CT 74 - Estudo da Influncia de Adio de Arame Frio Sobre o Arco Eltrico em Soldas GMAW

(Study about the Influence of Cold Wire Addition in Arc GMAW Welding)

Andrew Vincius Batista de Oliveira1, Rodrigo Goddini de Oliveira Ferreira

1, Trcio dos Santos Cabral

1,

Eduardo de Magalhes Braga1.

1Universidade Federal do Par, Faculdade de Engenharia Mecnica - FEM, Belm, Par, Brasil,

andrew_odim@yahoo.com.br, rodrigogoddini@hotmail.com, tarcio_cabral@yahoo.com.br,

edbraga@ufpa.br.

Resumo

Este trabalho avaliou o comportamento da corrente eltrica, tenso e resistncia eltrica durante o

aumento percentual da adio de arame frio de 10% at 60% no processo GMAW-CW(Gs Metal Arc

Welding - Cold Wire). A soldagem foi realizada por simples deposio em chapas de ao ABNT 1020,

com arame eletrodo ER 70S-6 (1,2 mm) e arame frio da mesma classe (1,0 mm). Foram realizados experimentos com o objetivo de definir parmetros de soldagem que proporcionassem um modo de

transferncia metlica do tipo goticular. Aps definidos os parmetros para o processo GMAW, se iniciou

as soldagens pelo processo GMAW-CW, sendo estes experimentos monitorados em tempo real pelo

programa SAP-V4. Com os dados foram gerados grficos instantneos, mdios e eficazes, ciclogramas e

histogramas para todas as grandezas fsicas que descrevem o processo de soldagem, como corrente,

tenso e resistncia. Com base na literatura e grficos gerados, foram realizados estudos sobre o

comportamento da corrente em funo da entrada do arame frio na atmosfera do arco eltrico. Os

resultados obtidos mostraram que a adio de arame frio no altera o modo de transferncia metlica,

contudo observou-se que ocorre um acrscimo no valor da corrente e os valores de tenso permaneceram

constate.

Palavras chaves: Parmetros; Transferncia; SAP-V4; Monitoramento; Arco eltrico.

Abstract: This work evaluated electric current, voltage and electrical resistance behavior during the increase of the addition 10% a 60% cold wire in GMAW-CW(Gs Metal Arc Welding Cold Wire) process. The welding was realized in simple deposition in carbon steel plates (ABNT 1020). ER 70S-6

wire of 1,2 mm of diameter was wire electrode and the same class electrode with 1,0 mm of diameter was

cold wire. Therewith were made preliminary experiments with the aim to define the welding parameters

that provide a metallic droplet transfer mode. After define parameters to GMAW process, the weld were

started by GMA-CW process, all experiments monitored real time by the SAP-V$ program. Data obtained

during the monitoring were generated instantaneous graphics, average and effective, just as, ciclogramas

and histograms for all physical quantities that describe the welding process, as current, voltage, and

resistance. Based in the literature and graphs generated by obtained data, studies were made about the

current behavior on entry of cold wire in the arc atmosphere. The results showed that the addition of cold

wire does not change the mode of metal transfer, however it was observed that there is an increase in the

value of the current and voltage values remained constant.

Key-words: Parameters; Transfer; SAP-V4; Monitoring; Electric Arc.

1. Introduo

Este trabalho estuda a influncia gerada pela adio de arame frio na estabilidade do arco eltrico para

o processo GMAW-CW (Gas Metal Arc Welding cold wire). Onde conforme Gomes [1], um arco estvel aquele que possui uma transferncia peridica e um tempo de apagamento o menor possvel.

A importncia deste estudo deve-se ao processo GMAW ser um processo consolidado no cenrio

mundial e um dos processos mais utilizados na indstria naval, tendo a nomenclatura MIG/MAG (MIG Metal Inert Gas / MAG Metal Active Gas) como sinnimo.

Segundo Scott & Ponomarev [2] o processo GMAW consiste em um processo de soldagem que se baseia na fonte de calor de um arco eltrico mantido entre a extremidade de um arame nu consumvel,

alimentado continuamente, e a pea a solda. Uma vez que esse processo predominante para a construo de embarcaes na regio Norte do pas, e pelo fato do processo GMAW apresentar

produtividade inferior quando comparado ao processo duplo arame, e com o intuito de reduzir esta

desvantagem, foi idealizada a utilizao do processo GMAW modificado com adio de arame frio.

O processo GMAW-CW diferente do GMAW duplo arame, onde se tm os dois arames energizados e

uma difcil aplicao, pois necessita de duas fontes eletrnicas de soldagem sincronizadas com um

cabeote de alimentao de arame para cada fonte, programas computacionais para realizar o sincronismo

das fontes, maior gasto com energia eltrica, gs e outros, necessita tambm de operadores mais

qualificados e por fim est sujeito a problemas gerados pela influncia de campos magnticos (deflexo

magntica).

Segundo Scott& Ponomarev [2] a deflexo magntica entre os arcos em particular, tem sido apontada como um grande entrave operacional do processo, por atrair entre si os arcos e gotas em transferncia. O processo GMAW com adio de arame no energizado no apresenta esses problemas relacionados

deflexo magntica, pois o mesmo necessita apenas de mais um cabeote de alimentao de arame, e este

arame ir aproveitar o calor do arco eltrico gerado pelo arame eletrodo.

Ao longo deste trabalho sero medidos e adquiridos os dados referentes ao comportamento do arco

eltrico durante a confeco de solda a partir do processo GMAW-CW. Com base nestes dados ser

possvel analisar quais so as perturbaes causadas ao arco eltrico quando adicionado o arame frio

dentro de sua atmosfera, uma vez que essas perturbaes sero determinantes para a qualidade do cordo

de solda.

2. Materiais e Mtodos

As soldas foram realizadas em simples deposio sobre chapas de ao carbono do tipo ASTM 1020.

Na tabela 1 representada a composio qumica deste ao.

Tabela 1. Faixa de Composio Qumica (%) do Ao AISI-SAE 1020

C Mn P S

0,18 - 0,23 0,30 - 0,60 0,04 mx. 0,05 mx.

O metal de adio utilizado para a realizao dos experimentos foi o arame AWS A5.18 ER 70S-6 sendo este utilizado tanto para o arame eletrodo como para o frio, porm com dimetros diferentes, 1.2

mm (arame eletrodo) e 1.0 (arame frio), sua composio qumica representada na tabela 2.

Tabela 2. Faixa de Composio Qumica (%) dos Arames Eletrodo e Frio

C Si Mn P S Cu

0,06 - 0,15 0,8 - 1,15 1,4 - 1,85 0,025 mx. 0,035 mx. 0,5 mx.

O modo de transferncia metlica utilizado neste trabalho foi do tipo goticular, uma vez que o

objetivo deste estudo determinar a influncia causada pelo arame frio na estabilidade do arco e por

apresentar variaes pequenas nos valores dos oscilogramas de corrente e tenso, possuindo um

comportamento quase como de uma reta em relao a outros modos de transferncia, como por exemplo,

o curto-circuito.

A partir de Resende et al [3] e experimentos realizados em laboratrio, foi possvel fazer o

levantamento dos parmetros de soldagem utilizados neste trabalho. A tabela 3 mostra os parmetros de

soldagem adotados para a realizao deste trabalho.

Tabela 3. Parmetros de Soldagem

Parmetros Valores Ajustados

Tenso (V) 37

Velocidade de Alimentao (m/min) 10, 12, 14

Velocidade de Soldagem (cm/min) 40

Vazo do Gs (l/min) 15

DBCP (mm) 22

Para cada velocidade de alimentao ocorreu a variao de 10 a 60% na adio de arame no

energizado, gerando assim um total de doze amostras a serem analisadas. Depois de realizadas as

soldagens com o auxlio do programa SAP-V4 foi possvel obter as caractersticas dos parmetros mdios

e instantneos de soldagem, a partir de grficos de corrente e tenso, mdios e eficazes.

Na anlise dos grficos de valores mdios de corrente e tenso o programa gerou grficos sobrepostos

com valores mdios e eficazes, onde conforme Quites [4], o valor eficaz de uma corrente peridica o

valor da corrente contnua e constante que dissipa a mesma potncia em uma resistncia eltrica pura.

O programa SAP-V4 gerou tambm histogramas e ciclogramas referentes a cada processo. Os

histogramas sero utilizados quando forem necessrias informaes visuais sobre a regularidade de

alguns parmetros da transferncia, podendo ser o pico de corrente devido um curto-circuito, a durao da

transferncia metlica ou somente da fase de curto circuito. J os ciclogramas sero analisados a partir de

pontos gerados pelos valores de corrente e tenso simultaneamente, diferente dos oscilogramas de

corrente e tenso que apresentam valores em funo do tempo, os ciclogramas apresentam variveis uma

em funo da outra.

Para a anlise da influncia do arame frio sobre o arco eltrico durante a soldagem, a anlise dos

ciclogramas se deu a partir de metodologias j usadas anteriormente em pesquisas realizadas pelo Grupo

de pesquisa LCAM/FEM/UFPA.

Por fim por meio do programa computacional Microsoft Excel foi feita uma anlise de curvas de

tendncia, sendo gerada a partir dos valores mdios obtidos pelas tabelas fornecidas pelo programa SAP

V4.

3. Resultados e Discusses 3.1. Grficos de Corrente e tenso

O programa computacional SAP V4 fabricado pela IMC Soldagem fornece grficos de valores mdios plotados em azul ou valores eficazes plotados em verde, para apresentao dos resultados obtidos

neste trabalho foram plotados ambos os grficos sobrepostos.

Para os experimentos realizados com Va = 10 m/min pelo processo convencional e modificado, foram

obtidos grficos de valores mdios de corrente e tenso, dos quais sero apresentados alguns grficos

mais representativos das perturbaes sofridas no arco. Comportamento similar se observa para os

experimentos com velocidades de 12 e 14 m/min.

Figura 3. 2 - Valores mdios de corrente e tenso para o processo GMAW convencional com Va = 10 (40%) m/min.

Figura 3. 1 - Valores mdios de corrente e tenso para o processo GMAW convencional com Va = 10 m/min.

3.2. Grficos Instantneos

Os grficos de parmetros eltricos instantneos obtidos para o processo GMAW na condio de Va =

12 m/min proposta, apresenta modo de transferncia metlica do tipo goticular, com boa estabilidade de

arco (Figura 3. 3).

Para o processo GMAW com Va = 12 m/min, obteve-se o seguinte grfico de parmetros eltricos

instantneos, Figura 3.3. Para o processo GMAW-CW o Grfico no demonstra nenhuma alterao ou

perturbao capaz de alterar o tipo de transferncia metlica, como observado na Figura 3. 4 que

representa Va = 12 (60%) m/min. Comportamento similar se observa para os experimentos com

velocidades de 10 e 14 m/min.

Figura 3. 3 - Grfico de parmetros eltricos instantneos sobrepostos para processo GMAW, Va = 12 m/min.

Figura 3. 4 - Grfico de parmetros eltricos instantneos sobrepostos para processo GMAW, Va = 12 (60%) m/min.

3.3. Ciclogramas (grficos U x I)

Para cada valor de Va do processo convencional, observam-se pontos concentrados em uma faixa

definida como a zona de estabilidade de corrente e tenso, como o demonstrado para Va = 14 m/min, na

Figura 3.5.

As Figuras 3.6 e 3.7 apresentam o mesmo fenmeno, onde a adio do arame frio provoca um aumento da

corrente eltrica (pois necessrio gerar mais calor para fundir uma maior quantidade de metal

proveniente do arame frio), contudo em algumas condies alm do deslocamento das nuvens de pontos e

possvel observar tambm uma disperso maior destes pontos. Comportamento similar se observa para os

experimentos com velocidades de 10 e 12 m/min.

Figura 3. 5 - Ciclograma Va = 14 m/min.

Figura 3. 6 - Ciclograma Va = 14 (20%) m/min.

3.4. Crescimento de corrente

As Tabelas 3.1, 3.2 e 3.3, apresentam os valores percentuais para o aumento do valor mdio de

corrente (tendo como referncia o processo convencional), evidenciando mais uma vez o comportamento

observado que, para a adio de arame frio a fonte responde aumentando o valor de corrente. Entretanto,

quando adicionado arame frio a uma razo em torno de 50% a 60%, o percentual do aumento de corrente

em comparao ao processo convencional comea a cair, porm, com uma taxa bem menor que a de

crescimento.

Tabela 3.1 Aumento percentual de corrente para Va = 10 m/min.

Va(m/min)

Tenso (U) Corrente (I) Aumento %

10 34,5 285,8 10(10%) 34,4 293,4 2,65 10(20%) 34,4 293,1 2,55 10(30%) 34,4 296,3 2,65 10(40%) 34,3 302,7 5,91 10(50%) 34,3 300,6 5,17 10(60%) 34,3 301,4 5,45

Tabela 3.2 - Aumento percentual de corrente para Va = 12 m/min.

Va(m/min)

Tenso (U) Corrente (I) Aumento %

12 34,2 318,2 12(10%) 34,1 325,6 2,32 12(20%) 34,1 327,1 2,79 12(30%) 34,1 330,2 3,77 12(40%) 34,1 331 4,02 12(50%) 34,1 330,1 3,73 12(60%) 34 338,1 6,25

Figura 3. 7 - Ciclograma Va = 14 (50%) m/min.

Tabela 3.3 - Aumento percentual de corrente para Va = 14 m/min.

Va(m/min)

Tenso (U) Corrente (I) Aumento %

14 33,9 347,8 14(10%) 33,9 352,3 1,29 14(20%) 33,9 355,1 2,09 14(30%) 33,8 361,2 3,85 14(40%) 33,9 353,2 1,55 14(50%) 33,9 360,3 3,59 14(60%) 33,9 359,5 3,36

3.5. Histogramas de tempo de curto-circuito

Para os histogramas apresentados pelas Figuras 3.8, 3.9 e 3.10, todos representativos ao processo

GMAW-CW, possvel observar a ocorrncia de curto-circuitos, porm, estes ocorrem de modo

insipiente, podendo ser considerados como no significativos.

Figura 3. 8 - histograma Va = 10 (40%) m/min.

Figura 3. 9 - histograma Va = 12 (50%) m/min.

30

35

40

45

50

55

0 50 100 150 200 250 300 350 400

convencional

AF10%

AF20%

AF30%

AF40%

AF50%

AF60%

3.6. Resultados obtidos curvas do processo

Para as curvas de tenso em funo da corrente (U x I), foram obtidos os seguinte grfico para o

processo GMAW (Va = 10 m/min, 12 m/min e 14 m/min).

Figura 3. 10 - histograma Va = 14 (50%) m/min.

Figura 3. 5 - Curvas para o processo convencional.

Figura 3. 6 - Curvas para o processo GMAW e GMAW-CW sobrepostas.

Com base nas Figuras acima se pode observar que, quando adicionado arame frio, a tenso mantm-se

praticamente constante, j o valor de corrente aumenta medida que se aumenta o percentual de arame

frio.

4. Concluses

Neste trabalho foram realizados vrios experimentos que tinham por finalidade esclarecer qual a

perturbao gerada pela adio de arame frio na estabilidade do arco eltrico de soldagem para o processo

GMAW com o modo de transferncia do tipo goticular. Foram observadas perturbaes na estabilidade

do arco eltrico para as trs condies de soldagem propostas Va= 10, 12 e 14 m/min., permitindo

concluir que,

Ao analisar os valores mdios de corrente e tenso, observou-se que medida em que se adiciona uma

maior quantidade de arame frio ao processo, os valores mdios de tenso no se alteram, j os valores

mdios de corrente aumentam. Com esta informao, pode-se inferir que a energia de soldagem aumenta,

tendo em vista que esta grandeza diretamente proporcional ao valor de corrente.

Com base nos grficos, histogramas e ciclogramas de parmetros eltricos instantneos obtidos para o

processo GMAW-CW, tm-se que, a adio de arame frio na atmosfera do arco, no foram geradas

perturbaes suficientes ao ponto de alterar o tipo de transferncia metlica

Os ciclogramas de U x I obtidos para o processo GMAW e GMAW-CW demonstram que ambos os

processos apresentam intervalos de corrente e tenso bem definidos, caracterizando pacotes operacionais

bem reduzidos no que se refere a valores de corrente e tenso, contudo a medida com que aumenta o

percentual de arame frio adicionado ao processo, o intervalo de tenso permanece constante ao passo que

o intervalo de corrente passa a ter valores mnimos e mximos cada vez maiores, ou seja, a faixa de

corrente caminha no sentido crescente, a nuvem de pontos deslocada para a direita.

Para as curvas caractersticas dos processos GMAW e GMAW-CW as curvas de tendncia se

sobrepem como mostrado na Figura 3.12, evidenciando que a adio de arame frio no altera as curvas

caractersticas do processo e estticas da fonte.

Os ensaios realizados sugerem que no existe um limite para a adio de arame frio, pois para Va= 10

m/min foi possvel soldar de modo eficiente com a condio de 60% de adio de arame frio, o mesmo

ocorreu para as condies Va=12 e 14 m/min.

Atravs de observaes empricas, constatou-se que quando o arame eletrodo introduzido no arco

eltrico, a intensidade luminosa reduzida significativamente. A intensidade sonora observada por rudos

aumenta, tal como a ocorrncia de respingos, isto sugere uma maior instabilidade de arco.

5. Agradecimentos

Agradecemos a Universidade Federal do Par - UFPA e a Faculdade de Engenharia Mecnica - FEM, por

permitir e atravs de suas dependncias a execuo do trabalho apresentado. Ao CNPQ pelo fomento a

pesquisa e bolsas de estudo que foram disponibilizadas, e a todos que contriburam para o bom

andamento deste trabalho.

6. Referncias Bibliogrficas [1] GOMES, E. B. Anlise do comportamento da soldagem por curto-circuito aplicado ao processo

eletrodo tubular atravs da metodologia Taguchi, Itajub: 2006. 99 p. Dissertao (Mestrado em

Engenharia Mecnica) Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica, Instituto de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Itajub, Itajub. 2006.

[2] SCOTTI & PONOMAREV, Amrico. Vladimir. SOLDAGEM MIG/MAG: melhor entendimento, melhor desempenho. 1 ed. So Paulo. Artliber Editora Ltda, 2008.

[3] RESENDE, Andr Alves de, Influncia Dos Teores De Co2 E O2 Na Corrente De Transio Globular-Goticular Utilizando Misturas A Base De Argnio Durante Soldagem GMAW De Arame

ER70S-6. Soldagem & inspeo So Paulo, Vol.14, No. 1, p. 026-035, jan./mar. 2009

[4] QUITES, A. Definio de soldagem. (online) Disponvel em: Acessado em: 07 mar. 2013.