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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

THIAGO DA SILVA BARROZO / 0202102001

ESTUDO DA SOLDAGEM FCAW COM ARAME FRIO

BELÉM 2006

ii

THIAGO DA SILVA BARROZO


Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Universidade Federal do Pará, Centro Tecnológico, Curso de Engenharia Mecânica para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Dr. Carlos Alberto Mendes da Mota Co-orientador: Prof. Dr. Eduardo de Magalhães Braga

BELÉM 2006

iii

THIAGO DA SILVA BARROZO / 0202102001


Trabalho de Conclusão de Curso apresentado para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal do Pará. Submetido à banca examinadora constituída por: ______________________________________

Prof. Carlos Alberto Mendes da Mota, D.Sc. UFPA

Orientador ______________________________________

Prof. Eduardo de Magalhães Braga, D.Sc. UFPA

Membro Interno ______________________________________

Prof. José Hilton Ferreira da Silva, D.Sc. CEFET-PA

Membro Exterior

Julgado em 28 de Novembro de 2006.

Conceito: ______________________

BELÉM 2006

iv

DEDICATÓRIA

A Deus, por se mostrar presente em todas as etapas de minha vida.

A minha mãe Ercília, pela criação, conselhos e bons exemplos.

Aos meus familiares, pelo incondicional apoio em favor dos meus estudos.

A todos os meus amigos e amigas que eu conheci durante a vida e que de

alguma forma contribuíram direta ou indiretamente para minha formação pessoal e

profissional.

Thiago da Silva Barrozo

v

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Carlos Alberto Mendes da Mota, pela orientação, atenção,

contribuição científica e companheirismo.

Ao Prof. Dr. Eduardo Magalhães Braga, pela contribuição técnica científica

dedicada a este trabalho.

Ao Prof. Dr. Cláudio Alves de Siqueira Filho, pela contribuição técnica

científica dedicada durante o período de iniciação cientifica.

Aos Professores do departamento de Engenharia Mecânica da UFPA, pelo

aprendizado e apoio.

Aos colegas Engenheiros mestres e mestrandos. Hélio Almeida, Arildomá,

Alexandre, Dineusa, Carlos Abreu, Alberto Sábio e Gilvandro, pelos conhecimentos

transmitidos, contribuições e sugestões.

Aos Amigos do GETSOLDA Alderi Fernandes, Fábio Marinho, Nelson Belo,

Louise Sanches, Alan Souza e todos que passaram pelo grupo, pelo apoio, amizade,

companheirismo e conhecimentos transmitidos.

Aos bolsistas e colaboradores do GETSOLDA Rodrigo Ikeda, Rodrigo Freire,

Paulo Roberto, Sebastião Corrêa, Luciana e Rodrigo Augusto, pela ajuda na

execução dos experimentos.

Aos Amigos de outros grupos Ulysses, Washington, Aline, José Tavares,

Marcelo Cruz e Erlison pelo apoio, amizade e conhecimentos transmitidos.

Aos colegas que conhecemos durante o curso e nos acompanharam até esta

etapa e todas as pessoas, que de alguma forma contribuíram para a execução deste

trabalho.

Thiago da Silva Barrozo

vi

"Não existe verdadeira inteligência sem bondade." Ludwig Van Beethoven

vii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS....................................................................................................... ix

LISTA DE TABELAS............................................................................................ xi

SIMBOLOGIA....................................................................................................... xii

RESUMO.............................................................................................................. xiii

1 INTRODUÇÃO.................................................................................................. 01

1.1 Objetivo......................................................................................................... 02

1.1.1 Objetivo principal........................................................................................ 02

1.1.2 Objetivos secundários................................................................................. 02

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................................ 03

2.1 Considerações sobre o processo de soldagem arame tubular.............. 03

2.1.1 Metal de adição........................................................................................... 04

2.1.2 Características operacionais e econômicas............................................... 05

2.1.3 Modos de transferência metálica................................................................ 06

2.2 Considerações sobre os processos de soldagem duplo arame............. 08

2.2.1 Processo GMAW com dois arames............................................................ 08

2.2.2 GMAW duplo arame com potenciais isolados............................................ 08

2.2.3 MIG/MAG duplo arame com potenciais isolados........................................ 11

2.3 Considerações sobre soldagem GMAW-CW e FCAW-CW........................ 12

3 MATERIAIS E MÈTODOS................................................................................ 14

3.1 Materiais utilizados....................................................................................... 14

3.1.1 Consumíveis............................................................................................... 14

3.1.1.1 Arame eletrodo........................................................................................ 14

3.1.1.2 Arame frio................................................................................................ 15

3.1.1.3 Gás de proteção....................................................................................... 16

3.1.1.4 Metal base............................................................................................... 16

3.1.2 Equipamentos............................................................................................. 17

3.1.2.1 Central de soldagem múltiplos processos............................................... 18

3.1.2.2 Fonte de energia auxiliar......................................................................... 18

3.1.2.3 Sistema de Alimentação de Arame Eletrodo (arame energizado)........... 18

3.1.2.4 Sistema de alimentação do arame frio (arame não energizado)............. 19

3.1.2.5 Pistola de soldagem................................................................................. 19

viii

3.1.2.6 Sistema de posicionamento da pistola de soldagem............................... 20

3.1.2.7 Balança digital.......................................................................................... 20

3.1.2.8 Sistema de medição de tempo, comprimento e velocidade do arame.... 20

3.1.2.9 Placa de aquisição e processamento de dados...................................... 21

3.1.2.10 Programas computacionais................................................................... 21

3.1.2.11 Microcomputador................................................................................... 21

3.2 Metodologia experimental........................................................................... 21

3.2.1 Estabilidade de Arco................................................................................... 23

3.2.2 Características econômicas........................................................................ 24

3.2.2.1 Equações Convencionais......................................................................... 24

3.2.2.2 Equações Modificadas............................................................................. 25

3.2.3 Aspecto superficial...................................................................................... 26

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES..................................................................... 27

4.1 Resultado da estabilidade do arco.............................................................. 27

4.2 Resultado da qualidade superficial do cordão......................................... 41

4.3 Resultado das caracteristicas econômicas.............................................. 44

5 CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................. 49

5.1 Conclusões................................................................................................... 49

5.2 Sugestões para trabalhos futuros.............................................................. 49

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................ 51

ix

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 – Esquema representativo do processo de soldagem arame tubular

com proteção gasosa...........................................................................

03

Figura 2.2 – Representação esquemática de um equipamento semi-automático

para soldagem com arame tubular......................................................

04

Figura 2.3 – Representação da transferência por curto-circuito............................. 06

Figura 2.4 – Representação do modo de transferência globular.................................. 07

Figura 2.5 – Representação do modo de transferência spray....................................... 07

Figura 2.6 – Representação esquemática do sistema com potencial único........... 09

Figura 2.7 – Representação esquemática do sistema com potencial único

empregando duas fontes de potência................................................

10

Figura 2.8 – Representação de oscilograma de corrente, retratando o

sincronismo na pulsação das fontes (pulsos ocorrendo

simultaneamente)................................................................................

11

Figura 2.9 – Representação esquemática dos sistemas com duplo arame com

potenciais isolados..............................................................................

12

Figura 2.10 – Modelo esquemático do suporte para a alimentação do arame frio

sobre a tocha de soldagem GMAW, sistema GMAW-CW.................

13

Figura 2.11 – Novo protótipo de suporte para a soldagem FCAW-CW................... 13

Figura 3.1 – Detalhes da bancada de soldagem................. .................................... 17

Figura 3.2 – Aspecto da pistola “push” adaptada para soldagem com o arame frio 19

Figura 3.3 – Detalhes do sistema de posicionamento da pistola de soldagem....... 20

Figura 4.1 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW, velocidade do

arame eletrodo V6 = 6m/min................................................................

29

Figura 4.2 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,

velocidade dos arames V6(1) = 6 –1 m/min.….................……………...

30


velocidade dos arames V6(2) = 6 –2 m/min........................................

31

Figura 4.4 - Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,

velocidade dos arames V6(3) = 6 –3 m/min.….…....................……….

32

Figura 4.5 - Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW, velocidade do

arame eletrodo V8 = 8m/min................................................................

33


x

velocidade dos arames V8(1) = 8 –1 m/min......................................... 34


velocidade dos arames V8(3) = 8 – 3 m/min.......................................

35


velocidade dos arames V8(5) = 8 – 5 m/min.......................................

36


arame eletrodo V10 = 10m/min...........................................................

37


velocidade dos arames V10(1) = 10 –1 m/min..................................

38


velocidade dos arames V10(3,5) = 10 – 3,5 m/min............................

39


velocidade dos arames V10(6) = 10 – 6 m/min.................................

40

Figura 4.13 – Aspecto superficial dos cordões depositados em FCAW com

velocidade de alimentação igual: (A) 6 m/min, (B) 8 m/min e

(C) 10 m/min.......................................................................................

42

Figura 4.14 – Aspecto superficial dos cordões depositados em FCAW-CW com

velocidade de alimentação do arame eletrodo igual a 6 m/min. e

arame frio igual a 1(A), 2(B) e 3(C) m/min, respectivamente............

43


velocidade de alimentação do arame eletrodo igual a 8 m/min e

arame frio igual a 1(A), 3(B) e 5(C) m/min, respectivamente............

43


velocidade de alimentação do arame eletrodo igual a 10 m/min. E

arame frio igual a 1(A), 3,5(B) e 6(C) m/min, respectivamente..........

44

Figura 4.17 – Efeito dos parâmetros operacionais sobre a taxa de fusão e taxa

de deposição. Soldagem FCAW e FCAW-CW..................................

47

Figura 4.18 – Efeito dos parâmetros operacionais sobre a taxa de fusão e taxa

de deposição. Soldagem FCAW e FCAW-CW..................................

48

Figura 4.19 – Efeito dos parâmetros operacionais sobre o rendimento. Soldagem

FCAW e FCAW-CW..........................................................................

48

xi

LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 – Composição química do arame eletrodo, AWSE71T-1....................... 15

Tabela 3.2 – Composição química do arame frio, AWS ER70S-6........................... 15

Tabela 3.3 – Parâmetros variáveis e níveis. Processos FCAW e FCAW-CW......... 22

Tabela 4.1 – Resultado das características econômicas. Soldagem FCAW e

FCAW- CW..........................................................................................

45

xii

SIMBOLOGIA A ⇒ Ampére

Ar ⇒ Argônio

AWS ⇒ American Welding Society

C ⇒ Carbono

CC+ ⇒ Corrente continua positiva

cm ⇒ Centímetro

CO2 ⇒ Gás Carbônico

FCAW ⇒ Flux Cored Arc Welding

FCAW-CW ⇒ Flux Cored Arc Welding – cool wire

g ⇒ Grama

GMAW-CW ⇒ Gas Metal Arc Welding – cool wire

l1 ⇒ Comprimento linear do arame quente

l2 ⇒ Comprimento linear do arame frio

MAG ⇒ Metal Active Gas

mf ⇒ Massa final

mi ⇒ Massa inicial

MIG ⇒ Metal Inert Gas

min ⇒ Minuto

mm ⇒ Milímetro

Mn ⇒ Manganês

SAE ⇒ Society of Automotive Engineers

Si ⇒ Silício

t ⇒ Tempo de soldagem

TD ⇒ Taxa de deposição

TF ⇒ Taxa de fusão

V ⇒ Volt

ρ ⇒ Densidade linear do arame

% ⇒ Percentagem

http://www.sae.org/

xiii

RESUMO

Neste trabalho foi avaliado o desempenho operacional do processo de

soldagem FCAW-CW (Flux Cored Arc Welding – Cool Wire). As soldagens foram

realizadas pelos processos FCAW e FCAW-CW, e os resultados da estabilidade do

arco, produção e aspecto superficial das soldas foram comparados. A soldagem foi

realizada com o auxilio de uma fonte eletrônica ajustada em CC+ e interfaceada a

um microcomputador. As soldas na posição plana foram realizadas em simples

deposição sobre corpos de prova de 150 mm X 38 mm X 8,2 mm de um aço

laminado SAE 1020. O dióxido de carbono, CO2, foi o gás de proteção, com uma

vazão de 15 l/min e, como metais de adição, foram utilizados o arame tubular E71T-

1 (arame eletrodo) e o arame sólido E70S-6 (arame frio). A velocidade de

alimentação do arame foi o fator variável em três níveis: V6, V8 e V10,

respectivamente, para 6, 8 e 10 m/min de velocidade do arame eletrodo. As

velocidades do arame frio foram 1, 2 e 3 m/min combinadas com V6; 1, 3 e 5 m/min

combinadas com V8 e 1, 3,5 e 6 m/min combinadas com V10. Os resultados

mostraram a viabilidade operacional do processo de soldagem FCAW-CW, que

apresentou excelente estabilidade de arco, bom aspecto superficial das soldas e

elevada produção em relação à soldagem FCAW.

Palavras-chaves: Desempenho Operacional, Soldagem, Duplo Arame,

Características Econômicas.

1

1 INTRODUÇÃO

O processo de soldagem arame tubular na versão FCAW-CW se refere à

soldagem arame tubular com arame frio. Consiste na utilização do processo FCAW

com a introdução de um arame frio na atmosfera do arco voltaico gerado na ponta

do arame eletrodo (arame energizado). Desta forma, o arame frio se funde em

decomposição simultânea com o arame eletrodo na constituição do metal

depositado, em coalescimento com o metal de base, para a geração do metal de

solda.

A concepção desta técnica de soldagem tem como objetivo principal

contribuir para o aumento da produtividade de processos de soldagem a arco

voltaico que utilizam alimentação contínua de um arame eletrodo até a poça de

fusão, ou seja, dos processos GMAW e FCAW.

A melhoria do desempenho econômico de processos de soldagem a arco

voltaico, pelo aumento da sua taxa de deposição, está relacionada à estabilidade do

arco e a outros fatores não menos importantes e normalmente empregados como

critérios para avaliação de uma união por solda, como a qualidade, a resistência

mecânica e a resistência à corrosão.

Nesta linha de pesquisa, os estudos iniciais desenvolvidos por Bacelar e

Ferraz (2005), a soldagem GMAW com arame frio, utilizando arames de 1,2 mm,

resultaram num aumento considerável da produção média em relação à soldagem

GMAW, com bons níveis de estabilidade e qualidade superficial da união.

Além do aumento da produção, existe a hipótese de outras vantagens que

justificam a presente pesquisa e que, se confirmadas, poderão se creditadas como

itens importantes à viabilidade operacional da soldagem FCAW-CW em aplicações

de produção industrial.

Dentre as possíveis vantagens da soldagem com arame frio sobre outros

processos ditos concorrentes como, por exemplo, sobre o GMAW ou o FCAW, tem-

se que a soldagem com uma corrente equivalente ou superior possa possibilitar a

obtenção de cordões com maior largura, menor penetração e melhor controle da

poça de fusão mantendo, e ainda, as altas velocidades de soldagem (produção). O

baixo custo do equipamento, a ausência de deflexão magnética, a facilidade de

adequação as condições de trabalho, são apontados como fatores preponderantes

2

sobre a soldagem FCAW e GMAW duplo arame. Com relação à soldagem ao arco

submerso, a técnica de soldagem em desenvolvimento apresenta a facilidade de

manipulação da tocha, ausência de fluxos sólidos (manuseio, conservação e

recuperação), soldagem em todas as posições e redução da energia de soldagem.

As características inovadoras das soldagens FCAW-CW e GMAW-CW se

apresentam como uma alternativa ao aumento da produtividade de empresas que

utilizam a soldagem para união e revestimentos de materiais de engenharia.

1.1 Objetivos

Este trabalho faz parte de um projeto de pesquisa em desenvolvimento pelo

Grupo de Estudos em Tecnologia de Soldagem (GETSOLDA) da UFPA, que

investiga a viabilidade operacional da soldagem arame tubular com adição de arame

frio (FCAW–CW). Este estudo, apresenta os seguintes objetivos.

1.1.1 Objetivo principal

Avaliar o desempenho operacional do processo FCAW -CW.

1.1.2 Objetivos secundários

Avaliar a estabilidade do arco voltaico;

Avaliar o aspecto superficial das soldas;

Avaliar as características econômicas do processo.

3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Considerações sobre o processo de soldagem arame tubular

O processo de soldagem arame tubular ou flux cored arc welding (FCAW)

utiliza um arco voltaico estabelecido entre a ponta do arame eletrodo e o metal de

base. O arame é continuamente alimentado à poça de fusão, e se constitui de uma

capa metálica que envolve um fluxo interno na forma de recheio. Existem duas

versões do processo: com proteção gasosa e autoprotegida. Na soldagem com

arame tubular autoprotegido, a decomposição do fluxo gera as condições

necessárias de ionização ao estabelecimento e manutenção do arco voltaico,

produção de escória, adição de elementos de liga, processos metalúrgicos etc. A

soldagem com arame tubular com proteção gasosa, utiliza um gás externo,

normalmente CO2 ou misturas, atuando no sistema de proteção e ionização da

soldagem.

A figura 2.1 mostra um esquema representativo do sistema arame tubular

com proteção gasosa, detalhando com o máximo possível de exatidão as partes que

o compõem, tentando desta forma, elucidar de forma mais sucinta este sistema.

Figura 2.1 – Esquema representativo do processo de soldagem arame tubular

com proteção gasosa. (Braga, 2002)

4

A soldagem com arame tubular tem características e semelhanças com a

soldagem MIG/MAG (GMAW) na alimentação de arame, no equipamento utilizado e

princípios de funcionamento, que estabelecem alto fator de trabalho e elevada taxa

de deposição. Por outro lado, o arame tubular também se caracteriza pela alta

versatilidade quando comparado ao eletrodo revestido no ajuste de composição

química e facilidade de trabalho em campo. (FORTES, 2004; MACHADO, 1996).

O processo de soldagem arame tubular é aplicado na soldagem de diversos

materiais como os aços carbono, baixa liga e inoxidáveis, na construção de vasos de

pressão e tubulações para a indústria química, petrolífera e de geração de energia.

Na indústria automotiva e de equipamentos pesados, vem sendo usado na

fabricação de partes de chassi, eixo diferencial, cambagem de rodas, componentes

de suspensão e outras partes. (FORTES, 2004)

Neste tipo de soldagem normalmente são utilizadas fontes de tensão

constante e corrente constante. A maior parte das fontes de energia para soldagem

FCAW semi-automática, conforme representado na figura 2.2, e essas fonte

geralmente usam correntes abaixo de 600A. (NASCIMENTO, 2005)

Figura 2.2 – Representação esquemática de um equipamento semi-automático para

soldagem com arame tubular. (NASCIMENTO, 2005)

2.1.1 Metal de adição

Os arames tubulares apresentam em seu interior um fluxo fusível, este pode

ser do tipo rutílico ou básico. Existe também o tipo composto, constituído por um

fluxo de componentes metálicos.

5

Segundo Fortes (2004), as funções básicas do fluxo são:

• Desoxidantes e formador de nitretos - atuam de forma a combater a

ação do hidrogênio e do oxigênio, diminuindo a possibilidade do

surgimento de porosidade e fragilidade, os desoxidantes mais

utilizados são manganês e silício;

• Formadores de escória – óxidos de cálcio, potássio, silício, ou sódio

são adicionados ao fluxo, tendo como função a formação de escória

protetora da poça de fusão;

• Estabilizadores de arco – elementos como potássio e sódio, são

benéficos na obtenção de um arco suave, reduzindo também a

salpicagem;

• Elementos de liga – as adições de elementos de liga podem melhorar

propriedades mecânicas da junta soldada, tais como resistência,

ductilidade, dureza e tenacidade. Os elementos mais indicados para se

conseguir isso são: molibdênio, cromo, carbono, manganês, níquel e

vanádio;

• Geradores de gases – geralmente minerais como a fluorita e o calcário

são adicionados ao fluxo para se produzir uma atmosfera gasosa

protetora.

2.1.2 Características operacionais e econômicas

Segundo Braga (1997) e Mota (1998), comparado à soldagem eletrodo

revestido e MIG, o processo arame tubular autoprotegido apresenta uma maior taxa

de deposição e a possibilidade de redução dos chanfros, haja vista que pode-se ter

um maior acesso a chanfros mais estreitos já que não é necessário o uso do boca

da tocha, há também a possibilidade de se trabalhar com valores de stick out

maiores, auxiliando ainda mais a possibilidade da soldagem de locais estreitos , que

não seriam possíveis de serem soldados caso fosse necessário a utilização de

atmosfera gasosa, tudo isso ocasiona uma vantagem econômica de redução do

volume da massa de metal de adição necessário para preenchimento total do

chanfro.

6

Outras características operacionais importantes são a recomendações deste

processo para soldagem em campo, a possibilidades de soldagem em todas as

posições e a decomposição do fluxo, que promove a proteção do metal fundido e do

arco elétrico estabelecido, mesmo sendo expostos a ventos, deste que estes não

ultrapassem a velocidade de 5 m/seg. (NASCIMENTO, 2005).

2.1.3 Modos de transferência metálica

Pode se conceituar transferência metálica como sendo o transporte de

gotas fundidas de metal da ponta de um eletrodo consumível para a poção de fusão.

A classificação dos modos de transferências se faz levando-se em consideração o

tamanho da gota e característica de como ela é transferida, assim pode-se

classificar os modos de transferência metálica da seguinte forma: curto-circuito,

globular e spray (aerossol).

• Modo de transferência por curto-circuito – este modo de transferência

funciona através de uma série de curtos-circuitos, onde o arame

realmente toca a poça de fusão continuamente, desta forma a corrente

aumenta, fundindo a ponta do eletrodo que se destaca, a figura 2.3

ilustra bem esse fenômeno.

Figura 2.3 – Representação da transferência por curto-circuito (FORTES,

2004)

• Modo de transferência globular – Neste modo de transferência o arame

se aquece demasiadamente, formando grandes gotas de metal

fundido, sendo transferidos pelo arco em glóbulos através das forças

7

de gravidade e de tensão superficial, forças estas mais preponderantes

para acontecer este tipo de transferência. O modo de transferência

globular é mostrado na figura 2.4;

Figura 2.4 – Representação do modo de transferência globular (FORTES,

2004).

• Modo de transferência spray – É um modo de transferência axial de um

número muito grande de pequenas gotas de metal de solda,

transferidas em um período de tempo curto. A transferência é bastante

estável, direcional e quase sempre livre de respingos, proporcionando

um cordão com ótima aparência visual. Na figura 2.5 é mostrado este

tipo de transferência metálica.

Figura 2.5 – Representação do modo de transferência spray.

8

2.2 Considerações sobre os processos de soldagem duplo arame

2.2.1 Processo GMAW com dois arames

A soldagem MIG/MAG ou Gas Metal Arc Welding (GMAW) com dois arames

é uma variante do processo GMAW, e tem como característica básica a abertura de

dois arcos elétricos entre uma única poça de fusão e os dois eletrodos consumíveis.

Os arcos e a poça de fusão são protegidos por um gás que, em conjunto com os

eletrodos, é selecionado de acordo com o tipo de metal de base (MOTTA, 2002)

O emprego da técnica de soldagem com duplo arame, segundo Motta

(2002), não é recente. Algumas tentativas com a soldagem GMAW foram realizadas

na década de 50. Contudo, apenas agora, com o avanço das fontes eletrônicas, o

processo ganhou impulso. Essas fontes permitiram ter um controle melhor da

estabilidade dos arcos, aumentando a eficiência do processo.

Comparado ao GMAW, esta técnica proporciona um crescimento da

produtividade através dos aumentos na taxa de deposição e da velocidade de

soldagem, outra vantagem operacional creditada ao duplo arame é o baixo aporte

térmico. Este caso permite a soldagem com altas velocidades de deslocamento

sendo assim possível a redução do aporte de calor sobre a peça soldada, reduzindo

as distorções, o que pode favorece a soldagem de chapas finas (MOTTA, 2002)

2.2.2 GMAW duplo arame com potencial único

Nesse processo de soldagem, os eletrodos são fornecidos por

alimentadores de arames independentes havendo, portanto, a energização dos

arames através do bico de contato. Por isso, estão submetidos ao mesmo potencial

elétrico. Na outra extremidade podem estar conectados aos bornes de uma ou de

duas fontes de energia. No caso dos sistemas que empregam uma única fonte de

potência, figura 2.6, esta deverá fornecer as correntes de soldagem com

intensidades suficientes para atender às altas taxas de fusão e deposição requeridas

pelo processo (MOTTA, 2002; MITCHE et al, 1999). Uma vantagem desse processo

de soldagem em relação aos demais é o menor custo operacional, uma vez que o

número de equipamentos e acessórios necessários para a soldagem por esse

9

processo é, em geral, inferior em relação aos sistemas com potenciais isolados, que

serão caracterizados no próximo item.


(MOTTA,2002)

Os primeiros trabalhos que surgiram empregavam dois arames e utilizavam

uma única fonte de potência. Segundo Michie (1999), o processo apresentava

instabilidade na soldagem com transferência metálica por curto-circuito. Isso

acontecia, quando um dos arames tocava a poça metálica, toda a corrente era

forçada a passar por ele, causando o seu rompimento de forma abrupta. Problemas

ocorriam também na transferência por escoamento goticular projetado (spray).

Aumentos nos comprimentos dos arcos levavam a uma maior interação entre estes

(sopro magnético), reduzindo a eficiência do processo. Esses fatores teriam

contribuído para a aplicação da corrente pulsada nas soldagens com duplo arame,

condição essencial aos sistemas com potencial único para se controlar as

transferências de metal de ambos os eletrodos.

Segundo Ramirez (1999), que fez um estudo comparativo entre os

processos MIG/MAG duplo arame com potencial único e o MIG/MAG, verificou que o

primeiro processo apresentava vantagens expressivas sobre o segundo em várias

aplicações. Por exemplo: na soldagem de juntas em ângulo na posição plana, ele

obteve ganhos significativos na velocidade de soldagem (130% na transferência

“spray”) para uma mesma geometria do cordão. Também nessa aplicação, foi

10

verificado que a energia de soldagem liberada por comprimento de solda, no

processo com um arame, era 15% superior em relação ao duplo arame.

Em soldagens realizadas por simples deposição sobre chapas e com

transferência por curto-circuito, apesar de não se ter atingido taxas de fusão de

material superiores às obtidas com o processo MIG/MAG, ele obteve bons

resultados relativos à qualidade (considerando-se o acabamento superficial e o

índice de respingos) e à geometria dos depósitos.

A figura 2.7 representa um sistema de potencial único, esquematizado por

Motta (2002), projetado para que se obtenha uma maior produtividade e se opere

preferencialmente com transferência por corrente pulsada, este sistema foi

desenvolvido por Lahnsteiner (1994) e Platz, (1996). Neste sistema há a

necessidade de que as fontes sejam sincronizadas de tal forma que os pulsos de

corrente de ambas ocorram simultaneamente (figura 2.8), por isso a presença de um

dispositivo de sincronização.


empregando duas fontes de potência (MOTTA, 2002).

11

Figura 2.8 – Representação de oscilograma de corrente, retratando o sincronismo na

pulsação das fontes (pulsos ocorrendo simultaneamente) (MOTTA, 2002).

No entanto, mesmo trabalhando com correntes pulsadas, os sistemas com

potencial único eram suscetíveis às interferências eletromagnéticas entre os arcos.

Esse foi um fator fundamental para o surgimento dos sistemas com potenciais

isolados, pesquisado por Motta (2002).

2.2.3 MIG/MAG duplo arame com potenciais isolados

Segundo Motta (2002), as características que identificam o processo

MIG/MAG duplo arame com potencial isolado são, o isolamento elétrico entre os

eletrodos e a manutenção dos arcos por fontes de soldagem separadas. De forma

semelhante ao potencial único, os arames são fornecidos por dois alimentadores de

arames independentes (figura 2.9).

12

Figura 2.9 – Representação esquemática dos sistemas com duplo arame com

potenciais isolados (MOTTA, 2002)

A vantagem dessa configuração é a possibilidade de se controlar

separadamente os dois arcos elétricos. É possível conferir funções a cada um deles,

selecionando-se parâmetros de soldagem distintos em ambas as fontes. (Motta,

2002)

2.3 Considerações sobre soldagem GMAW-CW e FCAW-CW

Nesta linha de pesquisa, segundo os estudos iniciais desenvolvidos por

Bacelar e Ferraz (2005), a soldagem GMAW com arame frio, utilizando arames de

1,2 mm, resultou numa produção média de 70% acima da soldagem GMAW, com

bons níveis de estabilidade e qualidade superficial da união. Os pesquisadores

concluíram em seu trabalho a viabilidade operacional do processo, frente aos

resultados obtido. Para a realização dos experimentos iniciais, foi necessário o

desenvolvimento de um suporte que permitiria a condução do arame frio à poça.

Segundo Bacelar e Ferraz (2005), o suporte desenvolvido pelo GETSOLDA

e inicialmente testado por eles em seu trabalho, apresentou bons resultados, a figura

2.10, mostra o esquema do suporte para o sistema GMAW-CW.

13

Suporte para alimentação de arame frio

Figura 2.10 – Modelo esquemático do suporte para a alimentação do arame frio

sobre a tocha de soldagem MIG/MAG, sistema GMAW-CW (BACELAR e FERRAZ,

2005).

Um novo suporte, figura 2.11, foi desenvolvido e utilizado neste

trabalho, visando uma melhor flexibilidade nos ajustes necessários para realização

da soldagem.

Figura 2.11 – Novo protótipo de suporte para a soldagem FCAW-CW.

14

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Este capítulo foi destinado à descrição e especificação dos materiais, dos

equipamentos e da metodologia experimental utilizados neste trabalho.

3.1 Materiais utilizados

A seguir, são descritos os materiais de consumo selecionados para a

execução desta pesquisa.

3.1.1 Consumíveis

Os consumíveis utilizados na fase experimental deste trabalho foram dois

tipos de arames consumíveis, sendo um arame eletrodo (energizado) e um arame

frio, o metal de base e o gás de proteção.

3.1.1.1 Arame eletrodo

O arame eletrodo utilizado foi o arame tubular da classe AWS E71T-1,

conforme a classificação ASME SFA-5.20. O arame eletrodo é o consumível

energizado responsável pelo estabelecimento e manutenção do arco voltaico. Trata-

se de um arame com fluxo rutílico para soldagem em passe único ou passes

múltiplos, em CC+ e pode ser aplicado em todas as posições. Apresenta uma ampla

faixa de parâmetros operacionais, baixo índice de respingos e facilidade para

remoção de escória. Pode ser utilizado com CO2 ou mistura (75% Ar + 25 % CO2).

Destina-se a soldagem de aços de baixo e médio teor de carbono. Pode ser

aplicado na soldagem estrutural e construção pesada em geral. Seu rendimento

médio é 86% segundo manual do fabricante. A tabela 3.1 indica a composição

química básica deste arame eletrodo.

15

Tabela 3.1 – Composição química do arame eletrodo AWS E71T-1.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%)

C 0,05

Si 0,50

Mn 1,20

3.1.1.2 Arame Frio

O arame frio utilizado foi o arame sólido da classe AWS ER70S-6, conforme

a classificação ASME SFA-5.18. O arame frio é o consumível não energizado

responsável pela adição suplementar de massa metálica na composição do metal de

solda.

Trata-se de um arame sólido de aço carbono com manganês e silício,

cobreado, destinado à soldagem MIG/MAG de aços não ligados tais como, os aços

estruturais para construção em geral, com tensão de ruptura mínima de 530 MPa,

aços ao carbono manganês com limite de escoamento de 420 MPa.

Este arame é recomendado para soldagem tanto em passe único como em

multipasses, em CC+, pode ser aplicado com CO2 ou mistura (75% Ar + 25 % CO2)

onde se requer um melhor acabamento do cordão de solda e redução do nível de

respingo. Devido ao fato de possuir em sua composição química um maior teor de

elementos desoxidantes (Silício e Manganês), é a opção mais adequada para ser

aplicada sobre a superfície de chapas que tenham moderada quantidade de

oxidação ou carepas. A tabela 3.2 indica a composição química do arame AWS

ER70S-6.

Tabela 3.2 – Composição química do arame frio, AWS ER70S-6.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%)

C 0,08

Si 0,90

Mn 1,50

16

3.1.1.3 Gás de proteção

Como gás de proteção foi utilizado o CO2 puro, devido as suas

características e ao seu baixo custo na soldagem de estrutura de aço.

O dióxido de carbono pode ser produzido através da queima completa de

matéria orgânica. Neste processo, os gases da combustão contêm, além do CO2,

vapor d'água, oxigênio, nitrogênio, monóxido de carbono e compostos de enxofre,

que podem estar contidos na matéria prima. O CO2 é separado destes outros gases,

purificado, comprimido e liquefeito para sua comercialização. A forma mais

econômica de obter o CO2 é recuperá-lo através de uma grande variedade de

processos onde ele é o sub-produto. Acondicionado liquefeito em cilindros à pressão

de vapor de 58,3 kgf/cm2 a 21oC.

Este tipo de gás é indicado para a soldagem de aços carbono em chapas

grossas e para os processos de soldagem MAG, com transferência por curto-circuito

ou globular, e Arame Tubular, com transferência por spray ou globular.

O CO2 é também indicado como gás de proteção para o processo de corte

Plasma e gás de geração dos processos de soldagem e corte Laser.

Dentre as suas características que o credenciam como comercial e

operacionalmente recomendado à soldagem, podem ser destacadas: excelente perfil

de arco, alta penetração, minimiza a incidência de defeitos como falta de fusão entre

passes.

3.1.1.4 Metal base

O metal de base selecionado para a realização experimental desta pesquisa

foi o aço SAE 1020, baixo teor de carbono, por ser o aço estrutural mais largamente

utilizado em todos os seguimentos industriais devidos as suas características gerais,

propriedades de resistência e baixo custo.

Os corpos de prova foram seccionados, a partir de chapas laminadas, nas

seguintes dimensões:

largura: 50 mm

comprimento: 150 mm

espessura: 9,5 mm (3/8 in).

17

3.1.2 Equipamentos

A bancada de ensaio, figura 3.1, para a realização deste trabalho foi

constituída pelos seguintes equipamentos:

• Uma central de soldagem;

• Uma fonte de energia auxiliar;

• Dois sistemas de alimentação de arame;

• Uma pistola de soldagem um sistema de gás de proteção;

• Um sistema de posicionamento da pistola de soldagem;

• Uma balança digital;

• Um sistema de medição de tempo, comprimento e velocidade do

arame;

• Uma placa de aquisição e de processamento de dados;

• Programas computacionais, dentre outros;

Os equipamentos utilizados são descritos a seguir.

Figura 3.1.– Detalhes da bancada de soldagem.

18

3.1.2.1 Central de soldagem múltiplos processos

Tipo: Fonte eletrônica transistorizada

Modelo: DIGITEC 600

Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC

Corrente Nominal: 600 A

Tensão de alimentação: 200, 380 ou 440 V, trifásico

Tensão em vazio: 64 V

Potência máxima consumida: 12 KW

Fator de Potência: 0,94

3.1.2.2 Fonte de energia auxiliar

Tipo: Fonte retificadora de tensão constante

Modelo: LAB 320

Fabricante: ESAB

Corrente Nominal: 320 A

Tensão de alimentação: 200, 380 ou 440 V, trifásico

Tensão em vazio: 17 - 44 V

Potência máxima consumida: 11,5 KW

Fator de Trabalho: 100%

3.1.2.3 Sistema de alimentação do arame eletrodo (arame energizado)

Modelo: STA 20D, rampa de aceleração e desaceleração da velocidade do

arame

Fabricante: IMC/LABSOLDA/UFSC

Alimentação elétrica (VCA - 50/60 Hz)

Velocidade de avanço do arame 1,00 - 20,00 m/min.

Diâmetros de arame 0,60 - 1,60 mm.

19

3.1.2.4 Sistema de alimentação do arame frio (arame não energizado)

Modelo: MEF 30

Fabricante: ESAB

Alimentação elétrica (VCA - 50/60 Hz)

Velocidade de avanço do arame 1,50 - 22,00 m/min.

Diâmetros de arame 0,60 - 1,60 mm.

3.1.2.5 Pistola de soldagem

A pistola de soldagem utilizada neste trabalho foi do tipo “push”, conforme

especificação e características listadas abaixo. A figura 3.2 mostra detalhes desta

pistola com um sistema auxiliar para alimentação do arame frio, modificada pela

equipe do GETSOLDA.

Tipo: “Push”, refrigerada à água com cabo de 3m, equipada com conduíte

de aço.

Fabricante: Binzel

Modelo: MB 501 D

Capacidade de corrente: 500 A.

Figura 3.2 – Aspecto da pistola “push” adaptada para soldagem com o arame frio,

posição tandem, utilizada neste trabalho.

20

3.1.2.6 Sistema de posicionamento da pistola de soldagem (figura 3.3)

Modelo: tartílope V1


Faixa de velocidade de deslocamento: 5 a 160 cm/min

Resolução: 0,2 cm/min

Figura 3.3 – Detalhes do sistema de posicionamento da pistola de soldagem.

3.1.2.7 Balança Digital

A balança utilizada para a pesagem dos corpos de prova, antes e após a

deposição do metal de solda, apresenta as especificações e características a seguir.

Modelo: MARK 5000

Fabricante: MARK

Valor máximo: 5000g

Valor mínimo: 2g

Resolução: 0,1g

Erro: 0,1g.

3.1.2.8 Sistema de medição de tempo, comprimento e velocidade do arame

Este instrumento é responsável pelas medidas de tempo de soldagem,

comprimento consumido e velocidade de alimentação do arame. Modelo: MVA – 2


21

3.1.2.9 Placa de aquisição e processamento de dados

Modelo: INTERDATA, freqüência de aquisição de 100 kHz por canal.


3.1.2.10 Programas computacionais

Oscilos (Software comercial)

Programa utilizado na geração de gráficos de tensão x tempo, corrente x

tempo e tensão x corrente.

3.1.2.11 Microcomputador

Modelo: Pentium 133 MHz

Fabricante: Intel

3.2 Metodologia experimental

A metodologia empregada neste trabalho foi desenvolvida em duas etapas

experimentais distintas. Na primeira etapa foi realizada a soldagem pelo processo de

soldagem arame tubular (FCAW), e na segunda etapa a soldagem foi realizada pelo

processo de soldagem FCAW-CW (arame tubular com adição de arame frio).

A soldagem FCAW-CW se inicia com a abertura do arco voltaico pelo

acionamento do arame eletrodo (arame tubular energizado) e, a seguir, após 1

segundo, ocorre à alimentação do arame frio (arame sólido). A operação de

soldagem deve ser concluída após a aquisição dos dados instantâneos da tensão e

da corrente de soldagem, e tão logo os requisitos de comprimento do depósito

soldado sejam contemplados. A conclusão da soldagem do corpo de provas deve

ocorrer em dois momentos, ou seja, a interrupção na alimentação do arame frio e a

extinção do arco voltaico, nesta ordem.

Para cada condição de soldagem foram estabelecidas três réplicas, sendo

de um segundo (1 s) o tempo para a aquisição dos dados instantâneos da tensão e

da corrente em cada condição de soldagem.

A soldagem dos corpos de provas foi realizada na bancada de soldagem

mostrada na figura 3.1, ajustada para a operação na versão automatizada, em CC+

22

e na posição de soldagem plana. Os parâmetros variáveis para as duas etapas de

soldagem e seus respectivos níveis, são apresentados na tabela 3.3.

Tabela 3.3 – Parâmetros variáveis e níveis. Processos FCAW e FCAW-CW.

FATOR NÍVEL

Velocidade do arame eletrodo,

m/min (FCAW) 6,0 (V6) 8,0 (V8) 10,0 (V10)

Velocidade do arame frio,

m/min (FCAW-CW) 1 2 3 1 3 5 1 3,5 6

Permaneceram constantes durante a operação, os seguintes parâmetros.

- Técnica operacional: empurrando

- Posição relativa dos arames: Tandem

- Gás de proteção: 100%CO2.

- Vazão de gás: 15 l/min;

- Velocidade de soldagem: 21cm/min;

- Distância bico de contato peça: 15mm;

- Ângulo de inclinação da tocha: 109° (figura 3.4);

- Comprimento do arco - 7,5mm;

Os parâmetros utilizados neste trabalho foram determinados com base no

material bibliográfico utilizado, os valores de velocidade de arame eletrodo foram

fixados de acordo com este material, os valores de velocidade frio, foram

estabelecidos da seguinte forma:

• Valores de velocidade do arame frio mínimos – estes valores foram

fixados em 1 m/min, por se tratar do mínimo valor conseguido de ser

estabelecido no sistema de alimentação do arame frio.

• Valores de velocidade do arame frio intermediário – estes valores

foram determinados só depois dos valores de velocidade do arame frio

máximos, pois são a média aritmética entre o valor máximo de

velocidade e o valor mínimo de velocidade.

23

• Valores de velocidade do arame frio máximos – Foram determinados

de acordo com o valor máximo conseguido sem haver nenhum

comprometimento na soldagem, ou seja, sem nenhum interrompimento

na fusão do arame frio, pois se a velocidade exceder o limite tolerável,

o arame pode ficar retido no poça já solidificada (cordão).

3.2.1 Estabilidade de arco

Os experimentos realizados para avaliar a estabilidade de arco foram

desenvolvidos com auxilio do programa oscilos. Este programa faz a aquisição, em

tempo real, armazena e processa os dados instantâneos da tensão e da corrente de

soldagem, tempo e número de curto-circuito, traça gráficos de oscilogramas tensão

X tempo, corrente X tempo, corrente X tensão etc.

Para a avaliação do comportamento dinâmico do arco voltaico, inicialmente,

foi realizada a seleção de parâmetros operacionais preliminares da soldagem arame

tubular, ou seja, dos pacotes operacionais referenciais para a soldagem FCAW. Esta

seleção de parâmetros preliminares se baseou em dados de trabalhos experimentais

anteriores realizados por diversos autores (Nascimento, 2005; Dias, 2004; Bacelar e

Ferraz, 2005) e, também, a partir de trabalhos experimentais desenvolvidos pelo

GETSOLDA, sob condições operacionais de soldagem equivalentes.

Os pacotes operacionais de referência (tabela 3.3) foram, então, definidos e

utilizados para a deposição das soldas pelo processo de soldagem arame tubular

(FCAW), após a realização de vários testes de monitoração da dinâmica do arco por

ensaios visuais e por programa computacionais de aquisição de dados, nos quais se

obteve uma estabilidade de arco voltaico, para as condições estabelecidas.

Para a definição das condições operacionais mais favoráveis à soldagem

com arame frio (FCAW-CW) foi considerada, inicialmente, a premissa da

manutenção da estabilidade de arco obtida na primeira etapa experimental deste

trabalho, ou seja, da soldagem com o processo arame tubular, considerado, na

versão FCAW-CW como o arame eletrodo (arame energizado). Desta forma, foram

definidas as velocidades de alimentação do arame frio, em valores máximos e

mínimos, admissíveis em função da correspondente velocidade de alimentação do

arame eletrodo.

24

O procedimento para tal, também se baseou na monitoração da

manutenção da estabilidade do arco estabelecida no arame eletrodo, a partir de

aumentos sucessivos e contínuos na velocidade de alimentação do arame frio

durante a operação de soldagem FCAW-CW, desde o valor unitário (1 m/min) até

um valor limite admissível e possível para a manutenção, sem perturbações

consideráveis, da estabilidade do arco voltaico.

A estabilidade do arco foi monitorada pelo programa computacional oscilos.

Este programa avaliou a dinâmica operacional através da interpretação de

oscilogramas de tensão e de corrente em função do tempo de soldagem. Os dados

instantâneos da corrente e da tensão de soldagem foram obtidos por programas

computacionais adequados que, em seguida, foram processados para a geração de

oscilogramas.

3.2.2 Características econômicas

3.2.2.1 Equações Convencionais

Os valores da taxa de fusão (TF), taxa de deposição (TD) e rendimento (R)

obtidos a partir das equações 3.1, 3.2 e 3.3, respectivamente, são utilizadas para

avaliar as características econômicas dos processos de soldagem em geral. A taxa

de fusão representa a massa de arame fundida na unidade de tempo, a taxa de

deposição é a massa fundida do consumível realmente incorporada ao metal de

solda. O rendimento é a razão entre as taxas TD/TF obtidas durante a operação de

soldagem (Machado, 1993).

⎛ ⎞ ⎡ ⎤⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠

l KgTF = 3,6. ρ ht (3.1)

Onde:

l - comprimento consumido (mm);

ρ - densidade linear do arame (g/m);

t - tempo de soldagem (s).

⎛ ⎞ ⎡ ⎤⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠

mf -mi KgTD = 3,6. ht (3.2)

25

Onde:

mf - massa final da junta depois da soldagem (g);

mi - massa inicial da junta antes da soldagem (g).

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

TDR = x100TF

(%) (3.3)

Onde:

TD - taxa de deposição (Kg/h);

TF - Taxa de fusão (Kg/h).

3.2.2.2 Equações Modificadas

As características econômicas da soldagem foram avaliadas com o objetivo

de se comparar à produção dos dois processos de soldagem estudados, ou seja, o

FCAW e o FCAW-CW, e, conseqüentemente, se estabelecer um parâmetro capaz

de potencializar o uso, em escala industrial, do processo de soldagem FCAW-CW.

As equações da taxa de fusão (3.4) e de deposição (3.5) são equações

modificadas, baseadas nas equações 3.1 e 3.2 respectivamente, pois houve a

necessidade da adequação das fórmulas originais, as características do processo

FCAW-CW, diante da complexidade de se trabalhar com dois arames,

principalmente se tratando de arames de diferentes classes, que apresentaram

valores diferenciados de densidade linear, houve também a necessidade de se de

se trabalhar com dois tempos de soldagem, t1 é o tempo de soldagem relativo a

soldagem do arame eletrodo, t2 é o tempo de soldagem do arame frio, este tempo foi

estimado subtraindo 2 (dois) segundos do tempo t1, sendo 1 (um) segundo no

instante inicial da soldagem, onde espera-se atingir a estabilidade do arco e só

depois, inicia-se a alimentação do arame frio, antes de parar totalmente a soldagem,

o arame frio é interrompido com 1 (um) segundo antes do término, para evitar que o

arame fique preso na poça de fusão ao fim do cordão. Para a equação de

rendimento não houve nenhuma alteração.

Os valores da densidade linear dos arames utilizados neste trabalho foram

obtidos experimentalmente a partir de amostras retiradas aleatoriamente. Foram

realizadas três verificações e o valor médio encontrado para densidade linear foi de

6,760 g/m para o arame tubular e 8,109 g/m para o arame sólido.

26

Taxa de fusão

⎛ ⎞ ⎡ ⎤⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠

1 21 2

1 2

l l KgTF = 3,6. ρ +ρ ht t (3.4)

Onde:

t1 – tempo do arame eletrodo (s)

t2 – tempo do arame frio (s)

ρ1 – densidade linear do arame eletrodo (g/m)

ρ2 – densidade linear do arame frio (g/m)

l1 – comprimento consumido de arame eletrodo (m)

l2 – comprimento consumido de arame frio (m)

Taxa de deposição

⎛ ⎞ ⎡ ⎤⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠M

1 2M

mf -mi KgTD = 3,6. htt + tt =

2

(3.5)

Onde:

mf - massa final da junta depois da soldagem (g)

mi - massa inicial da junta antes da soldagem (g)

tM – tempo médio (s)

3.2.3 Aspecto Superficial

A análise do aspecto superficial tem por objetivo averiguar a qualidade da

superfície da união soldada, a qual depende das condições operacionais de

soldagem estabelecidas.

A qualidade superficial foi avaliada 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.

27

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Resultado da estabilidade do arco

Os resultados do estudo da estabilidade do arco voltaico são apresentados

das figuras 4.1 a 4.12, que mostram os oscilogramas tensão X tempo e corrente X

tempo.

As figuras 4.1, 4.5 e 4.9, respectivamente, representam os oscilogramas

obtidos da soldagem FCAW para as velocidades do arame eletrodo, V6, V8 e V10.

Por estas figuras, observa-se que não ocorreram perturbações significativas na

dinâmica de transferência o que indica bons níveis de estabilidade do arco

observados. A transferência metálica foi por pulverização (spray) que se manteve

em todos os experimentos, sem a ocorrência de curtos-circuitos.

Uma análise comparativa da estabilidade do arco realizada a partir das

figuras 4.1 e 4.9, mostra que a maior velocidade de alimentação do arame eletrodo,

V10, correspondente a maior corrente média (250 A), produz, também, maior

correlação entre as força atuantes no arco voltaico e as mais intensas taxas de

fusão e de transferência de metal. Isto, certamente, se traduz nas mais prováveis

causas da maior dispersão dos valores da tensão e da corrente de soldagem,

observadas em relação às ocorridas para a menor velocidade do arame eletrodo,

V6, figura 4.1. No entanto, este fato não significa que ocorreu instabilidade de arco

neste nível de velocidade do arame eletrodo.

As figuras 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4 se referem, nesta ordem, aos oscilogramas

obtidos para as velocidades de alimentação do arame eletrodo V6, e do arame frio

V6(1), V6(2) e V6(3). Por estas figuras, nota-se que o comportamento dinâmico de

arco voltaico obtido da soldagem FCAW, figura 4.1 – V6, não foi alterado

significativamente pela introdução do arame frio durante a soldagem FCAW–CW.

Neste processo, está registrada, no entanto, em V6(1), a presença de curtos-

circuitos de pequena duração sem a transferência de metal e que, portanto, não

promovem perturbações à estabilidade do arco. Neste sentido, se observa que na

soldagem FCAW–CW foram mantidos os valores médios da tensão (35,4 V) e da

corrente de soldagem (175 A), obtidos na soldagem FCAW. Estes valores médios

de tensão e corrente são obtidos por intermédio do programa oscilos, que dispõem

28

de cursores que possibilitam de forma empírica determinar este valor, ou seja, não é

um valor que se obtém de forma automática, mas é um valor aproximado.

Os oscilogramas tensão X tempo e corrente X tempo, mostrados pela figura

4.5, mostram os registros das ocorrências do comportamento dinâmico arco voltaico

durante a soldagem FCAW na velocidade, V8, do arame eletrodo. Já as figuras 4.6,

4.7 e 4.8, representam os oscilogramas obtidos da soldagem FCAW–CW,

respectivamente, nas velocidades de alimentação do arame frio V8 (1), V8(3) e

V8(5). Neste caso, também se pode afirmar que a soldagem com adição do arame

frio, FCAW-CW, se apresentou equivalente à soldagem FCAW quanto à dinâmica

das transferências de carga elétrica e de metal e, portanto, sem alterações

significativas na estabilidade do arco voltaico. Os valores médios da tensão de

soldagem (35,4 V) e da corrente de soldagem (215 A) se repetiram para todas as

condições de soldagem aqui estabelecidas.

As análises dos casos anteriores sobre o comportamento dinâmico do arco

voltaico também se aplicam para a maior velocidade de alimentação de arame. As

figuras 4.9, 4.10, 4.11 e 4.12, representam, nesta ordem, os oscilogramas obtidos na

soldagem FCAW, em V10, e na soldagem FCAW–CW, em V10(1), V10 (3,5) e V10

(6). Nestas condições operacionais a tensão média de soldagem (35,4 V) e a

corrente média de soldagem (250 A) se mantiveram inalteradas.

Finalmente, se pode inferir, pela interpretação dos oscilogramas de corrente

e de tensão de soldagem apresentados, que a soldagem pelo processo FCAW-CW

em V8(1, 3, 5 m/min.) apresentou um comportamento dinâmico de maiores

regularidade e facilidade de transferência de carga e de metal. A introdução do

arame frio na atmosfera do arco voltaico da soldagem FCAW-CW, não promoveu

perturbações de natureza significativa capaz de alterar a estabilidade do arco

relativa da soldagem FCAW em V8.

29

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300C

orre

nte

(I)

Tempo (ms)

Corrente

175

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4


arame eletrodo V6 = 6m/min.

30

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300C

orre

nte

(I)

Tempo (ms)

corrente

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4

175

Figura 4.2 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade

dos arames V6(1) = 6 –1 m/min.

31

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300C

orre

nte

(I)

Tempo (ms)

corrente

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4

175



32

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

corrente

0 200 400 600 800 1000

25

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4

175



33

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

corrente

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4

215



34

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

corrente

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4

215



35

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

corrente

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

215

35,4


dos arames V8(3) = 8 – 3 m/min.

36

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

corrente

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4

215



37

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300C

orre

nte

(I)

Tempo (ms)

corrente

250

40

45

50

55

0 200 400 600 800 100025

30

Tensão

35Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

35,4



38

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

250

300

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

corrente

250 250

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4



39

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

corrente300

250

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35,4

250


dos arames V10(3,5) = 10 – 3,5 m/min.

40

0 200 400 600 800 100050

100

150

200

corrente300

250

Cor

rent

e (I)

Tempo (ms)

0 200 400 600 800 100025

30

35

40

45

50

55

Tens

ão (V

)

Tempo (ms)

Tensão

35 4

250



41

4.2 Resultado da qualidade superficial do cordão

A figura 4.13 mostra o aspecto superficial das soldas depositadas pelo

processo FCAW, nas velocidades V6, V8 e V10 do arame eletrodo. Já as figuras

4.14, 4.15 e 4.16, apresentam o aspecto superficial das soldas depositadas pelo

processo de soldagem FCAW-CW, respectivamente, nas velocidades de

alimentação do arame frio: V6(1, 2, 3 m/min.), V8(1, 3, 5 m/min.) e V10(1; 3,5; 6

m/min.).

A figura 4.13, mostra que as soldas FCAW foram relativamente equivalentes

quanto ao aspecto superficial, nas três condições de velocidade do arame eletrodo.

Entretanto, vale ressaltar que a incidência de respingos na condição de menor

velocidade do arame eletrodo e corrente média de soldagem, ou seja, V6 e 175 A,

não significou que a mesma esteja com aspecto insatisfatório, já que os respingos

apresentados poucos e de pequena dimensão.

A incidência de respingos tende a aumentar com o aumento da velocidade

de alimentação do arame eletrodo. A regularidade geométrica na largura do depósito

se mantém uniforme ao longo do comprimento em cada condição de soldagem.

Pela análise visual, nota-se que o aumento na velocidade do arame eletrodo

tende a aumentar a largura da solda e o surgimento de defeitos do tipo

“vermiculose”, além de reduzida incidência de microporos dispersos. Não se verifica

a presença de defeitos, tais como, mordeduras, trincas, abertura de arco e

deposição insuficiente.

Na figura 4.14, onde se vê o aspecto superficial das soldas FCAW–CW nos

três níveis da velocidade de alimentação do arame frio, V6 (1, 2, 3 m/min.), a

qualidade da solda em V6(1), FCAW–CW, se mantém equivalente à qualidade da

solda em V6, FCAW. Nestas condições, o aumento na velocidade do arame frio

gerou um aumento da salpicagem. Comportamento bastante semelhante foi

verificado para as demais condições de alimentação do arame frio, na soldagem

FCAW–CW, conforme pode ser verificado pelo exame das figuras 4.15 e 4.16.

A maior incidência de respingos verificada sobre as soldas depositadas pelo

processo FCAW-CW, nas maiores velocidades de alimentação de arame frio, está

relacionada à instabilidade do processo provocada pela vibração do arame frio, que

toca aleatoriamente e em breves intervalos de tempo, o arame eletrodo (arame

energizado), causando interferência na transferência metálica. O ruído decorrente

42

deste instante de instabilidade sugere que a carga energética do arco voltaico não é

suficiente para fundir completamente o arame frio. Neste caso o arame frio, sólido,

passa livremente através do arco voltaico e atinge abruptamente, em alta

velocidade, a poça de fusão provocando turbulências e níveis diferentes de

salpicagem de parte do metal fundido.

Esta análise corrobora com o estudo da estabilidade do arco realizado no

item precedente, uma vez que a qualidade superficial de uma junta soldada

apresenta relação direta com o histórico operacional estabelecido durante a

soldagem o qual, por sua vez, depende da adequada seleção dos parâmetros de

soldagem além, é claro, da robustez de processo.

Figura 4.13 – Aspecto superficial dos cordões depositados em FCAW com

velocidade de alimentação igual: (A) 6 m/min, (B) 8 m/min e (C) 10 m/min.

43


velocidade de alimentação do arame eletrodo igual a 6 m/min. e arame frio igual a

1(A), 2(B) e 3(C) m/min., respectivamente.


velocidade de alimentação do arame eletrodo igual a 8 m/min. e arame frio igual a

1(A), 3(B) e 5(C) m/min., respectivamente.

44


velocidade de alimentação do arame eletrodo igual a 10 m/min. E arame frio igual a

1(A), 3,5(B) e 6(C) m/min., respectivamente.

4.3 Resultado das características econômicas

Nesta seção são apresentados os resultados das características

econômicas para as diferentes condições de soldagem estabelecidas neste trabalho.

A tabela 4.1 mostra os valores médios da taxa de fusão (TF), taxa de deposição

(TD) e do rendimento de deposição (R), obtidos para os processos FCAW e FCAW-

CW. As figuras 4.17, 4.18 e 4.19 ilustram em forma de gráficos os valores da taxa de

deposição, taxa de fusão e rendimento, respectivamente, desta forma fica facilitado

a compreensão dos efeitos dos parâmetros operacionais sobre esses fatores que

indicam o desempenho econômico dos processos.

45

Tabela 4.1 – Resultado das características econômicas. Soldagem FCAW e FCAW-

CW.

Características econômicas Processo

Velocidade de arame eletrodo

(m/min)

Velocidade do arame frio

(m/min) TF

(kg/h) TD

(kg/h) R

(%)

6 - 2,44 1,98 81,2

8 - 3,14 2,53 80,6 FCAW

10 - 3,28 2,64 80,6

1 2,78 2,41 86,6

2 3,41 2,97 87,2 FCAW-CW 6

3 3,76 3,35 89,1

1 3,53 2,92 82,6

3 4,70 4,03 85,7 FCAW-CW 8

5 4,51 3,95 87,5

1 4,28 3,62 84,5

3,5 5,86 5,14 87,7 FCAW-CW 10

6 6,03 5,55 92,0

Os resultados desta tabela 4.1 mostram que o rendimento de deposição

apresentou valores abaixo do recomendado pelo fabricante do arame eletrodo, com

variação em torno de 80,6 a 81,2%, para o processo FCAW, segundo o catálogo do

arame eletrodo utilizado, o rendimento deveria ficar em torno de 86%. Este fato pode

ser explicado neste trabalho, devido se trabalhar fora da faixa recomendada pelo

fabricante, que indica uma tensão de 28V e corrente de 250A para se alcança o

valor de rendimento já citado, lembrando que neste trabalho foi utilizado uma tensão

média de 35,4V e corrente variando entre 175 a 250A , ou seja, a diferença no valor

de tensão pode ser a resposta para o valor de rendimento abaixo do conseguido

pelo fabricante.

A escolha de se trabalhar com valores diferenciados do recomendado pelo

fabricante, está associado a adição do um arame frio, pois esperava-se que fosse

necessário uma quantidade maior de energia para se fundir um arame adicional,

com isso buscou-se trabalhar com o valor máximo recomendade de tensão pelo

fabricante (34V), mas por algum motivo este valor segundo o programa oscilos, ficou

46

estabilizado numa média de 35,4V. Este fato não invalida este trabalho, já que o

mesmo não comprometeu a qualidade superficial do cordão, não houve a presença

de defeitos que os desqualificassem.

Para o processo FCAW-CW os valores de rendimento variaram em torno de

82,6 e 92%. Estes resultados indicam que a maior produtividade alcançada para o

processo FCAW–CW está associada a boa condição operacional e estabilidade do

arco, conforme dados dos oscilogramas e do aspecto superficial do cordão,

analisados em itens anteriores.

Os dados da tabela 4.1 e a sua interpretação gráfica realizada através da

figura 4.1, indicam um quadro geral que demonstra a grande superioridade do

processo FCAW–CW em relação ao processo FCAW.

A seguir, será apresentada a evolução da taxa de deposição obtida das

diferentes condições operacionais de soldagem, com análise focada entre níveis de

velocidade de alimentação (corrente média) mantido um mesmo processo, e entre

processos mantido um mesmo nível de velocidade de arame (corrente média).

A análise da tabela 4.1 mostra que a taxa de deposição aumentou com o

aumento da velocidade de alimentação do arame eletrodo (corrente média), para a

soldagem FCAW, e aumentou com o aumento da velocidade de alimentação do

arame frio, para a soldagem FCAW–CW.

A excelente performance da produção obtida pelo processo FCAW–CW

com predominante superioridade sobre o processo FCAW, pode ser verificada até

mesmo se comparadas as duas condições seguintes, extremas e antagônicas.

Desta forma, tendo as premissas de manutenção da estabilidade de arco voltaico

sido comprovadas e, se estabelecido condições operacionais favoráveis, percebe-se

que, mesmo na condição (supostamente mais favorável) de maior velocidade de

alimentação do arame eletrodo, V(10), a produção (2,64 kg/h) do processo FCAW só

superou a produção (2,41 kg/h) do processo FCAW–CW na sua condição

(supostamente menos favorável) de menor velocidade de alimentação de arame,

V6(1).

Uma outra questão se estabelece importante e carece ser comentada.

Trata-se da análise em temos percentuais da evolução da produção dos dois

processos de soldagem estudados. Potencialmente, existem diferenças apreciáveis

e interessantes. Por exemplo, a produção da soldagem FCAW –CW, na condição

V6(3), superior em cerca de 69% a produção da soldagem FCAW, na condição V6.

47

O mesmo comportamento favorável à soldagem FCAW–CW pode ser verificado nas

seguintes condições: soldagem FCAW–CW, na condição V8(5), produção 56%

maior que na soldagem FCAW na condição V8, e, soldagem FCAW–CW, na

condição V10(6), produção 110% maior que na soldagem FCAW, na condição V10.

Sob o olhar da evolução percentual da produção entre níveis considerado o mesmo

processo, se observa que na soldagem FCAW o aumento na velocidade do arame

eletrodo aumentou a produção em 33%. Já para a soldagem FCAW–CW, o aumento

da velocidade do arame frio aumentou a produção em 39%, considerada a

velocidade do arame eletrodo 6 m/min, em 38%, considerada a velocidade do arame

eletrodo 8 m/min, e em 53%, considerada a velocidade do arame eletrodo 10 m/min.

Finalmente, importa se referir que a menor diferença positiva da produção

foi equivalente a 4,5%, obtida entre a soldagem FCAW–CW na condição V8(1) –

2,92 kg/h, e a soldagem FCAW na condição V10 – 2,64 kg/h. Já a maior diferença

positiva da produção foi equivalente a 110%, obtida entre a soldagem FCAW – CW,

na condição V10(6) – 5,55 kg/h, e a soldagem FCAW, na condição V10 – 2,64 kg/h.

0

1

2

3

4

5

6

6 8 10

Velocidade do arame eletrodo (m/min)

Taxa

de

depo

siçã

o (k

g/h)

FCAWFCAW-CW (V6[1], V8[1] e V10[1]) FCAW-CW (V6[2], V8[3] e V10[3,5]) FCAW-CW (V6[3], V8[5] e V10[6])

Figura 4.17 - Efeito dos parâmetros operacionais sobre a taxa de deposição.

Soldagem FCAW e FCAW-CW.

48

0

1

2

3

4

5

6

7

6 8 10


Taxa

de

fusã

o (k

g/h)


Figura 4.18 - Efeito dos parâmetros operacionais sobre a taxa de fusão. Soldagem

FCAW e FCAW-CW.

74

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

6 8 10


Ren

dim

ento

(%)


Figura 4.19 - Efeito dos parâmetros operacionais sobre o rendimento. Soldagem

FCAW e FCAW-CW.

49

5 CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 5.1 Conclusões

As observações e os resultados obtidos a partir das consultas bibliográficas

e das condições experimentais utilizadas neste trabalho, permitem as seguintes

conclusões.

O estudo da estabilidade do arco realizado através dos oscilogramas de

corrente e de tensão não apresentou curtos-circuitos nas soldagens FCAW e

FCAW-CW, o que somado a regularidade e a facilidade das transferências de

cargas elétricas e de metal sugerem o modo de transferência do tipo spray;

Os cordões depositados pela soldagem FCAW e FCAW-CW apresentaram

bom aspecto superficial e regularidade geométrica, apesar da presença de

pequenos e dispersos defeitos como vermiculoses e respingos;

Mordeduras, porosidade e trincas não foram detectadas em nenhuma solda;

A tendência a uma maior quantidade de respingos nas soldas FCAW-CW

pode ser relacionada a ocasionais instabilidades do processo, provocadas por

vibrações do arame frio ao tocar rápida e aleatoriamente o arame eletrodo

causando interferências na transferência metálica;

O rendimento de deposição para o processo FCAW, 81%, ficou abaixo do

valor previsto pelo fabricante, 86%. O rendimento de deposição para o

processo FCAW-CW ficou entre 82,5 e 92%, sugerindo que a maior produção

alcançada para este processo está associada a introdução do arame frio, às

boas condições operacionais e de estabilidade do arco;

A evolução da produção dos dois processos de soldagem estudados, indica

que o processo FCAW-CW apresentou, em termos percentuais, valores

sempre superiores chegando a 110% na condição V10(6) comparada a

condição V10 da soldagem FCAW;

5.2 Sugestões para trabalhos futuros

• Analisar o desempenho geométrico e metalúrgico das soldas depositadas

pelos processos FCAW e FCAW-CW, de modo a confrontar os resultados das

50

microestruturas encontradas, assim como realizar uma avaliação da zona

termicamente afetada (ZTA);

• Avaliar o comportamento mecânico das soldas depositadas por ambos os

processos;

• Analisar a resistência à corrosão de soldas através de ensaios

eletroquímicos.

• Realizar a soldagem FCAW-CW utilizando outros consumíveis, arame

eletrodo e/ou arame frio;

• Avaliar o efeito do diâmetro do arame na operação de soldagem.

51

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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