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
ESTUDO DA SOLDAGEM FCAW COM ARAME FRIO
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
ESTUDO DA SOLDAGEM FCAW COM ARAME FRIO
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
Figura 4.3 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,
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
Figura 4.6 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,
x
velocidade dos arames V8(1) = 8 –1 m/min......................................... 34
Figura 4.7 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,
velocidade dos arames V8(3) = 8 – 3 m/min.......................................
35
Figura 4.8 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,
velocidade dos arames V8(5) = 8 – 5 m/min.......................................
36
Figura 4.9 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW, velocidade do
arame eletrodo V10 = 10m/min...........................................................
37
Figura 4.10 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,
velocidade dos arames V10(1) = 10 –1 m/min..................................
38
Figura 4.11 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,
velocidade dos arames V10(3,5) = 10 – 3,5 m/min............................
39
Figura 4.12 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW-CW,
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
Figura 4.15 – Aspecto superficial dos cordões depositados em FCAW-CW com
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
Figura 4.16 – Aspecto superficial dos cordões depositados em FCAW-CW com
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
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.
Figura 2.6 – Representação esquemática do sistema com potencial único
(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.
Figura 2.7 – Representação esquemática do sistema com potencial único
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
Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC
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
Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC
21
3.1.2.9 Placa de aquisição e processamento de dados
Modelo: INTERDATA, freqüência de aquisição de 100 kHz por canal.
Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC
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
Figura 4.1 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW, velocidade do
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
Figura 4.3 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
dos arames V6(2) = 6 –2 m/min.
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
Figura 4.4 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
dos arames V6(3) = 6 –3 m/min.
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
Figura 4.5 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW, velocidade do
arame eletrodo V8 = 8m/min.
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
Figura 4.6 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
dos arames V8(1) = 8 –1 m/min.
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
Figura 4.7 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
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
Figura 4.8 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
dos arames V8(5) = 8 – 5 m/min.
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
Figura 4.9 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW, velocidade do
arame eletrodo V10 = 10m/min.
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
Figura 4.10 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
dos arames V10(1) = 10 –1 m/min.
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
Figura 4.11 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
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
Figura 4.12 – Oscilogramas de corrente e tensão. Processo FCAW–CW, velocidade
dos arames V10(6) = 10 – 6 m/min.
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
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.
Figura 4.15 – Aspecto superficial dos cordões depositados em FCAW-CW com
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
Figura 4.16 – Aspecto superficial dos cordões depositados em FCAW-CW com
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
Velocidade do arame eletrodo (m/min)
Taxa
de
fusã
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 4.18 - 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
Velocidade do arame eletrodo (m/min)
Ren
dim
ento
(%)
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 4.19 - 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
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