliar os efeitos das variáveis de
entrada, tais como velocidades de alimentação do arame-eletrodo e do arame frio e
dos processos de soldagem empregados sobre as variáveis de resposta, como as
características geométricas e econômicas da solda, faz-se necessário considerar,
também, o perfil do cordão de solda. Logo, verifica-se que o perfil dessas
características pode não ser o mesmo, quando se interage os fatores num
determinado nível. Segundo Braga (1997) e Mota (1998), um valor ótimo para uma
dada combinação, pode não ser para outra. Isto ocorre quando existe interação
entre os fatores envolvidos, portanto, pode-se empregar uma experimentação
multifatorial para testar e estimar todas as possíveis interações (Costa Neto, 1997;
Farias, Quites e Mira, 1991; Peres e Saldiva, 1982). Este método é o mais
empregado para a análise de experimentos com planejamento multifatorial e os
tratamentos dos dados consistem de dois ou mais fatores, cada um variando em
dois ou mais níveis. Neste trabalho variou em três níveis, de forma que as
Δ
t
80
combinações se processam de modo que cada nível de um fator acontece
conjuntamente com cada nível dos outros fatores.
3.5.6 - Características econômicas
a) Equações convencionais
Para avaliar as características econômicas os valores da taxa de fusão
(TF), da taxa de deposição (TD) e do rendimento de deposição (R) foram obtidos,
para um arame, a partir da utilização das equações 8, 9 e 10, respectivamente.
A taxa de fusão (TF) representa a quantidade de material (massa) do
eletrodo ou arame consumível que é fundida por unidade de tempo. Entretanto, esta
taxa está diretamente relacionada com a produção, ou seja, com o tempo
efetivamente gasto para a realização da soldagem. A taxa de fusão é determinada
pela massa de metal (arame) fundida por unidade de tempo, equação 8. A taxa de
deposição (TD) é definida pela quantidade de material (massa) do arame-eletrodo
que é efetivamente incorporada ao metal de solda e está relacionada ao custo total
da operação de soldagem. A taxa de deposição é definida como a massa fundida do
arame-eletrodo depositada e realmente incorporada ao metal de solda, por unidade
de tempo, equação 9. O rendimento de deposição real (R) é a razão entre a massa
do consumível incorporada ao metal de solda e a massa de arame consumida
durante a operação de soldagem, na mesma unidade de tempo (Braga, 1998 e
Mota, 1996). O rendimento de deposição será dado pela razão entre TD e TF,
equação 10.
¾ Taxa de Fusão
¾ Consumo:
S
t
6,3TF
lρ
=
(kg/h) (8)
Sendo,
ℓ - Comprimento do arame consumido (m);
ρ
- Densidade linear do arame (g/m);
t- Tempo de soldagem (s)
81
¾ Taxa de de Deposição
¾ Produção:
(
)
S
if
t
mm
6,3TD
−
=
(kg/h) (9)
Sendo,
m
f
- massa final da junta depois da soldagem (g);
m
i
- massa inicial da junta antes da soldagem (g)
¾
Rendimento de Deposição
¾ 100x
TF
TD
R
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
= (%) (10)
Sendo,
TD - taxa de deposição (kg/h);
TF - Taxa de fusão (kg/h)
b) Equações modificadas
A avaliação das características econômicas foi realizada com a finalidade
de comparar a produção dos processos de soldagem MAG e MAG-CW estudados.
Para trabalhar com dois arames sólidos na experiência foi indispensável à
utilização de dois tempos de soldagem, sendo: t
1
- tempo de soldagem relativo à
execução da soldagem com o arame-eletrodo; t
2
- tempo de soldagem relativo à
execução da soldagem com o arame frio. Assim sendo, estes tempos foram
subtraídos 2 s no instante inicial da soldagem e 2 s no instante final. Entretanto, ao
iniciar a soldagem com o processo MAG, somente após 2 s iniciava-se a injeção de
arame frio ao arco elétrico e 2 s antes da conclusão do cordão de solda a
alimentação do arame frio era interrompida, a fim de evitar que o mesmo ficasse
solidificado na cratera do cordão de solda.
Para o cálculo da taxa de fusão se faz necessário o valor da densidade
linear do arame maciço, da classe ER70S-6, empregado nas soldagens. Sendo
82
assim, o valor da densidade foi obtido experimentalmente a partir de três
verificações, com amostras retiradas aleatoriamente, cujo valor médio encontrado
para a densidade linear do arame citado, foi de 8,423 g/m.
As equações 11 e 12 são referentes a taxa de fusão e a taxa de
deposição para dois arames. Logo, estas equações foram modificadas tomando
como base as equações 8 e 9 para atender as necessidades implementadas ao
processo MAG-CW. No entanto, a equação 8 referente ao rendimento de deposição
não foi alterada.
¾
Taxa de Fusão
¾
)h/kg(
t
l
.
t
l
..6,3TF
2
2
2
1
1
1
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+= ρρ
(11)
Sendo,
¾ t
1
⇒ tempo do arame-eletrodo (s);
¾ t
2
⇒ tempo do arame frio (s);
¾
ρ
1
⇒ densidade linear do arame-eletrodo (g/m);
¾
ρ
2
⇒ densidade linear do arame-frio (g/m);
¾ l
1
⇒ comprimento linear do arame-eletrodo (m);
¾ l
2
⇒ comprimento linear do arame-frio (m).
¾ Taxa de de Deposição
¾
)h/kg(
m
t
mimf
.6,3TD
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
(12)
Sendo,
t
m
⇒ tempo médio de soldagem dos arames (s)
mf
⇒ massa final da junta depois da soldagem (g)
mi
⇒ massa inicial da junta antes da soldagem (g)
2
2
t
1
t
m
t:onde
+
=
83
O rendimento de deposição calculado para dois arames é dado pela
razão entre a taxa de deposição, equação 12, e a taxa de fusão, equação 11, como
mostra a equação 10.
3.5.7 - Características geométricas
A avaliação da geometria do cordão de solda foi realizada pela análise
dimensional de sua seção transversal em todas as amostras dos experimentos.
Em cada uma dos corpos de prova soldados (em simples deposição) foi
efetuado cortes transversais ao cordão de solda a uma distância mediana, conforme
a Figura 3.19, a fim de obter as amostras para caracterização geométrica.
As superfícies das seções transversais das amostras foram lixadas por via
úmida e atacadas com um reagente químico para posteriormente experimentar o
ensaio macrográfico.
A preparação da superfície foi executada através do lixamento iniciado
com a lixa número 180, em direção normal aos riscos já existentes, passando-se
sucessivamente para lixas de granulação mais fina. Em todo o caso, para cada
seqüência de lixamento foi mudada a direção de lixamento em 90º. Entretanto, após
cada série de lixamento a superfície foi cuidadosamente limpa a fim de que o novo
lixamento não fosse contaminado com resíduos da operação anterior. Finalmente, a
preparação da superfície é concluída com a lixa de granulometria 600 mesh.
De posse da superfície da amostra limpa, lixada e seca efetuou-se o
ataque químico, sendo a composição química do reagente: ácido nítrico
comercial com concentração de 2% em etanol (NITAL) e ácido pícrico com
concentração de 4% em etanol (PICRAL). No entanto, depois de diluídos
separadamente em etanol, os reagentes (nítrico e pícrico) foram misturados. Assim
sendo, o ácido nítrico comercialmente concentrado (65%) foi diluído a 2%, ou seja, 2
ml de ácido nítrico concentrado foram adicionados a 98 ml de álcool etílico. Já para
o ácido pícrico, foram diluídos 4g em 96g de álcool etílico. Logo, depois de diluídos
separadamente, esses reagentes foram misturados em partes iguais, na proporção
de 1:1. No entanto, para utilizar 200 ml de nital deve ser também utilizado 200 ml de
picral. Portanto, o ataque químico foi realizado com reagente embebido em tufo de
algodão, em seguida a superfície é atacada pelo método de fricção durante 10
84
segundos, posteriormente lavada em mistura de álcool hidratado e água, e
finalmente seca.
A superfície polida da amostra foi imediatamente escaneada e a imagem
gerada transferida ao computador. Em seguida, os parâmetros largura (b), reforço (r)
e a penetração da solda (pe) e a diluição (d), ilustrados na Figura 2.18, foram
medidos na seção transversal ao cordão de solda com o auxílio do programa
comercial de computação gráfica AutoCAD 2004 licenciado para o CEFET-PA,
definindo as características geométricas do material depositado.
3.5.8 - Ensaio por Líquidos Penetrantes.
O ensaio por líquidos penetrantes foi efetuado em treze (13) amostras
retiradas aleatoriamente dos experimentos, sendo, 3 (três) amostras do processo
MAG e 10 (dez) amostras do processo MAG-CW.
A superfície de cada amostra soldada inicialmente foi limpa e seca para
que não houvesse a presença de contaminantes, pois, a ocorrência destes torna o
ensaio não confiável. Sendo assim, em temperatura ambiente, o ensaio foi iniciado
através da aplicação do líquido penetrante até formar um filme sobre a superfície da
chapa de aço. Entretanto, para dar continuidade no ensaio foi determinado um
tempo de 10 min, conforme a norma Petrobrás N-1596, para ocorrer o fenômeno da
capilaridade e a completa penetração do líquido. Passado o tempo especificado, foi
removido da superfície o excesso de líquido penetrante a fim de ser aplicado o filme
uniforme de revelador, que consiste de um pó fino e branco. Logo em seguida,
novamente foi dado um tempo de 10 min para que o líquido penetrante fosse
absorvido pelas descontinuidades, revelando-as. Após a avaliação das indicações
os resultados foram registrados em relatório. Em seguida, as amostras foram limpas
para depois ser efetuado o corte individual em máquina específica. Assim sendo, a
avaliação das indicações foi efetuada com a inspeção dos corpos de prova soldados
através da técnica visual sobre as superfícies atacadas.
85
3.5.9 - Aspecto superficial do metal depositado
A análise do aspecto superficial do metal depositado tem por objetivo
verificar a qualidade da superfície do cordão de solda, a qual depende das
condições operacionais de soldagem estabelecidas. O aspecto superficial do metal
depositado foi avaliado através da inspeção visual com base na regularidade
geométrica do depósito, largura e altura do reforço ao longo do seu comprimento,
além da presença de não-conformidades tais como, trincas, porosidade, respingos,
mordeduras, deposição insuficiente, abertura de arco etc.
3.5.10 - Pacote operacional
O pacote operacional já estabelecido foi testado e avaliado quanto à
estabilidade de arco em três níveis de velocidade de alimentação do arame-eletrodo
do arame, conforme a Tabela 4.
A Tabela 4 apresenta o pacote operacional com os respectivos fatores e
níveis contendo as condições de soldagem estudadas. Foi utilizado o projeto e
análise de experimentos, em especial o planejamento fatorial com replicagem e os
resultados foram processados estatisticamente pelo método de análise de variância
(ANOVA) com o auxílio de um programa computacional comercial.
86
Tabela 4 – Apresentação do pacote operacional fatores/níveis para tensão na fonte de 32 V, DBCP= 17 mm, gás de proteção
CO
2
puro e velocidade de soldagem V
s
= 30cm/min.
NÍ
V
EL
FATOR
1 2 3 1 2 3
PROCESSO DE
SOLDAGEM
MAG MAG-CW
V
AE
6 7,5 9 6 7,5 9
V
AF
-- -- -- 3 4 5
POSIÇÃO DE
ALIMENTAÇÃO
-- -- -- TADEM TWIN TADEM TWIN TADEM TWIN
SENTIDO DE
SOLDAGEM
EMP PUX EMP PUX EMP PUX EMP PUX EMP PUX EMP PUX EMP PUX EMP PUX EMP PUX
) VAE - Velocidade de Alimentação do Arame-eletrodo – (m/min);
) VAF – Velocidade de alimentação do arame frio – (m/min);
) Tandem / Twin – Posição de Alimentação do arame frio;
) Emp – Empurrando;
) Pux – Puxando.
87
A Tabela 5 apresenta o resumo do planejamento experimental referente
aos ensaios executados.
Tabela 5 – Planejamento experimental dos ensaios
PLANEJAMENTO DOS ENSAIOS
Número de ensaios com o processo MAG 06
Número de réplicas 02
Sub-Total 12
Total de ensaios com o processo MAG-CW 12
Número de réplicas 2
Sub-Total 24
Total de ensaios a executar 36
88
4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 - Análise e resultados da estabilidade do arco
Neste capítulo apresentam-se os resultados referentes ao estudo da
estabilidade do arco voltaico com base na metodologia descrita.
No processo MAG a transferência metálica é caracterizada por curtos-
circuitos, onde a gota se forma na extremidade do eletrodo, se desenvolve em
crescimento volumétrico e toca a poça de fusão em curtos intervalos de tempo e
posteriormente se destaca.
Como o experimento inicial foi desenvolvido em condições normais de
soldagem através do processo de soldagem MAG, verifica-se que utilizando corrente
contínua, durante os curtos-circuitos ocorre a extinção do arco voltaico com tensão
tendendo a zero e elevada intensidade de corrente. O acontecimento proporciona
um aumento de temperatura na extremidade do arame-eletrodo, bem como, na poça
de fusão e adjacências, garantindo a ionização do gás de proteção, tornando mais
fácil a reabertura do arco voltaico, após a transferência da gota metálica.
A Tabela 6 apresenta os parâmetros de soldagem empregados nos
experimentos, em todos os níveis estudados e os parâmetros obtidos, tais como:
Im – Intensidade média de corrente de soldagem;
Um – Tensão média de soldagem.
89
Tabela 6 – Apresentação dos parâmetros obtidos de Im e Vm
Processo
de
Soldagem
Posição de
Alimentação
Sentido de
Soldagem
V
AE
(m/min)
V
AF
(m/min)
DBCP
(mm)
Parâmetros
Obtidos
Im (A) Um (V)
MAG --
EMP
6 - 17
179,9 31,9
7,5 - 17
209,9 31,9
9 - 17
233,7 31,6
PUX
6 - 17
180,2 31,9
7,5 - 17
214,8 31,9
9 - 17
236,1 31,8
MAG-CW
TANDEM
EMP
6 3 17
180,9 31,9
7,5 4 17
219,3 31,8
9 5 17
231,8 31,8
PUX
6 3 17
183,8 31,8
7,5 4 17
216,6 31,9
9 5 17
243,8 31,9
TWIN
EMP
6 3 17
191,4 31,9
7,5 4 17
214,8 32,1
9 5 17
258,1 31,9
PUX
6 3 17
182,2 31,9
7,5 4 17
227,3 31,9
9 5 17
258,1 31,9
A análise de estabilidade do arco voltaico nos processos envolvidos na
experiência foi realizada através dos oscilogramas de corrente e, principalmente, de
tensão. Estes oscilogramas foram obtidos durante a execução das soldas
experimentais iniciais para o processo MAG, com os resultados apresentados
através da Figura 4.1 até a Figura 4.8, que mostram os gráficos de tempo x tensão
de soldagem e tempo x corrente de soldagem para as velocidades de alimentação
de arame-eletrodo VAE de 6 m/min, VAE de 7,5 m/min e VAE de 9 m/min e o
processo MAG-CW para as velocidades de alimentação dos arames-eletrodos e do
arame frio (VAF): VAE de 6 m/min para VAF de 3 m/min, VAE de 7,5 m/min para
VAF de 4 m/min e VAE de 9 m/min para VAF de 5 m/min, respectivamente. Portanto,
os referidos oscilogramas são característicos da transferência da gota por curto-
circuito e indicam que não ocorreram perturbações significativas na transferência
metálica havendo satisfatória estabilidade de arco, justificada pela regularidade no
comportamento das curvas. Assim sendo, a transferência metálica, muito
provavelmente, se caracterizou por curto-circuito e se manteve em todos os
experimentos.
90
Figura 4.1 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG para
VAE= 6m/min e sentido de soldagem empurrando.
Figura 4.2 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG para
VAE= 6m/min e sentido de soldagem puxando.
Figura 4.3 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min, sentido de soldagem empurrando e
posição de alimentação do arame não energizado Tandem.
0 100 200 30 0 400 500 60 0 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
31,9
MAG P2
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de ref erência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
100
200
300
400
500
600
Corrent e de Soldagem (A)
180,2
MAG P2
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (I m)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms )
0
100
200
300
400
500
600
Corrente de Soldagem (A)
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (Im)
179,9
MAG E1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de referência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
31,9
MAG E1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
31,9
MAG-CW E7
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de referência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
100
200
300
400
500
600
Corrente de Soldagem (A)
180,9
MAG-CW E7
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (Im)
91
Figura 4.4 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
VAE= 6 m/min, VAF= 3 m/min, sentido de soldagem puxando e posição
do arame não energizado Twin.
Figura 4.5 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
VAE = 7,5 m/min e VAF= 4 m/min, sentido de soldagem empurrando e
posição de alimentação do arame não energizado Tandem.
Figura 4.6 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
VAE= 7,5 m/min, VAF= 4 m/min, sentido de soldagem puxando e posição
do arame não energizado Twin.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms )
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soladgem (V)
MAG-CW P19
31,9
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de referência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
100
200
300
400
500
600
Corrente de Soldagem (A)
182,2
MAG-P19
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (Im)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
MAG-CW E8
31,8
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de referência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
100
200
300
400
500
600
Correne de Soldagem (A)
219,3
MAG-C W E8
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (Im)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms )
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
31,9
MAG-CW P20
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de referência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms )
0
100
200
300
400
500
600
Corrente de Soldagem (A)
MAG-CW P20
227,3
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (Im)
92
Figura 4.7 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
VAE = 9 m/min e VAF= 5 m/min, sentido de soldagem empurrando e
posição de alimentação do arame não energizado Tandem.
Figura 4.8 – Oscilogramas de corrente e tensão, Processo MAG-CW para
VAE = 9 m/min, VAF= 5 m/min, sentido de soldagem puxando e posição
do arame não energizado Twin.
Observa-se através dos oscilogramas de tensão das Figuras 4.2 a 4.8,
registrados para os processos MAG e MAG-CW, que com a introdução do arame frio
e o aumento das velocidades dos arames, ocorreu aumento da intensidade de
corrente média (I
m
). Verifica-se ainda, que o comportamento do arco elétrico na
soldagem MAG-CW não foi alterado de forma significativa pela adição do arame frio
ao processo MAG. Neste sentido, nota-se que os valores médios da corrente
variaram e da tensão de soldagem foram mantidos praticamente constantes para as
mesmas velocidades de arames em ambos os processos de soldagem
apresentando regularidade na transferência metálica, não havendo perturbações
significativas para todas as velocidades de arames capazes de alterar a estabilidade
do arco pela injeção de arame frio ao processo.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
31,8
MAG-CW E9
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de referência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
100
200
300
400
500
600
Corrente de Soldagem (A)
231,9
MAG-CW E9
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (Im)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms )
0
100
200
300
400
500
600
Corrente de Soldagem (A)
258,1
MAG-C W P21
Corrente de Soldagem
Corrente média de Soldagem (Im)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Tensão de Soldagem (V)
31,9
MAG-C W P21
Tensão de Soldagem (V)
Tensão de referência (Ur) (V)
Tensão média (Um) (V)
93
4.1.1 - Tempo de curto-circuito através dos histogramas
As Figuras 4.9 a 4.14 mostram os histogramas de tempo médio de curto-
circuito x freqüência de curto-circuito com transferência da gota metálica ou não para
o processo MAG e as Figuras 4.15 a 4.20 para o processo MAG-CW. A análise e
comparação dos histogramas mostra que o maior número de ocorrências se deu no
intervalo de tempo entre 1 ms e 3 ms. Deste modo, justificam-se os critérios
adotados segundo a metodologia, onde se verificou que muito provavelmente a
característica do processo foi por curto-circuito com ocorrência em todos os eventos
e transferência metálica somente para o tempo t
≥ 1 ms, considerando-se quanto
maior a duração do curto-circuito, maior é a probabilidade de haver transferência
metálica, pois para valores de tempo inferiores a 1 ms presume-se que não ocorre a
transferência de metal, por serem curtos-circuitos com tão pouca duração.
0,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG E1
Figura 4.9 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 6 m/min; Soldagem empurrando.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Número de Ocorrência
Histograma MAG P2
Figura 4.10 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 6 m/min; Soldagem puxando.
94
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG P3
Figura 4.11 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 7,5 m/min; Soldagem puxando.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrênc ia
Histograma MAG E4
Figura 4.12 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 7,5 m/min; Soldagem empurrando.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG E5
Figura 4.13 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 9 m/min; Soldagem empurrando.
95
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG P6
Figura 4.14 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE 9 m/min; Soldagem puxando.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG-CW E7
Figura 4.15 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (6-3) m/min; Soldagem
empurrando; Tandem.
0,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG-CW P19
Figura 4.16 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (6-3) m/min; Soldagem puxando;
Twin.
96
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
HistogramA MAG-CW E8
Figura 4.17 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (7,5-4) m/min; Soldagem
empurrando; Tandem.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Hist ograma MAG-CW P20
Figura 4.18 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (7,5-4) m/min; Soldagem
puxando; Twin.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG-CW E9
Figura 4.19 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (9-5) m/min; Soldagem
empurrando; Tandem.
97
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
Tempo (ms)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
Número de Ocorrência
Histograma MAG-CW P21
Figura 4.20 – Histograma: Tempo x freqüência de curto-circuito com
transferência da gota metálica. VAE-VAF (9-5) m/min; Soldagem puxando;
Twin.
A Tabela 7 apresenta os valores das médias dos tempos de curtos-
circuitos, bem como, as médias da freqüência do número total de ocorrências de
curtos-circuitos com transferências metálicas obtidas a partir dos histogramas
mostrados anteriormente para todos os experimentos. Observa-se por esta tabela,
que o menor número de ocorrência de curtos-circuitos, com 5 eventos, ocorreu para
o tempo médio de 1,6 ms, no processo MAG soldagem empurrando para VAE 6
m/min. Entretanto, o maior número de ocorrência de curtos-circuitos, com 10
eventos, ocorreu para o tempo médio de 1,6 ms, no processo MAG soldagem
puxando para VAE 7,5 m/min. Em seguida, o menor número de observações de
curtos-circuitos, com 4 eventos para t= 1 ms no processo MAG-CW, soldagem
empurrando, tandem com VAE-VAF (6-3) m/min e o maior com 10 eventos para
tempo médio de 1,4 ms no processo MAG-CW, soldagem puxando, twin e VAE-VAF
(9-5) m/min.
98
Tabela 7 – Dados da estabilidade do arco referentes à transferência metálica.
Processo de
Soldagem
Posição de
Alimentação
Sentido de
Soldagem
V
AE
(m/min)
V
AF
(m/min)
Tempo
(ms)
Ocorrência
(nº.)
MAG ---
EMP
6 - 1,6 5
7,5 - 1,8 5
9 - 1,1 8
PUX
6 - 1,6 6
7,5 -
1,6 10
9 - 2,0 9
MAG-CW
TANDEM
EMP
6 3
1,0 4
7,5 4 1,4 8
9 5 1,4 7
PUX
6 3 1,2 8
7,5 4 1,2 8
9 5 1,2 6
TWIN
EMP
6 3 1,2 5
7,5 4 1,4 9
9 5 1,3 8
PUX
6 3 1,6 8
7,5 4 1,8 7
9 5
1,4 10
Finalmente, comparando os valores da Tabelas 7 entre o processo de
soldagem MAG empurrando ou puxando com os do processo MAG-CW tandem ou
twin e empurrando ou puxando, observa-se que foram praticamente constantes, ou
seja, constatou-se que houve uma diminuição no tempo de curto-circuito e
crescimento na freqüência de ocorrência de curto-circuito com transferência
metálica, porém, sem variações significativas.
4.2 - Análise e Resultados das características econômicas
A análise das características econômicas dos processos de soldagem e
os respectivos resultados obtidos para as condições estabelecidas são
apresentados nesta seção.
O desempenho das características econômicas foi calculado utilizando as
equações 8, 9 e 10 para o processo MAG, e as equações 10, 11 e 12 com o uso do
processo MAG-CW.
A Tabela 8 mostra os resultados do estudo das características
econômicas referentes aos valores médios da taxa de fusão (TF), taxa de deposição
(TD) e do rendimento (R) para os experimentos efetuados através dos processos de
99
soldagem aqui estudados. Entretanto, para uma melhor visualização, os resultados
da Tabela 8 são apresentados de maneira gráfica nas Figuras 4.21 a 4.23 facilitando
a percepção da aplicação como resultado prático dos parâmetros operacionais.
Tabela 8 – Resultados das características econômicas para os ensaios
experimentais realizados com a soldagem MAG e MAG-CW.
Características
Econômicas
Processo de
Soldagem
Posição de
Alimentação
Sentido de
Soldagem
V
AE
(m/min)
V
AF
(m/min)
TF
kg/h
TD
kg/h
R %
MAG ---
EMP
6 - 3,07 2,96 96,43
7,5 - 3,77 3,63 96,09
9 -
4,75 4,56
96,07
PUX
6 -
3,05 2,91
95,20
7,5 - 3,89 3,77
96,67
9 - 4,67 4,40
94,21
MAG-CW
TANDEM
EMP
6 3 4,79
4,69
97,95
7,5 4 5,98 5,91 98,83
9 5 6,68 6,43
96,15
PUX
6 3 4,79 4,78 99,87
7,5 4 6,13 6,11 99,67
9 5 7,39 7,28 98,50
TWIN
EMP
6 3
4,75
4,70 98,94
7,5 4 5,95 5,80 97,52
9 5
7,56 7,55
99,85
PUX
6 3 4,92 4,91
99,88
7,5 4 6,23 6,17 98,94
9 5 7,11 6,89 96,76
Observa-se que os dados da Tabela 8 mostram o aumento das taxas de
fusão e de deposição com o aumento da VAE e da VAF e isto pode ser confirmado
através da análise da Tabela 9 onde se comprova o efeito expressivo dos
parâmetros variáveis sobre estas taxas. Entretanto, justificam-se os valores obtidos
para as taxas de fusão e de deposição e o rendimento no processo MAG-CW,
quando os resultados experimentais são comparados entre os processos de
soldagem MAG e MAG-CW.
Para o estudo de confiabilidade dos resultados obtidos na Tabela 8 foi
realizado a analise de variância – ANOVA, para verificar a influência e as interações
do comportamento da VAE, bem como, dos processos de soldagem MAG e MAG-
CW sobre as respostas.
Na Tabela 9 são apresentados os resultados da análise de variância –
ANOVA. Considerando que o nível de significância foi de 5%, observa-se por esta
100
tabela, a influência dos processos MAG e MAG-CW sobre a VAE (6–7,5–9) m/min,
obtendo-se como resposta as variáveis TF, TD e R.
Tabela 9 – Dados da ANOVA. Características Econômicas para três níveis de
velocidade. Relação entre os Processos de Soldagem/VAE e VAE/Processos de
Soldagem. Fator α= 5%.
Níveis
Fator
TF TD R
VAE F p (%) F p (%) F p (%)
6
Processos
1035,5000
0,00
560,2600
0,00
18,1240
1,31
7,5
Processos
444,4600
0,00
289,9800
0,01
11,5260
2,74
9
Processos
73,0020
0,10
48,3260
0,23
3,7153 12,62
Níveis
Fator
TF TD R
Processo F p (%) F p (%) F p (%)
MAG
VAE
389,4200
0,02
149,3300
0,10
0,8678 50,42
MAG - CW
VAE
98,7790
0,00
55,9340
0,00
1,2672 32,74
Obs.: p – Índice de Significância para um α de 5%
Verifica-se na Tabela 9 que a taxa de fusão (TF) e taxa de deposição (TD)
foram afetadas significativamente pela variação do processo, para todos os níveis de
VAE estudados, obtendo-se valores, muito próximos de zero (0,0%), para o nível de
significância (α).
É observado também na Tabela 9, que os processos afetaram os
rendimentos em dois níveis de velocidades: VAE de 6 m/min para α= 1,31% e VAE
de 7,5 m/min para α= 2,74%. Para VAE de 9 m/min não houve efeito significativo do
processo sobre o rendimento.
Continuando a análise dos dados da Tabela 9 e passando-se a estudar a
Influência das VAE (sobre os processos de soldagem), constatou-se que a
velocidade VAE afetou as taxas de fusão e de deposição para todos os processos
empregados, tais como: TF no processo MAG (α= 0,02%), TD no processo MAG (α=
0,10%) e do mesmo modo para TF no processo MAG-CW (α= 0,00%) e TD no
processo MAG-CW (α= 0,00%), enquanto para o desempenho econômico do
rendimento de deposição não se observa nenhum efeito da VAE sobre os processos
utilizados.
Para uma melhor visualização dos resultados apresentados na Tabela 9
foram construídos gráficos, os quais são mostrados através das Figuras 4.21 e 4.22
que apresentam a influência da variação de VAE e do tipo de processo de soldagem
sobre as taxas de fusão e de deposição do arame, respectivamente.
101
A Figura 4.21 ilustra o comportamento do resultado do estudo da variação
da velocidade de alimentação do arame-eletrodo (VAE) sobre a taxa de fusão (TF).
67,59
VAE (m/min)
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
TF kg/h
Processo MAG
Processo MAG-CW
Figura 4.21 – Efeito da VAE sobre a taxa de fusão (TF) para os processos
de soldagem MAG e MAG-CW ensaiados.
Da análise da Figura 4.21 e da Tabela 8 observa-se que mantendo
constante a VAE entre os processos MAG e MAG-CW a taxa de fusão aumentou.
Para a VAE de 6 m/min ocorreu um aumento médio da taxa de fusão de 57,3% no
MAG-CW, para a VAE de 7,5 m/min ocorreu um aumento médio da taxa de fusão de
58,6% e para a VAE de 9 m/min a taxa de fusão aumentou em 52,5% no processo
MAG-CW.
Considerando-se a variação entre as VAE, na Figura 4.21, para um
mesmo processo, observa-se, para o processo MAG, aumento médio na taxa de
fusão de 25,2% para a variação de VAE na condição igual a 6 m/min para VAE na
condição de 7,5 m/min e de 23,1% quando da variação de VAE igual a 7,5 m/min
para a VAE igual a 9 m/min, ou seja, totalizando um aumento médio, nesta taxa,
para a variação de VAE igual a 6 m/min até VAE igual a 9 m/min de 53,9%.
Entretanto, para o processo MAG-CW o aumento médio da taxa de fusão foi de
26,2% quando da variação da condição VAE igual a 6 m/min para a condição VAE
igual a 7,5 m/min e de 18,3% quando da variação de VAE igual a 7,5 m/min para
VAE igual a 9 m/min, tendo aumento médio total de 49,3%.
A seguir, apresenta-se a Figura 4.22 e considerando a influência entre os
processos de soldagem, para uma mesma VAE, observa-se aumento médio da taxa
102
de deposição, quando da utilização da VAE de 6 m/min de 62,5%, da VAE de 7,5
m/min de 62,4% e da VAE de 9 m/min de 57,1% no processo MAG-CW.
67,59
VAE (m/min)
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
TD kg/h
Processo MAG
Processo MAG-CW
Figura 4.22 – Efeito da VAE sobre a taxa de deposição (TD) para os processos de
soldagem MAG e MAG-CW ensaiados.
Considerando-se a variação entre a VAE, na Figura 4.22, para um mesmo
processo, verifica-se, para o processo MAG, aumento médio na taxa de deposição
de 26,1% quando da variação da condição VAE 6 m/min para VAE na condição de
7,5 m/min e de 21,1% na condição VAE 7,5 m/min para a condição VAE 9 m/min, ou
seja, totalizando um ganho nesta taxa de 52,6%. Entretanto, para o processo MAG-
CW o aumento da taxa de deposição foi de 25,7% quando da variação da condição
VAE 6 m/min para a condição VAE 7,5 m/min e de 17,3% quando da variação de
VAE 7,5 m/min para VAE 9 m/min, tendo aumento total de 47,5%.
Percebe-se ainda, pela análise da Figura 4.22 e da Tabela 8, que o
processo MAG mesmo na condição mais extrema, para VAE de 9 m/min com a
média dos valores da taxa de deposição (TD) em 4,48 kg/h não superou nenhuma
produção do processo MAG-CW, mesmo na menor condição para VAE-VAF (6-3)
m/min, onde a média de todos os valores, para a VAE citada, da taxa de deposição
foi de 4,77 kg/h, demonstrando aumento médio em torno de 6,5%.
A boa performance na elevação das taxas obtidas pelo processo MAG-
CW demonstra a superioridade e observa-se que a maior evidência no desempenho
destas características econômicas ocorreu em função da adição de arame frio ao
arco voltaico contribuindo na evolução da quantidade de massa fundida dos arames
que foi efetivamente incorporada ao metal de solda por unidade de tempo.
103
A seguir, a Figura 4.23 apresenta de maneira gráfica a influência do tipo
de processo de soldagem empregado e a variação da VAE sobre o rendimento de
deposição real. e observa-se que mudando o processo de soldagem MAG para o
MAG-CW e mantendo-se constante a VAE houve uma elevação nos valores médios
de rendimento em torno de 3,5% para VAE 6 m/min; 2,4%, para a VAE 7,5 m/min,
conforme a análise dos dados da ANOVA.
67,59
VAE (m/min)
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
R %
Processo MAG
Processo MAG-CW
Figura 4.23 – Efeito da VAE sobre o Rendimento de deposição (R) para os
processos de soldagem ensaiados.
A interpretação gráfica realizada acima demonstra a superioridade do
processo de soldagem MAG-CW sobre o processo MAG indicando que a produção
alcançada está associada à estabilidade do arco, conforme dados dos oscilogramas
de corrente e de tensão, dos histogramas de ocorrências e da boa condição
operacional.
4.3 - Análise e Resultados das características geométricas
A análise das características geométricas do metal depositado pelos
processos de soldagem para as condições estabelecidas é apresentada nesta
seção.
A Tabela 10 mostra os resultados do desempenho das características
geométricas e são referentes aos efeitos da VAE e da VAF sobre a penetração (pe),
o reforço (r), a largura (b) e a diluição (d) no metal de solda. Na Tabela 11 indicam-
se os dados da análise de variância – ANOVA, relativos aos resultados alcançados
nos ensaios. Entretanto, para uma melhor visualização, os resultados da Tabela 10
104
são apresentados de maneira gráfica nas Figuras 66 a 68 facilitando a percepção da
aplicação como resultado prático dos parâmetros operacionais.
Tabela 10 – Resultados das características geométricas para os ensaios
experimentais realizados com a soldagem MAG e MAG-CW.
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Processo
de
Soldagem
Posição de
Alimentação
Sentido
de
Soldagem
VAE
(m/min)
VAF
(m/min)
Penetração
(pe) mm
Reforço
(r) mm
Largura
(b) mm
Diluição
(d) %
MAG ---
EMP
6 --
2,10 2,75
11,60 36,83
7,5 -- 2,86 3,42
12,16 40,75
9 -- 2,93 4,10 11,89
33,58
PUX
6 -- 2,59 3,61 9,78 40,54
7,5 -- 2,92 4,28
9,65
36,62
9 --
3,22 4,45
9,78 35,38
MAG-CW
TANDEM
EMP
6 3
1,11 3,89
11,23
31,57
7,5 4 1,38 4,43 13,49 24,16
9 5 1,37 4,85
13,49 13,01
PUX
6 3 1,44 4,27
10,84
18,94
7,5 4 1,79 4,72 11,00 18,72
9 5
2,46 5,78
11,06 19,83
TWIN
EMP
6 3 1,23 4,23 11,36 18,86
7,5 4 1,43 4,64 11,42 16,22
9 5 1,98 5,18 11,00 19,88
PUX
6 3 1,54 4,35 11,15 19,25
7,5 4 1,71 4,52 11,09 19,56
9 5 2,25 5,09 11,00 21,01
Os dados da Tabela 10 mostram que com o aumento da VAE houve
crescimento para a penetração em ambos os processos, isto pode ser confirmado
pala análise da Tabela 11 onde se comprova o efeito expressivo dos parâmetros de
entrada com suas respectivas respostas. Entretanto, quando são comparados os
resultados experimentais da variável de resposta penetração entre os processos de
soldagem MAG e MAG-CW, observa-se que a penetração foi inferior em todos os
níveis.
Para o estudo de confiabilidade dos resultados obtidos na Tabela 10 foi
realizado a analise de variância – ANOVA, para verificar a influência e interações da
VAE, bem como, dos processos de soldagem MAG e MAG-CW sobre o
desempenho geométrico do metal depositado.
Na Tabela 11 são apresentados os resultados da análise de variância –
ANOVA, para os três níveis de VAE e para os dois níveis dos processos de
soldagem aplicados.
105
Tabela 11 – Dados da ANOVA. Características geométricas.
Relação entre o processo de soldagem e VAE. Fator α = 5%.
Níveis pe
r
b d
V
AE Fator F p(%) F p(%) F p (%) F p(%)
6
Processos
23,6470
0,83
10,8280
3,02
0,6055 48,00 11,6320
2,70
7,5
Processos
74,2530
0,10
6,6897 6,09 0,5228 50,97 46,4970
0,24
9
Processos
8,4983
4,35
9,0715
3,95
0,5008 51,82 32,9200
0,46
Níveis
Fator
pe r b d
Processo F p (%) F p (%) F p (%) F p (%)
MAG
VAE
5,2724 10,42 2,2833 24,97 0,0103 98,98 2,0763 27,16
MAG - CW
VAE
4,8235
3,77
15,5480
0,12
0,4226 66,77 0,6763 53,25
Obs.: p – Índice de Significância para um α em %
Conforme dados da ANOVA Tabela 11, observa-se que a penetração foi
afetada significativamente pelos processos, para todos os níveis de velocidades
estudadas: VAE de 6 m/min para α= 0,83%, VAE de 7,5 m/min para α= 0,10% e para
VAE de 9 m/min α= 4,35%. No entanto, a penetração foi afetada significativamente
pela VAE, apenas para o processo MAG-CW para α= 3,77%.
Conforme visto na Tabela 11, o reforço foi significativamente afetado pelo
processo para dois níveis de velocidades: VAE de 6 m/min para α= 3,02% e VAE de
9 m/min para α= 3,95%. Entretanto, para VAE de 7,5 m/min não houve efeito
significativo do processo sobre o reforço. Porém, o reforço foi afetado pela VAE,
apenas para o processo MAG-CW para α= 0,12%, conforme dados da ANOVA.
Observa-se, também, através da Tabela 11, que a largura não foi afetada
significativamente em nenhum dos níveis, tanto para VAE como para processos.
A diluição foi significativamente afetada pelos processos de soldagem
para todos os níveis de velocidade: VAE de 6 m/min para α= 2,70%, VAE de 7,5
m/min para α= 0,24% e VAE de 9 m/min para α= 0,46%. No entanto, para a diluição
não se observa nenhum efeito da VAE para os processos de soldagem empregados.
A seguir é realizada a interpretação gráfica da Figura 4.24. Para os
processos de soldagem MAG e MAG-CW, com o aumento da velocidade (VAE),
constatou-se que houve um crescimento na penetração, porém estatisticamente não
foi significativo para o processo MAG. Já para o processo MAG-CW, constatou-se
que houve um crescimento significativo na penetração, ou seja, da VAE 6 m/min
para a VAE 9 m/min o aumento médio na penetração foi de 51,5%, conforme análise
da Tabela 11.
106
67,59
VAE (m/min)
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Penetração (pe) mm
Processo MAG
Processo MAG-CW
Figura 4.24 – Efeito das VAE e dos Processos de Soldagem sobre a Penetração.
Do mesmo modo e considerando, ainda, a Figura 4.24, observou-se que
mudando o processo de soldagem MAG para o processo MAG-CW e mantendo
constante a VAE verificou-se uma diminuição na penetração para a VAE 6 m/min de
43,3%, para a VAE 7,5 m/min de 45,4% e para VAE de 9 m/min um decréscimo
médio na penetração de 34,5%. Entretanto, este fato deve-se, muito provavelmente,
pela adição de arame não energizado ao sistema provocando abaixamento de
temperatura na poça de fusão.
A análise a seguir foi realizada para a Figura 4.25 considerando a
influência do processo de soldagem sobre o reforço do cordão de solda. Para uma
mesma VAE, observou-se aumento médio do reforço quando da utilização da VAE
igual a 6 m/min de 31,6%, VAE 7,5 m/min houve um crescimento, porém,
estatisticamente não foi significativo e de VAE 9 m/min de 22,2%.
107
67,59
VAE (m/min)
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Reforço (r) mm
Processo MAG
Processo MAG-CW
Figura 4.25 – Efeito da VAE e dos Processos de Soldagem sobre o Reforço do
cordão de solda.
Considerando-se a variação entre as velocidades estudadas (VAE), na
Figura 4.25, observou-se a influência da VAE sobre o reforço do cordão de solda.
Para o mesmo processo e com variação da VAE, constatou-se que houve um
crescimento no reforço, porém estatisticamente não foi significativo para o processo
MAG, conforme dados da ANOVA. Entretanto, para o processo MAG-CW o aumento
médio do reforço do cordão de solda foi de 9,4% quando da variação da VAE de 6
m/min para 7,5 m/min e de 14,1% quando da variação da VAE de 7,5 m/min para 9
m/min, tendo aumento médio total de 24,9% quando da variação VAE de 6 m/min
para VAE de 9 m/min.
A Figura 4.26 apresenta os efeitos dos processos de soldagem e da VAE
sobre a largura do cordão de solda, para os três níveis de VAE e para os dois níveis
de processo. Assim sendo, percebe-se propensão de crescimento da largura do
cordão com a mudança do processo de soldagem e de VAE, porém a análise de
variância da Tabela 11 mostra que a largura não foi afetada pelos processos ou pela
VAE, em nenhum dos níveis.
108
67,59
VAE (m/min)
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
13,5
Largura (b) mm
Processo MAG
Processo MAG-CW
Figura 4.26 – Efeito da VAE sobre a largura do cordão de solda.
A Figura 4.27 indica os efeitos dos processos de soldagem e da VAE
sobre a variável de resposta diluição na poça de fusão, para os três níveis de VAE e
os dois níveis de processo. Entretanto, distingue-se que a mudança do processo de
soldagem exerceu influência significante sobre a diluição, tendendo para um
decréscimo médio quando se mudou o processo de soldagem MAG para o MAG-
CW, nos três níveis de VAE, conforme dados da ANOVA.
A análise a seguir foi realizada para a Figura 4.27 considerando a
influência do processo de soldagem sobre a diluição, para uma mesma VAE.
Observa-se a diminuição média de -42,7% quando da utilização da VAE igual a 6
m/min, de -49,2% para VAE igual a 7,5 m/min e de -46,5% para a VAE igual a 9
m/min.
109
67,59
VAE (m/min)
10
15
20
25
30
35
40
45
50
DILUIÇÃO (d) %
Processo MAG
Processo MAG-CW
Figura 4.27 – Efeito das VAE e dos Processos de Soldagem sobre a diluição
A análise de variância da Tabela 9 indica que a diluição foi afetada
estatisticamente pelo fator processo de soldagem, enquanto não se observa
nenhuma variação significativa quando a VAE foi fator.
A Figura 4.28 apresenta o cordão de solda depositado pelo processo
MAG-CW, posição de alimentação do arame frio tandem, sentido empurrando para
VAE-VAF (7,5-4) m/min destacando as áreas do reforço e da penetração.
Figura 4.28 – Cordão de solda destacando áreas do reforço e penetração.
Reforço
Penetração
110
4.4 - Análise do aspecto superficial do cordão de solda
Esta seção é responsável pela análise do aspecto superficial do cordão
de solda e as amostras soldadas foram obtidas após o desenvolvimento
experimental, ensaiadas com os processos de soldagem MAG e MAG-CW.
O aspecto superficial do cordão de solda foi inspecionado pelo exame
visual in loco, envolvendo aspectos da salpicagem, de trincas, de mordeduras, da
incidência de porosidade etc.
É pertinente citar alguns aspectos dos cordões de solda:
) Na soldagem pelo processo MAG-CW houve salpicagem grosseira
em pequenas quantidades em número reduzido de amostras;
) A energia gerada foi suficiente para produzir cordões de solda sem a
presença de mordeduras, trincas e porosidades em todos os ensaios
executados;
) Todos os cordões apresentaram regularidade geométrica e se
mantiveram uniformes ao longo de todo o comprimento.
O aspecto superficial do metal depositado para revestimentos deve ser
dado especial atenção, pois um processo posterior de acabamento e retificação
eleva o tempo de manutenção e gera custos (Barra, 1998).
As Figuras 4.29 a 4.34 apresentam o aspecto superficial dos cordões de
solda depositados pelo processo MAG, nos três níveis de velocidades estudados.
Figura 4.29 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
VAE= 6 m/min; sentido de soldagem empurrando.
Figura 4.30 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
VAE= 6 m/min; sentido de soldagem puxando.
111
Figura 4.31 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
VAE= 7,5 m/min; sentido de soldagem empurrando.
Figura 4.32 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
VAE= 7,5 m/min; sentido de soldagem puxando.
Figura 4.33 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
VAE= 9 m/min; sentido de soldagem empurrando.
Figura 4.34 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG,
VAE= 9 m/min; sentido de soldagem puxando.
As Figuras 4.35 a 4.40 apresentam o aspecto superficial dos cordões de
solda depositados quando da soldagem utilizando o processo MAG-CW para os
pacotes de velocidades estudados.
112
Figura 4.35 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-CW,
VAE= 6 m/min, VAF= 3 m/min, sentido de soldagem puxando, posição do
arame não energizado Twin.
Figura 4.36 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-CW,
VAE= 6 m/min, VAF= 3 m/min, sentido de soldagem empurrando, posição do
arame não energizado Twin.
Figura 4.37 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-CW,
VAE= 7,5 m/min, VAF= 4 m/min, sentido de soldagem puxando, posição do
arame não energizado Twin.
Figura 4.38 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-CW,
VAE= 7,5 m/min, VAF= 4 m/min, sentido de soldagem empurrando, posição do
arame não energizado Tandem.
113
Figura 4.39 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-CW,
VAE= 9 m/min, VAF= 5 m/min, sentido de soldagem puxando e posição do
arame não energizado Twin.
Figura 4.40 – Cordão de solda executado por processo de soldagem MAG-CW,
VAE= 9 m/min, VAF= 5 m/min, sentido de soldagem empurrando e posição do
arame não energizado Tandem.
As Figuras 4.29 a 4.40 mostram que as soldas depositadas pelos
processos de soldagem MAG e MAG-CW têm bom aspecto superficial nas três
condições de velocidades de alimentação de arames, VAE e VANE. Os cordões têm
forma regular, no entanto, vale ressaltar que houve pequena salpicagem dispersa na
superfície da chapa para todos os níveis de VAE e VANE estudados.
Por conseguinte, verifica-se através das análises e observações
realizadas visualmente sobre os depósitos de solda, que a introdução do arame frio
ao processo de soldagem MAG não causou perturbações significativas capazes de
alterar a estabilidade do arco e promoveu cordões de solda com aspecto satisfatório.
114
4.4.1 - Análise e resultado do ensaio por Líquido Penetrante (LP)
Este tópico representa a análise e resultados do ensaio por Líquidos
Penetrantes.
As Figuras 4.41 a 4.53 apresentam os resultados da qualidade superficial
das soldas depositadas pelo processo MAG e MAG-CW, nas VAE 6 m/min, 7,5
m/min e 9 m/min, selecionadas aleatoriamente.
Figura 4.41 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - E13R-Tandem.
Figura 4.42 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo Processo
MAG-CW com VAE= 7,5 m/min e VAF= 4 m/min - P17-R-Tandem.
Figura 4.43 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 7,5 m/min e VAF= 4 m/min - P20-Twin.
Figura 4.44 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 9 m/min e VAF= 5 m/min - E24-Twin.
115
Figura 4.45 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - E25R-Twin.
Figura 4.46 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 7,5 m/min e VAF= 4 m/min - P29R-Twin.
Figura 4.47 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG com VAE 6= m/min - E1.
Figura 4.48 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG com VAE= 9 m/min - E5.
Figura 4.49 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG com VAE= 9 m/min - P6.
116
Figura 4.50 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 9 m/min e VAF= 5 m/min - E9-Tandem.
Figura 4.51 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 9 m/min e VAF= 5 m/min - P12-Tandem.
Figura 4.52 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - E7-Tandem.
Figura 4.53 – Qualidade superficial dos cordões depositados pelo processo
MAG-CW com VAE= 6 m/min e VAF= 3 m/min - P19-Twin.
Como pode ser observado através das Figuras 4.41 a 4.53 não houve
nenhum caso de descontinuidade, mas se verifica que os cordões depositados por
ambos os processos de soldagem apresentam salpicagem lateral e paralela a linha
longitudinal do depósito, no entanto, esse defeito de sobreposição de material, tido
como respingos grosseiros, não influencia na regularidade dos cordões.
117
5 - CONCLUSÃO
As análises e os resultados obtidos a partir das consultas bibliográficas e
das condições experimentais utilizadas neste trabalho tornaram possível chegar às
seguintes conclusões:
) O arco foi estável em todos os níveis de VAE e a energia gerada foi
suficiente para fundir os dois arames consumíveis, demonstrando boa estabilidade
do processo de soldagem MAG-CW;
) O processo de soldagem MAG-CW demonstrou melhor produção
alcançada, em relação ao processo MAG, indicado boa performance no aumento
das taxas de fusão e de deposição, observando que a maior evidência no
desempenho destas características econômicas ocorreu em função da adição de
arame frio, contribuindo na evolução da quantidade de massa fundida dos arames
que foi efetivamente incorporada ao metal de solda por unidade de tempo;
) A transferência metálica no processo de soldagem MAG-CW foi por
curto-circuito, se comportou de forma estável em todas as condições, conforme
mostrado nos oscilogramas;
) Comprovou-se que a penetração (pe) foi afetada significativamente
em todos os níveis de velocidade de alimentação de arames, devido a injeção de
arame frio ao arco elétrico resfriando a poça de fusão, causando menores
penetrações;
) Comprovou-se que os efeitos dos processos de soldagem e da VAE
sobre o reforço do cordão de solda, para todas as VAE, logo, a mudança de
processo de soldagem e o aumento da VAE proporcionaram a tendência de
crescimento no reforço do cordão de solda;
118
) A mudança do processo de soldagem exerceu influência significante
sobre a diluição, tendendo a decrescer quando variou do processo de soldagem
MAG ao MAG-CW, para os três níveis de VAE e do mesmo modo, variando a
velocidade de alimentação de VAE, entretanto, não se observa nenhuma variação
significativa pela VAE;
) O aspecto superficial dos depósitos pelo processo MAG-CW foi
satisfatório e manteve-se uniforme longitudinalmente em cada condição de
soldagem, proporcionando cordões com forma regular e contínua;
) Não houve nenhum caso de descontinuidade, porém os cordões
depositados por ambos os processos de soldagem apresentam salpicagem lateral e
paralela à linha longitudinal do depósito, no entanto, este defeito de respingos
grosseiros não influencia na regularidade dos depósitos;
119
6 – RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Para o aprimoramento e o desenvolvimento do processo de soldagem
MAG-CW serão necessárias mais pesquisas na busca de maiores conhecimentos.
Este trabalho mostrou o estudo da viabilidade do processo MAG-CW com adição de
um arame frio através do comportamento da transferência metálica, das
características econômicas e geométricas e da qualidade do cordão depositado para
uma variação de parâmetros de soldagem observados e estudados. Acredita-se que
algumas variações com as VAE e VAF, bem como, uma maior quantidade de
experimentos poderiam ser realizadas e estudadas com a finalidade de aumentar e
melhorar os resultados.
Apresenta-se a seguir algumas sugestões para o desenvolvimento de
trabalhos futuros com o processo MAG-CW.
¾ Experimentar misturas de gases de proteção;
¾ Investigar ângulos e posição de chegada do arame frio no arco;
¾ Explorar e avaliar outras faixas de corrente e de tensão;
¾ Explorar e avaliar outras faixas de VAE e VAF;
¾ Realizar ensaios em corrente constante;
¾ Analisar a microestrutura dos cordões de solda depositados.
120
7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABREU, C. B. F. “Uma Contribuição ao Estudo da Soldagem MIG
Duplamente Pulsada da Liga Al-Mg 5083”. Dissertação de Mestrado, Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Universidade Federal do Pará, Belém,
Pará, 2003.
ALCAN,
Manual de Soldagem, 1ª edição, São Paulo, ALCAN S/A, 1993.
ALTSHULLER, B. A., “A Guide to GMA Welding of Aluminum. In:
Welding
Journal. USA, junho 1998.
ASME – SFA-5.18 (AWS 5.18-79) – IBP – Especificação de Materiais,
seção II, parte C.
AWS – AMERICAN WELDING SOCIETY, 1991, Welding Handbook
Processes, Vol. 1, 8ª edição, USA, 1991.
APOSTILA - Curso de Especialização em Engenharia de Soldagem,
(APENGSOLD), SENAI-RJ, FBTS, SLV – Mannheim, 1997.
ANDREUCCI, R.;
Líquidos Penetrantes, apoio ABENDE. Disponível em:
http://www.infosolda.com.br/ andreucci
ou http://www.abende.org.br, jan/2007.
BACELAR A. R. C. e FERRAZ A. C., “Estudo da Viabilidade Operacional
do Processo de Soldagem MAG com Alimentação Adicional de um Arame Frio”:
Trabalho de Conclusão de Curso - TCC, UFPA, Belém-Pará, 2005.
BASTOS JOSÉ, “Estatística Industrial - Estatística”. Disponível em:
http://www.dem.isep.ipp.pt/jab/files/ESIN_2000_Estatistica_a.pdf
, 2007
BOHME, D., NENTWIG R. & KNOCH R. “A high efficiency welding
process – The Double Wire Welding”, proc conf IIW Asian welding congress
(Productivity beyone 1996). Auckland, New Zeland, February, 1996.
BARRA, S. R., “Influência do Processo MIG/MAG Térmico sobre a
Microestrutura e a Geometria da Zona Fundida”.
Tese de Doutorado - Universidade
Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2003.
BARROZO T. S., “Estudo da Soldagem FCAW com Arame Frio”:
Trabalho de Conclusão de Curso - TCC, UFPA, Belém-Pará, 2006
121
BERGE, J., 2001, “The Welding Wire – Using the tanden welding process
to your advantage”. Disponível em: <http://www.thefabricator.com/articles/welding
Exclusive.cfm?id=162 >. Acesso em agosto/2005.
BENNETT, B., “Effects of Shielding Gas in Pulsed MIG Welding”, joining &
materials, junho, 1989.
BRAGA, E. M., Soldagem a Arame Tubular Autoprotegido em Corrente
Pulsada.
Dissertação de Mestrado - Universidade Federal do Pará, dezembro,
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Belém, 1997.
CORRÊA, A. C.; BRAGA, E. M.; TREVISAN, R. E., “Influência dos
Parâmetros da Soldagem MIG Pulsado e Convencional nas Características
Econômicas de Revestimento”,
Soldagem e Inspeção, Rio de Janeiro, abril, 2000.
COSTA NETO, P. L. O. Estatística. ed. Edgard Blucher Ltda, São Paulo,
1977.
DILLEMBECK, V. R. & CASTAGNO, L., “The Effects of Various Shielding
Gases and Associated Mixtures in GMA Welding of Mild Steel”,
Welding Journal,
setembro/1987.
DILTHEY U., REISGEN U. & BACHEN H., “Increased Productivity as a
Result of Higher Welding Speed by Using Two-Wire-GMAW Process”, Third
European Conference
an Joing Tecnology-Eurojoin 3, abril, 1998.
DUTRA, J. C. et al, “O Processo MIG Pulsado com Pulsação Térmica”,
XXI ENTS
, Caxias do Sul, 1995.
ESAB OK ECOMIG S6 Arame Sólido. Publicação
1900010 rev 2.
Disponível em http://www.esabe.com.br
. Acesso em: setembro/2005.
FARIAS, J. P.; "Magnésio Metálico com Componente do Revestimento na
Soldagem com Eletrodo ao C-Mn-Ni”,
Tese de Doutorado - Universidade Federal de
Santa Catarina, Florianópolis - SC, 1993.
FARIAS, J. P.; QUITES, A. M. e MIRA, F. M.: Método computadorizado
para avaliação da estabilidade do arco de eletrodos revestidos. XVII Encontro
Nacional de Tecnologia de Soldagem - ABS, 1991.
122
GOHR, R. J., “Novos Métodos de Controle da Soldagem MIG/MAG”. Tese
de Doutorado - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis - UFSC,
2002.
GONZÁLES, A. M. R., “Análise e Desenvolvimento do Processo
MIG/MAG Duplo Arame com Potencial Único”.
Dissertação de Mestrado em
Engenharia Mecânica – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal
de Santa Catarina, Florianópolis – SC
, 1999.
GROETELAARS, P. J., “Influência da Variação de Parâmetros de
Soldagem sobre a Transferência Metálica e Perfil do Cordão no Processo MIG/MAG
Duplo-Arame”.
Dissertação de Mestrado - Universidade Federal de Uberlândia,
Minas Gerais, 2005.
HILTON D., “Shielding Gases for Gas Metal Arc Welding”, Welding &
Metal Fabrication, julho, 1990.
LABSOLDA. Desenvolvimento de Processos, Procedimentos
Equipamentos e Instrumentação de Soldagem. Disponível em:
http://www.labsolda.ufsc.br
. Acesso em setembro/2005.
LIU, S. & SIEWERT, T. A., “Metal Transfer in GMAW: Droplet Rate”,
Welding Research Supplement –
Welding Journal, fevereiro de 1989, pp 52 – 58.
LUCAS, W., “Choosing a Shilding Gas – part 2”, Welding & Metal
Fabrication, julho/1992.
LUCAS, W., “FCAW, Multiwire and Gas Selection – Techniques to
Enchance MIG Productivity”, Welding and Metal Fabrication
, vol. 65, n.5, 1997.
LYTTLE, K. A. & STAPON, F. G., “Select the Best Shielding Gas Blend for
the Application”,
Welding Journal, nov. de 1990.
KEN MICHIE, STEPHEN BLACKMAN AND T.E.B., Twin Wire GMAW –
Process Characteristics and Applications -
Welding Journal, 1999.
KETRON, D. L., LONGENECKER R. E. & BROWN S. B., “Evaluation of
Two-Wire GMAW Technology for Problematic Steel Welding Applications”, EWI,
Project n. 4263Irp, report n. MR0213, USA, 28p, junho / 2002.
123
KIM, Y. S. et al. “Analysis of Metal Transfer in Gas Metal Arc Welding”.
Welding Journal, USA, Junho / 1993.
KIM, Y. S. et al., “Metal Transfer in Pulsed Current Gas Metal Arc
Welding”.
Welding Journal, USA, Miami, v. 72, Julho / 1993.
MACHADO, I. G., “Soldagem e Técnicas Conexas – Processos”:
Livro,
Porto Alegre, 1996.
MENDONÇA, N. B., “Uma Contribuição ao Estudo do Desenvolvimento da
Soldagem FCAW com Arame Frio” ”:
Trabalho de Conclusão de Curso - TCC,
UFPA, Belém-Pará, março, 2007
MICHIE, K., BLACKMAN S. & OGUNBIYI T. E. B. “Twin-Wire GMAW:
Process Characteristics and Applications”,
Welding journal, AWS Vol. 78, nº5,
1999.
MIRANDA, H. C. Reconhecimento e Controle da Transferência Metálica
no Processo MIG/MAG Pulsado.
Tese de Doutorado - Universidade Federal de
Uberlândia, Minas Gerais, 2002.
MOTA, C. A. M. Níquel e Manganês como Controladores da Tenacidade
na Soldagem com Arames Tubulares Autoprotegidos.
Tese de Doutorado -
Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1998.
MODENESI, P. J., & NIXON, J. H., “Arc Instability Phenomena in GMA
Welding”, Welding Research Supplement –
Welding Journal, setembro / 1994.
MODENESI, P. J.; “Técnica Operatória da Soldagem GMAW”, Disponível
em http://www.infosolda.com.br
. Acesso em: setembro/2006.
MOTTA, M. F., “Aplicação do Processo MIG/MAG Pulsado com Duplo
Arame e Potenciais Isolados em Soldagem de Revestimento”.
Tese de Doutorado,
Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, UFSC, Florianópolis, 2002.
MOTTA, M. F., DUTRA, J. C., GOHR Jr., R. & SCOTTI, A., “A Study on
out-of-phase current pulses of the double-wire MIG-MAG process with insulated
potentials on coating applications”. Welding & Cutting, Vol 4, n.1, DVS Germany,
Janeiro, 2005.
124
MULLIGAN S. J. & MELTON G. B., “An Assessment of the Tandem
MIG/MAG Welding Process”, TWI – The welding Institute, United Kingdom, 21p,
maio, 2002.
NASCIMENTO, A. S. Aspectos Operacionais e Metalúrgicos da Soldagem
a Arame Tubular.
Dissertação de Mestrado – Universidade Federal do Pará, UFPA,
Pará, 2004.
NORRISH, J. “Advanced Welding Process”, IOP - Institute of Phisics
Publishing. Bristol, Philadelphia and New Yorh, 1992.
NORRISH J. et al. “Metal Transfer Mechanisms”, Welding & Metal
Fabrication, janeiro/fevereiro/1988.
PERES, C. A. e SALDIVA, C. D. Planejamento de experimentos. In: V
Simpósio Nacional de Probabilidade e Estatística. São Paulo, 1997.
PIERRE, E. R., 1987, “Shielding Gases for Welding”, Welding Design &
Fabrication, março / 1987.
QUITES, A. M.; Dutra, J. C., Tecnologia da Soldagem a Arco Voltaico:
Livro, EDEME, Florianópolis, 1979.
RAMALHO, J. P. Introdução à Tecnologia de Soldagem. 1993. Disponível
em: http://www.esabe.com.br
. Acesso em junho/2005.
RIBEIRO, L. G.; COSTA, S. C. Influência dos Parâmetros de Pulso no
Processo MIG sobre a Geometria do Cordão de Solda. 1º COBEF – Congresso
Brasileiro de Engenharia de Fabricação. Abril, 2001.
SADLER, H., “A Loock at the Fundamentals of GMAW”,
Welding Journal,
maio / 1999.
SCOTTI, A., “Process Modeling to Establish Control Algorithms for
Automated GMAW”, PHD Thesis, Cranfield Institute of Technology, UK, setembro de
1991.
SCOTTI, A., “A Review on Special Metal Transfer Modes in GMAW”. Rev.
Bras. de Ciências Mecânicas – RBCM, ABCM, Vol. XX, n. 3, setembro de 1988.
STANBACKA, N.; PERSSON, K. A., Shielding Gases for Gas Metal Arc
Welding,
Welding Journal, Miami, novembro / 1989.
125
STREET, J. A., “Pulsed Arc Welding”. In: Abington Publishing Special
Report, Cambridge, 1990.
SUBAN, M.; TUSEK, J., “Dependence of Melting Rate MIG/MAG Welding
on the Type of Shielding Gas Used”.
Journal of Materials Processing Technology,
2001.
TING, A. et al, “How to Select the Right Welding Power Source”, in:
Welding Canada
, www. Weldingcanadamag.com, acesso fev / 2006.
VILARINHO, L. O., “Desenvolvimento e Avaliação de um Algoritmo
Alternativo para Soldagem MIG Sinérgica do Alumínio”,
Dissertação de Mestrado,
UFU, Uberlândia, MG, 2000.
WAINER, E. / BRANDI S. D. e MELLO F. D. H. – “Soldagem” – Processos
e Metalurgia:
Livro, São Paulo, 1992.
WAINER, E., “Soldagem” – ABM.
Livro, São Paulo, 1978.
WANG, W.; LIU, S.; JONES, J. E., “Flux Cored Arc Welding: Arc Signals,
Processing and Metal Transfer Characterization.
Welding Journal, November, 1995.
126
AGRADECIMENTOS
¾ Ao professor: Dr. Eduardo de Magalhães Braga;
¾ Ao professor: Dr. Carlos Alberto Mendes da Mota;
¾ Ao Professores José do Carmo Smith Mesquita – Empresa
TORNAMA;
¾ Ao Professor: Msc. Arildomá Lobato Peixoto;
¾ Aos Engenheiros Nelson Mendonça, Thiago Barrozo e Fábio Marinho;
¾ Aos alunos de iniciação científica do GETSOLDA – UFPA;
¾ Ao nosso Louvado Deus!
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