Instituto de Soldagem e Mecatrônica

Ensino, pesquisa e desenvolvimento em Tecnologia de Soldagem:
processos, procedimentos, equipamentos e instrumentação.
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Processos e Automatização da Soldagem

Data de início: 1989
Sistema Orbital para a Soldagem de Tubulações de Grande Diâmetro

Desenvolvimento cientifico e tecnologico dos processos de soldagem a arco dentro do programa de Produtividade em Pesquisa do CNPq. .
Situação: Em andamento; Natureza: Pesquisa.
Alunos envolvidos: Graduação ( 4) / Especialização ( 1) / Mestrado acadêmico ( 2) / Doutorado ( 2) .
Integrantes: Jair Carlos Dutra - Coordenador.
Financiador(es): Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - Auxílio financeiro.Número de orientações: 14.

DESCRIÇÃO DO PROJETOTopo

1. INTRODUÇÃO 

Resultados de experiências adequadamente conduzidas atestam a não veracidade de muitos paradigmas em temas tecnológicos. Estes paradigmas surgem a partir de dados e informações não adequadamente contextualizadas, sejam em publicações de ampla divulgação, sejam por tradicionalismos de chão de fábrica. Este fato inibe o surgimento de novas idéias e conseqüentemente o desenvolvimento de novas possibilidades tecnológicas. Por exemplo, os livros de ensino da soldagem classificam o processo MIG/MAG como de elevada produtividade, em oposição aos processos TIG e Plasma, considerados lentos. Neste contexto, as pesquisas realizadas nos últimos anos no LABSOLDA/UFSC mostraram resultados que contrariam o que tem sido exposto tradicionalmente. Foi possível mostrar que o processo TIG, bem como o Plasma, além de proporcionarem reconhecidamente alta qualidade e menores emissões (ausência de respingos, reduzidos fumos), podem também apresentar desempenho sensivelmente aprimorado em velocidade por meio de avanços na técnica empregada. A Figura 1 mostra, em caráter didático, diferentes resultados do processo TIG, obtidos pela modificação apenas de diferentes misturas gasosas utilizadas no processo. Fica claro que a eficiência de fusão é altamente dependente do gás e misturas gasosas utilizadas.


Figura 1 – Processo TIG com diferentes gases

Experiências como esta foram conduzidas em trabalho de dissertação de mestrado, onde foi concluído que o processo TIG pode proporcionar soldas com baixíssima eficiência de fusão, mas podendo chegar a níveis idênticos ao do processo MIG/MAG [1]. Foi, portanto, vislumbrada a possibilidade de sua utilização em grande número de aplicações industriais e com várias vantagens, como a completa eliminação de respingos e redução absoluta na geração de fumos, assim como a dispensa da necessidade de material de adição.

2. TECNOLOGIAS E METODOLOGIAS

De maneira geral, a metodologia a ser aplicada no trabalho converge em ações de investigação do arco elétrico, manipulações em hardware e software para comando e controle do arco e de sistemas de automatização e projetos de tochas de soldagem. A metodologia se inicia com permanente acompanhamento da literatura técnico-cientifica pelos membros da equipe.

Serão realizados ensaios de soldagem, com variação nos parâmetros concernentes a cada flanco de desenvolvimento, de maneira automatizada, com aquisição de dados elétricos sincronizados com filmagem em alta velocidade para desenvolvimento de procedimentos e verificação das influências dos parâmetros. Como o projeto prevê desenvolvimentos de processo, será realizada concepção e projeto de estruturas eletro-eletrônicas e mecatrônicas, assim como desenvolvimento dos respectivos softwares de controle. Para isso, serão utilizadas as plataformas computacionais adequadas, protótipos serão construídos, montados e testados.

Já os projetos mecânicos das tochas inovadoras e dispositivos que vierem a se mostrar necessários, serão realizados em ambiente CAD. Protótipos serão construídos, montados e testados. A seguir, são descritas as tecnologias e metodologias específicas para cada flanco do trabalho.

2.1 Movimento Switchback

Um soldador experimentado executa movimentos que não se limitam a acompanhar a junta. Além de oscilar transversalmente à direção da solda, ele executa movimentos de retrocesso a fim de controlar toda a geometria da junta, evitando em certos casos o excesso de penetração. Este retrocesso se afigura como um vai e vem na direção de manufatura do cordão, como ilustrado na Figura 2 e no vídeo disponível em http://www.labsolda.ufsc.br/temp/animacao_switchback.html e é comumente citado na literatura pelo nome de “switchback” [2].

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Figura 2 - Representação esquemática do movimento de “switchback”

Este tipo de movimento modifica a forma como o calor é aplicado na peça. No movimento tradicional de condução da tocha de soldagem com velocidade de avanço constante da fonte calorífica, a energia é aplicada à peça também de maneira constante. Assim, com o aumento da velocidade, a relação quantidade de energia/espessura da peça passa a assumir um papel cada vez mais importante sobre o processo, aumentando a susceptibilidade a falhas do tipo perfuração por excesso de fusão ou “burn-through”. Em muitos casos, principalmente na soldagem automatizada, o equilíbrio é muito tênue do processo de soldagem, onde as variações intrínsecas ao processo MIG vão levar a geração dos defeitos citados anteriormente. Vários autores citam o switchback como solução para a soldagem automatizada com penetração total de chapas quando se tem acesso apenas por um dos lados da junta, sem a utilização de “backings” metálicos ou cerâmicos. Yamane et al [3] citam, para a soldagem MIG, que o movimento gera um pré-aquecimento no momento do avanço para a posterior formação da poça durante o retrocesso e subseqüente novo avanço da tocha. Neste caso, o material aportado, funciona como um colchão que vai melhorar a sustentação da poça e evitar o burn-through. No LABSOLDA/UFSC já foram observados os benefícios desta estratégia de deslocamento da tocha na redução de defeitos do tipo burn-through na soldagem MIG de chapas finas. Entretanto, neste processo, existe maior controle da tensão superficial da poça, pela divisão do calor aportado entre o metal de base e o metal de adição. Por outro lado, em se tratando de processos autógenos, o simples emprego do movimento de switchback na solda pode não diminuir a ocorrência de perfurações e excesso de penetração. Assim, para o processo TIG sem material de adição está sendo estudado o controle da tensão superficial da poça metálica por intermédio da mudança de valores de corrente de soldagem de maneira sincronizada ao movimento. Isto exige a criação de um sincronismo entre fonte de soldagem e o movimento de “ida” e “volta” do método switchback. Os ensaios iniciais foram realizados utilizando um robô industrial, programado para realizar um movimento de oscilação durante o deslocamento na trajetória de soldagem. Esta oscilação foi configurada a um ângulo nulo em relação à direção de soldagem, ou seja, paralelo a esta, para obtenção do movimento de “ida” e “volta”. O problema é que, após consultar o fabricante do robô, ficou claro que o mesmo não permite saber em que ponto do movimento a tocha se encontra, ou seja, não é possível determinar se a tocha está indo ou voltando para sincronizar os valores de corrente. Para superar esta limitação e permitir a sincronização da corrente, será desenvolvido um dispositivo externo para detecção da mudança do sentido de movimento. Este dispositivo utilizará um acelerômetro capacitivo como sensor de movimento fixado à tocha de soldagem, o qual, a partir de um circuito lógico, informa à fonte de soldagem os instantes em que deve ocorrer a mudança de intensidade de corrente elétrica. A Figura 3 ilustra o funcionamento deste sistema.


Figura 3 - Comportamento do sinal de aceleração e corrente de soldagem durante o movimento de switchback

Após o desenvolvimento deste dispositivo, será iniciado o estudo do comportamento e determinação da influência das variáveis elétricas e de movimento, como velocidades e distâncias percorridas no avanço, assim como no retrocesso sobre a qualidade dos cordões de solda obtidos. 

2.2 Processo TIG com Constrição Catódica do Arco

A busca pelo aumento de produtividade em processos de soldagem autógenos se baseia comumente em iniciativas para aumento da concentração da fonte de calor. Para efetiva viabilidade industrial, esta meta deve estar acompanhada de estabilidade da poça de fusão e robustez processual, em termos de repetitividade e imunidade a defeitos. Neste sentido, para aplicações de alta velocidade, o processo de soldagem a Laser mostra, sob determinadas condições, a maior adequação, pois possui alta concentração de energia (da ordem de até 1010 W/cm2 [4]) e não é acometido de dificuldades presentes em processos que utilizam um plasma como fonte calorífica, como sopro magnético e falta de rigidez (instabilidade geométrica) da coluna do arco. No entanto, o Laser é uma tecnologia de alto custo, não só de equipamento, como de peças de reposição, consumíveis, sistemas de automação, sistemas de fixação (o processo é sensível a desalinhamentos e gaps). Isto limita sua adoção, tanto por grandes empresas, como, mais acentuadamente, por pequenas e médias empresas. Todavia, a necessidade por produtividade, para manutenção da competitividade, de maneira sustentável, está presente e crescente em todos os níveis de mercado.

Assim, como alternativa ao Laser para aplicações de alta velocidade de soldagem (i.e. a partir de 2 m/min), surgiu a moderna variante do processo TIG, com constrição catódica do arco. A técnica consiste na utilização de um projeto diferenciado de tocha, que provê uma elevada taxa de refrigeração do eletrodo de Tungstênio (cátodo). Como visto na Figura 4, de [5], que reproduz dados de simulação numérica térmica do eletrodo e do arco para a mesma corrente de soldagem, existem substanciais aumento da temperatura do arco e redução da temperatura do eletrodo para a tocha TIG com constrição catódica, em relação à tocha convencional.


Figura 4 – Temperaturas do arco e do eletrodo previstas numericamente, pelo software CFX, para soldagem a 500 A em tocha TIG convencional [a] e tocha TIG com constrição catódica [b] [5]

A tecnologia da constrição catódica se baseia em uma manipulação do fenômeno de emissão termiônica, que viabiliza a soldagem a eletrodos permanentes. Este fenômeno consiste na emissão espontânea de elétrons, portadores de carga para a corrente de soldagem, e depende da temperatura da superfície do eletrodo. Uma das duas hipóteses que existe para explicação da melhoria da concentração de calor é derivada de observações em [6] para o processo MIG/MAG em corrente direta (eletrodo negativo), seria que a área com temperatura suficiente para emissão termiônica é constringida pela alta refrigeração do eletrodo. Isto tem duas conseqüências. Primeiramente, se tem maior densidade de corrente de soldagem, pois a área condutora é menor. Em segundo lugar, novamente, devido a menor capacidade de emissão de elétrons pelo eletrodo, é necessária maior ionização do gás, ou seja, aumento de íons disponíveis para transportar carga elétrica e manter a corrente de soldagem.

Um aspecto, no entanto, difere do exposto para as outras técnicas TIG mencionadas para aplicações de alta velocidade. No caso da constrição catódica, a velocidade do jato plasma e a pressão do arco são maiores que no TIG convencional, o que poderia ter efeito prejudicial (a Figura 5, de [5], mostra resultados medições a esse respeito). Porém, aplicações industriais são mostradas, nas quais a qualidade foi mantida em soldas de até 3,9 m/min a 480 A.


Figura 5 – Pressão do arco e tensão do arco medidas para soldagem TIG convencional e TIG com contrição catódica (CF TIG, tracejado na figura), para diferentes correntes de soldagem [5]

Sendo assim, fará parte da metodologia do presente projeto, um estudo sobre as limitações desta técnica, com parametrização para diferentes condições de soldagem / aplicações. Isto inclui manipulação das misturas gasosas de proteção. Também serão realizadas ações no sentido de se otimizar a geometria da tocha, buscando simplificar sua fabricação, melhorar seu desempenho e adequá-la a diferentes aplicações.

2.3 Soldagem TIG Multi-Cátodo

A soldagem TIG multi-cátodo emprega dois eletrodos de tungstênio na mesma tocha de soldagem em circuitos de soldagem independentes, cada qual com sua respectiva fonte de potência. A soldagem então é realizada por meio de um arco único (“coupling arc”), composto pela interação dos arcos gerados nos dois eletrodos pelas fontes de soldagem (Figura 6[7]).


Figura 6 – Esquema de um sistema de soldagem TIG multi-cátodo [7, adaptado]

O arco resultante do acoplamento possui menor pressão, fato que diminui a ocorrência de descontinuidades no cordão de solda e possibilita incrementos na corrente e velocidade de soldagem [8]. Na Figura 7 observam-se as distribuições da pressão de arco para diferentes correntes de soldagem em função da localização do centro do arco, para o processo TIG convencional e para o processo TIG multi-cátodo. É possível notar, ainda na mesma figura, que para correntes da ordem de 300 A, a pressão de arco para o processo TIG multi-cátodo fica reduzida a um quinto da pressão de arco com o processo TIG convencional (atentar para as diferentes escalas de pressão).


Figura 7 – Distribuição da pressão de arco para diferentes correntes em função da distância do centro do arco para o processo TIG convencional [a] e para o processo TIG multi-cátodos [b] [8] (atentar para as diferentes escalas de pressão)

Se a pressão de arco é excessiva, a peça será perfurada por excesso de penetração, sobretudo em processos de soldagem que requerem elevadas correntes, defeitos como humping e mordeduras aparecerão [9]. A Figura 8 ilustra a relação entre os defeitos de soldagem e os parâmetros empregados.


Figura 8 – Figura esquemática da influência dos parâmetros de soldagem na aparência do cordão de solda [9]

Se a pressão de arco for mantida em níveis adequados, com a seleção correta dos parâmetros de soldagem, este processo poderá ser aplicado em condições de elevadas correntes e velocidade de soldagem sem a ocorrência de defeitos.

2.4 Referências

  • [1] SCHWEDERSKY, M. B. Um estudo da eficiência e produtividade dos principais processos de soldagem a Arco. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Universidade Federal de Santa Catarina. 2011.
  • [2] JINA, B., FURUJYOA, A., OHSHIMA, K. Welding International, Volume 14, Issue 1, p. 19-25, 2000.
  • [3] YAMANE, S., YAMAMOTO, H., KANEKO, Y., OSHIMA, K. Science and Technology of Welding and Joining, Volume 11, Issue 5, p. 586-592, 2006.
  • [4] GEBERT, A. et al. Plasma-Pulver-Auftragschweissen. Oberflächentechnik, n.1, p. 56-60. München, 1996
  • [5] SCHNICK, M. et al. Cathode focussed TIG – Fundamentals and Applications . IIW Document 1985-10
  • [6] LESNEWICH, A. Control of Melting Rate and Metal Transfer in Gas-Shielded Metal-Arc Welding Part I – Control of electrode Melting Rate. Welding Research Supplement, p. 343-353, Aug. 1958.
  • [7] LENG, X., ZHANG, G., WU, L. Science and Technology of Welding and Joining, p. 550-554. 2006.
  • [8] LENG, X., ZHANG, G., WU, L. Journal of Physics D: Applied Physics. 39, p. 1120–26. 2006.
  • [9] ALLUM, C. J. Journal of Physics D: Applied Physics. 14, p. 1041–59. 1981.

 

INOVAÇÃOTopo

Como escrito na descrição do projeto, a adjetivação de “pouco produtivo” para o processo TIG tem de ser passada em revista. O ciclo produtivo de soldagem obtido no LABSOLDA/UFSC para um dos compressores herméticos da indústria de refrigeração, denominado EM pela empresa EMBRACO, está sendo o mesmo do que para o processo MIG/MAG, ou seja, de 25 s. O significativo avanço reside no fato de que não é necessário material de adição, o que no processo MIG/MAG é de aproximadamente 50 g por compressor. Considerando um custo de R$ 3,00 por kg de arame de adição, resulta em R$ 0,15 por compressor, cifra que aparentemente é exígua, mas que, considerando a produção mundial de 120.000.000 de compressores por ano, resulta em uma economia anual de 6 mil toneladas de aço trefilado e cerca de 18 milhões de Reais. Além da vantagem financeira para as empresas, do ponto de vista ambiental a superioridade do TIG é cabal e evidente, em comparação com o que é realizado com o processo MIG/MAG, pois, além do desempenho em solda, comparado na Figura 9 e no vídeo disponível em http://www.labsolda.ufsc.br/temp/compressor.wmv, se reduz o consumo do aço que seria utilizado em forma de arame.




Figura 9 – Comparação qualitativa entre os índices de emissão de poluentes: [a] Processo MIG/MAG; [b] Processo TIG

Outras incursões com a mesma filosofia estão sendo realizadas em outros ramos da indústria metal-mecânica. Para a indústria automobilística, por exemplo, estão sendo obtidas peças, conforme a Figura 10, com 1,0 m/min de velocidade de soldagem, já superior ao que é obtido com o atual processo MIG/MAG.


Figura 10 - Componente de suspensão do setor automobilístico soldado pelo LABSOLDA/UFSC com o processo TIG sem necessidade de material de adição

Entretanto, as conquistas até agora atingidas estão encontrando dificuldades de serem aplicadas na prática por diferentes razões. Uma delas é de ordem tecnológica, pois o LABSOLDA ainda não conseguiu reduzir o índice de falhas nos compressores a um nível abaixo de 10%, quando no processo MIG/MAG é de apenas 1%. Outra razão é de ordem humana, pois houve mudança de estratégia administrativa na empresa que financiava os ensaios dos compressores. A empresa EMBRACO devido à mudança de um presidente engenheiro, para um presidente administrador, parou a colaboração com o LABSOLDA para a continuidade do desenvolvimento. Eles somente estão aplicando recursos nas temáticas inerentes ao aprimoramento termodinâmico dos compressores. No estágio do desenvolvimento alcançado pelo LABSOLDA, para baixar o citado índice de retrabalho, a empresa teria de investir uma quantia em equipamentos de automatização (robôs antropomórficos) que não poderia ser amortizada em menos de dois anos. Com a cessação de iniciativas nesta linha, perde o meio ambiente, pois se continuará a poluir mais e a consumir toneladas de aço desnecessariamente, e perde o LABSOLDA/UFSC e o país, em não poderem ver uma boa opção tecnológica, totalmente nacional, em aplicação na prática. Com a indústria automobilística tem-se conseguido apenas apoios inconstantes e que foram interrompidos pela venda do setor de autopeças da empresa Thyssen Krupp. Assim, os recursos do prêmio FINEP serão utilizados para a continuidade das experimentações com implementação de versatilidades no intuito de otimizar as tecnologias geradas, conforme plano aqui descrito.

IMPACTOSTopo

Como escrito na descrição do projeto, resultados de experiências adequadamente conduzidas atestam a não veracidade de muitos paradigmas em temas tecnológicos. Estes paradigmas surgem a partir de dados e informações não adequadamente contextualizadas, sejam em publicações de ampla divulgação, sejam por tradicionalismos de chão de fábrica. Este fato inibe o surgimento de novas idéias e conseqüentemente o desenvolvimento de novas possibilidades tecnológicas. Dentro deste contexto, o processo TIG é considerado tradicionalmente de baixa produtividade, conforme algumas afirmações encontradas em diferentes livros de soldagem, como por exemplo: “Trata-se de processo muito lento” segundo Quites [10]; “é relativamente caro e lento, com baixa produtividade” segundo Marques [11]; “a produtividade ou rendimento do processo é baixo, quando comparados à soldagem com eletrodos revestidos” segundo Marques et al [12]; “A maior limitação da soldagem TIG é a sua baixa produtividade” segundo Cary [13].

Outra realidade notadamente observada nas indústrias, é que a maior parte das aplicações do TIG é manual, com baixo índice de automatização, consistindo principalmente de soldagem de raiz, soldagem de componentes com menor espessura ou soldagem para a realização de reparos. Tais aplicações, manuais por natureza, tendem a apresentar baixa velocidade de soldagem, e também correntes de soldagem de baixa intensidade.

No caso de um procedimento automatizado, visando aplicação com elevada velocidade, torna-se necessária a soldagem com correntes maiores para possibilitar a fusão da quantidade de material necessária, à medida que se aumenta a velocidade de soldagem. O problema é que quando se utilizam correntes de soldagem maiores que 250 A para realizar a soldagem autógena (sem adição de arame), o comportamento da poça de fusão apresenta mudanças e solidifica de maneira descontínua com morfologia semelhante ao apresentado na Figura 11, gerando falhas que são denominadas “humping”. Esse tipo de descontinuidade é o principal problema que restringe a aplicação do processo em situações de elevada produtividade.


Figura 11 - Cordão soldado pelo processo TIG. A e B são secções transversais de regiões típicas do defeito de solda denominado humping

As pesquisas realizadas nos últimos anos pelo LABSOLDA/UFSC geraram resultados que permitiram a utilização do processo em velocidades consideravelmente maiores sem ocorrência dos defeitos apresentados, expandindo a possibilidade e viabilizando a aplicação deste processo no setor industrial. Os resultados alcançados estão ancorados em dois flancos principais: o estudo e entendimento das variáveis do processo, onde os principais parâmetros do processo foram explorados com emprego de novas misturas gasosas de melhor desempenho, conforme apresentado na Figura 1 (descrição do projeto), e o desenvolvimento de equipamentos mecatrônicos para o controle do processo, como por exemplo, o equipamento AVC “arc voltage control”, sendo que diferentes versões foram desenvolvidas no LABSOLDA/UFSC para atender os requisitos do processo, as quais estão mostradas na Figura 12. Usando essa tecnologia desenvolvida pela pesquisa acadêmica, foi possível obter soldagem TIG com elevada velocidade, chegando a 1,5 m/min na soldagem de fechamento dos compressores para refrigeração.


Figura 12 - Evolução do sistema mecânico do AVC feito no LABSOLDA/UFSC. 1: Primeiro protótipo desenvolvido para testes. 2: Segundo protótipo desenvolvido; 3: Terceiro protótipo desenvolvido; 4: AVC fixado ao robô antropomórfico para soldagem do compressor

Existem ainda vantagens na automatização, como maior facilidade de posicionamento do arco (programação do TCP, Tool Central Point) e técnicas de controle em tempo real da altura da tocha. Em caráter didático, são apresentadas na Figura 13 as fusões comparativas produzidas pelo processo MIG/MAG e TIG, com potência utilizada similar. Nesta figura é possível ver que o TIG consegue atingir a mesma profundidade de penetração. Isso mostra que o processo pode ser empregado com produtividade semelhante ao MIG/MAG em situações onde não é obrigatório o uso de material de adição.


Figura 13 - Comparação entre o processo MIG/MAG e o processo TIG

A partir desta constatação foram desenvolvidos procedimentos de soldagem que podem ser classificados como ecologicamente corretos, limpos e mais sustentáveis com relevância industrial. Um dos casos foi para a solda do corpo e tampa, no fechamento de compressores herméticos. Atualmente, estes compressores são soldados com o processo MIG/MAG, no qual é utilizado material de adição e, tendo em vista as condições de alta produtividade exigida, a operação resulta em elevados índices de emissão, com grande perda de material por salpicagem e alto potencial de poluição, conforme é possível se perceber pela Figura 8, que mostra também o procedimento desenvolvido com o processo TIG, sem detrimento à velocidade de soldagem.

Referências

  • [10] QUITES, A. M. Introdução à soldagem a arco voltaico. 2ª edição. Florianópolis: Soldasoft, 2002.
  • [11] MARQUES, P. V. Tecnologia da Soldagem. 1ª. ed. Belo Horizonte: ESAB, v. 01. 352 p. 1991.
  • [12] MARQUES, P. V., MODENESI, P. J., BRACARENSE, A. Q. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2005.
  • [13] CARY, H. B. Modern Welding Technology. 6a ed. Editora Pearson, New Jearsey, 2005.

 

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