Análise do processo de soldagem MIG/MAG sob o enfoque da qualidade da energia elétrica

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1 Análise do processo de soldagem MIG/MAG sob o enfoque da qualidade da energia elétrica Ezio Fernandes da Silva 1 e Américo Scotti 1 - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás, Rua 75, n o 46, Centro. CEP: Goiânia GO - Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campus Santa Mônica Av. João Naves de Ávila, n o 1. Uberlândia MG José Rubens Macedo Jr 3 e José Carlos de Oliveira Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Campus Santa Mônica Av. João Naves de Ávila, n o 1. Uberlândia MG Resumo Este trabalho trata da análise de qualidade da energia elétrica abordando os efeitos flicker e as interharmônicas geradas, considerando vários modos de transferência em um processo de soldagem MIG/MAG. Os diferentes modos de transferência são classificados em: curtocircuito, globular e goticular. A correta escolha dos parâmetros do processo é essencial para o desempenho do mesmo. Por outro lado, os parâmetros ideais (do ponto de vista do processo de soldagem) podem levar a diferentes problemas na qualidade da energia elétrica no lado do sistema supridor, de acordo com o modo de transferência escolhido. Nesse sentido, algumas análises são realizadas com base na medição de flutuações de tensão, harmônicas e inter-harmônicas. Os resultados obtidos serão apresentados a fim de correlacionar os problemas da QEE sob diferentes modos de transferência metálica. Palavras-chaves inter-harmônicas, transferência metálica, MIG, frequência de pulso, flutuação de tensão. I. INTRODUÇÃO Atualmente os processos de soldagem têm despertado o interesse em estudos considerando os problemas relacionados à qualidade de energia elétrica (QE). O Processo de soldagem MIG é utilizado largamente em empresas do ramo metal-mecânico, como caldeirarias, fábricas de estruturas metálicas, estaleiros navais, indústrias automobilísticas e autopeças, devido à sua alta capacidade de produção. Seja em fabricação e/ou manutenção, uma empresa de porte médio opera simultaneamente com cerca de 1 postos de trabalho. Muitos destes equipamentos trabalham em regime transitório, com mudanças repentinas de correntes de trabalho (em ciclos muito rápidos). Estes equipamentos possuem características construtivas e operativas muito favoráveis à geração de distúrbios. Porém, o objetivo deste trabalho é obter uma investigação de como a qualidade de energia se comporta considerando um processo MIG/MAG considerando diferentes modos de transferência metálica. E. F. da Silva, efs@ifg.edu.br, Tel , A. Scotti, ascotti@mecanica.ufu.br, Tel , J. R. Macedo. Jr., jrubens@eletrica.ufu.br, Tel , J. C. Oliveira, jcoliveira@ufu.br, Tel II. PROCESSO MIG/MAG O processo de soldagem conhecido por MIG/MAG pode ser descrito como um processo de soldagem a arco elétrico que utiliza um eletrodo nu consumível (continuamente adicionado) e proteção gasosa, para promover a união de metais através da fusão localizada e introdução de um metal de adição fundido, proveniente do eletrodo consumível. O arco e a poça de fusão são protegidos por um gás ou mistura de gases (Ar/CO /O ). O processo é denominado MAG se o gás ativo (CO ou misturas Ar/O ) for utilizada, senão denomina-se MIG (utiliza gás inerte) [1]-[]. Existem basicamente duas características deste processo: a alimentação contínua de arame (permite alto fator de trabalho) e o uso de uma alta densidade de corrente (proporciona alta taxa de fusão). O processo pode ser operado de forma manual, semi-automática ou automatizado (utilização de robôs). A fig. 1 mostra os equipamentos básicos de um processo MIG/MAG, tais como, a máquina de soldagem (máquina de soldagem), a tocha de soldagem, a fonte de gás (ou gases), o alimentador do arame, bem como o arco e a transferência metálica. Fig. 1. Equipamentos utilizados no processo MIG/MAG e ilustrações (arco, transferência metálica, poça de fusão, bico de contato, distância bico de contado peça (DBCP). III. TRANSFERÊNCIA METÁLICA A forma como o metal de adição transfere para a poça de fusão se dá por três mecanismos: curto-circuito, globular e goticular. A transferência por curto-circuito é característica da soldagem com um pequeno comprimento de arco (menores valores de tensão de soldagem). Nesta, o eletrodo toca periodicamente (freqüência de curto-circuito entre a Hz) a peça (ou poça de fusão), ocorrendo um curto-circuito. 66

2 Durante o curto-circuito, a corrente de soldagem se eleva rapidamente causando: aquecimento forte do eletrodo (efeito Joule), fusão (transferência de metal para a poça de fusão - ruptura de uma parte do eletrodo) e a reabertura do arco elétrico. Pode ocorrer curto-circuito do tipo incidental, ou seja, aqueles de possuem período muito curto (podendo ser causados por movimentação caótica da poça de fusão e do diâmetro da gota na ponta do eletrodo) originado altas freqüências de curto-circuito. A fig. mostra um ciclo completo dos oscilogramas de tensão e corrente durante a transferência por curto-circuito [3]. IV. MODELO DINÂMICO DO ARCO DE SOLDAGEM A fig. 5 mostra uma representação simplificada do circuito elétrico de uma fonte de energia de soldagem, incluindo algumas variáveis que determinam o seu desempenho operacional. Na modelagem dinâmica dos processos de soldagem MIG/MAG, os parâmetros mais importantes são: distância bico de contato-peça (DBCP), comprimento de arco (l arco ), comprimento do eletrodo (l e ), deslocamento da gota (x), resistência da fonte (R s ), indutância da fonte (L s ), resistência do eletrodo (R e ), resistência de contato (R arc ), tensão do arco (V arco ), tensão de circuito aberto (V oc ), arco de tensão constante (V o ), velocidade de alimentação do eletrodo (Valim), taxa de fusão (W) e o campo elétrico no arco (E a ) [4]-[5]. De acordo com a fig. 5, a equação (1) pode ser obtida. DBCP = l + l (1) e arco Fig.. Oscilogramas típicos de tensão e corrente de soldagem em um modo de transferência por curto-circuito [3]. A transferência metálica globular é caracterizada pela ausência de curtos-circuitos, correntes baixas e moderadas, com tensões mais elevadas que no curto-circuito, se dá basicamente por ação gravitacional. A fig. 3 mostra uma transferência do tipo globular, através de uma seqüência de fotografias em alta velocidade. Fig. 5. Circuito elétrico do processo de soldagem MIG/MAG [5]. A taxa de variação do comprimento do eletrodo depende da velocidade de alimentação do eletrodo e da taxa de fusão, indicado na equação (). Fig. 3 Sequência de gotas durante a transferência no modo globular [3]. A transferência metálica goticular é caracterizada pela ausência de respingos, transferência estável, alta produção, altas tensões e correntes de soldagem e por gotas com diâmetro próximo ao do eletrodo e por possuir transferidas metálicas com alta taxa de fusão. A fig. 4 mostra uma transferência goticular, através de uma sequência de fotografias em alta velocidade. dl V W s alim dt = () A relação entre a taxa de fusão e da corrente de soldagem, conforme equação (3) é descrita por duas formas de aquecimento do eletrodo: aquecimento no arco e por efeito Joule. W I l I = α.. ε + β. e. (3) 1 ( le = DBCP) arco aberto ε = ( le < DBCP) curto-circuito (4) Fig. 4 Sequência de gotas durante a transferência no modo goticular [3]. Onde α e β são constantes que dependem do tipo e diâmetro do eletrodo e do gás de proteção [6]. 67

3 Assim, o processo de soldagem pode ser representado pelas equações () e (5). di 1 = [( Rs + Re ). I + Varco Voc ] (5) dt L s máxima de saída é igual a 5 A. O diâmetro do eletrodo utilizado foi 1, mm, com a vazão de gás mantida a uma taxa de 15 l/min. Os parâmetros foram devidamente configurados a fim de permitir condições satisfatórias para a soldagem em todos os ensaios. A tensão no arco é determinada pela equação de Ayrton [7], conforme (6). V = E. l + k. V + R. I (6) arc a arc o arc V. FLUTUAÇÃO DE TENSÃO E INTER-HARMÔNICAS Problemas de flutuação de tensão podem surgir a partir de operação de cargas elétricas que produzem expressivas variações da potencia reativa e de cargas que injetam interharmônicos no próprio sistema local, resultando na distorção da tensão. Na verdade, as flutuações de tensão e os interharmônicos podem existir separadamente. A medição das flutuações de tensão é desenvolvida através da utilização de um dispositivo denominado flickermeter. O mesmo é estabelecido pela norma IEC [8]. A Fig. 6 mostra um diagrama de blocos simplificado para a norma IEC , que estabelece as especificações funcionais e desenho de um flickermeter. Fig. 7. Diagrama esquemático da aquisição do sistema [1]. A. Curto-Circuito Nesta investigação 1 ensaios foram realizados. A máquina de solda foi estabelecida para operar com três níveis de tensão (19, 1 e 3V), duas DBCP (1 ou 16 mm) e três misturas de gases de proteção (CO, Ar + 5% CO ou Ar + 8% CO ). Por meio do ajuste da velocidade de alimentação do eletrodo (entre 4 e 6 m/min), a corrente média resultante variou entre 15 e A. Os parâmetros foram ajustados a fim de obter boa qualidade no cordão de solda. B. Globular Fig. 6. Diagrama de blocos simplificado do flickermeter [9]. O índice de severidade de curta duração (P st ) é a medida da sensação instantânea com base em um período de observação de 1 min e é proveniente dos registros da saída do bloco 4 (E). VI. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A fig. 7 mostra o sistema de aquisição para a obtenção dos dados da qualidade de energia e do processo de soldagem [1]. As tensões e correntes trifásicas no lado primário do transformador da máquina de solda foram registradas considerando uma taxa de 64 amostras por ciclo. Além disso, foram registrados: a tensão no arco, a corrente de soldagem e a velocidade de alimentação do eletrodo. Foi utilizada uma fonte de energia de soldagem eletrônica (chaveada no secundário) com potência nominal de 1 kw e corrente O teste relacionado com o modo de transferência globular considerou um nível de tensão de 8 V, com DBCP de 16 mm e gás de proteção (CO ). A velocidade de alimentação do eletrodo foi de 6 m/min, tendo a uma corrente média em torno de 18 A. C. Goticular O teste relacionado com o modo de transferência goticular considerou um nível de tensão de 3 V, com DBCP de 16 mm e com gás de proteção (Ar + 5% CO ). A velocidade de alimentação do eletrodo foi 1 m/min, para uma corrente média em torno de 3 A. VII. RESULTADOS Para determinar o índice de severidade de flicker (P st ), conforme fig., os arquivos foram sobrepostos sincronicamente por 7 segundos, retirando os primeiros 1 segundos para eliminar os transientes devido aos filtros digitais do flickermeter. Como os ensaios foram realizados em períodos não superiores há segundos, optou-se pelo tratamento dos dados a fim de reproduzir os mesmos. Assim, as investigações consideraram 1 min ininterruptos do 68

4 processo de soldagem, a fim de determinar o índice P st. Nestes casos, pode-se afirmar que para todos os modos de transferência, os valores de P st informados na tabela I são valores sobreestimados. O espectro harmônico da tensão e corrente foi realizada com uma resolução de 1 Hz (janela de amostragem de 6 ciclos), para obter uma melhor identificação das frequências inter-harmônicas. TABELA I PARÂMETROS UTILIZADOS NO ENSAIO E RESULTADO DO Ensaio ÍNDICE P st ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO Tensão (V) BDCP (mm) Gás de proteção Vel. Alimentação (m/min) Pst (pu) CO 4, Ar + 5% CO 4, Ar + 8% CO 4, CO 4, CO 6, CO 5, Ar + 8% CO 6, Ar + 5% CO 5, CO 6, Ar + 8% CO 6, Ar + 5% CO 6, CO 6, A. Curto-Circuito ensaio do modo transferência por curto-circuito, 1 ensaios foram realizados. Porém, devido a limitação de espaço, apenas os oscilogramas do ensaio 9 são apresentados. A fig. 8 (a) mostra a tensão e a corrente instantânea (apenas da fase A) do lado primário do transformador da máquina de solda e também a tensão e a corrente de soldagem, bem como as características v x i de ambos. A distorção harmônica de tensão e corrente do lado primário da máquina de solda é devida à presença de retificador trifásico e da carga nãolinear (soldagem). Observa-se que o tempo de duração de arco aberto (t arco ) e curto-circuito duração de tempo (t cc ), em cada ciclo, raramente são idênticos (ou seja, a freqüência de curto-circuito não é constante). A freqüência de curto-circuito é dada por f cc =1/ t arco + t cc. Durante o tempo de arco aberto (t arc ), enquanto a taxa de fusão (W) diminui (devido à redução da corrente), o comprimento do eletrodo (l s ) aumenta até atingir novamente a poça de fusão, reabrindo o arco. Se a freqüência de curto-circuito é constante, a variação na amplitude da corrente de soldagem será menor, bem como as variações de tensão, diminuindo a sensação instantânea de flicker e o índice P st. A característica v x i do arco de soldagem mostra que a transferência da gota para a poça de fusão é realizada de maneira instável. Como existe uma maior demanda de energia (corrente) no momento do curtocircuito, o capacitor pode descarregar ou não manter a potência necessária. Neste caso, uma maior potência irá fluir a partir da fonte. Este fato depende da energia armazenada no capacitor e a solicitação de carga (soldagem). De acordo com a frequência de curto-circuito (soldagem), uma corrente solicitada pela fonte terá a presença de componentes harmônicas e inter-harmônicas. Estas componentes interharmônicas são geradas pela diferença entre as frequências do processo de soldagem da rede de alimentação. processo de soldagem MIG pulsado, pode-se caracterizar anteriormente quais componentes inter-harmônicas surgirão, apenas conhecendo-se a frequência de pulso imposta pelo soldador. Já no caso do modo de transferência por curtocircuito, torna-se muito difícil prever anteriormente a frequência inter-harmônica gerada, pois a mesma depende da frequência de curto-circuito e esta depende de vários fatores não controláveis. A tabela I mostra a amplitude das tensões e correntes utilizadas nos ensaios considerando duas situações distintas: com carga (soldagem) e sem carga (apenas conectado). A fig. 8 (b) mostra a sensação instantânea de flicker, o qual apresenta o valor mínimo e máximo igual a 14,98 pu e,11 pu, respectivamente. A Tabela II mostra o P st para diferentes ensaios Verifica-se que praticamente todos os valores de P st registrados foram superior a 5, pu (exceto o teste -1). A instabilidade da frequência de curto-circuito gera um largo espectro de freqüência, contendo harmônicos e inter-harmônicos na corrente e tensão de entrada da máquina de solda, como mostrado na fig. 8(c). Ifs (pu) Primary Voltage(V ) Primary Voltage(V ) Arc Voltage(V ) tsc tarc (a) Time (s) (b) (c) (d) Fig. 8. Oscilogramas do modo de transferência em curto-circuito (ensaio 9): (a) tensão, corrente e características v x i do lado primário e no lado do arco se soldagem, (b) Sensação instantânea de flicker (Sf - pu), (c) espectro da corrente do lado primário do transformador; (d) espectro de tensão do lado primário do transformador Primary Current(A ) 69

5 B. Globular A fig. 9(a) mostra os valores instantâneos de corrente e tensão do lado primário da maquina, corrente e tensão no arco elétrico de soldagem bem como as curvas características v x i para ambos os casos. As curvas características v x i curvas em relação aos modos de transferência para modos de curto-circuito e pulsado indica uma maior estabilidade da soldadura de arco no lado primário do transformador da máquina de solda. modo de transferência globular, a gota tem um diâmetro maior do que o eletrodo. Em alguns casos, pode acontecer da gota tocar a poça de fusão, causando um curto-circuito. Este fenômeno pode é identificado na tensão e corrente do arco da fig. 9 (a) no tempo de 4,9 ms. Neste instante, observa-se que a corrente aumenta de um valor próximo a 1 A para um pulso de corrente de 4 A (característico de um curto-circuito). A fig. 9(b) mostra a sensação instantânea de cintilação, indica um melhor desempenho em relação ao modo de transferência por curtocircuito occurrence of a short circuit (a) C. Goticular A fig. 1(a) mostra os valores instantâneos de corrente e tensão do lado primário da maquina, corrente e tensão no arco elétrico de soldagem bem como as curvas características v x i para ambos os casos. Comparando as características v x i do modo de transferência goticular com as do modo de transferência por curto-circuito e globular (fig.s 8(a) e 9(a), respectivamente), pode-se afirmar que tipo de processo de soldagem é mais estável. Contudo, a amplitude de corrente no lado primário da máquina de solda e no arco de soldagem consideravelmente superior a todos os outros ensaios (curtocircuito e globular). entanto, o modo de transferência goticular é mais estável. A sensação instantânea de flicker apresenta valores reduzidos, oscilando entre,74 pu e 4,7 pu. A fig. 1(c) mostra o espectro de corrente e tensão. Ifs (pu) (a) Ifs (pu) Time (s) (b) Time (s) (b) (c) (d) Fig. 9. Oscilogramas do modo de transferência globular. (a) tensão, corrente e características v x i do lado primário e no lado do arco se soldagem, (b) Sensação instantânea de flicker (Sf - pu), (c) espectro da corrente do lado primário do transformador; (d) espectro de tensão do lado primário do transformador. (c) (d) Fig. 1. Oscilogramas do modo de transferência goticular. (a) tensão, corrente e características v x i do lado primário e no lado do arco se soldagem, (b) Sensação instantânea de flicker (Sf - pu), (c) espectro da corrente do lado primário do transformador; (d) espectro de tensão do lado primário do transformador. 7

6 Tensão Primaria Curto Circuito Globular Goticular Teste 9 h Load Load Load TABELA II RESULTADOS Load Load Curto Circuito Teste 9 VIII. CONCLUSÃO Corrente Primaria Globular Goticular Load Load Load Load Load Load Load DC rd th th O trabalho apresenta uma investigação experimental sobre o funcionamento da máquina de soldagem no processo MIG/MAG, considerando os modos de transferência metálica por curto-circuito, globular e goticular. A máquina de solda tem um forte comportamento não-linear em todo o processo, injetando correntes harmônicas e inter-harmônicas na rede elétrica. As flutuações de tensão também possuem comportamentos diferenciados para diferentes tipos de modos de transferência metálica. Verifica-se que o modo transferência goticular apresenta a menor amplitude para a sensação instantânea de flicker (lado primário do transformador da máquina de solda). Além disso, as características v x i sobre os diferentes modos de transferência MIG/MAG queda indica que o modo de transferência goticular apresenta maior estabilidade em comparação com os outros processos. Finalmente, a conclusão geral sobre o trabalho atual é de que a qualidade da energia poderia ser melhor ou pior, dependendo do modo de transferência considerada no processo MIG/MAG. REFERÊNCIAS [1] A. Scotti, A Review on Special Metal Transfer Modes in GMAW, Rev. Bras. de Ciências Mecânicas - RBCM, ABCM, vol XX, no. 3, Set 1998, pp (ISSN ). [] V. Ponomarev, A. Scotti, J. rrish and W. LUCAS, Metal Transfer Modes in MIG/MAG (GMAW) Welding: Contributions to a New IIW Classification, IIW Doc. XII-196-9, 9. [3] D. Sousa Leva, Levantamento de mapas operacionais de transferência metálica para soldagem MIG/MAG de aço ao carbono na posição plana. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, 1. [4] D.S. Naidu, S. Ozceli and, K.L. Moore, Modeling, Sensing and Control of Gas Metal Arc Welding, Elsevier Science Ltd, Oxford, 3. [5] H. Terasaki, S.W. Simpson, Circuit simulation for gas metal arc welding system, Science and Technology of Welding and Joining, p , 5. [6] P. J. Modenesi, R. I. Reis, A model for melting rate phenomena in GMA welding, Journal of Materials Processing Technology, Volume 189, Issues 1-3, 6 July 7, Pages [7] H.M. Ayrton, The electric arc, New York: D. Van strand Co. 19. [8] IEC : Edition 1.1. Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part4-15: Testing and Measurement techniques Functional and design specifications, 3. [9] Macedo Jr, J. R., Simonetti, D. S. L., As interharmônicas e o fenômeno da cintilação luminosa, In: VIII CBQEE 9, Blumenau SC, 9. [1] E. F. da Silva, J. R. Macedo Jr, A. Scotti, J. C. de Oliveira, Power quality analysis of gas metal arc welding process operating under different drop transfer modes, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ'11), Las Palmas de Gran Canaria April, 11. (aceito). 71