Palavras-chave: GMAW, Perfilografia, Transferência metálica, Câmera de alta velocidade, Sincronização 1. INTRODUÇÃO

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1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil USO DA TÉCNICA DE PERFILOGRAFIA PARA VISUALIZAÇÃO DOS MODOS DE TRANSFERÊNCIA METÁLICA NO PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW USANDO UMA CÂMERA CMOS DE ALTA VELOCIDADE Lopera, Jesús Emilio Pinto, jesusemilio@unb.br 1 Ramos, Esdras Godinho, esdrasgr@gmail.com 1 Carvalho, Guilherme Caribé de, gccarval@unb.br 1 Alfaro, Sadek C Absi, sadek@unb.br 1 1 Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, Brasília, DF, , Brasil Resumo: Desde a sua primeira aparição na década dos anos oitenta, a técnica de Perfilografia (shadowgraph) foi reconhecida como uma ferramenta interessante na filmagem dos processos GMAW e no estudo da transferência metálica. Devido à significativa melhora nos sistemas de aquisição e armazenamento de imagens digitais, surgidos nos últimos anos a técnica tornou-se uma importante ferramenta para análise e desenvolvimento de novos processos de soldagem. Neste trabalho apresenta-se a aplicação da técnica de Perfilografia para adquirir imagens da transferência metálica no processo GMAW convencional usando uma câmera CMOS de alta velocidade. O clássico arranjo de lente divergente-convergente foi mudado para um arranjo de lente divergente e dois espelhos côncavos. Este arranjo óptico não produz uma frente de onda plana, usado na Perfilografia convencional, mas permite ter um controle no diâmetro do feixe de laser que pode ser usado para fazer a filmagem. Além do arranjo óptico, conseguiuse sincronizar a aquisição das imagens do processo por meio da utilização de um sinal produzido pelo sistema de controle da câmera, o qual gera um pulso a cada imagem amostrada. A sincronização foi realizada adquirindo-se o trem de pulsos em conjunto com os sinais elétricos do processo, possibilitando correlacionar as imagens com os valores instantâneos de corrente e de tensão de soldagem. Com esse aparato, foram obtidas e sincronizadas imagens dos diferentes modos de transferência metálica encontrados no processo GMAW convencional a uma taxa de mil frames por segundo. Palavras-chave: GMAW, Perfilografia, Transferência metálica, Câmera de alta velocidade, Sincronização 1. INTRODUÇÃO A Perfilografia, conhecida também como Shadowgrafia, é uma técnica de iluminação usada freqüentemente junto com câmeras de alta velocidade na filmagem de transferência metálica em processos de soldagem GMAW. Antes do trabalho de Allemand et al (1985), a filmagem era feita iluminando a cena diretamente com lâmpadas de alta intensidade luminosa, superior à produzida pelo arco. Esta luz era então fotografada através de filtros de densidade neutra com alto poder de atenuação, o que implicava em custos relativamente elevados e de perdas de informação nas imagens. A técnica de perfilografia faz uso da iluminação direcional a contraluz com um feixe laser como fonte de luz, o que soluciona em grande parte os problemas apresentados anteriormente. Um fator importante a destacar no uso da perfilografia é o menor custo computacional que se requer para analisar as imagens. É comum encontrar outras técnicas para adquirir imagens dos modos de transferência metálica (Houghton et al, 2007; Wang et al, 2007 e Weglowski et al, 2008), mas as imagens de perfilografia têm a vantagem de ter um maior contraste entre o fundo e os elementos envolvidos na transferência metálica (arame, metal transferido, peça a soldar) pelo que é possível extrair informação com o uso de filtros espaciais, morfologia matemática e limiarização de baixo custo como no caso de Maia (2001), o que torna o trabalho mais eficiente. Também pode-se encontrar melhorias nas imagens obtidas a partir da perfilografia com o uso de lâmpadas de alta potência usadas como fonte de luz, o que gera um fundo mais uniforme e facilita em maior grau a extração de características como é apresentado nos trabalhos de Praveen et al (2006) e de Reis (2009). A desvantagem da perfilografia é que, por enquanto, se usa com a tocha de soldagem fixa, devido ao arranjo óptico que utiliza, de modo que sua implementação depende da aplicação. Apesar da importância da perfilografia como sistema de iluminação, esta técnica não tem evoluído muito desde que foi concebido seu propósito, por outro lado, os sistemas de aquisição e armazenamento de imagens de alta velocidade tiveram um alto grau de desenvolvimento desde os anos oitenta, o que facilitou razoavelmente a obtenção de imagens Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 relevantes no estudo de transferência metálica, generalizando assim o uso da perfilografia. É comum encontrar hoje em dia câmeras com taxas de aquisição de dez mil frames por segundo, ou superior, mas tem-se que ter em conta que com uma maior taxa de frames por segundo, permite-se fazer um estudo mais detalhado dos fenômenos, porém vai-se requerer de mais tempo de processamento e de um hardware mais robusto para analisar as imagens adquiridas. Uma ferramenta que vem a complementar os estudos experimentais de transferência metálica por meio de perfilografia é a sincronização das imagens obtidas na filmagem com sinais de corrente, tensão ou de outro tipo de sensor que sejam adquiridas durante a soldagem (Bálsamo et al, 2000). Este fato permite aprofundar em detalhe os processos de pesquisa de transferência metálica o que possibilita importantes acréscimos nos conhecimentos da soldagem GMAW. Neste trabalho apresenta-se a aplicação da técnica de Perfilografia para adquirir imagens da transferência metálica no processo GMAW convencional usando uma câmera CMOS com uma taxa de aquisição de mil frames por segundo. As imagens obtidas são sincronizadas com os sinais elétricos do processo, possibilitando correlacioná-las com os valores instantâneos de corrente e de tensão de soldagem. 2. SISTEMA ÓPTICO O clássico sistema óptico proposto para trabalhar com perfilografia é apresentado na Fig. (1). Uma definição dada por Groetelaars (2005) descreve o princípio da Perfilografia como a passagem de um feixe colimado de laser pela região do arco, de modo que a imagem resultante represente a sombra desses elementos (arame, metal em transferência, cordão de solda). Um filtro óptico de interferência passa-banda (na região do laser) é colocado entre o arco e a câmera, de modo que somente o feixe de laser e as sombras respectivas vão aparecer na imagem, suprimindo a luz produzida pelo arco que não esteja na região do filtro. Este arranjo utiliza um expansor de feixe laser de tipo Galileu. Como apresenta Weichel (1990) e Steen (2003) o expansor utiliza uma lente divergente como entrada do feixe e uma convergente como saída, que de acordo com Hecht (2002), produz idealmente uma frente de onda plana na saída do expansor, não tendo assim distorção nem ampliação nas geometrias dos elementos. Figura 1. Principio da perfilografia aplicado a soldagem. (Bálsamo et al, 2000) A frente de onda plana se consegue quando as frentes de onda esféricas de luz que entram na lente convergente partem do ponto focal objeto da mesma. Depois de atravessar a lente os raios ficam paralelos ao eixo óptico e as frentes de onda perpendiculares ao mesmo, como se vê na Fig. (2). Nesse caso diz-se que o feixe de luz é colimado. Por coincidir os pontos focais objeto das duas lentes, a distância entre elas no expansor de Galileu é a diferença dos valores positivos das distâncias focais das mesmas (por convenção a distância focal da lente divergente é tomada como negativa), assim, o ponto focal objeto da lente convergente vai coincidir com o ponto focal objeto da lente divergente, como é sugerido na Fig. (3). Figura 2. Formação de ondas planas a partir de ondas esféricas mediante o uso de uma lente convergente. A letra F representa o foco imagem da lente. A luz incidente se propaga na direção das setas.

3 Figura 3. Sistema expansor de feixe laser de Galileu. F representa o foco objeto da lente convergente e da lente divergente. DL é a distância entre as duas lentes. DFC é a distância focal da lente convergente. DFD é a distância focal da lente divergente. A luz incidente se propaga na direção das setas. Da figura 3 vemos que: DL DFC DFD (1) Se forem tomadas as convenções de sinais para as distâncias focais das lentes, DL será a soma das distâncias focais das lentes devido ao sinal negativo da distância focal da lente divergente. O diâmetro do feixe laser expandido é encontrado com a seguinte relação D ) 0 ( MP D i (2) Onde: D o é o diâmetro do feixe laser expandido. D i é o diâmetro do feixe laser inicial. MP é conhecido como Magnifying Power e é igual à relação entre as distâncias focais das lentes f c MP (3) f d Onde: f c é a distância focal da lente convergente. f d é a distância focal da lente divergente. Outro tipo de expansor de feixe laser é conhecido como Expansor de Kepler que utiliza duas lentes convergentes e faz coincidir o foco imagem da primeira com o foco objeto da segunda, como se vê na Fig. (4). Neste caso, a distância entre as duas lentes vai ser a soma das distâncias focais das lentes (Weichel, 1990 e Steen, 2003). O diâmetro do feixe laser expandido obedece à mesma relação do expansor de Galileu, mas neste caso f c é a distância focal da lente convergente 2 e f d é a distância focal da lente convergente 1.

4 Figura 4. Expansor de feixe laser de Kepler. As linhas verticais e curvas representam as frentes de onda. F representa o foco de cada lente. DL é a distância entre as duas lentes. A luz incidente se propaga na direção das setas. Por ter o foco do feixe laser no meio das lentes, o arranjo Kepleriano é o indicado caso se queira fazer filtragem espacial do feixe laser. Uma desvantagem é que se requer de mais espaço físico na hora da instalação. Se a idéia é trabalhar com um laser de alta potência, a configuração de Kepler apresentará acumulação de energia no ponto focal, o que pode apresentar problemas dependendo do experimento, neste caso, prefere-se usar a configuração de Galileu. Para o caso dos espelhos, as propriedades ópticas encontram semelhança entre um espelho côncavo e uma lente convexa (convergente), por um lado, e de um espelho convexo e uma lente côncava, por outro. Esta semelhança podese ver na prática no telescópio Newtoniano, que utiliza uma lente divergente e um espelho côncavo, o qual faz referência ao telescópio de Galileu. As relações entre os diâmetros do feixe de entrada e de saída serão mantidas considerando as convenções utilizadas para os focos dos espelhos esféricos. Desta forma pode-se fazer configurações para o expansor apenas com lentes, apenas com espelhos ou com suas combinações como a apresentada por Shafer (1978), Hariharan (1987) ou Hello et al (1996). 2.1 Câmeras de alta velocidade (Balch, 1999) Os primeiros sistemas de vídeo de alta velocidade ou analisadores de movimento surgiram naturalmente devido às tecnologias de armazenamento magnético, sendo que estiveram comercialmente disponíveis a partir de Estes sistemas de vídeos só poderiam capturar imagens a 120 fps. A segunda geração foi introduzida por NAC Inc. em 1979 e poderia capturar a 200 fps. Em 1980, Kodak introduziu a terceira geração de analisadores de movimento, o SP2000, que poderia armazenar imagens monocromáticas a 2000 fps. A quarta geração foi uma nova abordagem em captura de imagens a alta velocidade usando uma memória de estado sólido como mídia de armazenamento. Em 1990 Kodak apresentou o EktaPro EM, que armazenava imagens digitais em DRAM. A manipulação de imagens com tecnologia DRAM permitiu o surgimento de novas técnicas de capturas de imagens, que melhorou a qualidade dos dados e providenciou gravação prolongada de imagens. A quinta geração avançou em maior resolução, mais velocidade (frame rate), e melhorou a qualidade para imagens coloridas e monocromáticas. O modelo HS 4540 da Kodak alcançava taxas de até fotos por segundo. A sexta geração apresentou vantagens em flexibilidade, tamanho, portabilidade, velocidade e facilidade de manuseio. Os novos sistemas de vídeo podem ser comparados à revolução tecnológica dos computadores pessoais, onde consumidores podem combinar diferentes vendedores de hardware e software para configurarem suas máquinas de acordo com aplicações específicas. 3. EXPERIMENTO E RESULTADOS Como fonte de luz usou-se um laser de He-Ne com comprimento de onda de 633 nm, 15 mw de potência e um feixe de luz com 1.2 mm de diâmetro. O expansor de feixe de laser foi estabelecido utilizando uma lente divergente com distância focal (f d ) de 40 mm e dois espelhos côncavos com distância focal (f c ) de 300 mm cada um. Os dois espelhos côncavos podem ser usados para montar um expansor de feixe de Kepler, mas ao terem as mesmas distâncias focais, o valor do Magnifying Power fornecido pela Eq. (3) é 1 e portanto não cumpre sua função de magnificação, por isso se faz uso da lente divergente para expandir o feixe na entrada do sistema. Deste modo, a disposição do sistema de iluminação é apresentada na Fig. (5).

5 Figura 5. Disposição da lente e os espelhos no expansor de feixe laser. Vista de cima. A luz incidente se propaga na direção das setas. Com referência à Fig. (5) pode-se observar que até o primeiro espelho encontramos um expansor de feixe laser de Galileu, depois deste espelho se tem um feixe de luz formado por ondas planas. Até aqui, a distância entre a lente e o espelho dada pela Eq. (1) é de 260 mm. Essa distância não é influenciada pela inclinação do espelho. Da Eq. (3) tem-se que o valor do Magnifying Power é 7.5, sendo que o diâmetro de saída do feixe fornecido pela Eq. (2) é 9 mm. Este diâmetro resulta pequeno em geral e ainda mais porque se quer filmar modos de transferência diferentes do curto circuito. É por esta razão que se usa o segundo espelho. A onda proveniente do espelho 1 transforma-se numa onda esférica depois de refletir no espelho 2 e converge em seu foco, depois se expande em forma de cone, cujo diâmetro final depende do diâmetro do feixe incidente e da distância focal do espelho. Assim, a uma distância de 1m, onde é disposto o alvo (arame-eletrodo), o feixe laser tem um diâmetro de 30 mm, suficiente para iluminar os objetos de interesse, como se apresenta na Fig. (6). Desta forma, usando o método de perfilografia com a disposição apresentada na Fig. (5) e as distâncias mencionadas anteriormente, foram obtidas imagens de transferência metálica como as apresentadas na Fig. (7). Figura 6. Iluminação dos alvos com o feixe laser expandido. Pode-se observar como a sombra dos alvos é projetada na câmera fixa na parte posterior.

6 Figura 7. Fotografias de transferência metálica: (a) transferência por curto circuito; (b) transferência globular; (c) transferência goticular; (d) transferência goticular com alongamento. A câmera utilizada nos experimentos é uma DALSA 1M150-SA, de tecnologia CMOS, de alta velocidade e de baixo custo em relação a outras utilizadas em monitoramento de processos de soldagem. A uma resolução máxima de 1 megapixel (1024x1024) ela permite capturar a uma taxa de até 150 frames por segundo. Seu pequeno tamanho e robustez a torna adequada para ambientes industriais. Ela também permite limitar a área de interesse que será fotografada, de forma que se reduza a resolução e aumente a taxa de aquisição, assim, para uma resolução de 128x128 pixels pode-se atingir uma taxa de captura teórica de 7900 fps. Neste trabalho foi usada uma resolução de 96x128 com uma taxa de aquisição de 1000 fps e um tempo de exposição do sensor CMOS de 50 µs. Essa taxa é suficiente para observar os modos de transferência da soldagem. Para fazer a sincronização das imagens obtidas com os sinais elétricos capturados para os experimentos, foi utilizado um sinal fornecido pela câmera. Este sinal se apresenta como um pulso elétrico cada vez que uma foto está sendo adquirida. A duração do pulso foi de 50µs e foi programado de modo que seu pico coincida com a metade do tempo de exposição da câmera. O valor do pulso varia ao redor de 3V. Os sinais elétricos capturados nos experimentos foram de corrente, de tensão e o sinal que provém da câmera. Esses sinais são adquiridos por meio de uma placa a uma taxa de 20 khz, e são visualizados e armazenados por meio de uma interface em LabVIEW. Cada dado de qualquer sinal adquirido é caracterizado pelo seu valor e por sua ordem de chegada, de forma que é fácil comparar e assim sincronizar os valores dos sinais adquiridos com cada foto da filmagem. Desta maneira, foram adquiridos e sincronizados sinais elétricos e fotos para os modos de transferência metálica em Curto Circuito, Globular e Goticular. Uma amostra dos experimentos realizados é apresentada nas Fig. (8), Fig. (9) e Fig. (10). Figura 8. Seqüência de imagens em sincronismo com sinais adquiridos de tensão e corrente durante transferência em curto circuito. Os dados no eixo horizontal indicam o tempo em que foi adquirido cada dado e é igual para os três gráficos

7 Figura 9. Seqüência de imagens em sincronismo com sinais adquiridos de tensão e corrente durante transferência Globular. Figura 10. Seqüência de imagens em sincronismo com sinais adquiridos de tensão e corrente durante transferência Goticular projetada. 4. CONCLUSÕES A técnica de iluminação por perfilografia do processo de transferência metálica em conjunto com as imagens sincronizadas com os sinais de tensão e corrente são ferramentas que auxiliam em pesquisas e em monitoramento na soldagem. Os modos de transferência metálica são facilmente identificados, assim como as imagens em cada etapa do processo. Atualmente não se encontra diferenças significativas entre os sistemas de aquisição de imagens CMOS ou CCD. As vantagens que antes eram apresentadas por cada uma (CMOS mais econômica e CCD melhor qualidade) são igualmente atingidas pelas duas tecnologias e a aquisição de uma câmera particular depende dos requisitos e das

8 disponibilidades econômicas. A câmera utilizada neste trabalho é econômica em relação a outras e permite estudar os fenômenos decorrentes da transferência metálica. 5. REFERÊNCIAS Allemand, C.D., Schoeder, R., Ries, D.E. and Eagar, T.W., 1985, A Method of Filming Metal Transfer in Welding Arcs, Welding Journal, Vol. 64, pp Balch, K, 1999, High Frame Rate Electronic Imaging, White Paper, pp Bálsamo, P.S., Vilarinho, L.O., Vilela, M. and Scotti, A., 2000, "Development of an Experimental Technique for Studying Metal Transfer in Welding: Synchronized Shadowgraphy", International Journal for the Joining of Materials, Vol. 12, No. 1, pp Dalsa, 2004, 1M28_75_150_User_Manual_rev05, Camera User s Manual. Groetelaars, P.J., 2005, Influência da Variação de Parâmetros de Soldagem Sobre a Transferência Metálica e perfil do cordão no processo MIG/MAG Duplo-Arame, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, M-G, Brasil. Hariharan P., 1987, Beam expander for making large rainbow holograms, Applied Optics, Vol. 26, pp Hecht, E., 2002, Optics, Ed. Addison Wesley, San Francisco, USA, 698 p. Hello, P. and Man C. N., 1996, Design of a Low-Loss Off-Axis Beam Expander, Applied Optics, Vol. 35, No. 15, pp Houghton, M., Lucas, J. and Lucas, W., 2007, Vision Systems for Monitoring and Control of Arc Welding Operation, Soldagem & Inspeção, Vol. 12, No. 4, pp Maia, T.C., 2001, Utilização de Técnicas de Processamento Digital de Imagens no Estudo de Transferência Metálica em Soldagem a Arco Voltaico, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, M-G, Brasil. Praveen, P., Kang, M., Prasad, Y., 2006, Behaviour of Metal Transfer Modes in Pulse Gas Metal Arc Welding of Aluminum, Proceedings of 2006 Advanced Materials Processing Technologies Conference, Las Vegas, USA, pp Reis, R.P., 2009, Assessment of Low Current Tandem GMAW Processes with Waveform Control and with Aid of Laser Beam, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, M-G, Brasil. Rubin-Corrected Laser Beam Expand Shafer D. R., 1978, Laser Beam Steerer-Expander, Applied Optics, Vol. 17, No. 22, pp Steen, W. and Watkins K., 2003, Laser Material Processing, Ed. Springer, London, United Kingdom, 423 p. Wang, Z. and Zhang, Y., 2007, Image Processing Algorithm for Automated Monitoring of Metal Transfer in Double- Electrode GMAW, Measurement Science and Technology, Vol. 18, No. 7, pp Weglowski, M., Huang, Y. and Zhang, Y., 2008, Effect of Welding Current on Metal Transfer in GMAW, Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 33, pp Weichel, H., 1990, Laser Beam Propagation in the Atmosphere, Ed. SPIE, Washington, USA, 108 p. 6. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.

9 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil USE OF SHADOWGRAPHY TECHNIQUE FOR VISUALIZATION OF METAL TRANSFER MODES IN GMAW PROCESS USING A CMOS HIGH SPEED CAMERA Lopera, Jesús Emilio Pinto, jesusemilio@unb.br 1 Ramos, Esdras Godinho, esdrasgr@gmail.com 1 Carvalho, Guilherme Caribé de, gccarval@unb.br 1 Alfaro, Sadek C Absi, sadek@unb.br 1 1 Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, Brasília, DF, , Brasil Summary: Since its first appearance in the eighties decade, the technique of Shadowgraph was recognized as an interesting tool for filming GMAW procedures and for the study of metal transfer phenomenon. Due to significant improvement of digital systems for processing and storage, the technique has become an important tool for analysis and development of new welding processes. In this work is presented the application of Shadowgraph technique to acquire images of metal transfer in conventional GMAW process using a CMOS high speed camera. The classic divergent-convergent setting of lenses was changed by an arrangement of one divergent lens and two concave mirrors. This optical arrangement does not produce a plane wavefront, used in conventional Shadowgraph, but enables a control on the laser beam diameter which is used to make the filming. In addition, synchronized acquisition of the process was performed, by the use of a camera system control signal that generates an electrical pulse to each image sampled, acquiring the train pulses together with the electric signals of the process, allowing correlate images with the instantaneous values of welding current and voltage. With this system were obtained and synchronized images of different metal transfer modes found in the conventional process GMAW at rates of 1000 frames per second. Keywords: GMAW, Shadowgraph, Metal transfer, High speed camera, Synchronisation Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011