Desenvolvimento de um Manipulador Linear para Soldagem a Arco Elétrico com Alimentaçãode Arame para Revestimentos

(Development of a Linear Manipulator for the Arc Welding Wire Feed for Coatings)

Eduardo Hobold1, Marlon Vito Fontanive1, Fernando Henrique Gruber Colaço1

1Instituto Federal de Santa Catarina, Departamento de Mecânica, Jaraguá do Sul, Santa Catarina, Brasil.fernandogruber@ifsc.edu.br

Resumo

A utilização de revestimento por soldagem tem como função restaurar e/ou incrementar a vida útil doscomponentes mecânicos. Um dos processos de deposição de revestimento por soldagem é o processo TIG(Tungsten Inert Gas) pela alta qualidade e sua aplicabilidade em diferentes tipos de metais, porém esteapresenta uma baixa produtividade de soldagem dificultando o seu uso. Para aliar a produtividade com aqualidade da soldagem TIG em revestimentos tem-se a necessidade de desenvolver um manipulador desoldagem que atenda esses requisitos. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma concepção deum manipulador de soldagem linear para revestimentos depositados pelo processo TIG com alimentaçãoautomática de arames, fazendo o uso da metodologia de Processo de Desenvolvimento de Produto (PDP)apresentando as pesquisas, etapas e avaliações para a obtenção desta concepção final. Realizou-se a etapa depesquisa das necessidades do mercado e das possibilidades e restrições tecnológicas, assim, chegando àsespecificações de projeto de um produto e de seu processo de produção. No projeto informacional foramselecionados os requisitos do produto necessário para a deposição dos revestimentos com produtividade dequalidade e no projeto conceitual buscou-se desenvolver as especificações metas do produto. Obteve-se comoconcepção final um produto que possibilita o avanço automático constante da tocha de soldagem TIG com apossibilidade alimentação contínua de arame.

Palavras-chave: Automação na soldagem. TIG. Processo de Desenvolvimento de Produto (PDP).

Abstract: The use of coating by welding has the function to restore and / or increase useful life of mechanicalcomponents. A welding of the coating deposition process is TIG (Tungsten Inert Gas) by high quality andapplicability to different types of metals, but this presents a low welding productivity hampering its use. Tocombine the productivity and the quality of TIG welding coatings has been a need to develop a weldingmanipulator that meets these requirements. This paper aims to develop a concept of a linear welding handler forcoatings deposited by TIG process with automatic power wires, making the use of the Product DevelopmentProcess methodology (PDP) presenting the research stages and reviews for obtaining this final design. Heconducted the research stage to the market needs and the possibilities and technological constraints, thusreaching the design specifications of a product and its production process. In information design were selectedproduct requirements to deposit the quality productivity with coatings and conceptual design sought to developthe specifications of the product goals. Was obtained as the final design a product that enables the constantadvancement of automatic TIG welding torch with the possibility continuous feed wire.

Key-words: Automation in welding. TIG. Product Development Process (PDP ).

1. Introdução

A indústria de revestimentos metálicos por soldagem cresceu desde sua criação no decorrer da 1ª Guerramundial, com objetivo restaurar e/ou aumentar a vida útil dos componentes mecânicos[1]. No Brasil a suaaplicabilidade é vasta, tais como as picadoras de cana-de-açúcar, no setor sucroalcooleiro [2], e nos rotores e pásde turbinas hidráulicas, nas usinas hidrelétricas [3]. Esse revestimento consiste na deposição de uma ou maiscamadas de metal de adição, em peças metálicas com o objetivo de reduzir a perda de material em ambientes detrabalho que favoreçam o desgaste da peça. Em escala industrial a deposição é realizada utilizando comoprincípio de fusão o arco elétrico. Que permite a alta concentração de calor um uma pequena região da peça a serunida ou revestida [4]. Para a realização dos revestimentos em processos de soldagem que utilizem como

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princípio o arco elétrico, é necessário que os parâmetros do processo de soldagem sejam controlados. Háparâmetros que permanecem constantes somente com a utilização de operações mecanizadas e automatizadas.

Segundo Quites [5], os parâmetros de soldagem são difíceis de serem controlados pelo soldador, pois,qualquer oscilação pode resultar em descontinuidade no cordão de solda.

Diante do disso, o objetivo desse trabalho é o desenvolvimento de um manipulador linear para a aplicaçãoem soldagem de revestimento com arame continuamente alimentado utilizando processos de soldagem a arcoelétrico. Além da apresentar as etapas do Processo de Desenvolvimento do Produto (PDP) para a obtenção doprotótipo final.

2. Matérias e Métodos

A metodologia seguida para o desenvolvimento do projeto deste Manipulador foi à proposta por Rozenfeld etal. [6], que consiste no modelo unificado do PDP. Este modelo é dividido em três macrofases compostas poretapas e atividades de avaliação aplicada a cada etapa. As atividades de avaliação são denominadas como gatesconforme mostrado na Figura 1.

2.1. Projeto Informacional

De acordo com Rozenfeld et al. [6], o objetivo do projeto informacional é desenvolver as especificações-meta do produto. Para o comprimento dessa etapa, foram selecionados os requisitos do produto necessários paraa execução da soldagem de revestimento através de questionário. A Figura 2 apresenta os campos para inserçãode dados e avaliações.

Figura 2. Matriz da qualidade [7].

Figura 1. Visão Geral do PDP [6].

Os resultados deste questionário foram aplicados na ferramenta QFD (Quality Function Deployment).Segundo Cheng e Melo Filho [7], o QFD é uma forma de se entender as informações organizadas, relacionando-as com a qualidade.

Com a utilização da ferramenta QFD foram avaliados os requisitos do produto para a obtenção dasespecificações-meta,conforme mostrado na Tabela 1

Tabela 1. Requisitos do produto aplicado a ferramenta QFD.Especificações do projeto

Requisitos Objetivos Saídas indesejáveis Obs.:

Quantidade de etapas no programa Max. 3 Programação erradaEtapa de inserçãode

dados

Velocidade de soldagem Máx 10 mm/s Não atender a velocidade -

Altura do eletrodoTer faixa de ajuste de

100 mmSoldagem não conforme a

especificaçãoAjuste manual

Ângulo do eletrodoTer faixa de ajuste de

±30ºNão soltar nos pontos extremos Ajuste manual

Tempo de soldagem (100 mm²) 300 s (máx) Atraso na operação -

Tempo de transição entremovimentos perpendiculares

0,5 s Atraso na operação -

Comprimento em X 500 mm Comprimento insuficiente -

Comprimento em Y 250 mm Largura insuficiente -

Componentes remontáveis 30 (máx) Dificuldade na montagem Remontagem

Peso do manipulador30kgf (máx) sembobinas de arame

Dificuldade de posicionamento Transporte manual

Volume no manipulador 3375 cm³Dificuldade na alocação dos

componentes-

Área protegida durante a soldagem 90% Respingos no manipulador -

Áreas aquecidasSuporte da tocha

(100ºC Máx)Comprometimento da segurança Possível reajuste

2.2. Projeto Conceitual

O projeto conceitual, segundo Baxter [8], tem como finalidade produzir os fundamentos do projeto do novoproduto.

Esses fundamentos podem ser identificados buscando funções que o produto poderá executar. Essas funçõesdevem estar de acordo com as especificações-meta. Para a elaboração das funções do manipulador, obteve-se emforma de fluxo as entradas e saídas em termos de sinais, energia e material necessários para a movimentação datocha. A movimentação da tocha foi definida como função total, apresentada na Figura 3.

A próxima atividade do projeto conceitual foi desdobrar a função total em várias outras funções. A soluçãopara as funções desdobradas ocorreu através da geração de desenhos para cada uma das funções com a utilizaçãoda matriz morfológica. Foram geradas três concepções, e essas concepções foram avaliadas por meio lógico paraobter os Sistemas, Subsistemas e Componentes (SSC's).

Conforme Rozenfeld et al. [6], os SSC's devem estar em conformidade com as especificações-metaestabelecidas no projeto informacional. Essas foram a base para a seleção da concepção a ser transformada emprojeto. A Figura 4 mostra a concepção escolhida.

Figura 3. Função total do manipulador.

3. Resultados e Discussão

A concepção foi selecionada por atender as especificações-meta com maior eficácia dentro do orçamentoestabelecido no projeto. Como resultado obteve-se o projeto detalhado, alcançando o objetivo final do trabalho.

3.1. Projeto Detalhado

O projeto detalhado tem como objetivo desenvolver e finalizar todas as especificações do produto [6]. Estascontêm as tolerâncias de seus parâmetros dentro de uma faixa de valores que atenda aos requisitos dos clientes etodas as especificações meta da fase de projeto informacional. A última etapa do PDP nesse projeto consistiu natransformação gráfica da concepção vencedora, na fabricação dos componentes e na montagem do protótipo.Para a representação gráfica foi utilizado um software CAD (Computer Aided Design), onde cada um dossistemas, subsistemas e componentes foi representado como mostrado na Figura 5.

O seu maior diferencial foi o deslocamento no eixo X, que consiste em duas cremalheiras usinadas no perfilredondo de sustentação do carro. O torque é obtido por um motor de passo de 6 Nm acoplado, por polias ecorreia sincronizada, a um eixo paralelo ao motor montado perpendicularmente ao eixo X. Na extremidade doeixo de ligação entre o motor e o eixo X estão ligados, por chaveta e interferência, duas engrenagens usinadascom modulo 1,5 e 22 dentes. Por sua vez estas engrenagens estão acopladas a cremalheira possibilitando odeslocamento do manipulador conforme mostrado na Figura 6.

Figura 4. Concepção escolhida para o manipulador.

Figura 5. Projeto desenvolvido em software CAD.

Pode-se observar, ainda na Figura 6, que o tipo do mancal utilizado permite a aplicação da cremalheiraempregada sem prejudicar a estabilidade ou qualquer característica do manipulador. Para o deslocamento no eixoY foi utilizado um motor de passo de 1,8 Nm acoplado a uma engrenagem de 22 dentes. Por sua vez estaengrenagem faz o deslocamento do eixo Y através da cremalheira como pode ser visto na Figura 7

A cremalheira do eixo Y é fixada por meio de parafusos na posição invertida dentro de um canal próprio, amontagem da cremalheira neste canal teve como objetivo evitar o acumulo de respingos de solda noengrenamento. O braço de deslocamento do eixo Y foi montado entre rolamentos como mancal conforme mostraa Figura 8

Figura 8. Sistema de mancalização do eixo Y.

Figura 6. Vista em perspectiva inferior do manipulador.

Figura 7. Detalhe do deslocamento do eixo Y.

A Figura 9 mostra um dispositivo simples para a regulagem do eixo “Z”, este suporte faz o ajuste de altura datocha de soldagem. Nesta figura pode ser visto uma barra com um rasgo oblongo fixada por dois parafusos comhaste de aperto, a faixa de ajuste da altura está condicionada ao tamanho do oblongo. O suporte da tocha desoldagem consiste em um furo com diâmetro nas dimensões próximas das tochas utilizadas, esta peça com o furoé bipartida para promover o aperto através de dois parafusos M6. Outro detalhe é o guia de alimentação dearames para o processo TIG formado por uma haste e suportes para bicos de contato direcionador do arame. Paraa alimentação do(s) arame(s) foi desenvolvido um sistema através de suporte para uma ou duas bobinas e umtracionador com 4 roldanas e guias até a tocha de soldagem. Este sistema permite a alimentação de aramessólidos e tubulares com diâmetro até 1,6 mm podendo ser adaptado para arames maiores somente trocando asroldanas.

A fabricação das peças e montagem do manipulador foram realizadas nos laboratórios de MáquinasOperatrizes, Comando Numérico Computadorizado, Processos não Convencionais de Usinagem e Automação daManufatura. Esses laboratórios possuem equipamentos, instrumentos e ferramentas de alta qualidade quegarantiram a execução do manipulador com precisão. O resultado final deste projeto pode ser visualizado pelaFigura 10, porém pela disponibilidade de recurso e tempo ainda não foi possível desenvolver algumas partescomo alimentador do arame e automação completa do manipulador.

Com relação a automação do manipulador, a movimentação dos eixos ocorre através de motores de passo,estes motores são acionados através de drives específicos que geram pulsos para controle de velocidade e sentidode rotação dos mesmos. O controle simultâneo dos eixos será realizado, em trabalhos futuros, utilizando umaplataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre denominado “Aduino”. O sistema Arduino é projetado

Figura 10. Resultado final do manipulador.

Figura 9. Detalhes do eixo “Z” para o controle de altura da tocha de soldagem.

com microcontrolador com suporte de entrada e saída embutido e linguagem de programação padrão em C/C++.Outro detalhe é o sistema de acionamento sem fio utilizando um módulo de comunicação via rádio chamadoXbee. Este sistema de acionamento consistirá de uma tela LCD para visualizar os dados, um teclado matricialcom 16 teclas e um joystick para a entrada de dados. Na programação poderá inserir informações do tipo desoldagem, por exemplo: soldagem de união ou de revestimento, tipos de tecimento e área a ser coberta com orevestimento, além do comprimento do cordão e velocidade de soldagem.

4. Conclusões

O objetivo deste trabalho foi demonstrar as etapas de desenvolvimento de um manipulador dedicado asoldagem de revestimento com arame contínuo. O modelo adaptado do processo de desenvolvimento deprodutos foi determinante para o alcance dos objetivos, mostrando de forma segmentada, por meio das etapas de:Projeto Informacional, Projeto Conceitual e Projeto Detalhado. O processo de desenvolvimento iniciou-se pelabusca teórica de requisitos que um manipulador deveria ter, até a fabricação e montagem do manipulador.

O desenvolvimento do alimentador de arame e a automação completa ainda não foram realizados, havendo anecessidade de fazer mais avaliações para ver a viabilidade do componente. As outras funcionalidades domanipulador se mostraram possíveis, sendo elas, dedicadas integralmente para a realização dos movimentosnecessários para fazer o revestimento de soldagem.

5. Agradecimentos

Os autores agradecem ao IFSC – Instituto Federal de Santa Catarina pelo suporte financeiro edisponibilização equipamentos para a elaboração desse trabalho.

6. Referências Bibliográficas

[1] MENON, R. New Developments in Hardfacing Alloys. Welding Journal, v.75, n2, Feb.1996, pp.43-49.

[2] LIMA, A. C. e FERRARESI, V. F. Análise da Resistência ao Desgaste de Revestimento Duro Aplicado porSoldagem em Facas Picadoras de Cana-de-Açúcar. Soldagem e Inspeção, v. 15, p. 94-102, 2010.

[3] DE OLIVEIRA, Moisés Alves. Estudo da Soldagem Plasma com Alimentação Automática de Aramepara Aplicação em Revestimentos Metálicos. 2001. 91 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Pós-Graduaçãoem Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2001.

[4] MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre Queiroz. Soldagem:Fundamentos e Tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte, Mg: Editora Ufmg, 2009. 362 p.

[5] QUITES, Almir Monteiro. Introdução à Soldagem a Arco Voltaico. Florianópolis: Soldasoft, 2002. 356 p.

[6] ROZENFELD, H.; FORCELLINI, F. A.; AMARAL, D. C.; DE TOLEDO, J. C.; DA SILVA, S. L.;ALLIPRANDINI, D. H.; SCALICE, R. K. Gestão de Desenvolvimento de Produtos: Uma Referência para aMelhoria do Processo. São Paulo, Sp: Saraiva, 2006. 542 p.

[7] CHENG, Lin Chih; MELO FILHO, Leonel del Rey de. QFD: Desdobramento da Função Qualidade naGestão de Desenvolvimento de Produtos. 2. ed. São Paulo, Sp: Blucher, 2010. 539 p.

[8] BAXTER, Mike. PROJETO DE PRODUTO - Guia Prático para o Design de Novos Produtos. 2. ed. SãoPaulo, Sp: Blucher, 1998. 260 p.