17 Monografia Marcelo Pedrosa v18 _Versao Final_

1

MARCELO FERREIRA PEDROSA

Comparativo do Desempenho de Soldagem para o Proces so GMAW Metal Cored com Fonte Pulsada e Gás de Proteção Rico em A rgônio Versus o Processo FCAW Convencional com Proteção Gasosa de C O2 e Gás de

Proteção Rico em Argônio

Monografia apresentada ao Instituto SENAI de Educação Superior, como requisito parcial para conclusão do curso de Especialização em Engenharia de Soldagem.

Orientador: Alexandre Schwenck

Rio de Janeiro

2013

2

Qualquer parte dessa obra poderá ser reproduzida, desde que citada a fonte. Presidente da FIRJAN Eduardo Eugenio Gouvêa Vieira Diretora Regional SENAI-RJ – Superintendente do SES I Maria Lúcia Telles Diretora de Educação Andréa Marinho de Souza Franco Gerente de Educação Profissional Regina Helena Malta do Nascimento Gerente do Instituto SENAI de Educação Superior Mauro Luiz de Oliveira Pina Coordenação de Pós-Graduação - Área de Solda Jorge Wanderley Ribeiro

PEDROSA, M. F.

Comparativo do Desempenho de Soldagem para o

Processo GMAW Metal Cored com Fonte Pulsada e Gás de

Proteção Rico em Argônio Versus o Processo FCAW Convencional

com Proteção Gasosa de CO2 e Gás de Proteção Rico em

Argônio. Rio de Janeiro: FIRJAN/SENAI - Instituto SENAI de

Educação Superior, 2012. 100 p.

Orientador: Alexandre Schwenck

Bibliografia : f. 15 – 69.

1. Alma Metálica (Metal Cored). 2. Soldagem semi-automática. 3.

Arame tubular com proteção gasosa. 4. Arco pulsado. 5. Transferência

em curto-circuito controlado. 6. Aço carbono.

3

MARCELO FERREIRA PEDROSA

COMPARATIVO DO DESEMPENHO DE SOLDAGEM PARA O PROCES SO GMAW METAL CORED COM FONTE PULSADA E GÁS DE PROTEÇÃ O RICO

EM ARGÔNIO VERSUS O PROCESSO FCAW CONVENCIONAL COM PROTEÇÃO GASOSA DE CO 2 E GÁS DE PROTEÇÃO RICO EM ARGÔNIO

Monografia apresentada ao Instituto SENAI de Educação Superior e aprovada como requisito parcial para a conclusão do curso de Especialização em Engenharia de Soldagem.

Aprovado em: 07/12/2013

BANCA EXAMINADORA

Alexandre Schwenck, Especialista Instituto SENAI de Educação Superior

Ari Sauer Guimarães, D.Sc. Instituto SENAI de Educação Superior

Jorge Wanderley Ribeiro, MSc Instituto SENAI de Educação Superior

4

Dedico este trabalho aos meus pais, irmãos e irmã

que souberam entender a minha ausência na

busca deste importante conhecimento.

Marcelo Ferreira Pedrosa

5

AGRADECIMENTOS

À Deus, pela saúde e energia em todos os momentos de dificuldades.

À minha namorada, pela paciência.

Ao amigo, Marcos Müller Lobato, pelo apoio técnico.

Ao Sr. Paulo Cesar pelas sugestões e soldas realizadas.

A White Martins pela disponibilização do laboratório de soldagem - CTR.

A Alumaq, distribuidor ITW Welding Brasil, por ter fornecido os equipamentos de

soldagem e materiais de adição.

Aos amigos de classe por fazerem de cada sábado um dia especial

Aos mestres, pela dedicação, paciência e empenho durante as aulas.

Marcelo Ferreira Pedrosa

6

“Julgue seu sucesso pelas coisas que você teve

que renunciar para conseguir”.

(Dalai Lama)

7

RESUMO

Cada vez mais as empresas buscam obter alguma vantagem competitiva diante dos

seus concorrentes, seja por aumento de produtividade, redução de custo em seus

processos produtivos ou melhor qualidade dos seus produtos. Neste cenário, os

fornecedores de consumíveis, equipamentos e acessórios veem dispondo de

inúmeros produtos e combinações dos mesmos para auxiliar seus clientes no

alcance de seus objetivos de obterem juntas soldadas a um menor custo por quilo

de metal depositado e/ou maior qualidade da junta e/ou com ganho em

produtividade.

O presente trabalho objetiva apresentar o resultado de testes comparativos entre o

arame tubular com pó metálico (metal cored) com fonte pulsada e gás de proteção

rico em Argônio e o processo FCAW tradicionalmente utilizado com fontes

convencionais contendo 100% CO2 em juntas de topo e ângulo. Os testes foram

realizados em equipamentos hoje utilizado por empresas do setor de construção e

montagem visando evidenciar os benefícios promovidos pelo conjunto: Fonte de

energia + Consumível + Gás de proteção. Formando um sistema ideal para a

soldagem de alta performance.

O estudo apresenta a maior produtividade do processo metal cored frente ao arame

tubular, além de proporcionar redução no custo de soldagem.

Palavras-chave: Alma metálica (metal cored). Soldagem semi-automática. Arame tubular

com proteção gasosa. Arco pulsado. Transferência em curto-circuito controlado. Aço

carbono.

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Eletrodos de carbono não consumível ................................................. 16

Figura 2.2 - Eletrodo revestido para soldagem a arco elétrico ................................ 17

Figura 2.3 - Modelo de tocha desenvolvida por Meredith ....................................... 19

Figura 2.4 - Sola pelo processo GTAW a esquerda e PAW a direita ..................... 21

Figura 2.5 - Evolução dos processos de soldagem ao longo do tempo .................. 22

Figura 2.6 - Processo de soldagem FCAW a esquerda e GMAW – arame alma

metálica a direita ............... .............................................................................................. 23

Figura 2.7 - Equipamentos básicos para soldagem FCAW e GMAW – ARAME

ALMA METÁLICA ............................................................................................................ 23

Figura 2.8 - Representação esquemática de transferência por curto-circuito ......... 25

Figura 2.9 - Transferência globular ......................................................................... 26

Figura 2.10 - Corrente de transição .......................................................................... 27

Figura 2.11 - Transferência em spray - o arco não extingue pois o arame não

toca a peça............... ....................................................................................................... 27

Figura 2.12 - Principais tipos de transferências metálica .......................................... 28

Figura 2.13 - Comparação das penetrações dos cordões de solda em função do

gás de proteção............... ................................................................................................ 31

Figura 2.14 - Efeito do gás de proteção no perfil do cordão. .................................... 32

Figura 2.15 - Esquema mostrando o princípio de alimentação elétrica das fontes

de soldagem............... ..................................................................................................... 36

Figura 2.16 - Fontes de soldagem do tipo transformador ......................................... 37

Figura 2.17 - Variações dos transformadores de soldagem ...................................... 38

Figura 2.18 - Primeiro retificador ............................................................................... 39

Figura 2.19 - Diodo de silício montado e com suas respectivas partes .................... 40

Figura 2.20 - Formas de retificação em um circuito elétrico ...................................... 40

Figura 2.21 - Característica estática de fonte de corrente constante ........................ 42

Figura 2.22 - Característica estática de fonte de tensão constante .......................... 42

Figura 2.23 - Declividade nas fontes convencionais de característica plana –

sloper ............................ .................................................................................................. 43

Figura 2.24 - Característica dinâmica de uma fonte de tensão constante, a

esquerda e corrente constante a direita .......................................................................... 45

9

Figura 2.25 - Diagrama esquemático de uma fonte tiristorizada monofásica e

Efeito do tempo de disparo do tiristor na forma de onda da corrente de saída ............... 47

Figura 2.26 - Sistema hidráulico de funcionamento análogo a um transistor de

potência. (a) Corrente da base (Ib) nula, circuito principal interrompido. (b) Corrente

da base pequena, corrente principal (I) proporcional a Ib. (c) Ib acima de seu valor de

saturação Isat, corrente principal passa livremente. ......................................................... 48

Figura 2.27 - Princípio de funcionamento de uma fonte transistorizada analógica ... 49

Figura 2.28 - Técnicas de modulação para controle da saída. a) Modulação da

frequência b) Controle da largura do pulso ..................................................................... 50

Figura 2.29 - Princípio de funcionamento de uma fonte transistorizada chaveada ... 50

Figura 2.30 - Princípio de funcionamento de uma fonte inversora ............................ 51

Figura 2.31 - Comparação da velocidade de subida da corrente na abertura do

arco para uma fonte tiristorizada e uma fonte inversora. Intervalo entre traços: 10ms2 .. 52

Figura 2.32 - Transferência pulsada ......................................................................... 53

Figura 2.33 - Diagrama esquemático de uma onda do tipo corrente pulsada e

transferência do metal esquemático ................................................................................ 54

Figura 2.34 - O controle sinérgico ............................................................................. 55

Figura 2.35 - Representação esquemática de transferência sinérgica por curto

circuito controlado RMDTM ............................................................................................... 56

Figura 2.36 - Representação esquemática de transferência sinérgica pulsada

ProPulseTM........... ........................................................................................................... 57

Figura 2.37 - Influência da inclinação da tocha no perfil e penetração do cordão

de solda............... ............................................................................................................ 61

Figura 3.1 - Fonte de soldagem e maleta SAP ....................................................... 70

Figura 3.2 - Balança utilizada .................................................................................. 70

Figura 3.3 - Visual do programa SAP ...................................................................... 71

Figura 3.4 - Corpo de prova para posição 3G ......................................................... 72

Figura 3.5 - Corpo de prova para posição 2F e 3F ................................................. 72

Figura 3.6 - Execução do plano de coleta de dados ............................................... 75

Figura 4.1 - Oscilogramas CP17 e CP11 ................................................................ 78

Figura 4.2 - Oscilograma CP19 ............................................................................... 79

Figura 4.3 - Comparativo de custo entre os processos testados ............................ 79

Figura 4.4 - Oscilogramas CP03 e CP01 respectivamente ..................................... 81

Figura 4.5 - Oscilogramas CP18 e CP12 respectivamente ..................................... 82

10


Figura 4.7 - Oscilogramas CP15 e CP33 respectivamente (raiz). ........................... 84

Figura 4.8 - Oscilogramas CP16 e CP35 respectivamente (raiz) ............................ 84

Figura 4.9 - Oscilogramas CP5 e CP7 respectivamente (raiz/RMDTM) ................... 85

Figura 4.10 - Oscilogramas CP33 e CP35 respectivamente (contra-solda) .............. 86

Figura 4.11 - Comparativo de custo entre os processos para passe de raiz com

RMDTM, contra-solda e backing cerâmico para a posição de soldagem 3G .................... 87

Figura 4.12 - Oscilogramas CP15 e CP33 respectivamente

(enchimento/acabamento). .............................................................................................. 88






Figura 4.16 - Limpeza da margem da solda .............................................................. 90

Figura 4.17 - Comparativo de custo mensal entre os processos testados ................ 92

11

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Fator de operação utilizado conforme o processo de soldagem .......... 66

Tabela 3.1 - Plano de coleta de dados na posição 2F ............................................. 73

Tabela 3.2 - Plano de coleta de dados na posição 3F ............................................. 74

Tabela 3.3 - Plano de coleta de dados na posição 3G ............................................ 74

Tabela 4.1 - Dados técnicos na posição de soldagem 2F ....................................... 78

Tabela 4.2 - Dados técnicos na posição de soldagem 3F ....................................... 80

Tabela 4.3 - Dados técnicos do passe de raiz na posição de soldagem 3G ............ 83

Tabela 4.4 - Dados técnicos da contra-solda para a posição de soldagem 3G ....... 85

Tabela 4.5 - Dados técnicos do passe de raiz com RMDTM, contra-solda e

backing cerâmico para a posição de soldagem 3G ......................................................... 86

Tabela 4.6 - Dados técnicos dos demais passes da posição de soldagem 3G ....... 87

Tabela 4.7 - Valores médios na posição de soldagem 3G ....................................... 89

Tabela 4.8 - Valores médios do custo de soldagem ................................................ 91

12

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ........................... ............................................................. 14

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................ .................................................. 15

2.1 - UMA BREVE HISTÓRIA DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM ........................ 15

2.2 - PROCESSOS FCAW E GMAW-ARAME ALMA METÁLICA ............................. 22

2.3 - FORMAS DE TRANSFERENCIA METÁLICA ................................................... 24

2.3.1 - TRANSFERÊNCIA POR CURTO-CIRCUITO .............................................. 24

2.3.2 - TRANSFERENCIA GLOBULAR .................................................................. 25

2.3.3 - TRANSFERENCIA EM SPRAY ................................................................... 26

2.3.4 - OUTRAS FORMAS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA .............................. 28

2.4 - GASES PARA PROTEÇÃO DA POÇA DE FUSÃO .......................................... 28

2.5 - FONTES PARA SOLDAGEM ............................................................................ 33

2.5.1 - FONTES CONVENCIONAIS ........................................................................ 33

2.5.1.1 - ALIMENTAÇAO ELÉTRICA DAS FONTES CONVENCIONAIS .......... 34

2.5.1.2 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO .................................................... 35

2.5.1.3 - FONTE DE SOLDAGEM - TRANSFORMADOR ................................. 36

2.5.1.4 - FONTE DE SOLDAGEM - RETIFICADOR .......................................... 39

2.5.1.4 - CURVAS CARACTERÍSTICAS ........................................................... 41

2.5.1.5.1 - CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DAS FONTES ................................ 41

2.5.1.5.2 - CARACTERÍSTICA DINÂMICA DAS FONTES ................................ 44

2.5.2 - FONTES COM CONTROLE ELETRÔNICO ................................................ 45

2.5.2.1 - FONTES TIRISTORIZADAS ................................................................ 47

2.5.2.2 - FONTES TRANSISTORIZADAS ANALÓGICAS ................................. 48

2.5.2.3 - FONTES TRANZISTORIZADAS CHAVEADAS .................................. 49

2.5.2.4 - FONTES INVERSORAS ...................................................................... 51

2.5.2.5 - FONTES ELETRÔNICAS PULSADAS ................................................ 52

2.5.2.6 - FONTES ELETRÔNICAS SINÉRGICAS ............................................. 54

2.5.3 - CONTROLE ADAPTATIVO .......................................................................... 57

2.6 - PRINCIPAIS VARIAVEIS DO PROCESSO ....................................................... 58

2.7 - INDICADORES DE PRODUTIVIDADE E CUSTOS EM SOLDAGEM ............... 62

2.7.1 - INDICADORES DE PRODUTIVIDADE EM SOLDAGEM ....................... 63

2.7.2 - CUSTOS DE SOLDAGEM ...................................................................... 67

CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS .................. .................................................... 69

13

3.1 - O EQUIPAMENTO E MATERIAIS UTILIZADOS .......................................... 69

3.2 - DETALHES DOS CORPOS DE PROVA ...................................................... 71

3.3 - INFORMAÇÃO DOS MATERIAIS DE ADIÇÃO ............................................ 72

3.4 - PLANO DE COLETA DE DADOS................................................................. 73

3.5 - DETALHE DA EXECUÇÃO DO PLANO DE COLETA DE DADOS .............. 75

3.6 - INDICADORES DE PRODUTIVIDADE E CUSTOS DE SOLDAGEM ......... 76

CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO ............... ............................................... 76

4.1 - POSIÇÃO DE SOLDAGEM HORIZONTAL (2F)........................................... 77

4.2 - POSIÇÃO DE SOLDAGEM HORIZONTAL (3F)........................................... 80

4.3 - POSIÇÃO DE SOLDAGEM VERTICAL (3G) ............................................... 82

4.4 - ANÁLISES DE CENÁRIOS COM BASE NA CADEIA DE VALOR DO

CLIENTE ............................................................................................................... 91

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES ........................... ............................................................ 93

CAPÍTULO 6 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........... ........................................... 96

CAPÍTULO 7 - SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..... .............................. 100

14

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

O mercado brasileiro vem crescendo a cada ano, devido principalmente aos investimentos de infraestrutura feitos pelo governo federal, assim como pelo setor de energia que estima investimento de R$ 1 trilhão até 2020. Tendo especial atenção os setores de energia, óleo & gás, hidrelétricas e fontes alternativas como usinas eólicas, térmicas, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas (1).

Para atender essa demanda com competitividade, as empresas do setor de construção e montagem precisam realizar investimentos para melhoria dos processos produtivos. A não realização desse investimento possibilita a entrada de concorrentes internacionais, principalmente asiáticos, com menores custos de produção e de tempo de entrega das obras.

Em virtude da globalização as empresas brasileiras vêm a cada ano substituindo cada vez mais processos de soldagem manuais por processos semiautomáticos que possibilitam melhor diluição dos custos operacionais. Tal fato é comprovado pela larga utilização do processo arame tubular (FCAW) na soldagem dos aços ao carbono.

A diminuição dos processos manuais por outros mais produtivos vêm ocorrendo há mais tempo nos países ditos “desenvolvidos”. Nesses países é comum a utilização de robôs, dispositivos de automação, tochas refrigeradas a água e etc., mesmo em clientes de pequeno porte.

Assim como o processo MIG/MAG quando foi implementado no Brasil, o processo arame tubular é largamente utilizado hoje em dia com proteção gasosa do tipo 100% de dióxido de carbono (CO2) em detrimento a outras misturas disponíveis no mercado. Muitos usuários aderem a “moda”, mas não fazem uma pergunta básica: Qual o melhor processo para a sua produção? (2)

É comum a utilização de um processo de soldagem único em toda a unidade fabril. Muitas vezes o processo de soldagem escolhido é definido para soldar a junta na condição mais adversa que o cliente irá enfrentar. Tal atitude provoca significativa perda de produção na execução das juntas de mais fácil acesso.

A análise mais recomendada seria a utilização dos processos de soldagem de acordo com cada grau de dificuldade e também do volume de juntas a ser executado afim de não se restringir o processo a uma única possível solução que pode gerar perdas produtivas e/ou econômicas, na cadeia de valor.

15

O presente estudo irá apresentar um comparativo econômico entre os processos semiautomáticos que utilizam arame tubular (FCAW e GMAW – Arame Alma Metálica), nas posições de soldagem horizontal e vertical. Também será levado em consideração o percentual de juntas soldadas em cada uma dessas posições normalmente encontradas em empresas que executam estruturas metálicas no mercado brasileiro.

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1- UMA BREVE HISTÓRIA DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM

Desde os tempos antigos, estudos e pesquisas arqueológicas vêm revelando as

maneiras que os povos da antiguidade utilizavam sua sabedoria para unir os metais,

o mesmo princípio está presente nos tempos atuais, soldar na sua concepção mais

simples é garantir a continuidade metálica utilizando-se meios capazes de garantir

esta união. Hoje dispomos de mais de 40 processos de soldagem qualificados que

abrangem uma extensa faixa de aplicações.

Desde a Revolução Industrial por volta de 1850, tornaram-se crescentes inúmeras

invenções e pesquisas tecnológicas. Ainda no século XIX, contribuições

importantíssimas das pesquisas realizadas pelos cientistas daquela época no campo

da termodinâmica e eletricidade resultaram em Leis Físicas, que revolucionaram as

aplicações com inúmeras outras invenções.

Acompanhando toda esta evolução, a soldagem teve sua importância, vários

estudiosos procuravam aprimorar suas técnicas de soldagem dos metais. Esta

união de forma localizada, mostrava uma tendência pelos processos que pudessem

produzir de alguma forma um calor concentrado, sendo este suficiente para fundir a

região onde se deseja unir, denominada com junta.

O desenvolvimento da soldagem no século XIX, a partir de 1850, destaca-se pela

aplicação dos eletrodos de carbono não consumível (CAW - Carbon Arc Welding) -

16

figura 2.1, originando o Processo de Soldagem ao Arco Elétrico e também pela

aplicação da Soldagem e Corte por chama, utilizando gases combustíveis com o

oxigênio.

Figura 2.1 – Eletrodos de carbono não consumível (3)

No século XX, logo na primeira década Oscar Kjellberg em 1906 (figura 2.2),

revolucionou a aplicação do eletrodo metálico consumível, com a invenção do

Eletrodo Revestido para Soldagem a Arco Elétrico (SMAW – Shielded Metal Arc

Weldind). A utilização da chama oxiacetilênica para Solda e Corte, difundiu-se

rapidamente pelo desenvolvimento de maçaricos de baixa pressão do gás

combustível (Acetileno). A Soldagem denominada como Thermit foi inventada pelo

alemão Goldsmith e o seu propósito era a união de trilhos da linha férrea, processo

este que é até hoje utilizado.

17

Figura 2.2 – Eletrodo Revestido para Soldagem a Arc o Elétrico (4)

Com a Primeira Guerra Mundial houve uma demanda acelerada para a produção de

equipamentos bélicos a nível industrial. Muitas empresas fabricantes de

equipamentos de soldagem e consumíveis instalaram-se na América e na Europa,

para satisfazer a demanda produtiva das indústrias bélicas e naval. A Inglaterra

construiu seu primeiro navio soldado, o H.M.S. Fulagar; os Holandeses começaram

a produzir aviões de guerra com a fuselagem soldada.

Imediatamente após a Primeira Guerra Mundial, em 1919, sob o comando de Avery

Adams com vinte membros associados, fundaram a AWS (American Welding

Society), uma organização sem fins lucrativos, dedicada ao avanço tecnológico da

soldagem e processos afins.

Na década de 1920, a soldagem automática foi introduzida pela General Eletric,

utilizando arame/eletrodo nu com corrente contínua (DC), o controle da alimentação

de arame era feito tomando-se por base o aspecto do arco elétrico. Este processo

teve sua aplicação na recuperação de rodas de guindastes e nos eixos traseiros dos

automóveis.

Neste mesmo período foi percebido que o oxigênio e o nitrogênio da atmosfera eram

nocivos para a soldagem com eletrodo (nu) sem revestimento, causando fragilidade

do cordão de solda e porosidades. Devido a este problema, deu-se início a um

trabalho de pesquisa para utilizar uma proteção gasosa que a isolasse do meio

atmosférico. Várias tentativas foram realizadas, inicialmente com eletrodos de

carbono e depois com tungstênio sob uma atmosfera protetora de hidrogênio

18

atômico confinada em uma câmara, esta aplicação foi usada durante os anos de

1930 a 1940, somente para casos especiais de soldagem e também nos aços para

ferramentaria.

Ainda neste período H.M. Hobart e P.K. Devers, estavam fazendo um trabalho

similar com proteção gasosa, utilizando os gases argônio e hélio com eletrodo de

tungstênio. A patente foi solicitada em 1926, descrita basicamente que o arco

elétrico está envolto por uma proteção gasosa inerte. Este trabalho foi o precursor

do Processo GTAW. Também apresentaram outro sistema, utilizando um bocal

concêntrico e com um eletrodo sendo alimentado como um arame diretamente do

bocal. Este foi o precursor do Processo GMAW. Nenhum destes processos foram

desenvolvidos naquela ocasião.

O Processo de Soldagem Automática que ficou extremamente popular foi o Arco

Submerso, desenvolvido pela National Tube Company para aplicação na soldagem

longitudinais de tubos. Este processo foi patenteado em 1930 e vendido depois para

a Linde Air Products Company, que renomeou para Unionmelt welding. Sua

aplicação mais comum nos anos 40 foi nos estaleiros e nas indústrias de

equipamentos pesados. É um Processo de Soldagem muito produtivo e até hoje

possui aplicação em vários segmentos da indústria.

Com a iminência da II Guerra Mundial, estavam em desenvolvimento os aviões de

guerra (caças) constituído em liga leve, dentre estas ligas estava o magnésio. Os

Engenheiros da Northrup Aircraft Company, em conjunto com a Dow Chemical

Company, começaram um programa de desenvolvimento de um processo capaz

para a soldagem do magnésio. O Processo com proteção gasosa inerte outrora

desenvolvidos por Hobart e Devers era ideal para a soldagem das ligas de

Magnésio, Aço Inoxidável e também as ligas de Alumínio. Este processo foi

aperfeiçoado e patenteado em 1941, por Meredith que o nomeou Heliarc, isto

porque o gás de proteção utilizado era o hélio.

A figura 2.3 mostra um modelo de tocha desenvolvida por Meredith. Depois foi

autorizado a Linde Air Products o desenvolvimento das tochas refrigeradas à água.

19

O GTAW (Gás Tungsten Arc Wending – TIG), se tornou um dos mais importantes

Processos de Soldagem.

Figura 2.3 – Modelo de tocha desenvolvida por Mered ith (5)

Outro conceito inventado por Hobart e Devers foi o GMAW (Gas-shielded Metal Arc

Welding), que fora desenvolvido com sucesso pelo Battelle Memorial Institute em

1948, com o patrocínio da Air Reduction Company. Este desenvolvimento foi similar

ao GTAW, porém o eletrodo de tungstênio foi substituído por um arame consumível

de alimentação contínua. Uma das mudanças básicas que tornaram este processo

mais aceitável foi o uso de diâmetros menores do arame/eletrodo e a utilização de

fontes de energia com característica de tensão constante (CV).

Este princípio já havia sido patenteado por H.E. Kennedy. Inicialmente o Processo

GMAW, com o gás argônio (MIG), foi indicado para soldagens de metais não

ferrosos, particularmente o Alumínio de grandes espessuras. A alta taxa de

deposição deste processo conduziu em várias tentativas de utilização para o aço

carbono. O custo do gás inerte estava relativamente alto e naquele momento as

verbas não estavam imediatamente disponíveis.

Em 1953, Lyubavskii e Novoshilov anunciaram a soldagem com uso de eletrodos

consumíveis em atmosfera de gás CO2 (Gás Carbônico)-MAG. Este processo

imediatamente foi utilizado com os mesmos equipamentos do processo GMAW, que

devido ao baixo custo do CO2 ficou economicamente viável sua aplicação na

20

soldagem dos aços carbono. A utilização de diâmetros menores de arames, facilitou

sua aplicação e surgiu uma transferência diferente da Spray que foi denominada

como short arc (curto-circuito).

Esta transferência possibilitou melhor controle do aporte térmico, permitindo

soldagens em todas as posições. Obteve grande aceitação e foi aplicado na maioria

das indústrias.

Outra variação do GMAW, foi a adição de pequenas quantidades de oxigênio com

argônio, facilitando a soldagem em Spray. Aplicação que foi muito utilizada na

soldagem de equipamentos agrícolas na década de 60 nos Estados Unidos. O mais

recente avanço para aplicação do processo GMAW, é a utilização do arco pulsado.

Logo após a introdução do gás CO2 no processo GMAW, foi desenvolvida uma

variação deste processo com utilização arame/eletrodo especial. O arame foi

descrito como de seção transversal tubular, contendo no seu interior um fluxo,

podendo utilizar os mesmos equipamentos para o processo GMAW.

Este novo processo foi chamado de Flux Cored Arame - Dualshield (Arame Tubular -

dupla proteção gasosa), uma das proteções vem de uma fonte externa de gás, como

o GMAW, a outra é gerada pelo próprio fluxo . Bernard foi o inventor deste processo

em 1954, mas somente foi patenteado em 1957.

Em 1959, foi produzido outro arame tubular com características semelhantes à

invenção de Bernard, este no entanto não necessitava de uma fonte externa de gás.

Seu fluxo interno gerava uma quantidade suficiente de gás de proteção, que ficou

denominado como Self-shield (proteção própria). Inicialmente a soldagem

apresentava inúmeros problemas, visto como um processo sem qualidade.

A ausência de um gás de proteção externo deu popularidade ao processo,

entretanto, inicialmente limitou-se às aplicações não críticas. Atualmente ambos os

Processos Dualshield e Self-shield são amplamente aplicados aumentando cada vez

mais sua participação no mercado.

21

O Processo de Soldagem por Arco Plasma é similar ao Processo GTAW (TIG) e foi

desenvolvido por Gage em 1957. Neste processo o Arco Plasma formado é forçado

a passar por orifícios calibrados, esta constrição concentra o potencial calorífico do

Arco Plasma com elevadas temperaturas mais alta que o arco do Processo GTAW

(figura 2.4). O Arco Plasma é utilizado no Processo de Metalização por jato spray e

amplamente aplicado no Processo de Corte dos metais não ferrosos e ferrosos. A

soldagem por Arco Plasma possui uma denominação de Micro Plasma, sendo

utilizado para soldagem de chapas finas, menor que 0,5mm. Materiais que formam

óxidos refratários de alta temperatura como Alumínio e Magnésio, são restritos a

aplicação deste processo.

Figura 2.4 – Sola pelo processo GTAW a esquerda e P AW a direita (6)

Os processos que foram mencionados são os mais utilizados mundialmente, uma

outra gama de processos que não foram aqui citados são de aplicações mais

específicas.

A soldagem por Laser, por exemplo, é uma das mais recentes aplicação e ainda

específica. Como observamos pelo curso natural da História, a evolução trás novos

desenvolvimentos capazes de atender sempre a uma nova concepção. Por maior

que seja a sofisticação tecnológica o propósito será sempre a facilidade de sua

aplicação, visando a qualidade dos resultados obtidos como também o nosso

crescimento profissional.

Na figura 2.5 mostra a evolução dos processos de soldagem ao longo do tempo.

22

Figura 2.5 – Evolução dos processos de soldagem ao longo do tempo (7)

2.2- PROCESSOS FCAW E GMAW-ARAME ALMA METÁLICA

Tanto o processo Flux Cored Arc Welding (FCAW) e o Processo GMAW – Arame

Alma metálica, aqui agora chamado de MCAW (Metal Cored Arc Welding), são

processos de soldagem ao arco que produzem a coalescencia de metais pelo

aquecimento destes com um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico

tubular, contínuo, consumível e o metal de base. Para o processo FCAW a proteção

do arco e do cordão é feita por uma escória formada pelo fluxo contido dentro do

eletrodo que pode ou não ser suplementada por uma proteção gasosa adicional

fornecida por uma fonte externa. Quando a proteção do arco e da poça de fusão é

realizada unicamente pela queima do fluxo em pó, o processo é dito FCAW com

arame autoprotegido e quando se utiliza da proteção gasosa adicional o processo é

dito FCAW com proteção gasosa. Este trabalho não tratará do processo FCAW

autoprotegido. Já o processo GMAW – Arame Alma metálica, a proteção do arco e

do cordão é realizada unicamente pela proteção gasosa assim como o processo

Gás Metal Arc Welding (GMAW), figura 2.6.

23

Figura 2.6 – Processo de soldagem FCAW a esquerda e GMAW – arame alma metálica a direita (8)

Os equipamentos de soldagem empregados em ambos os processos são

basicamente os mesmos diferenciando-se quanto alguns recursos

sinérgicos/adaptativos sejam necessários para alguma determinada aplicação ou

posição de soldagem, figura 2.7.

Figura 2.7 – Equipamentos básicos para soldagem FC AW e GMAW – Arame Alma Metálica (8)

Na seção 2.5 (Fontes de Soldagem) será melhor detalhado as características dos

equipamentos disponíveis no mercado.

As transferências metálicas no processo arame tubular e metal cored, além de

serem em função dos parâmetros de soldagem empregados, são também em

24

função do gás ou mistura gasosa utilizada, porem ambos os processos possuem os

mesmos tipos de transferência, sejam elas por curto-circuito, globular, spray

(goticular) ou suas variações. Como será visto na seção 2.3 (Formas de

Transferência).

2.3- FORMAS DE TRANSFERENCIA METÁLICA

Dentre as características fundamentais de operacionalidade e eficiência do

processo, estão os modos de transferência do metal de adição, pois afetam a

habilidade de soldar em varias posições, a profundidade de penetração da solda, a

estabilidade da poça de fusão e a quantidade de respingos. (9,10)

O modo como o metal fundido se transfere desde o eletrodo para a peça , é

determinado por complexas interações de forças, as quais são influenciadas pelos

seguintes principais fatores: Natureza do gás de proteção, polaridade e tipo

(contínuo ou pulsado) da corrente, densidade de corrente, tensão, extensão do

eletrodo após o contato elétrico, composição química e diâmetro do eletrodo,

características específicas da fonte de potência, pressão do ambiente.

Em consequência de uma particular combinação de todos os fatores envolvidos, o

metal se transfere da ponta do eletrodo em um dos modos apresentados a seguir.

2.3.1- TRANSFERÊNCIA POR CURTO-CIRCUITO

Transferência alcançada a um baixo nível de corrente/tensão e diâmetros de

eletrodo. No caso do processo FCAW a transferência e determinada pelo fabricante

ou tipo de escória/fluxo do arame. Este tipo de transferência produz uma poça de

fusão pequena e de rápido resfriamento que é geralmente utilizada para unir seções

finas, para soldagem fora de posição e para fechar grandes aberturas de raiz. A

ponta do arame vai se fundindo pela ação do arco elétrico e aumenta de tamanho

até atingir a peça, onde o arco se extingue. A gota então é destacada e transferida a

peça pela ação de forças eletromagnéticas e o efeito “pinch” que é o

25

estrangulamento da ponta do arame. Neste momento ocorre a reignição do arco

elétrico onde a corrente atinge o valor de corrente de curto circuito gerando os

respingos. Nenhum metal é transferido através do arco. A figura 2.8 ilustra o

processo de transferência por curto circuito.

Figura 2.8 – Representação esquemática de transfer ência por curto-circuito (11)

Embora a transferência ocorra somente durante o curto circuito, a composição do

gás de proteção tem efeito importante na tensão superficial do metal fundido.

Mudanças na composição do gás podem afetar o tamanho da gota e a duração do

curto circuito. Adicionalmente, o tipo de gás influencia as características de

operação. Dióxido de carbono geralmente produz altas quantidades de respingos

comparados com gases inertes, mas também produz uma penetração mais alta.

Para encontrar uma boa combinação entre respingos e penetração, misturas de CO2

e argônio são frequentemente utilizadas na soldagem de aços carbono e baixa liga.

Adições de helio ao argônio aumentam a penetração em metais não ferrosos (11).

2.3.2- TRANSFERENCIA GLOBULAR

Tipo de transferência obtida com nível de energia maior que no curto-circuito.

Entretanto, com dióxido de carbono e hélio, este tipo de transferência ocorre em

toda a faixa de corrente. Nesta transferência, o metal se projeta por gotas de

diâmetro bem maior que o diâmetro do arame, principalmente quando se utiliza o

26

gás CO2 como gás de proteção. Com isto, temos uma geração excessiva de

respingos. A figura 2.9 mostra o processo de transferência globular.

Figura 2.9 – Transferência globular (7)

Com este tipo de transferência pode-se trabalhar somente na posição plana devido

ao grande volume da gota e a alta fluidez da poça de fusão.

2.3.3- TRANSFERENCIA EM SPRAY

Esta transferência também necessita de alta energia de soldagem ocorrendo em

níveis de corrente acima do valor denominado corrente de transição, figura 2.10 ,

onde abaixo desta corrente, a transferência ocorre em modulo globular e acima

desta corrente, a transferência ocorre em forma de pequenas gotas que são

formadas e destacadas a uma taxa de centenas por segundo (11).

27

Figura 2.10 – Corrente de transição (7)

A gota na ponta do eletrodo diminui de diâmetro, devido à menor tensão superficial

causada pelo aumento da temperatura. A transferência em spray não é alcançada

quando se utiliza o CO2 puro ou misturas com mais de 25% de CO2 como gás de

proteção, porém é possível observar que misturas de argônio com mais de 15% de

teor de CO2 aumenta o valor da corrente de transição globular-goticular, bem como

aumenta as instabilidades do arco e da transferência metálica, refletindo em uma

elevação na quantidade de ruídos proporcional ao aumento do teor de CO2 na

mistura (12).

A transferência em spray proporciona alta taxa de deposição (produtividade), grande

penetração com pouquíssima geração de respingos, já que o arco elétrico não

apaga. A figura 2.11 ilustra o processo.

Figura 2.11 – Transferência em spray - o arco não extingue pois o arame não toca a peça (13)

28

Na figura 2.12 verifica-se os modos de transferência metálica descritos acima.

Figura 2.12 – Principais tipos de transferências m etálica (9)

2.3.4- OUTRAS FORMAS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA

Outros modos de transferência como curto-circuito controlado (RMDTM, STTTM,

CMTTM e FastRootTM) e transferência por corrente pulsada (ProPulseTM, Aristo

SuperPulseTM, etc) são na realidade variações das formas de transferências até aqui

explicadas mas com recursos sinérgicos que estão associadas a característica das

fontes e recursos eletrônicos desenvolvidos por cada fabricante de maquina, como

poderá ser visto mais adiante.

2.4- GASES PARA PROTEÇÃO DA POÇA DE FUSÃO

A principal função dos gases de proteção é eliminar o contato do ar atmosférico com

o metal fundido. Isto é necessário devido a forte tendência dos metais, quando

aquecidos até o seu ponto de fusão, de formarem óxidos e, em menor extensão,

nitretos, resultando em soldas deficientes, com retenção de escória, porosidade e

consequente fragilização no cordão de solda (11).

A contaminação é causada principalmente pelo nitrogênio (N2), oxigênio (O2) e vapor

d'água (H2O) presentes na atmosfera. Como exemplo, o nitrogênio no aço

solidificado reduz a ductilidade e a tenacidade da solda e pode causar fissuração.

Em grandes quantidades o nitrogênio pode causar também porosidade. O oxigênio

em excesso no aço combina-se com o carbono e forma o monóxido de carbono

(CO), que pode ser aprisionado no metal, causando porosidade. Além disso, o

29

oxigênio em excesso pode se combinar com outros elementos no aço e formar

compostos que produzem inclusões no metal de solda — o manganês (Mn) e o

silício (Si), por exemplo. Quando o hidrogênio (H), presente no vapor d'água e no

óleo, combina-se com o ferro (Fe) ou com o alumínio (Al), resultará em porosidade e

pode ocorrer fissuração sob cordão no metal de solda.

Para evitar esses problemas associados com a contaminação da poça de fusão, três

gases principais são utilizados como proteção: argônio (Ar), hélio (He) e dióxido de

carbono (CO2). Além desses, pequenas quantidades de oxigênio (O2), nitrogênio

(N2) e hidrogênio (H2) provaram ser benéficas em algumas aplicações. Desses

gases, apenas o argônio e o hélio são gases inertes. A compensação para a

tendência de oxidação dos outros gases é realizada pelas formulações especiais

dos arames.

O argônio, o hélio e o dióxido de carbono podem ser empregados puros, em

combinações ou misturados com outros gases para proporcionar soldas livres de

defeitos numa variedade de aplicações e processos de soldagem.

Como visto, precauções devem ser tomadas no sentido de excluir o oxigênio, o

nitrogênio e vapor d'água do ar atmosférico das proximidades da poça de fusão

através de um gás de proteção.

Em adição ao fornecimento de atmosfera de proteção, o gás e o fluxo de gás

produzem efeitos importantes nas seguintes variáveis:

• Características do arco;

• Modo de transferência;

• Velocidade de soldagem;

• Tendência ao trincamento;

• Ação de limpeza;

30

• Propriedades mecânicas do metal de solda;

• Penetração e forma do cordão de solda.

As propriedades básicas dos gases de proteção que afetam o desempenho do

processo de soldagem incluem:

• Propriedades térmicas a temperaturas elevadas;

• Reação química do gás com os vários elementos no metal de base e no

arame de solda;

• Efeito de cada gás no modo de transferência de metal e estabilidade do

arco.

A condutividade térmica do gás à temperatura do arco influencia a tensão do arco

bem como a energia térmica transferida à solda. Quando a condutividade térmica

aumenta, maior tensão de soldagem é necessária para sustentar o arco. Por

exemplo, a condutividade térmica do hélio e do dióxido de carbono é muito maior

que a do argônio; devido a isso, aqueles gases transferem mais calor à solda.

Portanto, o hélio e o dióxido de carbono necessitam de uma tensão de soldagem

maior para manter o arco estável.

A compatibilidade de cada gás com o arame e o metal de base determina a

adequação das diversas combinações de gases. O dióxido de carbono e a maioria

dos gases de proteção contendo oxigênio não devem ser utilizados na soldagem do

alumínio, pois se formará o óxido de alumínio (Al2O3). Entretanto, o dióxido de

carbono e o oxigênio são úteis às vezes e mesmo essenciais na soldagem dos aços.

Eles promovem estabilidade ao arco e uma boa fusão entre a poça de fusão e o

material de base. O oxigênio é bem mais reativo que o dióxido de carbono.

Consequentemente, as adições de oxigênio ao argônio são geralmente menores que

12% em volume, enquanto o dióxido de carbono puro pode ser empregado na

soldagem de aços doces. Os arames de aço devem conter elementos fortemente

desoxidantes para suprimir a porosidade quando usados com gases oxidantes,

31

particularmente misturas com altos percentuais de dióxido de carbono ou oxigênio e

especialmente o dióxido de carbono puro, o efeito dessa reação são óxidos, aqui

chamados de ilhas de silicatos, formados sobre o cordão de solda, onde quanto

maior o percentual destes gases oxidantes na mistura ou na forma pura, tanto maior

será a formação desses silicatos com consequente redução na eficiência de

deposição de metal.

Os gases de proteção também determinam o modo de transferência do metal e a

profundidade à qual a peça é fundida, ou seja a profundidade de penetração, figura

2.13. A transferência por aerossol não é obtida quando o gás de proteção é rico em

CO2. Por exemplo, misturas contendo mais que 18% CO2 não exibem uma

verdadeira transferência em aerossol. Até certo ponto, misturas até 30% CO2 podem

apresentar um arco com um aspecto semelhante ao aerossol a altos níveis de

corrente, mas são incapazes de manter a estabilidade do arco obtida com misturas

de menores teores de CO2. Os níveis de respingos também tenderão a aumentar

quando as misturas forem ricas em CO2, com impacto direto nos índices de

produtividade como eficiência de deposição e velocidade de soldagem e

consequentemente nos custos de soldagem.

Figura 2.13 – Comparação das penetrações dos cordõ es de solda em função do gás de proteção (14)

A proteção do arco por argônio puro causa um arco irregular e uma tendência à

trinca de raiz. Adições de pequenas porcentagens de oxigênio ou CO2 produzem

notável melhora na estabilidade do arco e produzem soldas livres de trincas de raiz.

A quantidade ótima de oxigênio ou CO2 a ser acionada depende da condição da

superfície, geometria da junta, posição ou técnica de soldagem e da composição do

metal base.

32

O dióxido de carbono é um gás reativo grandemente utilizado na sua forma pura

para soldagem em aços carbono e baixa liga. É o único gás reativo utilizado sozinho

para proteção de soldas GMAW, GMAW – Arame Alma metálica (MCAW) e FCAW.

Altas velocidades de soldagem, grandes penetrações e baixo custo do gás são

características gerais que tem encorajado o uso do CO2.

A transferência pode ser por curto circuito ou globular. Com transferência globular, o

arco é rude com alto nível de respingo, o que exige utilização de práticas de

soldagem para minimizar estes fatores.

Adições de dióxido de carbono ao argônio podem melhorar a aparência do cordão

de solda. Adicionando-se de 1 a 9% de oxigênio ao gás melhora-se a fluidez da

poça se fusão, penetração e estabilidade do arco. Oxigênio também diminui a

corrente de transição. A tendência a trinca de raiz é reduzida, apesar de

considerável oxidação da solda ocorrer, com notável perda de sílica e manganês.

A figura 2.14 mostra os efeitos na geometria do cordão, quando são utilizados

gases e misturas diferentes de gases: Ar + 1 a 5% O2, 75% Ar + 25% CO2 e 100%

CO2 (9).

Figura 2.14 – Efeito do gás de proteção no perfil do cordão (9)

Misturas de Argônio com dióxido de carbono são utilizadas em aços carbono e baixa

liga e em menor extensão em aços inoxidáveis. Adições de dióxido de carbono

acima de 25% aumentam a corrente de transição, aumentam perda de respingos,

aumentam a penetração e diminuem a estabilidade do arco. Misturas de

Argônio/CO2 são primariamente utilizadas em aplicações com transferência de curto

circuito, mas também são utilizadas com spray e arco pulsado.

33

2.5- FONTES PARA SOLDAGEM

A soldagem a arco exige um equipamento (fonte de energia ou máquina de

soldagem) especialmente projetado para esta aplicação e capaz de fornecer tensões

e corrente cujos valores se situam, em geral, entre 10 e 40V e entre 10 e 1.200A,

respectivamente. Desde as últimas décadas do século passado, tem ocorrido um

vigoroso desenvolvimento (ou mesmo uma revolução) no projeto e construção de

fontes para soldagem associados com a introdução de sistemas eletrônicos para o

controle nestes equipamentos. Atualmente, pode-se separar as fontes em duas

classes básicas: (a) máquinas convencionais, cuja tecnologia básica vem das

décadas de 1950 e 60 (ou antes), e (b) máquinas "eletrônicas", ou modernas, de

desenvolvimento mais recente (décadas de 1970, 80, 90 e 2000). No Brasil, ainda a

grande maioria das fontes fabricadas são convencionais. Em países do primeiro

mundo, a situação é bastante diferente. No Japão por exemplo, desde a década de

80, as fontes fabricadas para os processos GTAW e GMAW são, na grande maioria,

tiristorizadas ou eletrônicas. Nos Estados Unidos, mais da metade das fontes

comercializadas para o processo GMAW são eletrônicas.

2.5.1- FONTES CONVENCIONAIS

As fontes de energia convencionais podem ser classificadas de diversas formas,

sendo que somente o tipo não caracteriza completamente uma máquina. Em

qualquer caso, entretanto, o controle da potência é realizado através da alteração da

resistência dos campos magnéticos.

Os seguintes grandes grupos são geralmente aceitos:

Máquinas Rotativas: nesses equipamentos, a potência é gerada pelo próprio

sistema, com seu ajuste realizado através de chaves, as quais reconectam

diferentes bobinas. Os tipos usuais, com suas principais características, são:

1. Gerador movido por motor elétrico: é produzida corrente contínua, com curvas

características tombante ou plana.

34

2. Gerador movido por motor a explosão interna: com corrente contínua, as

curvas características podem ser plana, tombante, ou de dois tipos. Naquele

que produz corrente alternada, a curva característica é somente tombante.

Máquinas Estáticas: neste caso, a potência é convertida, com o seu ajuste obtido

por variação da indutância, através de meios mecânicos, elétricos, eletrônicos, ou

alternando o acoplamento das bobinas. Os dois principais tipos e suas

características são:

1. Transformador: produz somente corrente alternada e sua característica é

tombante.

2. Retificador: quando produz corrente contínua, a curva característica pode ser

tombante, plana ou ambas.

Uma máquina de solda ainda pode ser classificada pelo seu ciclo de trabalho, no

qual a mesma, operando com corrente e tensão específicas, não sofre excessivo

aquecimento interno.

A compreensão destes fatores são importantes, pois levam a escolha de um

equipamento de soldagem adequado a necessidade de aplicação.

2.5.1.1- ALIMENTAÇAO ELÉTRICA DAS FONTES CONVENCIONAIS

Os equipamentos de soldagem quanto à sua alimentação elétrica podem ser

trifásicos ou monofásicos, corrente alternada com frequência de 50 e/ou 60 Hz. A

tensão de alimentação do equipamento deverá ser compatível com a tensão de

alimentação da rede.

Para que um equipamento seja trifásico ou monofásico, dependerá basicamente do

propósito quanto ao mercado alvo para sua aplicação, capacidade máxima de

corrente de soldagem, o processo de soldagem, entre outras considerações.

35

As Fontes Monofásicas, possuem aplicações mais comuns na de faixa de corrente

de soldagem até 200 A com baixo ciclo de trabalho (cerca de 25%), como pequenos

transformadores ou retificadores para o Processos Eletrodo Revestido, TIG e

também o MIG/MAG. São de concepção simples tornando o produto de baixo custo,

atendendo satisfatoriamente o seu mercado consumidor. Nos equipamentos TIG

AC/DC convencional, independente de sua capacidade serão sempre monofásicos.

As Fontes Trifásicas, são de construção mais elaborada, pois trabalham com um

sistema de alimentação que possui a vantagem de um fluxo de potência constante

em relação ao sistema Monofásico. De uma forma geral os equipamentos

retificadores de capacidades elevadas, a partir de 250A até fontes de 1000 A, faixa

esta de corrente de soldagem mais utilizada industrialmente, serão produtos de

alimentação trifásica.

É aconselhável consultar o Manual Técnico Operacional do Equipamento de

Soldagem. Nele estará contido todas as informações pertinentes ao produto,

inclusive as características de alimentação. A placa de identificação fixada no

equipamento, poderá também ser observada a informação quanto à sua ligação

entre outras informações de instalação. Nos equipamentos que estão desprovidos

do cabo de alimentação, neste caso, deverá necessariamente consultar o Manual

Técnico Operacional.

2.5.1.2- PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

As fontes de soldagem recebem uma alimentação elétrica da rede com

características específicas, figura 2.15, o qual, não atendem ao propósito da

soldagem. A energia de solda possui características de baixa tensão e alta corrente,

contudo a fonte de soldagem deverá conter elementos capazes para realizar tais

transformações na energia de alimentação, a fim de adequá-las.

36

Figura 2.15 – Esquema mostrando o princípio de alim entação elétrica das fontes de soldagem (15)

O transformador contido nas fontes de soldagem é o principal elemento que isola a

energia de alimentação da energia de soldagem, ele também faz a primeira

transformação da energia. Seu projeto está em função da potência que o

equipamento deverá dispor e da frequência de alimentação da corrente alternada.

Por ser um elemento de alta potência, os transformadores de solda possuem um

aquecimento natural em todo bobinamento. Os fabricantes conferem ao

transformador classes de isolamento térmico, para que não sejam comprometidas as

bobinas do primário e secundário.

O sistema de exaustão (ventilação forçada) é de extrema importância, pois, ajuda a

dissipar e controlar o aquecimento nos componentes internos de potência de uma

fonte de soldagem, porem pode indicar um equipamento sub-dimenssionado.

2.5.1.3- FONTE DE SOLDAGEM - TRANSFORMADOR

As Fontes de Soldagem do tipo Transformador, são utilizadas desde 1920. Foi

inventado por Holslag, que também idealizou a onda quadrada da corrente

alternada, na intenção que o arco elétrico ficasse mais estável. Naquela época a

utilização do processo de Eletrodo Revestido era muito utilizado e este tipo de

37

equipamento associou-se muito bem ao processo, ficando igualmente popular sua

aplicação.

O princípio de funcionamento das fontes de soldagem do tipo transformador,

encontra-se representado na figura 2.16.

Figura 2.16 – Fontes de soldagem do tipo transforma dor (15)

Os transformadores de soldagem são ditos abaixadores de tensão, isto porque a

tensão de saída é menor que a tensão de entrada, devido às características da

energia de solda.

Para que o equipamento possua uma regulagem variável da energia de solda, é

necessário variar também o campo magnético a partir do secundário do

transformador, a figura 2.17 mostra os métodos mais comuns de variação por

acionamento mecânico.

Figura 2.17 – Variações

Método 1: colocando-se um resistor em série na saída do secundário com ajuste por

diferentes posições.

Método 2: através de uma chave comutadora por “tape”, diretamente na saída do

secundário.

Método 3: introduzindo um reator variável no circuito secundário.

Método 4: movimentando o secundário ou primário um em relação ao outro através

de um fuso roscado.

Método 5: movimentando o

roscado.

Método 6: colocando-se um

entre o primário e o secundário.

Variações dos transformadores de soldagem

se um resistor em série na saída do secundário com ajuste por

através de uma chave comutadora por “tape”, diretamente na saída do

introduzindo um reator variável no circuito secundário.

movimentando o secundário ou primário um em relação ao outro através

movimentando o núcleo de um reator secundário através de um fuso

se um núcleo com variação mecânica através de um fuso

entre o primário e o secundário.

38

dos transformadores de soldagem (15)

se um resistor em série na saída do secundário com ajuste por

através de uma chave comutadora por “tape”, diretamente na saída do

introduzindo um reator variável no circuito secundário.

movimentando o secundário ou primário um em relação ao outro através

de um reator secundário através de um fuso

com variação mecânica através de um fuso

39

Os problemas mais comuns dos equipamentos por acionamento mecânico é a

vibração no conjunto, provocando folgas indesejáveis no acionamento, deixando o

ajuste do manípolo sem precisão e consequentemente a estabilidade do arco

elétrico será comprometida. As regulagens por controles elétricos, tais como, os

reostatos e os potenciômetros eliminam partes móveis e facilitam a regulagem

remota dos parâmetros elétricos (corrente e tensão) da soldagem.

As fontes de soldagem do tipo Transformador são monofásicos e fornecem energia

de solda em corrente alternada (AC), sendo também de fácil manutenção e de baixo

custo, fatores que o tornaram bastante atrativos. O uso da corrente alternada reduz

o efeito do sopro magnético no arco elétrico, mas o numero limitado de eletrodos

que trabalham com corrente alternada o impedem de serem aplicados com mais

frequência na indústria.

2.5.1.4- FONTE DE SOLDAGEM - RETIFICADOR

O primeiro retificador foi construído em 1930, conforme mostra a figura 2.18. Estas

fontes são comumente chamadas de retificadores, devido a um elemento muito

importante denominado de Ponte Retificadora, formada basicamente de diodos que

possuem um elemento semicondutor (silício), que retifica a corrente alternada

proveniente do secundário do transformador, em corrente contínua retificada.

Figura 2.18 – Primeiro retificador (15)

A figura 2.19 mostra em

respectivas partes.

Figura 2.19 – Diodo de silício montado e com suas respectivas par tes

A figura 2.20 mostra as formas de retificação em um circuito elétrico, a partir da

alimentação monofásica ou trifásica da corrente alternada.

Figura 2.20 – Formas de retificação em um circuito elétrico

Verificamos que a retificação simples (figura 2.

meia-onda, permite somente a retificação da metade de cada ciclo senoidal da

mostra em sequencia um diodo de silício montad

Diodo de silício montado e com suas respectivas par tes

mostra as formas de retificação em um circuito elétrico, a partir da

alimentação monofásica ou trifásica da corrente alternada.

Formas de retificação em um circuito elétrico

Verificamos que a retificação simples (figura 2.20–a), conhecido como retificador de

onda, permite somente a retificação da metade de cada ciclo senoidal da

40

um diodo de silício montado e com suas

Diodo de silício montado e com suas respectivas par tes (15)

mostra as formas de retificação em um circuito elétrico, a partir da

Formas de retificação em um circuito elétrico (15)

a), conhecido como retificador de

onda, permite somente a retificação da metade de cada ciclo senoidal da

41

corrente alternada monofásica. Esta retificação simples não tem aplicação para

soldagem.

Outra forma de retificação, ainda na corrente alternada monofásica, é a utilização de

uma ponte retificadora com quatro diodos (figura 2.20–b). A retificação será de onda

completa, melhorando sua qualidade, mesmo assim filtros capacitores e indutores

deverão ser utilizados para melhorar a condição mais plana desta retificação.

A retificação dos circuitos trifásicos, apresentam uma considerável melhoria da

corrente retificada, utilizando-se os mesmos princípios do circuito monofásico,

conforme mostra na (figura 2.20–c e d).

2.5.1.5- CURVAS CARACTERÍSTICAS

2.5.1.5.1- CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DAS FONTES

O funcionamento de uma fonte de energia depende fundamentalmente de suas

características estáticas e dinâmicas. Ambas afetam a aplicabilidade do fonte para

um dado processo de soldagem e a sua estabilidade, mas de uma forma diferente.

Características estáticas se relacionam aos valores médios de corrente e tensão de

saída da fonte determinados, em geral, pela aplicação de uma carga resistiva.

Para a fonte regulada em uma dada condição, as suas características estáticas

podem ser representadas na forma de uma curva característica estática obtida

através de testes com diferentes cargas resistivas. Alterando-se a regulagem da

fonte alteram uma nova curva característica pode ser obtida. Exemplos destas

curvas são, algumas vezes, publicados pelo fabricante no manual de sua fonte.

Com base na forma de suas curvas características, uma fonte convencional pode

ser classificada como de corrente constante ou de tensão constante.

42

Quando a soldagem é realizada manualmente, em processos tais como SMAW,

PAW e GTAW, onde o soldador controla manualmente o comprimento do arco é

impossível manter um preciso controle sobre este comprimento. Portanto para que

não ocorra excessiva alteração na corrente de soldagem, a curva estática da fonte

deve ser do tipo “corrente constante” (ou tombante), tal como ilustrado na figura

2.21.

Figura 2.21 – Característica estática de fonte de c orrente constante (15)

Fontes com característica de pequenas alterações na tensão e grandes flutuações

da corrente são denominadas de tensão constante. Conforme a figura 2.22,

considerando o comprimento inicial do arco, é grande o efeito sobre a corrente,

quando esse comprimento aumenta, ou diminui, pois altera a tensão. Fontes de

tensão constante permitem grandes variações de corrente em resposta a mudanças

do comprimento do arco durante a soldagem Este comportamento permite o controle

do comprimento do arco por variações da corrente de soldagem (e, portanto, da taxa

de fusão do arame) em processos de soldagem nos quais o arame é alimentado

com uma velocidade constante, por exemplo, nos processos GMAW e SAW.

Figura 2.22 – Característica estática de fonte de t ensão constante (15)

43

Nas fontes convencionais de característica plana, sempre existe uma pequena

declividade, que denominamos como sloper, tipicamente 2 V por cada 100 A,

causada pela impedância interna do circuito e conexões. A figura 2.23 mostra esta

curva.

Figura 2.23 – Declividade nas fontes convencionais de característica plana – sloper (15)

É importante considerar que esta declividade seja fator para melhorar a estabilidade

do arco elétrico, sendo recomendado as seguintes declinações:

1. Declividade de 1,5 a 2V por cada 100 A: para MIG gás inerte na soldagem em

spray, arco submerso ou eletrodo tubular de grande diâmetro.

2. Declividade de 2 a 3V por cada 100 A: para processo MAG (CO2) ou eletrodo

tubular de pequeno diâmetro.

3. Declividade de 3 a 4V por cada 100 A: para processo com transferência por

curto-circuito.

Este tipo de curva característica é geralmente utilizado em processos nos quais o

eletrodo (arame) é continuamente alimentado, porque mantém o comprimento do

arco constante, apesar das possíveis flutuações que o mesmo possa sofrer.

44

2.5.1.5.2- CARACTERÍSTICA DINÂMICA DAS FONTES

Características dinâmicas de uma fonte envolvem as variações transientes de

corrente e tensão associadas com as diversas mudanças que ocorrer durante o

processo de soldagem. Estas variações podem envolver intervalos de tempo muito

curtos, por exemplo da ordem de 10-3 s, sendo, portanto, de caracterização mais

difícil do que as características estáticas. As características dinâmicas são

importantes, em particular, (1) na abertura do arco, (2) durante mudanças rápidas

de comprimento do arco, (3) durante a transferência de metal através do arco e (4),

no caso de soldagem com corrente alternada, durante a extinção e reabertura do

arco a cada meio ciclo de corrente. As características dinâmicas das fontes são, em

geral, afetadas por (1) dispositivos para armazenamento temporário de energia

como bancos de capacitores ou bobinas de indutância, (2) controles

retroalimentados em sistemas regulados automaticamente e (3) mudanças

dinâmicas no formato e na frequência de saída da fonte. As duas últimas formas de

controle das características dinâmicas não são usadas em fontes convencionais,

sendo típicas de fontes com controle eletrônico.

Um controle relacionado com as características dinâmicas do processo e importante

em fontes para a soldagem GMAW é o da indutância da fonte. Na soldagem com

transferência por curto-circuito, este controle permite ajustar as velocidades de

subida da corrente elétrica durante o curto circuito e de sua redução ao término

deste. Estas velocidades afetam de forma importante as condições de transferência

e a estabilidade do processo. A figura 2.24 mostra um gráfico do tempo de resposta

em função das variações da corrente de soldagem para fontes convencionais de

tensão constante e corrente constante.

45

Figura 2.24 – Característica dinâmica de uma fonte de tensão constante, a esquerda e corrente constante a direita (16)

2.5.2- FONTES COM CONTROLE ELETRÔNICO

Fontes convencionais estáticas (transformadores e transformadores-retificadores)

dependem de sistemas mecânicos ou elétricos para o controle e ajuste de sua

saída. Estas fontes pouco mudaram nos últimos quarenta ou cinquenta anos. Estes

equipamentos têm, em geral, um formato fixo de sua curva característica, velocidade

de resposta baixa (da ordem de 10-1s), insuficiente para controlar diversos eventos

que ocorrem no arco e na transferência de metal, além de serem de difícil interação

com sistemas digitais de controle. A partir da década de 1960 e, de forma

importante, nas décadas de 1980 e 1990, novos conceitos foram introduzidos no

projeto e fabricação de fontes de energia para soldagem. Estes conceitos têm em

comum a introdução de dispositivos eletrônicos, muito mais versáteis e rápidos, para

o controle da saída da fonte.

Em comparação com as fontes convencionais, as fontes com controle eletrônico

são caracterizadas por:

1. Desempenho superior, isto é, apresentam resposta dinâmica e

reprodutibilidade muito superiores às fontes convencionais.

2. Funções múltiplas: A elevada velocidade de resposta, juntamente com as

características de funcionamento dos tipos mais modernos de fonte permitem

simular, em uma única fonte, diferentes curvas características. Dependendo

de suas características, particularmente de seu sistema de controle, o

equipamento pode mudar a sua saída, inclusive o tipo de sua curva

46

característica durante a operação de forma a responder, por exemplo, a

eventos que estejam ocorrendo no arco.

3. Conexão mais fácil com equipamentos periféricos e capacidade de ser

programada: O controle eletrônico permite que a fonte troque sinais com

sensores externos, microprocessadores internos, computadores, robôs, etc.

Condições de soldagem “otimizadas” ou regras preestabelecidas para a

seleção de parâmetros de soldagem podem ser armazenadas em alguma

forma de memória eletrônica e usadas para definir a operação do

equipamento. Esta capacidade permitiu o desenvolvimento de fontes que

podem ser operadas através de um único controle básico, as fontes

conhecidas como “one-knob machines”.

4. Redução de peso e dimensões: A introdução, na década de 1980, de fontes

inversoras (ver abaixo) levou a uma grande redução nas dimensões do

transformador devido ao uso de corrente alternada de alta frequência. Como

o transformador é a maior parte de uma fonte convencional, isto permitiu uma

grande redução no tamanho da fonte.

5. Maior custo e manutenção mais complexa.

Existe uma série de diferentes projetos de fontes que podem ser classificadas como

eletrônicas. As formas mais conhecidas são:

A. Fontes tiristorizadas

B. Fontes transistorizadas

• em série (Series regulators);

• chaveadas no secundário (Choppers);

• inversoras (Inverters) ou chaveadas no primário.

47

2.5.2.1- FONTES TIRISTORIZADAS

Tiristores, ou retificadores controlados de silício (SCR), podem ser considerados

como diodos chaveados. A condução de corrente no sentido permitido (isto é,

aquele de baixa resistência elétrica) do SCR só se inicia quando um pequeno sinal é

enviado a uma conexão adicional do dispositivo conhecida como gatilho (em inglês:

“gate”). Uma vez disparado, o dispositivo continua a conduzir a corrente até que

esta se anule ou o seu sentido se inverta. SCR’s podem ser usados em substituição

aos retificadores comuns após o transformador de uma fonte de corrente contínua.

Para regular a saída desta fonte, o momento de disparo do gatilho é controlado a

cada meio ciclo de corrente, figura 2.25. Assim, para se obter uma corrente

relativamente pequena com este sistema, é necessário retardar bastante o disparo

do gatilho, o que pode tornar a saída da fonte muito distorcida. Esta problema é

minimizado pelo uso de alimentação trifásica e de filtros na forma de capacitores ou

indutores. Estes últimos reduzem a velocidade de resposta da fonte.

Figura 2.25 – Diagrama esquemático de uma fonte ti ristorizada monofásica e Efeito do tempo de disparo do tiristor na forma de onda da corrente de saída (17)

As vantagens do controle por SCR são a sua simplicidade, robustez e a

possibilidade de controle da saída da fonte com pequenos sinais eletrônicos. A

velocidade de resposta do sistema é limitada pela necessidade da corrente se anular

antes do gatilho poder ser novamente disparado e para se reiniciar a passagem de

corrente. Assim, o menor tempo de resposta que pode ser esperado com este

sistema é de cerca de 3 a 9ms. Mesmo com a possibilidade de distorção da saída e

a baixa velocidade de resposta, é possível obter fontes tiristorizadas de desempenho

48

muito superior que as convencionais. Em particular, é possível compensar a saída

da fonte contra possíveis variações na rede através do uso de retroalimentação.

Controle tiristorizado tem sido utilizado em fonte para soldagem SMAW com corrente

contínua, GMAW, GTAW pulsado ou com corrente alternada quadrada e para

soldagem SAW.

2.5.2.2- FONTES TRANSISTORIZADAS ANALÓGICAS

O transistor é um dispositivo eletrônico cuja saída é controlada através do ajuste de

uma pequena corrente passando através de uma de suas conexões (a “base”). O

seu funcionamento pode ser explicado através de um sistema hidráulico análogo no

qual a passagem de água no duto principal é controlada por uma válvula acionada

por uma pequena vazão de água em um duto secundário (a base), figura 2.26.

Figura 2.26 – Sistema hidráulico de funcionamento análogo a um transistor de potência. (a) Corrente da base (I b) nula, circuito principal interrompido. (b) Corrente da base pequena, corrente principal (I) pr oporcional a I b. (c) Ib acima de seu valor de saturação I sat, corrente principal passa livremente (17)

Dependendo do valor da corrente na base e da forma de sua variação, o transistor

pode operar de uma forma análoga a uma resistência variável ou a uma chave liga-

desliga. O primeiro caso ocorre quando Ib é mantida entre zero e Isat, figura 2.26b.

O segundo caso ocorre quando somente dois valores de Ib são usados (0 e Isat),

figura 2.26 a e c.

Em uma fonte de energia analógica, um banco de transistores operando em série

com um transformador-retificador controla continuamente a saída da fonte através

de uma corrente de base menor que o seu valor de saturação. Normalmente, um

a) b) c)

49

sistema de controle por retroalimentação é incorporado para garantir a estabilização

da saída, figura 2.27.

Figura 2.27 – Princípio de funcionamento de uma fo nte transistorizada analógica (17)

As características marcantes das fontes analógicas são a sua capacidade de reagir

de forma muito rápida (tempos de resposta da ordem de microsegundos) e a sua

saída praticamente isenta de ruídos. As maiores desvantagens destas fontes são a

sua baixa eficiência e elevado custo. A baixa eficiência resulta do modo de

funcionamento do transistor, similar a uma resistência variável. Assim, uma fração

razoável da energia consumida pela fonte é dissipada nos transistores que, portanto,

necessitam, na maioria das aplicações, de sistemas de resfriamento com água. O

alto custo do equipamento resulta do numero de transistores usados, da

necessidade destes serem balanceados e do necessidade de um sistema de

resfriamento. As características deste tipo de fonte são mais adequadas para

pequenas fontes de alta precisão para fontes a serem usadas em laboratório e

centros de desenvolvimento e pesquisa.

2.5.2.3- FONTES TRANZISTORIZADAS CHAVEADAS

Nas fontes chaveadas, os transistores trabalham como chaves, que são abertas e

fechadas a uma elevada velocidade. Desta forma, a saída da fonte é controlada pela

razão dos tempos em que os transistores permanecem abertos ou fechados, figura

2.28.

Figura 2.28 – Técnicas de modulação para controle da saída. a) Mo dulação da frequência b) Controle da largu

Embora o circuito básico destas fontes seja muito sim

2.29), a utilização dos transistores no modo chaveado permite um grande aumento

na eficiência da fonte e, assim, a utilização de resfriamento ao ar. A maio

permite também uma construção mais simples, com menor

o que reduz o preço da fonte. O processo de chaveamento gera um ruído na saída

do equipamento, mas, se a

esse ruído não tem nenhum efeito negativo no processo.

chaveamento de 5 a 200 kHz podem ser usadas.

Figura 2.29 – Princípio de funcionamento de uma fonte transistori zada chaveada (17)

Técnicas de modulação para controle da saída. a) Mo dulação da b) Controle da largu ra do pulso (17)

Embora o circuito básico destas fontes seja muito similar ao das anteriores (figura

), a utilização dos transistores no modo chaveado permite um grande aumento

na eficiência da fonte e, assim, a utilização de resfriamento ao ar. A maio

permite também uma construção mais simples, com menor numero de transistores,


do equipamento, mas, se a frequência de chaveamento for suficientemente elevada,

ruído não tem nenhum efeito negativo no processo.

chaveamento de 5 a 200 kHz podem ser usadas.

Princípio de funcionamento de uma fonte transistori zada

50

Técnicas de modulação para controle da saída. a) Mo dulação da

ilar ao das anteriores (figura

), a utilização dos transistores no modo chaveado permite um grande aumento

na eficiência da fonte e, assim, a utilização de resfriamento ao ar. A maior eficiência

mero de transistores,


de chaveamento for suficientemente elevada,

ruído não tem nenhum efeito negativo no processo. Frequências de

Princípio de funcionamento de uma fonte transistori zada

51

A velocidade de resposta da fonte também depende da frequência de chaveamento.

Fontes com alta velocidade de chaveamento são capazes de responder em poucos

microsegundos, sendo significantemente mais rápidas do que as fontes

convencionais.

2.5.2.4- FONTES INVERSORAS

Os tipos de fontes apresentados acima usam um transformador convencional para

reduzir a tensão da rede até o valor requerido para a soldagem. Este transformador

opera na mesma frequência da rede (50/60 Hz). As fontes inversoras trabalham com

um transformador muito menor, o que é possível quando a frequência da corrente

alternada é grandemente elevada, melhorando, assim, a eficiência do transformador.

A figura 2.30 ilustra o funcionamento básico de uma fonte inversora.

Figura 2.30 – Princípio de funcionamento de uma fo nte inversora (17)

Numa fonte inversora, a corrente alternada da rede é retificada diretamente e a

corrente contínua de tensão elevada é convertida corrente alternada de alta

frequência (5000 a 200.000 Hz) através de um sistema de transistores, o inversor,

colocado antes do transformador (isto é, no circuito primário). Devido à sua elevada

frequência, um transformador de pequenas dimensões pode ser usado

eficientemente para reduzir a tensão. A saída da fonte é controlada atuando-se no

inversor. A velocidade de resposta é bastante elevada, dependendo, dentre outros

fatores, da frequência de operação do inversor. A saída do transformador é

novamente retificada para a obtenção da corrente de soldagem contínua. Reatores

ou capacitores são usados para reduzir o nível de ruídos da fonte. A figura 2.31

52

compara a velocidade de subida da corrente durante a abertura do arco com uma

fonte tiristorizada e com uma fonte inversora e ilustra a maior velocidade de resposta

das fontes transistorizadas.

Figura 2.31 – Comparação da velocidade de subida d a corrente na abertura do arco para uma fonte tiristorizada e uma fonte inver sora. Intervalo entre traços: 10ms 2 (17)

A elevada frequência da corrente no transformador permite, nas fontes inversoras,

um grande potencial de redução do consumo de energia elétrica. O controle da fonte

no primário permite também uma grande redução na dissipação de energia quando

a fonte está operando em vazio.

2.5.2.5- FONTES ELETRÔNICAS PULSADAS

O desenvolvimento da tecnologia de arco pulsado foi feita no início da década de 60

na Inglaterra pelo Instituto de Soldagem (TWI- The Welding Institute) com objetivo

de soldar alumínio com gás de proteção argônio, sendo Needham referenciado

como o seu inventor por Norrish (13).

As fontes pulsadas controlam a transferência do metal de solda através do controle

da forma de onda da corrente de soldagem (energia) em uma certa frequência. O

pulsado une as vantagens da transferência por spray, mas em níveis menores de

corrente média, permitindo a sua utilização em chapas finas e a soldagem em todas

as posições, pois trabalha em nível de alta energia na faixa de corrente para

transferência do metal por spray e um nível de baixa energia como transferência por

curto-circuito, para controlar a energia durante do processo e provocar um

transferência controlada sem respingos.

No pulsado existem dois níveis de corrente, uma acima da corrente de transição

(corrente de pico) que atua em um intervalo de tempo (tempo de pico

abaixo da corrente de transição (corrente de base

tempo (tempo de base). O destacamento da gota formada na ponta do arame ocorre

quando se sobrepõe a corrente de pico. O diâmetro da gota é apro

mesmo do eletrodo, figura 2.

Figura 2.

As condições de transferência de metal depende fortemente dos parâmetros de

pulsação da corrente, particularmente do valor da corrente e da duração do pulso

(corrente e tempo de pico). As melhores condições de transferência são

conseguidas quando um, e apenas uma gota

cada pulso de corrente. Esta condição é conseguida apenas para valores definidos

da corrente e do tempo de pico que dependem da composição e diâmetro do

eletrodo e da composição do gás de

circuito, para controlar a energia durante do processo e provocar um

ia controlada sem respingos.


(corrente de pico) que atua em um intervalo de tempo (tempo de pico

abaixo da corrente de transição (corrente de base, Ib) que atua em


quando se sobrepõe a corrente de pico. O diâmetro da gota é apro

mesmo do eletrodo, figura 2.32.

Figura 2. 32 – Transferência pulsada

de transferência de metal depende fortemente dos parâmetros de



conseguidas quando um, e apenas uma gota de metal de adição é transferida para



eletrodo e da composição do gás de proteção entre outros fatores

53

circuito, para controlar a energia durante do processo e provocar um


(corrente de pico) que atua em um intervalo de tempo (tempo de pico, Ip) e outro

) que atua em um intervalo de


quando se sobrepõe a corrente de pico. O diâmetro da gota é aproximadamente o

de transferência de metal depende fortemente dos parâmetros de



de metal de adição é transferida para



proteção entre outros fatores, figura 2.33.

54

Figura 2.33 – Diagrama esquemático de uma onda do tipo corrente pulsada e transferência do metal esquemático (13)

Selecionar estes valores definidos da corrente e do tempo de pico que dependem da

composição e diâmetro do eletrodo e da composição do gás de proteção entre

outros fatores. Selecionar estes valores e outros parâmetros importantes para uma

dada aplicação tende a ser complexo e, em geral, inviável com equipamentos

convencionais. O desenvolvimento das fontes controladas eletronicamente

(sinérgicas) permitiu uma revolução nos métodos de controle utilizados na soldagem

pulsada que, em última análise viabilizaram a sua aplicação industrial.

Foram desenvolvidos novos softwares para oferecer maior estabilidade e

manutenção do comprimento do arco (sistema adaptativo ou proativo). Alguns

equipamentos com opção de arco pulsado otimizado permitem soldas com excelente

conforto operacional, que vem atender a reclamação dos soldadores quanto ao arco

muito longo que limita o controle da poça de fusão em equipamentos convencionais,

veja mais detalhes na seção 2.2.3 – Controle Adaptativo.

2.5.2.6- FONTES ELETRÔNICAS SINÉRGICAS

Em sistemas com fontes eletrônicas, a velocidade de variação da corrente de

soldagem pode ser determinada e controlada pelo sistema de controle da fonte,

sendo possível utilizar velocidades diferentes para o aumento e a redução de

corrente e ou variáveis de acordo com a condição de operação. O desenvolvimento

das fontes controladas eletronicamente permitiu uma revolução nos métodos de

controle utilizados nos processos de soldagem.

55

A primeira aplicação prática deste conceito ficou conhecida como soldagem MIG

Sinérgica. Esta forma de operação da soldagem GMAW foi desenvolvida no The

Welding Institute (TWI - Inglaterra) na década de 60 para a soldagem GMAW com

corrente pulsada, onde as condições de transferência de metal dependem

fortemente dos parâmetros de pulsação da corrente, particularmente do valor da

corrente e da duração do pulso (corrente e tempo de pico). As melhores condições

de transferência são conseguidas quando um, e apenas uma, gota de metal de

adição é transferida para cada pulso de corrente. Esta condição é conseguida

apenas para valores definidos da corrente e do tempo de pico que dependem da

composição e diâmetro do eletrodo e da composição do gás de proteção entre

outros fatores. Selecionar estes valores e outros parâmetros importantes para uma

dada aplicação tende a ser complexo e, em geral, inviável com equipamentos

convencionais. O recurso sinérgico inicialmente desenvolvido englobava um grupo

de técnicas de controle através das quais o valor e a estrutura da corrente pulsada

eram determinados com base no valor da velocidade de alimentação de arame

medida com um sensor, figura 2.34.

Figura 2.34 – O controle sinérgico (17)

Para isto, as regras para a seleção das condições de soldagem (“algoritmo

sinérgico”) ficavam armazenadas na máquina de soldagem as quais, uma vez

estabelecidos o material e diâmetro do eletrodo e o tipo de gás de proteção,

determinariam as condições de soldagem com base na velocidade de alimentação

do arame. Desta forma, pôde-se conceber um equipamento com ajuste em um

56

controle único ("one-knob machine") aliviando o operador da necessidade de

especificar as condições de pulsação da corrente.

O uso do termo “soldagem MIG sinérgica” foi estendido e hoje engloba diferentes

sistemas baseados na medida de outras variáveis de soldagem além da velocidade

de alimentação de arame, bem como para outras formas de operação como a

soldagem com transferência por curto-circuito, chamado de curto-circuito controlado.

Para esta forma de transferência, fontes eletrônicas com controles adequados

podem responder e controlar as diversas etapas da transferência (por exemplo, o

início e o término do curto circuito) e, em alguns sistemas, sincronizar estas com

alterações na velocidade de alimentação do arame alterando profundamente o

processo e permitindo uma operação com esta forma de transferência virtualmente

livre de respingos.

A figura 2.35 ilustra o recurso sinérgico envolvido na transferência metálica tipo curto

circuito controlado RMDTM (Regulated Metal Deposition) da empresa Miller Electric

Mfg. Co. Este recurso sinérgico procura harmonizar os dois principais efeitos

atuantes na transferência metálica por curto-circuito: a força devido à tensão

superficial e as forças eletromagnéticas, garantindo que o contato entre a gota

metálica e a poça de fusão ocorra em baixo nível de corrente, no fornecimento de

uma corrente responsável pela transferência da gota, e na redução de corrente

antes que a ponte metálica se rompa e a gota se transfira.

Figura 2.35 – Representação esquemática de transfe rência sinérgica por curto circuito controlado RMD TM (18)

57

A figura 2.36 também ilustra o recurso sinérgico de soldagem pulsada chamada

ProPulseTM que fornece um menor comprimento de arco, com cone de arco mais

estreito e menos aporte térmico quando comparado com a transferência pulsada

tradicional. Uma vez que o processo é sinérgico, a variação na tensão do arco e

variações nas distâncias do stickout são praticamente eliminadas. Isso fornece

controle mais fácil da poça em posição e fora de posição de soldagem, reduzindo o

tempo de formação do soldador. Neste tipo de curva a transferência da gota se da

no modo de tensão constante enquanto as tradicionais são no modo corrente

constante. O processo melhora a fusão e enchimento da poça de fusão, permitindo

maior deposição e altas velocidades de soldagem.

Figura 2.36 – Representação esquemática de transfe rência sinérgica pulsada ProPulse TM (18)

2.5.3- CONTROLE ADAPTATIVO

Este termo é, na realidade, extremamente genérico e engloba diferente técnicas que

envolvem a medição, durante a soldagem, de diferentes sinais, tais como a corrente,

tensão, nível de luminosidade ou de ruídos do arco e o perfil ótico ou acústico da

poça de fusão. Estes sinais são processados, interpretados em termos de

características do processo e enviadas para o sistema de controle. O resultado

obtido em um determinado instante é comparado com um resultado esperado e

diferenças são corrigidas através de mudanças nos parâmetros de operação

baseadas em algum modelo teórico ou empírico. Em princípio, diversas variáveis do

processo (comprimento do arco, velocidade de soldagem, orientação da tocha,

58

velocidade do arame, posicionamento ao longo da junta, controle da fusão,

enchimento da junta, formação de defeitos, etc.) podem, em princípio, ser ajustadas

desta forma. No limite, pode se cogitar no desenvolvimento de um sistema

automático de soldagem capaz de realizar várias das intervenções que um soldador

realiza intuitivamente, alterando a velocidade de soldagem e a posição da tocha,

para controlar a formação do cordão de solda.

A PipePro 450 RFC da Miller Electric Mfg. Co. que será utilizada nos testes

comparativos proposto neste trabalho possui o recurso sinérgico de transferência

pulsada adaptativo ProPulseTM e o recurso sinérgico de curto circuito controlado

adaptativo RMDTM que monitora e re-alimenta o sistema, assim permitindo ajustes à

condição instantânea, respondendo a oscilações impostas ao processo de

soldagem.

Alguns sistemas já foram sugeridos, nos quais monitoração em tempo real de alguns

aspectos do processo pode ser utilizada para o controle das condições de soldagem

e o acompanhamento da junta. Entre as técnicas de monitoração utilizadas podem-

se citar, por exemplo, a monitoração através de parâmetros do arco, sensores

indutivos e o emprego de métodos óticos.

2.6- PRINCIPAIS VARIAVEIS DO PROCESSO

A seguir são apresentadas algumas variáveis que afetam a penetração da solda, a

geometria do leito e consequentemente as qualidades globais da solda.

O Conhecimento e controle destas variáveis são essenciais para a obtenção de

soldas de qualidade satisfatória. Estas variáveis não são completamente

independentes e mudanças em uma delas requerem mudanças em uma ou mais

das outras para produzir os resultados desejados. Habilidade considerável e

experiência podem ser necessárias para seleção de parâmetros para cada

aplicação. Os valores ótimos são afetados pelo tipo de metal de base, pela

composição do eletrodo, pela posição de soldagem e pelos requisitos de qualidade.

59

Então, não há uma mudança única nos parâmetros que leve a um resultado ótimo

em cada caso.

Corrente de Soldagem

A corrente de soldagem é proporcional a velocidade de alimentação do arame para

um determinado diâmetro, composição e extensão do eletrodo. Se as outras

variáveis forem mantidas constantes, para um determinado diâmetro de eletrodo, o

aumento da corrente de soldagem irá provocar: aumento da taxa de deposição do

eletrodo, aumento da penetração e um cordão de solda convexo com aparência ruim

para aumentos excessivos da corrente. A corrente de soldagem é aumentada ou

diminuída através da variação da velocidade de alimentação do eletrodo. Para uma

taxa de alimentação a corrente vai variar em função do comprimento do eletrodo.

Aumentado a extensão do eletrodo, a corrente de soldagem tende a diminuir e vice-

versa.

Tensão de Soldagem

A tensão do arco e o seu comprimento estão diretamente relacionados. A aparência,

penetração e propriedades do cordão de solda obtido podem ser afetadas pela

tensão do arco. Altas tensões (comprimento de arco maior) podem resultar

respingos excessivos e contorno irregular do cordão de solda. Tensões baixas (arco

menor) resultarão em uma superfície estreita, excesso de respingos e redução de

penetração.

Extensão do Eletrodo

Extensão do eletrodo é seu o comprimento não fundido a partir do bico de contato.

Aumento na extensão do eletrodo tende a aumentar a temperatura do eletrodo

devido ao efeito Joule. A temperatura do eletrodo afetará a taxa de deposição e a

penetração.

60

Vazão do Gás de Proteção

Na soldagem com proteção gasosa, a vazão do gás é uma variável que afeta

diretamente na qualidade do metal depositado. Vazão inadequada propiciará pouca

proteção da poça de fusão e consequentemente ocorrência de poros e oxidação.

Vazão excessiva de gás resultará em turbulência e aumento de impurezas no metal

depositado. A escolha correta da vazão do gás dependerá do tipo e diâmetro do

bocal da tocha, distância do bocal até a peça de trabalho e correntes de ar durante a

soldagem.

Velocidade de Soldagem

A velocidade de soldagem influencia na penetração e contorno do cordão. Para altas

velocidades de soldagem a penetração é baixa. Baixas velocidades tem como

consequência e baixa penetração pois o excesso da poça de fusão funciona como

um refratário ao arco elétrico. Existe uma faixa de velocidade de soldagem

adequada para cada ajuste dos parâmetros da máquina.

Inclinação da Tocha

Esta é outra variável que tem influência sobre a penetração de solda. Na soldagem à

esquerda (Empurrando), aponta-se o cordão para o metal de base frio, causando

com isto cordões mais largos, achatados e de menor penetração. Já quando na

soldagem à direita (Puxando), apontando-se para a poça de fusão os cordões são

mais estreitos, o reforço é mais convexo, o arco é mais estável e a penetração é

máxima, a figura 2.37 exemplifica essa variável.

61

Figura 2.37 – Influência da inclinação da tocha no perfil e penetração do cordão de solda (11)

Sentido Positivo (Puxando a solda): Nesse sentido de soldagem, ocasiona uma

penetração profunda e cordão estreito.

Sentido Negativo (Empurrando a solda): A configuração do cordão de solda nesse

sentido o cordão é de baixa penetração e largo.

Sentido Neutro: A configuração do cordão de solda nesse sentido é de média

penetração como também a largura do mesmo.

Diâmetro do Eletrodo

O diâmetro do eletrodo influencia a forma do cordão de solda. Quanto maior o

diâmetro do arame, maior será a corrente necessária para a sua fusão. Correntes

grandes produzem fusão adicional do eletrodo e depósitos maiores e mais fluidos.

Altas correntes também originam altas taxas de deposição e grande penetração.

Entretanto nas posições vertical e sobre cabeça, menores diâmetros de arame são

utilizados com baixas correntes de soldagem.

Indutância

Variável que reduz a quantidade de respingos durante a transferência por curto

circuito.A indutância age sobre o pico de corrente de curto circuito, retardando o

tempo em que esta atinge o seu valor máximo. Desta maneira, o arco elétrico

62

reascende com menos violência reduzindo a quantidade de respingos como mostra

a figura abaixo.

2.7- INDICADORES DE PRODUTIVIDADE E CUSTOS EM SOLDAGEM

Tendo em vista o conceito de que produtividade é a relação entre os resultados

obtidos e recursos consumidos, e a definição de soldagem que diz que esse é o

processo que visa a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a

continuidade das propriedades químicas e físicas, discutiremos a seguir como

relacionar esses dois conceitos. Veremos através deste estudo comparativo como

aumentar a produtividade no processo de soldagem, tornando-o mais eficiente

(tendo resultados satisfatórios utilizando a menor quantidade de recursos possível),

o que implica na diminuição de custos na produção, logo o aumento no lucro.

A solda (resultado obtido), como vimos, não pode ter suas propriedades químicas e

físicas alteradas, portanto o maior desafio é como diminuir o consumo dos recursos

sem que ocorra a diminuição da qualidade.

Entre os recursos consumidos durante a soldagem podemos citar o tempo, os

materiais (arame de solda, gás, disco abrasivo, anti-respingo, etc), equipamentos, e

principalmente a mão-de-obra, que segundo Paranhos, representa cerca de 80% do

custo da solda. Gerenciar tais recursos de modo a minimizá-los, leva à diminuição

de custos durante o processo (se a qualidade não for alterada). Dessa forma o

processo se tornará mais produtivo, já que os resultados obtidos permanecerão os

mesmos, e os gastos com os recursos serão minimizados (19).

Agora que já entendemos o que significa o que é aumentar a produtividade na

soldagem, veremos algumas maneiras de fazê-lo. Existem diferentes processos de

soldagem, cada qual com a sua particularidade, e eles apresentam diferentes

características, tais como a facilidade do manuseio, o custo, entre outros.

Seja qual for o processo que se use para obter a solda, um outro recurso

consumido, e de extrema importância é o recurso humano. Um soldador bem

63

qualificado, com desenvolvidas habilidades técnicas, boa capacitação profissional,

com personalidade adequada a esse tipo de trabalho, em muito pode elevar a

produtividade, já que ele evitará desperdícios, seja de tempo ou de material. A

experiência do soldador o ajudará quanto a escolha da posição de trabalho, a

corrente elétrica utilizada, a sequencia da solda, assim, muni-lo com os recursos

adequados certamente ajudarão no aumento de produtividade e redução de custos.

O processo deve ser o mais simples possível, o que diminuirá o nível de erros e

distensões e tensões residuais. É importante também destacar a importância da

limpeza durante o processo. A presença de gorduras, oleosidades, poeira, óxidos no

material a ser soldado pode gerar erros na solda, podendo até trincar a junta. Um

bom ambiente de trabalho, boas condições de trabalho aumentam a produtividade

do trabalhador, já que ele pode se concentrar melhor, e evita acidentes também.

O gerenciamento da soldagem inclui, portanto, fatores materiais e humanos.

Controlar esses fatores possibilita o controle dos resultados obtidos, logo o aumento

da produtividade.

A avaliação da produtividade de um sistema requer estudos, pesquisas e análises

sistemáticas de indicadores específicos.

Na soldagem a produtividade pode ser medida de acordo com os seguintes

indicadores: Taxas de deposição, cadência, rendimento, uso de materiais

adequados, etc.

2.7.1- INDICADORES DE PRODUTIVIDADE EM SOLDAGEM

Equação 2.1 - Tempo de Arco Aberto

O tempo de arco aberto é definido como o tempo efetivo que foi gasto para a

deposição da solda. Pode ser facilmente cronometrado, obtido de sistemas de

aquisição de dados acoplados a máquina de solda, como será realizado neste teste

ou obtido da própria maquina de solda caso ela possua esse r

Equação 2.2 - Velocidade De Alimentação Do Arame

É a velocidade com a qual o arame esta sendo alimentada durante a soldagem,

qualquer ajuste na corrente de soldagem implica em alteração não velocidade de

soldagem.

A velocidade de alimentação

sido regulada para as condições ao qual se deseja trabalhar ou realizar algum teste.

Após esse ajuste basta retirar uma amostra de arame de qualquer comprimento

superior a um e meio metro (1,5m) e ver qua

Equação 2.3 - Quantidade De Arame Consumida

É a quantidade de arame consumida durante a realização do(s) cordão(ões) de

solda. Pode ser obtida com um tacógrafo acoplado

diretamente da máquina de solda caso es

máquina de solda informe a velocidade de alimentação do arame e se não informar

a velocidade de alimentaç

Equação 2.4 – Densidade do Arame


ou obtido da própria maquina de solda caso ela possua esse recurso.

Velocidade De Alimentação Do Arame

velocidade com a qual o arame esta sendo alimentada durante a soldagem,


A velocidade de alimentação do arame deve ser obtida somente



superior a um e meio metro (1,5m) e ver quanto tempo se passou.

Quantidade De Arame Consumida


solda. Pode ser obtida com um tacógrafo acoplado a maquina de solda, obtida

diretamente da máquina de solda caso esta possua este recurso, calculado caso a


ação, pode ser medido conforme a equação

Densidade do Arame

64


ecurso.

velocidade com a qual o arame esta sendo alimentada durante a soldagem,


somente após a máquina ter



nto tempo se passou.


a maquina de solda, obtida

ta possua este recurso, calculado caso a


ão, pode ser medido conforme a equação abaixo.

É a massa especifica do aram

o arame para se medir a equação 2.2.

Equação 2.5 - Taxa De Fusão

São as quantidades de materiais de adição que é fundida em um determinado

tempo, dados por kg/hora.

Equação 2.6 - Eficiência De Depo

Trata-se um excelente indicador de produtividade pois mede o quanto um processo

é realmente efetivo ou seja, eficiente e eficaz quanto ao aproveitamento do material

que neste caso seria o arame/vareta de solda, pois nos informa quanto desse

recurso foi realmente convertido em solda e quanto se perdeu volatilizando e/ou se

tornando respingo de solda.

Equação 2.7 - Taxa De Deposição

É a quantidades de material

uma unidade de temp

consumível de solda em cordão de solda; em geral dado

massa especifica do arame de solda que se está operando. Pode

o arame para se medir a equação 2.2.

Taxa De Fusão


tempo, dados por kg/hora.

Eficiência De Depo sição

se um excelente indicador de produtividade pois mede o quanto um processo



oi realmente convertido em solda e quanto se perdeu volatilizando e/ou se

tornando respingo de solda.

De Deposição

É a quantidades de material de adição que está sendo depositado no chanfro em

uma unidade de tempo, isto é, trata-se do que realmente foi convertido de

consumível de solda em cordão de solda; em geral dado por kg/hora.

65

e de solda que se está operando. Pode-se aproveitar


se um excelente indicador de produtividade pois mede o quanto um processo



oi realmente convertido em solda e quanto se perdeu volatilizando e/ou se

depositado no chanfro em

que realmente foi convertido de

por kg/hora.

Equação 2.8 - Fator De Operação (Cadência)

É o índice que mede o tempo que o soldador/operador permanece efetivamente

soldando, isto é, com o arco aberto

Para cada processo, existe um valor ou mesmo uma faixa de valores que

representam o seu fator de operação

chapa, condição operacional (limpeza, remoção de escória, troca de consu

etc), acessos, pré-aquecimento, etc.

Em geral, são aceitos os valores

Tabela 2.1 – Fator de operação utilizado conforme o processo de soldagem

Processo de Soldagem

FCAW

GMAW –metálica

As maiores cadências estão relacionadas quando o soldador apenas solda,

deixando as operações de preparação, ajuste, ponteamento, etc; para os ajudantes

ou caldeireiros. O quando o soldador interrompe o mínimo possível sua atividade

que realmente agrega valor ao produto, ou seja, permanece com o arco aberto o

maior tempo possível sem interrupções para troca de eletrodo, limpeza da junta,

remoção de escória, limpeza da margem da solda, etc.

Fator De Operação (Cadência)

que mede o tempo que o soldador/operador permanece efetivamente

soldando, isto é, com o arco aberto, durante o seu turno de trabalho


o seu fator de operação, em função do tipo de solda, espessura da

chapa, condição operacional (limpeza, remoção de escória, troca de consu

aquecimento, etc.

Em geral, são aceitos os valores da tabela 2.1 (20, 21)

Fator de operação utilizado conforme o processo de soldagem

Processo de Soldagem 2F 3F 3G

FCAW 45% 45% 35%

– Arame Alma metálica (MCAW)

50% 50% 50%




lmente agrega valor ao produto, ou seja, permanece com o arco aberto o


remoção de escória, limpeza da margem da solda, etc.

66

que mede o tempo que o soldador/operador permanece efetivamente

durante o seu turno de trabalho.


, em função do tipo de solda, espessura da

chapa, condição operacional (limpeza, remoção de escória, troca de consumíveis,

Fator de operação utilizado conforme o processo de soldagem

3G

35%

50%




lmente agrega valor ao produto, ou seja, permanece com o arco aberto o


Equação 2.9 - Velocidade de Soldagem ou Velocidade d

A velocidade de soldagem deve sempre ser ajustada para controlar o tamanho do

cordão de solda. De um modo geral, quanto maior a taxa de deposição, torna

necessário imprimir maior velocidade de soldagem, esta variável é muito importante

no controle da produtividade da operação de soldagem.

Altura e largura do cordão variam inversamente com a velocidade de avanço. A

implicação genérica é que a energia de soldagem pode ser mantida reduzida,

mesmo com elevadas correntes, através da velocidade de ava

Processos de soldagem que utilizam arames múltiplos, como o duplo arame (“twin

arc” e “tandem-arc”) são os que permitem trabalhar com maior velocidade de

deslocamento.

2.7.2- CUSTOS DE SOLDAGEM

De um modo geral o custo total de uma operação de solda

desmembrado em diversas parcelas:

• O custo da mão

• O custo dos consumíveis;

• O custo da energia

• O custo de outros

Velocidade de Soldagem ou Velocidade d e Avanço


cordão de solda. De um modo geral, quanto maior a taxa de deposição, torna


ole da produtividade da operação de soldagem.



mesmo com elevadas correntes, através da velocidade de avanço.

Processos de soldagem que utilizam arames múltiplos, como o duplo arame (“twin

arc”) são os que permitem trabalhar com maior velocidade de

SOLDAGEM

De um modo geral o custo total de uma operação de soldagem qualquer pode ser

desmembrado em diversas parcelas:

mão de obra;

consumíveis;

energia elétrica;

outros materiais de consumo (Backing Cerâmico).

67

e Avanço


cordão de solda. De um modo geral, quanto maior a taxa de deposição, torna-se




nço.

Processos de soldagem que utilizam arames múltiplos, como o duplo arame (“twin-

arc”) são os que permitem trabalhar com maior velocidade de

gem qualquer pode ser

consumo (Backing Cerâmico).

O fator de maior peso nos custos da soldagem é a mão

da mão-de-obra mais o cus

da operação.

Equação 2.10 – Custo de Mão

O custo da mão-de-obra deve

contemplado na folha de pagam

Equação 2.11 – Custo do Consumível

O custo do consumível envolve o quanto de arame efetivamente foi necessário para

se realizar um determinado serviço.

Equação 2.12 – Custo da Energia Elétrica

O custo da energia elétrica representa c

ser calculado conforme abaixo

A eficiência do processo

O fator de maior peso nos custos da soldagem é a mão-de-obra.

obra mais o custo dos consumíveis representam cerca de 93% do custo

Custo de Mão -De-Obra

obra deve contemplar o salário e todos os encargos sociais

contemplado na folha de pagamento do soldador.

Custo do Consumível


se realizar um determinado serviço.

Custo da Energia Elétrica

da energia elétrica representa cerca de 3% do custo de soldagem e pode

ser calculado conforme abaixo (19).

A eficiência do processo comumente empregado é:

68

Neste caso, o custo

cerca de 93% do custo

o salário e todos os encargos sociais


erca de 3% do custo de soldagem e pode

a) SMAW = 0,5

b) SAW, GMAW, FCAW e

Equação 2.13 – Custo do Gás de Proteção

O custo com gás pode ser calcul

Equação 2.14 – Custo de Materi

O custo com materiais auxiliares pode ser obtido conforme a equação:

CAPÍTULO 3

3.1 - O EQUIPAMENTO

Para a realização dos test

A figura 3.1 mostra destacado com o

multiprocesso PipePro 450 RFC da Miller com recursos sinérgicos e adaptativos: o

equipamento possui ciclo de trabalho de 400A a

arame do tipo suite case 12RC;

SMAW = 0,5

SAW, GMAW, FCAW e GMAW–Arame Alma metálica

Custo do Gás de Proteção

O custo com gás pode ser calculado conforme a equação que segue.

Custo de Materi ais Auxiliares

materiais auxiliares pode ser obtido conforme a equação:

CAPÍTULO 3- MATERIAIS E MÉTODOS

O EQUIPAMENTO E MATERIAIS UTILIZADOS

Para a realização dos testes foram utilizados os equipamentos descritos abaixo.

igura 3.1 mostra destacado com o numero 1 a fonte de energ

450 RFC da Miller com recursos sinérgicos e adaptativos: o

equipamento possui ciclo de trabalho de 400A a 100% do ciclo e alimentador de

arame do tipo suite case 12RC; (22, 23, 24).

69

Arame Alma metálica = 0,8

o conforme a equação que segue.

materiais auxiliares pode ser obtido conforme a equação:

MATERIAIS E MÉTODOS

descritos abaixo.

mero 1 a fonte de energia inversora

450 RFC da Miller com recursos sinérgicos e adaptativos: o

100% do ciclo e alimentador de

70

Figura 3.1 – Fonte de soldagem e maleta SAP

Na mesma figura 3.1, destacado com o numero 2, temos o sistema de aquisição de

dados portátil (SAP-1) da empresa IMC Soldagem, para realização do estudo

econômico.

Na figura 3.2 a balança digital de alta precisão, com sensibilidade de ±0,001 gramas

e capacidade máxima de 8.200 gramas para medição da eficiência de deposição.

Figura 3.2 – Balança utilizada

1

2

71

Na figura 3.3 um detalhamento da tela principal do programa SAP-1 que tem por

objetivo fornecer e armazenar de forma automática a maior parte das informações

relevantes aos processos.

Figura 3.3 – Visual do programa SAP

Os gases de proteção utilizados foram:

• Dióxido de carbono para o processo FCAW.

• Stargold Plus, mistura binária de Argônio e CO2, para o processo FCAW.

• Stargold Pipe, mistura binária de Argônio e CO2, para o processo GMAW –

Arame Alma metálica (MCAW) (2).

3.2 – DETALHES DOS CORPOS DE PROVA

Para os ensaios, foi utilizado o aço ASTM A36 como metal de base e com

dimensões conforme figuras 3.4 e 3.5 abaixo.

72

Figura 3.4 – Corpo de prova para posição 3G

Figura 3.5 – Corpo de prova para posição 2F e 3F

3.3 – INFORMAÇÕES DOS MATERIAIS DE ADIÇÃO

Os metais de adição utilizados foram:

• Metal Cored Metalloy Vantage (AWS 5.18: E70C-6M H4) para misturas

de Ar e (5 a 25%) CO2 e diâmetro de 1,2 mm (25).

73

o Certificados de aprovação nas especificações: AWS A5.18,

ASME SFA 5.18, ABS, CWB e EN17632-A.

• Arame tubular Excel Arc 71 (AWS 5.20: E71T-1C/1M/9C/9M) para

100% CO2 ou misturas 75% Ar e 25% CO2 e diâmetro de 1,2 mm (26).

o Certificados de aprovação nas especificações: AWS A5.20,

AWS A5.20M, ASME SFA 5.20, ABS, Burea Veritas, CWB, DNV,

EN17632-A e Lloyd’s Register.

• Arame tubular TM-770 (AWS 5.20: E71T-1M/12MJH8) para misturas de

Ar e (15 a 25%) CO2 e diâmetro de 1,2 mm (27).

o Certificados de aprovação nas especificações: AWS A5.20, AWS

A5.20M, ABS, ASME, Bureau Veritas, CWB, DNV, Lloyd’s Register,

MIL-E-24403/1, MIL-71T-1M, MIL-71T-1-HYM.

3.4 – PLANO DE COLETA DE DADOS

Com estes consumíveis, equipamentos, acessórios e um plano de coleta de dados,

vide tabelas 3.1, 3.2 e 3.3, pode-se obter todas as informações necessário para a

realização dos testes comparativos propostos.

Tabela 3.1 – Plano de coleta de dados na posição 2F

Informação Corpo de Prova

CP 11 CP 17 CP 19

Processo de Soldagem FCAW FCAW MCAW

Metal de adição Excel Arc71

TM770 Metalloy Vantage

Gás de proteção CO2 Stargold

Plus Stargold

Pipe

Passe único Plana

Empurrando

Plana Empurrand

o

Plana Empurrando

Transferência Metálica Globular Goticular Goticular

74

Tabela 3.2 – Plano de coleta de dados na posição 3F


CP 12 CP 18 CP 03 CP 01 Processo de Soldagem

FCAW FCAW MCAW MCAW

Metal de adição Excel Arc71 TM770

Metalloy Vantage

Metalloy Vantage


Plus Stargold

Pipe Stargold

Pipe

Passe único

Ascendente

Empurrando

Ascendente

Empurrando

Ascendente

Empurrando

Ascendente

Empurrando

Transferência Metálica

Globular Spray Pulsado Tradicio

nal

Pulsado ProPulse

TM

Tabela 3.3 – Plano de coleta de dados na posição 3G


CP 15 CP 33 CP 16 CP 35 CP 05 CP 07 Processo de Soldagem

FCAW FCAW FCAW FCAW MCAW MCAW

Metal de adição Excel Arc71 Excel Arc71 TM770 TM770

Metalloy Vantage

Metalloy Vantage

Gás de proteção CO2 CO2 Plus Plus Pipe Pipe

Raiz Vertical Ascendente

Vertical Ascendent

e

Vertical Ascendent

e

Vertical Ascenden

te

Vertical Descendent

e

Vertical Descendente

Enchimento/Acabamento

Ascendente Empurrando

Ascendente

Empurrando

Ascendente

Empurrando

Ascendente

Empurrando



Transferência Metálica Raiz

Globular Globular Spray Spray CCC RMDTM

CCC RMDTM

Transferência Metálica Enchimento/Acabamento

Globular Globular Spray Spray Pulsado

PropulseTM Pulsado

Tradicional.

Backing Cerâmico SIM NAO SIM NÃO NÃO NÃO

Contra-Solda NAO SIM NAO SIM NAO NAO

Para as soldas na posição 3G com processo FCAW foram feitas duas amostras

utilizando uma pratica do mercado chamado de contra-solda que tem por objetivo a

remoção de parte da face da raiz, goivagem seguida de adição de um cordão de

solda, com o intuito de se evitar descontinuidades na raiz.

75

Ainda na posição 3G, no processo FCAW foram feitas duas amostras utilizado o

backing cerâmico por possibilitar utilização de correntes de soldagem mais altas

para o passe de raiz, eliminar a necessidade de goivagem, contra-solda e ainda

proporciona alta qualidade de raiz e maior facilidade de utilização.

3.5 – DETALHE DA EXECUSÃO DO PLANO DE COLETA DE DADOS

A figura 3.6 contem algumas das sequencia de execução dos testes realizados,

onde se pode ver no quadro da figura 3.6 - 1 a soldagem na posição 2F para os

processos FCAW e GMAW – Arame Alma metálica (MCAW). No quadro da figura

3.6 - 2 pode ser observada a soldagem na posição 3F para os processos FCAW e

GMAW – Arame Alma metálica (MCAW). O quadro da figura 3.6 - 3 mostra a

utilização do backing cerâmico para solda da raiz pelo processo FCAW. No quadro

da figura 3.6 - 4, a soldagem da raiz com backing cerâmico na posição vertical

ascendente. O quadro da figura 3.6 - 5, a soldagem da raiz sem backing cerâmico

pelo processo GMAW – Arame Alma metálica (MCAW) com curto-circuito

controlado, RMDTM. O quadro da figura 3.6 - 6, a soldagem de enchimento para os

processos FCAW e GMAW – Arame Alma metálica (MCAW) na posição vertical

ascendente.

Figura 3.6 – Execução do plano de coleta de dados

Nos planos de coleta de dados das tabelas 3.1, 3.2 e 3.3 observa-se que faltaram os

76

CPs 02, 04, 06, 08, 09, 10, 13, 14, 20 a 32 e 34. Estes foram cancelados devido a

resultados não satisfatórios durante a execução dos testes.

3.6 – INDICADORES DE PRODUTIVIDADE E CUSTOS DE

SOLDAGEM UTILIZADOS

Todo o estudo comparativo utilizado neste trabalho está fundamentado em

indicadores de produtividade e custos em soldagem de comum uso no mercado,

vide seção 2.7 – Indicadores de Produtividade e Custos em Soldagem. (21, 28).

Neste trabalho, apenas o fator de operação não foi calculado com base nas

equações de produtividade por ser este uma particularidade de cada empresa e

neste estudo não seria obtido um valor adequado a realidade do mercado, foram

utilizados para as posições 2F e 3F valores de duas literaturas e para a posição 3G

valores de clientes, vide tabela 2.1 seção 2.7 – Indicadores de Produtividade e

Custos em Soldagem.

CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os corpos de prova foram soldados com parâmetros usuais de mercado, com o

objetivo de atender os padrões de qualidade das empresas de construção e

montagem.

Foram soldados 13 corpos de prova para obtenção dos dados técnicos e

econômicos.

Os corpos de prova soldados na posição horizontal (2F) utilizaram curvas sinérgicas

77

para os processos FCAW e GMAW – Arame Alma metálica (MCAW), com

transferências tipo globular e goticular respectivamente (22).

Na soldagem da posição vertical ascendente (3F) com o processo GMAW – Arame

Alma metálica (MCAW), foram utilizados arcos pulsados em duas configurações

diferentes: Pulsado e ProPulseTM. O Pulsado é equivalente a um arco pulsado

tradicional. Já o ProPulseTM é um pulsado do tipo adaptativo. O processo FCAW

utilizou a mesma curva sinérgica da posição horizontal testada anteriormente.

Os testes realizados com a junta de topo na posição vertical (3G) mantiveram as

curvas sinérgicas anteriormente utilizadas na posição (3F). Para processo GMAW –

Arame Alma metálica (MCAW) foi utilizado o curto-circuito modificado do tipo RMD™

para o passe de raiz. Já no processo FCAW o passe de raiz foi feito com e sem o

backing cerâmico, sendo que no primeiro caso foi necessário o emprego da contra-

solda e no segundo não houve a necessidade (23, 24).

Cabe ressaltar que cada fornecedor de equipamento possui sua própria curva

sinérgica. Portanto, os dados dos testes foram obtidos com um determinado

equipamento. Caso sejam utilizados outros equipamentos, os dados irão sofrer

pequenas alterações dos aqui apresentados

4.1- POSIÇÃO DE SOLDAGEM HORIZONTAL (2F)

A tabela 4.1 mostra os principais parâmetros de soldagem utilizados, assim como os

primeiros resultados do teste.

78

Tabela 4.1 – Dados técnicos na posição de soldagem 2F.

Corpo de Prova CP11 CP17 CP19

Metal de adição Excel Arc



Plus Stargold

Pipe

Vel. de alimentação (m/min) 6,8 7,3 8,6

Corrente (A) 181 193 261

Tensão (V) 22,3 23,1 25,6

Vel. de deslocamento (mm/min) 193 215 257

Eficiência de deposição (%) 85% 90% 96%

Aporte térmico (kJ/mm) 1,3 1,2 1,6

Taxa de deposição (kg/h) 2,1 2,4 3,7

A utilização de mistura rica em Argônio com o arame tubular de fluxo proporcionou

aumento da eficiência de deposição. Tal aumento é devido a maior estabilidade do

arco elétrico conforme podem ser observados nos oscilogramas da figura 4.1. A

maior estabilidade do arco esta intimamente associado ao melhor controle da poça

de fusão e menor geração de respingos de solda.

Figura 4.1 – Oscilogramas CP17 e CP11.

A transferência metálica observado no CP19 é do tipo goticular. A alta estabilidade

79

do arco elétrico possibilita altas taxas de deposição e elevada eficiência de

deposição quando comparadas com a transferência metálica do tipo globular

proporcionada pelo arame tubular de fluxo (FCAW), vide oscilograma da figura 4.2.

Para manutenção das pernas de soldagem o soldador será obrigado a aumentar a

velocidade de deslocamento (29).

Figura 4.2 – Oscilograma CP19.

O gráfico da figura 4.3 apresenta o custo do kilograma de metal depositado em cada

um dos corpos de prova soldados neta posição.

Figura 4.3 – Comparativo de custo entre os processo s testados

80

4.2- POSIÇÃO DE SOLDAGEM HORIZONTAL (3F)

Na execução dos corpos de prova para a posição vertical, foram utilizados dois tipos

de arco pulsado com a utilização do arame tubular do tipo pó metálico (Metal Cored).

O objetivo é apresentar a diferença de desempenho e de custo de duas curvas

sinérgicas distintas e compará-los ao processo de Arame tubular. A primeira do tipo

pulsado tradicional (CP03) e a segunda do tipo pulsado adaptativo (CP01) que

possui interação entre a fonte de soldagem e o soldador durante a execução do

cordão de solda (arco aberto).

A tabela 4.2 apresenta os principais parâmetros de soldagem utilizados, assim como

os resultados do teste para a posição de soldagem vertical ascendente em junta de

ângulo.

Tabela 4.2 – Dados técnicos na posição de soldagem 3F.

Corpo de Prova CP12 CP18 CP03 CP01



Metalloy Vantage


Plus Stargold

Pipe Stargold

Pipe

Vel. de alimentação (m/min) 6,8 6,6 4,1 4,7

Corrente (A) 179 176 129 133

Tensão (V) 22,3 23,1 21,5 19,3

Vel. de deslocamento (mm/min)

152 156 174 192

Eficiência de deposição (%) 86% 89% 97% 98%

Aporte térmico (kJ/mm) 1,6 1,6 1,0 0,8

Taxa de deposição (kg/h) 2,1 2,1 1,6 1,9

A diferença entre os dois tipos de arco pulsado podem ser observados nos

oscilogramas da figura 4.4.

81

Figura 4.4 – Oscilogramas CP03 e CP01 respectivamen te.

O arco pulsado tradicional funciona alterando basicamente a frequência de pulsação

quando o soldador precisa de mais ou menos energia no arco elétrica. Os valores de

corrente de pico e de base ficam pré-estabelecidos.

Já o arco pulsado adaptativo, ProPulseTM, proporciona correção automático do arco

elétrico a variação realizada pelo soldador durante a execução do cordão de solda.

Os valores de corrente de pico e de base já não são mais constantes. Tal

comportamento é gerenciando por um algoritmo característico da curva sinérgica

ProPulseTM.

A estabilidade do arco proporcionada pelo Stargold Plus (CP18) com arame tubular

de fluxo é mantida na posição vertical, conforme oscilogramas da figura 4.5.

82

Figura 4.5 – Oscilogramas CP18 e CP12 respectivamen te.

O gráfico da figura 4.6 apresenta o custo do quilograma de metal depositado em

cada um dos corpos de prova soldados na posição vertical.

Figura 4.6 – Comparativo de custo entre os processo s testados

4.3- POSIÇÃO DE SOLDAGEM VERTICAL (3G)

Na execução dos corpos de prova para a posição vertical em junta de topo, foram

mantidas as configurações de processos de soldagem da junta de filete na posição

vertical (3F).

Os passes de raiz com arame tubular de fluxo foram soldados com duas técnicas de

83

soldagem praticadas no mercado, ou seja com contra-solda ou com a utilização de

backing cerâmico que proporciona ganhos operacionais e de qualidade quando

comparados com a realização de contra solda.

Já os corpos de prova do arame tubular com pó metálico utilizaram a tecnologia do

curto circuito controlado para realização do passe de raiz e eliminação da

necessidade de uso do backing cerâmico ou da contra solda, proporcionando

ganhos de produtividade ainda maiores.

A tabela 4.3 apresenta os principais parâmetros de soldagem utilizados no passe de

raiz.

Tabela 4.3 – Dados técnicos do passe de raiz na pos ição de soldagem 3G

Corpo de Prova CP15 CP33 CP16 CP35 CP05 CP07


Excel Arc

TM770 TM770 Metalloy Vantage

Metalloy Vantage

Gás de proteção CO2 CO2 Stargold

Plus Stargold

Plus Stargold

Pipe Stargold

Pipe

Vel. de alimentação (m/min) 5,7 6,3 5,5 5,2 3,4 3,3

Corrente (A) 180 167 177 154,8 146 157

Tensão (V) 24 25,3 23,2 24,6 15,9 15,7


122 296 109 297 144 154

Eficiência de deposição (%) 86,0 75,6 87,1 88,5 99,7 99,0

Taxa de deposição (kg/h) 2,06 2,07 2,06 1,93 1,66 1,64

Novamente o que se observa ao se comparar o processo de arame tubular com

mistura rica em Argônio é um aumento da eficiência de deposição e velocidade de

soldagem em decorrência da estabilidade do arco elétrico conforme podem ser

observados ao se comparar os oscilogramas das figuras 4.7 contra os da figura 4.8.

84

Figura 4.7 – Oscilogramas CP15 e CP33 respectivamen te (raiz).

Figura 4.8 – Oscilogramas CP16 e CP35 respectivamen te (raiz).

A figura 4.9, mostra os oscilogramas do curto-circuito controlado do tipo RMDTM do

qual obteve-se excelente velocidade de soldagem, alta eficiência de deposição e a

não necessidade de utilização do backing cerâmico ou contra-solda.

85

Figura 4.9 – Oscilogramas CP5 e CP7 respectivamente (raiz/RMDTM).

A tabela 4.4 apresenta os principais parâmetros de soldagem utilizados na contra-

solda para os CP33 e CP35.

Tabela 4.4 – Dados técnicos da contra-solda para a posição de soldagem 3G

Corpo de Prova CP33 CP35


TM770


Plus

Vel. de alimentação (m/min) 5,3 5,0

Corrente (A) 155 161,6

Tensão (V) 24,9 24,6


245 314

Eficiência de deposição (%) 85,6 85,8

Taxa de deposição (kg/h) 1,97 1,86

A figura 4.10, mostra os oscilogramas para o preenchimento da raiz na contra-solda.

86

Figura 4.10 – Oscilogramas CP33 e CP35 respectivame nte (contra-solda).

A tabela 4.5 faz um comparativo sobre os valores médios dos principais parâmetros

de soldagem considerando os passes de raiz com RMDTM, contra-solda e backing

cerâmico, desconsiderando os passes de enchimento.

Tabela 4.5 – Dados técnicos do passe de raiz com RM DTM, contra-solda e backing cerâmico para a posição de soldagem 3G



Excel Arc


Metalloy Vantage


Plus Stargold

Plus Stargold

Pipe Stargold

Pipe


Corrente (A) 180,0 162,8 177,3 158,1 145,7 157,0

Tensão (V) 24,0 25,1 23,2 24,6 15,9 15,5


122 268 109 305 144 154

Eficiência de deposição (%) 86,0% 80,6% 87,1% 87,2% 98,7% 99,5%


O gráfico da figura 4.11 apresenta o custo médio do quilograma de metal depositado

para os passes de raiz com RMDTM, contra-solda e backing cerâmico,

desconsiderando os passes de enchimento.

87

Figura 4.11 – Comparativo de custo entre os process os para passe de raiz com RMDTM, contra-solda e backing cerâmico para a posição de soldagem 3G

A tabela 4.6 apresenta os principais parâmetros de soldagem utilizados nos passes

de enchimento e acabamento.

Tabela 4.6 – Dados técnicos dos demais passes da po sição de soldagem 3G.



Excel Arc


Metalloy Vantage


Plus Stargold

Plus Stargold

Pipe Stargold

Pipe


Corrente (A) 141 159 177 164 136 97

Tensão (V) 25 25 23 24 16,1 19


215 234 219 228 62 58

Eficiência de deposição (%) 83 82 87 88 98 96


Nas figuras 4.12 e 4.13, observa-se a mesma estabilidade do arco elétrico para o

processo de arame tubular em decorrência da utilização da mistura rica em Argônio.

88

Figura 4.12 – Oscilogramas CP15 e CP33 respectivame nte (enchimento/acabamento).

Figura 4.13 – Oscilogramas CP16 e CP35 respectivame nte (enchimento/acabamento).

A figura 4.14 mostra novamente a diferença entre os dois tipos de arco pulsado,

tradicional e pulsado adaptativo, ProPulseTM.

89

Figura 4.14 – Oscilogramas CP5 e CP7 respectivament e (enchimento/acabamento).

A tabela 4.7 apresenta os valores médios dos parâmetros de soldagem de cada

junta soldada.

Tabela 4.7 – Valores médios na posição de soldagem 3G.



Excel Arc


Metalloy Vantage


Plus Stargold

Plus Stargold

Pipe Stargold

Pipe

Corrente (A) 159 160 177 162 100 113

Tensão (V) 24,7 25,5 23,1 24,6 15,6 17,25


114 250 109 261 87 85

Eficiência de deposição (%) 85% 81% 87% 88% 98% 97%

Aporte térmico (kJ/mm) 2,1 1,0 2,2 0,9 1,1 1,4


O gráfico da figura 4.15 apresenta o custo médio do quilograma de metal depositado

em cada um dos corpos de prova soldados na posição vertical 3G.

90

Figura 4.15 – Comparativo de custo entre os process os testados

É importante dizer que foram necessários dois passes de enchimento para os CPs

15, 16, 33 e 35 e que devido a característica do processo FCAW de formação de

escória, foram necessários realizar as limpezas das margens com disco abrasivo

após o primeiro enchimento, conforme mostrado na figura 4.15, a fim de se evitar a

formação de inclusão de escória entre as margens da solda. Este tempo de

preparação tem impacto direto no custo da mão de obra pois é inversamente

proporcional ao fator de operação do processo. (20, 21, 28, 30, 31, 32).

Figura 4.16 – Limpeza da margem da solda

91

4.4- ANÁLISE DE CENÁRIOS COM BASE NA CADEIA DE VALOR DO

CLIENTE

Considerando que a soldagem a ser realizada na posição horizontal represente 80%

do volume das juntas a serem soldadas em uma empresa, e que as juntas na

posição vertical representem os demais 20% (sendo 10% do tipo 3F e 10% do tipo

3G), o custo do quilograma do metal depositado médio pode ser estratificado

conforme demonstrado na tabela 4.8.

Tabela 4.8 –Valores médios do custo de soldagem.

Posições de Soldagem

Volume trabalho prático

Custo de produção Conforme Posição de Soldagem (R$/kg)

FCAW+ CO2 (contra-solda)

FCAW+Plus (contra-solda)

MCAW+Pipe (RMDTM

+ProPulse TM)

2F 80% 22,35 22,53 18,96

3F 10% 2,79 3,05 3,20

3G 10% 3,76 4,02 3,92

Total 28,89 29,61 26,09

Os valores obtidos na tabela 4.8, correspondem ao produto entre o volume de

trabalho prático conforme a posição de soldagem, seja 80% ou 10%, e o

corresponde custo por quilograma do metal depositado conforme mostrado nos

custos totais (R$/kg depositado) das figuras 4.3, 4.6 e 4.15.

Na tabela 4.8 foram descartados os processos MCAW+Pipe+Pulsado Tradicional na

posição 3F, FCAW+CO2 com backing cerâmico na posição 3G, FCAW+Plus com

backing cerâmico na posição 3G e MCAW+Pulsado Tradicional por apresentarem

custos mais elevados em relação aos estudos aqui apresentados, restando assim

combinação de gases e processos mais atrativos para análise de custos que virá a

seguir.

Se for estipulado um volume mensal de 8 toneladas de metal adicionado ao cordão

de solda em um parque fabril, o custo mensal para realização da soldagem para

92

cada um dos três processos da tabela 4.6 seria conforme o gráfico da figura 4.17.

Os valores obtidos na figura 4.17 são relativos ao somatório do produto entre cada

custo de produção conforme a posição de soldagem, o volume de 8 toneladas do

cordão de solda e a eficiência de deposição obtida para os processos de cada uma

das três colunas da tabela 4.8. Como exemplo mais elucidativo, segue abaixo o

custo mensal de produção para o cenário 1, onde os demais custos seguem o

mesmo exemplo.

Custo Mensal Produção = 8.000 kg x (R$22,35/kg x 85,04% +

R$2,79/kg x 85,64% + R$3,76/kg x

84,73%) ≈ R$ 196.600

Figura 4.17 – Comparativo de custo mensal entre os processos testados para

93

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES

Normalmente as empresas adotam uma única configuração de soldagem, e na

maior parte das vezes para a condição mais adversa do processo produtivo. Ao

adotarem esta postura fecham as portas para alternativas que poderiam

proporcionar redução substancial nos custos de soldagem. Até mesmo para o

aumento de produtividade, quando o gargalo está localizado no processo de

soldagem.

Também, é de conhecimento de todos que, não só no Brasil, como em todo o

mundo, existe uma grande carência de mão-de-obra, soldadores, e que portanto,

quanto maior for a implementação de novas tecnologias nos processos de

soldagem, maior será o aumento de produtividade e menor será a necessidade

deste recurso.

É muito comum as empresas realizarem análises de custos simples, ou seja, fazem

comparações entre um produto e outro sem analisarem todo o conjunto

técnico/econômico envolvido no processo. Eventualmente deixam de considerar

algumas variáveis importantes como por exemplo o custo da mão-de-obra do

soldador ou o custo com acessórios utilizados (backing cerâmico). Na maior parte

das vezes a decisão ocorre dentro do setor de compras, e excelentes oportunidades

de melhoria são perdidas.

Em processos fabris o que é mais comum de se encontrar são soldas na posição

plana e horizontal. A utilização de maiores níveis de energia devido a posição de

soldagem, transferência metálica do tipo goticular, proporciona consequentemente

maiores velocidades de soldagem. Dessa forma, a configuração GMAW – Arame

Alma metálica (MCAW) e Stargold Pipe demonstrou ser mais indicada para ganhos

de produtividade.

Na posição 2F, o processo metal cored obteve a mais alta velocidade de soldagem,

a maior eficiência de deposição e taxa de deposição. Como este processo não

requer remoção da escória e limpeza do cordão, tem um fator de operação 5% maior

94

que o arame tubular com fluxo. Esses fatores impactaram em menor tempo de arco

aberto e aumento de produtividade, que significa: menor consumo de gás, energia

elétrica e aproveitamento da mão-de-obra. Consequentemente o custo de soldagem

foi o menor entre as configurações testadas.

Na posição 3F, os recursos sinérgicos para as curvas pulsadas demonstraram

excelente performance. O pulsado do tipo adaptativo obteve a maior velocidade de

soldagem, melhor eficiência de deposição, porem com uma taxa de deposição

menor. O impacto do custo do gás e do metal de adição foram preponderantes para

o menor custo de soldagem com o processo FCAW e CO2. Chama a atenção a

similaridade no desempenho do processo FCAW com CO2 e a mistura Stargold Plus,

onde novamente o impacto no preço da mistura foi o diferencial para um menor

custo de soldagem entre estas duas configurações.

Na posição 3G, o recurso sinérgico do curto-circuito controlado do tipo RMDTM da

Miller foi um diferencial tecnológico bem significativo na realização do passe de raiz

pois, possibilitou uma excelente velocidade de soldagem, alta eficiência de

deposição e a não necessidade de utilização do backing cerâmico ou contra-solda,

recursos esses que tem um custo significativo no processo de soldagem. O fator de

operação para essa tecnologia é 15% menor pois não requer tempo de preparação

do backing cerâmico e nem tão pouco a limpeza com disco abrasivo da margem da

solda entre os cordões de enchimento/acabamento ou goivagem da raiz e

enchimento com novo cordão de solda para a contra-solda, pois sem esses

cuidados adicionais há o risco de se gerar descontinuidades no cordão de solda. O

custo de soldagem para se fazer a raiz com RMDTM foi o menor entre os processos,

informação esta que pode ser obtida da figura 4.11.

No enchimento/acabamento da junta para a posição 3G, o recurso sinérgico pulsado

possibilita uma boa performance do arame tubular com pó metálico. Destaca-se a

tecnologia ProPulseTM com desempenho superior ao pulsado tradicional. Porém, a

taxa de deposição e velocidade de deslocamento do processo FCAW foi superior a

do GMAW – Arame Alma metálica (MCAW), principalmente quando se utiliza mistura

95

rica em argônio e a prática da contra-solda no lugar do backing cerâmico, onde se

obtém a melhor taxa e eficiência de deposição.

Na avaliação econômica geral da posição 3G, fica evidenciado o impacto econômico

do custo do backing cerâmico com o processo FCAW, e ao maior custo da mão-de-

obra devido ao fator de operação deste processo ser maior do que o GMAW –

Arame Alma metálica (MCAW). Porém, quando se introduz a pratica da contra-solda

associada a processo FCAW obtém-se o menor custo de soldagem pois novamente

fica evidenciado o impacto do preço da mistura e do arame de solda.

Considerando a distribuição média das posições de soldagem conforme a tabela 4.8,

o processo arame tubular com pó metálico é o que proporciona o menor custo por

quilograma de metal depositado. Porém, outras configurações poderiam ser

realizadas como a utilização do processo GMAW – Arame Alma metálica (MCAW)

nas posições 2F, 3F, RMDTM no passe de raiz com enchimento e acabamento no

processo FCAW e mistura rica em argônio, esta seria a combinação ótima e de fácil

implementação, bastando uma fonte com recursos sinérgicos com tecnologia

RMDTM, cabeçote duplo e uma única mistura de solda rica em argônio.

Da figura 4.17, onde foi assumido uma produção média mensal de 8,0 toneladas de

cordão de solda, tem-se que a economia dos custos de soldagem será de

R$19.080/mês ou R$ 228.960/ano. Valor esse suficiente para realizar a aquisição de

equipamentos de tecnologia com baixo tempo de retorno do investimento.

Possibilitando alta produtividade e maior competitividade no mercado metal

mecânico.

96

CAPÍTULO 6- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) ENERGIA, São Paulo: Valor Setorial: Junho 2012.

(2) PRAXAIR. Shielding gases selection manual. P-8201 10M 6/98 Disponível em:

<http://www.praxair.com/praxair.nsf/0/3a5665b9858c53d085256a08005e1cff/$FILE/

P-8201.pdf> Acesso em: 20 junho 2012.

(3) CARBON arc welding. Disponível em: http://www.answers.com/topic/carbon-arc-

welding?cat=technology. Acesso em: 17 Set.2012.

(4) RAMALHO, P. R. Introdução a tecnologia de soldagem. Disponível em:

<http://dc141.4shared.com/doc/z_6EkUIF/preview.html> Acesso em: 17 Set.2012.

(5) HISTORY of TIG (GTAW) Welding Invention and Development. Disponível em:

<http://www.netwelding.com/History_TIG_Welding.htm> Acesso em: 17 Set.2012.

(6) BRACARENSE, Q. A. soldagem a plasma – PAW. 17f. Nota de Aula para pós-

graduação em eng. mecânica. UFMG, Belo Horizonte - MG. Maio de 2000.

(7) WAINER. E; BRANDI. S. D; MELLO. F.D.H. Soldagem: Processos e metalurgia.

São Paulo: Edgard Blucher LTDA, 2004. 494 p.

(8) FOGAGNOLO,. J. B. Introdução a processos e metalurgia da soldagem. Apostila

1. Agosto 2011.

(9) BARBEDO, N. Del Ducca. Avaliação comparativa dos processos de soldagem

GMAW e FCAW utilizando aço ASTM-36 para verificar a soldabilidade, propriedades

metalúrgicas e geométricas, e resistência mecânica. 2011. 82 p. Dissertação de

Mestrado. Pós-graduação em engenharia mecânica, Itajubá, Outubro de 2011.

97

(10) BONANNI, C. G. Uso Combinado das Técnicas DOE e simulação de Monte

Carlo em um processo de soldagem MIG/MAG pulsado. 2005. 104 p. Dissertação de

mestrado. Pós-graduação em engenharia de produção, Itajubá, 08 Junho de 2005.

(11) BRACARENSE, Q. A. Gás metal arc welding. 27 p. 2003.

(12) RESENDE, A. A.; KEOCHEGUERIANS, F.; VILARINHO, L. O. Influencia dos

Teores de CO2 e O2 na corrente de transição globular-goticular utilizando misturas a

base de argônio durante a soldagem GMAW e arame ER70S6. Soldagem Insp. São

Paulo, Vol. 14, No. 1, p.026-035, 2009.

(13) FISCHER, A. Estudo da Influência dos parâmetros no processo de soldagem

GMAW-Arco Pulsado. 2011. 170 p. Dissertação de doutorado. Departamento de

engenharia mecânica da UFMG, Belo Horizonte, 2011.

(14) FUNDAÇÃO Brasileira de Tecnologia da Soldagem – Curso de Inspetor de

Soldagem – CIS – Nível 1. Rio de Janeiro: FBTS, Janeiro de 2011. 197 p.

(15) MÁQUINAS de Solda ao Arco Elétrico Convencional. White Martins Gases

Industriais SA. 23 p.

(16) SCOTTI, A. Fontes de soldagem ao Arco Voltaico. Universidade Federal de

Uberlândia. Outubro de 1998. 18 p.

(17) MODENESI, P. Fontes de energia para soldagem a arco. Dezembro 2005. 32

p.

(18) PIPEPRO Welding System. Miller, Abril 2010.

<http://www.millerwelds.com/pdf/spec_sheets/PWS1-0.pdf> Acesso em: 12

Set.2012.

(19) PARANHOS, R. Como determinar os custos da soldagem. Ed. Ronaldo Pinheiro

da Rocha Paranhos, 2005.

98

(20) ESAB. Weld Metal Cost Worksheet Instructions. Disponível em:

<http://www.esabna.com/euweb/fm_handbook/577fm8_6.htm>. Acesso em: 10

Junho.

(21) JEFFUS, L. F. Welding: Principles and Applications. Fifth Edition. Clifton Park:

Thomson Delmar Learning, 2004. 944p.

(22) MODENESI, P. J. Fontes de Energia para a Soldagem a Arco. Belo Horizonte:

UFMG. Disponível em:

<http://www.demet.ufmg.br/grad/disciplinas/emt019/fontes.pdf> . Acesso em: 10

Junho 2012.

(23) CHU, K. P. Welding of sheet metal using modified short arc MIG/MAG welding

process. April 24th, 2007. 72p. (Master degree in Mechanical Engineering).

Department of Mechanical Engineering. Lappeenranta University of Technology.

Lappeenranta, Finland:2007.

(24) SILVA, R. H. G; JUNIOR, R. G; DUTRA, J. C. Soldagem MIG/MAG em curto-

circuito controlado (CCC) aplicada ao passe de raiz. 10p.

(25) METALLOY VANTAGE. Data sheet. Disponível em:

<http://www.hobartbrothers.com/uploads/pdf/datasheets/MetalloyVantage.pdf>.

Acesso em 15 Junho 2012.

(26) EXCEL ARC 71. Data sheet. Disponível em:

<http://www.hobartbrothers.com/uploads/pdf/datasheets/Excel_Arc71.pdf>. Acesso

em 15 Junho 2012.

(27) TM-770. Data sheet. Disponível em:

<http://www.hobartbrothers.com/uploads/pdf/datasheets/TM_770.pdf>. Acesso em

15 Junho 2012.

(28) BRITO, J. D. B; PARANHOS, R. Como Determinar os Custos da Soldagem.

Campos dos Goytacazes: Ronaldo Paranhos, 2005. 74p.

99

(29) How Metal-Cored Wires Reduce Hidden Welding Costs. Hobart Brothers

Company. Ohio, May 7, 2012. Disponível em

<http://www.hobartbrothers.com/news/124/491/How-Metal-Cored-Wires-Reduce-

Hidden-Welding-Costs.html>. Acesso em: 20 julho 2012.

(31) Part One: Can Metal-Cored Wire Improve Your Productivity?. Hobart Brothers

Company. Ohio. May 13, 2009. Disponível em

<http://www.hobartbrothers.com/news/45/491/Part-One-Can-Metal-Cored-Wire-

Improve-Your-Productivity.html>. Acesso em: 19 julho 2012.

(32) Part Two: Can Metal-Cored Wire Improve Your Productivity. Hobart Brothers

Company. Ohio, May 12, 2009. Disponível em

<http://www.hobartbrothers.com/news/44/491/Part-Two-Can-Metal-Cored-Wire-

Improve-Your-Productivity.html>. Acesso em: 19 julho 2012.

(33) MYERS, D. Advantages and Disadvantages of Metal Cored Wires. ESAB.

United States,2012. Disponível em <

http://www.esabna.com/us/en/education/knowledge/fillermetals/Advantages-and-

Disadvantages-of-Metal-Cored-Wires.cfm>. Acesso em: 22 julho 2012.

100

CAPÍTULO 7 - SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Há uma série de estudos econômicos que poderiam ser utilizado em complemento a

este, dentre os quais saliento:

1. Realizar estudos comparativos a este com misturas ricas em argônio porem

utilizar como metal de base o aço inox.

2. Entres as misturas ricas em argônio verificar qual a proporção de dióxido de

carbono seria mais econômica para se trabalhar com metal cored seja na

posição 2F, 3F e 3G.

3. Entres as misturas ricas em argônio verificar qual a proporção de dióxido de

carbono seria mais econômica para se trabalhar com arame tubular seja na

posição 2F, 3F e 3G.

4. Do dois últimos estudos sugeridos acima, seria extremamente interessante

verificar realizar um novo comparativo dos processos com a mistura mais

adequada para cada processo.

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17 Monografia Marcelo Pedrosa v18 _Versao Final_