SISTEMA DE INFORMAÇÃO BASEADO EM COMPUTADOR PARA INDICAÇÃO DE QUALIDADE DE SOLDAGEM Fábio Guilherme Ronzelli Murback EFEI - Escola Federal de Engenharia de Itajubá Itajubá MG murback@iem.efei.br Sebastião Carlos da Costa EFEI - Escola Federal de Engenharia de Itajubá Itajubá MG costa@iem.efei.br Abstract: Os sistemas de informação baseados em computador tem ganho posições de destaque em todos os lugares onde são aplicados. Alguns destes sistemas, entretanto, tem um perfil analítico, sendo utilizado por profissionais que compõem equipes de staff para diversas áreas. Estes sistemas são desenvolvidos para auxiliar o profissional em suas tarefas diárias, permitindo abranger um número maior de variáveis, ou de dados, para análise. Este trabalho apresenta um sistema de informação baseado em computador para auxiliar os profissionais da área de soldagem a avaliar seus ensaios e trabalhos visando a automatização da tarefa de avaliação de soldas. Assim, utilizando-se de diversos indicadores, recomendados pela literatura, pretende-se abrir um novo espaço para o estudo e utilização combinada de indicadores de forma a auxiliar na organização, construção e divulgação do conhecimento na área de soldagem. Desta forma, foi reunido o maior número de indicadores utilizados em soldagem visando estender a aplicabilidade do sistema. Ao final, são apresentados alguns resultados obtidos com a utilização de indicadores combinados como elemento de avaliação da qualidade de um cordão de soldagem. Keys Words: Welding, System Information, Quality 1. Introdução Vive-se, atualmente, uma grande mudança no ambiente de negócios que se destacam por globalização, maturidade dos segmentos de mercado, afirmação e preocupação com o desejo do cliente, entre outros (Costa, 1995). Estas mudanças atingiram todas as áreas, inclusive a Manufatura, a qual teve muitas atividades e procedimentos profundamente modificados com o aumento das exigências impostas por este novo ambiente. As soluções para implementar melhoria da qualidade e/ou aumentar a produtividade tornaram-se, irremediavelmente, escravas da automação industrial seja para amostragem, controle ou geração de indicadores para apoio a decisão. Assim, implementar uma ferramenta computacional que atenda as novas exigências das empresas, seja, facilitando a elaboração, o armazenamento e disseminação do conhecimento, e permitindo a criação efetiva de um ambiente de manufatura integrado por computador (CIM Computer Integrated Manufacturing) tornou-se um desafio constante para os profissionais que atuam nas diversas áreas ligadas a questão e tem como pretensão maior assegurar razoável flexibilidade estratégica à empresa. (Costa, 1995).
Os processos de soldagem não escaparam deste avanço tecnológico e não é preciso uma procura muito extensa para que encontremos fontes de soldagem automatizadas ou robôs de soldagem para as mais diversas aplicações. E, desta forma, a iniciativa do Welding Institute em estudar os ambiente CIM, foi confirmada com a realização do workshop do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia NIST, EUA (Rippey, 1996), no qual a soldagem foi indicada como um dos três setores onde dever-se-ia haver maior aplicação da automação abrindo, desta forma, espaço para novos trabalhos na área na tentativa de encontrar soluções para segurança, produtividade, treinamento do trabalhador, especificação, operacionalização e controle dos processos de fabricação dos quais os processos de soldagem participam. Os dados obtidos de aquisições permitem avaliar em conjunto com as características metalúrgicas das peças soldadas os resultados da soldagem, com o foco para a adequação e teste de procedimentos, características e materiais para a operação. Estes procedimentos são utilizados em laboratório ou campo para definição de parâmetros que, posteriormente serão utilizados com o intuito de garantir um resultado da soldagem sempre confiável. Este é um lado de um processo de fabricação: o planejamento e a preparação do ambiente para o trabalho, mas existem outros pontos a considerar, como o acompanhamento da qualidade do produto durante a fabricação indicando se possível alguma irregularidade para que possa ser corrigida a tempo. É claro que os profissionais da área são conhecedores dos possíveis problemas e das conseqüências, entretanto em época de concorrência globalizada, manter um histórico da qualidade de um produto pode ser o fator decisivo para a preferência de um, entre muitos fornecedores. Assim, neste trabalho, apresenta-se uma ferramenta computacional, denominada CAWIS Computer Aided Welding Information System que implementa diversos indicadores para análise dos sinais de características dinâmicas de soldagem, especificamente a utilização de um indicador construído com base em medidas realizadas diretamente dos sinais de tensão relativas a transferência de material de adição ao material base. 2. Metodologia de avaliação 2.1 Variáveis monitoradas Malin (1990) nos mostra (Tabela 1) que muitas variáveis estão presentes e atuam para que um processo de soldagem seja realizado. Estas variáveis podem ser classificadas nos níveis Primário e Avançado. Na Classe Primário, as variáveis apresentadas são determinadas antecipadamente e estabelecidas como parâmetros para a operação de soldagem. As variáveis da Classe Avançado ou são incontroláveis, ou são fixas para uma operação específica, ou são relativas aos resultados obtidos do processo. A caracterização das variáveis e das informações que elas fornecem é muito importante para permitir o entendimento dos conceitos do processo de programação e controle da soldagem. Autores como Rajasekaran (1999), Santos (1995) e Johnson (1991) têm trabalhado em decodificar estas medidas e encontrar relações entre os sinais e as características dos elementos submetidos aos processos de soldagem analisando algumas referencias extraídas diretamente dos sinais de tensão (Figura 1) conforme a indicação de Shinoda (1989) e outros autores que afirmam ser a tensão a melhor caracterização das ocorrências internas do processo de soldagem. Analisando a Tabela 1 podemos observar variáveis de várias naturezas oscilando entre as controláveis e não controláveis. Dentre as variáveis controláveis destacam-se os parâmetros de soldagem e de movimento que normalmente são estabelecidos numa fase pré-soldagem. Durante a operação de soldagem se destacam as variáveis ditas de operação as quais são, normalmente, incontroláveis e se referem mais as condições gerais de soldagem estabelecidas durante o procedimento de execução da operação. Associadas a estas variáveis, como resultado da própria soldagem, surgem as variáveis intermediárias resultantes de transformações ocorridas em função da execução da soldagem como a temperatura de pico do
metal base, velocidade de resfriamento da Zona Termicamente Afetada, entre outras. Em conseqüência, a atuação de todas as variáveis descritas anteriormente geram uma influência determinante na qualidade final da soldagem. Primário Informações Classe Nível 1 Variáveis controláveis em soldagem 2 Variáveis de operação Variáveis Categoria Tipo Exemplos Parâmetros de soldagem Parâmetros de movimento Variáveis incontroláveis em soldagem Variáveis da geometria da junta Corrente, tensão, velocidade de soldagem, velocidade do arame, fluxo do gás, parâmetros de oscilação, parâmetros de pulso, etc. Torque axial, parâmetros laterais & altura, parâmetros ângulos axiais e laterais, velocidade de movimento e aceleração. Material e características dos consumíveis, material de base e características, linha de tensão, etc. Corrente, tensão, velocidade de soldagem, velocidade de abertura, raiz, nariz, folga, tipo e configuração da junta, seção transversal, profundidade do a b c d Variáveis ambientais Temperatura ambiente, umidade, velocidade do ar, fixações, restrições. Avançado 3 Variáveis intermediári as 4 Variáveis da qualidade da soldagem Variáveis da geometria da solda Parâmetros de soldagem Variáveis influen-tes nas proprieda-des Temperatura do material base, radiações térmicas, taxa de resfriamento, emissão acústica, movimento da poça fundida, distorção, som ou espectro de luz Profundidade de penetração, folga efetiva, comprimento & altura do reforço, comprimento da ZTA, etc. Defeitos em juntas soldadas (trincas, falta de fusão, inclusões, etc.) microestruturas, teor de hidrogênio, etc. Resistência, ductilidade, resistência à formação de trincas ou fadiga, etc. Tabela 1: Variáveis existentes no processo de soldagem (fonte: Malin, 1990). e f g h Figura 1: Medidas típicas obtidas dos sinais de tensão (fonte: Costa, 1997). Assim, muitos autores têm dedicado seus esforços para encontrar formas de amostrar e relacionar estas variáveis de forma útil para a qualidade e a produtividade da solda. Chawla (1994) desenvolveu um sistema denominado ARCWATCH em que afirma ser possível obter informações sobre a performance de consumíveis e defeitos nas soldas. Baixo e Dutra (1994) relacionaram os sinais de tensão e corrente ao estudo de transferências metálicas, Vasile (2000) tem utilizado processamento do sinal de tensão e corrente combinado com redes neurais e o som emitido durante o processo de soldagem. Jönsson (1995) pesquisou a relação entre o arco elétrico e a energia que é transferida durante a soldagem utilizando o comprimento do arco como elemento de controle. Amin (1987) apresentou a relação existente entre a tensão e o tempo de curto-circuito durante as transferências.
Conforme podemos verificar muitas dificuldades de análise surgem em decorrência desta característica multidisciplinar da soldagem que consome esforços em áreas como materiais, eletricidade, produção, matemática e computação, tornando o desenvolvimento de mecanismos de controle muito mais desafiador. Entretanto, as novas exigências dos processos de fabricação tem reiterado constantemente as necessidades de garantir, tanto off-line como on-line que as variáveis que participam do processo de soldagem atuem dentro de limites bem determinados. Dentre todos, Adolfsson (1998) e Quinn (1999) desenvolveram seus trabalhos procurando mostrar a real possibilidade, a partir da amostragem de tensão e corrente, de detectar alterações de qualidade ou condições não adequadas a partir do acompanhamento on-line do processo. Eles propuseram um relacionamento entre as variáveis classe Primário, nível 1, e as variáveis classe Avançado, nível 4, tentando introduzir a soldagem em uma forma diferente de acompanhamento da realizada até então. 2.2 Análise preliminar Assim, para obter os resultados descritos anteriormente, utilizando as variáveis de soldagem, dever-se-ia utilizar um sistema que teria como porta de entrada a aquisição eletrônica de dados monitorando a tensão de soldagem (coletada nos terminais da fonte de soldagem), a corrente de soldagem (coletada através de um sensor por efeito Hall), como o apresentado, de forma simplificada na Figura 2, que proporciona a monitoração das grandezas essenciais tensão do arco e da corrente de soldagem conforme relatado por Shinoda (1989) e Baixo (1990). Figura 2: Banco de ensaios para aquisição eletrônica de dados Durante o processo de aquisição, o computador armazena os valores lidos para a amplitude da tensão e da corrente em arquivos para serem posteriormente analisados. Para estes sinais, amostrados separadamente através dos sensores, a freqüência de amostragem e o número de pontos a serem aquisitados são fixos e geram gráficos de tensão do arco como o apresentado na Figura 3b e para a corrente de soldagem como o da Figura 3c. Autores como Shinoda (1989) e Baixo (1990) afirmam ser a tensão o melhor parâmetro para caracterizar o comportamento da soldagem devido ao mesmo estar diretamente relacionado com o comprimento do arco e conseqüentemente da estabilidade advinda do processo. Inicialmente pensou-se em operar a média para os pontos plotados no gráficos, entretanto devido as características do sinal, o desvio padrão é muito alto, correspondendo a uma incerteza elevada para que qualquer conclusão séria seja obtida. Observando a Figura 3b, verificou-se alguns picos de tensão para zero, que são representativos do tipo de transferência associada ao processo de soldagem (neste caso transferência por curto-circuito caracterizada em Santos, 1995, como picos para baixo com duração maior que 2 ms). A quantidade de transferências realizada durante a aquisição não é um indicador muito encontrado na literatura, entretanto acredita-se que ele traduz informações relativas a quantidade de material transferido entre o material de adição e o material base, visto que o tempo de curto é proporcional a quantidade de material que foi fundido e colocou a eletrodo e
base em curto. A gota formada leva algum tempo para ser separada do eletrodo e este tempo é mostrado no sinal de tensão, através do intervalo em zero Volt (Figura 3a). (a) (b) (c) Figura 3: Transferência do tipo curto-circuito entre o eletrodo e o metal base (a) e seus sinais de tensão e corrente característicos (b). Fonte: Adolfsson, 1998. A quantidade de picos, neste trabalho, foi contada através da implementação computacional de um algoritmo desenvolvido para verificar os picos que cortavam para baixo uma determinada linha de corte (para maior flexibilidade), em todas as janelas de um ensaio, com a utilização efetiva da média entre todas as janelas amostradas e do coeficiente de variação representando a regularidade dos picos em cada amostra. A Figura 4 deixa mais claro a motivação para utilização do coeficiente de variação. (a) (b) Figura 4: A linha preta representa o sinal original e a linha vermelha o sinal filtrado (filtro passa-baixa, freqüência de corte de 5Hz). (a) mostra uma instabilidade grande de transferências (b) mostra uma transferência estável. O sinal da Figura 4a mostra que em algum momento da amostragem ocorreu uma instabilidade na transferência de material de adição, reduzindo a quantidade de material depositado. O aumento da tensão neste intervalo pode amostrar variações na profundidade de penetração da solda. Assim, a combinação menos material, maior profundidade de penetração sugerem a presença de pequenos pontos suscetíveis à ocorrência de problemas quando a peça for submetida a esforço mecânico, completamente, diferente da regularidade observada na Figura 4b no mesmo ensaio. Deve-se deixar claro que os intervalos de amostragem são normalmente muito pequenos e não se pode afirmar categoricamente o quanto apenas uma amostra com grande variação altera o resultado final, entretanto, sinais com taxa de transferência completamente irregulares apresentam, inclusive, aspecto visual pouco aceitável. O restante do sinal representa a estabilidade do arco mostrada através da tensão de soldagem. Para dividir o sinal entre essas partes de tal maneira que possamos estudar, optouse pela utilização de filtros digitais, baseados em Transformada Rápida de Fourier FFT (Brigham, 1974). O filtro digital separa os picos de transferência e mostra o sinal de tensão que sustenta o processo de soldagem, associado a manutenção da abertura do arco elétrico. Na Figura 4 apresenta-se, através das linhas vermelhas, o sinal de tensão filtrado. Pode-se notar que o sinal mais instável é facilmente visualizado (Figura 4a), enquanto o sinal estável tem o sinal de tensão filtrado apresentado quase como uma reta (Figura 4b).
2.3 O indicador combinado proposto Não se pretende provar a validade da utilização deste indicador neste trabalho. Apenas demonstrar a flexibilidade da utilização de idéias como esta quando auxiliadas por ferramentas computacionais suficientemente flexíveis. Para construir o indicador, foram necessárias algumas considerações: Ensaios realizados com mesmos parâmetros de soldagem tendem a apresentar no sinal de tensão, médias iguais ou bastante próximas; A freqüência de transferências representa, proporcionalmente, a quantidade de material depositado sobre a peça que está sendo soldada; O coeficiente de variação da freqüência calculado sobre todas as janelas indica a estabilidade do processo de deposição do material de adição sobre o metal base; Conforme citado anteriormente, a tensão é o sinal que melhor representa as variações que ocorrem durante o processo de soldagem. Pretende-se, ao utilizar a tensão, que as soldas estejam sendo submetidas as mesmas condições de processo e, assim, possam ser comparadas. Desta forma, o indicador foi construído em duas etapas realizadas em seqüência, conforme apresentado a seguir: Escolha do ensaio considerado padrão; Separar os ensaios disponíveis que possuem nível de tensão próximo da média ± 3 desvios do sinal considerado padrão; Nos ensaios separados, ordenar os dados primeiro pela freqüência de transferências em ordem decrescente e segundo pelo coeficiente de variação em ordem crescente; A comparação baseada em um padrão foi construída para que o profissional da área de soldagem especificasse, conforme o caso, a sua opinião sobre um ou outro processo, garantindo uma maior flexibilidade as análises e conclusões. 2.4 Ferramenta computacional: CAWIS O CAWIS é um software desenvolvido para implementar algumas facilidades para o estudo dos sinais de tensão e corrente em soldagem. Ele foi desenvolvido visando concentrar as ferramentas de análise mais utilizadas em soldagem para minimizar o tempo de preparação de resultados e maximizar a capacidade de avaliação do profissional da área. O CAWIS está disponível para download no site da Escola Federal de Engenharia de Itajubá (www.iem.efei.br) e aguarda sugestões para que possa tornar-se muito mais útil. Os indicadores baseados na estabilidade da tensão de soldagem, freqüência de transferência e coeficiente de variações foram implementados através de uma instrução SQL utilizando os indicadores individuais disponibilizados e armazenados pelo sistema. 3. Resultados da utilização de medidas combinadas através do CAWIS Para fins de apresentação do CAWIS, serão utilizados os dados obtidos e já classificados em outros trabalhos, segundo as condições descritas na Tabela 2. O especialista analisa uma solda através das ferramentas do CAWIS ou por outros métodos e conclui que aquela pode ser considerada uma solda padrão para aquele tipo de ensaio. Neste caso, a solda padrão será representada pelo ensaio Lucil_06.dat. Através de um modelo de busca simples aos ensaios disponíveis no banco de dados o sistema separa os ensaios com tensão superior a média +- 3 desvios, descartando aqueles nos quais o processo de transferência acontece de forma similar, mas que não caracterizam o mesmo processo. Após isso o CAWIS ordena o banco de dados dos ensaios selecionados através
do campo freqüência de transferências, em ordem decrescente, e do campo coeficiente de variação, em ordem crescente. Arquivo Original Classificação Lucil_03.dat Melhor que o ensaio 4, porém com excesso de reforço. Lucil_04.dat Qualidade ruim (aspecto visual) devido ao excesso de reforço. Lucil_06.dat Melhor cordão. Lucil_08.dat Baixa qualidade. Lucil_01.dat Qualidade ruim. Lucil_02.dat Pouco depósito. Tabela 2: Apresentação e classificação dos ensaios utilizados para demonstração do CAWIS. É evidente que esta é apenas uma sugestão de um indicador composto para soldagem, entretanto, ela confirmou as expectativas classificando ensaios apresentados no início deste capítulo de acordo com a classificação (Figura 5). Figura 5: Resultado da pesquisa por padrão para os ensaios verificados no CAWIS. Examinando os resultados podemos observar que os ensaios com excesso de reforço foram classificados em primeiro lugar devido a classificação pela medida freqüência de transferência indicando alguma veracidade na idéia de que a quantidade de material pode realmente amostrar a quantidade de material utilizado. O ensaio chamado lucil_04 foi descartado pela variação de tensão acima dos 3 desvios do sinal escolhido como padrão. O ensaio chamado lucil_03 foi ordenado antes de todos por excesso de deposição de material. O ensaio chamado lucil_02 foi ordenado abaixo de lucil_03 devido ao pouco depósito de material em relação ao considerado padrão. Os ensaios lucil_08 e lucil_01 foram classificados na ordem de apresentação como qualidades baixa e ruim, apesar de lucil_08 ter um grande coeficiente de variação, lucil_01 ainda é pior visto que não houveram transferências. Este é, evidentemente, um resultado bastante positivo e justifica a existência de sistemas como o CAWIS, visto que o tempo de análise pode ser reduzido ao tempo de realização dos ensaios e a definição do padrão de busca. 4. Conclusões Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de informação voltado para a análise de sinais de soldagem e justifica o seu desenvolvimento com três pontos positivos: 1. Abertura de novas possibilidades de aplicação de sistemas de processamento de dados para a área de soldagem; 2. Geração e utilização de indicadores simples (atuando individualmente) ou compostos (atuando em conjunto com outro indicador)
3. Redução do tempo para análise dos dados obtidos nos sinais; Não foram utilizas novas soluções para os problemas de análise de dados em soldagem, apenas aplicou-se uma nova visão as soluções já utilizadas, lançando mão da capacidade de processamento disponível e permitindo a união de medidas para que novos resultados fossem obtidos, visto que as medidas individualmente não apresentavam resultados conclusivos. Para confirmar esta idéia os trabalhos de Quinn (1999) e Adolfsson (1999 e 1998) e o ensaio realizado com sucesso foram extremamente significantes para estas conclusões. 5. Referências Bibliográficas ADOLFSSON, S. BAHRAMI, A. BOLMSJÖ, G. E CLAESSON, I., On-line Quality Monitoring in Short-Circuit Gas Metal Arc Welding, Welding Research Supplement, Feb, 1999. ADOLFSSON, S. BAHRAMI, A. BOLMSJÖ, G. E CLAESSON, I., Quality monitoring in Robotised Spray GMA Welding, Int. J. for the Joining of Materials, 10, 1998. AMIN, M. e NASEER-AHMED, Synergic control in MIG welding, Metal Construction, Jan, 1987. BAIXO, C.E.I. e DUTRA, J.C., O estudo da transferência metálica no processo de Soldagem MIG/MAG através de projetor e de tratamentos oscilográficos de tensão e corrente, Revista Soldagem&Materiais, Brasil, Jan/Mar, 1990. BRIGHAM, E.O., The Fast Fourier Transform, Editora Prentice Hall, USA, 1974. CHAWLA, K.S., ARCWATCH Keeps a Beady Eye on Weld Quality, Industrial Robot, Vol. 21, No. 3, 1994. COSTA, L.S.S., Manufatura Integrada por Computador Sistemas Integrados de Produção: Estratégia, Organização, Tecnologia e Recursos Humanos, Editora Campus, Rio de Janeiro, 1995. COSTA, S.C., Método de avaliação de mão de obra para soldagem baseado em análise computacional, XIV COBEM, Bauru, SP, Dez, 1997. JÖNSSON, P.G., SZEKELY, J., MADIGAN, B. e QUINN, T.P., Power Characteristics in GMAW: Experimental and Numerical Investigation, Welding Research Supplement, March, 1995. JOHNSON, J.A., CARLSON, N.M., SMARTT, H.B. e CLARK, D.E., Process Control of GMAW: Sensing of Metal Transfer Mode, Welding Research Supplement, 1991. MALIN, V., Programming and control of welding processes experience of the U.S.S.R., Welding Research Council, bulletin 355, USA, 1990. QUINN, T.P., SMITH, C. McCOWAN, C.N. BLACHOWIAK, E. e MADIGAN, R.B., Arc Sensing for Defects in Constant-Voltage Gas Metal Arc Welding, Welding Research Supplement, USA, 1999. RAJASEKARAN, S., Weld Bead Characteristics in Pulsed GMA Welding of Al-Mg Alloys, Welding Research Supplement, December, 1999. SANTOS, M.G., Metodologia para comparação entre fontes inversora e eletromagnética para eletrodo revestido, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, Brasil, 1995. SHINODA et al.: An Evaluation of Short Circuiting Arc Phenomena in GMA Welding, Welding & Metal Fabrication, Vol. 57, Nº 10, pp. 522-525, Dec, 1989. RIPPEY, W.G., Proceedings of NIST Workgroup: Industry Needs in Welding Research and Standards Development, April, 1996. VASILE, D., VASILE, D., OWONA, N. e KOVACEVIC, R., An inteligent GMAW quality control using wavelet transform. Dallas, USA, 2000.