Modelagem Empírca da Transferênca Gotcular Projetada em Processos de Soldagem GMAW (Emprcal Modelng of Projected Spray Transfer n GMAW Processes) Jesús Emlo Pnto Lopera, Sadek C. Abs Alfaro, José Maurco S. T. Motta Unversdade de Brasíla, Departamento de Engenhara Mecânca, Brasíla, DF, Brasl, jesusemlo@unb.br; sadek@unb.br, jmmotta@unb.br Resumo Este trabalho apresenta uma metodologa para modelar emprcamente o modo de transferênca gotcular projetada em processos de soldagem GMAW utlzando algortmos de processamento de magens dgtas e a metodologa de superfíce de resposta. Modelos correspondentes ao tamanho e à frequênca de destacamento das gotas são obtdos em relação às entradas de tensão e velocdade de almentação do arame. Os dados expermentas de tamanho e frequênca de destacamento das gotas, com os quas foram desenvolvdos os modelos, foram calculados a partr de magens de transferênca metálca adqurdas com uma câmera de alta velocdade e a técnca de lumnação conhecda como perflografa. As técncas utlzadas na coleta dos dados e os modelos encontrados valdaram a metodologa proposta por apresentar uma correta representação do modo de transferênca. O empescoçamento produzdo pelo efeto pnch se apresentou como um parâmetro adequado para rastrear a formação das gotas e calcular a sua frequênca de destacamento. Palavras-chave: Transferênca gotcular; GMAW; modelagem empírca; metodologa de superfíce de resposta; processamento de magens dgtas. Abstract: Ths paper presents a methodology to get emprcal models of projected spray transfer mode n GMAW processes. Dgtal mage processng algorthms were used together wth the surface response methodology. Droplet sze and transfer rate models were obtaned n relaton to voltage and wre feed rate. To develop the models, expermental data collecton of droplet sze and transfer rate were calculated from metal transfer mages acqured wth a hgh-speed camera and backlghtng llumnaton. The technques for data collectng and the models constructed valdated the proposed methodology presentng a correct transfer mode representaton. The neck-shrnk produced by the pnch effect proved to be an approprate parameter to track and for calculatng the droplets transfer rate. Key-words: Spray transfer; GMAW; emprcal modelng; response surface methodology; dgtal mages processng.. Introdução (Recebdo em 6/3/; Texto fnal em 8/7/). O processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Weldng), baseado num arame-eletrodo nu consumível, almentado contnuamente, é referencado como um dos processos mas utlzados na produção ndustral devdo a sua facldade de automação, sua grande produtvdade e a qualdade de suas soldas. Uma alternatva aos arames macços em processos GMAW é o uso de arames com enchmento com lgas metálcas. Estes são denomnados arames tubulares ou, mas comumente, pelo termo em nglês metal-cored (MC). Os arames MC têm a função básca de adção de elementos de lga através da alma, embora mutos arames tubulares comercas exerçam também uma ação secundara metalúrgca. Como explcam Scott e Ponomarev [], os arames tubulares são dferentes aos eletrodos tubulares (flux-cored) utlzados nos processos FCAW (Flux Cored Arc Weldng). Lyttle [] expõe as vantagens que tem os arames MC sobre os arames macços e manfesta a mportânca dos mesmos nas demandas do mercado em processos GMAW. Atualmente ao redor do mundo realzam-se uma grande varedade de projetos de pesqusa enfocados no controle de processos de soldagem. Neste sentdo, os sstemas de controle precsam de modelos matemátcos que, dependendo dos parâmetros de entrada no sstema e as resposta desejadas pelos usuáros, ndquem ao sstema o rumo a segur em determnado nstante de tempo. No caso dos processos GMAW, uma das lnhas de pesqusa mas nteressantes é o controle da quantdade de materal depostado nos cordões de solda, na qual o tempo de formação e o tamanho atngdo pelas gotas são de grande mportânca. No caso partcular desta pesqusa foram analsados e modelados o tamanho e a frequênca de destacamento das gotas na transferênca gotcular projetada em um processo GMAW com um arame de tpo metal-cored. Os modelos vsam atngr de forma pratca as necessdades de futuros sstemas que permtam controlar a quantdade de materal depostado nas soldas. Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez 335
Jesús Emlo Pnto Lopera, Sadek C. Abs Alfaro, José Maurco S. T. Motta A construção dos modelos pode ser feta utlzando uma abordagem teórca de análse, como no caso da Teora do Balanço Estátco de Forças e a Teora da Instabldade Pnch, ou podem ser modelos empírcos determnados a partr da análse estátca de dferentes expermentos. As complexas correlações que exstem entre os fatores que governam a transferênca metálca e sua nfluênca nas respostas fazem com que os modelos teórcos sejam lmtados a poucos parâmetros, o que ndca que estudos expermentas anda são mportantes. Os modelos empírcos são obtdos através do estudo expermental dos parâmetros adotados e seus efetos. Entre as técncas de estudo mas utlzadas para estabelecer modelos empírcos em processos de soldagem encontram-se os expermentos fatoras, usados, por exemplo, por Subramanam et al. [3] e Praveen, Kang e Prasad [4], para dentfcar parâmetros de trabalho em GMAW-P, a regressão lnear, usada por Murray [5] para encontrar correlação entre fatores de entrada e respostas nos processos GMAW, e a metodologa de superfíce de resposta (MSR),usada por Correa et al. [6], para otmzar fatores de entrada com relação a característcas do cordão de solda. Benyouns e Olab [7] comparam estas e outras técncas de estudo, como redes neuras, em dferentes processos de soldagem e destacam o nteresse na adaptação de modelos baseados em MSR e o potencal que estes têm na otmzação de parâmetros que consgam gerar processos de soldagem seguros, econômcos, de boa aparênca e boa qualdade. Assm, o objetvo deste trabalho é utlzar a metodologa de superfíce de resposta para encontrar os modelos empírcos de tamanho e frequênca de destacamento das gotas que representem a transferênca gotcular projetada. Metodologas de processamento de magens dgtas foram propostas para medr de forma automátca o tamanho e a frequênca de destacamento das gotas a partr da flmagem dos expermentos com uma câmera de alta velocdade e a técnca conhecda como perflografa. No caso da medção da frequênca de destacamento, trabalhos como Maa [8] se baseam em uma regão (janela) pela qual passa uma gota em transferênca e assm é regstrada (contada); a resposta desse mecansmo tem bons resultados e é mas rápda que a apresentada neste trabalho. A dfculdade desta técnca é que o quantfcador depende de um segmento específco da magem e conta tudo o que passe pela janela, assm, este pode ser suscetível ao ruído externo que pode vr da poça, do arame ou até de um possível respngo; por outro lado, se a mesma gota aparece em varas magens e passa pela janela, a gota podera ser contada mas de uma vez. Este problema pode ser soluconado dmnundo-se o tamanho da janela, mas para uma taxa de aqusção de magens de quadros por segundo (a metade da usada por Maa [8] e a mesma deste trabalho) e para qualquer sequênca de magens ndependente dos parâmetros de solda não se pode garantr uma regão lvre de ruído tal que a gota passe por ela só uma vez e que todas as gotas destacadas sejam contadas. Por esse motvo, a metodologa proposta neste trabalho está baseada no segumento da formação das gotas na ponta do arame, o qual permte dentfcar e contar o destacamento de cada gota durante o processo. A medção do tamanho de cada gota é feta pela contagem dos pxes que as conformam e a robustez do algortmo apresentado está na correta delmtação da gota.. Transferênca gotcular projetada Os modos naturas de transferênca metálca num processo de soldagem GMAW se apresentam em dos grupos: de curto crcuto e de vôo lvre. No segundo grupo encontra-se a transferênca gotcular projetada, conhecda em nglês como projected spray [9]. Este modo de transferênca é mportante nos setores ndustras que envolvem processos de soldagem de chapas grossas devdo a apresentar altas densdades de corrente e, com elas, altas temperaturas e penetração. A transferênca ocorre bascamente com gases de proteção a base de argôno e com eletrodo postvo. Este modo de transferênca é caracterzado pela passagem de pequenas gotas unformes de forma sequencal, em alta frequênca (na ordem de centenas por segundo) desde a ponta do arame até a peça a soldar. O IIW (Internatonal Insttute of Weldng) [] defnu que, no modo de transferênca gotcular, o dâmetro das gotas é menor que,5 vezes o dâmetro do eletrodo. Com o aumento da corrente no processo de soldagem o tamanho das gotas em transferênca se reduz e a frequênca de destacamento aumenta. Este comportamento é devdo prncpalmente ao conhecdo efeto pnch, o qual é produzdo pelas forças de Lorentz ao redor do arame. Scott e Ponomarev [] descrevem que a densdade de corrente através do arame e do campo magnétco ao redor do mesmo vão produzr forças radas no sentdo do centro do arame. Estas forças são as denomnadas forças de Lorentz e quanto maor a corrente, maores são as forças. Para um condutor sóldo, o efeto destas forças pode ser desprezado, mas para um condutor líqudo (como o caso da gota metálca), as forças de Lorentz deslocam a superfíce para o centro do condutor. Desta forma, a gota tende a se alongar na dreção oposta ao eletrodo, formando um empescoçamento da gota no acoplamento com o arame produzndo o efeto pnch. Com base neste conceto, no presente trabalho são fetas meddas do dâmetro da gota em formação e do pescoço para determnar o destacamento de cada gota, e assm, a frequênca de destacamento do processo de transferênca gotcular. 3. Metodologa de Superfíce de Resposta A metodologa de superfíce de resposta é um conjunto de técncas estatístcas e matemátcas usadas para modelar processos nos quas as respostas sejam nfluencadas por dferentes varáves ndependentes (fatores de entrada). O modelo gerado permte estmar o valor da resposta do processo em função das varáves de estudo dentro da regão de trabalho. O gráfco obtdo a partr do modelo em função das varáves de entrada é a superfíce de resposta, e permte nspeconar vsualmente a resposta para certa regão (valores) das varáves de entrada. Entre os planejamentos expermentas na MSR mas conhecdos encontra-se o Planejamento Composto Central (PCC), o qual está baseado em um planejamento fatoral completo mas um planejamento estrela com réplcas do ponto central e é usado em modelos de segunda ordem. Neste caso, os testes do planejamento fatoral são utlzados para a obtenção dos termos lneares e de nteração, os testes do planejamento estrela fornecem os termos de segunda ordem e os testes replcados (no ponto central) fornecem uma estmatva do erro expermental. Na concepção 336 Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez
Modelagem Empírca da Transferênca Gotcular Projetada em Processos de Soldagem GMAW dos modelos, as varáves de entrada são codfcadas de forma que as dferenças entre as undades de medda das varáves não nfluencem as respostas do modelo. As varáves de entrada são codfcadas a partr da segunte expressão: x j î = j (max(î (max(î j j ) + mn(î ) mn(î j ) j ) / /, onde x j ndca a varável codfcada e ξ j o valor real da varável de entrada, j representa a varável de entrada; max(ξ j ) e mn(ξ j ) são os valores reas do planejamento fatoral. Depos de defnda a regão de estudo, os valores dos níves codfcados e das varáves de entrada são estabelecdos pelo PCC, mas as respostas do modelo ncal estão dadas em função dos níves codfcados, de forma que a Equação seja utlzada para traduzr as respostas do modelo aos valores reas (modelo fnal). Para estabelecer o modelo na metodologa de superfíce de resposta, Myers, Montgomery e Anderson-Cook [] fazem uso da técnca de regressão múltpla, na qual, para o caso de um modelo de segunda ordem, se tem a forma: y = x β + β x + β x + β x + β x + β x + ε, onde y representa a resposta, x a varável de entrada e ε o desvo aleatóro do modelo e assume-se que este tem uma dstrbução normal com méda zero e varânca σ. Os termos β representam os parâmetros que determnam o modelo e são chamados de coefcentes de regressão. Para determnar estes coefcentes, geralmente é utlzado o prncpo dos mínmos quadrados. Em geral, o planejamento expermental do PCC para um modelo de segunda ordem e duas varáves de entrada é desenvolvdo como se ndca na Tabela. Tabela. Planejamento expermental do PCC. Onde: y,y,...,y são as respostas dos expermentos. Assm, Varáves codfcadas Respostas Observação x x - - y - y 3 - y 3 4 y 4 5 - y 5 6 y 6 7 - y 7 8 y 8 9 y 9 y y y () () para encontrar os valores dos coefcentes de regressão se utlza a Tabela nas seguntes expressões: y y y = y n X = Onde os valores dos coefcentes são dados pelo vetor b, da segunte forma: b =, e os coefcentes são apresentados como: b = b, b, b, b3, b4, b5. Assm, para o caso do modelo de segunda ordem, este é expresso por uma equação matemátca da segunte forma: A varação apresentada pelo modelo com respeto aos valores meddos é dada pelo coefcente de varação múltpla, dado por: n = ( y yˆ ) Radj = n n ( k + ) (7) = ( y y) Onde cada valor de ŷ e dado pela equação do modelo avalada nas varáves de entrada utlzadas na resposta y. O valor y é a méda amostral dos resultados expermentas. 4. Planejamento Expermental x T T ( X X) X y x = b + b x + bx + b3 x + x 4x De acordo com o planejamento composto central da metodologa de superfíce de resposta, foram seleconados nove pontos de trabalho dentro da regão de transferênca gotcular projetada. As respostas meddas e os fatores de entrada dos expermentos concdram com as respostas e as varáves de entrada dos modelos. Por serem as respostas meddas dependentes de x y ˆ b + b x x n 5 x x (3) (4) (5) (6) Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez 337
Jesús Emlo Pnto Lopera, Sadek C. Abs Alfaro, José Maurco S. T. Motta parâmetros como o tpo de gás de proteção ou composção e dâmetro do arame-eletrodo, neste trabalho os expermentos foram estabelecdos exclusvamente para varações de tensão e velocdade de arame, fatores de controle tradconas de uma fonte de energa de tpo tensão constante. Os fatores de entrada restantes foram mantdos constantes durante os expermentos. Deste modo, os parâmetros de trabalho constantes foram: dstânca bco de contato-peça (DBCP), 8 mm; vazão de gás de proteção, 4 ltros/mn (medda na saída do clndro); velocdade de soldagem, mm/s; ângulo de ataque reto. Os materas utlzados foram: eletrodo do tpo arame tubular 4NMo MC, com dâmetro de. mm (materal dsponível no laboratóro para testes); materal de base de aço em formato de chapa plana; gás de proteção a base de Ar e 5% CO ; e fonte de soldagem Fronus Trans Puls Synergc 5. Desta forma, observando as flmagens de transferênca metálca obtdas em dferentes expermentos com dferentes parâmetros de entrada na fonte de soldagem, os lmtes da regão de trabalho foram estabelecdos como: Intervalo de velocdade de almentação de arame (ξ ) entre 5.7 e 7.3 m/mn; Intervalo de tensão (ξ ) entre 6.5 e 9.5 V. O ponto central do PCC encontra-se na metade da regão de trabalho, em 8 V e 6.5 m/mn de tensão e velocdade de almentação do arame respectvamente. A Fgura apresenta a dstrbução dos nove pontos de trabalho na regão de estudo em relação às varáves de entrada. Os valores correspondentes às varáves codfcadas em ± (testes do planejamento estrela) foram arredondados para uso na fonte de soldagem. A Tabela apresenta a relação entre varáves codfcadas e varáves de entrada nos pontos de trabalho utlzados, segundo a Fgura e a Tabela. Fgura. Planejamento expermental para as duas varáves de entrada; velocdade de almentação do arame (ξ ) e tensão (ξ ) Tabela. Relação entre varáves codfcadas e varáves de entrada Varáves Varáves de entrada codfcadas Observação x x Velocdade de almentação ( î ) (m/mn) Tensão ( î ) (V) - - 6 7-7 7 3-6 9 4 7 9 5-5.8 8 6 7. 8 7-6.5 6.6 8 6.5 9.4 9 6.5 8 5. Medção de Parâmetros As respostas dos expermentos foram meddas usando técncas de processamento de magens dgtas em sequêncas de fotografas da transferênca metálca, adqurdas por meo de uma câmera de alta velocdade, e a técnca de perflografa (descrta em trabalhos como Balsamo et al. []). Para o caso neste trabalho, o clássco arranjo de lente dvergente-convergente, utlzado como expansor do fexe laser pela perflografa, fo alterado para um arranjo de lente dvergente e dos espelhos côncavos, como descrto em Lopera [3] e Lopera et al. [4]. A câmera utlzada é do tpo CMOS (DALSA, modelo DS--M5) com flmagens fetas a uma taxa de quadros por segundo, com resolução espacal de 8x96 pxes e 56 tons de cnza por um tempo de 6 segundos. A Fgura apresenta, como exemplo, uma sequênca de magens adqurdas durante os expermentos. Com base na metodologa descrta em Lopera [3] e Lopera e Alfaro [5], para medr os parâmetros de nteresse de um processo de transferênca gotcular, são analsadas sequêncas de magens. A frequênca de destacamento é calculada pela contagem das gotas que são transferdas para a poça durante um ntervalo de tempo. O tamanho das gotas é meddo a partr das gotas que são transferdas para a poça neste mesmo período. Desta forma, após o processo de aqusção das magens, a metodologa empregada pode ser descrta nos seguntes passos: Pré-processamento da magem dgtal Lmarzação das magens Rotulação de objetos Medção do tamanho da gota Medção da frequênca de destacamento 338 Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez
Modelagem Empírca da Transferênca Gotcular Projetada em Processos de Soldagem GMAW Fgura. Sequênca de magens obtdas no modo de transferênca gotcular em 6ms de soldagem [3] 5.. Pré-processamento da magem dgtal Apesar de apresentar um contraste favorável entre os objetos e o fundo, as magens de perflografa são caracterzadas pela presença constante de ruído gaussano, causado prncpalmente pela dstrbução da energa do laser e sua nteração com partículas muto pequenas no ar ou nas lentes e vdros de proteção. Um ruído de outra natureza, mas evdente, aparece devdo à sujera nos vdros de proteção causada prncpalmente por respngos, como mostrado na Fgura 3. A função prncpal do pré-processamento é melhorar a magem, reduzndo ruídos, de forma a aumentar as chances de sucesso dos processos seguntes. Fgura 4. Aplcação dos fltros; (a) magem orgnal; (b) com o fltro gaussano; (c) com o fltro medana 5.. Lmarzação das magens Fgura 3. Ruído nas magens adqurdas Com base no trabalho de Maa [8], neste trabalho optou-se pela utlzação de fltros espacas de suavzação para redução de ruído. Para sto, foram utlzados um fltro gaussano lnear e um fltro medana não-lnear, ambos construídos com máscaras (kernel) de tamanho 3x3. O fltro gaussano tem como fnaldade suavzar a magem, ponderando o valor dos pxes de acordo com os seus vznhos. O fltro medana é utlzado para elmnar pxes solados, retrando da magem grandes áreas com ruído não-lnear na forma de regões compostas por cadeas de pxes separados. A aplcação sequencal dos fltros sobre uma magem pode ser vsta na Fgura 4. O passo segunte no processamento é dvdr a magem em partes ou objetos que a consttuem, permtndo dferencar estes objetos entre s e do fundo na magem (neste caso os objetos são o arame, as gotas e a chapa). Este passo é conhecdo comumente como segmentação. Neste trabalho, o prmero estágo na segmentação das magens é feto com a técnca de lmarzação, que consste em aplcar um lmar de tom de cnza (T) à magem ( f(x,y) 55), de tal forma que haja apenas dos tons, ou seja, transforma-se a magem de tons de cnza em uma magem bnára em preto e branco (g(x,y)). Neste trabalho, utlza-se somente um únco lmar para cada magem, o que permte denomnar este estágo de lmarzação também de bnarzação. A lmarzação é aplcada segundo a segunte relação: g( x, y) = se f se f ( x, y) < T ( x, y) T Neste trabalho, a lmarzação é feta automatcamente, com base no método de Otsu [6], em duas etapas: uma global e outra de caráter dnâmco (de acordo com a classfcação de Weska [7]). No caso da lmarzação global, utlza-se apenas a nformação de ntensdade da magem (valor dos tons de cnza), e é (8) Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez 339
Jesús Emlo Pnto Lopera, Sadek C. Abs Alfaro, José Maurco S. T. Motta realzada na magem ntera. A lmarzação dnâmca, além de utlzar a nformação de ntensdade, utlza coordenadas espacas para delmtar regões dentro da magem nas quas é realzada a lmarzação. Além de reduzr a nteração do usuáro com o processo, a lmarzação automátca tem mportânca em função da exstênca de varações no comprmento e na corrente do arco, além de outros fatores, que fazem com que a ntensdade lumnosa do arco se altere. Deste modo, os tons de cnza na magem dos objetos afetados pelo arco (gotas e ponta do arame) se alteram também, bem como o ruído presente no fundo da magem, o que exge um lmar dferente para cada magem para garantr uma correta segmentação de objetos. Na lmarzação de caráter global, o nteresse é elmnar ruído e dentfcar o prncpal objeto na magem, o arame. A Fgura 5 apresenta os resultados do processo de lmarzação global em uma magem adqurda da transferênca metálca. Pode-se ver que, após a lmarzação, algumas gotas na magem (Fgura 5 (b)) apresentam perda de nformação relevante (de pxes). Isto ocorre porque as gotas são envolvdas pelo arco, fazendo com que algumas regões das magens das mesmas fquem comprometdas, apresentando tons de cnza com maor valor que o lmar e, por sso, elmnadas no processo de bnarzação. tenha um valor dferente. Deste modo, os objetos são completamente dentfcados, um a um, tornando possível contar e regstrar as coordenadas de cada um de seus pxes, permtndo defnr o tamanho e a localzação espacal de cada um. Nesta etapa, o ruído que não fo totalmente elmnado no processo de lmarzação global é removdo da magem com uma regra de tamanho, comparando cada objeto com o tamanho da chapa. O ruído restante não supera 3% da área da chapa. Pode-se verfcar, na Fgura 6, o uso da rotulação na elmnação de ruído. Fgura 6. Elmnação total de ruído; (a) magem orgnal; (b) magem sem ruído depos da rotulação 5.4. Medção do Tamanho das Gotas Fgura 5. Lmarzação da magem com o método de Otsu; (a) magem orgnal; (b) magem lmarzada 5.3. Rotulação de objetos Uma vez que os objetos da magem são separados do fundo, é necessáro dferencá-los entre s. Para sso, todos os pxes que pertencem ao mesmo objeto serão dentfcados com o mesmo rótulo. Este processo é conhecdo como rotulação e basea-se prncpalmente nas característcas de conectvdade entre pxes de um mesmo objeto. No caso deste trabalho, a rotulação é feta percorrendo a magem pxel por pxel, da esquerda para a dreta e de cma para baxo. A avalação de conectvdade é feta com os 8 pxes mas próxmos (conectvdade-8). Em alguns casos, depos de fazer o prmero processo de rotulação, alguns objetos podem apresentar dos ou mas rótulos dferentes, o que torna necessáro um processo de equalzação de rótulos nos objetos; sto é feto percorrendo novamente a magem e verfcando que todos os vznhos conexos ao pxel (em estudo) tenham o mesmo rótulo, se não, aplca-se o rótulo correspondente ao vznho que Com a rotulação dos objetos são extraídas as coordenadas de lnha e coluna () do últmo pxel (de cma para baxo) da ponta do arame e, também, as coordenadas do prmero pxel da chapa. O prmero pxel da chapa é tomado como o prmero de cma para baxo e da esquerda para a dreta (na chapa), local que não é nfluencado pelo cordão. Desta forma, delmta-se a regão do arco compreendda entre a ponta do arame e a chapa (como apresenta a Fgura 7 (c) e (d)). Nesta área, novamente se utlza o método de Otsu, fnalzando-se a etapa de lmarzação dnâmca (Fgura 7 (e) e (f)). Um processo de rotulação é feto novamente nesta regão para obter nformação (número e posções dos pxes) dos objetos contdos nela. O ruído remanescente nesta lmarzação pode ser elmnado faclmente com a regra de tamanho empregada na lmarzação global. Geralmente a ponta da gota também aparece neste passo, mas ela é faclmente dentfcável (aparece na prmera lnha da regão) e não é consderada por não ser de mportânca neste passo. Uma prmera medção, chamada área da gota, é feta como sendo a soma dos pxes que conformam a gota. Neste trabalho, a medção do tamanho é feta calculando o dâmetro das gotas com a relação apresentada na segunte expressão: D = área da π gota Outros trabalhos, como por exemplo, Fgueredo [8], medem o dâmetro da gota como o número de pxes que ocupam (9) 34 Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez
Modelagem Empírca da Transferênca Gotcular Projetada em Processos de Soldagem GMAW Fgura 7. Processo para medr o tamanho da gota; (a) e (b) Imagens de transferênca; (c) e (d) zona de nfluênca do arco para suas respectvas magens à esquerda; (e) e (f) lmarzação dnâmca; (g) e (h) gota lmpa para efetos de comparação vsual [3] Fgura 8. Regão de analse para medr a frequênca de destacamento, para duas magens dferentes [3] uma lnha através do centro da gota, outros, como por exemplo, Weglowsk, Huang e Zhang [9] utlzam a méda artmétca do número de pxes através da coluna e da lnha que passam pelo centro da gota. A conversão de undades (de pxes para mlímetros) pode ser feta de dferentes formas, por exemplo, com o uso de uma tela (referênca) graduada com as undades desejadas como explca Maa [8] em seu trabalho, com uma adequada calbração da câmera a partr da dstanca focal das lentes utlzadas e a dstanca do objeto à câmera como é documentado em Trucco e Verr [], ou como no presente trabalho, com uma equvalênca de undades, sendo que o dâmetro do arame nas magens é 6 pxes e em mlímetros é.. Este método é menos robusto que os anterores, mas encontram-se resultados acetáves, quando não se conta com as ferramentas nem os dados utlzados nos métodos menconados anterormente. 5.5. Medção da Frequênca de Destacamento Para medr a frequênca de destacamento é necessáro contar o número de gotas que são transferdas no processo durante um tempo fxo (neste caso ms). Assm, uma nova lmarzação dnâmca ao redor da ponta do arame é feta, recuperando os possíves pxes perddos no processo de lmarzação global. Desta forma, segue-se quadro a quadro a ponta do arame em cada magem procurando acompanhar o processo de empesco- Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez 34
Jesús Emlo Pnto Lopera, Sadek C. Abs Alfaro, José Maurco S. T. Motta Fgura 9. Faxas e no exo vertcal da regão de analse. (a) Ponta do arame com a gota em formação; (b) ponta do arame depos do destacamento [3] Fgura. Dâmetro das gotas. (a) Densdade de Probabldade VS Dâmetro de gotas; (b) Probabldade VS Resíduos çamento produzdo pelo efeto Pnch na formação das gotas. Utlzando as coordenadas da ponta do arame proporconadas pelo processo de rotulação, determna-se uma regão de análse com comprmento gual ao dobro do dâmetro do arame, onde sua últma lnha concde com a lnha do últmo pxel do arame, como ndca a Fgura 8. Para saber se uma gota fo desprendda, são efetuadas medções da largura do pescoço e da gota sobre esta regão. Os estudos realzados sobre as magens ndcaram que exstem duas faxas favoráves a medções da largura do pescoço e da gota dentro da regão de análse. Cada faxa é formada por 4 lnhas de pxes. A prmera, chamada de Faxa, está localzada a um quarto do níco da regão de análse no exo vertcal (Fgura 9), utlzada para mensurar o pescoço. A segunda, chamada de Faxa, está localzada a três quartos da regão e se utlza para mensurar a gota. Neste caso, a largura denota a soma dos pxes contdos nas lnhas que formam cada faxa como ndca a Fgura 9. Quando a gota está se formando e o pescoço se manfesta, o número de pxes localzados na Faxa é menor que o número de pxes que está na Faxa. Depos do destacamento da gota até o aparecmento do pescoço, o resultado é oposto, como pode ser observado na Fgura 9. A comparação das faxas e o segumento do processo quadro por quadro ndcam a frequênca de destacamento das gotas no processo de soldagem. 6. Resultados 6.. Sstema de medção de parâmetros As Fguras e apresentam os gráfcos de densdade de probabldade e de probabldade normal dos resíduos das me- 34 Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez
Modelagem Empírca da Transferênca Gotcular Projetada em Processos de Soldagem GMAW Fgura. Frequênca de destacamento. (a) Densdade de Probabldade VS Frequênca de destacamento; (b) Probabldade VS Resíduos dções do dâmetro e da frequênca de destacamento das gotas respectvamente, no ponto de trabalho 7 V de tensão e 7 m/ mn de velocdade de almentação do arame. Pode-se verfcar nos gráfcos que os valores têm uma tendênca central e que ndcam uma dstrbução normal das medções. Estes comportamentos, encontrados também nos outros pontos de trabalho, são esperados por ser a transferênca gotcular projetada referencada como a mas estável nos modos de transferênca naturas na soldagem GMAW e sugerem um comportamento acetável do sstema de medção. A Tabela 3 apresenta os resultados da medção do dâmetro e da frequênca de destacamento nos 9 pontos de trabalho, com as quatro repetções no ponto central (x =, x = ; ξ = 6.5 m/ mn, ξ = 8 V) que estabelece o planejamento expermental. Cada resultado é a méda amostral de 5 medções dferentes no mesmo ponto de trabalho. No caso das medções da frequênca de destacamento das gotas que foram meddas para um tempo de ms, os resultados foram multplcados por para ter-se um valor de frequênca aproxmado a um segundo. Tabela 3. Resultados encontrados nas medções do planejamento expermental Varáves de entrada Respostas Obser- -vação Velocdade de almentação (ξ ) (m/mn) Tensão (ξ ) (V) Dâmetro (mm) Frequênca de destacamento (Gotas/s) 6 7.37 3.34 7 7.7 74.94 3 6 9.33 4.4 4 7 9.64 5.77 5 5.8 8.34 6.5 6 7. 8.9 8.65 7 6.5 6.6.33 4.5 8 6.5 9.4.83 83.48 9 6.5 8.7 58.8 6.5 8.76 55.4 6.5 8.7 56. 6.5 8.69 59.57 De acordo com dferentes referêncas bblográfcas, ao aumentar a velocdade de almentação de arame numa fonte de tpo tensão constante e manter os demas fatores de entrada constantes, a corrente do processo aumenta. No caso de aumentar a tensão e fxar os outros parâmetros de entrada, o comprmento do arco aumenta e o comprmento energzado do arame dmnu pelo que o calor gerado por efeto Joule no arame dmnu também, assm que, a corrente tende a aumentar e a taxa de consumo e mantda constante no processo. O aumento da corrente provoca um aumento na magntude das forças de Lorentz, ocasonando que as gotas sejam formadas em menor tempo e assm sejam de menor tamanho e apresentem um aumento da frequênca de destacamento. Este comportamento é apresentado nos resultados apresentados na Tabela, na qual as varáves de entrada são a velocdade de almentação do arame e a tensão de trabalho utlzadas na maquna de soldagem. Um fato mportante é que o maor dâmetro de gota encontrado no ponto de trabalho 6 m/ mn, 7 V não superou mas de.4 vezes o dâmetro do eletrodo, o que concorda com o crtéro adotado do IIW. 6.. Modelagem Utlzando a Tabela 3 no vetor de resultados (Equação (3)) e com as Equações () e (5), o modelo de segunda ordem encontrado para o dâmetro das gotas em função da tensão e velocda- Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez 343
Jesús Emlo Pnto Lopera, Sadek C. Abs Alfaro, José Maurco S. T. Motta de de almentação do arame é: ˆ y D = 95.99 + 5.6ξ + 7.75ξ +.8ξ.ξ. 3 ξ ξ (), as undades de medda deste modelo são pxes, a mudança para mlímetros é feta com a equvalênca comentada com anterordade. Para a frequênca de destacamento, o modelo encontrado fo: ˆ y F = 4737.7 679.78ξ 98.5ξ + 5.ξ +.46ξ + 9. 88ξξ () A Tabela 4 apresenta a varânca, o desvo padrão e a porcentagem do coefcente de determnação múltpla ajustado ( R ) para cada modelo encontrado. adj Tabela 4. Varânca, desvo padrão e porcentagem do coefcente de determnação múltpla ajustado Modelo Varânca Desvo padrão % R adj Tamanho das gotas Frequênca de destacamento.5 mm.575 mm 94.% 8. (gotas/s) 4.7 gotas/s 98.35% Desta forma, pode-se observar que os modelos conseguem representar em 94% e 98.35% os resultados encontrados nos expermentos, consderados adequados para descrever o comportamento da transferênca metálca nos processos. Como ndcam Myers, Montgomery e Anderson-Cook [], com os resultados reas dos expermentos y e os valores entregados pelos modelos ŷ, outra abordagem efcaz de avalar a adequação do modelo é calcular os resíduos ( e = y yˆ ) e dspor grafcamente Fgura. Gráfcos de probabldade normal dos resíduos dos modelos. (a) Para o dâmetro; (b) para a frequênca de destacamento Fgura 3. Superfíces de resposta dos modelos. (a) Para o dâmetro; (b) para a frequênca de destacamento 344 Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez
Modelagem Empírca da Transferênca Gotcular Projetada em Processos de Soldagem GMAW algumas das quantdades calculadas. Examnam-se os gráfcos para confrmar a opção do modelo ou para obter ndcações de que o modelo não é o aproprado. Os gráfcos a utlzar podem ser y versus ŷ, e versus ŷ, ou gráfco de probabldade normal dos resíduos, entre outros. Neste caso, a Fgura apresenta os gráfcos de probabldade normal dos resíduos para cada modelo encontrado. Os gráfcos mostram que os resíduos são dstrbuídos ao longo da lnha reta que representa a dstrbução normal, o que reforça a boa aproxmação dos modelos aos processos de transferênca. Fnalmente, a Fgura 3 apresenta as superfíces de resposta encontradas para os modelos do tamanho e da frequênca de destacamento das gotas. As superfíces de resposta permtem observar o comportamento advertdo na Tabela 3, à medda que os valores da tensão e da velocdade de almentação do arame aumentam, o tamanho das gotas dmnu e a frequênca de destacamento aumenta, ndcando o aumento da corrente em ambos os casos. 7. Conclusões Este artgo apresenta uma metodologa capas de ser reproduzda para dferentes condções de trabalho e que permte medr e modelar o tamanho e a frequênca de destacamento das gotas na transferênca gotcular projetada em processos de soldagem GMAW. A metodologa de superfíce de resposta permtu encontrar dos modelos de segunda ordem que representam o comportamento da transferênca gotcular projetada, para um processo de soldagem GMAW partcular com arame MC, gás de proteção e dstânca bco de contato-peça constantes. Os gráfcos de probabldade normal dos resíduos, assm como as porcentagens dos coefcentes de determnação múltplas ajustados, permtram observar que os modelos estão representando de forma correta o dâmetro e a frequênca de destacamento das gotas durante os processos de soldagem, valdando em 94% e 98%, respectvamente, os resultados encontrados nos expermentos. Pode-se conclur que os modelos foram valdados como adequados para descrever a transferênca. Com respeto às técncas de processamento de magens dgtas utlzadas para medr as respostas dos expermentos, pode-se dzer que a chave do seu êxto está em determnar corretamente as coordenadas da ponta do arame e da superfíce da chapa, que não estejam sendo alcançadas pelo arco e, com elas, delmtar as regões do arco e da ponta do arame, essencas para realzar as medções de dâmetro e frequênca de destacamento. Este ponto é corretamente atngdo com o processo de rotulação dos objetos. Em referênca à frequênca de destacamento, pode-se dzer que os gráfcos de densdade de probabldade e de probabldade normal dos resíduos, bem como a sua superfíce de resposta, permtem conclur que o empescoçamento produzdo pelo efeto Pnch na formação das gotas é um parâmetro adequado para rastrear a formação das mesmas e, desta forma, para calcular a frequênca de destacamento. 8. Referêncas Bblográfcas [] SCOTTI, A.; PONOMAREV, V. Soldagem MIG/MAG: melhor entendmento, melhor desempenho. São Paulo, Brasl: Artlber Edtora, 8, 84 p. [] LYTTLE, K.A. Metal cored wres: where do they ft n your future?. Weldng Journal, v. 75, p. 35-4, 996. [3] SUBRAMANIAM, S.; WHITE, D.; JONES, J.; LYONS, D. A Method for selecton of process parameters n pulsed GMAW helps to effcently develop weldng procedures. Weldng Journal, v.78, n.5, p.66-7, 999. [4] PRAVEEN, P.; KANG, M.J.; PRASAD, Y. Behavour of metal transfer modes n pulse gas metal arc weldng of alumnum. In: PROCEEDINGS OF 6 ADVANCED MATERI- ALS PROCESSING TECHNOLOGIES CONFERENCE, 6, Las Vegas, USA, p.-8. [5] MURRAY, P.E. Selectng parameters for GMAW usng dmensonal analyss. Weldng Journal, v.8, n.7, p.5-3,. [6] CORREIA, D.; GONGALVES, C.; CUNHA, S.; FERRA- RESI, V. Comparson between genetc algorthms and response surface methodology n GMAW weldng optmzaton. Journal of Materals Processng Technology, v. 6, p. 7-76, 5. [7] BENYOUNIS, K.Y.; OLABI, A.G. Optmzaton of dfferent weldng processes usng statstcal and numercal approaches a reference gude. Advances n Engneerng Software, v.39, p.483-496, 8. [8] MAIA, T.C. Utlzação de técncas de processamento dgtal de magens no estudo de transferênca metálca em soldagem a arco voltaco.. 4p. Dssertação (Mestrado), Faculdade de Engenhara Elétrca, Unversdade Federal de Uberlânda, Uberlânda, M-G, Brasl. [9] SCOTTI, A.; PONOMAREV, V.; LUCAS, W. A Scentfc applcaton orented classfcaton for metal transfer modes n GMA weldng. Journal of Materals Processng Technology, v., p. 46-43,. [] IORDACHESCU, D.; LUCAS, W.; PONOMAREV, V. Revewng the classfcaton of metal transfer. IIW Doc., No. XII-888-6, 6. p. [] MYERS, R.H.; MONTGOMERY, D.C.; ANDERSON- COOK, C. Response surface methodology: process and product optmzaton usng desgned experments. 3 ed. New Jersey, USA: John Wley & Sons, 9, 68p. [] BÁLSAMO, P.S.; VILARINHO L.O.; VIELA, M.; SCOT- TI, A. Development of an expermental technque for studyng metal transfer n weldng: synchronzed shadowgraphy. Internatonal Journal for the Jonng of Materals, v., n., p.-,. [3] LOPERA, J.E.P. Modelagem empírca da transferênca gotcular projetada em processos de soldagem GMAW baseada em técncas de processamento de magens dgtas e superfíces de resposta.. 36p. Dssertação (Mestrado), Faculdade de Tecnologa, Unversdade de Brasíla, Brasíla, Brasl. [4] LOPERA, J.E.P.; RAMOS, E. G.; CARVALHO, G. C.; AL- FARO, S. Uso da técnca de perflografa para vsualzação dos modos de transferênca metálca no processo de soldagem GMAW usando uma câmera CMOS de alta velocdade. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRI- CAÇÃO, 6º,, Caxas do Sul, RS, Brasl. [5] LOPERA, J.E.P.; ALFARO, S. Response surface methodology to model the projected spray metal transfer n GMAW. Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez 345
Jesús Emlo Pnto Lopera, Sadek C. Abs Alfaro, José Maurco S. T. Motta In: st BRAZILIAN CONGRESS OF MECHANICAL ENGI- NEERING,, Natal, RN, Brazl. [6] OTSU, N. A threshold selecton method from gray-level hstograms. IEEE Transactons on Systems, Man and Cybernetcs, v.9, n., p.6-66, 979. [7] WESKA, J.S. A survey of thresholdng selecton technques. Computer Graphcs and Image Processng, v.5, p.38-399, 978. [8] FIGUEIREDO, K.M. Mapeamento dos modos de transferênca metálca na soldagem MIG de alumíno.. 75p. Dssertação (Mestrado), Faculdade de Engenhara Mecânca, Unversdade Federal de Uberlânda, Uberlânda, Brasl. [9] WEGLOWSKI,M.; HUANG, Y.; ZHANG, Y. Effect of weldng current on metal transfer n GMAW. Archves of Materals Scence and Engneerng, v.33 p.49-56, 8. [] TRUCCO, E.; VERRI, A. Introductory technques for 3-D computer vson. Upper Saddle Rver, NJ, USA: Prentce Hall, 998, 343 p. 346 Soldag. Insp. São Paulo, Vol. 7, Nº. 4, p.335-346, Out/Dez