AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE VARIÁVEIS DE PROCESSO EM SOLDAGEM MIG-BRAZING DE CHAPAS GALVANIZADAS UTILIZANDO TÉCNICA DE TAGUCHI.

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1 AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE VARIÁVEIS DE PROCESSO EM SOLDAGEM MIG-BRAZING DE CHAPAS GALVANIZADAS UTILIZANDO TÉCNICA DE TAGUCHI. Danielle Bond. Universidade Tuiuti do Paraná. Av. Comendador Franco, Curitiba, PR. CEP: , Paulo Cesar Okimoto. Universidade Federal do Paraná. Centro Politécnico Dpto. Eng. Mecânica. Jardim das Américas. Curitiba, PR. CEP , Alex Augusto Dobignies. Universidade Federal do Paraná. Centro Politécnico Dpto. Eng. Mecânica. Jardim das Américas. Curitiba, PR. CEP , Americo Scotti Universidade Federal de Uberlândia. Faculdade de Engenharia Mecânica. Av. João Naves de Ávila, 2160 Bloco 1M. Uberlândia, MG. CEP , Wiliam de Abreu Macedo White Martins Gases Industriais. Rua Guianas, 80. Campos Elíseos, Duque de Caxias, RJ. CEP , Resumo. Este trabalho buscou analisar a influência de alguns parâmetros da solda-brasagem MIG na molhabilidade do metal de adição sobre chapa galvanizada e o grau de diluição obtido. Este processo, mais conhecido como MIG Brazing, proporciona menor aquecimento da chapa, acarretando menor distorção e queima da camada de zinco. Para a análise foram confeccionados corpos de prova com simples deposição de soldagem, em chapas galvanizadas de 0,8mm, variando-se os seguintes parâmetros: três níveis de tensão, velocidade de alimentação do arame, vazão de gases e indutância, para três gases de proteção e dois metais de adição. Os parâmetros utilizados nestes experimentos, segundo Taguchi, foram levantados em testes preliminares, objetivando a busca de valores ideais de tensão e velocidade de alimentação (maior molhabilidade e mínima diluição) permitindo uma observação precisa da influência dos parâmetros acima citados. Como variáveis de resposta mediu-se a diluição e a relação entre reforço e espalhamento dos cordões obtidos como medida de molahbilidade. Observou-se que a diluição é afetada pela tensão de soldagem, entretanto a molhabilidade não mostrou dependência predominante de nenhuma variável analisada. Palavras-chave: MIG Brazing, Solda-brasagem, Chapa galvanizada, Molhabilidade.

2 1. INTRODUÇÃO Na soldagem de chapas finas galvanizadas pelo processo MIG/MAG convencional observa-se que ocorre elevada fusão do metal de base (Daltro et al, 1999). Uma interessante alternativa para diminuir este efeito é o processo de Solda-brasagem conhecido como MIG Brazing (Joaquim et al, 2000), que utiliza como metal de adição ligas de cobre tipo ER Cu-Si, de temperatura de fusão bem menor (entre 950 e 1060 C, dependendo dos constituintes da liga) que o arame de aço utilizado no processo MIG/MAG convencional. A principal vantagem do MIG Brazing é seu menor aporte térmico que, por proporcionar menor aquecimento da chapa, acarreta menor distorção e menor queima da camada de Zn. Infelizmente poucos trabalhos foram desenvolvidos em MIG Brazing, dificultando a divulgação desta técnica. Por tratar-se de uma Solda-brasagem, o MIG Brazing deve ser analisado considerando as características da Brasagem e do processo MIG. Este trabalho procura explorar a questão da molhabilidade do metal de adição sobre chapas de aço galvanizadas e grau de diluição, em função de deparâmetros elétricos utilizados na soldagem, tipo de material de adição, tipo e vazão de gás de proteção, buscando subsídios para melhor aplicar o processo MIG Brazing. Cada vez menos sustenta-se a tese de que o modo científico adequado para conduzir um experimento seja o de variar um fator ou variável por vez, permanecendo fixos os remanescentes. Tal procedimento requer a realização de muitos experimentos, e não possibilita identificar se o efeito pode ser atribuído a uma ou outra variável que foi mudada ou a uma combinação particular dos conjuntos das variáveis consideradas constantes. Uma forma mais econômica para pesquisar problemas de vários fatores é a utilização de experimentos fatoriais (frações de experimentos completos), arranjando os fatores e observações de acordo com um plano em que todos variam simultaneamente. Fazendo a escolha adequada, é então possível determinar, não somente o efeito de cada fator, mas também o modo que cada um deles interage com os demais. Portanto para a análise de todas as variáveis que afetam o processo, como descrito anteriormente, optou-se em utilizar a metodologia de Taguchi utilizando os modelos fatoriais e arranjos ortogonais (Padke, 1989). 2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Cordões com simples deposição de soldagem foram produzidos adotando-se os seguintes parâmetros fixos: chapas galvanizadas com grãos normais e espessura da chapa de 0,8mm; distância bico corpo de prova de 8mm e ângulo da tocha 12 no sentido empurrando. Teste preliminares - cordões de simples deposição sobre chapa galvanizada - realizados com velocidade de alimentação do arame constante (3,8 m/min) e com diferentes velocidades de soldagem (20, 25, 30, 35 e 40cm/min) mostraram que a mínima diluição e melhor molhabilidade foram obtidas no cordão depositado com velocidade de soldagem de 30cm/min. A partir deste dado, e visando manter a taxa de deposição de material por unidade de comprimento constante, trabalhou-se com uma relação velocidade do arame/velocidade de soldagem constante, que estão indicadas na Tabela 1: Tabela 1: Combinação entre velocidade do arame e velocidade de soldagem utilizadas. Velocidade do arame (regulagem da fonte) Velocidade do arame (m/min) Velocidade de soldagem (cm/min) 6 3, , ,1 40

3 Em função dos fatores de controle e os níveis a serem testados, optou-se então por selecionar um arranjo ortogonal padrão L 9 (Phadke, 1989), conforme a Tabela 2, para 2 tipos de material de adição (BT511 e BT513) e 3 tipos de gases de proteção (F24, F34 e Brazing). Experimento * Tabela 2: Fatores de controle e níveis a serem testados. Vel. Arame(m/min) / Vazão de Vel. Soldagem (cm/min) gás (l/min) Tensão (V) (regulagem da fonte) Indutância (regulagem da fonte) 1 11 (0) 3,8/30 (0) 10 (0) 3 (0) 2 11 (0) 4,3/34 (1) 12 (1) 6 (1) 3 11 (0) 5,1/40 (2) 14 (2) 9 (2) 4 12 (1) 3,8/30 (0) 12 (1) 9 (2) 5 12 (1) 4,3/34 (1) 14 (2) 3 (0) 6 12 (1) 5,1/40 (2) 10 (0) 6 (1) 7 13 (2) 3,8/30 (0) 14 (2) 6 (1) 8 13 (2) 4,3/34 (1) 10 (0) 9 (2) 9 13 (2) 5,1/40 (2) 12 (1) 3 (0) *Foram realizadas 3 amostras de cada experimento (1.1, 1.2, 1.3; 2.1, 2.2, 2.3; etc.). ( ) níveis de cada fator de controle, definidos a partir de testes preliminares (Okimoto et al, 2002). Portanto foram realizadas 6 matrizes, seguindo a seqüência da Tabela 2, conforme a nomenclatura mostrada na Tabela 3: Tabela 3: Descrição da nomenclatura utilizada. Matriz Tipo de metal de adição Tipo de gás A F24 3 B BT511 1 F34 4 C Brazing 5 D F24 E BT513 2 F34 F Brazing 1 Brastak BT511 (97%Cu, 1,3%Si, 0,8%Mn, 0,2%Sn, 0,2%Fe; intervalo de fusão C; diâm. do arame 0,8mm). 2 Brastak BT513 (94%Cu, 3,3%Si, 0,8%Mn, 0,6%Sn, 0,3%Fe; intervalo de fusão C; diâm. do arame 0,8mm). 3 F24 White Martins (Ar + 2%O 2 ); 4 F34 White Martins (Ar + 8% CO 2 ); 5 Gás Brazing White Martins (Ar + CO 2 + N 2 ). A fonte de soldagem utilizada foi a Micro Braze OTC da Daihen Corporation (Inversora), que permitia ajuste contínuo de tensão, indutância e velocidade de alimentação do arame. Os sinais de tensão e corrente foram adquiridos através de um sistema de aquisição de dados SAP (IMC- Labsolda/UFSC), interligado a um microcomputador. A tocha foi deslocada automaticamente através de um equipamento que permitia posicioná-la e regular a velocidade de soldagem. Após as soldagens as chapas foram cortadas, lixadas e polidas para realização de análise macrográfica dos cordões de solda. Foram medidos o espalhamento L, o reforço r e as áreas A 1 e A 2, visualizados na figura 1. A diluição foi calculada pela expressão : D = [A 1 / (A 1 +A 2 )].100 [%]. Os valores de L e r foram obtidos diretamente sobre os corpos de prova, através de 5 medidas ao longo do cordão com paquímetro; A 1 e A 2 foram medidos através do software de análise de imagens Image Pro Plus. Sobre este conjunto de dados resultante, aplicou-se a análise de variância ANOVA, para determinar o nível de influência de cada um dos fatores em relação à variação das respostas. Para este fim, utilizou-se o programa computacional SADIE (Phadke, 1989).

4 Figura 1: Desenho esquemático da seção transversal do cordão depositado por MIG Brazing. r - reforço, L - espalhamento e as áreas A 1 e A 2 para cálculo da diluição. Os cordões de solda foram também analisados quanto a quantidade de respingos, largura da camada queimada no verso do cordão e características gerais através de microscópio ótico e lupa. A quantidade de respingos foi medida no centro do cordão de solda num comprimento de 60mm. Já na camada queimada no verso do cordão, foram realizadas 5 medidas ao longo do comprimento. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Uma forma de avaliar a molhabilidade é através da relação reforço/espalhamento r / L, mostrados na Figura 1. Quanto menor esta relação, maior a molhabilidade. Uma vez que a quantidade de material depositado por unidade de comprimento é constante, pode-se fazer uma comparação entre todos os cordões realizados quanto a relação r / L. Outra informação valiosa é o grau de fusão localizada que o cordão de solda acarreta no metal base, que pode ser medido pela diluição. Quanto maior a diluição, maior probabilidade de que a chapa seja furada durante a soldagem, uma vez que a fusão ocorre principalmente no centro do cordão de solda. Com base nestes resultados, e utilizando ANOVA observa-se o grau de influência das variáveis do processo MIG-Brazing sobre a relação reforço/espalhamento e diluição, conforme os itens 3.1 e 3.2 respectivamente. 3.1 Análise da influência das variáveis de processo sobre a relação reforço/espalhamento Conforme será discutido, observou-se que os níveis dos fatores escolhidos (tensão, velocidade de alimentação do arame, vazão e indutância) não variam da mesma forma em toda as matrizes, mostrando que principalmente a molhabilidade não dependem apenas de uma única variável. Pode-se constatar através da Tabela 4 (resumo da ANOVA) que a tensão (matriz A) e a indutância (matrizes B e C) são as variáveis de maior influência sobre a molhabilidade, com o material de adição BT511. De acordo com os dados da Tabela 4 a contribuição destes fatores para a soma dos quadrados dos desvios em relação à média é de 16,38% na matriz A, 26,54% na matriz B e 37,53% na matriz C. Tabela 4: Resumo da ANOVA da relação reforço/espalhamento em relação as variáveis de processo, com material de adição BT511. Variáveis Matriz A Matriz B Matriz C F % F % F % Tensão 8,91 16,38 4,24 6,02 3,44 4,43 Velocidade do arame 7,62 13,70 9,25 11,30 0,76-0,43 Vazão 8,46 15,45 7,11 11,33 11,26 18,60 Indutância 5,31 8,93 15,31 26,54 21,71 37,53

5 Devido a ocorrência de cordões com espalhamento variável, observou-se que a média da relação r / L pode conter algum erro, principalmente na matriz A. Já para a matriz B, nota-se que os cordões apresentaram boa regularidade, como mostra a Figura 2, o que aumentaria a confiança no resultado obtido. Vel. Arame/ Tensão de referência (regulagem da fonte de soldagem) Vel. Soldagem 11 V 12 V 13 V 3,8 m/min / 30 cm/min Vazão do gás(l) = 10 Indutância=3 (B.1.1) Vazão do gás(l) = 12 Indutância=9 (B.4.1) Vazão do gás(l) = 14 Indutância=6 (B.7.1) 4,3 m/min / 34 cm/min Vazão do gás(l) = 12 Indutância=6 (B.2.1) Vazão do gás(l) = 14 Indutância=3 (B.5.1) Vazão do gás(l) = 10 Indutância= 9 (B.8.1) 5,1 m/min / 40 cm/min Vazão do gás(l) = 14 Indutância=9 (B.3.1) Vazão do gás(l) = 10 Indutância=6 (B.6.1) Vazão do gás(l) = 12 Indutância=3 (B.9.1) Figura 2: Macrografias dos cordões em função das condições de Solda-brasagem - matriz B. Para o material de adição BT513, pode-se constatar através da Tabela 5 (resumo da ANOVA) que a tensão (matriz D), a velocidade do arame (matriz E) e a indutância (matriz F) são as variáveis de maior influência sobre a molhabilidade. Observa-se que a contribuição destes fatores para a soma dos quadrados dos desvios em relação à média é de 27,20% na matriz D, 17,71% na matriz E e 54,92% na matriz F. Estes resultados mostram, de forma similar aos obtidos com o metal de adição BT-511, que a molhabilidade não depende de uma única variável. Tabela 5: Resumo da ANOVA da relação reforço/espalhamento em relação as variáveis de processo, com material de adição BT513. Variáveis Matriz D Matriz E Matriz F F % F % F % Tensão 13,40 27,20 2,64 6,07 0,52-0,63 Velocidade do arame 6,57 12,23 5,79 17,71 14,03 17,04 Vazão 2,41 3,10 0,41 2,17 0,92-0,10 Indutância 5,19 9,20 0,20-2,95 42,99 54,92

6 3.2 Análise da influência das variáveis de processo sobre a diluição Pode-se constatar através da Tabela 6 (resumo da ANOVA) que a tensão é a variável de maior influência sobre a diluição. De acordo com os dados da Tabela 6 a contribuição do fator tensão para a soma dos quadrados dos desvios em relação à média é de 43,43% na matriz A, 61,72% na matriz B e 40,41% na matriz C, transformando-se na variável fundamental. Tabela 6: Resumo da ANOVA da diluição em relação as variáveis de processo, com material de adição BT511. Variáveis Matriz A Matriz B Matriz C F % F % F % Tensão 21,62 43,43 44,94 61,72 39,33 40,41 Velocidade do arame 8,07 14,90 9,71 12,23 22,27 22,42 Vazão 3,31 4,87 2,61 2,26 1,16 0,16 Indutância 0,97-0,05 0,44-0,79 18,59 18,55 Para o material de adição BT513, constatou-se através da Tabela 7 (resumo da ANOVA) que a tensão também é a variável de maior influência sobre a diluição. De acordo com os dados da Tabela 7 a contribuição do fator tensão para a soma dos quadrados dos desvios em relação à média é de 29,64% na matriz D, 67,88% na matriz E e 39,25% na matriz F, transformando-se na variável fundamental. Tabela 7: Resumo da ANOVA da diluição em relação as variáveis de processo, com material de adição BT513. Variáveis Matriz D Matriz E* Matriz F F % F % F % Tensão 14,38 29,64 113,37 67,88 32,83 39,25 Velocidade do arame 11,55 23,38 28,25 16,46 10,64 11,89 Vazão 3,14 4,74 0,10 0,54 0,98 0,03 Indutância 2,57 3,48 10,31 5,62 23,15 27,31 *Alguns cordões da matriz E obtiveram maiores valores de diluição, pois estes perfuraram a chapa. De acordo com a Tabela 8 pode-se verificar que os menores valores de diluição foram obtidos com o gás de proteção Brazing (matriz C) e o F24 (matriz A), quando comparado ao F34 que apresentou a diluição bem maior - na faixa de 6% para o metal de adição BT511 e na faixa de 9% com o BT513. Tabela 8: Comparação da diluição média obtida com os 3 tipos de gases. Metal de adição F24 (matriz A) F34 (matriz B) Brazing (matriz C) BT511 0,77 % 5,97 % 0,69 % BT513 4,0 % 8,90 % 3,86 % 3.3 Análise dos cordões de solda Quantidade de respingos A quantidade de respingos é uma informação interessante quando consideramos o acabamento desejável da chapa. Observa-se de acordo com a Tabela 9, que a quantidade de respingos ao longo dos cordões de solda tende a diminuir com o aumento da indutância. Este resultado seria o esperado, pois a indutância reduz a variação di/dt durante o curto-circuito.

7 Tabela 9: Quantidade de respingos relacionada com o aumento da indutância. Amostra A (indutância) Matriz A Matriz B Matriz C Matriz D Matriz E Matriz F 1.3 (3) (3) (3) Média ) (6) (6) Média (9) (9) (9) Média Média geral Largura da camada queimada no verso do cordão A largura da camada queimada no verso do cordão nos dá uma informação sobre o grau de aquecimento da chapa, pois maior aquecimento tende a aumentar seu valor. De acordo com a Tabela 10 observa-se que tanto para o material de adição BT511 como BT513, a maior largura da camada queimada no verso do cordão é obtida com o gás F34. Sendo que a menor é conseguida com o experimento 3 (tensão 11V, velocidade do arame/velocidade de soldagem 5.1/40, vazão 14l e indutância 9). Tabela 10: Largura da camada queimada no verso do cordão. Amostra Matriz A Matriz B Matriz C Matriz D Matriz E Matriz F Média * Esta medida refere-se a média das 5 medições realizadas em cada camada.

8 3.3.3 Características gerais do cordão na região da interface Na borda do cordão de solda há uma região de características interessantes. Observou-se que a molhabilidade aparentemente é afetada pela reação entre o metal de solda e a camada de Zn. Na figura 3 são mostradas 3 interfaces de características diferenciadas. No caso da figura 3a, a molhabilidade é baixa (ângulo de contato próximo de 90 graus), e a camada de Zn aparentemente sofreu uma queima, não reagindo com o metal de adição. Na figura 3b observa-se que há uma região onde o metal de adição reagiu com o Zn, formando uma fase de cor amarelada, semelhante a um latão, e a molhabilidade aumentou. Na figura 3c observa-se uma interface onde a molhabilidade é muito boa, sem descontinuidade da camada de Zn. O fato da interface apresentar uma região de reação entre o metal de adição e o Zn dificulta a medição do ângulo de contato, normalmente utilizado para a medição da molhabilidade (AWS, 1991). Por esta razão, neste trabalho utilizou-se a razão r / L. (a) amostra da matriz A QUEIMA DE ZINCO SEM FORMAÇÃO DE LATÃO (b) amostra da matriz A (c) amostra da matriz B ABSORÇÃO DE ZINCO COM FORMAÇÃO DE LATÃO Figura 3 : Aspecto micrográfico de regiões com diferente grau de molhabilidade : a) região de baixa molhabilidade, sem formação de latão e ausência da camada de Zn; b) região de molhabilidade intermediária, com formação de latão; c) região de alta molhabilidade, com formação de latão.

9 4. CONCLUSÕES A molhabilidade, representada pela relação r / L, não mostrou tendência clara quanto às variáveis analisadas. Nas diversas combinações metal de adição/gás de proteção/indutância/velocidade do arame e vazão de gás testadas, a variável de maior influência não se manteve; Para a diluição, verificou-se que a variável de maior influência indiscutivelmente é a tensão de soldagem (com o aumento da tensão, nos níveis estudados há aumento significativo da diluição); Os menores valores de diluição foram obtidos com o gases de proteção Brazing e F24; A quantidade de respingos no cordão de solda tende a diminuir com o aumento da indutância; A maior largura da camada queimada no verso do cordão foi obtida com o gás F34, com material de adição BT511; A absorção de zinco pelo material de adição aparentemente melhora a molhabilidade do cordão. 4. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as empresas White Martins Gases Industriais e Brastak Indústria e Comércio pelo fornecimento dos materiais utilizados neste trabalho. 5. REFERÊNCIAS American Welding Society, 1991, Brazing Handbook, AWS, Miami. Daltro, A.T.; Gomes, S.I.N., 1999, Soldagem de chapas finas de aço zincado com proteção gasosa e transferência por curto circuito. Anais do XXV Congresso Nacional de Soldagem, Belo Horizonte. Joaquim, R; Pires, P.C., 2000, Brasagem por arco elétrico na união de chapas galvanizadas. Anais do XXVI Congresso Nacional de Soldagem, Curitiba. Phadke, S., 1989, Quality engeneering using robust design. AT&T. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. Okimoto, P.C.; Dobignies, A.A.; Bond, D., 2002, Estudo de molhabilidade e diluição em soldabrasagem MIG (MIG Brazing) sobre chapas de aço galvanizadas. Anais do SULMAT, Joinville.

10 PROCESS PARAMETERS INFLUENCE EVALUATION ON MIG-BRAZING WELDING OF GALVANIZED STEEL SHEETS USING TAGUCHI METHODOLOGY. Danielle Bond. Tuiuti University of Paraná. Comendador Franco Ave., Curitiba, PR. ZIP Code: , Paulo Cesar Okimoto. Universidade Federal do Paraná. Centro Politécnico Dpto. Eng. Mecânica. Jardim das Américas. Curitiba, PR. CEP , Alex Augusto Dobignies. Universidade Federal do Paraná. Centro Politécnico Dpto. Eng. Mecânica. Jardim das Américas. Curitiba, PR. CEP , Americo Scotti Universidade Federal de Uberlândia. Faculdade de Engenharia Mecânica. Av. João Naves de Ávila, 2160 Bloco 1M. Uberlândia, MG. CEP , Wiliam de Abreu Macedo White Martins Gases Industriais. Rua Guianas, 80. Campos Elíseos, Duque de Caxias, RJ. CEP , Abstract. The present work aims the influence analysis of some MIG-brazing welding parameters on the wettability of filler metal on galvanized steel sheets and the obtained dilution degree. This process causes lower sheet heating, resulting lower distortion and lower zinc coating burning, being essential good wettability and the lowest dilution. For this analysis, samples were made by means of beads-onplate welding on 0,8mm galvanized steel sheets and the following parameters were varied: three voltage levels, feeding speed, gas flow and inductance for three different kind of gases and two filler materials. These experiment parameters, as Taguchi affirms, were obtained through preliminary tests aiming best voltage values and feeding speed (higher wettability and lower dilution) permitting a precise view of the parameters influence above. As date analysis it was measured the dilution and the relation between reinforcemente and width of weld fillets. The results show that de welding voltage affects the dilution. The wettability depends on several variables. Keywords: MIG Brazing, Galvanized steel sheet, Wettability.