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MINISTRIO DA EDUCAO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
CONSTRUO E VALIDAO DE UM CALORMETRO COM VAZO CONTNUA
DE GUA PARA AVALIAO DO RENDIMENTO TRMICO EM PROCESSOS DESOLDAGEM
por
Pedro Vasata Sgarbi
Dissertao para obteno do Ttulo deMestre em Engenharia
Porto Alegre, Setembro de 2013
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CONSTRUO E VALIDAO DE UM CALORMETRO COM VAZO CONTNUA
DE GUA PARA AVALIAO DO RENDIMENTO TRMICO EM PROCESSOS DE
SOLDAGEM
por
Pedro Vasata Sgarbi
Engenheiro Mecnico
Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, da
Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dosrequisitos necessrios para a obteno do Ttulo de
Mestre em Engenharia
rea de Concentrao: Processos de Fabricao
Orientador: Prof. Dr. Jos Antnio Esmrio Mazzaferro
Comisso de Avaliao:
Prof. Dr. Arnaldo Ruben Gonzalez, PROMEC / UFRGS
Prof. Dr. Louriel Oliveira Vilarinho, FEMEC / UFU
Prof. Dr. Paulo Smith Schneider, PROMEC / UFRGS
Prof. Dr. Rogrio Jos Marczak
Coordenador do PROMEC
Porto Alegre, 02 de Setembro de 2013
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Eu no vou estud, vou s trabia. S trabia!
Estava enganado Pedro quando proferiu estas palavras.
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Mazzaferro, pela orientao deste trabalho, pelo conhecimento e experincia
transmitidos.
Ao Prof. Ruben, que esteve sempre disposio para contribuir com o
desenvolvimento deste trabalho.
Ao Prof. Schneider, por ter contribudo desde inicio deste trabalho com ideias.
equipe de ps-graduandos do LS&TC, pela colaborao na realizao dos
experimentos de soldagem.
minha famlia e minha noiva, que estiverem sempre presentes, sempre meapoiaram nesta longa caminhada e que me suportaram nos momentos mais insanos.
minha irm Mariana, que mesmo sem conhecer nada de soldagem corrigiu todo este
trabalho.
Ao meu amigo Paulo, que incentivou a minha inscrio neste programa de Mestrado e
que foi meu colega durante esta caminhada.
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RESUMO
O aporte trmico, ou imposio de calor, uma das caractersticas com grande importncia
nos processos de soldagem, pois ela est diretamente relacionada com as propriedades
mecnicas e as transformaes metalrgicas da junta soldada. Neste sentido, este trabalho
prope o projeto, a construo e a validao de um calormetro com uma vazo contnua de
gua para avaliao do aporte trmico e da eficincia trmica em processos de soldagem a
arco eltrico que seja de baixo custo, adaptvel aos diferentes processos de soldagem, de
simples operao e fcil movimentao. Foram realizados experimentos com trs processos,
sendo eles: soldagem a arco com gs de proteo e eletrodo consumvel (GMAWGas Metal
Arc Welding), soldagem a arco com eletrodo no consumvel e gs de proteo (GTAWGasTungsten Arc Welding) e soldagem ao arco submerso (SAW Submerged Arc Welding). As
atividades realizadas visam identificar o efeito sobre a eficincia trmica devido variao de
alguns dos parmetros de soldagem bem como identificar caractersticas intrnsecas do
calormetro construdo. Para o processo de soldagem GMAW verificou-se um rendimento
mdio do arco de 72,82%, com uma eficincia mdia de 71,10% especificamente para o
processo GMAW com transferncia metlica goticular e de 76,26% para transferncia
metlica por curto-circuito. O processo de soldagem GTAW apresentou uma eficinciatrmica mdia de 68,44% e para o processo SAW foi observado um rendimento do arco de
91,05%. Os resultados obtidos se mostraram coerentes quando comparados aos valores
reportados anteriormente por outros autores e tambm apresentaram uma boa repetitividade,
sendo de 4,5% a maior diferena observada entre cordes de solda de um mesmo
experimento.
Palavras-chave: Calorimetria; Eficincia Trmica; Aporte Trmico; Calormetro de gua;Soldagem a arco.
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ABSTRACT
Heat input is an important welding process characteristic since it is directly related to the
mechanical properties and metallurgical transformations of the welded joint. This paper aims
to present the project, construction and validation of a calorimeter with continuous water flow
to evaluate the heat input and the thermal efficiency of arc welding processes. The proposed
calorimeter shall have a low cost, versatile, easy to handle and to operate. Experiments were
carried out with gas metal arc welding (GMAW), gas tungsten arc welding (GTAW) and
submerged arc welding (SAW). These activities aimed to identify the effect that changes of
certain welding parameters perform on the thermal efficiency and to identify intrinsic
characteristics of the proposed calorimeter. For GMAW processes it was obtained a globalthermal efficiency of 72.82%. For this process, the results were different according to the
metal transfer: 71.10% for GMAW with spray transfer and 76.26% for GMAW with short
circuit transfer. The average thermal efficiency obtained for the GTAW was of 68.44% and
for the SAW process was of 91.05%. The experiments results showed to be consistent when
compared to previously reported values by other authors and also showed good repeatability,
where the large difference observed between weldments of the same experiment was of 4.5%.
Keywords: Calorimetry, Thermal Efficiency, Heat Input, Water Calorimeter, Arc Welding.
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NDICE
1
INTRODUO ............................................................................................................. 1
2 REVISO BIBLIOGRFICA ..................................................................................... 4
2.1
Processos de Soldagem .................................................................................................... 4
2.2Clculo da Potncia do Arco Eltrico e da Eficincia Trmica ....................................... 8
2.3
Mecanismos de Transferncia de Calor ........................................................................... 11
2.4Modelos de Transferncia de Calor na Soldagem ........................................................... 12
2.5Perdas de Calor Durante o Processo de Soldagem .......................................................... 14
2.6
Calorimetria ..................................................................................................................... 16
2.7Valores de Eficincia Trmica Obtidas em Estudos Anteriores ...................................... 23
3 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MTODOS ...................................................... 27
3.1Corpos de Prova ............................................................................................................... 27
3.2Corpo do Calormetro ...................................................................................................... 28
3.3
Isolamento Trmico do Corpo de Prova .......................................................................... 29
3.4
Acoplamento entre o Corpo do Calormetro e o Corpo de Prova.................................... 31
3.5Sistema de Alimentao de gua .................................................................................... 32
3.6
Sistema de Monitoramento de Temperatura .................................................................... 33
3.7Sistema de Monitoramento da Soldagem ........................................................................ 35
3.8Equipamentos de Soldagem ............................................................................................. 36
3.9Metodologia Utilizada para Medio da Vazo de gua do Calormetro....................... 47
3.10 Metodologia de Clculo da Potncia Eltrica ............................................................. 49
3.11
Metodologia de Clculo da Energia de Soldagem ...................................................... 51
3.12 Metodologia para Obteno do Aporte Trmico ........................................................ 51
3.13 Planejamento Experimental ........................................................................................ 53
3.14 Testes Iniciais ............................................................................................................. 56
4 PROJETO, CONSTRUO E OPERAO DO CALORMETRO ..................... 58
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5 RESULTADOS E DISCUSSES ................................................................................. 68
5.1
Experimentos com o Processo de Soldagem GMAW ..................................................... 68
5.2Experimentos com o Processo de Soldagem GTAW ...................................................... 73
5.3
Experimentos com o Processo de Soldagem SAW ......................................................... 76
5.4
Anlise dos Erros e Incertezas ......................................................................................... 79
5.5Anlise Financeira ........................................................................................................... 80
6 CONCLUSES .............................................................................................................. 81
7 TRABALHOS FUTUROS ............................................................................................ 82
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................................. 83
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Esquema representativo da soldagem MIG/MAG. 5
Figura 2.2 Esquema representativo da soldagem TIG com corte da tocha desoldagem.
7
Figura 2.3 Vista em corte do processo de soldagem ao arco submerso. 8
Figura 2.4 Representao dos mecanismos de transferncia de calor porconduo, conveco e radiao.
12
Figura 2.5 Desenho ilustrativo da distribuio de energia em um processo desoldagem a arco eltrico.
15
Figura 2.6 Transferncia de calor na pea durante a soldagem. (a) SoldagemMIG/MAG com penetrao total e (b) soldagem MIG/MAG com
penetrao parcial.
16
Figura 2.7 Representao do calormetro proposto por Essers e Walter, 1981. 17
Figura 2.8 Calormetro com fluxo contnuo de gua. 18
Figura 2.9 Dispositivo proposto para avaliao do rendimento trmico. 19
Figura 2.10 Princpio operacional do calormetro. 20
Figura 2.11 Calormetro de caixa fechada. (a) Detalhe do corpo de prova elocalizao dos termopares e (b) montagem do bloco na caixa.
21
Figura 2.12 Princpio de avaliao do aporte trmico por massa perdida de N2L
com transporte manual do corpo de prova.
22
Figura 2.13 Equipamento calormetro de nitrognio lquido. 23
Figura 2.14 Grfico da eficincia trmica mdia reportada por autores pelo ano dapublicao.
26
Figura 3.1 Desenho dos corpos de prova utilizados nos experimentos (dimensesem mm). (a) Tubo laminado com dimetro externo de 63,5 mm e (b)tubo laminado com dimetro externo de 89 mm.
28
Figura 3.2 Calhas utilizadas para isolamento dos corpos de prova. (a) Calha comtubo de PVC e cortia de menor dimetro e (b) calha com tubo dePVC e cortia de maior dimetro.
30
Figura 3.3 Vista em corte e isomtrica das rolhas utilizadas nos experimentos(dimenses em mm). (a) Rolha para os corpos de prova menores e (b)rolha para os corpos de prova maiores.
31
Figura 3.4 Detalhe dos componentes utilizados no sistema de alimentao degua.
32
Figura 3.5 Posicionamento dos termopares no calormetro. 34
Figura 3.6 Esquema de ligao dos fios de dois termopares para medidas detemperatura diferencial.
34
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Figura 3.7 Equipamento ADS2000 IP utilizado na aquisio de dados. 35
Figura 3.8 Sistema utilizado para aquisio de dados: (a) computador econdicionador de sinais; (b) sensor de corrente de soldagem ligado aocabo da fonte; (c) garra do sinal de tenso conectada fonte; (d)sensor de velocidade de alimentao do arame posicionado no suportedo rolo de arame e (e) garra de aterramento presa ao cabo terra.
36
Figura 3.9 Fonte utilizada nos processos de soldagem MIG/MAG. 37
Figura 3.10 Alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter. 38
Figura 3.11 Equipamentos utilizados: (a) controlador DX 100 e (b) interfacehomem-mquina na tela de configurao do programa de soldagem.
39
Figura 3.12 Rob MA1400 da Yaskawa Motoman Robotics. 40
Figura 3.13 Manipulador iCAT e tocha de soldagem MIG/MAG instalados no
rgo terminal do rob.
40
Figura 3.14 Fonte utilizada nos experimentos com soldagem TIG. 42
Figura 3.15 Mdulos do sistema Tartlope v4: (a) manipulador da tocha desoldagem; (b) controlador; (c) interface homem-mquina e (d)controle remoto.
43
Figura 3.16 Representao das juntas do Tartilope v4 no (a) arranjo para soldagemde tubos e (b) arranjo para soldagem de dutos.
44
Figura 3.17 Conjunto Unionmelt AS-800 utilizado na soldagem ao arco submerso. 45
Figura 3.18 Unidade de Controle CAS-100. 46
Figura 3.19 Sistema para monitoramento da vazo de gua. 48
Figura 3.20 Imagem de captura de tela do filme gerado durante o monitoramentodo sistema em operao. Quadro referente (a) ao nvel de guaequivalente a 4 litros e (b) ao nvel de gua equivalente a 5 litros.
49
Figura 3.21 Curvas tpicas de tenso e corrente de soldagem para o processo desoldagem GMAW. Em destaque a regio utilizada no clculo da
potncia instantnea mdia.
50
Figura 3.22 Curvas tpicas de tenso e corrente de soldagem para o processo desoldagem GTAW. Em destaque a regio utilizada no clculo da
potncia instantnea mdia.
50
Figura 3.23 Evoluo dos sinais de temperatura da gua esperada para os ensaios.Em verde representada a evoluo da temperatura da gua na entradado calormetro, que deve ser constante, em roxo, a temperatura desada da gua e em laranja a subtrao dos dois sinais obtida com ouso dos termopares em ligao diferencial.
52
Figura 3.24 Evoluo da de temperatura com o tempo (a) antes e (b) aps otratamento de dados proposto.
53
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Figura 4.1 Partes constituintes do corpo do calormetro: (a) tubulao de entradade gua e (b) tubulao de sada de gua. Numerao conforme Tabela
4.1.
59
Figura 4.2 Estruturas construdas para apoiar o calormetro: (a) suportes laterais esuporte central; (b) e (c) apresentam duas das posies regulveis dosuporte central.
60
Figura 4.3 Bancada experimental para os ensaios de calorimetria: (a) vistasuperior e (b) vista isomtrica.
61
Figura 4.4 Possveis configuraes do calormetro: (a) tubulao de entradaoposta tubulao de sada; (b) tubulao de entrada em angulo comrelao tubulao de sada e (c) montagem de uma bancada paramedio do aporte trmico em chapas metlicas utilizando uma caixa.
62
Figura 4.5 Proposta de caixa para ser utilizada na medio do aporte trmico nasoldagem de chapas metlicas.
62
Figura 4.6 Fluxograma das operaes que devem ser realizadas antes do inciodos experimentos.
63
Figura 4.7 Representao da atividade de nmero 1. 63
Figura 4.8 Segunda atividade a ser realizada na montagem do calormetro. 64
Figura 4.9 Montagem das unies roscveis (passo 3). 64
Figura 4.10 Representao da montagem das mangueiras (passo 4) e indicao da
posio das vlvulas de entrada de gua (VE) e de regulagem da vazo(VR) do calormetro.
64
Figura 4.11 Representao da atividade de nmero 5. 65
Figura 4.12 Representao do calormetro na posio vertical, com o ponto deentrada de gua (PEA) em um nvel mais baixo que o ponto de sadade gua (PSA).
65
Figura 4.13 Suporte utilizado para manter parte da mangueira de sada de guamais elevada que o corpo de prova.
66
Figura 4.14 Alinhamento da ponta dos sensores de temperatura com o centro da
tubulao.
66
Figura 4.15 Termopares fixos ao tampo com o uso de adesivo de silicone. 67
Figura 5.1 Resultados obtidos nos ensaios com o processo GMAW. 68
Figura 5.2 Grfico de temperatura dos cordes de solda GMAW_01_1 eGMAW_05_1.
72
Figura 5.3 Resultados obtidos nos ensaios com o processo GTAW. 73
Figura 5.4 Grfico da temperatura obtida para o cordo de solda GTAW_02_3. 74
Figura 5.5 Resultados obtidos nos ensaios com o processo SAW. 77
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Valores de rendimento trmico conforme a EN 1011-1:2009. 10
Tabela 2.2 Valores de eficincia do arco para o processo de soldagemMIG/MAG.
24
Tabela 2.3 Valores de eficincia do arco para o processo de soldagem TIG. 25
Tabela 3.1 Composio qumica dos corpos de prova conforme os dados dofabricante.
27
Tabela 3.2 Propriedades mecnicas dos corpos de prova conforme os dados dofabricante.
28
Tabela 3.3 Dados tcnicos da fonte TransPuls Synergic 4000R. 37
Tabela 3.4 Propriedades nominais do arame AWS ER70S-6. 41
Tabela 3.5 Caractersticas constitutivas da fonte Digiplus A7 450. 42
Tabela 3.6 Dados tcnicos da fonte de energia V-800. 45
Tabela 3.7 Composio qumica nominal do metal de adio do processo desoldagem SAW.
47
Tabela 3.8 Composio qumica nominal do fluxo de soldagem. 47
Tabela 3.9 Experimentos propostos para o processo de soldagem GMAW. 54
Tabela 3.10 Experimentos propostos para o processo de soldagem GTAW. 55
Tabela 3.11 Experimentos propostos para o processo de soldagem SAW. 56Tabela 3.12 Parmetros utilizados nos testes preliminares. 57
Tabela 4.1 Lista de materiais utilizados na construo do corpo do calormetro. 60
Tabela 5.1 Tabela de resultados dos experimentos realizados com o processo desoldagem GMAW.
69
Tabela 5.2 Tabela de resultados dos experimentos realizados com o processo desoldagem GTAW.
74
Tabela 5.3 Experimentos realizados com o processo de soldagem SAW. 77
Tabela 5.4 Tabela de resultados dos experimentos realizados com o processo desoldagem SAW.
78
Tabela 5.5 Erro de leitura dos sensores. 79
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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ASME American Society of Mechanical Engineers
ASTM American Society for Testing and MaterialsAWS American Welding Society
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contnua
CMT Cold Metal Transfer
CP Corpo de Prova
CPVC Policloreto de Polivinila Clorado
DBCP Distncia Bico de Contato-Pea
DIN Deutsches Institut fr Normung
EN European Standards
GDL Graus de Liberdade
GMAW Gas Metal Arc Welding
GTAW Gas Shielded Tungsten Arc Welding
IHM Interface Homem-Mquina
LS&TC Laboratrio de Soldagem e Tcnicas Conexas
MAG Metal Active GasMIG Metal Inert Gas
N2L Nitrognio Lquido
PEA Ponto de Entrada de gua
PROMEC Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica
PSA Ponto de Sada de gua
PVC Policloreto de Polivinila
RMS Root Mean Square
SAW Submerged Arc Welding
TIG Tungsten Inert Gas
TP TeachPedant
UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul
VE Vlvula de Entrada de gua
VR Vlvula de Regulagem da Vazo de gua
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LISTA DE SMBOLOS
Calor especifico da gua, J/kgK
Energia indicada na fonte de soldagem, J Energia de soldagem, J/mm Eficincia do processo de soldagem Difusividade trmica, m/s Espessura, m Corrente de soldagem, A Condutividade trmica, W/mK
Funo de Bessel modificada de segunda espcie e ordem zero
Distncia da ponta do eletrodo pea, mm Comprimento do cordo de solda, mm Vazo mssica de gua, kg/s Nmero de pontos amostrados Nvel fixo de gua no balde, litros Potncia instantnea mdia, W Potncia indicada na fonte de soldagem, W
Fluxo de calor, W/m2
Calor aportado a pea, J Aporte trmico por unidade de comprimento do cordo de solda, J/mm Distancia radial do ponto origem da fonte de calor, m Densidade, kg/m Tempo de soldagem, s Tenso de soldagem, V
Velocidade de alimentao do arame, m/min
Velocidade de soldagem, mm/s Vazo de gua, litros/s Distncia de um ponto origem, m
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1 INTRODUO
Os processos de soldagem, desde o seu desenvolvimento, vm ocupando um
papel importante entre os processos de fabricao. A indstria automobilstica foi uma
das responsveis por um grande crescimento e maior utilizao deste processo. No
Brasil, as indstrias de base naval, minerao, siderurgia e usinas de acar e lcool
realizaram grandes investimentos na rea de soldagem nos ltimos anos.
Devido a sua grande utilizao, necessrio um melhor entendimento dos
parmetros envolvidos e a interao entre eles durante o processo de soldagem que tem
por caracterstica a complexidade. Com uma maior noo dos fenmenos que ocorrem
durante a soldagem possvel obter-se melhores resultados, o que gera um aumento de
produtividade e qualidade nos processos de fabricao. Altos investimentos em pesquisa
so realizados nesta rea, tendo-se como exemplo a parceria firmada entre a Petrobras e
o SENAI para implantao do Laboratrio Brasileiro de Excelncia em Tecnologia de
Soldagem, assinada no final de 2011. A estrutura deste laboratrio visa atender as
necessidades de pesquisa, desenvolvimento e qualificao de processos da
rea [CIMM, 2013].
O aporte trmico um fenmeno que ocorre durante os processos de soldagem e
ele de grande importncia, isso porque a imposio de calor para a pea est
diretamente ligada com as propriedades mecnicas obtidas na junta soldada, bem como
com as mudanas metalrgicas que ocorrem durante o processo. A transferncia de
calor tambm est associada com o ciclo trmico de soldagem que impacta diretamente
na ocorrncia de outros fenmenos como as distores e tenses residuais na junta
soldada [Kumaresan et al., 2011].
Devido importncia do entendimento do aporte trmico nos processos de
soldagem, diferentes mtodos para sua avaliao, observao e quantificao foramdesenvolvidos ao longo dos anos [Arvalo, 2011]. Inicialmente utilizou-se de mtodos
analticos que evoluram para mtodos numricos e experimentais, juntamente com os
avanos tecnolgicos que permitiram novas abordagens para o problema de
transferncia de calor na soldagem.
Um dos trabalhos precursores nesta rea o desenvolvido por Rosenthal, 1941.
Ele props um mtodo analtico para resoluo do problema de aporte trmico durante a
http://pressurevesseltech.asmedigitalcollection.asme.org/searchresults.aspx?q=D.%20Kumaresan&p=1&s=19&c=0&t=http://pressurevesseltech.asmedigitalcollection.asme.org/searchresults.aspx?q=D.%20Kumaresan&p=1&s=19&c=0&t=7/25/2019 Solda Migmag
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soldagem. Seus modelos so vlidos para duas e trs dimenses, sendo necessrio
realizar simplificaes do problema para resolver as equaes desenvolvidas.
Conforme os resultados obtidos com modelos analticos, o rendimento trmico
um parmetro ajustvel associado s medies experimentais. Por isso, a estimao da
eficincia trmica do arco eltrico por meio de mtodos analticos no abrange todos os
fatores associados a um fenmeno complexo de fluxo de calor em soldagem, sendo
limitado por fatores inerentes ao prprio modelo e propriedades do material que podem
afetar a soluo do mesmo [Arvalo, 2011].
Os mtodos experimentais para avaliar a imposio de calor durante a soldagem
e a eficincia trmica se desenvolveram principalmente com o uso de processos
calorimtricos. O experimento proposto por Essers e Walter, 1981, foi utilizado para
avaliar diferentes processos de soldagem. O aparato construdo pelos autores consistiaem uma caixa com gua na qual foi colocado parcialmente imerso o corpo de prova
(CP) a ser soldado e na qual realizaram o monitoramento contnuo da temperatura da
gua durante a soldagem. Derivados desse modelo foram propostos por outros autores
(Lu e Kou, 1989; Bosworth, 1991; Arvalo, 2011).
Outra configurao de calormetro proposta por autores baseada no principio
termoeltrico de Seebeck (Giedt et al., 1989; Fuerschbach e Knorovsky, 1991; DuPont e
Marder, 1995). Mais recentemente, foram desenvolvidos equipamentos utilizandonitrognio lquido (N2L) para avaliao do aporte trmico e eficincia do arco de
diferentes processos de soldagem (Kenney et al., 1998; Joseph, 2001; Ppe, 2010;
Arvalo, 2011), os quais tambm apresentaram bons resultados.
Existe uma grande variao nos valores obtidos para a eficincia trmica nos
processos de soldagem, tanto entre os mtodos analticos e experimentais como entre os
diferentes mtodos experimentais. Isso reflexo da complexidade dos processos e da
sua dependncia de outros parmetros durante soldagem. Portanto, no possvel
afirmar que existe uma eficincia do arco definida para um dado processo.
Desta forma, esta Dissertao tem como objetivo a construo e a validao de
um calormetro que utiliza um escoamento de gua constante para avaliao da
eficincia trmica em processos de soldagem a arco eltrico que tenha uma boa relao
custo/benefcio, adaptvel aos diferentes processos, de simples operao e fcil
movimentao. Para um melhor entendimento e apreciao desta Dissertao, ser
apresentado um plano geral de seus captulos:
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Captulo 2: Reviso bibliogrfica dos temas fundamentais para o desenvolvimento
e entendimento dos fenmenos ocorridos no experimento proposto neste trabalho;
Captulo 3: Descrio da metodologia, dos materiais e dos equipamentos
utilizados no procedimento experimental e na construo do calormetro;
Captulo 4: Explanao sobre o conceito utilizado na construo do calormetro e
do modo de operao do mesmo para realizao adequada dos experimentos;
Captulo 5: Apresentao dos resultados obtidos com a calorimetria e uma
discusso sobre eles;
Captulo 6: Resumo do contedo de cada um dos Captulos da Dissertao, com
destaque s principais concluses obtidas no Captulo 5, projetando perspectivas
para futuros trabalhos.
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2 REVISO BIBLIOGRFICA
Uma pesquisa dos assuntos relacionados com este trabalho nas bibliografias
disponveis se faz necessria para um melhor entendimento do contexto em que ele se
encontra e para auxiliar na interpretao dos resultados obtidos, bem como realizar uma
comparao com resultados de outros autores.
2.1 Processos de Soldagem
De acordo com Houldcroft, 1979, os processos de soldagem devem preencher os
seguintes requisitos:
Gerar uma quantidade de energia capaz de unir dois materiais ou corpos;
Remover as contaminaes das superfcies a serem unidas;
Evitar que o ar atmosfrico contamine a regio durante o processo de soldagem;
Proporcionar algum grau de controle da microestrutura e, por consequncia, das
propriedades desejadas da junta soldada.
Grande parte dos processos de soldagem consiste em aquecer a superfcie de
contato de dois corpos levando-os a um estado de fuso ou plasticidade. A regio onde
ocorre a fuso dos materiais denominada junta, que se caracteriza por sua resistncia e
coeso depois do resfriamento. Dois dos principais processos de soldagem so os
processos por presso e os processos por fuso.
Nos processos de soldagem por fuso, a rea a ser soldada aquecida por uma
fonte concentrada de calor, levando fuso localizada do material, podendo-se
adicionar material de preenchimento. Dentre os processos de fuso, podemos citar os
processos de soldagem a arco eltrico, que so amplamente utilizados nas indstrias
metal-mecnicas.
Um dos maiores problemas na soldagem de metais a sua rpida reao com o
ambiente prximo quando sua temperatura aumenta. O mtodo utilizado para proteger o
metal da atmosfera outra caracterstica que distingue os processos de soldagem. As
tcnicas variam entre o recobrimento com fluxos, que formam uma escria protetora, a
proteo da poa de fuso com gases e, em algumas aplicaes, a atmosfera removida
por meio de vcuo.
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2.1.1 Soldagem a Arco com Gs de Proteo e Eletrodo Consumvel
A soldagem a arco eltrico com gs de proteo e eletrodo consumvel
(GMAWGas Metal Arc Welding), tambm conhecida como MIG/MAG (dos termos
em ingls: MIG Metal Inert Gas e MAG Metal Active Gas), tem como principio
bsico a formao de um arco eltrico entre a extremidade de um arame-eletrodo
consumvel alimentado continuamente e o metal a ser soldado. A poa de fuso formada
protegida por um gs, ou a mistura de gases, durante todo o perodo da soldagem. Esse
arranjo pode ser observado na Figura 2.1.
Figura 2.1Esquema representativo da soldagem MIG/MAG [Adaptado de
ESAB, 2012].
So denominados MIG os processos que utilizam gases inertes, normalmente
monoatmicos, como o Argnio (Ar) e o Hlio (He). Estes gases no interagem com o
metal da poa de fuso. J nos processos MAG, a proteo gasosa feita com um gs
dito ativo, ou seja, um gs que interage com a poa de fuso. O dixido de carbono
(CO2), oxignio (O2) e misturas destes gases so muito utilizadas neste tipo de
soldagem.
O processo de soldagem GMAW foi desenvolvido no ano de 1948 pelo Battelle
Memorial Institute, utilizando o Argnio como gs de proteo na soldagem de
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alumnio. Esta proposta oferecia uma alta taxa de deposio de material, mas o alto
custo do gs de proteo na poca limitava sua aplicao. Em 1953, comeou-se a
utilizar CO2e outras misturas como gs de proteo e ento o processo MIG/MAG se
tornou vivel para soldagem em escala industrial. Desde a sua aceitao, as variantes do
processo tem sido investigadas e aprimoradas. Os maiores desenvolvimentos esto
principalmente relacionados transferncia metlica no processo de soldagem.
Conforme Machado, 1996, a soldagem pode ser realizada de forma
semiautomtica ou automtica e o processo possui boas caractersticas para robotizao.
Isso se deve ao fato de que possvel soldar em todas as posies, com tima
estabilidade do arco, se os parmetros do processo forem ajustados adequadamente.
Outras caractersticas do processo que podemos citar so:
No necessrio realizar a remoo de escria; Conseguem-se altas taxas de deposio do metal de solda;
Permite a utilizao de altas velocidades de soldagem com menor distoro das
peas;
Juntas com grande abertura so preenchidas facilmente.
2.1.2 Soldagem a Arco com Eletrodo no Consumvel e Proteo Gasosa
Soldagem TIG ou GTAW (dos termos em ingls Tungsten Inert Gas e Gas
Shielded Tungsten Arc Welding) um processo que utiliza um eletrodo de tungstnio
puro ou composto com outros metais no consumveis, no qual o arco eltrico se
estabelece entre a pea de trabalho e o eletrodo. A poa de fuso e o eletrodo so
protegidos contra os efeitos atmosfricos por um gs inerte, cujo fluxo direcionado
pelo bocal da tocha de soldagem. A Figura 2.2 ilustra esquematicamente o sistema de
soldagem TIG.Embora o seu conceito tenha sido proposto muito tempo antes, apenas em 1941
o processo se desenvolveu e na poca ficou tambm conhecido como processo Heliarc,
pois na soldagem se utilizava um eletrodo de tungstnio e Hlio como gs de proteo.
A afirmao do processo se deu devido capacidade de realizar-se soldas de alta
qualidade em ligas de alumnio, ao inoxidvel e magnsio. O processo comeou a ser
mais utilizado quando passou-se a utilizar o Argnio como gs de proteo no lugar do
Hlio, por ser economicamente mais barato.
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Figura 2.2Esquema representativo da soldagem TIG com corte da tocha de soldagem
[Adaptado de DCB Oxignio, 2013].
O modo de operao do TIG normalmente manual, mas tambm pode ser
semiautomtico e automtico [Machado, 1996]. A soldagem pode se dar pela simples
fuso dos materiais base ou tambm com a adio de um metal consumvel. Neste caso,
o procedimento realizado manualmente pelo soldador com o uso de uma vareta ou
automaticamente com um arame proveniente de um alimentador.
A soldagem GTAW produz soldas de grande qualidade, geralmente livres de
defeitos, com timas propriedades mecnicas e bom acabamento. Sua aplicao se d
em larga escala em indstrias nucleares, qumicas, aeronuticas e de alimentos.
2.1.3 Soldagem ao Arco Submerso
O processo de soldagem ao arco submerso, SAW (do ingls Submerged Arc
Welding), foi patenteado por Robinoff em 1930 e ento vendido para Linde Air
Products em 1936 e revolucionou os conceitos de produtividade existentes na poca. O
arco submerso um mtodo de soldagem no qual o calor para fundir o metal gerado
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pelo arco que se forma com a passagem de corrente eltrica entre o um arame nu
continuamente alimentado e a pea de trabalho (metal base).
Neste processo, a poa de fuso fica protegida por uma camada de material
mineral granulado, conhecido como fluxo fusvel para soldagem, que possui a funo de
proteger a poa de contaminaes, alm de outras funes metalrgicas. Devido a isto,
diferentemente dos processos apresentados anteriormente, o arco eltrico e a poa de
fuso, neste caso, no ficam visveis. O esquema de funcionamento do processo pode
ser observado na Figura 2.3.
Figura 2.3Vista em corte do processo de soldagem ao arco submerso [Fonte:
ESAB, 2004].
Este processo apresenta uma alta taxa de deposio, podendo chegar at 20 kg/h
com a utilizao de apenas um arame, e grande penetrao. O modo de operao pode
ser automtico e, raramente, semiautomtico. Apesar de apresentar algumas limitaesoperacionais, o processo SAW produz um metal de solda com excepcionais
caractersticas mecnicas e metalrgicas [Machado, 1996].
2.2 Clculo da Potncia do Arco Eltrico e da Eficincia Trmica
De acordo com Bosworth, 1991, existe uma diferena de at 30% entre os
mtodos de clculo para potncia eltrica do arco. Gonzalez, 1997, verificou que para o
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processo MIG/MAG pulsado, esta diferena aumenta conforme o valor da corrente de
excesso e conforme o tempo de bases. Dependendo do processo de soldagem, um
mtodo pode ser apropriado, enquanto outro no recomendado. Joseph, 2001, concluiu
que o mtodo da potncia instantnea mdia o mais adequado.
A pesquisa realizada por Nascimento et al., 2007, verificou diferentes
metodologias para o clculo da energia do arco. Os autores demonstraram pelo teorema
da esperana que os mtodos mais apropriados so o do clculo da potncia instantnea
mdia e da potncia instantnea quadrtica mdia (ou potncia instantnea RMS, do
inglsRoot Mean Square), uma vez que estes podem ser utilizados nos casos em que a
tenso e a corrente de soldagem so dependentes.
A potncia instantnea mdia , em W, pode ser obtida pelo somatrio doproduto entre a corrente e a tenso em cada instante de tempo, dividido pelo nmero de pontos amostrados durante o processo de soldagem:
( )
onde e so a tenso de soldagem, em V, e a corrente de soldagem, em A, no pontoamostrado i, respectivamente.
De posse da potncia instantnea mdia possvel ento calcular a energia de
soldagem, que definida tradicionalmente pela razo entre a potncia eltrica e a
velocidade de deslocamento da tocha ou velocidade de soldagem:
onde a energia de soldagem em J/mm e a velocidade de soldagem em mm/s.Nos casos em que se utiliza um controle sobre forma da onda do processo de
soldagem e que a fonte mostre diretamente os valores de energia ou potncia do
processo, as recomendaes presentes na ASME Boiler and Pressure Vessel Code,
Section IX: Welding and Brazing Qualifications, item QW409.1, so para utilizar a
Equao 2.3 ou a Equao 2.4 para calcular a energia de soldagem, conforme o
apresentado por Melfi, 2010. Ambas as equaes resultam no mesmo valor para a
(2.1)
(2.2)
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energia de soldagem, sendo aplicadas conforme a informao disponvel (energia ou
potncia).
onde a energia indicada na fonte de soldagem em J, o comprimento do cordode solda em mm, a potncia indicada na fonte de soldagem em W e o tempo de
soldagem (tempo de arco aberto) em s.A eficincia trmica do processo , que tambm pode ser chamada de eficincia
do processo de soldagem, rendimento trmico do processo ou eficincia do arco, um
fator de correo da energia do arco, uma vez que existem perdas durante a soldagem e
nem todo calor gerado entregue pea. Esta eficincia obtida pela seguinte relao:
onde o calor aportado pea em J.Algumas normas apresentam valores tabelados para a eficincia trmica de
alguns processos de soldagem, porm sabe-se que estes valores no so consistentes
uma vez que no consideram parmetros ajustveis dos processos de soldagem, como a
velocidade de alimentao do arame e a vazo do gs de proteo. A Norma Europeia
DIN EN 1011-1:2009 apresenta valores de rendimento trmico constantes para os
processos de soldagem GTAW, GMAW e plasma, conforme o apresentado na
Tabela 2.1.
Tabela 2.1Valores de rendimento trmico conforme a DIN EN 1011-1:2009.
Processo GTAW 60%
GMAW 80%
Plasma 60%
(2.3)
(2.4)
(2.5)
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2.3 Mecanismos de Transferncia de Calor
O calor definido como a energia trmica em trnsito devido a diferena de
temperaturas no espao [Incropera et al., 2008], ou seja, sempre que existir uma
diferena de temperatura em um corpo ou entre corpos de um sistema, haver um fluxo
de calor. No momento em que existe equilbrio entre os corpos e eles se encontram no
mesmo nvel energtico, essa transferncia cessada.
A transferncia de calor por conduo ocorre quando temos um meio
estacionrio sujeito a um gradiente de temperatura e a transferncia se d por este corpo.
A conduo tambm pode ser entendida como a transferncia de energia das partculas
mais energticas para as menos energticas por interaes entre as partculas dos
materiais. Este mecanismo de transferncia de calor diretamente proporcional condutividade trmica do corpo.
A conveco est associada transferncia de energia que se d entre um fludo
em movimento e uma superfcie, quando eles se encontram em temperaturas diferentes.
Ela classificada em conveco forada, quando o escoamento advindo de meios
externos, e de conveco natural (ou livre), quando o escoamento do fludo induzido
por foras de arraste, originadas pela diferena de temperatura. Esse modo de
transferncia de calor mais complexo, pois alm de depender das propriedades dofludo (densidade, condutividade trmica, calor especfico, viscosidade), funo da
geometria da superfcie e das condies de escoamento.
Outro mecanismo de transferncia de calor a radiao trmica. Ela ocorre
continuamente, uma vez que todos os meios que no esto em uma temperatura nula
emitem energia na forma de ondas eletromagnticas. Enquanto a transferncia de
energia por conduo ou conveco requer a presena de um meio material, a radiao
no necessita dele, at sendo mais eficiente no vcuo. Uma representao dos modos de
transferncia de calor podem ser visualizados no esquema apresentado na Figura 2.4.
Alm da condutividade trmica, outro conceito importante a ser observado
quando a transferncia de calor se d por conduo, o da difusidade trmica. Obtida
pela relao entre a condutividade trmica e a capacidade calorifica volumtrica
(produto entre a densidade e o calor especifico do material), ela uma propriedade do
material que controla o processo de transferncia de calor por conduo em regime
transiente e est relacionada com a capacidade que o material tem de conduzir calor em
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relao sua capacidade de armazen-lo. Portanto, materiais que possuem alta
difusidade trmica atingem uma nova condio de equilbrio mais rapidamente quando
sujeitos a uma mudana de temperatura do que aqueles que possuem uma baixa
difusidade trmica.
Figura 2.4Representao dos mecanismos de transferncia de calor por conduo,
conveco e radiao [Adaptado de: Incropera et al., 2008].
2.4 Modelos de Transferncia de Calor na Soldagem
O aporte trmico que ocorre durante o processo de soldagem tem sido estudadopor diferentes pesquisadores. Os autores dessas pesquisas sugerem, de uma forma geral,
que a energia do arco e a transferncia de calor para pea so dois fatores de grande
importncia para um melhor entendimento dos processos de soldagem a arco eltrico,
uma vez que estes esto diretamente relacionados com as transformaes fsicas do
metal base que ocorrem durante os processos. A imposio de calor no material pode
causar variaes dimensionais e alteraes microestruturais localizadas no material,
podendo resultar em efeitos indesejados como a mudana nas propriedades mecnicas,qumicas, fsicas, distores, tenses residuais e a formao de trincas [Arvalo, 2011].
Um dos primeiros estudos que abordou a transferncia de calor no processo de
soldagem a arco foi realizado por Rosenthal, 1941. Ele desenvolveu um modelo terico
utilizando as seguintes simplificaes e consideraes:
As propriedades fsicas do material base se mantm constantes durante o processo
de soldagem;
A fonte de calor considerada pontual;
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No ocorre troca de calor por conveco na poa de fuso;
O fluxo de calor em uma pea com comprimento supostamente infinito
considerado estacionrio ou quase-estacionrio;
Perdas de calor para atmosfera so desconsideradas;
O calor proveniente do metal de adio no levado em conta nos clculos.
Com isso, Rosenthal, 1941, obteve a equao que descreve o fluxo de calor para
duas dimenses durante a soldagem de placas finas, com largura considerada infinita
para uma fonte de calor pontual , em J, que se move com uma velocidade , em m/s:
( )( )
onde a temperatura do ponto e a temperatura inicial, ambas em K, acondutividade trmica do corpo de prova em W/mK, a espessura do corpo de provaem m, a difusividade trmica do corpo de prova em m/s, a distncia do ponto origem ao longo do eixo cartesiano x em m, a funo de Bessel modificada desegunda espcie e ordem zero e a distancia radial do ponto origem da fonte decalor em m.
Nunes, 1983, fez novas consideraes aos modelos analticos deRosenthal, 1941. O autor considerou a ocorrncia de troca de fases e a troca de calor por
conveco na poa de fuso. Apesar deste novo modelo, mais complexo, ter aumentado
o entendimento do aporte trmico durante o processo de soldagem, era limitado para
soldagens sem deslocamento relativo entre a tocha e a pea.
Um dos primeiros modelos implementados computacionalmente foi
desenvolvido por Kou e Le, 1984. Utilizado para estudar o fluxo de calor na soldagem
GTAW de tubos, o modelo para trs dimenses e esttico apresentou resultados deciclos trmicos e de regio de fuso muito prximos aos obtidos experimentalmente. J
os resultados obtidos com o modelo transiente no foram to precisos quanto os
anteriores, quando comparados com os resultados obtidos com experimentos.
Gonalves et al., 2006, usaram de tcnicas inversas para estimar a fonte de calor,
eficincia trmica e eficincia de fuso para um processo de soldagem TIG. O modelo
proposto pelos autores leva em considerao a troca de fases, perdas de calor e a
variao das propriedades fsicas do material com a temperatura. Com essas
(2.6)
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consideraes foi possvel identificar o rendimento do processo e a eficincia de fuso a
cada instante da soldagem.
Mais recentemente, Scotti et al., 2012, propuseram um modelo descritivo mais
abrangente para melhor entender os efeitos do fluxo de calor nos processos soldagem.
Ele foi divido em duas partes: a primeira considerando o balano de energia no arco
eltrico e a segunda descrevendo o fluxo de calor no metal base. Com o uso dos
modelos desenvolvidos, eles verificaram a impreciso das simplificaes realizadas nos
modelos analticos. No estudo, os autores tambm prope o uso do termo calor
imposto efetivo, o qual est relacionado com o calor imposto que realmente afeta a
velocidade de resfriamento nas regies aquecidas do metal base. Este termo seria uma
maneira mais adequada de se correlacionar a energia de soldagem com as
transformaes metalrgicas que ocorrem durante os processos de soldagem. Conformeo proposto por Scotti et al., 2012, para o mesmo calor imposto obtido atravs de
experimentos com calorimetria, o calor imposto efetivo pode ser diferente.
2.5 Perdas de Calor Durante o Processo de Soldagem
Sabe-se que apenas uma parte da energia gerada pelo arco eltrico absorvida
pela pea durante a soldagem. As perdas de calor se do pela ao dos mecanismos deconveco, conduo e radiao, bem como pela gerao de vapor metlico e respingos.
A tarefa de quantificar a energia perdida em um processo fsico complexo como o arco
eltrico difcil, porm no recomendado negligenciar estas perdas ou ento utilizar
valores estimados para elas. Dados de pesquisas experimentais mostram que o
mecanismo de transferncia de calor por conduo aquele que mais representa a
energia real imposta pea durante a soldagem a arco eltrico [Ppe, 2010].
Segundo DuPont e Marder, 1995, a maior parte da energia total gerada pelo
processo fornecida pelo arco eltrico e apenas uma pequena parte fornecida pelo
eletrodo. A energia total (energia do eletrodo somada a energia do arco eltrico)
transmitida em parte para a pea, enquanto o restante perde-se para o ambiente. Os
autores verificaram que estas perdas energticas representam aproximadamente 1% da
potncia total do arco. Do calor que entregue para a pea, uma parte responsvel
pela fuso do metal base e a outra transmitida por conduo pelo metal base,
aumentando a sua temperatura. Um esquema da distribuio de energia que ocorre no
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processo de soldagem a arco proposto por DuPont e Marder, 1995, pode ser observado
na Figura 2.5.
Figura 2.5Desenho ilustrativo da distribuio de energia em um processo de
soldagem a arco eltrico [Adaptado de DuPont e Marder, 1995].
Estes autores tambm realizaram a anlise da perda de calor devido ao
aquecimento do eletrodo. Eles verificaram que nos processos de soldagem em que o
eletrodo consumvel (GMAW e SAW) o calor gerado pelo aquecimento resistivo do
arame-eletrodo transferido em parte para a pea pela fuso dele, enquanto nos
processos em que o eletrodo no consumvel (GTAW), esta energia perdida pelo
aquecimento do eletrodo e da tocha de soldagem, que so resfriados continuamente com
gua.
Comparando as energias impostas ao metal base e os rendimentos trmicos em
um processo de soldagem MIG/MAG em passes de solda com penetrao total e
penetrao parcial, Quintino et al., 2013, observaram uma reduo na energia aportada
ao corpo de prova para os passes realizados com penetrao total. As perdas de calor,
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que variaram entre 3% e 12%, esto relacionadas com a perda por radiao trmica pelo
lado da raiz do cordo de solda. Um esquema proposto pelos autores para o fluxo de
calor na pea durante a soldagem GMAW pode ser visualizado na Figura 2.6. As setas
apresentadas na imagem com nmero 1 representam as perdas de calor por conveco
natural, as identificadas com o nmero 2 referem-se ao calor perdido por radiao e o
nmero 3 representa a difuso de calor pela pea por meio do mecanismo de conduo
trmica.
Figura 2.6Transferncia de calor na pea durante a soldagem. (a) Soldagem
MIG/MAG com penetrao total e (b) soldagem MIG/MAG com penetrao parcial
[Fonte: Quintino et al., 2013].
As perdas entre a energia de soldagem e o calor aportado no so dependentes
somente do processo de soldagem, mas dos parmetros do processo e de caractersticas
do material base, o que no permite o uso de um nico valor de rendimento trmico para
um dado processo como valor absoluto [Scotti et al., 2012].
2.6 Calorimetria
O ato de medir a troca de energia que se d em forma de calor entre corpos ou
sistemas chamado de calorimetria. Com as medidas calorimtricas possvel
determinar a condutividade trmica ou capacidade calorfica de materiais. Os
calormetros so os equipamentos utilizados nestas medies e a sua concepo e
construo podem ser de diversas formas.
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A calorimetria utilizada para auxiliar no entendimento do ciclo trmico, da
transferncia de calor e na quantificao da eficincia trmica dos processos de
soldagem. Os resultados obtidos com este mtodo experimental tm se mostrado
satisfatrios, uma vez que envolvem as principais variveis do processo de soldagem e
os mtodos numricos e analticos so muito limitados ao modelo utilizado e s
aproximaes realizadas.
Um dos mais difundidos calormetros que foi utilizado para avaliao do
rendimento do arco em processos de soldagem tem como principio bsico o
resfriamento contnuo do corpo de prova com gua. Essers e Walter, 1981, mantiveram
uma chapa de ao parcialmente imersa na gua, deixando apenas a face onde seria
realizada a soldagem exposta ao ambiente. A gua era continuamente misturada por um
agitador para garantir a homogeneizao da temperatura no interior do calormetro, quefoi monitorada durante todo o processo, e atingiu um valor mximo de 35 C. Os
autores verificaram uma perda de calor pela superfcie exposta do corpo de prova menor
que 5%, uma eficincia trmica mdia de 65% para o processo MIG/MAG-Plasma e de
71% para o processo MIG/MAG convencional. Um esquema representativo do
calormetro utilizado pelos pesquisadores pode ser observado na Figura 2.7.
Figura 2.7Representao do calormetro proposto por Essers e Walter, 1981.
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Lu e Kou, 1989, diferentemente dos autores anteriores, construram um
calormetro com escoamento contnuo de gua, medindo a sua temperatura na entrada e
na sada do equipamento com a utilizao de termopares. Este fluxo ficava em contato
com a face oposta solda no corpo de prova, que foi montado no topo de uma caixa de
ao inoxidvel. Na Figura 2.8 possvel visualizar o calormetro proposto pelos autores.
Os pesquisadores verificaram que no ocorreu a formao de bolhas resultantes da
vaporizao da gua com este arranjo e obtiveram uma eficincia trmica mdia de 80%
na soldagem MIG/MAG de alumnio com transferncia metlica globular. Os autores
determinaram que 45% do calor proveniente do arco eltrico, 23% das gotas formadas
pela fuso do arame-eletrodo e 12% da poa de fuso. A eficincia trmica obtida foi
significantemente maior que a reportada anteriormente por Essers e Walter, 1981. Essa
diferena foi atribuda s propriedades do material base utilizado no teste, que nestecaso era alumnio.
Figura 2.8Calormetro com fluxo contnuo de gua [Adaptado de Lu e Kou, 1989].
O calormetro proposto por Bossworth, 1991, composto por um recipienteisolado do ambiente externo, preenchido com gua e instrumentado com termopares
para monitoramento da temperatura interna. Para verificao do calor aportado ao corpo
de prova durante a soldagem, o autor padronizou os tempos de soldagem e de intervalo
entre o trmino da solda e a imerso do corpo de prova no recipiente com gua. Devido
a incertezas e perda de calor durante a transferncia da chapa metlica soldada, foi
atribuda uma incerteza total de 5% no clculo da eficincia trmica. Mantendo os
parmetros de soldagem constantes, o autor observou que uma quantidade maior de
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calor entregue ao corpo de prova se utilizado o processo de soldagem MIG/MAG no
pulsado, quando comparado ao processo MIG/MAG pulsado, exceto quando a
transferncia metlica se d por curto-circuito. Bossworth, 1991, tambm verificou que
o parmetro de soldagem que tem maior impacto na eficincia trmica do processo a
velocidade de alimentao do arame. Neste estudo foi obtida uma eficincia trmica de
83% a 85% para o processo de soldagem MIG/MAG convencional e na faixa de 82% a
83% para o processo MIG/MAG pulsado.
Com uma proposta de calormetro que tambm utiliza gua, mas diferente dos
autores apresentados anteriormente, o aparato desenvolvido por Haelsig et al., 2011,
consiste em uma placa metlica mantida angulada em relao a um recipiente
termicamente isolado. A tocha de soldagem se desloca paralelamente chapa com uma
velocidade constante e concomitantemente com este deslocamento, o nvel de gua vaisendo elevado. Com isso, tem-se uma situao em que logo aps que a realizao da
soldagem, o cordo gerado encoberto com gua. A temperatura da gua monitorada
por termopares, alm de recircular pelo reservatrio por meio de uma bomba. O
calormetro proposto por Haelsig et al., 2011 pode ser observado na Figura 2.9.
Figura 2.9Dispositivo proposto para avaliao do rendimento trmico [Adaptado de
Haelsig et al., 2011].
DuPont e Marder, 1995, utilizaram um calormetro baseado no princpio
termoeltrico de Seebeck semelhante ao desenvolvido por Giedt et al., 1989, conforme
pode ser observado na Figura 2.10. O aparato consiste em uma juno termocondutora
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que fica sujeita a um gradiente de temperatura. Um lado da juno constantemente
resfriado com gua, enquanto o outro lado fica em contato direto com o corpo de prova
a ser soldado. Este gradiente de temperatura medido com um par de termopares, sendo
cada um posicionado em um dos lados da juno. O sinal de tenso eltrica obtido
multiplicado por uma constante de calibrao (funo da condutividade trmica
especfica, espessura da juno condutora e do tipo de termopar utilizado), fornecendo o
valor de energia que entregue pea durante o processo de soldagem. Os autores
obtiveram uma eficincia trmica mdia de 67% para o processo de soldagem TIG e de
84% para os processos MIG/MAG e arco submerso. Estes valores concordaram com os
obtidos no estudo de Giedt et al., 1989.
Figura 2.10Princpio operacional do calormetro [Adaptado de DuPont e
Marder, 1995].
Um calormetro com as mesmas caractersticas construtivas foi utilizado por
Fuerschbach e Knorovsky, 1991, que observaram um rendimento mdio do arco de 80%
tanto para o processo MIG/MAG convencional quanto para o MIG/MAG pulsado. Os
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autores tambm verificaram que o processo plasma teve a menor eficincia trmica,
bem como apresentou a maior oscilao entre os resultados; os valores de rendimento
do processo variaram entre 50% e 75%. Em um estudo mais recente, Fuerschbach,
1996, encontrou uma eficincia trmica entre 20% e 90% para soldagem a laser, sendo
esta variao diretamente dependente da intensidade do feixe laser.
Utilizando um calormetro de caixa fechada, Cantin e Francis, 2005,
investigaram a eficincia trmica na soldagem MIG/MAG em alumnio. O equipamento
utilizado consiste em uma caixa com uma base de cermica sobre a qual foi apoiado o
bloco de alumnio a ser soldado. O espao restante da caixa foi preenchido com
vermiculita, visando reduzir a perda de calor para o ambiente vizinho. Foram
posicionados oito termopares no bloco de alumnio para monitoramento do perfil de
temperatura durante a soldagem. O esquema de montagem do calormetro pode serobservado na Figura 2.11.
Figura 2.11Calormetro de caixa fechada. (a) Detalhe do corpo de prova e
localizao dos termopares e (b) montagem do bloco na caixa [Adaptado de Cantin e
Francis, 2005].
Os autores verificaram que utilizando polaridade direta (eletrodo negativo), a
eficincia trmica variou entre 46% e 89% e com polaridade inversa (eletrodo positivo)
a faixa foi de 52% a 60%. Em concordncia com os estudos de Zijp e Den, 1990 e
Hiraoka et al., 1998, eles observaram que o gs de proteo tem grande efeito na
eficincia trmica do processo de soldagem, sendo os maiores valores obtidos com uma
mistura mais rica de Hlio (25% Ar / 75% He).
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Em pesquisas mais recentes, diferentes autores (Kenney et al., 1998; Joseph,
2001; Ppe, 2010; Arvalo, 2011) utilizaram calormetros com nitrognio lquido para
verificao do aporte trmico em processos de soldagem. Estes equipamentos
apresentaram um baixo erro e boa repetitividade nos ensaios. Em contrapartida, tem-se
um custo mais elevado que os calormetros que utilizam gua ou que so baseados no
efeito de Seebeck.
Kenney et al., 1998, utilizaram um recipiente de Dewar e uma balana eletrnica
conectada a um computador, com o qual eles monitoravam a perda de peso associada
vaporizao do nitrognio lquido. Aps a soldagem ser realizada, o corpo de prova era
rapidamente inserido manualmente dentro do recipiente de Dewar, conforme os passos
que podem ser observados na Figura 2.12. Os autores obtiveram eficincias trmicas
entre 69% e 82% para o processo de soldagem MIG/MAG pulsado. Utilizando o mesmoprincpio, porm monitorando a balana com a utilizao de um circuito de cmera de
filmagem, Ppe, 2010, obteve valores de rendimento do arco para o processo de
soldagem MIG/MAG CMT (do ingls Cold Metal Transfer) que variaram de 80% at
93%.
Figura 2.12Princpio de avaliao do aporte trmico por massa perdida de N2L com
transporte manual do corpo de prova [Fonte: Arvalo et al., 2011].
Arvalo, 2011, construiu um equipamento automatizado visando eliminar a
interveno do operador de forma direta, como no transporte da chapa soldada entre o
ponto de realizao do cordo at o calormetro e tambm padronizar a medio da
massa evaporada de N2L. O equipamento dotado de um sistema pneumtico para
fixao e manipulao do corpo de prova a ser soldado, de um sistema para
deslocamento da tocha de soldagem e de um sistema para a aquisio de dados do
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processo de soldagem e da massa evaporada de nitrognio lquido, conforme pode ser
observado na Figura 2.13.
Figura 2.13Equipamento calormetro de nitrognio lquido [Fonte: Arvalo, 2011].
O autor verificou que a bancada experimental com o calormetro de N2L
apresentou boa repetitividade, com uma diferena mxima de 3% entre os resultados.
Foi obtida uma eficincia trmica mdia de 78,6% para o processo MIG/MAG
curto-circuito convencional, 73,6% para MIG/MAG com transferncia metlica
goticular e 76,1% para o processo MIG/MAG com curto-circuito controlado.
Utilizando-se dos princpios da calorimetria, porm sem analisar a eficincia
trmica, Soderstrom et al., 2011, construram um dispositivo para avaliar o calor resultante
do metal de adio fundido em um processo de soldagem GMAW. Os autores observaram
que o calor que transferido pelas gotas do eletrodo para a poa de fuso varia entre 20% e
30% da energia total de soldagem. Eles tambm verificaram que na transio do modo de
transferncia metlica globular para spray ocorreu uma reduo significativa na temperatura
da gota metlica, bem como no calor armazenado e transportado pela mesma.
2.7 Valores de Eficincia Trmica Obtidas em Estudos Anteriores
Para serem utilizados como referncia para as atividades experimentais
desenvolvidas neste trabalho, foi realizado um levantamento dos valores de rendimento
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trmico que foram obtidos por outros autores. Os resultados atingidos pelos diferentes
estudos so apresentados nas Tabelas 2.2 e 2.3. Na Tabela 2.2 encontram-se as
eficincias trmicas obtidas para os processos de soldagem GMAW e na Tabela 2.3 para
os processos GTAW. Em ambos os casos, os dados esto categorizados conforme as
caractersticas construtivas do calormetro e os parmetros de soldagem. Nas tabelas, o
smbolo se refere distncia da ponta do eletrodo pea em mm e o smbolo velocidade de alimentao do arame em m/min.
Tabela 2.2Valores de eficincia do arco para o processo de soldagem MIG/MAG.
Autor(es) e princpiodo calormetro
Gs de Proteo [V]
[A]
[mm/s]
[m/min]
Essers e Walter, 1981Banho de gua
continuamente agitada93% Ar / 7% CO2 - 275 - - 71%
Bosworth, 1991Imerso do corpo deprova em recipiente
com gua
82% Ar / 18% CO2 35,4 292 5 9,9 76%
82% Ar / 18% CO2 28,3 148 5 4 79%
95% Ar / 5% CO2 27,5 243 5 9,9 78%
95% Ar / 5% CO2 20,3 148 5 4 80%
75% Ar / 25% CO2 34,6 307 5 9,9 83%75% Ar / 25% CO2 16,8 170 5 5,9 86%
Lu e Kou, 1989Fluxo de gua
contnuo
100% Ar 19,4 78 10,2 2,5 83%
100% Ar 22,6 128 10,2 3 81%
100% Ar 27,8 176 10,2 4 81%
100% Ar 28,2 251 10,2 5,8 80%
Arvalo, 2011Fluxo dgua contnuo
75% Ar / 25% CO2 19 122 5 4 71%
75% Ar / 25% CO2 29 287 5 8,5 67%Giedt et al., 1989
Princpio de Seebeck100% Ar 27 230 15 - 84%
DuPont eMarder, 1995
Princpio de Seebeck
100% Ar 27 230 15 7,2 87%
100% Ar 35 375 15 7,2 85%
Arvalo, 2011Imerso do corpo deprova em recipiente
Dewar com N2L
75% Ar / 25% CO2 19 128 6,7 3 77%
75% Ar / 25% CO2 19 122 5 4 82%
75% Ar / 25% CO2 29 286 5 8,5 79%
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Tabela 2.3Valores de eficincia do arco para o processo de soldagem TIG.
Autor(es) e principiodo calormetro
Gs deProteo
Polaridadedo Eletrodo
[V]
[A]
[mm]
[mm/s]
Arvalo, 2011Fluxo de gua contnuo
100% Ar Negativo 10,5 100 3 3,3 69%
100% Ar Negativo 12,9 150 5 2,5 59%
Giedt et al., 1989Principio de Seebeck
100% Ar Negativo 9,7 100 3 0,8 82%
100% Ar Negativo 8,8 155 3 0,8 84%
100% Ar Negativo 10,3 200 3 0,8 82%
Fuerschbach eKnorovsky, 1991
Princpio de Seebeck
100% Ar Negativo - 29 1 4,2 75%
100% Ar Negativo - 132 1 21,2 80%
100% Ar Pulsado - 42 1 6,3 80%
DuPont e Marder, 1995Princpio de Seebeck
100% Ar Negativo 15 250 6 7 67%
100% Ar Negativo 16 350 6 7 70%
Cantin e Francis, 2005Calormetro de caixa
fechada
100% Ar Negativo 11,1 100 2 1,67 80%
100% Ar Negativo 12 200 4 1,67 76%
100% He Negativo 18 200 4 1,67 87%
100% Ar Positivo 16,1 100 2 1,67 58%
100% Ar Positivo 17 100 4 1,67 55%
100% He Positivo 23,8 100 2 1,67 58%
Arvalo, 2011Imerso do corpo deprova em recipiente
Dewar com N2L
100% Ar Negativo 11 100 3 2,5 72%
100% Ar Negativo 11 102 3 3,3 74%
100% Ar Negativo 12 150 5 2,5 61%
100% Ar Negativo 11,7 150 5 4,2 69%
Conforme pode ser observado nas Tabelas 2.2 e 2.3, a eficincia obtida nos
diferentes experimentos varia significativamente. Stenbacka et al., 2012, realizaram um
levantamento dos resultados obtidos por diferentes autores com calorimetria e
simulao numrica para a eficincia do arco em processos de soldagem GTAW. Na
Figura 2.14 pode-se observar a compilao resultante da pesquisa que os autores
realizaram. Os dados foram apresentados conforme o ano de publicao e possvel
visualizar que existe uma grande disperso entre os resultados, no sendo possvel
observar qualquer tipo de relao entre eles.
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Figura 2.14Grfico da eficincia trmica mdia reportada por autores pelo ano da
publicao [Fonte: Stenbacka et al., 2012].
Para o processo de soldagem ao arco submerso existem poucos estudos
publicados que avaliaram a eficincia trmica do processo. DuPont e Marder, 1995,
verificaram uma eficincia variando entre 83% e 90%, para uma tenso de soldagem
entre 34 V e 37 V e uma corrente de 200 A a 320 A. Os autores realizaram a soldagemcom uma velocidade de deslocamento de 15 mm/s e uma velocidade de alimentao do
arame consumvel de 7,2 m/min.
Fuerschbach, 2004, consolidou dados reportados por alguns estudos para
eficincia trmica de diferentes processos de soldagem, realizando uma recomendao
de valores a serem utilizados na realizao de simulaes e clculos para cada um dos
processos. Para o processo de soldagem SAW ele relatou que as pesquisas apontam para
uma eficincia mdia do arco de 90% e recomendou a utilizao deste valor como
referncia para esse processo.
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3 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MTODOS
No decorrer deste capitulo apresentado o planejamento desenvolvido para
realizao dos experimentos. Tambm so descritos os materiais e equipamentos que
foram utilizados na construo do calormetro e durante os processos experimentais.
As atividades experimentais foram desenvolvidas no Laboratrio de Soldagem e
Tcnicas Conexas (LS&TC) no Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio
Grande do Sul (UFRGS).
3.1 Corpos de Prova
Para realizao dos experimentos de soldagem e avaliao do seu rendimento
trmico, foram utilizados tubos mecnicos laminados sem costura, que atendem norma
DIN 2391 St-52, com dimetros externos de 63,5 mm e 89 mm e dimetros internos de
48,5 mm e 55,5 mm, respectivamente. O comprimento dos tubos foi padronizado em
200 mm, conforme pode ser observado na Figura 3.1. A composio qumica e as
propriedades mecnicas dos corpos de prova so apresentadas na Tabela 3.1 e na
Tabela 3.2 (dados fornecidos pelo fabricante). Optou-se por utilizar estes tubos por
serem facilmente encontrados no comrcio e por apresentarem boa soldabilidade.
Tabela 3.1Composio qumica dos corpos de prova conforme os dados do
fabricante.
Composio Qumica, % (aprox.)
C 0,2
Si 0,3Mn 1,4
P < 0,03
S < 0,03
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Tabela 3.2Propriedades mecnicas dos corpos de prova conforme os dados do
fabricante.
Caracterstica
Resistncia a trao 510 MPaLimite de Escoamento 343 MPa
Dureza Brinell 145 HB
Figura 3.1Desenho dos corpos de prova utilizados nos experimentos (dimenses em
mm). (a) Tubo laminado com dimetro externo de 63,5 mm e (b) tubo laminado com
dimetro externo de 89 mm.
3.2 Corpo do Calormetro
Na construo do calormetro foram utilizados tubos e conexes de policloreto
de polivinila clorado (CPVC). Este material apresenta baixa condutividade trmica e um
baixo custo quando comparado com outros tubos para conduo de gua quente, o que
motivou a sua utilizao. Alm das caractersticas citadas anteriormente, este material
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leve, resistente corroso e permite trabalhar com conduo de fluidos em temperaturas
de at 80 C, porm no recomendada a sua utilizao na conduo de vapor dgua.
O CPVC um material que foi desenvolvido a partir do policloreto de polivinila
(PVC), aumentando-se a composio em peso de cloro (Cl) do vinil. O policloreto de
polivinila clorado apresenta uma composio qumica com teor, em peso, de
aproximadamente 65% de cloro e de 35% de eteno, contra 57% e 43%, respectivamente,
do PVC. Alm destes componentes so acrescidos mistura outros aditivos, pigmentos
e estabilizantes necessrios durante o processo de polimerizao do material.
Conforme o fabricante, o policloreto de polivinila clorado apresenta uma
condutividade trmica de 0,05 W/mK, um valor relativamente baixo se comparado com
outros materiais, como o PVC (0,17 W/mK) e o ao (52,9 W/mK). O composto de
CPVC empregado na fabricao de tubos e conexes hidrulicas deve apresentar asseguintes propriedades fsicas a uma temperatura de 23 C 2 C, quando analisado
conforme a norma ASTM D1784-07:
Resistncia mnima de impacto Izod: 80,1 J/m;
Resistncia trao mnima: 48,3 MPa;
Mdulo de elasticidade mnimo sob trao: 2482 MPa;
Temperatura mnima de deflexo sob carga de 1,82 MPa: 100 C.
Para a montagem do corpo do calormetro, foram utilizados tubos e conexes deCPVC da linha Aquatherm do fabricante Tigre. Utilizou-se uma tubulao com
dimetro externo nominal de 15 mm e espessura de parede de 1,6 mm, visando garantir
uma vazo de gua continua com fluxo laminar.
3.3 Isolamento Trmico do Corpo de Prova
Objetivando reduzir as perdas de calor por conveco e por radiao nasuperfcie exposta do corpo de prova, foram construdas duas calhas de PVC a partir de
dois tubos partidos ao meio, e colou-se no interior delas uma lmina de cortia, como
pode ser visualizado na Figura 3.2.
Foram utilizados dois tubos de policloreto de polivinila, sendo cada um
destinado para um dos corpos de prova; o menor tubo, com dimetro externo de 75 mm
e espessura de parede de 4,2 mm foi utilizado de isolamento para o corpo de prova com
dimetro de 63,5 mm; o maior tubo, com dimetro externo nominal de 110 mm e
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espessura de parede de 6,1 mm foi utilizado para a proteo do corpo de prova de
89 mm.
Figura 3.2Calhas utilizadas para isolamento dos corpos de prova. (a) Calha com tubo
de PVC e cortia de menor dimetro e (b) calha com tubo de PVC e cortia de maior
dimetro.
Como o PVC no resiste a grandes temperaturas, fez-se necessria a adio de
uma lmina de cortia com 2 mm de espessura no interior das calhas, que foi fixada
com a utilizao de um adesivo de silicone para altas temperaturas. A cortia um
material de origem biolgica, formado por microclulas (da ordem de 30 m) mortas
que apresentam normalmente uma forma polidrica de 14 lados, dispostas de formamuito compactada. Tal material foi escolhido devido sua baixa condutividade trmica,
o que desejvel para evitar a perda de energia para o ambiente. Conforme a literatura
(Gil, 1998; Fortes et al., 2004), a condutividade trmica da cortia pode variar entre
0,028 W/mK e 0,045 W/mK, sendo este valor dependente da origem da cortia e do
processamento a qual foi submetida.
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3.4 Acoplamento entre o Corpo do Calormetro e o Corpo de Prova
Para realizar um rpido acoplamento do corpo do calormetro ao corpo de prova
e permitir uma troca fcil de corpos de prova, foram utilizadas rolhas de borrachas com
um furo central passante, como pode ser observado na Figura 3.3. Este arranjo tambm
permite que seja realizada a troca da rolha por outra de diferentes dimenses,
possibilitando a utilizao de corpos de provas tubulares com diferentes dimetros.
Figura 3.3Vista em corte e isomtrica das rolhas utilizadas nos experimentos
(dimenses em mm). (a) Rolha para os corpos de prova menores e (b) rolha para os
corpos de prova maiores.
Conforme a representao na Figura 3.3, neste trabalho foram utilizadas rolhas
com duas dimenses, sendo cada uma aplicada a um dos corpos de prova. Optou-se pela
utilizao de rolhas de borracha butlica, que suportam uma faixa de temperatura que
vai de -40 C a 140 C e apresentam uma baixa condutividade trmica e alta capacidade
de tamponamento. Estas caractersticas so requeridas, uma vez que procura-se evitar a
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perda de calor e vazamentos nas interfaces, e, ainda, a faixa de temperatura de trabalho
do material deve ser condizente com a faixa de operao do equipamento.
3.5 Sistema de Alimentao de gua
Para garantir um fluxo constante de gua no interior calormetro, o sistema de
alimentao deve assegurar que no ocorram quedas de presso na linha de alimentao
do calormetro. Visando satisfazer esta condio, foi construdo um sistema com um
reservatrio que mantm o nvel de gua constante e, portanto, uma presso constante
(coluna de gua) na alimentao de gua para o calormetro. Na Figura 3.4 pode ser
observado que o sistema desenvolvido composto por uma tubulao de entrada no
reservatrio, uma caixa de gua com capacidade mxima de 100 litros e pela tubulaode sada do reservatrio. O nvel constante de gua mantido por uma torneira com
boia, a qual est instalada no interior da caixa.
Figura 3.4Detalhe dos componentes utilizados no sistema de alimentao de gua.
A caixa de gua foi posicionada sobre um suporte mvel, que permite o
deslocamento do sistema de alimentao conforme a necessidade. A alimentao do
calormetro feita pelo ponto inferior do reservatrio, o qual alimentado pela entrada
posicionada em seu ponto superior. Duas vlvulas de esfera foram instaladas, uma na
entrada e outra na sada da caixa da gua, permitindo um fechamento do sistema quando
ele no est em utilizao.
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A conexo do sistema de alimentao ao calormetro foi realizada com o uso de
mangueiras flexveis transparentes. O mesmo material foi aplicado para realizar a
conexo do ponto de alimentao de gua da caixa ao encanamento de gua do
laboratrio. A gua utilizada nos experimentos foi suprida pelo Departamento
Municipal de gua e Esgotos (DMAE) da cidade de Porto Alegre. A gua bruta que
chega at as estaes de tratamento do departamento passa por processos de tratamento
at que sejam atingidas as propriedades de qualidade para distribuio.
3.6 Sistema de Monitoramento de Temperatura
O monitoramento da evoluo da temperatura da gua na entrada e na sada do
calormetro durante o processo de soldagem de suma importncia para o clculo dorendimento trmico do processo. Para realizar a medio da temperatura optou-se pela
utilizao de termopares do tipo T (par de cobre e constantan) que apresentam uma
sensibilidade de 50 V/C, que uma das maiores entre os tipos de termopares mais
comuns e por possurem um baixo erro, que da ordem de 1 C. A faixa de operao
do sensor (-270 C a 400 C) atende s necessidades dos ensaios.
Os termopares foram fabricados com uma bainha de proteo em ao inoxidvel
AISI 304 com dimetro de 3 mm e comprimento de 100 mm, na qual os fios do parcondutor foram compactados com xido de magnsio a fim de obter-se isolao eltrica
e ficando a junta completamente isolada das condies ambientais. Este isolamento,
porm, diminui o tempo de resposta do sensor.
Nos experimentos foram utilizados quatro termopares, sendo dois posicionados
na entrada e dois na sada. Na Figura 3.5 possvel visualizar o esquema de
posicionamento dos termopares no calormetro. Um dos sensores da sada e um da
entrada foram montados em ligao diferencial. Nesta configurao, as ligaes so
feitas de forma que uma se ope a outra, sendo um fio comum aos dois termopares.
Assim, quando as temperaturas dos dois termopares forem iguais, a fora eletromotriz
resultante ser igual a zero. No momento em que as temperaturas dos dois termopares
estiverem em nveis diferentes, a diferena de potencial (mV) produzida ser
correspondente diferena da temperatura entre os dois termopares. O esquema da
ligao dos termopares de forma diferencial pode ser visualizada na Figura 3.6.
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Figura 3.5Posicionamento dos termopares no calormetro.
Figura 3.6Esquema de ligao dos fios de dois termopares para medidas de
temperatura diferencial.
Para realizar o monitoramento das temperaturas utilizou-se o sistema de
aquisio de dados ADS2000 IP, fabricado pela Lynx. O equipamento, que pode ser
visualizado na Figura 3.7, j conta com um condicionador de sinais e junta fria
eletrnica, o que permite a ligao direta dos sensores no sistema e a converso
automtica do sinal de tenso em temperatura. Os dados obtidos durante os
experimentos realizados foram salvos em arquivos para serem trabalhados
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posteriormente em softwares para manipulao de dados. Na aquisio dos dados, as
seguintes configuraes foram utilizadas:
Bits do conversor analgico/digital: 16;
Ganho do sinal de entrada: 100 vezes;
Filtro do sinal: 3 Hz;
Frequncia de amostragem: 10 Hz.
Figura 3.7Equipamento ADS2000 IP utilizado na aquisio de dados.
3.7 Sistema de Monitoramento da Soldagem
Para todos os ensaios realizados foi utilizado um sistema de aquisio de dados
para monitoramento dos parmetros instantneos de soldagem. Utilizou-se o
equipamento SAP v 4.01, fabricado pela empresa IMC Soldagem. Este sistema j contacom diferentes sensores que mensuram a corrente de soldagem, tenso de soldagem,
velocidade de alimentao do arame e vazo do gs de proteo. Alm dos valores
instantneos, o equipamento realiza a leitura dos valores mdios e eficazes da corrente e
tenso, de potncia e de tempo de arco aberto.
Os dados obtidos durante os ensaios realizados foram armazenados utilizando o
software disponibilizado pelo prprio fabricante, para posterior anlise. Para os
experimentos utilizou-se uma taxa de amostragem de 5 kHz e uma converso de sinal
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analgico/digital de 10 bits. A Figura 3.8 mostra os componentes do sistema de
aquisio de dados de soldagem.
Figura 3.8Sistema utilizado para aquisio de dados: (a) computador e condicionador
de sinais; (b) sensor de corrente de soldagem ligado ao cabo da fonte; (c) garra do sinal
de tenso conectada fonte; (d) sensor de velocidade de alimentao do arame
posicionado no suporte do rolo de arame e (e) garra de aterramento presa ao cabo terra.
3.8 Equipamentos de Soldagem
3.8.1 GMAW
Para realizar os experimentos e avaliar o rendimento trmico dos processos de
soldagem MIG/MAG, utilizou-se de um sistema robotizado composto pela fonte
TransPuls Synergic 4000R da Fronius, pelo rob MA1400 da Yaskawa Motoman
Robotics, pelo alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter, tambm da Fronius, e
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pelo manipulador iCAT com cabos e tocha de soldagem Robo WH, ambos de
fabricao da Abicor Binzel.
A fonte de soldagem, apresentada na Figura 3.9, apresenta a caracterstica de ser
completamente digitalizada e possui controle interno por microprocessador, o que
garante repetitividade dos parmetros ajustados e que podem ser salvos em posies de
memria para posterior utilizao. A fonte tambm dotada de um inversor de
pequenas dimenses e peso, o que facilita seu transporte. Alguns dos dados tcnicos da
fonte so apresentados na Tabela 3.3, conforme o informado pelo fabricante.
Figura 3.9Fonte utilizada nos processos de soldagem MIG/MAG.
Tabela 3.3Dados tcnicos da fonte TransPuls Synergic 4000R.
Caracterstica
Tenso de rede 3 x 400 V
Potncia do Primrio 12,4 kVA
Fator de Potncia 0,99
Faixa de Corrente de Soldagem 3 - 400 A
Tenso em Vazio 70 V
Tenso Operacional 14,2 V34 V
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O alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter foi desenvolvido
especialmente para aplicaes robticas. Montado sobre o terceiro membro do rob, o
equipamento regulado digitalmente, possui um sistema com 4 roletes, compacto e
leve. A velocidade de alimentao do arame pode ser regulada entre uma faixa que vai
de 0,5 m/min at 22 m/min. Na Figura 3.10 possvel observar o alimentador de arame
utilizado nos experimentos.
Figura 3.10Alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter.
O rob de soldagem MA1400 comandado pelo controlador DX100. Este
controlador permite executar tarefas com at 8 robs, movimentando 72 juntas
simultaneamente com no mximo 18 programas sendo executados simultaneamente. A
memria interna permite que sejam salvas at 10.000 instrues de comando. No total,
o controlador possui 40 entradas e 40 sadas digitais, sendo 16 utilizadas pelo sistema
interno e 24 configurveis pelo usurio.
A interface homem-mquina (IHM) tambm chamada de TeachPedant (TP)possui trs modos operacionais: play (rodar), teach (ensinar) e remote (remoto).
Operando a IHM possvel realizar o desligamento dos servo-motores, pausar a
execuo de movimentos e acionar a parada de emergncia do equipamento. A
linguagem de programao utilizada pelo controlador a INFORM III. possvel
realizar a escrita dos programas em um computador e ento realizar o download para o
controlador, porm neste trabalho, utilizou-se o TP para desenvolver o programa de
soldagem. Utilizando o modo teachdo TeachPedant, realizou-se a gravao dos pontos
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inicias e finais do cordo de solda, fez-se a regulagem da velocidade de deslocamento
da tocha, a chamada do programa de configurao da fonte e a determinao dos tempos
de abertura e fechamento do arco. Na Figura 3.11 so apresentados o controlador e a
IHM.
Figura 3.11Equipamentos utilizados: (a) controlador DX 100 e (b) interfacehomem-mquina na tela de configurao do programa de soldagem.
O MA1400, que pode ser observado na Figura 3.12, um rob com 6 graus de
liberdade (GDL), sendo todos eles originrios das suas juntas rotativas. Deste total,
3 GDL so utilizados para localizar ou posicionar o rgo terminal (tocha de soldagem)
e os outros 3 para orientar. As juntas permitem uma rotao mdia de 175 com uma
velocidade angular mxima de 200 graus/s. O rgo terminal do rob possui um alcance
vertical de aproximadamente 2,5 m na vertical e 1,5 m na horizontal. A carga mxima
de instalao no rgo terminal de 3 kg.
Uma das grandes vantagens em se utilizar um rob para soldagem a alta
repetitividade atingida com este equipamento. O MA1400 possui uma repetitividade de
0,08 mm na movimentao do rgo terminal. Nesta posio encontra-se um
manipulador iCAT com cabos e tocha de soldagem modelo Robo WH. O manipulador
permite que o conjunto de cabos passe por dentro do punho esfrico do rob, assim tem-
se um elevado nvel de segurana e flexibilidade para tochas com refrigerao. Caso
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ocorra uma coliso entre a tocha de soldagem e o corpo de prova, o iCAT realiza um
desvio de at 10 por meio de mecanismos mecnicos e, alm disso, possui uma funo
amortecedora, a fim de evitar danos tocha, perifricos e bem como ao rob. O
manipulador e a tocha de soldagem podem ser visualizados na Figura 3.13.
Figura 3.12 - Rob MA1400 da Yaskawa Motoman Robotics.
Figura 3.13Manipulador iCAT e tocha de soldagem MIG/MAG instalados no rgo
terminal do rob.
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O sistema de cabos Robo WH permite um acoplamento e desacoplamento rpido
da tocha de soldagem, facilitando a troca de componentes, como o bico de contato e o
bocal, que muitas vezes devem ser substitudos conforme a soldagem a ser realizada.
O arame utilizado nos experimentos foi o AWS ER70S-6 com dimetro de
1,2 mm. A escolha deste material de adio est relacionada ao fato deste arame ser
amplamente utilizado em processos de soldagem de aos comuns ao carbono. Na
Tabela 3.4 apresentada a composio qumica do arame, conforme os dados
informados pelo fabricante.
Tabela 3.4Propriedades nominais do arame AWS ER70S-6.
Composio Qumica, %
C 0,060,15
Si 0,81,15
Mn 1,41,85
P < 0,025
S < 0,035
Cu < 0,5
3.8.2 GTAW
Nos experimentos em que se utilizou o processo de soldagem TIG, os seguintes
equipamentos foram aplicados: fonte de soldagem Digiplus A7 450, fabricada pela IMC
Soldagem, e um sistema automatizado para movimentao da tocha de soldagem
modelo Tartlope v4, fabricado pela SPS.
A fonte de soldagem Digiplus A7 450, apresentada na Figura 3.14, dotada um
microprocessador que permite o controle na utilizao de diferentes processos de
soldagem. O sistema de controle baseado em um controlador que possibilita a
completa operao da fonte com o uso de um software computacional, possibilitando o
desenvolvimento de um programa de soldagem para cada aplicao, alm da
comunicao com outros sistemas automatizados. Outra caracterstica desta fonte de
soldagem a possibilidade de armazenar as variveis e parmetros configurados na
memria do controlador para posterior utilizao.
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Figura 3.14Fonte utilizada nos experimentos com soldagem TIG.
A arquitetura da fonte de potncia chaveada no secundrio e se utiliza de
transistores para controlar o parmetro de soldagem desejado, realizando o bloqueio ou
liberao do fluxo de corrente pelo transistor. A fonte tambm dotada de um filtro,
que tem por objetivo obter um melhor fator de potncia. Alguns dos dados tcnicos da
fonte so apresentados na Tabela 3.5.
Tabela 3.5Caractersticas constitutivas da fonte Digiplus A7 450.
Caracterstica
Tenso de Rede 220/380/440 V
Potncia do Primrio 10 kVA
Fator de Potncia 0,94
Faixa de Corrente de Soldagem 5 - 450 ATenso em Vazio (Regulvel) 50/68/85 V
Ripple de Corrente 8 A
O sistema automatizado de deslocamento da tocha de soldagem Tartlope v4
constitudo basicamente por 4 mdulos: o manipulador da tocha que possui 4 GDL, o
controlador, a IHM e o controle remoto para correo manual da trajetria. Estes
mdulos so apresentados na Figura 3.15.
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Figura 3.15Mdulos do sistema Tartlope v4: (a) manipulador da tocha de soldagem;
(b) controlador; (c) interface homem-mquina e (d) controle remoto [Fonte: SPS, 2013].
O manipulador dotado de trs juntas prismticas que se movimentam pelo
sistema cartesiano e uma junta rotacional, que utilizada para orientar a tocha de
soldagem. Um dos eixos corresponde ao deslocamento do manipulador sobre um trilho,
que pode ser flexvel ou rgido, no sentido de soldagem. Outro eixo tem o papel de fazer