8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ANÁLISE E OTIMIZAÇÃO DO RENDIMENTO E DA TAXA DE DEPOSIÇÃO NO PROCESSO DE SOLDAGEM COM ELETRODO TUBULAR * Rodrigues, L. O., º Oliveira, L.M., º Sebastião Carlos da Costa *Universidade Federal de Itajubá, Av. BPS, 1303, Itajubá, MG, Brasil, º Universidade Federal de Itajubá, Av. BPS, 1303, Itajubá, MG, Brasil *luclener@unifei.edu.br RESUMO Devido à crescente utilização da soldagem com eletrodo tubular (FCAW), associada às suas características de alta deposição e adequadas propriedades mecânicas da junta soldada, este processo vem sendo largamente estudado. Pelo fato de muitos aspectos à respeito desse processo não serem muitos esclarecidos, foi realizado neste trabalho, uma análise detalhada e otimização de alguns parâmetros da soldagem com eletrodo tubular, sendo eles: tensão, velocidade de alimentação do arame, distância bico de contato peça, velocidade de soldagem, inclinação da tocha e tipo de gás de proteção. Através de técnicas estatísticas, desenvolveu-se o modelamento matemático e otimização das respostas: taxa de deposição e rendimento. Em função dos resultados obtidos, observou-se uma forte influência da velocidade de alimentação do arame no processo. Testes de confirmação foram realizados para verificar a eficácia das previsões dos modelos matemáticos frente aos resultados reais. PALAVRAS CHAVE: FCAW, RSM, soldagem, otimização

2 INTRODUÇÃO Devido ao aumento crescente de novas tecnologias, para que as empresas se mantenham competitivas no mercado, são necessários esforços no sentido de aprimorar produtos e processos produtivos. Como as palavras do momento são qualidade e produtividade, e em função do desenvolvimento dos processos de fabricação e da engenharia de materiais, os processos de soldagem tem sido alvo de grandes inúmeras pesquisas e em conseqüência, de muitos avanços, como por exemplo, no desenvolvimento de novos consumíveis, de fontes eletrônicas mais modernas e dos processos propriamente ditos. Este processo de produção tem sido alvo de grande interesse devido à sua alta versatilidade, já que a soldagem é considerada atualmente o método mais importante de união de metais, na construção de peças e estruturas. Dentre os processos de união, o processo com arame tubular (FCAW - Flux Cored Arc Welding), após vários anos de pesquisa, alcançou o nível de desenvolvimento adequado às estruturas, devido à sua capacidade de obter resultados com melhores propriedades mecânicas. Este processo oferece ao usuário maior flexibilidade e aumentos reais em produtividade e qualidade, com um mínimo de capital investido. Como a migração para a soldagem com eletrodo tubular é realizada com pequenas mudanças, pode-se obter grandes resultados a um baixo custo de instalação. Estudos realizados mostram que o processo de soldagem com arame tubular reúne várias das necessidades atuais, com respeito à alta produtividade, boa qualidade e baixo custo [1]. Trata-se de um processo que consiste em alimentar continuamente o arame para a poça de fusão, sendo este protegido pela decomposição dos ingredientes do fluxo interno, no caso de eletrodos autoprotegidos, ou ainda, protegido pelo fluxo interno e pelo gás de proteção, no caso de eletrodos protegidos. Neste último caso, gases como CO 2 puro ou misturas de gases são comumente utilizados. Na soldagem com eletrodos tubulares protegidos, a tolerância para a variação de parâmetros do arco é maior quando comparada com a soldagem com eletrodos autoprotegidos [1]. A soldagem com proteção gasosa possibilita a obtenção de um melhor nível de resistência mecânica e melhor tenacidade, com uma maior taxa de deposição [2]. A mudança de um gás de proteção para outro, como por exemplo, de CO 2 para uma mistura deste com argônio, muda sensivelmente as características geométricas do cordão [3]. Dentre os parâmetros do processo, o comprimento livre do arame (stick-out) tem influência significativa no aspecto econômico e geometria do cordão [3]. Devido ao efeito Joule, incrementos da distância bico de contato peça e alimentação do arame, para um nível de corrente fixo produz, em consequência, aumentos da taxa de deposição e reflexos na convexidade do cordão e penetração da solda [3]. Tais aspectos, cruciais para uma melhor utilização do processo, nem sempre estão muito bem definidos. Devido ao não conhecimento deste processo, estudos sobre a influência dos principais parâmetros, bem como a intercorrelação entre os mesmos e reflexos nas características da solda, se tornam importantes. Assim como, o desenvolvimento de modelos matemáticos tornam-se contribuições importantes para uma melhor compreensão dos processos e, conseqüentemente, de uma melhor utilização industrial dos mesmos. Sob este aspecto, a utilização de métodos estatísticos, tem se tornado cada vez mais freqüentes na soldagem, e dentre estes, a técnica de metodologia de superfície de respostas (RSM Response Surface Methodology) tem se destacado. A técnica RSM foi introduzida por Box na década de 50 e tem sido utilizada com grande sucesso em modelagem aplicadas nos processos automáticos de soldagem [4 5]. Dentre as várias aplicações desta técnica, o desenvolvimento de modelos matemáticos para previsão e otimização da geometria do cordão de solda tem sido uma das áreas mais populares [5-9]. Baseado nos fatos citados acima, o presente trabalho, apresenta os resultados da aplicação da metodologia de superfície de respostas para a análise de parâmetros, modelagem e otimização de características econômicas, como taxa de deposição e rendimento, de cordões de solda através da utilização do processo com eletrodo tubular com proteção gasosa. Os parâmetros a serem variados na análise são: velocidade de alimentação do arame, tensão e a distância bico de contato peça (DBCP). MATERIAIS E MÉTODOS O banco de ensaios utilizado pode ser visto na Figura 1, onde (1) é a tocha de soldagem, (2) o corpo de prova, (3) sistema com velocidade controlada, (4) fonte, (5) alimentador do arame, (6) leitor do tacômetro, (7) cilindro de gás de proteção, (8) sistema de aquisição de dados e finalmente, (9) regulador de vazão. Para a realização dos experimentos utilizou-se uma fonte transistorizada com comando digital, associado a um sistema guia com velocidade controlada, permitindo o deslocamento da tocha durante a realização das soldagens. A sequência de realização dos experimentos foi delineado de acordo com metodologia de superfície de respostas (RSM) através da utilização do software comercial Minitab versão 14. A tabela 1 apresenta os parâmetros de controle do processo, bem como os seus níveis correspondentes.

3 Figura 1: Banco de ensaios utilizado para os experimentos. Tabela 1: Parâmetros de controle do processo e seus níveis. Parâmetros de Unidade Níveis soldagem Tensão (V) V 26,6 29,0 32,50 36,0 38,4 Valim (Va) m/min 8,6 10,0 12,0 14,0 15,4 DBCP (d) mm 13,3 15,0 17,5 20,0 21,7 As soldagens foram realizadas em testes de simples de deposição (BOP), sobre chapas de aço ABNT 1045, com dimensões de 75mmx50mmx9mm, polaridade reversa (CC+), utilizando arame AWS E71T-1, diâmetro 1,2 mm, velocidade de soldagem de 50 cm/min e proteção gasosa de CO 2 com vazão de 15 l/min. A tocha de soldagem foi mantida na inclinação de 70º, sentido puxando, pois em testes preliminares esta condição se mostrou mais adequada com relação a penetração obtida. Após executada a solda, os corpos de prova foram seccionados em dois locais para diminuir o erro, já que o cordão não se manteve uniforme em toda a sua extensão. Posteriormente, os mesmos foram polidos e atacados quimicamente, com uma solução de Nital 4%, sendo a penetração da solda determinada através do auxílio de um projetor de perfil com aumento de 20x. A taxa de deposição foi definida segundo a Equação (1), onde m f = massa do corpo de prova após a soldagem, m i = massa do corpo de prova antes da soldagem e t = tempo de arco aberto. ( m f m i ) TD = 3,6 * (1) t O rendimento pode ser calculado através da Equação (2), onde TD se refere à taxa de deposição e TF se refere à taxa de fusão, que é uma relação entre densidade, volume e tempo de arco aberto. TD η = (2) TF Como metodologia de análise foi utilizada uma superfície de resposta, com seis pontos centrais, para modelamento e otimização das respostas requeridas. Esta metodologia permite avaliar como as respostas são afetadas quando as variáveis de entrada são ajustadas fora da região de interesse, saber quais combinações das variáveis de entrada afetam a resposta e quais valores destas variáveis terão a resposta desejada (maximizada ou minimizada) além da possibilidade de verificação de qual a superfície de resposta se localiza mais próximo deste ótimo.

4 A equação que representa a superfície de resposta, segundo [10,11], é descrita conforme a Equação (3) a seguir, sendo Y a resposta e x k os parâmetros analisados e suas interações. RESULTADOS E DISCUSSÕES Y= f (x 1, x 2,..., x k ) + ε (3) Na Tabela 2, são apresentados a matriz de experimento e os resultados obtidos dos ensaios. Esta apresenta a sequência experimental, gerada a partir da Tabela 1, a qual consistiu de 20 testes, sendo os 8 primeiros testes, um fatorial completo dos três parâmetros estudados nos níveis +1 e 1 (2 3 fatoriais) somados de 6 pontos centrais (center-points) e 6 pontos estrela (star-points). Após obter os resultados do experimento, foi realizado o desenvolvimento dos modelos matemáticos. As respostas foram expressas segundo Equação 3, e no presente caso assumiu a forma da Equação (4): Y= b 0 + b 1 V + b 2 Va + b 3 d + b 11 V 2 + b 22 Va 2 + b 33 d 2 + b 12 V*Va + b 13 V*d + b 23 Va*d (4) Os coeficientes do modelo foram determinados, a partir dos resultados obtidos que constam na Tabela 2, fazendo uma análise de regressão, através do software Minitab. Com a análise de variância (ANOVA), verificou-se a adequação do modelo a um nível de significância de 5%; caso os P values da regressão sejam menores que 0,05, o modelo está adequado e não é necessário obter o modelo reduzido [10]. Porém, mesmo sendo este valor menor que 0,05, pode-se buscar um modelo mais conciso para cada modelo gerado, visando somente uma simplificação. Para estimar os coeficientes destes modelos, empregou-se o método dos mínimos quadrados [10], listados na Tabela 3. Em função destes coeficientes, determinaram-se os modelos matemáticos para cada resposta, bem como os valores do coeficiente de correlação (R 2 e R 2 adj), que expressam a confiabilidade do modelo e o P value da regressão que indica a adequação deste modelo [10], sendo os mesmos apresentados na Tabela 4. Tabela 2: Resultados obtidos dos ensaios. Matriz de Experimentos Resultados obtidos OP V Va d TD R * V m/min mm % % 1 29,0 10,0 15,0 3,62 82, ,0 10,0 15,0 3,49 79, ,0 14,0 15,0 5,14 86, ,0 14,0 15,0 5,28 86, ,0 10,0 20,0 3,74 82, ,0 10,0 20,0 3,65 81, ,0 14,0 20,0 5,40 86, ,0 14,0 20,0 4,52 85, ,6 12,0 17,5 4,63 86, ,4 12,0 17,5 4,59 84, ,5 8,6 17,5 3,11 82, ,5 15,4 17,5 6,06 89, ,5 12,0 13,3 4,88 85, ,5 12,0 21,7 4,65 86, ,5 12,0 17,5 4,55 86, ,5 12,0 17,5 4,25 83, ,5 12,0 17,5 4,37 84, ,5 12,0 17,5 4,18 86, ,5 12,0 17,5 4,22 85, ,5 12,0 17,5 4,50 86,08

5 Tabela 3: Coeficientes do modelo matemático. Coeficiente Parâmetros TD(kg/h) R (%) b 0 Livre -3, ,2641 b 1 V 0, ,96598 b 2 Va 0, ,8441 b 3 d 0, ,30422 b 11 V 2 * -0,03305 b 22 Va 2 * * b 33 d 2 0,01241 * b 12 V*Va * * b 13 V*d -0,014 * b 23 Va*d * -0,10025 Observação: * coeficiente eliminado Quando realizada a simplificação de cada modelo, o valor da falta de ajuste aumentou, tornando o modelo mais ajustado. Neste caso, o valor da falta de ajuste para a taxa de deposição aumentou de 0,054 para 0,102 e para o rendimento, aumentou de 0,342 para 0,479. De acordo com os resultados da Tabela 4, utilizando um nível de significância de 5%, observa-se que os modelos desenvolvidos para a taxa de deposição e rendimento estão adequados. Algumas análises estatísticas confirmam esta afirmação. Considerando que e i sejam os resíduos de um modelo ajustado; para testar a hipótese nula de que estes resíduos têm todos a mesma variância, contra a hipótese alternativa de que suas variâncias dependem do valor esperado, utilizou-se uma regressão linear simples de e i 2 em função do valor ajustado. Considerando a condição de que a hipótese nula é rejeitada se nr 2 (n é o número de experimentos e R 2 é o coeficiente de determinação da regressão linear) é maior que χ 2 (1, α), onde esta regressão representa o valor crítico para 1 grau de liberdade e nível de significância α, percebeu-se que os resíduos têm a mesma variância (homocedasticidade) já que nr 2 = 2,14 < χ 2 (1, α) = 3,84. Outro ponto analisado foi o teste de normalidade Anderson-Darling para os resíduos, cujo P value é igual a 0,779, confirmando a hipótese de que a distribuição é normal. Os resultados gerados, considerando a análise de significância de cada parâmetro do modelo, bem como de suas interações, são mostrados na Tabela 5. De acordo com os oscilogramas gerados em cada solda, pode-se observar que as características dinâmicas da tensão oscilaram, dentro do intervalo de estudo, nos modos de transferência, confirmando o fato de que os estes não são típicos de uma transferência spray, o que era de se esperar na soldagem com um arame flux-cored sob proteção de CO 2 puro. Tabela 4: Modelos matemáticos, R 2, R 2 (adj) e P value da regressão, respectivamente. Resposta Modelo Matemático R 2, % R 2 (adj),% P value TD R -3, ,223509*V + 0,395453*Va + 0,002953*d + 0,01241*d 2-0,014*V*d 20, ,96598*V + 2,8441*Va + 1,30422*d - 0,03305*V 2-0,10025*Va*d 91,5 88,5 0,000 80,5 73,5 0,000 Tabela 5: Análise de significância dos parâmetros do modelo. Respostas\ Parâmetros Livre V Va d V 2 Va 2 d 2 V*Va V*d Va*d TD 0,000 0,317 0,000 0,548 0,708 0,801 0,268 0,502 0,218 0,320 R 0,000 0,083 0,000 0,464 0,195 0,366 0,574 0,487 0,497 0,275

6 Na Figura 2 são apresentados os efeitos dos parâmetros de entrada na taxa de deposição. Observou-se que, a velocidade de alimentação do arame é claramente, o parâmetro mais influente nesta resposta. Quando se tem um aumento deste parâmetro, a taxa de deposição tem um acréscimo significativo. Já o aumento da tensão não causa uma variação muito significativa na taxa de deposição. No caso de se aumentar a distância bico de contato peça, temse um decréscimo da taxa de deposição até um valor de 17,5mm, e a partir desse valor essa resposta começa a aumentar. Esse decréscimo verificado na taxa de deposição com o aumento da distância bico de contato peça até 17,5 mm, contrário ao esperado, pode ser justificado, devido às incertezas das medições, visto que a variação dessa resposta não é muito grande. Através do modelo mostrado na Tabela 4 e confirmados pela Figura 3, observou-se que os parâmetros individuais que mais influenciaram no rendimento foram a tensão e a velocidade de alimentação do arame. Analisando os efeitos individuais dos parâmetros, Figura 3, observou-se que o aumento da tensão causa uma diminuição não muito significativa no rendimento, fato este esperado pelo comprimento do arco. Com o aumento da velocidade de alimentação do arame e da distância bico de contato peça o rendimento aumenta, sendo esse aumento muito mais expressivo quando aumentamos a velocidade de alimentação do arame. Como o objetivo principal do trabalho foi a otimização das duas respostas, procurou-se desta forma encontrar valores para os dados de entrada, que satisfaçam as duas respostas simultaneamente. Para isso, foi idealizado através do software Minitab, uma superfície de contorno para a determinação de uma região, cuja combinação de fatores de entrada, retornem um resultado satisfatório para as respostas em questão. Figura 2: Efeitos dos parâmetros principais na taxa de deposição. Figura 3: Efeitos dos parâmetros principais no rendimento.

7 Figura 4: Sobreposição das funções taxa de deposição e rendimento ( V=32,5V ). Tabela 6: Ensaios de confirmação. Parâmetros de entrada Resultados obtidos Condições Taxa de deposição Rendimento V Va d TD TD1 Erro R R1 Erro * (V) (m/min) (mm) (kg/h) (kg/h) % % % % ,07 5,01 1,20 85,0 86,0 1, ,56 4,34 5,07 85,7 85,1 0, ,69 4,44 5,63 86,1 85,5 0, ,4 4,26 4,18 1,91 84,1 83,5 0,74 A superfície de contorno da Figura 4, fornece uma região onde as combinações, os fatores mais significativos, tensão e velocidade de alimentação do arame, resultam em valores satisfatórios para a taxa de deposição e rendimento, de acordo com uma faixa aceitável pré-determinada, ou seja, taxa de deposição de 3,8 a 5,5 kh/h, e rendimento de 80 a 85%. Estes valores foram estipulados de acordo com os resultados de experiências prévias dos autores, baseado nas especificações e na utilização do material soldado. Para a confirmação da validade desta região operacional mais adequada, foram realizados testes de comprovação, que estão listados na Tabela 6. Observou-se que o recurso da superfície de contorno se mostrou eficaz para a determinação de combinações de parâmetros, segundo a região gerada, obtendo um resultado satisfatório de acordo com o esperado nas equações da Tabela 4. Sendo os valores relacionados com o índice 1, referentes aos resultados simulados utilizando a ferramenta Response Optimizer, recurso do software Minitab, os erros evidenciados foram relativamente pequenos, onde o maior deles 5,63%, onde estes provavelmente sejam oriundos de erros experimentais dos ensaios. Analisando os resultados da Tabela 6, verifica-se que, de forma geral, valores de tensão próximos a 32 V associado com velocidade de arame de 12 m/min e distância bico de contato peça de 20 mm (condição 3) conduziram a uma boa combinação de resultados para a taxa de deposição e rendimento, mesmo sendo esta a combinação com maior erro. Paralelamente, verifica-se que a condição 1 permite também a obtenção de bons

8 resultados. Entretanto a alta imposição de calor gerada por esta condição deve ser evitada em função da presença de defeitos superficiais de foram alongada provocadas, provavelmente, pelo aprisionamento de gases, como citado por [11] e comprovados nos ensaios experimentais. CONCLUSÕES A utilização da técnica projeto e análise de experimento mostrou-se extremamente interessante no que se refere à análise de parâmetros do processo FCAW, obtendo resultados confiáveis com poucos experimentos. A utilização da metodologia da superfície de reposta para o desenvolvimento de modelos se mostrou eficaz, fato este validado pela confirmação dos resultados. O desenvolvimento de gráficos de superfície de contorno mostra ser de grande utilidade para a utilização do processo, visto que se tem uma maior flexibilidade para as combinações dos parâmetros de acordo com necessidades específicas. Foi observado que a melhor condição dos parâmetros analisados foi obtida com valores de tensão de 32,0 V, associado a uma velocidade de alimentação do arame de 12 m/min e uma distância bico de contato peça de 20 mm. A combinação, tensão de 36 V, associada à velocidade de alimentação de 14 m/min e 20mm para a distância bico de contato peça, não foi citada como melhor condição, devido à alta tensão imposta nesta combinação responsável por possíveis defeitos superficiais. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de manifestar seus agradecimentos ao Departamento de Engenharia Mecânica da UNIFEI e ao CNPQ, pelo apoio dado à realização desse trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. JONES, R.L., An Evaluation of the Production Welding Aspects of Flux-Coreds Wires, The Welding Institute, pp. 1-9, MOTA, C.A.M., Níquel e Manganês como Controladores da Tenacidade na Soldagem com Arames Tubulares Autoprotegidos, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Santa Catarina, Brasil, JESUALDO, P.F., Estudo da Geometria do Cordão de Solda Usando CO2 e Mistura de Ar e CO2 na Soldagem com Arame Tubular AWS E71T-1, Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, pp , Out DARWISH, S.M. e AL-DEKHIAL, S.D., Statistical Models for Spot Welding of Commercial Aluminium Sheets, International Journal of Machine Tools & Manufacture, pp , BENYOUNIS, K.Y.; OLABI, A.G.; HASHMI, M.S.J., Optimizing the Laser-Welded Butt-Joints of Medium Carbon Steel using RSM, Journal of Materials Processing Technology, pp , KANNAN, T. e MURUGAN, N., Effect of Flux Cored Arc Welding Process Parameters on Duplex Stainless Steel Clad Quality, Journal of Materials Processing Technology, pp , GUNARAJ, V. e MURUGAN, N., Prediction and Optimization of Weld Bead Volume for the Submerged Arc Process-Part 1, Welding Journal, pp , Oct NILO Jr, P.N, Otimização de um Processo de Solda MIG/MAG para Aplicação na Indústria Automobilística através da utilização da Técnica do Projeto e Análise de Experimentos, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, Brasil, ARAUJO, W.R., Comparação entre Soldagem Robotizada com Eletrodo Sólido e Metal-Cored A Ocorrência do Finger, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, MONTGOMERY, D.C., Design and Analysis of Experiments, Fourth ed.,wiley, New York, BARTON, D., Q&A: Ed Craig s, Welding Design & Fabrication, vol. 78, pg. 36, Mar UNIDADES E NOMENCLATURA V tensão (V) V a velocidade de alimentação do arame (m/s) d distância bico de contato peça (m) R rendimento (%) TD taxa de deposição (kg/h) m massa do corpo de prova (kg) R 2 coeficiente de correlação (adimensional) RSM Response Surface Metodology ( - ) FCAW Flux Cored Arc Welding ( - )