23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

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1 ESTUDO COMPARATIVO DE PEÇAS SOLDADAS PELOS PROCESSOS GMAW, CW-GMAW E EW-GMAW COM FOCO NA GEOMETRIA E ESTABILIDADE DO CORDÃO DE SOLDA Pedro Guimaraes Ribeiro (P.G. Ribeiro). Matheus Gama Fonseca (M. G. Fonseca). Josiane Rodrigues dos Reis (J. R. dos Reis). Cristian Ricardo Loayza (C. R. Loayza). Ademir A Castro Filho (A. A. C. Filho). Marcela Ariadna Moreira Silva (M. A. M. Silva). Boaz Souza Pereira (B. S. Pereira). Dalmir dos Santos Matos (D.S. Matos). Eduardo Magalhães Braga (E. M. Braga) Universidade Federal do Pará UFPA p_pribeiro@yahoo.com.br RESUMO Neste trabalho foram realizadas soldagens, utilizando-se os processos GMAW e suas variantes, CW-GMAW com adição de arame frio, EW-GMAW com o arame adicional energizado por uma fonte auxiliar, variando a técnica de soldagem (puxando e empurrando). Utilizou-se um arame eletrodo com velocidade de alimentação de 6,4 m/min e um arame energizado alimentado uma taxa 50% da velocidade do arame eletrodo, com a corrente fixa de 220 A na fonte principal. Os resultados mostraram que a adição de arame frio na poça de fusão reduz a penetração, porém quando à energização no arame auxiliar ocorre uma melhora na diluição praticamente igualando-se ao GMAW convencional, e melhorando o reforço de forma significativa. Palavras-chave: GMAW, GMAW-CW, GMAW-EW. 4156

2 INTRODUÇÃO O processo GMAW (Gás Metal Arc Welding) foi desenvolvido em Nas suas primeiras aplicações comerciais o processo foi utilizado para a soldagem de alumínio com um gás de proteção inerte, argônio, dando origem ao termo MIG (Metal Inerte Gás). Em 1953 a partir de alterações adicionadas ao processo surgiu o processo MAG (Metal Active Gás), como o uso de gases de proteção ativos especialmente o dióxido de carbono (CO2), para a soldagem de aços. Sua alta produtividade, aplicabilidade em uma larga faixa de espessuras, possibilidade de soldagem em todas as posições, facilidade de automação e a necessidade de pouca, ou quase nenhuma, limpeza são as principais vantagens que popularizou o processo GMAW na indústria tornando um processo indispensável (1, 4, 2). A demanda crescente pelo aumento da produção tornou possível o desenvolvimento de numerosos processos de soldagem dentre eles o processo de soldagem MIG/MAG de arame duplo (7, 5), que deu origem ao CW-GMAW (Cold Ware - Gás Metal Arc Welding) que consiste na introdução de um arame frio na atmosfera do arco voltaico gerado pelo arame energizado, fundindo juntamente com o arame energizado somando ou material depositado sobre a junta soldada (6, 5, 3). O CW-GMAW aumenta a deposição de material no cordão de solda mas em contraponto rouba calor que acaba reduzindo a penetração e a diluição do cordão sobre a chapa, afim de reduzir essa deficiência foi criado o processo EW-GMAW (Eletric Ware - Gás Metal Arc Welding) que tem como principal diferença a adição de corrente continua no arame auxiliar, adicionando energia no arco voltaico para tentar aproveitar o máximo do processo. Para analisar e comparar esses processos faz-se uso de oscilogramas, histogramas e ciclogramas de tensão e corrente de soldagem. Os oscilogramas são gerados durante o processo de soldagem, onde pode ser observado os picos de tensão e corrente em função do tempo de soldagem. Os Histogramas são utilizados para analisar a regularidade da transferência metálica no processo de soldagem, pois fornecem informações visuais e estatísticas sobre a frequências de eventos pelo período em milissegundos, onde se determina qual o tipo de transferência metálica durante a soldagem. Além dos oscilogramas e 4157

3 histogramas, pode-se também analisar os ciclogramas que mostra a tensão em função da corrente, para visualizar a estabilidade do processo. Este trabalho visa comparar o processo GMAW, com o processo CW-GMAW e EW-GMAW, avaliando a penetração, o reforço, largura, diluição e verificando os ciclogramas, histogramas e ciclogramas de tensão e corrente do processo de soldagem. Afim de analisar a influência do sentido puxando e empurrando e a inserção da corrente no arame auxiliar, no processo de soldagem. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização das soldagens foi utilizada uma bancada composta por: uma fonte de soldagem, um cabeçote alimentador, uma fonte independente para alimentação do arame auxiliar, tocha de soldagem, sistemas de deslocamento automático, mesa de soldagem, maleta de aquisição de dados. O metal de base empregado foi o aço carbono AISI/SAE 1020 na forma de barra chata com dimensões de aproximadamente 9,50 mm x 56,00 mm x 225,00 mm (espessura x largura x comprimento), com revestimentos depositados sobre o metal de base, paralelo ao sentido de laminação do material. Empregando como metal de adição, dois arames classe AWS ER70S-6, sendo o arame eletrodo de diâmetro 1,2 mm e o arame auxiliar de 1,0 mm de diâmetro, conforme classificação da norma AWS 5.18, e a mistura composta por 80% Ar (Argônio) e 20% CO2 (Dióxido de Carbono) como gás de proteção inerte. Durante a realização do experimento foi utilizado um sistema de aquisição chamado SAPV4 da IMC Soldagem, para análise do processo de soldagem, disposta tal como o esquema simplificado na Figura 1. Onde essa maleta de aquisição é acompanhada de sensores que medem sinais de corrente, tensão, velocidade do arame e vazão de gás durante o processo de soldagem. 4158

4 Figura 1 Esquema utilizado no processo de soldagem. Na tabela 1 são demonstrados os parâmetros utilizados durante a realização dos experimentos de soldagem. Os valores utilizados para a soldagem com GMAW convencional foram replicados, variando apenas o sentido de soldagem do arame auxiliar em puxando (o arame auxiliar está atrás do eletrodo) e empurrando (arame auxiliar na frente do arame eletrodo) e utilizando o arame frio e arame energizado. Tabela 1 Parâmetros utilizados no processo de soldagem. Processo Corrente no Corrente no Corpo Sentido de de arame arame Prova soldagem Soldagem eletrodo (A) auxiliar (A) CP 1 GMAW CP 2 CW-GMAW PUXANDO CP 3 CW-GMAW EMPURRANDO CP 4 EW-GMAW PUXANDO CP 5 EW-GMAW EMPURRANDO

5 Logo após a soldagem foi realizado na parte central da chapa duas secções como demonstrado na figura 2, obtendo dois corpos de prova por soldagem com intuito gerar redundância e minimizando erros. 9,5 mm Figura 2 Dimensões do metal de base e seccionamento da superfície soldada. Os corpos de prova (CP 2) e (CP 3) foram soldados na posição plana pelo processo CW-GMAW usado como parâmetro de soldagem uma tensão de 24.4 V, DBCP de 20 mm no arame eletrodo, a uma corrente de 220 A, e 25 mm no arame auxiliar, o que corresponde a velocidade de alimentação do eletrodo de 6,4 m/s, com uma taxa de alimentação de eletrodo auxiliar de 50% que corresponde a 3,2 m/s, usando as técnicas de soldagem puxando e empurrando respectivamente. Os corpos de prova (CP 4) e (CP 5) foram soldados pelo processo GMAW-EW usando os mesmos parâmetros anteriores e com adição de 40 A de corrente elétrica no arame auxiliar ambos com polaridade inversa, usando as técnicas de soldagem puxando e empurrando respectivamente. O corpo de prova (CP 1) do processo GMAW convencional foi soldado com os mesmos parâmetros para arame eletrodo anterior, com a tocha disposta verticalmente sobre a chapa. Logo após o corte os CPs foram lixados em uma politriz metalográfica dando início na lixa d agua de granulometria 80 avançando até a lixa de granulometria As medidas geométricas dos cordões de solda foram realizadas conforme esquematizado na Figura PP utilizando o software AutoCAD. Sendo A a área de 4160

6 reforço, B a área de penetração, C é a área de ZTA (Zona Termicamente Afetada), L a largura do cordão, R altura de reforço e P a profundidade da penetração. Figura 3 Regiões para as medições geométricas do cordão Tendo em mãos os dados geométricos dos cordões de solda fora calculado os valores de diluição (δδ) com a formula (A) abaixo: δδ = BB BB + AA 100% (A) RESULTADOS E DISCUSSÃO Após a realização da soldagem foram obtidos os valores da geometria do cordão de solda, que pode ser observado na tabela 2. Tabela 2 Geometria do cordão de solda Corpo Prova CP 1 CP 2 CP 3 CP 4 CP 5 Largura (mm) Reforço (mm) Penetração (mm) Área Reforço (mm²) Área Penetração (mm²) Área ZTA (mm²) R/L Taxa Deposição (kg/h) Diluição (%) 10,8907 3,2146 2, , , ,6555 0, ,3209 3,19 10,5991 3,0292 2, , , ,902 0, , ,0627 4,324 1, ,6057 8, ,3629 0, ,8309 4,20 10,987 4,5075 1,368 36,0768 6, ,8501 0, , ,098 3,8964 1, , , ,7818 0, ,4788 4,24 11,098 3,8964 1, , , ,4732 0, , ,9131 3,9647 2, , , ,2759 0, ,9669 4,33 10,8547 4,0855 1, ,5326 9, ,9546 0, , ,7955 3,9816 2, , , ,9096 0, ,3272 4,28 10,8614 3,9993 2, , , ,2959 0, ,8255 O gráfico 1 mostra a variação da penetração, onde observa-se que ao utilizar o processo de soldagem CW-GMAW puxando houve uma redução de 0,78 mm na 4161

7 penetração e CW-GMAW empurrando reduziu 0,45 mm. Porém à medida que adiciona arame auxiliar energizado com 40 A, no sentindo de soldagem empurrando há um aumento na penetração de 0,12 mm em relação ao GMAW convencional, juntamente com a quantidade de material depositado no cordão de solda, pois são dois arames eletrodo sendo inseridos na poça de fusão e obtendo o valor de penetração próximo ao do GMAW convencional, o que garante uma maior produtividade. Gráfico1 - Penetração em função do processo de soldagem Oscilogramas Os oscilogramas representam o comportamento dos valores da corrente e tensão ao logo do tempo de soldagem, e permite identificar a ocorrência de curtoscircuitos com ou sem transferências metálicas. Quando há uma queda de tensão do arco sem uma elevação correspondente da corrente, pode ser um indício de irregularidade no processo de transferência metálica. De acordo com o formato da onda pode ser caracterizado o tipo de transferência metálica do processo de soldagem. Nos oscilogramas de tensão e corrente da figura 4 é possível verificar que a transferência foi por curto circuito, com uma melhor condição de estabilidade nas soldagens com GMAW, CW-GMAW puxando e EW-GMAW puxando, já nas soldagens CW-GMAW empurrando e EW-GMAW empurrando apresentaram algumas variações na regularidade da transferência metálica. 4162

8 Figura 4 Oscilograma de tensão e corrente Histogramas Para avaliar a regularidade da transferência metálica, analisa-se a forma geométrica do histograma, ou seja, quanto mais concentrado for o histograma, maior a repetibilidade dos valores dos parâmetros analisados. Sendo que a maior frequência dos curtos circuitos foi em períodos maiores que 2 ms o que caracteriza que o tipo de transferência metálica em todos os experimentos foi por curto circuito. Com isso, podese observar na figura 5 que os histogramas do GMAW foi o que apresentou maior frequência de eventos com menor área de base, o experimento utilizando o processo 4163

9 de soldagem EW-GMAW empurrando utilizando 40 A de corrente foi o segundo mais regular, porém uma frequência maior de curtos circuitos insipientes, ou seja, teve curto circuito mas não ouve transferência metálica, seguido do CW-GMAW empurrando, CW-GMAW puxando e por último EW-GMAW puxando. Ciclogramas Figura 5 Histogramas de tempo de curto circuito Os ciclogramas são gráficos que apresentam valores de corrente e tensão de soldagem, uma em função da outra. Onde pode-se analisar visualmente a regularidade e estabilidade do processo, ou seja, quanto mais concentrado for o gráfico mais regular é o processo. Diante disso, observando a figura 6 o gráfico do processo de soldagem CW-GMAW puxando, foi o mais concentrado, o segundo mais estável foi o CW-GMAW empurrando, o GMAW convencional, EW-GMAW puxando e por último EW-GMAW empurrando. 4164

10 Figura 6 Ciclograma de tensão vs corrente. CONCLUSÃO O processo de soldagem sempre vem buscando melhorias seja com variações de parâmetros ou até mesmo melhoramento dos processos já existentes. Com isso, este trabalho analisou verificou que com adição de arame frio no sentindo de soldagem puxando ou empurrando ouve uma diminuição da penetração em relação ao processo GMAW convencional. Já o processo de soldagem EW-GMAW no sentido de soldagem empurrando apresentou uma penetração maior que o convencional, o que possibilita a soldagem de chapas mais espessas com esse processo. 4165

11 Através dos gráficos oscilogramas mostraram que com o sentindo de soldagem empurrando ouve uma interferência maior na regularidade da transferência. Já os histogramas apresentaram uma maior frequência de eventos, porém com muitos eventos de curtos circuitos insipientes que é no período de menos de 2 ms. Mesmo assim o EW-GMAW apresentou boas características geométricas, se equiparando ao GMAW convencional, se mostrando uma boa opção para substitui-lo mantendo as características e melhorando a deposição de material. REFERÊNCIAS [1] ASSUNÇÃO P. D. C. ESTUDO DA VIABILIDADE DO PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW-DCW (DOUBLE COLD WIRE), Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica- Materiais e Processos de Fabricação) Programa De Pós- Graduação Em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, [2] BRANDI, S. D.; TANIGUCHI, C.; LIU, S. Analysis of Metal Transfer in Shielded Metal Arc. Welding Jounal, 1991 [3] CABRAL, T. D. Sinfluência dos Procedimentos e Processos de Soldagem MAG na Redução de Deformações em Painéis de Estruturas Navais. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Pará, Belem, [4] Dutra, J. C. Procedimento computadorizado de determinação, Seleção e controle de Variaveis na Soldagem MIG/MAG. Tese (Doutorado) Universidade Federal de Santa Catarina, [5] SÁBIO, A. D. Estudo da Viabilidade Operacional do Processo de Soldagem MAG com Alimentação Adicional de Arame Frio. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, Belém, [6] Silva, F. G. Estudo da Variedade do processo de Soldagem FCAW com Adição de Arame Frio, aplicado a Industria naval. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal do Pará,

12 [7] TUSEK, J. Mathematical modeling of melting rate in twin-wire welding. Journal of materials processing technology, COMPARATIVE STUDY OF PARTS SOLDED BY THE GMAW, CW-GMAW AND EW-GMAW WELDING PROCESSES WITH A FOCUS ON THE WELDING CORD GEOMETRY AND STABILITY In this work, welding was carried out using the CW-GMAW with cold wire addition, EW- GMAW with the additional wire energized by an auxiliary source, varying the welding technique (pulling and pushing). An electrode wire with a feed rate of 6.4 m/min and an energized wire fed at a rate of 50% of the electrode wire velocity was used, with the fixed current of 220 A at the main source. The results showed that the addition of cold wire in the melt pool reduces the penetration, but when the auxiliary wire energizes, an improvement in the dilution practically equals the conventional GMAW and significantly enhances the reinforcement. Keywords: GMAW, CW-GMAW, EW-GMAW. 4167