introdução à solda convencional.pdf
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM
ENGENHARIA MECNICA
NOVOS MTODOS DE CONTROLE DA SOLDAGEM MIG/MAG.
Tese submetida
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
para a obteno do grau de
DOUTOR EM ENGENHARIA MECNICA
RAUL GOHR JNIOR
Florianpolis, setembro de 2002
-
v
SUMRIO
LISTA DE FIGURAS viii
LISTA DE TABELAS xiv
SIMBOLOGIA xv
RESUMO xviii
ABSTRACT xix
1 - INTRODUO 1
2 - SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO
DO TRABALHO
6
2.1 - O Processo MIG/MAG 6
2.1.1 - O Processo MIG/MAG Convencional 11
2.1.2 - O Processo MIG/MAG Pulsado 15
2.1.3 - O Processo MIG/MAG com Duplo-Arame 20
2.1.4 O Processo MIG/MAG com Corrente Alternada (CA) 23
2.1.5 O Processo MIG/MAG Aplicado na Recuperao de Turbinas de
Hidreltrica
28
2.2 - O Processo TIG pulsado 30
2.3 - Sistema de Aquisio de Dados 32
2.4 - Controle Micro-Processado 41
2.5 - Fontes de Soldagem para o processo MIG/MAG 43
2.5.1 Fontes de Soldagem Transistorizadas Analgicas 43
2.5.2 Fontes de Soldagem Transistorizadas Chaveadas. 44
3 - MATERIAIS E MTODOS 51
3.1 Infra-estrutura. 51
3.1.1 - Sistema de Aquisio de Dados 51
3.1.2 - Plataforma de desenvolvimento de Controle Micro-Processado 53
3.1.3 - Fontes de Soldagem 57
3.1.4 - Equipamentos e instrumentos de apoio. 60
3.2 - Estratgia para Determinao da Viabilidade de Implementao das
Modalidades Propostas atravs de Controle Micro-Processado
61
-
vi
4 - RESULTADOS E ANLISE 63
4.1 - Engenharia de "Software" 63
4.2 MIG/MAG Convencional 66
4.2.1 - Anlise e modelagem da resposta dinmica da corrente em uma fonte
convencional. 66
4.2.2 - Desenvolvimento de um algoritmo de controle. 67
4.2.3 - Desenvolvimento de um circuito de simulao de arco. 69
4.2.4 - Ensaios prticos 73
4.3 MIG/MAG PULSADO normal 75
4.3.1 - Anlise do comportamento do arco impondo corrente pulsada com
controle da velocidade de arame . 76
4.3.2 - Desenvolvimento de um algoritmo de controle. 76
4.3.3 - Ensaios prticos. 77
4.4 MIG/MAG PULSADO com Pulsao Trmica 80
4.4.1 - Implementao da forma de onda para pulsao trmica. 81
4.4.2 - Influncia da resposta dinmica da velocidade de arame 82
4.4.3 - Ensaios prticos 86
4.5 MIG/MAG PULSADO Sinrgico: 91
4.5.1 - Determinao da forma de clculo das variveis de soldagem. 91
4.5.2 - Desenvolvimento de um algoritmo para implementao do sinrgico. 93
4.5.3 - Ajuste da altura do arco 94
4.5.4 - Ensaios prticos 95
4.6 - MIG/MAG com Duplo Arame. 96
4.6.1 - Soldagem com Potencial nico. 97
4.6.2 - Soldagem com Potencial Isolado. 98
4.6.3 - Desenvolvimento de um programa no PC para soldagem com duplo
arame no pulsado trmico. 100
4.6.4 - Ensaios Prticos 101
4.7 MIG/MAG com Corrente Alternada para o Alumnio. 106
4.7.1 - Desenvolvimento do algoritmo de controle para o MIG/MAG CA. 106
4.7.2 - Desenvolvimento de um Circuito para Manuteno do Arco. 108
4.7.3 - Ensaios prticos 110
-
vii
4.8 MIG/MAG COM CURTO-CIRCUITO CONTROLADO. 112
4.8.1 Desenvolvimento de um dispositivo eletrnico para reduo da corrente
no curto-circuito. 113
4.8.2 - Desenvolvimento do curto-circuito controlado via "software". 116
4.8.3 - Utilizao da resistncia do curto-circuito como indicativo de reignio. 123
4.8.4 - Anlise da reignio usando-se como base a variao da resistncia de
curto-circuito. 130
4.8.5 - Metodologia para ajuste da altura do arco no curto-circuito controlado. 135
5 - CONCLUSES 140
5.1 - Com Relao s Modalidades de Soldagens Desenvolvidas. 140
5.2 - Com Relao Comunicao entre as Fontes de Soldagem no Duplo-
Arame.
141
5.3 - Com Relao Abordagem do Desenvolvimento. 142
6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS 143
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 147
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viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Obteno do arco voltaico no processo MIG/MAG.
a) arco voltaico, b) equipamentos necessrios. 8
Figura 2.2 - Foras envolvidas no processo de transferncia. 9
Figura 2.3 - Modos de transferncia metlica para o processo MIG/MAG.
Curto circuito : A
Globular : B - globular, C repulsiva;
Projeo : D Projtil, E Escoamento com fluxo goticular axial,
F Escoamento com fluxo goticular Rotativo; 10
Figura 2.4 Forma de onda da tenso e da corrente na soldagem com
MIG/MAG usando controle da tenso e transferncia por curto-circuito. 12
Figura 2.5 Sequncia de separao da gota metlica na transferncia por
curto-circuito. 13
Figura 2.6 Detalhe da transferncia quando ocorre o curto circuito. 15
Figura 2.7 Forma de onda da tenso e da corrente na soldagem com
MIG/MAG pulsado com imposio de corrente. 16
Figura 2.8 Detalhe da transferncia no pulsado. 17
Figura 2.9 Representao do sistema com potencial nico. 21
Figura 2.10 Representao do sistema com potencial nico empregando
duas fontes de potncia. 21
Figura 2.11 Representao de oscilograma de corrente, retratando o
sincronismo na pulsao das fontes (pulsos ocorrendo simultaneamente). 22
Figura 2.12 Representao esquemtica dos sistemas com duplo arame
com potenciais isolados. 22
Figura 2.13 - Representao esquemtica do sincronismo dos pulsos entre as
duas fontes (mestre e escrava) . 23
-
ix
Figura 2.14 Formas de onda utilizadas para soldagem TIG CA.
a) Diagrama da forma de onda de corrente CA retangular com pulsao
trmica.
b) Ilustrao do efeito de retificao da forma de onda apresentada em a)
c) Corrente e tenso em uma soldagem com CA senoidal usando
transformador.
d) Efeito de retificao na forma de onda apresentada em c) 25
Figura 2.15 - Forma de onda de corrente aplicada no MIG/MAG CA. 26
Figura 2.16 - Efeito da polaridade na penetrao, forma do cordo e taxa de
fuso do arame. 27
Figura 2.17 Turbina tipo FRANCIS.
a) Foto da turbina. b) Aspecto de uma regio cavitada. 29
Figura 2.18 Efeito da forma de onda pulsada sobre o cordo de solda. 31
Figura 2.19 Sistema de Aquisio e Controle. 34
Figura 2.20 - Sistema de Aquisio para Soldagem. 36
Figura 2.21 - Desenho esquemtico do transdutor digital. 38
Figura 2.22 - Representao da influncia dos cabos de sada da fonte de
soldagem sobre a medio da tenso. a) diagrama esquemtico b) formas de
onda da tenso e corrente de sada. 39
Figura 2.23 Ilustrao de uma situao de curto-circuito na sada da fonte de
soldagem via aterramento da rede eltrica. 41
Figura 2.24 - Estrutura de potncia de uma fonte analgica. 43
Figura 2.25 - Estrutura de potncia de uma fonte chaveada no primrio. 45
Figura 2.26 - Estrutura de potncia de uma fonte chaveada no secundrio.
a) conversor de quatro quadrantes, b) conversor de um quadrante. 46
Figura 2.27 - Modelo idealizado do transistor em fonte de soldagem. 47
Figura 2.28 - Detalhe da ondulao da temperatura com controle tipo
liga/desliga. 47
Figura 2.29 - Detalhe do controle de corrente. 48
Figura 2.30 - Corrente de 20 A, com ondulao de 40 A. 49
Figura 2.31 - Modelo aproximado do transistor em operao.
a) em conduo b) bloqueado. 49
Figura 3.1 Sistema de aquisio de dados. 52
Figura 3.2 Sistema de Controle da Configurao A. 55
Figura 3.3 Placa de aquisio e controle LPTAD. 55
-
x
Figura 3.4 Configurao C composta pela placa Micro-controlada e placa
base da DIGITEC. 56
Figura 3.5 Sistema composto pelo PC104 + TC1+ LPTAD. 56
Figura 3.6 Fontes de Soldagens utilizadas neste trabalho.
a) ELMA, b) INVERSAL e c) DIGITEC 58
Figura 3.7 - Modelo de uma fonte de soldagem com entrada em corrente 58
Figura 4.1 - Diagrama de Classes de objetos. 64
Figura 4.2 - Prottipo da interface com o usurio montado no TOOLBOOK. 65
Figura 4.3 - Verso Final da Interface com o usurio para:
a) Fonte de soldagem Micro-Processada e b) o PC. 65
Figura 4.4) Modelo eltrico de uma fonte de soldagem convencional. 66
Figura 4.5 - Modelo do controle da tenso utilizando a entrada de corrente IRef . 67
Figura 4.6) Fluxograma do controle para o MIG/MAG convencional
a) controle clssico,
b) Controle com limitao de corrente e lgica de abertura do arco. 68
Figura 4.7) - Soldagem com CO2 puro no MIG/MAG convencional sem limite de
corrente mnima. 69
Figura 4.8- Modelo de uma fonte de soldagem com entrada em corrente
controlada por uma CPU. 70
Figura 4.9 - Circuito de simulao do arco. 70
Figura 4.10 - Formas de onda dos sinais de tenso e corrente no simulador,
com diferentes indutncias de subida (Ls) e descida (Ld).
a) Ls e Ld mdias, b) Ld elevada, c) Ld pequena e d) Ls elevada. 71
Figura 4.11) Oscilogramas: a ) item 1 da tabela 4.1 b) item 2 e c) item 3. 74
Figura 4.12) Oscilograma para o item 4 da tabela 4.1. 75
Figura 4.13 - Fluxograma do algoritmo de controle do MIG/MAG pulsado. 77
Figura 4.14 Sobreposio de um Oscilograma de corrente obtido com a fonte
de soldagem ELMA, em preto, e parte de outro obtido pelo algoritmo de
controle com a configurao C, em vermelho. 78
Figura 4.15 - Oscilogramas da abertura do arco na soldagem de alumnio com
o MIG/MAG pulsado.
a) com controle do curto-circuito, b) e c) sem controle do curto-circuito. 79
Figura 4.16 - Oscilograma de soldagem no Pulsado com arco curto.
(sinrgico 100 A, 4%CO2, ER70S6 1.2 mm) 80
Figura 4.17 - Diagrama de sinais do pulsado com pulsao trmica. 82
-
xi
Figura 4.18 Pulsado com pulsao trmica com fraes de perodo de
transferncia. 82
Figura 4.19 - Algoritmo da forma de onda do pulsado com pulsao trmica. 83
Figura 4.20 - Ensaio de soldagem com o pulsado com pulsao trmica com
tempo de resposta da velocidade de arme em 700 ms. 84
Figura 4.21 - Ensaio de soldagem com o pulsado com pulsao trmica com
tempo de resposta da velocidade de arame em torno de 100 ms. 85
Figura 4.22 - Depsito de soldagem com o processo MIG/MAG na posio
sobre cabea, utilizando arame-eletrodo tubular base de cobalto, com as
modalidades : a) convencional, b) pulsado com pulsao trmica. 86
Fig. 4.23 Aplicao em campo do pulsado com pulsao trmica.a nvel de
desenvolvimento. Local : Galeria da hidreltrica de Salto Santiago. 87
Fig. 4.24 Esquema de soldagem no pulsado trmico com 3 fases. 88
Fig. 4.25 Verso do equipamento de soldagem para soldagem de turbinas. 89
Fig. 4.26) Fotos de partes da turbina soldadas com o pulsado com pulsao
trmica. 90
Figura 4.27 Representao esquemtica da converso de um comprimento
de arame (Le) em uma gota metlica (Dg). 92
Figura 4.28 - Diagrama de blocos simplificado da determinao das variveis
de soldagem no processo MIG/MAG pulsado sinrgico. 94
Figura 4.29 Conexo entre as fontes de soldagem no duplo arame com
potencial nico. 98
Figura 4.30 Conexo entre as fontes de soldagem no duplo arame com
potencial isolado. 99
Figura 4.31 Menu de configurao para o Duplo arame apresentado no
Display da Fonte. 99
Figura 4.32 Interface com o usurio do progrma para soldagem com o duplo
arame operando no pulsado com pulsao trmica atravs do PC. 100
Figura 4.33 Conexo entre as fontes de e o Micro-Computador. 101
Figura 4.34 Oscilogramas para o duplo arame com potencial isolado com
defasagem entre os pulsos de corrente. a) fonte escrava, b) fonte mestre. 102
Figura 4.35 - Oscilograma de tenso e corrente (nos dois arames) para o duplo
arame no modo convencional com potencial nico. 103
Figura 4.36 - Oscilograma de tenso e corrente (nos dois arames) para o
processo duplo arame pulsado com potencial nico. 104
-
xii
Figura 4.37 - Soldagem com o duplo arame potencial isolado sem defasagem
entre os pulsos de corrente. a) fonte 1, b) fonte 2 104
Figura 4.38 Aspectos de cordes de solda em algumas situaes ensaiadas
com o duplo arame. 105
Figura 4.39 - Fluxograma do algoritmo de controle do MIG/MAG CA. 107
Figura 4.40 Interface do programa para soldagem com o MIG/MAG CA. 108
Figura 4.41 - Diagrama esquemtico dos circuitos de reabertura de arco.
a) Estrutura de potncia da fonte de soldagem INVERSAL.
b) Verso baseada em fonte de tenso
c) Verso baseada no princpio da conservao de energia. 109
Figura 4.42 Oscilogramas de corrente e tenso na soldagem com MIG/MAG
CA. 111
Figura 4.43 Aspecto do cordo obtido com o MIG/MAG AC. 111
Figura 4.44 - Algumas das formas de ondas usadas no curto-circuito
controlado que so apresentadas em a) [9] b) [10] c) [13] e d) [7]. 112
Figura 4.45 - Diagrama esquemtico de circuito de reduo de corrente. 114
Figura 4.46 - Foto do prottipo do circuito de reduo de corrente. 114
Figura 4.47 - Forma de onda da corrente usando o circuito de reduo de
corrente. 116
Fig. 4.48 - Proposta de forma de onda de corrente para curto circuito controlado 117
Fig. 4.49 - Algoritmo de controle do curto circuito controlado. 118
Figura 4.50 - Oscilogramas do ensaio 1. 120
Figura 4.51 - Oscilogramas do ensaio 4. 121
Figura 4.52 - Curto circuitos prolongados no ensaio 3. 122
Figura 4.53 - Representao da transferncia da gota. 123
Figura 4.54 - Montagem feita nos testes referentes determinao do
comportamento da resistncia do arame em funo da corrente.
a) arame em movimento b) arame parado. 124
Figura 4.55 - Variao da resistncia do arame em diferentes correntes. 125
Figura 4.56 Comparao da resistncia do arame durante o curto (ensaio 2
tabela 4.3) e simulao do curto (item 8 tabela 4.5) . 127
Figura 4.57 - Comparao da resistncia do arame durante o curto (ensaio 2
tabela 4.3) e simulao do curto (item 17 tabela 4.5) . 128
-
xiii
Figura 4.58 - Resistncia do arame em funo da corrente eficaz, para os itens
da tabela 4.5 ( tringulos itens de 1 a 4, quadrados itens de 5 a 8 e
circunferncias itens de 9 a 13). 129
Figura 4.59 - Representao das variveis envolvidas na determinao de ti. 130
Figura 4.60 Tenso e corrente durante o curto circuito com deteco da
reignio pela resistncia. Reignio na, a) fase 4; b) fase 3 e c) fase 5. 134
Figura 4.61 Soldagem com CO2 puro e controle de tenso na fase 1. 135
Figura 4.62 Forma de onda no curto circuito controlado com corrente imposta. 136
Figura 4.63 Grfico das funes de Ui x If5 (a) e Ui x tf5 (b). 137
Figura 4.64 - Os oscilogramas de corrente e tenso para o controle a trs
nveis.
139
Figura 6.1 Outras forma de onda aplicveis ao curto circuito controlado.
a) controle da tenso na fase de arco, b) controle utilizado no trabalho com
mais um patamar de corrente na fase de arco. 146
-
xiv
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Caractersticas dos instrumentos e equipamentos utilizados para
aquisio. 53
Tabela 3.2 - Caractersticas dos equipamentos e instrumentos usados para
desenvolvimento dos controles das modalidades de soldagem. 57
Tabela 3.3 - Caractersticas das fontes de soldagem. 59
Tabela 3.4 - Caractersticas dos equipamentos e instrumentos de apoio 60
Tabela 4.1 Ensaios de Soldagem no MIG/MAG convencional arame 1.2 mm. 75
Tabela 4.2 Combinao de arames e gs implementados no sinrgico. 96
Tabela 4.3 - Variveis e parmetros utilizados nos primeiros ensaios. 119
Tabela 4.4 Resultados da primeira bateria de ensaios. 124
Tabela 4.5 Ensaios para determinao do comportamento da resistncia
durante um pulso de corrente, com arame E70S60 com dimetro de 1.0 mm. 126
Tabela 4.6 Resultado da anlise do tempo disponvel at ocorrer reignio a
partir de um dado valor de resistncia de curto-circuito (Rci).
131
Tabela 4.7 Determinao da funo Ui x If5. 137
Tabela 4.8 Determinao da funo Ui x tf5. 137
-
xv
SIMBOLOGIA
I - ondulao de corrente. Is - Ondulao da corrente de soldagem. T1 tempo de ruptura para o arame de 1.0 mm. T2 tempo de ruptura para o arame de 1.2 mm. td - tempo de descida. ts - tempo de subida. VLc Ondulao da tenso sobre a indutncia dos cabos de solda. Ar+2 02 - Argnio com 2 % de oxignio.
C1 - Constante experimental.
C5 - Argnio com 5 % de gs carbono.
C8 Argnio com 8 % de gs carbono.
CA - corrente alternada.
Ccc capacitor de curto-circuito do simulador.
Cf - capacitor de filtro.
Cp - capacitor do circuito de pulso de abertura de arco para o MIG/MAG CA.
De Dimetro do arame eletrodo.
Dg Dimetro da gota.
DBP Distncia entre bico de contato e a pea.
E1 - energia para o arme de 1.0 mm.
E2 - energia para o arme de 1.2 mm.
Ea - Tenso do arco.
Eas - Sinal de tenso do arco lido pela CPU.
EN - eletrodo negativo.
EP - eletrodo positivo.
Er - tenso de sada da ponte retificadora.
Fc - frequncia de chaveamento.
ft freqncia de transferncia.
Iap - corrente de pulso aps a abertura do arco.
Ib corrente de base.
Ie - corrente eficaz.
If1 - corrente na fase1 da forma de onda do curto-circuito controlado.
-
xvi
If2 - corrente na fase2 da forma de onda do curto-circuito controlado.
If3f - corrente final na fase3 da forma de onda do curto-circuito controlado.
If3i - corrente inicial na fase3 da forma de onda do curto-circuito controlado.
If4 - corrente na fase4 da forma de onda do curto-circuito controlado.
If5 - corrente na fase5 da forma de onda do curto-circuito controlado.
If6 - corrente na fase6 da forma de onda do curto-circuito controlado.
Im Corrente mdia de soldagem.
In - corrente negativa.
Ip corrente de pulso.
IRef - corrente de referncia no simulador de arco.
is(t) Corrente instantnea de soldagem.
Ism Corrente mdia de soldagem.
IsRef - corrente de referncia de soldagem gerada pela CPU.
KA relao entre as reas dos arames de 1.2 mm e 1.0 mm.
Ka - constante de proporcionalidade da tenso lida pela CPU e a tenso de
soldagem.
Ki - constante de proporcionalidade entre o sinal de controle de corrente gerado pela
CPU e a corrente de soldagem.
ksi constante de proporcionalidade entre a velocidade de arame e a corrente
mdia de soldagem.
Lbp - distncia entre o bico de contato e a pea.
Lc Indutncia do cabo de solda.
Ld indutncia de descida.
Ls - indutncia de sada.
Ls indutncia de subida.
Ls - indutor de filtro de sada.
P1 potncia para o arame de 1.0 mm.
P2 potncia para o arame de 1.2 mm.
R% - aumento percentual da resistncia inicial do arco.
Rc Resistncia do cabo de solda.
Rcc - resistncia de curto-circuito.
Rcc1, Rcc2 resistncias de curto-circuito do simulador.
Rci - resistncia que indica a iminncia da reignio.
Ri - Resistncia no incio do curto-circuito.
Rim - Resistncia no incio do curto-circuito mdia.
-
xvii
Rrea Resistncia de reabertura de arco do simulador.
Rreg - Resistncia de regime do simulador.
T perodo de transferncia no pulsado.
tap - tempo de pulso aps a abertura do arco.
tb tempo de base.
tb - tempo de bloqueio do transistor.
tc - tempo de conduo do transistor.
tcc Tempo que a chave 2 fica na posio P2 no simulador.
tf1 - tempo da fase1 na forma de onda do curto-circuito controlado.
tf2 - tempo da fase2 na forma de onda do curto-circuito controlado.
tf3 - tempo da fase3 na forma de onda do curto-circuito controlado.
tf4 - tempo da fase4 na forma de onda do curto-circuito controlado.
tf5 - tempo da fase5 na forma de onda do curto-circuito controlado.
tf6 - tempo da fase6 na forma de onda do curto-circuito controlado.
tfuso tempo para fuso de um arame submetido a corrente If.
ti - tempo at ocorrer a reignio a partir do momento que Rcc ficou maior que Rci.
tn - tempo negativo.
tp tempo de pulso.
trea - Tempo que a chave 1 fica fechada no simulador.
Uas - tenso de sada do simulador de arco.
Ucc - tenso de curto-circuito.
Ui - tenso no incio do curto.
Uref - tenso de referncia.
Uri - tenso de reignio.
Va velocidade de arame.
Ve Volume do arame eletrodo.
VF - volume fundido.
Vg Volume da gota.
Vs(t) Tenso instantnea na sada da fonte de soldagem.
Z - impedncia.
-
xviii
RESUMO
Raramente surgem maneiras novas de se processar a soldagem, que meream se caracterizar como um novo processo e assim receberem uma denominao completamente nova. Entretanto, tem havido uma to grande profuso de possibilidades distintas, dentro de uma concepo bsica de processo, que muitas vezes se torna difcil a adjetivao adequada aos diversos nomes. Esta variedade surge em funo de uma confluncia das necessidades de melhorar, seja a qualidade dos produtos, seja a produtividade, com a disponibilidade que os avanos da eletrnica e da informtica esto a oferecer. Embora estes novos avanos no sejam a panacia universal, mas sim solues especficas para casos especficos, elas podem significar muitas vezes o oxignio necessrio sobrevivncia de muitas empresas. O presente trabalho representa a coroao em um dos flancos de atuao do LABSOLDA no caminho do desenvolvimento destas novas tecnologias, procurando eliminar a necessidade de importaes. Houve sempre, nos desenvolvimentos j consagrados, a preocupao em transformar estas tecnologias em equipamentos para a sociedade.
Embora o enfoque dos relatos deste trabalho seja sobre o processo MIG/MAG, muito do que foi desenvolvido, foi tambm incorporado a outros processos de soldagem a arco, resultando em outros desenvolvimentos paralelos no tocante instrumentao. No desenvolvimento do Processo MIG/MAG, pode-se colocar em evidncia o procedimento denominado de Pulsado com Pulsao Trmica. Este combina duas filosofias de pulsao, uma em mais alta freqncia, para controlar a transferncia metlica, evitando a tradicional transferncia por curto-circuito, e outra, em freqncia bem baixa de variao dos valores mdios da corrente, para controlar a poa de fuso e os fenmenos inerentes fuso, solidificao e aos mecanismos de rechao das impurezas. Tendo como objetivo central de desenvolvimento a melhoria na qualidade dos depsitos de soldagem, executados em regies cavitadas de turbinas hidrulicas, este procedimento vem sendo utilizado tambm em outras aplicaes com bastante sucesso. Para procurar versatilizar o desenvolvimento deste e de outros procedimentos MIG/MAG, como o que utiliza corrente alternada, que visa um maior controle trmico da poa de fuso em chapas finas, foi desenvolvido um circuito de simulao do arco. Como exemplo final de desenvolvimento, cita-se a verso do MIG/MAG com transferncia por curto-circuito controlado, tambm chamado por outros autores de transferncia sob controle da tenso superficial.
-
INTRODUO 1
CAPTULO 1
INTRODUO
A evoluo dos processos de soldagem nas ltimas trs dcadas foi em
funo do desenvolvimento tanto a nvel de conhecimento bsico como de
experincia de campo. Os processos foram marcantemente influenciados pela
evoluo da eletrnica, que, sob a conjuno da informtica criou condies para
um significativo controle da fonte calorfica, geradora das condies fsicas para a
formao de uma solda.
Isto mudou paradigmas e fez com que conceitos tivessem de ser revistos. Um
dos muitos exemplos, o fato de at dois anos atrs o processo MIG/MAG s
funcionava com corrente contnua e hoje se verifica que um dos grandes avanos da
tecnologia da soldagem a soldagem MIG/MAG com corrente alternada.
As primeiras fontes de energia destinadas ao processo de soldagem MIG/MAG
no possibilitavam um controle efetivo sobre a transferncia metlica, o que
contribuiu para que o processo MIG/MAG no fosse utilizado em vrias aplicaes
industriais, em especial na soldagem de componentes estruturais considerados de
responsabilidade.
Todavia, o fato do processo MIG/MAG possuir caractersticas de versatilidade,
elevada produo e possibilidade de relativo controle da poa em qualquer posio
e espessura, somado a sua relativa facilidade de automatizao comparado a outros
processos de soldagem a arco, fez com que a industria no deixasse de consider-
lo, com reservada preferncia, dentre os demais processos de soldagem a arco.
A preferncia em utiliz-lo, traduzia-se numa necessidade de mercado, fazendo
com que centros de pesquisas e indstrias buscassem continuamente novas
solues, tanto a nvel de processo, quanto a nvel de equipamentos. A evoluo
das solues nesses dois campos caminhou lado a lado, tendo seu pice com o
aparecimento dos semicondutores de potncia, ocorrida nos ltimos anos. No
campo dos processos foram desenvolvidos novos procedimentos e modalidades de
soldagem. No campo dos equipamentos o principal avano foi o aumento da
resposta dinmica de controle da corrente de soldagem, que permitiu um controle
mais apurado das variveis na soldagem com corrente pulsada e, tambm, viabilizou
um ajuste contnuo da indutncia da fonte na soldagem com curto-circuito.
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INTRODUO 2
O aumento do domnio sobre as variveis de soldagem possibilitou que
pesquisas relacionadas transferncia metlica fossem realizadas com maior
preciso, resultando numa maior gama de informaes sobre o processo MIG/MAG.
Isso aumentou o campo de abrangncia do mesmo, tornando-o mais popular.
Se por um lado estes avanos aumentaram as possibilidades de aplicao do
processo de soldagem MIG/MAG. Por outro lado, o nmero de variveis de
soldagem, juntamente com a complexidade de ajust-las, aliado ainda, a falta de
preparo dos soldadores e pessoas ligadas soldagem, colaboravam para que em
muitas aplicaes, em que o mesmo caberia perfeitamente, este no fosse utilizado.
A falta de preparo, aliado a interesses comerciais, faz com que determinados
equipamentos sejam vendidos por pura questo de marketing e no com base na
real potencialidade do equipamento.
A modernizao das fontes apesar de ter melhorado a dinmica de controle de
corrente das mesmas, que um dos fatores que influenciam na estabilidade do
arco, no evitou a ocorrncia dos problemas listados abaixo, em muitas aplicaes
do processo MIG/MAG convencional, com transferncia por curto-circuito. Tais
problemas so causados devido ao elevado grau de aleatoriedade da transferncia
metlica e do no controle temporal da energia sobre a poa metlica, como
consequncia tem-se:
- Elevado ndice de salpicagens.
- Falta de fuso adequada.
- Geometria inconveniente do cordo de solda.
- Elevado ndice de porosidades em determinados tipos de soldagem.
- Acabamento inadequado.
- Dificuldade de controle da penetrao.
A soldagem com corrente imposta e pulsada com controle da velocidade de
arame, possibilita uma transferncia metlica sem salpicos, e tambm, devido a
corrente mdia ser constante, apresenta boa homogeneidade de penetrao e
geometria do cordo de solda uniforme. Contudo, a imposio da corrente mdia
ocasiona dificuldades de abertura do arco e de manuteno do equilbrio entre a
taxa de fuso e a alimentao do arame, que pode dar origem a curto-circuitos, em
conseqncia fazer surgir salpicos, como tambm, pode fazer com que o arco atinja
o bico de contato, levando-o a fuso.
-
INTRODUO 3
No sentido de estabelecer um equilbrio entre a taxa de fuso e de alimentao
do arame, a fim de manter a altura de arco constante, surgiram algumas formas de
controle, destacando-se o chamado controle externo da velocidade de arame e o
modo misto. Estas so baseadas na proporcionalidade que existe entre a tenso e a
altura do arco. No caso do controle externo, ajusta-se uma tenso de referncia de
arco, sendo que o controle ir ajustar a velocidade do arame de forma que a tenso
do arco fique igual a de referncia. No modo misto, no lugar da corrente de pulso,
ajustada a tenso de pulso, dessa forma o controle ir ajustar a corrente de pulso e
indiretamente a corrente mdia, a fim de que a tenso do arco no pulso torne-se
igual ajustada.
Entretanto, o controle externo possui problemas de instabilidade na abertura do
arco. J no modo misto, a corrente de pulso muitas vezes pode assumir valores
incompatveis com os necessrios para transferir a gota, ocasionado instabilidade
durante a soldagem.
Diante do quadro apresentado, como no existe uma modalidade de soldagem
que seja uma soluo universal a todos os problemas colocados, o presente
trabalho concentrou-se em tratar estes problemas usando mtodos de controle
computacionais atravs de algoritmos, tendo como objetivos gerais:
Criar mtodos de controle do arco voltaico, da transferncia metlica e da poa
de fuso para equacionar as deficincias citadas.
Equacionar os mtodos criados de forma a diminuir o nmero de variveis a
serem ajustadas (sistema sinrgico).
Consolidar os mtodos criados em um equipamento de soldagem.
Demonstrar os benefcios da utilizao de mtodos de controle computacionais e
de conceitos de engenharia de software, na soluo de problemas relativos ao
controle e complexidade de ajuste das modalidades de soldagem.
Para atingir os objetivos propostos foram desenvolvidas, alm das modalidades
curto-circuito controlado e pulsado sinrgico, previstas inicialmente no exame de
qualificao, as modalidades: pulsado com pulsao trmica, corrente alternada
(CA) e duplo arame.
Os objetivos especficos para cada modalidade so:
-
INTRODUO 4
- Curto-Circuito Controlado: Produzir soldas em passe de raiz com melhor
qualidade e repetibilidade do que o obtido pelo processo MIG/MAG
convencional em correntes baixas e necessidade de altura de arco pequena.
- Pulsado Sinrgico: Reduzir a complexidade no ajuste das variveis de
soldagem no MIG/MAG pulsado.
- MIG/MAG CA: Produzir soldas de alta qualidade em chapas finas de alumnio
com o controle da temperatura da poa de fuso, atravs do ajuste do tempo
em cada polaridade do arco, utilizando-se uma forma de onda de corrente
alternada retangular com trs nveis de corrente.
- Pulsado com pulsao trmica: Resolver problemas de acabamento
superficial com escorrimento metlico, falta de fuso e excesso de
porosidades, que ocorrem na soldagem de recuperao de turbinas
hidrulicas erodidas por cavitao, com a utilizao de arames tubulares ao
cobalto em diferentes posies de soldagem.
- Duplo Arame: Resolver problemas de desequilbrio de corrente das fontes na
soldagem com potencial nico e criar um meio de sincronizar os pulsos de
corrente na soldagem com potencial isolado.
Este trabalho abrangeu alm da rea de soldagem, as reas de eletrnica,
computao e metrologia, devido sua caracterstica multi-disciplinar.
Sem o apoio decisivo do LABSOLDA e de sua equipe seria difcil desenvolver um
trabalho to abrangente. A experincia adquirida na rea, pelo LABSOLDA, ao longo
dos anos, foi determinante na realizao do presente trabalho. Atualmente, o
mesmo, concentra esforos em pesquisas com os processos MIG/MAG, TIG e
PLASMA, realizando estudos sobre a estabilidade do arco, transferncia metlica,
variveis e parmetros de soldagem, a fim de estabelecer procedimentos de
soldagem adequados para vrias aplicaes e materiais. Para isso, ao longo desses
anos foram desenvolvidos fontes de soldagens [1,2 e 3], sistemas computadorizados
para aquisio e controle [4] e uma srie de instrumentos para medio de corrente,
tenso, velocidade de arame e vazo de gs.
O LABSOLDA sempre defendeu o desenvolvimento de tecnologias nacionais,
pois alm do domnio da tecnologia evitar a importao, esta permite que as
pesquisas sejam desvinculadas das caractersticas do equipamento, possibilitando
que modificaes e atualizaes sejam realizadas de acordo com as necessidades
que surgem durante as atividades de pesquisa. Com esta viso o LABSOLDA
-
INTRODUO 5
realizou seus primeiros desenvolvimentos, procurando sempre promover a
integrao entre os trabalhos de pesquisas. Mesmo com recursos escassos, foram
gerados uma grande quantidade de instrumentos, equipamentos e informaes
sobre os processos de soldagens a arco. Assim, criou-se uma espcie de ambiente
de desenvolvimento auto-sustentado do ponto de vista tecnolgico, proporcionando
a formao de doutores, mestres, graduandos e tcnicos. As tecnologias hoje
produzidas pelo laboratrio de soldagem podem ser encontradas em diferentes
instituies de pesquisas e indstrias.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 6 CAPTULO 2
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
Para realizao do presente trabalho foram necessrios estudos dos processos
de soldagem MIG/MAG e TIG e, tambm, das tecnologias utilizadas nas fontes de
soldagem e nos sistemas de aquisio e controle.
Referente ao processo de soldagem MIG/MAG, neste captulo, foram analisados
alguns fenmenos envolvidos na transferncia metlica e na regularidade da
mesma, nas modalidades de soldagem curto circuito convencional e pulsado.
O processo TIG foi includo neste captulo devido a alguns de seus fundamentos
serem utilizados nas modalidades de soldagem MIG/MAG pulsado com pulsao
trmica e MIG/MAG com corrente alternada.
Alm disso, foram realizados estudos da modalidade de soldagem MIG/MAG
duplo arame, voltados a produzir conhecimentos sobre as tecnologias aplicadas a
esta modalidade e a gerar as condies necessrias para possibilitar a conduo de
pesquisas com este processo em um trabalho de mestrado [5] e outro de doutorado
[6].
2.1 - O Processo MIG/MAG
Conceitualmente, o processo MIG/MAG pode ser descrito como um processo de
soldagem a arco, que utiliza eletrodo consumvel contnuo e insuflamento de gs. O
gs fornecido por uma fonte externa, sendo responsvel por criar o ambiente em
que se forma o arco e por proteger da oxidao a poa de fuso e as gotas
metlicas em transferncia.
Inicialmente desenvolvido para a soldagem de alumnio, logo o processo
MIG/MAG converteu-se em um mtodo de manufatura eficiente para unio de
componentes em ao. Embora, hoje o processo MIG/MAG seja considerado uma
ferramenta de manufatura eficiente, o incio de sua utilizao, na indstria, foi
conturbado.
A impossibilidade de um controle efetivo sobre a transferncia metlica contribuiu
em muito para a sua no utilizao em vrias aplicaes industriais, em especial na
soldagem de componentes estruturais considerados de responsabilidade. Esta falta
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 7de controle, induzida principalmente pela inexistncia de fontes de energia
apropriadas s caractersticas da transferncia, conferiu ao processo MIG/MAG uma
imagem negativa perante muitos usurios, que passaram a consider-lo um
processo temperamental e muito suscetvel ao aparecimento de defeitos de fuso.
Na ltima dcada tem ocorrido uma reverso gradual desse quadro, em
decorrncia direta dos avanos tecnolgicos de instrumentos e equipamentos
aplicados ao processo de soldagem, tanto na pesquisa, quanto na indstria. Esses
avanos permitiram a adoo de metodologias de controle da transferncia, com
base na realimentao do processo, atravs de informaes fornecidas pelas
prprias variveis de soldagem. Porm, a quantidade de informaes existentes
sobre parmetros e variveis, mais adequados para determinadas aplicaes, ainda
muito pequena, em funo da complexidade e abrangncia deste processo de
soldagem.
As razes do interesse em aprimorar o processo para torn-lo menos suscetvel
ao aparecimento de falhas de deposio baseiam-se em vantagens, tais como:
- elevada quantidade de material depositado por tempo (kg solda / hora);
- relativa facilidade de mecanizao ou automatizao do processo;
- elevado ciclo de operao (tempo de arco aberto / tempo total de produo).
Fundamentalmente, a soldagem realizada pela contnua alimentao de um
arame (fig. 2.1), que fornecido na mesma proporo da fuso. O arco voltaico
produzido tem suas propriedades em estreita dependncia das caractersticas da
fonte de energia, que o alimenta, e das caractersticas do gs de proteo. A fonte
controla a energia necessria para realizar a soldagem e o alimentador do arame
responsvel pelo fornecimento do arame-eletrodo.
A tocha de soldagem e os cabos possuem trs funes bsicas: a de conduzir o
gs at a regio do arco, guiar o arame-eletrodo at o bico de contato e conduzir a
corrente de soldagem da fonte at o bico de contato e a pea.
O arco formado atravs do estabelecimento do contato (curto-circuito) entre o
arame-eletrodo e a pea (fig. 2.1.a). O curto-circuito surgido produz a passagem de
uma elevada corrente, causando um aquecimento ao longo do arame-eletrodo e na
regio de contato com a pea. Devido a este aquecimento com a consequente
ruptura do curto-circuito, ocasionada pela fuso ocorrida em alguma parte do arame-
eletrodo, o arco se estabelece. Esse instante um dos pontos mais crticos da
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 8soldagem, e um dos fatores que colabora para isso a condio da ponta do arame.
A situao mais favorvel surge quando a ponta do arame tem uma forma
pontiaguda, fazendo com que o arco se origine geralmente na regio de contato. Um
caso extremo ocorre quando fica uma gota fundida na ponta do arame, fazendo com
que o arco se origine em outro ponto do arame, neste caso, geralmente a abertura
conturbada.
a)
b)
Figura 2.1 - Obteno do arco voltaico no processo MIG/MAG.
a) oteno do arco voltaico, b) equipamentos necessrios.
Com o surgimento do arco, o arame, continuamente fornecido pelo alimentador,
transformado em gotas de metal fundido, as quais so transferidas para a pea,
formando o cordo de solda. Nesse processo, parte da energia responsvel pela
fuso devida ao efeito Joule, gerado pela passagem da corrente atravs do arame
no trecho que fica entre o bico de contato e o arco, acarretando um preaquecimento
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 9do mesmo. Entretanto, a maior parte da energia provm do prprio arco na regio de
contato entre o mesmo e a ponta do arame .
Embora, a concepo seja bem simples, o controle sobre o equilbrio entre a
velocidade de alimentao do arame e a de sua fuso, de forma a se obter uma
transferncia metlica que garanta uma solda de boa qualidade com produtividade e
repetibilidade, ainda uma tarefa em aprimoramentos, pois os fenmenos
envolvidos na transferncia metlica so bastante complexos.
A transferncia metlica no processo MIG/MAG se d pela interao complexa
de um conjunto de foras sobre a extremidade fundida do eletrodo, poa de fuso e
arco voltaico. Apesar de existir um grande nmero de mecanismos envolvidos,
normalmente so apresentados como fundamentais os que se originam a partir da
ao das foras de origem eletromagntica, gravitacional e tenso superficial. A
magnitude de cada fora est sob influncia direta das variveis eltricas (tenso e
corrente), da composio qumica do eletrodo e da pea, alm da natureza do
ambiente onde se forma o arco (atmosfera inerte ou ativa) [7].
A fig.2.2 apresenta um resumo das principais foras, descritas na referncia [7],
que atuam sobre o arco.
Figura 2.2 - Foras envolvidas no processo de transferncia.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 10As foras eletromagnticas so apontadas como sendo os principais agentes
responsveis pela transferncia da gota em correntes elevadas, onde a componente
axial atua como agente propulsor, que empurra a gota contra a pea e a radial como
agente separador, que promove o desprendimento da gota do eletrodo.
Como foi visto, a transferncia metlica resultado de um conjunto de foras,
e, dependendo dos valores destas e da corrente e tenso de arco, tem-se diferentes
modos de transferncia metlica. A fig. 2.3 mostra os diferentes modos de
transferncia metlica, de acordo com a classificao adotada pelo LABSOLDA.
Figura 2.3 - Modos de transferncia metlica para o processo MIG/MAG.
Curto-circuito : A
Globular : B - globular, C repulsiva;
Projeo : D Projtil, E Escoamento com fluxo goticular axial,
F Escoamento com fluxo goticular Rotativo;
A estabilidade do processo de transferncia depende de inmeros fatores,
com maior dependncia das caractersticas da fonte de energia, quando se opera na
regio do curto-circuito, pois a dinmica do equipamento fator decisivo para a
citada estabilidade. medida que se avana para a regio de uma transferncia
livre de curtos-circuitos (correntes maiores), a influncia das caractersticas do
equipamento se torna menos importante.
Justamente para vencer as dificuldades de estabilidade e outras propriedades
resultantes, desenvolveram-se, em vrios institutos de soldagem, tecnologias para
controlar o curto-circuito (curto-circuito controlado) ou para evit-lo, mesmo em
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 11correntes baixas (transferncia com corrente pulsada, denominada de transferncia
por projtil).
2.1.1 - O Processo MIG/MAG Convencional
O processo de soldagem MIG/MAG convencional o que utiliza a forma mais
simples de equipamento. A fonte de energia do tipo tenso constante, sendo a
corrente uma varivel dependente, fundamentalmente, da velocidade de
alimentao do arame e das suas caractersticas fsicas e qumicas. Assim, as
variveis independentes e bsicas, e que so previamente ajustveis, so a tenso
e a velocidade do arame-eletrodo. De acordo com o nvel das mesmas e tambm,
em dependncia do tipo de gs de proteo, o processo apresenta diferentes
configuraes de transferncia metlica. Fundamentalmente, pode-se caracterizar
dois grandes grupos perfeitamente distintos e outros intermedirios ou mistos. Os
grupos perfeitamente distintos so: o dependente totalmente da ocorrncia de curto-
circuitos e o totalmente independente. Pertencem ao grupo da transferncia
independente da ocorrncia de curto-circuitos, a transferncia por escoamento
goticular axial (fig. 2.3 E) e por escoamento goticular rotativo (fig. 2.3 F). Nestes,
embora possa haver curto-circuitos entre a ponta do eletrodo e a poa metlica,
causados por uma tenso relativamente baixa, no existe um efeito eficaz dos curto-
circuitos sobre as foras de transferncias. As formas de ondas da tenso e da
corrente no sofrem sensvel influncia por fenmenos da transferncia. Estes tipos
de transferncias ocorrem em altas densidades de corrente.
Pertencem ao grupo dependente da ocorrncia de curto-circuitos a transferncia por
curto-circuitos quase regulares e as transferncias globular e repulsiva. Na
transferncia por curto-circuitos quase regulares, as gotas s se desprendem do
eletrodo se houver curto-circuito entre elas e a poa metlica (fig. 2.3 A). A
transferncia globular (fig. 2.3 B) caracterstica de uma situao mista, ocorrendo o
desprendimento das gotas com e sem curto-circuito. A transferncia repulsiva (fig.
2.3 C) no deixa de ser tambm uma transferncia globular, porm ocorrem foras
de repulso em funo de caractersticas provocadas por gases ricos em dixido de
carbono.
Para descrever de forma sucinta a transferncia por curto-circuito soldagem
ser considerada em regime permanente. Na figura 2.4, mostrada a forma de onda
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 12da tenso e da corrente tpica para essa modalidade de transferncia. Para melhor
entendimento, a transferncia ser dividida em quatro etapas, fig. 2.5.
Na etapa A, a extremidade do eletrodo encontrase no ponto mais afastado
da poa de fuso e o arco possui o estado de maior nvel energtico, onde a
corrente e a tenso atingem seus mximos. O valor da corrente reduzido
exponencialmente a fim de conduzir a tenso ao valor de referncia (valor de tenso
ajustado para soldagem), a uma taxa de decrescimento determinada atravs da
indutncia da fonte de soldagem. Essa etapa responsvel pela maior parcela na
formao da gota metlica, produto da elevada taxa de fuso do arame.
Na etapa B, o arco inicia um perodo de estabilizao, onde a tenso do arco
tende ao valor de referncia e, devido reduo da energia, a gota continua
crescendo, porm com uma taxa menor.
Figura 2.4 - Forma de onda da tenso e da corrente na soldagem com MIG/MAG
usando controle da tenso e transferncia por curto-circuito.
Na etapa C, em funo do contato da gota com a poa de fuso (curto-
circuito), parte da gota transferida por tenso superficial. Este contato causa,
tambm, uma elevao na corrente eltrica, fazendo com que as foras de origem
eletromagnticas aumentem a intensidade da presso sobre o eletrodo e a massa
fundida. A elevao do valor de corrente ocorre porque a fonte de soldagem tenta
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 13restabelecer o valor da tenso de referncia. Neste caso, tambm, a indutncia
que determina a taxa de subida da corrente.
Na etapa D iniciado o processo de constrio da parte restante da gota que
forma a ponte de ligao entre o eletrodo e a pea. Uma das principais foras que
atuam nesse momento a eletromagntica (efeito pinch), sendo sua intensidade
tanto maior quando maior o valor da corrente e menor a espessura da ponte. Como
a corrente cada vez maior, a fora tambm acompanha esse aumento, reduzindo
cada vez mais, a espessura da ponte. Com a reduo da espessura da ponte, a
fora aumenta ainda mais. Isso causa uma espcie de realimentao, acelerando o
processo de constrio.
Ponte
Pea
Pea
Pea
Arco
Eletrodo
Pea
t (s) D C B B C DA
tenso (U)
corrente (I)
Figura 2.5 Sequncia de separao da gota metlica na transferncia por curto-
circuito.
A regularidade da transferncia metlica est condicionada a um equilbrio
entre a velocidade com que o eletrodo introduzido no arco e a taxa de formao e
transferncia das gotas poa de fuso (taxa de fuso do eletrodo).
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 14No processo por curto-circuito, a regularidade do processo de soldagem, bem
como a formao de salpicos [8], esto fortemente relacionados indutncia de
sada. Alguns equipamentos de soldagem permitem o ajuste do valor dessa
indutncia atravs da utilizao de taps. Entretanto, para se obter um melhor
resultado primordial o ajuste contnuo do valor da indutncia.
O ajuste contnuo da indutncia no evita a ocorrncia de salpico, apenas
contribui para achar o ponto de operao, onde os mesmos so minimizados.
De acordo com a literatura [9,10] e observaes praticas, os salpicos ocorrem
freqentemente no momento em que a gota toca a pea e durante a reignio do
arco, Fig. 2.6. Quando a gota est na iminncia de tocar na pea, a forma com que
o arco distribui-se sobre a gota pode fazer com que a fora eletromagntica (Fig.
2.2) atue no sentido de empurrar a gota para cima [7,11], projetando-a para fora da
regio da poa metlica dependendo do valor da corrente. Alm disso, a passagem
de corrente pela pequena rea inicial de contato da gota com a pea, causa uma
elevao pontual de temperatura e, conforme o valor da corrente, pode ocorrer
evaporao de metal fundido, provocando micro exploses. Estes dois eventos so
apontados por gerar os salpicos de maior volume.
Durante a reignio do arco descrito que so produzidos os salpicos finos,
sendo apontados os fatores abaixo listados como principais causadores dos
mesmos.
- Mxima densidade de corrente devido ao elevado valor da corrente e da
pequena rea da ponte, formada pelo metal fundido, entre a ponta do eletrodo e
a pea. A elevada densidade de corrente provoca um superaquecimento do
metal fundido com conseqnte exploso, que acaba expulsando parte do metal
fundido em forma de salpicos.
- Grande presso sobre a poa metlica, logo aps a reabertura do arco com o
rompimento da ponte, causada pela alta densidade de corrente passando por
uma pequena regio gasosa.
- Mximas foras eletromagnticas, devido ao elevado valor da corrente e da
pequena rea da ponte.
- Fora de escoamento muito grande, devido gota estar toda em contato com a
pea.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 15
Fora Axial
Reignio Inicio Curto
Fora Axial
Efeito "Pinch"
Salpico
Fora Axial
tenso (U)corrente (I)
Figura 2.6 Detalhe da transferncia quando ocorre o curto-circuito.
Deve-se levar em considerao, que estas explicaes tem como base um
modelo matemtico que possui simplificaes e limitaes [7,11,12], existindo ainda
outras foras no consideradas. Porm, experimentos indicam que o controle da
corrente no sentido de reduzi-la, no instante que a gota toca a poa e quando ocorre
a reignio, apresentam excelentes resultados com relao reduo de salpicos
[9,10,13,14,15].
2.1.2 - O Processo MIG/MAG Pulsado
A transferncia por projtil obtida com a utilizao de dois nveis de corrente
de soldagem diferenciados, denominados corrente de base e corrente de pulso,
cada qual com seu respectivo tempo de durao (tempo de base e tempo de pulso).
A figura 2.7 mostra um oscilograma de corrente e tenso, obtido em uma soldagem
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 16no processo MIG/MAG com imposio de corrente pulsada. Todas essas variveis
(fig. 2.8) devem ser ajustadas de forma a produzir a cada pulso de corrente uma
gota metlica.
Figura 2.7 - Forma de onda da tenso e da corrente na soldagem com MIG/MAG
pulsado com imposio de corrente.
Nesta filosofia, as funes das variveis de soldagem so [16,17]:
- Corrente de pulso (Ip): esta deve possuir um valor acima de um nvel mnimo
(corrente de transio), de forma a promover o destacamento de uma gota. Esse
valor de corrente depende basicamente do material e dimetro do eletrodo e do
gs de proteo.
- Tempo de pulso (tp): depende do material e dimetro do eletrodo e do gs de
proteo, e deve ser ajustado juntamente com a corrente de pulso para produzir
uma gota por pulso.
- Corrente de base (Ib): a mesma ajustada para que se obtenha uma corrente
mdia que equilibre a velocidade de fuso do arame com sua velocidade de
alimentao. O valor da corrente de base limitado em dois patamares, um
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 17mnimo, abaixo do qual a manuteno do arco fica comprometida, ou seja, pode
ocorrer a extino do arco, e um mximo, acima do qual a transferncia deixa de
ser por projtil.
- Tempo de base (tb): este deve ser ajustado conforme o dimetro de gota
pretendido de maneira que a soma do mesmo com o tempo de pulso, garanta a
fuso de uma quantidade suficiente de arame para form-la.
Gota
Im
Pea
Pea
Pea
Arco
Eletrodo
Pea
tb tp
Ib
Ip
I (A)
t (s)
Figura 2.8 - Detalhe da transferncia no pulsado.
A corrente de pulso e o tempo de pulso, so denominados parmetros de
destacamento de gota. A combinao adequada dessas duas variveis gera um
conjunto de foras que ocasiona o destacamento da gota. Deve-se observar que as
mesmas permanecem inalteradas para uma dada situao de soldagem, pois esto
atreladas s caractersticas do eletrodo e gs de proteo.
A soldagem com corrente pulsada tem o objetivo de produzir a transferncia de
uma gota de metal fundido por pulso. Desta maneira obtm-se uma transferncia
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 18metlica uniforme, mesmo com baixo aporte trmico (baixos valores de corrente
mdia) e um melhor controle sobre a quantidade de material depositado na pea.
Este modo de transferncia foi desenvolvido primordialmente para no haver
contato fsico entre o eletrodo e a pea. Na prtica, se no houver a realimentao
do processo, muito difcil de se evitar totalmente o contato fsico (curto-circuito).
Este fato deve-se, basicamente a forma de onda de corrente ser imposta, ou seja, a
mesma no sofre variaes durante a soldagem, como ocorre quando se solda com
o MIG/MAG convencional usando o controle de tenso. Desse modo, como a taxa
de fuso fundamentalmente dependente da corrente para uma dada condio de
soldagem (distncia entre o bico de contato e a pea, gs de proteo, tipo de
arame eletrodo, material de base, etc ...), variaes da condio de soldagem
podem dar origem a curto-circuitos.
Com os curto-circuitos, alm do surgimento de salpicos, o arco pode extinguir
totalmente e o arame embolar (se enrolar). Isso pode acontecer entre o bico de
contato e a pea, ou no tracionador do arame, ou em ambos. Nos arames de
alumnio esse fato muito comum.
A fim de evitar estes inconvenientes, pode-se fazer a realimentao das
variveis de soldagem (aumentando ou reduzindo a corrente mdia ou a quantidade
de arame), de forma a manter o equilbrio entre a velocidade de fuso e a velocidade
do arame. Assim, surgiram o modo misto e o controle externo.
O modo misto difere do pulsado com corrente imposta por controlar a tenso de
pulso durante o tempo de pulso, no lugar de impor a corrente de pulso. Com isso, a
corrente de pulso, e consequentemente a corrente mdia, tornam-se dependentes
da tenso de pulso e da altura do arco. Esse mecanismo utilizado como uma forma
de controle sobre a taxa de fuso do arame, reduzindo a possibilidade de curto-
circuito. Por outro lado, a corrente de pulso pode assumir valores que no
provoquem mais o desprendimento de uma gota por pulso, causando uma anomalia
na transferncia.
O modo pulsado com controle externo [16] difere do modo misto devido
necessidade do usurio ajustar a tenso de referncia do arco no lugar da
velocidade do arame. Esta forma de controle fundamenta-se na relao que existe
entre a tenso do arco e sua altura. Partindo-se desse princpio, o controle ajusta a
velocidade do arame, de modo que a tenso de arco estabilize em um valor igual ao
ajustado para a tenso de referncia. Desta maneira, est-se ajustando
indiretamente a altura do arco. Ento, caso ocorra alguma variao da mesma,
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 19consequentemente na tenso do arco, o controle ir atuar sobre a velocidade do
arame at que a tenso seja restabelecida. Com isso, o arco volta altura original,
evitando eventuais curto-circuitos ou fuses do bico de contato. Contudo, um fator
negativo a variao no dimetro da gota, causada pelas alteraes da velocidade
do arame.
Dentro desse contexto, tambm existem outras duas formas de se modificar a
corrente mdia usando a tenso do arco como varivel sensitiva. Uma delas
atravs da modificao da corrente de base. Todavia, o uso da mesma um tanto
limitado, pois a mesma possui um limite mnimo abaixo do qual o arco torna-se
instvel. Outra forma atravs da alterao do tempo de base.
Mesmo que contornados estes problemas, a aplicao em campo do processo
pulsado um outro ponto de dificuldade, principalmente devido a grande quantidade
de variveis a serem ajustadas e a falta de informaes que relacionem estas
variveis em vasta gama de aplicaes (vrios tipos de eletrodos, material de base,
gases, posies de soldagem, etc.), aliada ainda a falta de preparo da grande
maioria dos soldadores, que por no conhecerem este processo, acabam criando
vrios obstculos quanto a sua utilizao. Em vrias ocasies, devido a trabalhos
realizados pelo LABSOLDA alm de suas fronteiras, observou-se que no somente
os soldadores desconhecem este processo, mas tambm, muitas vezes h uma falta
de entendimento, por parte de seus supervisores, do que o PULSADO e a que se
destina.
Com o objetivo de diminuir o grau de complexidade no ajuste das variveis de
soldagem, pode-se utilizar o conceito do MIG/MAG Pulsado Sinrgico. Este termo foi
usado pela primeira vez pelo The Welding Institute no final da dcada de 70 para
descrever um mtodo particular de controle do processo MIG/MAG pulsado [18].
Uma proposta de definio de MIG/MAG Pulsado Sinrgico foi submetida ao IIW
[18], que estabelece:
"Controle Sinrgico abrange qualquer sistema (aberto ou fechado) no qual um
parmetro de pulso de corrente significante (ou velocidade de arame
correspondente) compensada de tal forma que uma condio de equilbrio
mantida por uma faixa de velocidades de arame (ou nveis de corrente mdia)."
Resumidamente, pode-se dizer que o controle sinrgico tem como finalidade o
ajuste automtico das variveis de soldagem de forma predeterminada, a partir de
um conjunto mnimo de informaes de entrada.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 20 Dutra [16] apresenta algumas formas de se obter o controle sinrgico e descreve
uma metodologia para determinao da constante de destacamento de gota (Ip2*tp),
bem como, do equacionamento que relaciona a corrente com a velocidade de
arame.
2.1.3 - O Processo MIG/MAG com Duplo-Arame
O processo MIG/MAG com dois arames caracteriza-se pela formao de um par
de arcos eltricos entre uma nica poa fundida e a extremidade de dois eletrodos
consumveis. Comparativamente soldagem MIG/MAG convencional, as principais
diferenas so caracterizadas pela maior taxa de deposio de material,
possibilidade de soldagens com velocidades de deslocamento mais elevadas e
menor aporte trmico sobre a pea, este ltimo como conseqncia da utilizao de
velocidades de soldagem mais altas [6].
O processo apresenta duas variaes principais: MIG/MAG Duplo Arame
Potencial nico (fig 2.9) e MIG/MAG Duplo Arame com Potenciais Isolados (fig
2.12). Na primeira, os eletrodos so submetidos ao mesmo potencial eltrico, uma
vez que ambos esto em contato eltrico no bico da tocha. Nessa configurao
pode-se empregar uma ou duas fontes de potncia para a realizao das soldagens.
Na segunda, os eletrodos so isolados eletricamente e os arcos so mantidos por
duas fontes de soldagem separadas. Uma vantagem dessa ltima configurao a
possibilidade de se atuar de forma independente sobre os parmetros de soldagem
de cada arco eltrico, conferindo-se funes distintas a cada um deles.
No sistema denominado potencial nico, os arames podem ser conectados a
uma nica fonte de potncia ou at mesmo a duas fontes, ficando assim sob o
mesmo potencial eltrico. No entanto, quando se trata de uma nica fonte de
potncia, essa dever ser capaz de fornecer corrente suficiente para fundir ambos
os arames simultaneamente, conforme a taxa de deposio de material requerida.
Isso determina que a fonte de soldagem dever fornecer um valor de corrente
prximo do usado no arco submerso e, conseqentemente, fica-se dependente de a
uma pequena quantidade de fornecedores de tais equipamentos.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 21
Figura 2.9 Representao do sistema com potencial nico.
Uma soluo para isso a utilizao de duas fontes operando em paralelo (fig
2.10). Entretanto, isso faz surgir novos problemas. O primeiro surge quando se
opera com corrente pulsada, onde a corrente das duas fontes deve pulsar ao mesmo
tempo, caso contrrio, como a corrente dividida nos dois arames, cada um teria,
teoricamente, a metade da corrente de pulso, prejudicando o destacamento da gota.
Alm disso, a no ocorrncia dos pulsos ao mesmo tempo, faria com que os arames
recebessem mais de um pulso de corrente em um mesmo perodo de transferncia.
Para se evitar tais problemas, existe a necessidade de um sincronismo entre ambas
(fig 2.11).
Figura 2.10 Representao do sistema com potencial nico empregando duas fontes de potncia.
O segundo problema surge quando se opera com controle de tenso. Neste
caso, apesar de no ser necessrio um sincronismo, poder haver um grande
desequilbrio na corrente que cada uma das fontes fornece. Teoricamente, quando
se conecta duas fontes de tenso em paralelo com o mesmo potencial, a corrente
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 22deveria ser a mesma nas duas. Porm, na prtica, devido a diferenas na calibrao
da tenso de cada fonte, bem como, diferenas de resistncias dos cabos e
conexes, tal desequilbrio acaba ocorrendo.
I (A)
t (ms)
Fonte 1
Fonte 2
Figura 2.11 Representao de oscilograma de corrente, retratando o sincronismo
na pulsao das fontes (pulsos ocorrendo simultaneamente).
Outro fator negativo dessa configurao a possibilidade da ocorrncia de
deflexes dos arcos, causado em decorrncia da ao de foras eletromagnticas
que interagem entre eles (sopro magntico) devido a proximidade de ambos, o que
pode levar instabilidade do processo. Na tentativa de amenizar este inconveniente,
alguns autores propem a utilizao de uma tcnica que emprega a transferncia
metlica com corrente pulsada em ambas as fontes. Tal soluo aplicada no
sistema com potencial isolado (fig 2.12). Nessa tcnica, as fontes so ajustadas para
operar com corrente imposta e interligadas para permitir uma defasagem
sincronizada na pulsao de corrente (fig. 2.13).
Figura 2.12 Representao esquemtica dos sistemas com duplo arame com
potenciais isolados.
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SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 23
Td Tp
IpIb
Corrente na sada da fonte "escrava"
Corrente na sada da fonte "mestre"
I (A)
t (ms)
Figura 2.13- Representao esquemtica do sincronismo dos pulsos entre as duas fontes (mestre e escrava) .
Nesse sincronismo, o incio da pulsao de uma das fontes (fonte escrava)
comandada pela outra (fonte mestra), de tal forma que os pulsos de corrente de
ambas no ocorram simultaneamente. Isso, segundo os autores, reduz o efeito
eletromagntico que um arco eltrico exerce sobre o outro (sopro magntico). Esta
tecnologia apresentada atualmente como base para o sucesso da soldagem com
dois arames no processo MIG/MAG, o que praticamente determina a necessidade
de se empregar fontes eletrnicas sincronizadas nesses sistemas.
No caso do potencial isolado, quando se opera com o controle de tenso, o
mesmo no apresenta o problema do desequilbrio de corrente, conforme descrito
acima para o potencial nico.
2.1.4 O Processo MIG/MAG com Corrente Alternada (CA).
O interesse nessa modalidade de soldagem surgiu a partir de um trabalho
cooperativo entre o LABSOLDA da UFSC e o laboratrio de soldagem da UFC, a fim
de determinar a viabilidade de soldar com processo MIG/MAG CA, utilizando a fonte
de soldagem INVERSAL. Os desenvolvimentos tiveram como base as bibliografias
[9,19,20]. Estas bibliografias apontavam como uma das principais vantagens
possibilidade de se controlar a penetrao, ajustando-se a razo entre a polaridade
positiva e negativa.
posteriori, quando o LABSOLDA j havia iniciado os desenvolvimentos
referentes ao tema em questo, e j possua o hardware necessrio para executar
soldagens com o MIG/MAG CA, houve um novo contato com esta tecnologia em
uma visita a feira de soldagem de ESSEN na Alemanha no ms de setembro de
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 242001. Em tal data, presenciou-se uma demonstrao de uma fonte de soldagem
operando com essa modalidade. Os bons resultados observados em loco
comprovaram a viabilidade da utilizao deste processo. Este acontecimento animou
a equipe do LABSOLDA, pois o empreendimento que estava sendo realizado, alm
de trazer mais informaes sobre esta modalidade de soldagem, ainda pouco
explorada, poderia resultar em sua utilizao prtica, aumentando o espectro de
aplicao do processo MIG/MAG na soldagem de alumnio. Alm disso, nesta
ocasio estava-se definindo a possibilidade de um trabalho de doutorado com o
tema em questo, sendo que este fato tambm colaborou para que o mesmo fosse
iniciado.
Referente a este tema coube ao presente trabalho criar as condies
operacionais e desenvolver formas de controle direcionadas a esta modalidade de
soldagem.
Anlise do processo MIG/MAG CA.
Nesta nova modalidade de soldagem, uma das maiores preocupaes estava
no momento que a corrente anula-se quando ocorre a mudana de uma polaridade
para outra, causando a extino do arco. No caso do TIG CA, a extino pode ser
definitiva ou no, dependendo principalmente de alguns fatores:
- da quantidade de xido de alumnio sobre a pea;
- da dinmica com que a corrente muda de uma polaridade para outra;
- da altura do eletrodo em relao pea e;
- do dimetro e composio do eletrodo;
- do gs de proteo.
Nos desenvolvimentos realizados anteriormente a este trabalho [21,22],
referentes ao TIG CA, usando uma forma de onda retangular (figura 2.14a), que
possui uma dinmica de corrente elevada, quando o eletrodo passa da polaridade
positiva para negativa, o arco reacende espontaneamente. Porm, no caso da
passagem da polaridade negativa para a positiva, onde a pea torna-se o emissor
de eltrons, existe a possibilidade de haver extines do arco, as quais podem
provocar um efeito denominado retificao (figura 2.14b), ou at mesmo a extino
definitiva. Para evitar que tais extines ocorressem, foi criado um circuito de
reignio do arco, que gera um pulso de alta tenso, na ordem de micro segundos,
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 25entre o eletrodo e a pea na passagem da polaridade negativa para positiva, aps a
corrente se anular.
c) d)
b)a)
Figura 2.14 Formas de onda utilizadas para soldagem TIG CA. a) Diagrama da forma de onda de corrente CA retangular com pulsao trmica.
b) Ilustrao do efeito de retificao na forma de onda apresentada em a).
c) Corrente e tenso em uma soldagem com CA senoidal usando transformador.
d) Efeito de retificao na forma de onda apresentada em c).
Alguns equipamentos mais simples utilizam apenas um transformador para obter
a corrente CA, cuja forma de onda caracterstica senoidal [22], figura 2.14c. Como,
neste caso, a dinmica da corrente bastante lenta para este tipo de aplicao, o
arco, na grande maioria das vezes, no reacende espontaneamente na situao
desfavorvel (transio da polaridade positiva para negativa) e em alguns casos
mesmo na situao mais favorvel (transio da polaridade negativa para positiva).
Isso pode causar a retificao apresentada na figura 2.14d, como tambm a
extino completa do arco. A soluo mais comum para garantir a reignio do arco
a utilizao de ignitores de alta frequncia. Todavia, estes geram rudos em alta
tenso e freqncia, que alm de prejudicar o funcionamento de determinados
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 26circuitos eletrnicos, principalmente os que utilizam microprocessador, podem
causar danos a estes.
A diferena de estabilidade dos arcos, com as formas de ondas retangular e
senoidal, demonstra a importncia da resposta dinmica da corrente, ou seja,
quanto mais rpida a transio da corrente nas passagens de uma polaridade para
outra, menor torna-se a dificuldade de reabertura.
Os resultados apresentados nas referncias [9,19,20] so baseados na
utilizao da forma de onda de corrente apresentada na figura 2.15. A mesma
apresenta duas caractersticas principais:
- Uma delas vem do MIG/MAG pulsado, que o princpio de gerar uma gota
por pulso. Neste caso, est-se referindo a soldagem com polaridade
inversa (eletrodo positivo) que gera mais transferncia de calor para a
pea que na outra polaridade. Nesta forma de onda o pulso de corrente
continua tendo como principal funo o destacamento da gota.
- A outra, advm da soldagem com polaridade direta, (eletrodo negativo),
que gera uma menor quantidade de calor na pea, comparada a gerada na
soldagem com polaridade inversa. Assim, tem-se a possibilidade de atuar
sobre o aquecimento da pea, atravs do ajuste de In (corrente negativa) e
tn (tempo que o eletrodo fica negativo). Por outro lado, quanto mais tempo
o eletrodo fica na polaridade negativa maior sua velocidade de fuso.
tb
In = corrente negativa tn = tempo negativo Ip = corrente de pulso tp = tempo de pulso Ib = corrente de base tb = tempo de base EP = eletrodo positivo EN = eletrodo negativo. T = perodo Is = Corrente de soldagem
T
tp tn
In
Ib
Ip
tempo
Is
0
EP
Figura 2.15 - Forma de onda de corrente aplicada no MIG/MAG CA.
O patamar intermedirio, definido por Ib e tb, tem a funo balancear a
energia entregue ao arco nas duas polaridades, j que tp e Ip devem ser mantidos
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 27constantes durante a soldagem, devido aos mesmos serem ajustados para promover
o destacamento da gota.
Desta forma, atravs do ajuste da razo entre o perodo de eletrodo positivo e
negativo, pode-se controlar a transferncia de calor para a pea e a taxa de fuso do
arame. Em [19] apresentado um grfico da velocidade de arame em funo da
corrente mdia (figura 2.16), que compara a soldagem CA com a pulsada na
polaridade inversa. No caso da corrente CA, no faz muito fazer um grfico em
funo da corrente mdia, como apresentado na figura 2.16, a no ser que a parte
negativa fosse rebatida para o lado positivo. De qualquer forma, apesar de no ter
sido descrita a maneira com que a corrente mdia foi calculada, foi demonstrado que
para um mesmo valor de corrente no MIG/MAG CA e no pulsado (polaridade
inversa), tem-se em CA uma maior quantidade de material depositado e uma menor
penetrao, porm com um cordo mais convexo.
MIG/MAG AC (razo de polaridade: 50 %)
MIG/MAG pulsado Polaridade Inversa
Velocidade de Arame (m/min)
Metal de base: A5052 (espessura 3.0 mm ) Arame: A5183 (1.2mm dimetro.) Velocidade de soldagem: 60 cm/min
Figura 2.16 - Efeito da polaridade na penetrao, na forma do cordo e na
velocidade do arame [19].
Na anlise feita acima foi identificada a necessidade de se ter uma dinmica
elevada na mudana da polaridade positiva para a negativa e um mecanismo para
possibilitar a reabertura do arco, e tambm, desenvolver um controle que gere a
forma de onda apresentada acima. A dinmica elevada da corrente poder ser obtida
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 28com a fonte de soldagem INVERSAL 300, projetada pelo LABSOLDA. J a
reabertura de arco e o controle da forma de onda foram objeto de estudo do
presente trabalho e sero abordados nos itens 4.7.1 e 4.7.2.
2.1.5 O Processo MIG/MAG Aplicado na Recuperao de Turbinas de Hidreltrica.
Atualmente, a grande maioria das usinas hidreltricas utiliza o processo de
soldagem eletrodo revestido para recuperaes de regies da turbina erodidas por
cavitao. Entretanto, baixa produtividade do eletrodo revestido e o surgimento de
arames ligados ao cobalto destinados ao processo MIG/MAG, levaram algumas
empresas de gerao de energia eltricas a o substiturem pelo MIG/MAG.
Estas empresas adotaram a modalidade de soldagem MIG/MAG
convencional, por ser uma modalidade bastante difundida e de relativa facilidade de
ajustes das variveis de soldagem e, tambm, por possibilitar soldagem em
diferentes posies. Entretanto, a quantidade de defeitos, principalmente em funo
do escorrimento da poa metlica, bem como a falta de procedimentos de soldagem
adequados, acabam provocando a retirada de grandes quantidades do material
depositado. Estes defeitos, alm de aumentar o tempo total de reparo da turbina,
continha um aspecto econmico importante, pois o custo do arme, estava na ordem
de US $100,00 por quilograma.
No sentido de melhorar o desempenho deste processo, visando aumentar a
qualidade, diminuir o tempo de reparo e, tambm, reduzir a quantidade de material
desperdiado, que se iniciaram os estudos referentes a este tema, em um trabalho
cooperativo com uma empresa de gerao de energia eltrica.
As regies da turbina que sofrem eroso por cavitao, que devem ser
recuperadas na forma original, podem ocorrer em diferentes posies da turbina,
tanto na p, quanto na coroa, exigindo do processo de soldagem a capacidade de
soldar em qualquer posio. A figura 2.17a mostra uma foto de uma turbina do tipo
Francis.
A operao de reparo consiste em preencher com solda as regies cavitadas.
Na figura 2.17b apresentado o aspecto de uma regio cavitada. Cada regio
cavitada preparada previamente para que seja feita a soldagem. O preenchimento
feito atravs de vrios passes de solda, um paralelo ao outro, sendo geralmente
necessria mais de uma camada. Muitas vezes, so necessrias operaes de
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 29esmerilhamento para remover partes da camada soldada, devido ao aparecimento
de defeitos de soldagem ou escolha inadequada das variveis de soldagem. Para
obteno da forma original da turbina a superfcie final da rea soldada usinada
por esmerilhamento, seguindo a forma delineada por gabaritos padres.
P da turbina Coroa parte Externa Coroa parte interna
Vista de baixo Vista de Lateral
Regio de maior incidncia de cavitao
a)
b)
Figura 2.17 Turbina tipo FRANCIS.
a) Foto da turbina. b) Aspecto de uma regio cavitada.
Os arames ligados ao cobalto so fabricados na forma tubular, devido aos
mesmos possurem uma srie de elementos de ligas, impossibilitando a obteno na
forma slida, fazendo com que seja utilizado uma maior velocidade de alimentao
do arame comparado usada no arame slido. O arame tubular exige cuidados para
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 30que a presso aplicada nos roletes, que o desloca, no o deforme. Normalmente
so utilizados roletes ranhurados para compensar a menor presso nos roletes.
Com o intuito de melhorar o desempenho do processo MIG/MAG para esta
aplicao, conforme descrito acima, foi realizada uma primeira tentativa com o
MIG/MAG pulsado, devido ao mesmo garantir uma boa estabilidade do arco em
diferentes posies de soldagem.
Os arames testados foram o Hidroloy e o Cavitec, mas constatou-se que o
primeiro no se prestava para corrente pulsada, devido s caractersticas fsicas de
seu arco no produzir as condies necessrias para desprender a gota segundo os
princpios do pulsado. Tambm ficou patente que o MIG/MAG pulsado promove um
melhor acabamento do cordo e menor ndice de porosidade, quando equiparado ao
MIG/MAG com transferncia por curto-circuito.
Entretanto, a produtividade (quantidade de material depositado por hora) ficou
abaixo das expectativas, pois, acima de uma determinada velocidade de arame, a
energia empregada gerava uma poa metlica muito fluda, provocando o
escorrimento do material, situao que justamente deveria ser evitada.
Assim sendo, na perspectiva de aumentar a produtividade do MIG/MAG
pulsado, concebeu-se a modalidade de soldagem denominada MIG/MAG pulsado
com pulsao trmica. Esta foi delineada inspirando-se no processo TIG pulsado,
que ser abordado no item 2.2, com a finalidade de obter um melhor controle sobre
a energia entregue ao arco, permitindo um maior controle da poa de fuso [23].
2.2 - O Processo TIG pulsado.
O TIG com corrente pulsada, a partir da dcada de 80, com a evoluo das
fontes de soldagem, foi sendo aprimorado e j h alguns anos consagrou-se como
um dos processos mais adequados na soldagem de materiais com pequena
espessura, podendo ser aplicado em espessuras menores que 0,5 mm.
No processo de soldagem TIG, o calor necessrio para efetuar a solda tem
origem em um arco eltrico estabelecido entre um eletrodo permanente de
tungstnio e a prpria pea a ser soldada (fig 2.18).
O efeito dessa forma de onda, sobre o cordo de solda, ilustrado na figura
2.18, resultando num cordo escamado, que pode ser comparado a um cordo
constitudo por vrios pontos de soldas alinhados, onde os pontos so formados no
pulso de corrente.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 31
Ponto de fuso
tb
Ib
Ip
tp
Arco
Cordo de Solda
Eletrodo
Figura 2.18 ) Efeito da forma de onda pulsada sobre o cordo de solda.
O arco voltaico forma-se em meio a um gs inerte, que tem a funo adicional
de proteger da oxidao, tanto o eletrodo de tungstnio, quanto o metal fundido,
alm de facilitar a criao de um caminho ideal para a passagem da corrente de
soldagem.
Neste processo, o objetivo do uso da forma de onda pulsada distinta da
usada no MIG pulsado. No MIG, a pulsao destinada para controlar a
transferncia metlica, enquanto no TIG, a mesma tem como objetivo aumentar o
controle sobre a poa de fuso.
No TIG, a corrente de pulso (Ip) e o tempo de pulso (tp) so ajustados para
fundir o material de base, de maneira a fornecer a penetrao desejada. Por outro
lado, a corrente de base (Ib) e o tempo de base (tb) so ajustados visando
reduo da corrente mdia ou eficaz, de maneira a diminuir o aporte trmico, o que
resulta no melhor controle sobre a poa de fuso.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 32As principais vantagens do uso de corrente pulsada no processo TIG,
apontadas pela literatura [24,25] so:
a) Reduo do aporte trmico;
b) Maior controle da poa de fuso e da penetrao;
c) Menor distoro;
d) Reduo da zona termicamente afetada;
e) A agitao da poa de fuso minimiza a ocorrncia de porosidades;
f) Reduo da susceptibilidade a trincas a quente;
g) Maior controle sobre micro-estrutura;
h) Possibilidade de uma estrutura de solidificao mais refinada;
i) Maior controle sobre o cordo de solda e sua geometria;
Entretanto, o TIG com material de adio, quando comparado ao processo
MIG pulsado, apresenta as seguintes desvantagens:
a) Difcil mecanizao, inviabilizando sua utilizao em determinados tipos de
juntas e em regies de difcil acesso.
b) Necessidade de parada para afiar o eletrodo.
c) fora da posio plana o eletrodo fica mais susceptvel a contaminao pelo
material de adio.
2.3 - Sistema de Aquisio de Dados e Controle A necessidade de aumento da produtividade e de uma repetibilidade de
qualidade conduz a indstria a substituir as pessoas por mquinas em muitos tipos
de tarefas. Entretanto, muito difcil dotar as mquinas com as mesmas habilidades
de um ser humano, pois este, ao executar qualquer tarefa, o faz de forma
realimentada, praticando aes de controle pela sua observao e atuao. Ento,
para aumentar a eficcia da automatizao, torna-se necessrio conhecer a
natureza dos fenmenos fsicos envolvidos nos processos de fabricao, bem como,
control-los. Para tanto, o sistema de aquisio de dados (SAD) uma ferramenta
indispensvel a qualquer pesquisa desses fenmenos, que, tambm, pode atuar
sobre o processo de fabricao com a incluso da parte de controle (figura 2.19).
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 33 Atualmente existe uma srie de sistemas de aquisio e controle destinados
operao de soldagem, com diferentes funes, tais como: guiar a tocha sobre a
junta [26,27], determinar a geometria do junta [28], manter o comprimento do arco
[29], controlar o tamanho da poa de fuso [30], monitorar as variveis de soldagem
[31,32,33,34,35], etc. No caso do presente trabalho, o sistema desenvolvido foi
voltado a fazer a anlise e controle das variveis envolvidas na transferncia
metlica, o que permitiu e agilizou as pesquisas relativas aos fenmenos e
processos de soldagem apresentados nos itens anteriores, e foi fundamental para
realizao dos desenvolvimentos dos mtodos propostos.
Para garantir uma boa eficincia do SAD, foi necessrio aprofundar os
conhecimentos sobre o mesmo [36,37,38]. Na figura 2.19 apresentado um
diagrama bsico que contm um bloco com os mdulos que compem o SAD e,
tambm, outro bloco com os mdulos necessrios para realizao do
controle/comando do valor das variveis do sistema.
A atuao sobre uma varivel definida, como comando se for um sistema em
malha aberta, e como controle se for um sistema em malha fechada. A diferena
entre os dois sistemas que no malha fechada a varivel comandada em funo
do valor lido da prpria ou de outra varivel.
A funo de cada mdulo do bloco responsvel pela aquisio (lado esquerdo
da figura 2.19) descrita a seguir:
- O transdutor o mdulo que est em contato com a grandeza fsica que
est sendo medida. O mesmo gera um sinal proporcional ao valor da
grandeza fsica, que pode ser mecnico, pneumtico, eltrico ou outro. No
caso do sistema de aquisio de dados os transdutores que mais
interessam so os que geram um sinal eltrico.
- A Unidade de Tratamento de Sinal (UTS) tem a funo de tratar
(amplificar, filtrar, integrar, compensar, etc.) o sinal gerado pelo transdutor
e, tambm, compatibiliz-lo com a interface de converso de sinal
analgico em digital.
- A Interface de Converso de Sinal Analgico em Digital, transforma o sinal
analgico gerado pela UTS em um sinal digital (nmeros no sistema
binrio). Assim, o valor da grandeza fsica chega ao computador, que por sua vez o l atravs de seus programas, interpretando-o e analisando-o.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 34Para, ento, armazen-lo em disco, visualiz-lo no monitor de vdeo,
utiliz-lo para gerar aes de controle (atuar sobre as grandezas fsicas do
processo em funo do valor lido), etc. .
Controle/Comando AQUISIO
TensoVeloc. de Arame TemperaturaCorrente
AtuadoresTransdutores
Unidade de Tratamento deSinal (UTS)
Interface de converso de sinal analgico em digital
ComputadorInterface de converso de sinal digital em analgico
Figura 2.19 Sistema de Aquisio e Controle.
No bloco responsvel pelo controle/comando, no lado direito da figura 2.19, as
aes de comando ou controle so dados numricos, que percorrem o caminho
inverso dos dados obtidos na aquisio. A funo de cada mdulo ser descrita a
seguir:
- A interface de converso de sinal digital em analgico converte os dados
numricos gerados pelos programas do computador em sinais analgicos.
-
SNTESE DE INFORMAES ANCORAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 35- A Unidade de Tratamento de Sinal (UTS), tem praticamente a mesma
funo da apresentada para o bloco de aquisio, porm, o sinal a ser
tratado recebido da interface de converso de sinal digital em analgico,
que, tambm, o compatibiliza com mdulo atuador.
- O atuador ir modificar o valor da grandeza fsica a partir do sinal
analgico recebido da UTS.
Todo valor, referente a uma grandeza fsica, medido ou comandado contm
erros, que so resultantes da soma dos erros introduzido em cada mdulo percorrido
pelo sinal da grandeza. Assim sendo, os mdulos devem ser selecionados de acordo
com os erros totais que sero admitidos. A anlise da propagao de erros uma
tarefa complexa [36]. Assim, para determinao dos erros finais da grandeza fsica
adota-se, na maioria dos casos, a calibrao de todos os mdulos do sistema como
se fosse uma nica unidade. Atravs da calibrao os erros sistemticos podem ser
compensados, restando apenas os erros aleatrios e grosseiros.
A calibrao do sistema como sendo uma nica unidade pode ser feita
basicamente de duas formas. Em uma das duas formas, valores padres da
grandeza fsica so aplicados no sistema que est sendo calibrado, os quais so
correlacionados com os valores obtidos no mesmo. Um exemplo desta forma a
utilizao de pesos padres, com erros j determinados, para calibrar uma balana.
Na outra forma, utiliza-se um sistema de medio padro (SMP), que medir o valor
da grandeza que ser aplicada no sistema que est sendo calibrado. Um exemplo
deste modo de calibrao a utilizao de uma balana padro, com erros j
determinados, para medir uma massa a ser utilizada na balana que se est
calibrando. Tanto, os valores padres, como o SMP devem ter, via de regra, erros
dez vezes menores do que os erros finais que sero