III Seminário da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

SOLDAGEM GMAW ROBOTIZADA DE ALUMÍNIO: INFLUÊNCIA DO TIPO DE CHANFRO, TECIMENTO E SENTIDO DE LAMINAÇÃO NA DISTORÇÃO

ANGULAR

Rafael Coraini Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Yukio Kobayashi

Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

RESUMO Este trabalho tem como principal objetivo analisar o quanto situações rotineiras

utilizadas no chão de fábrica para a soldagem robotizada de alumínio podem influenciar nas distorções angulares da liga Al-Mg 5052 H34. Estão sendo testadas nos corpos de prova variações de tecimento, do tipo de chanfro e do sentido de laminação da chapa em relação ao cordão de solda, de modo a identificar a influência, separadamente, destes parâmetros na distorção angular de corpos-de-prova. Foram definidos dois tipos de juntas, denominadas junta 1 (sem chanfro) e junta 2 (chanfro 60°), sendo que para cada tipo de junta foram escolhidos três tipos de tecimentos, normalmente utilizados no chão de fábrica, os quais foram denominados de “Contínuo”, “Zig-Zag” e “Vai-Vem”, e para cada tipo de tecimento foram montados quatro tipos de corpos-de-prova, dois retirados no sentido transversal das chapas e dois retirados no sentido longitudinal. Os corpos-de-prova estão sendo fixados por um dispositivo de soldagem em apenas dois pontos, para que a distorção possa ocorrer o mais livremente possível. Está sendo utilizada uma máquina de soldagem de corrente contínua multiprocessos e um robô para a soldagem, enquanto que a medição da distorção está sendo realizada por um braço tridimensional. Serão analisadas três regiões distintas para cada condição de soldagem: Vista 1 – perpendicular ao cordão de solda, ao longo da largura da chapa, onde se inicia o processo de soldagem. Vista 2 – paralela ao cordão de solda, ao longo do comprimento da chapa. Vista 3 – perpendicular ao cordão de solda, ao longo da largura da chapa, onde se finaliza o processo de soldagem. Espera-se visualizar de forma gráfica os valores de distorção para cada uma das condições testadas, obter dados confiáveis das propriedades mecânicas das juntas soldadas e concluir qual situação é mais aconselhável de se utilizar no chão de fábrica, para a junta proposta no trabalho. PALAVRAS-CHAVE: Soldagem robotizada de alumínio; distorção angular; tecimento. 1 INTRODUÇÃO

A globalização e o avanço tecnológico crescente têm obrigado cada vez mais as indústrias a buscarem redução nos custos e aumento na competitividade, produtividade e qualidade do produto. A busca por materiais que possuam ótima resistência mecânica e baixo peso é um requisito obrigatório nesse cenário, na indústria metalúrgica não é diferente. O alumínio e suas ligas aparecem como ótimas alternativas para satisfazerem essas exigências.

Quanto às propriedades mecânicas, o alumínio puro (99,99% de pureza) no estado recozido apresenta uma excelente ductilidade, permitindo a produção de peças de forma bastante diversificadas. Entretanto, ele apresenta uma baixa resistência mecânica

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(aproximadamente 6,0 kgf/mm2), que é um fator que limita sua aplicação industrial. O alumínio puro combinado com outros metais (Mn, Mg, Cu, Si, etc), aliado à tratamento mecânico ou termo-mecânico, produz ligas que apresentam alta resistência mecânica (até 60 kgf/mm2), sendo tão elevadas quanto às dos aços estruturais, com a grande vantagem de serem mais leves. Este fato ampliou a utilização do alumínio e suas ligas para aplicações nas industriais aeroespaciais, automobilísticas, navais, etc. Antes, suas aplicações eram restritas à utilização em indústrias alimentícias, fabricação de estruturas decorativas ou pouco solicitadas, e condutores elétricos (WEINGAERTNER e SCHROETER, 1991, e BILONI et

al., 1981). A demanda de utilização do alumínio em escala industrial vem crescendo cada vez

mais nos últimos anos e um dos principais motivos é o espaço que o alumínio vem conquistando em substituição ao aço. Para se ter uma idéia dessa demanda atual de alumínio na indústria, quando se analisa a evolução da produção mundial de alumínio primário nos dez anos compreendidos entre 1996 e 2005, observa-se uma elevação de 53% em termos acumulados, como pode ser visto na Figura 1.1, o que significa uma média de expansão anual de 4,8% (ABAL, 2006).

Figura 1.1 – Evolução da produção mundial de alumínio primário 1996 – 2005 (Adaptado de

ABAL, 2006)

No ramo de fabricação de máquinas agrícolas a crescente utilização deste material não é diferente de outras áreas, pois além da elevada relação resistência / peso, o alumínio também possui uma excelente resistência a corrosão. Dentre os processos de transformação do alumínio, o processo de soldagem é um dos mais importantes para a fabricação de conjuntos mecânicos a serem montados no produto final.

Até meados da década de 70, a soldagem do alumínio e suas ligas era, no Brasil, uma prática metalúrgica de poucos iniciados. Sua maior aplicação ocorreu desse período em diante (ALCAN, 1993). Um dos processos mais utilizados na área industrial para a soldagem de alumínio é o MIG pulsado, que proporciona uma alta produtividade comparada ao processo TIG e fornece uma corrente média inferior ao processo MIG convencional, diminuindo assim o aporte de calor e, por conseqüência, as distorções devido ao alto coeficiente de expansão linear desse material.

A principal dificuldade da soldagem do alumínio e suas ligas está relacionada à presença de uma fina camada de óxido que se forma na superfície do metal e que lhe confere resistência a corrosão. Problemas associados à realização de soldas confiáveis e de qualidade em ligas de alumínio têm incentivado novos estudos (ALCAN, 1993 e OWEN et al., 2003).

Outra tecnologia sendo muito utilizada pelas empresas atualmente, em conjunto à soldagem, é a robotização, que se apresenta como uma técnica alternativa e capaz de

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revigorar a competência produtiva e qualitativa da soldagem a arco elétrico com proteção gasosa, tornando o processo de soldagem MIG/MAG robotizado um dos processos de maior interesse na indústria seriada de equipamentos pesados (TREMONTI, 2000).

Além disso, os processos de manufatura sempre apresentaram crescente demanda por maior controle dimensional e tolerância de forma, de modo que novas técnicas e modelos/metodologias de medição de distorção após soldagem têm recebido bastante atenção, principalmente os métodos tridimensionais.

A constante procura por desenvolvimento tecnológico na soldagem robotizada de alumínio e, mais especificamente, o interesse em se ter um maior controle das distorções provocadas pela soldagem nesse tipo de material no chão de fábrica, incentivaram o desenvolvimento do presente trabalho na empresa Máquinas Agrícolas Jacto. O material objeto de estudo é a liga Al-Mg 5052 H34, em forma de chapas. As ligas de Alumínio-Magnésio são as mais utilizadas em escala industrial por oferecerem uma ótima relação entre peso e propriedades mecânicas, elevada resistência à corrosão (característica muito importante devido o contato diário dos produtos da empresa com defensivos agrícolas, que são altamente corrosivos) e boa soldabilidade. 1.1 Objetivos

O objetivo principal deste trabalho é analisar o quanto situações rotineiras utilizadas no chão de fábrica para a soldagem robotizada de alumínio podem influenciar nas distorções angulares deste material. Foram testadas nos corpos de prova variações de tecimento, do tipo de chanfro e do sentido de laminação da chapa em relação ao cordão de solda.

Métodos estatísticos serão utilizados para melhores conclusões dos dados, e ensaios mecânicos serão realizados para comprovar a conformidade do procedimento experimental adotado. Os resultados indicarão qual situação causou menores distorções, sendo mais indicada para utilização no chão de fábrica, sem comprometer a integridade mecânica da junta soldada. 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Esta revisão bibliográfica está sendo realizada utilizando-se as bases de dados e periódicos científicos disponíveis no site da Biblioteca da Unesp Campus Bauru (www.biblioteca.bauru.unesp.br) e da Coordenadoria Geral de Bibliotecas da Unesp – CGB (www.unesp.br/cgb), contemplando um intervalo de busca de 1990 a 2009. Também estão sendo pesquisados livros, Normas e outras literaturas consideradas referências nos temas abordados aqui. 2.1 O alumínio e suas ligas

O alumínio é o segundo metal mais abundante na crosta terrestre, possuindo um conjunto único de propriedades mecânicas, físicas e químicas sem igual na natureza (WHITE MARTINS, 2002). A sua grande aceitação pela indústria mecânica deve-se principalmente aos seguintes fatores: elevada relação resistência/peso, baixa densidade, cerca de três vezes menor que a do aço, elevadas condutividades térmica e elétrica, elevado coeficiente de expansão linear, cerca de duas vezes maior que a do aço, e elevada resistência à corrosão.

Mesmo possuindo ductilidade elevada, as principais limitações deste material, em seu estado puro, referem-se à resistência mecânica e dureza, que são relativamente baixas,

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mas podem ser muito melhoradas pela adição de elementos de liga, dando origem a várias ligas a partir do alumínio puro. Essas ligas têm a principal aplicação de aliar as características do alumínio a uma maior resistência mecânica. Os principais elementos de liga são: cobre (Cu), magnésio (Mg), manganês (Mn), silício (Si) e zinco (Zn) (ALCAN, 1993).

As ligas de alumínio são encontradas em duas condições básicas: fundidas e trabalháveis (ALCAN, 1993). Apenas as últimas serão detalhadas nessa revisão por se tratarem da matéria prima utilizada no presente estudo.

As ligas trabalháveis são aquelas em que a forma final do produto é conseguida através de transformações de um semimanufaturado, sendo obtidas também por transformações mecânicas, a frio ou a quente, de um tarugo ou placa produzida pela solidificação do metal líquido. São classificadas, de acordo com a Aluminum Association (AA), através de um sistema numérico de quatro dígitos: o primeiro classifica a liga pela série, de acordo com o principal elemento adicionado, como pode ser visto na Tabela 2.1; o segundo dígito, se diferente de zero, indica modificação na liga básica, por exemplo, a liga 5652 deriva da liga 5052; e o terceiro e quarto dígitos, para o alumínio comercial (série 1XXX) indicam a porcentagem de alumínio que excede a 99% e, para as ligas, identificam composição específica (ALCAN, 1993; ABAL, 1994). Tabela 2.1 – Sistema de classificação das ligas de alumínio trabalháveis em função dos principais elementos de

adição (Adaptado de ALCAN, 2006)

Considerando agora a forma de se aumentar as propriedades mecânicas das ligas de

alumínio trabalháveis, essas podem ser: tratáveis termicamente e não-tratáveis termicamente (ALCAN, 1993). Apenas as últimas serão detalhadas nessa revisão por se tratarem da matéria prima utilizada no presente estudo.

As ligas trabalháveis não-tratáveis termicamente são aquelas em que o aumento de propriedades mecânicas só pode ser conseguido por deformação a frio (deformação plástica por tratamento mecânico), tais como laminação. As propriedades obtidas desta maneira são reduzidas pelo aquecimento acima de determinadas temperaturas, como acontece na soldagem, assim sendo, elas não podem ser restauradas, exceto por trabalho a frio adicional.

O termo têmpera aplicado às ligas de alumínio designa o estado que o material adquire pela ação de trabalho mecânico a frio ou a quente, por tratamentos térmicos ou pela combinação de ambos, os quais exercem influência decisiva sobre a estrutura e propriedades do produto. As ligas trabalháveis não-tratáveis termicamente são produzidas em várias têmperas, de acordo com o grau de encruamento e, em geral, são das séries 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX (ALCAN, 1993; ABAL, 1994). A tabela 2.2 mostra a classificação das têmperas de ligas de alumínio trabalháveis não-tratáveis termicamente. O sistema de

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designação é alfanumérico e posicionado após a designação referente à composição química, por exemplo, a liga Al-Mg 5052 H34.

Tabela 2.2 – Sistema de nomenclatura para classificação das têmperas de ligas de alumínio endurecíveis por tratamento mecânico (Adaptado de ALCAN, 1993; Fraga, 2009)

Na Figura 2.1, pode ser observada em (a) uma microestrutura completamente recozida, correspondente à têmpera O, e em (b) e em (c) graus de encruamento subseqüentes, respectivos às têmperas H32 e H34. Percebe-se claramente como os grãos vão se tornando mais alongados, características típicas do escorregamento cristalográfico devido o trabalho a frio executado nas têmperas.

Figura 2.1 – Micrografias indicando a têmpera das chapas (a) Al 5052-O, (b) Al 5052-H32 e (c) Al 5052-H34

(Fraga, 2009)

2.1.1 Propriedades das ligas de alumínio

Segundo Okumura e Taniguchi (1982) e ALCAN (1993), algumas das características e propriedades das ligas de alumínio são:

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• Alumínio puro para uso industrial – série 1000 – Apresenta uma pureza compreendida entre 99,0% e 99,9%. Este material é dotado de alta resistência à corrosão, alta condutibilidade térmica e elétrica, e excelente flexibilidade. Destinam-se principalmente à fabricação de estruturas onde prevalece a necessidade de alta resistência a corrosão, como, por exemplo, em tanques e tubulações para indústrias petroquímicas. Também são utilizadas em condutores elétricos, devido sua alta condutividade elétrica. Sua soldabilidade, brasabilidade, usinabilidade e conformabilidade são bastante satisfatórias, apesar de sua baixa resistência mecânica. • Liga Al-Cu – série 2000 – Esta é uma série típica de ligas tratáveis termicamente. Suas propriedades mecânicas são comparáveis às do aço doce, graças ao tratamento de endurecimento por precipitação após a solubilização. Sua resistência à corrosão, entretanto, é inferior às das outras séries. Sua soldabilidade também deixa muito a desejar, razão pela qual esta liga é empregada quase que exclusivamente em estruturas rebitadas, principalmente destinas a aplicações aeroespaciais, sendo especificações bastante conhecidas nesse ramo as ligas 2017 (duralumínio) e 2024 (superduralumínio). • Liga Al-Mn – série 3000 – As ligas Al-Mn são não-tratáveis termicamente e os diferentes níveis de resistência mecânica são conseguidos mediante encruamento a frio. Adicionando-se manganês ao alumínio, aumenta-se levemente sua resistência mecânica, além de melhorar também sua resposta ao encruamento, sem que isso venha a reduzir apreciavelmente sua ductilidade ou resistência à corrosão. As principais vantagens desta série são que a resistência à corrosão, a usinabilidade e soldabilidade são tão boas quanto às do alumínio puro. • Liga Al-Si – série 4000 – Esta série também é não-tratável termicamente. Devido à adição do silício, a temperatura de fusão desta liga é mais baixa, o metal possui uma excelente fluidez e dificilmente ocorrem problemas de trincas, razões que tornam esta liga bastante indicada como material de enchimento, na soldagem de fundidos e de ligas tratáveis termicamente. • Liga Al-Mg – série 5000 – As ligas desta série são às vezes combinadas com manganês, e também são não-tratáveis termicamente. O magnésio é um dos elementos mais eficazes e largamente empregados na formação de ligas de alumínio, e é o principal responsável pelo aumento da resistência mecânica sob trabalho a frio. As ligas dessa série são as que apresentam as maiores resistências entre as ligas não-tratáveis termicamente, e por isso são de grande importância para aplicações estruturais em diversos campos, destinando-se em particular a área de transporte, como, por exemplo, na fabricação de vagões ferroviários, embarcações e carrocerias. São facilmente soldáveis e resistentes à corrosão, principalmente em atmosfera marítima.

A quantidade de Mg não pode exceder o limite de 5,5% em peso nas ligas trabalháveis. Valores acima desse limite podem formar precipitados de magnésio preferencialmente nos contornos de grão com uma fase anódica (Mg5Al3 ou Mg5Al8), que causa susceptibilidade à corrosão sob tensão e ao aparecimento de trinca intergranular (BRAY, 1992; ANDERSON, 2005).

Especificamente na liga Al 5052 (utilizada no presente estudo), o teor de magnésio deve ser entre 2,20% e 2,80% e o cromo deve ficar entre 0,15% e 0,35%. Outros elementos que complementam a composição dessa liga são manganês, cobre e zircônio, que não podem ultrapassar a quantidade de 0,10% para cada elemento. A quantidade de ferro e silício, respectivamente, deve ser no máximo até 0,40% e 0,25% (ASTM B209M, 2001). A tabela

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2.3 mostra os requisitos de propriedades mecânicas especificados para a mesma liga, com têmpera H34 e espessura de 4,75 mm.

Tabela 2.3 – Propriedades mecânicas para a Liga 5052 H34 (ASTM B209M, 2001)

• Liga Al-Mg-Si – série 6000 – Esta série reúne ligas de alumínio tratáveis termicamente e apresenta características satisfatórias de usinabilidade, resistência à corrosão e soldabilidade. A combinação de dois elementos de liga, magnésio e silício, produz um composto, siliceto de magnésio, que concede às ligas dessa série a sua tratabilidade térmica e média resistência mecânica. No entanto, este tipo de liga pode sofrer uma perda de dureza na zona de solda, devido ao insumo de calor. • Liga Al-Zn – série 7000 – Esta série também é tratável termicamente e podem conter magnésio como elemento químico suplementar, ou ainda pequenas porcentagens de cobre e cromo. Essas ligas têm um limite de ruptura da ordem de 50 kgf/mm2, sendo também conhecidas como ultraduralumínio. Por outro lado, sua resistência à corrosão, bem como sua soldabilidade, deixam muito a desejar. 2.2 Soldabilidade do alumínio e suas ligas

Soldabilidade é o termo que está associado à facilidade com que uma liga pode ser soldada, produzindo uma junta com adequada resistência mecânica, resistência à corrosão e outras propriedades quando necessárias. No início de seu emprego nas aplicações industriais, o alumínio foi considerado um material de difícil soldabilidade devido ao fato de se empregar técnicas de soldagem semelhantes às empregadas para materiais ferrosos, obtendo soldas de baixa qualidade (FIGUEIREDO, 2000).

Um grande problema na soldagem do alumínio está relacionado com a facilidade do mesmo em reagir com o oxigênio, formando a alumina (Al2O3). Este óxido tem a dureza próxima à do diamante e alto ponto de fusão (2038º C). A alumina também é porosa, podendo reter umidade e sujeira que podem contaminar o cordão de solda. Desta forma, antes do processo de soldagem, é importante a remoção da alumina para que o material possa ser soldado satisfatoriamente. A remoção da camada de alumina pode ser feita de três formas distintas: por ação mecânica, limpeza química ou ataque catódico (ALCAN, 1993).

A remoção por ação mecânica é a mais simples. É feita por meio de esmerilhamento ou escovamento, momentos antes da soldagem. A limpeza química é feita pela aplicação de bases e ácidos alternadamente, a temperaturas variadas, intercaladas por lavagem com água. O ataque catódico consiste em alternar o sentido da corrente elétrica de soldagem, sendo muito utilizado no processo TIG.

Outro fator que exerce uma grande influência na soldabilidade é a condutividade térmica. No alumínio ela é quase cinco vezes maior do que no aço, significando assim que, para elevar localmente a temperatura de uma mesma massa, é requerido cinco vezes mais calor para o alumínio do que para o aço (AWS, 1996 e ALCAN, 1993).

Como o ponto de fusão do alumínio é menor que o do aço, tem-se a impressão inicial que o calor requerido para soldar alumínio é menor do que para o aço. Entretanto, a alta condutividade térmica do alumínio compensa a diferença entre as temperaturas de fusão

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e, por isso, o alumínio necessita tanto quanto ou provavelmente mais calor do que o aço para ser soldado (ALCAN, 1993). 2.2.1 Influência dos elementos de liga na soldabilidade do alumínio

Como citado anteriormente, a adição de elementos de liga no alumínio tem a função de fornecer propriedades ao mesmo. A adição de cobre fornece alta resistência. O silício diminui o ponto de fusão e dá fluidez à liga. O manganês atua no sentido de oferecer um aumento moderado na resistência mecânica aliado a uma excelente ductilidade. Já o magnésio oferece as maiores resistências mecânicas e mantém boa resistência à corrosão (FIGUEIREDO, 2000).

Quando se combina o magnésio com o silício têm-se ligas com boa resistência mecânica, plasticidade e extrudabilidade. O zinco com o magnésio e o cobre oferecem resistências muito elevadas. Já as ligas combinando zinco e magnésio são capazes de recuperar parte da resistência mecânica perdida através da soldagem por meio de envelhecimento em temperatura ambiente (ALCAN, 1993 e BILONI et. al., 1981).

O alumínio puro para uso industrial tem uma soldabilidade bastante satisfatória pelos processos de fusão a arco, embora as faixas de fusão estreitas possam causar falta de fusão e outros tipos de defeitos (ALCAN, 1993). Conforme Alcan (1993) e Okumura e Taniguchi (1982), a soldabilidade varia da seguinte forma para as diversas ligas de alumínio:

• Liga Al-Cu (série 2000) – a soldabilidade desta liga pelos processos a arco deixa muito a desejar em virtude de serem muito suscetíveis à fissuração a quente. Portanto, a sua união pelo processo MIG é difícil; • Liga Al-Mn (série 3000) – esta liga tem uma boa soldabilidade e não é suscetível à ocorrência de trincas de solidificação; • Liga Al-Si (série 4000) – esta liga possui excelente fluidez e dificilmente ocorrem problemas de trincas na solda. Normalmente é utilizada como material de enchimento; • Liga Al-Mg (série 5000) – as ligas desta família, em geral, são facilmente soldáveis. Quando possuem teor de Mg abaixo de 2,5% e são soldadas com os processos de fusão a arco, ficam sujeitas à fissuração a quente durante a fase de solidificação, caso o metal de adição tenha a mesma composição química do metal de base; • Liga Al-Mg-Si (série 6000) – esta família de ligas tem soldabilidade satisfatória, mas pode sofrer uma perda de dureza na zona de solda. Para recuperar a resistência na zona termicamente afetada é necessário executar um tratamento térmico completo pós-soldagem. Para chapas finas, é possível obter maior resistência mecânica após a solda com um aumento na velocidade de soldagem. Já no caso de chapas grossas, este aumento de resistência não é significativo. Embora sejam propensas à fissuração a quente, isto pode ser superado pela escolha correta do metal de enchimento e do perfil da junta; • Liga Al-Zn (série 7000) – assim como a liga Al-Cu, a soldabilidade por processo de fusão a arco deixa muito a desejar, mas também possui algumas ligas soldáveis; • Liga Al-Zn-Mg – esta liga tem uma soldabilidade satisfatória e a diminuição da dureza na zona da solda pode ser realizada através de envelhecimento natural.

O alumínio puro (série 1000) e a liga Al-Mn (série 3000), apesar de terem boa soldabilidade, não possuem a resistência necessária exigida para uso estrutural.

No andamento do trabalho, serão desenvolvidos os tópicos “Processos de soldagem do alumínio e suas ligas”, “Metalurgia da Soldagem”, “Tensões residuais e distorções

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durante a soldagem” e “Ferramentas estatísticas aplicáveis”, finalizando assim a revisão da literatura necessária para o projeto.

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo serão mostrados os materiais e equipamentos utilizados para a realização dos testes, assim como os procedimentos experimentais adotados. 3.1 Materiais e equipamentos utilizados 3.1.1 Célula de soldagem

Para a realização deste trabalho está sendo utilizada uma célula de soldagem robotizada Yaskawa Motoman ArcWorld, a qual é composta, basicamente, de um manipulador (robô), uma fonte de soldagem, um controlador, um conjunto cabeçote alimentador de arame, tocha de soldagem refrigerada, unidade de refrigeração da tocha e unidade de limpeza do bocal. A Figura 3.1 mostra esquematicamente essa célula de soldagem.

Figura 3.1 – Esquema da célula de soldagem robotizada ArcWorld.

Está sendo utilizada uma fonte de soldagem multiprocessos Hobart, modelo Arc-

Master 351, que pode ser vista na Figura 3.2. Essa é uma fonte de alimentação de corrente contínua (CC) de inversão primária e que pode ser usada para processos de soldagem de tensão constante, corrente constante e por pulsos. A saída é de 350 Ampéres/34 Volts para um ciclo de serviço de 100% para todos os modos de operação. Na mesma Figura pode-se observar a unidade de refrigeração utilizada Motoman.

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Figura 3.2 – Fonte de soldagem e unidade de refrigeração utilizada.

Nesse trabalho, está sendo utilizado na fonte o programa no modo padrão 7 (STD), como pode ser visto na Tabela 3.1. O mostrador da fonte indicou o número 225, que corresponde a aproximadamente 155 pulsos por segundo.

Tabela 3.1 – Parâmetros utilizados na fonte de soldagem no modo padrão 7 (Thermadyne, 1998)

O manipulador utilizado é o robô K6SB Yaskawa Motoman mostrado na Figura 3.3. Esse é um robô com 6 graus de liberdade (eixos), denominados eixos S, L, U, R, B e T, utilizado especificamente para os processos de soldagem, já que sua capacidade de carga é de apenas 6 kg comportando o peso de uma tocha de soldagem. A precisão de posicionamento desse robô é de ± 0,1 mm.

Figura 3.3 – Robô de soldagem utilizado.

Um controlador modelo ERC é utilizado nessa célula. O controlador é a unidade que

viabiliza a programação e controle do robô (“Teach-Pendant”). O robô é equipado com um cabeçote de alimentação de arame de soldagem que

pode tracioná-lo o de duas maneiras: em barricas ou carretéis. O consumível utilizado no presente trabalho foi fornecido por um carretel de 7 kg, com suporte adaptado próximo ao

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cabeçote para facilitar a alimentação do arame, como pode ser visualizado na Figura 3.3. O cabeçote em questão está configurado com quatro roldanas lisas ideais para trabalho com arame sólido no diâmetro de 1,2 mm.

A tocha de soldagem utilizada é da marca Binzel, refrigerada a água, bicos de contato Sumig CuCrZr de Ø 1,2 mm, além do bocal cônico Binzel de Ø15,5 e L= 67,5 mm.

Essa célula possui em todo o seu contorno grades recobertas com cortinas de luz. Na frente da célula se realiza a carga e descarga das peças através de mesa giratória de duas posições. Utilizou-se apenas uma posição da mesa no presente trabalho. 3.1.2 Dispositivo de soldagem

Para a realização da soldagem dos corpos de prova foi necessário fabricar um dispositivo de soldagem simples, de forma que o mesmo possibilitasse a manutenção da posição relativa entre os corpos de prova e as coordenadas de soldagem previamente definidas no programa de soldagem utilizado. O dispositivo mostrado na Figura 3.4 foi elaborado de modo a deixar apenas duas pequenas áreas de contato com o CP (corpo de prova) e apenas dois elementos de fixação próximos a borda de umas das chapas do CP, influenciando o menos possível na distorção do CP na soldagem.

Figura 3.4 – Dispositivo de soldagem utilizado; a) dispositivo fabricado, b) dispositivo fixado na mesa giratória

da célula de soldagem e c) esquematização do dispositivo.

3.1.3 Consumíveis de soldagem

Está sendo utilizado o arame de soldagem sólido de diâmetro 1,2 mm fornecido em carretel de 7 Kg pela Brastak, com especificação AWS ER5356, sendo um carretel único na soldagem de todos os corpos de prova. Como gás de proteção, está sendo utilizado um cilindro de Argônio puro, numa vazão de 15 l/min em todos os ensaios. Medições de vazão foram realizadas com um fluxometro no bocal da tocha para que se pudesse compensar a perda de carga do cilindro até a saída no bocal.

3.1.4 Material base e corpos de prova

a)

Área de contato com os CPs

c)

b)

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O trabalho está sendo realizado em CPs (corpos de prova) constituídos da liga Al-Mg 5052 H34, compostos de 02 chapas de 400 x 180 x 4,75 mm. A Figura 3.5 mostra as dimensões das chapas que formaram os CPs e dos dois tipos de juntas testadas no trabalho. A figura 3.6 mostra a qualidade superficial obtida após corte e fresamento (junta chanfrada).

As dimensões da junta e do corpo de prova foram baseadas na Norma AWS D1.2 (2003) no que diz respeito a qualificação do procedimento de soldagem para a aplicação prática correspondente ao processo que está sendo estudado.

A limpeza dos CPs está sendo realizada pouco antes da soldagem propriamente dita, com pano limpo embebido em acetona (solvente orgânico), como sendo um dos métodos indicados por Okumura e Taniguchi (1982), ALCAN (1993) e Welding Journal (2004).

Figura 3.5 – Dimensões da junta 1 (sem chanfro) e junta 2 (chanfro 60°).

Figura 3.6 – Qualidade superficial obtida; a) chapa chanfrada por fresamento em 30° e b) chapa sem chanfro.

3.1.5 Equipamento de medição tridimensional

A medição da distorção angular está sendo realizada por uma máquina de medição tridimensional portátil de braço articulado ARM 2000, modelo 2030, fabricante Romer, com alcance de medição de 3000 mm e incerteza de medição de 0,050 mm, como pode ser verificado na Figura 3.7. Utilizou-se ponta seca para melhorar o contato com os pontos traçados nos corpos de prova.

a) b)

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Figura 3.7 – Máquina de medição tridimensional utilizada.

3.2 Métodos Experimentais

Foram montados 24 CPs, de acordo com as condições exemplificadas na Tabela 3.2. A abreviação adotada CPT refere-se aos corpos de prova retirados no sentido transversal das chapas, enquanto CPL refere-se aos corpos de prova retirados no sentido longitudinal das chapas. Foram definidos dois tipos de juntas, denominadas junta 1 (sem chanfro) e junta 2 (chanfro 60°). Para cada tipo de junta, foram escolhidos três tipos de tecimentos, normalmente utilizados no chão de fábrica, sendo denominados de “Contínuo”, “Zig-Zag” e “Vai-Vem”, e para cada tipo de tecimento foram montados quatro tipos de CPs, dois retirados no sentido transversal das chapas e dois retirados no sentido longitudinal.

Tabela 3.2 – Denominação adotada para os corpos de prova.

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Foram realizados testes iniciais, com o mesmo material base, no entanto, utilizando-se chapas de menores dimensões, mas com mesma espessura, definindo-se os parâmetros ideais para a soldagem final dos CPs, sempre considerando como parâmetro de comparação o Heat Imput nos CPs, como pode ser visto na Figura 3.8. A soldagem foi realizada com passe único.

Figura 3.8 – Corpo de prova dos testes iniciais.

O sentido de laminação das chapas foi informado pelo fornecedor do material base,

Novelis. Os corpos de prova identificados como CPTR e CPLR se referem, respectivamente, aos corpos de prova reservas retirados nos sentidos transversal e longitudinal de laminação, caso fosse necessário a substituição de algum CP descartado por um possível imprevisto nos testes. Duas chapas foram separadas e cortadas para os CPs dos testes de soldagem iniciais.

Para avaliação da composição química do material, utilizou-se o certificado de qualidade, enviado pelo fornecedor das chapas, e também analises feitas por Espectrometria, no aparelho Espectrômetro BAIRD FSQ, disponível na fundição da Máquinas Agrícolas Jacto. Foram realizadas três queimas e retirada a média dos valores para cada elemento químico, assim como mostrado na Tabela 3.3.

Tabela 3.3 – Média dos valores de composição química (em %) das chapas utilizadas.

Analisando-se os resultados de Espectrometria e o certificado de qualidade do material, pode-se constatar que o material usado neste trabalho encontra-se dentro das especificações estabelecidas na norma ASTM B209M-04, composição essa mostrada no item 2.1.1 na revisão da literatura, assim como as propriedades mecânicas.

Já para a medição tridimensional, os pontos foram demarcados 15 mm um em relação ao outro, ao longo do perímetro dos CPs. Para facilitar a análise dos dados, foram definidas três vistas: Vista 1 – perpendicular ao cordão de solda, ao longo da largura da chapa, onde se inicia o processo de soldagem. Vista 2 – paralela ao cordão de solda, ao longo do comprimento da chapa. Vista 3 – perpendicular ao cordão de solda, ao longo da largura da chapa, onde se finaliza o processo de soldagem, conforme mostra a Figura 3.9, gerando um total de 67 pontos. Tendo esses valores coletados, será gerado um gráfico para cada uma das Vistas, facilitando a visualização e interpretação das distorções.

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Figura 3.9 – Esquematização da sequência de medição dos pontos.

Através do braço tridimensional, foi medida a altura destes pontos em relação a um

plano padrão tirado no dispositivo de solda nas duas bases de apoio dos CPs, com o intuito de se obter a deformação real que os CPs sofreram, sendo esse o nivelamento adotado para todas as medições. A medição dos pontos foi realizada antes e será realizada após a soldagem, tornando assim a quantificação das distorções angulares mais eficaz, pois os CPs já apresentam deformações antes da soldagem geradas pelo corte por guilhotina e pelo próprio processo de fabricação das chapas.

Os pontos foram traçados com o auxílio de um traçador de altura, como pode ser visto no detalhe da Figura 3.10, onde se pode observar ainda que o dispositivo foi fixado por um grampo em um desempeno. O CP foi apoiado na sua extremidade oposta no ato da medição, para evitar erros ao colocar a ponta seca do braço tridimensional no ponto a ser medido, pois essa extremidade do CP fica livre devido o conceito do dispositivo de soldagem, podendo ocorrer uma pequena incerteza de medição ao se coletar o ponto.

Figura 3.10 – Montagem para medição dos pontos.

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Foi realizada a calibração do robô antes dos testes, para se obter a correta relação entre o argumento programado no Teach-Pendant (controlador) e a corrente de soldagem na saída da fonte. Obteve-se uma reta e uma equação.

Através do software Excel 2007, utilizando-se a ferramenta Regressão, foi analisada a tendência de comportamento das duas variáveis. Como o coeficiente de correlação linear

de Pearson (r) foi de 0,97984, verifica-se forte correlação linear positiva entre as variáveis. Somado a isso, como o valor do F de significação foi de 0,00011 e os valores-P foram de 0,00587 e 0,00011, ambos menores que 0,05, conclui-se que esse modelo é significativo estatisticamente em representar a correlação linear entre as variáveis.

Um bom coeficiente de determinação (r2) foi obtido, sendo de 0,96008, ou 96%,

mostrando a boa qualidade do modelo. 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Espera-se visualizar de forma gráfica os valores de distorção para cada uma das condições testadas, verificando a conformidade estatística de cada um dos casos, com as ferramentas Análise de Variâncias (Anova) e testes de Tukey, e também conseguir dados confiáveis das propriedades mecânicas das juntas soldadas, utilizando-se de ensaios de Tração e Macrografias.

A partir do relatado acima, conseguir-se-á concluir qual situação é mais aconselhável de se utilizar no chão de fábrica, para a junta proposta no trabalho.

5 CONCLUSÕES

A fim de complementar este trabalho e aumentar o conhecimento sobre o fenômeno da distorção, espera-se conseguir dados e resultados sólidos que permitam chegar a conclusões eficazes e propostas de novos trabalhos futuros.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABAL. Anuário Estatístico 2005. Associação Brasileira do Alumínio. São Paulo. 2006. ABAL. Guia Técnico do Alumínio – Laminação. Associação Brasileira do Alumínio. 1ª Ed. São Paulo. 1994. ALCAN. Manual de Soldagem. Alcan Alumínio do Brasil S/A. 1ª Edição. 1993. AWS - AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Aluminun. ANSI/AWS D1.2:2003. 4ª Ed. Miami, USA. 2003. AWS - AMERICAN WELDING SOCIETY. Welding Handbook, Materials and

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