AVALIAÇÃO DOS ÍNDICES DE PRODUTIVIDADE UTILIZANDO O PROCESSO MIG/MAG PULSADO

Felipe Bystroff Gagliardi

Isabela Diniz Perotti

Juliana Vilas Boas Lemos

Lara Trevisan Dias

Lucas Cupertino

Nathália Toledo do Couto

Paulo Henrique dos Santos

William Candiotto Luders

AVALIAÇÃO DOS ÍNDICES DE PRODUTIVIDADE UTILIZANDO O PROCESSO MIG/MAG PULSADO

ITAJUBÁ

2014

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 3

2 OBJETIVOS 5

3 REVISÃO DE LITERATURA 6

4 RESULTADOS PRÁTICOS 12

5 ANÁLISE DOS RESULTADOS 15

6 CONCLUSÕES 19

REFERÊNCIAS 20

INTRODUÇÃO

O setor de soldagem é constante alvo de investimentos tecnológicos, voltados para a segurança e meio ambiente e para a redução dos custos, com a obtenção de ganho em produtividade e qualidade. O processo MIG/MAG foi introduzido na década de 20, porém sua inserção no meio comercial ocorreu apenas ao final dos anos 40, em que foi utilizado pela primeira vez um eletrodo de alumínio protegido por um gás totalmente constituído por argônio e alimentado por uma corrente contínua. Porém, apesar de toda a evolução na introdução de diferentes gases para realizar o processo de soldagem, apenas há 20 anos este processo começou a dominar a indústria das soldas.

Com o desenvolvimento do processo em questão, almejando alcançar uma maior produtividade dele e uma atuação segura do profissional, este tornou-se o mais flexível, permitindo soldar uma grande gama de materiais e espessuras.

O processo de soldagem MIG/MAG faz uso de gases de proteção inertes e ativos, com a finalidade de evitar o contato do ar atmosférico com o banho de fusão, e por meio de um arco elétrico estes são aquecidos até seu ponto de fusão e unidos. A Figura 1 abaixo retrata os elementos utilizados no processo:

Figura 1 – Elementos do processo.

Fonte: ESAB BR .

O MIG/MAG pulsado foi inserido para possibilitar que o modo de transferência “spray”, (quando a corrente de soldadura ultrapassa um valor limite, que se dá o nome de corrente de transição), fosse atingido a correntes médias mais baixas que o comum. Através de uma corrente de baixa intensidade em que o arco é mantido, correntes momentâneas de alta intensidade são aplicadas, induzindo a transferência do metal. Este processo está ilustrado na Figura 2.

Figura 2 – Processo MIG/MAG pulsado.

Fonte: FBTS – Processos de Soldagem .

Com base nesses conhecimentos, este trabalho tem avaliou os índices de produtividade utilizando processo MIG/MAG pulsado através de experimentos e comparações.

 

OBJETIVOS

Tal trabalho tem como objetivo introduzir aos alunos da disciplina de Introdução aos Processos de Manufatura os conceitos básicos sobre o processo de soldagem MIG/MAG Pulsado, suas importâncias na indústria atual, e principalmente, suas vantagens e desvantagens em comparação à outros processos de soldagem existentes.

 

REVISÃO DE LITERATURA

O processo MIG/MAG convencional pode ser aplicado em grande parte dos metais utilizados pelas indústrias. MIG é a sigla em inglês que significa Metal Inert Gas, denominação que se dá ao processo que utiliza um arco em atmosfera de gás inerte visível entre a peça e um eletrodo não consumível. Normalmente são utilizados Argônio ou Hélio, gases monoatômicos muito utilizados para a soldagem de alumínio. Quando há utilização de um gás ativo, o processo é chamado de MAG, do inglês, Metal Active Gas. Nos Estados Unidos, o processo é conhecido como GMAW (Gas Metal Arc Welding).

O processo de soldagem MIG/MAG é versátil, no qual se obtém alta taxa de deposição do metal de solda em qualquer posição. O processo é amplamente utilizado na fabricação de peças em aço de espessuras pequenas e médias e em estruturas de liga de alumínio, particularmente quando é necessária uma alta taxa de operação.

A qualidade do cordão de solda conseguido pelos processos MIG/MAG é influenciada por alguns parâmetros, tais como intensidade de corrente, tensão e comprimento do arco, velocidade de soldagem, gases de proteção, diâmetro do eletrodo e posição da tocha, seus tipos e vazão. É preciso, portanto, conhecer estas variáveis para selecionar o procedimento adequado a cada demanda de soldagem.

Os processos MIG/MAG utilizam fonte de corrente contínua e polaridade inversa com eletrodo positivo a fim de possibilitar melhor penetração e estabilidade do arco. Quando não é necessária grande penetração, é possível usar a polaridade direta, o que aumenta a velocidade de deposição. A corrente alternada é utilizada para alumínio e suas ligas. A escolha da corrente de soldagem é feita a partir da espessura das peças a serem soldadas, do diâmetro do eletrodo e das características do cordão.

As vantagens do processo MIG/MAG em relação aos outros de soldagem por arco elétrico em baixa ou alta produtividade são várias:

Não há necessidade de remoção de escória;

Não há perdas de pontas como no eletrodo revestido;

Metade do tempo se comparado ao eletrodo revestido;

Alta taxa de deposição do metal de solda;

Alta velocidade de soldagem; menos distorção das peças;

Baixo custo de produção;

Soldagem pode ser executada em todas as posições;

Processo pode ser automatizado;

Cordão de solda com bom acabamento;

Soldas de excelente qualidade;

Facilidade de operação.

Apesar de tantos pontos positivos, o processo também apresenta algumas desvantagens:

Regulagem do processo bastante complexa;

Não deve ser utilizado em presença de corrente de ar;

Probabilidade elevada de gerar porosidade no cordão de solda;

Produção de respingos;

Manutenção mais trabalhosa;

Alto custo do equipamento em relação à Soldagem com Eletrodo Revestido.

O processo MIG/MAG pulsado tem como objetivo executar uma melhor estrutura do cordão, minimizar os riscos de colagens, diminuir a quantidade de respingos, uma execução com maior velocidade e consequentemente com maiores taxas de fusão. O funcionamento deste processo difere-se do convencional, pois a corrente utilizada é pulsada.

Dentre os tipos de fontes utilizadas pode-se atentar aos retificadores de soldadura convencionais ou tipo inversor que permitem a modulação da corrente. Porém, como em todos os processos, existem desvantagens e sobre elas pode-se citar as dificuldades na parametrização, por exemplo. Além disso, há incompatibilidade entre os controles de estabilidade do arco convencional do MIG/MAG convencional e do MIG/MAG pulsado e assim os soldadores devem ser mais capacitados, pois a dificuldade de controle do banho de fusão é elevada. Por consequência deste conflito de equipamentos houve à descontinuação do MIG/MAG pulsado em equipamentos convencionais do MIG/MAG.

O processo de MIG MAG pulsado pode ser considerado a junção do processo de MIG MAG e o processo TIG. A pulsação da corrente, produzindo ciclos térmicos, em virtude da baixa frequência de variação de energia, traz suas vantagens, semelhantes às vantagens do processo TIG.

A soldagem TIG, basicamente, é um processo de solda em que o arco elétrico se estabelece entre a peça de trabalho e o eletrodo de tungstênio, e ambos são protegidos por um gás inerte. Esse processo de soldagem é mais utilizado em chapas finas de aço inoxidável e metais não ferrosos.

O processo TIG tem suas vantagens, uma vez que proporciona ao soldador maior controle da solda, diferentemente de outros processos. E, em virtude desse controle, conseguem-se soldagens mais resistentes e com uma qualidade de acabamento alta, além de baixíssima taxa de respingos. Porém, o TIG é considerado um processo mais lento, logo não apresenta alta produtividade. Assim, denomina-se que o processo de MIG MAG pulsado é a junção da produtividade de MIG à qualidade do TIG.

Em relação à influência das variáveis envolvidas no processo de soldagem, tem-se que considerar que, como o MIG/MAG se baseia em uma forma de soldagem a arco voltaico que utiliza eletrodo consumível e insuflamento de gás, a corrente média, a frequência de pulsação e a velocidade da alimentação do eletrodo consumível, no caso o arame, são algumas variáveis a serem consideradas para melhor produtividade da soldagem.

No caso do MIG/MAG pulsado, a transferência é obtida com a utilização de dois níveis de corrente de soldagens diferenciados, denominados corrente de base e corrente de pulso (ou de pico), cada qual com seu tempo de duração. Essas variáveis devem ser ajustadas para produzir, a cada pulso, uma gota metálica.

Uma soldagem com corrente imposta e pulsada com controle da velocidade de arame possibilita uma transferência metálica sem salpicos, e, também, devido a corrente média ser constante no pulso, apresenta boa homogeneidade de penetração e geometria do cordão de solda uniforme. Porém, na prática, se não houver realimentação do processo, pode haver o contato físico (curto-circuito) ou a perda do arco, devida às variações da condição de soldagem. Fundamentalmente o arco voltaico produzido tem suas propriedades em estreita dependência das características da fonte de energia que o alimenta. A fonte controla a energia necessária para realizar a soldagem e o alimentador do arame é responsável pelo fornecimento do arame-eletrodo. A fim de evitar os trâmites, como o curto-circuito, deve-se realimentar as variáveis, aumentando ou diminuindo a corrente média e a velocidade da alimentação do arame, de forma a manter o equilíbrio entre a velocidade de fusão e a velocidade de alimentação do arame.

Analisando detalhadamente as fases da corrente, durante o pulso, a frequência aumenta fazendo com que a temperatura aumente fundindo o material. A corrente de pulso deve possuir um valor acima de um nível mínimo, de forma a promover o destacamento de uma gota. A corrente de base é ajustada para que se obtenha uma corrente média que equilibre a velocidade de fusão do arame com sua velocidade de alimentação. A corrente de base também deve ser maior do que o limite mínimo, no qual a manutenção do arco fica comprometida, e menor que o limite máximo, no qual a deposição deixa de ser por projétil. O tempo de pulso deve ser ajustado juntamente com a corrente de pulso para produzir uma gota por pulso.

A figura 3 a seguir exemplifica bem as correntes pulsadas do processo MIG/MAG, onde as oscilações são basicamente efetuadas em dois níveis. O nível mais baixo da corrente (Ib – corrente baixa), chamada de corrente de base, é caracterizado pela não transferência de metal entre os corpos. Já o segundo nível (Ip – corrente de pulso) é responsável pela sobreposição da corrente anterior, com uma intensidade bem superior em ampéres, causando o destaque da gota metálica. Segundo Marques et al. (2009) o processo mais utilizado para a transferência é o pulsado, devido à sua estabilidade e uniformidade, variando as corrente entre dois patamares pré-determinados.

Figura 3 – Esquematização das correntes de pulso (pico) e de base.

Fonte: Lab. Solda – UFSC .

Mesmo com tais variáveis reguladas dentro dos padrões, o processo ainda pode ser caracterizado como não linear, podendo haver certas instabilidades e dificuldades durante a prática. Assim, há métodos que visam aplicar melhorias de produtividade no processo de solda MIG/MAG pulsado. Entre eles, segundo Amin (1983), estão:

Critério de estabilidade: a corrente de base utilizada deve ser no mínimo suficiente para manter o arco de solda estável durante todo o tempo de base;

Critério de fusão: durante o processo, deve ser estabelecida uma corrente média constante, para que a alimentação do arame e a fusão se mantenham equilibradas;

A corrente de pulso e o tempo de pulso devem ser capazes de destacar apenas uma gota por pulso, como ressaltado anteriormente.

Assim, a transferência do metal e de toda a operação deve ser controlada se baseando na equação (1):

I_p*〖t_p〗^2=D (1)

Onde D é o deslocamento, Ip é a corrente de pulso elevado ao quadrado e tp o tempo de tal pulsação.

RESULTADOS PRÁTICOS

O experimento realizado no Laboratório de Soldagem da Universidade Federal de Itajubá (Unifei), utilizando o equipamento Aristo Power, com o arame ER70S-6 (1mm), que é um tipo de arame cobreado para a soldagem com proteção gasosa de aço-caborno, para temperaturas de trabalho de até 450 ºC, e gás C-25, constituído de uma mista de 25% de CO2 e 75% de argônio, que proporciona estabilidade no arco e maior facilidade de soldagem, tem seus resultados apresentados a seguir.

Foram feitas 3 soldas em 3 chapas metálicas, conforme as figuras abaixo, cada qual com uma velocidade de alimentação diferente. A tensão foi mantida constante (28V), bem como a corrente (mantida em 300A) e o tempo de pulsação (ou de pico – mantido em 3ms), além da frequência (70Hz), em todos os ensaios.

Figura 1 – Chapa 7 (Itajubá, 28/08/14).

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

Figura 2 – Chapa 8 (Itajubá, 28/08/14).

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

Figura 3 – Chapa 5 (Itajubá, 28/08/14).

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

A Tabela 1 abaixo apresenta os dados das 3 chapas utilizadas nos 3 ensaios:

Tabela 1 – Características das chapas utilizadas nos ensaios (Itajubá, 28/08/14).

Chapa Massa Inicial (g) Massa Final (g) Velocidade de Aliment. (m/min) Tempo de Soldagem (s)

7 253,1 256,9 2 19,78

8 258,3 264,1 3 19,95

5 255,7 262,7 4 19,28

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

A Tabela 2 apresenta os valores teóricos da quantidade de arame soldado e taxa de fusão.

Tabela 2 – Valores teóricos de arame soldado e taxa de fusão (Itajubá, 28/08/14).

Chapa Velocidade de Aliment. (m/s) Quant. Teórica Arame Soldado (m) Quant. Teórica Arame Soldado (g) Taxa de Fusão (g/s) Taxa de Fusão (kg/h)

7 0,033 0,659 3,890 0,197 0,708

8 0,050 0,998 5,885 0,295 1,062

5 0,067 1,285 7,583 0,393 1,416

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

A Tabela 3 apresenta as taxas de deposição do arame sobre as chapas:

Tabela 3 – Taxas de deposição do arame sobre as chapas (Itajubá, 28/08/14).

Chapa Variação da Massa Real (g) Taxa de Deposição (g/s) Taxa de Deposição (kg/h)

7 3,800 0,192 0,692

8 5,800 0,291 1,047

9 7,000 0,363 1,307

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

ANÁLISE DOS RESULTADOS

Após a obtenção dos dados, foi feita sua análise, a fim de avaliar o rendimento do processo de soldagem em cada ensaio, bem como as taxas relacionadas (taxa de fusão, taxa de deposição, taxa de respingos).

O cálculo da taxa de fusão é feito a partir da equação 2:

Taxa de fusão=(∆ massa teórica)/(tempo de soldagem) (2)

A partir dessa equação e dos dados obtidos, foi possível montar a Tabela 4:

Chapa Variação de Massa Teórica (g) Tempo (s) Taxa de Fusão (g/s) Velocidade de Aliment. (m/min)

8 5,930 19,95 0,295 3

7 3,894 19,78 0,197 2

5 7,581 19,28 0,393 4

Tabela 4 – Taxas de Fusão dos ensaios (Itajubá, 28/08/14).

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

A partir da Tabela 4, pode-se perceber que quanto maior a velocidade do processo, maior foi a taxa de fusão (sendo esta calculada a partir do valor teórico da variação de massa, ou seja, é um processo ideal, no qual não se considera que há uma taxa de respingos).

A taxa de deposição é calculada a partir da equação 3

Taxa de deposição=(∆ Variação de Massa Real)/(tempo de soldagem) (3)

Dessa forma, é possível saber a quantidade real de material depositado na peça em relação ao tempo. Os dados obtidos experimentalmente estão na Tabela 5, indicada abaixo.

Chapa Variação de Massa Real (g) Tempo (s) Taxa de Deposição (g/s) Velocidade de Aliment. (m/min)

8 5,8 19,95 0,290 3

7 3,8 19,78 0,192 2

5 7 19,28 0,363 4

Tabela 5 – Taxas de deposição dos ensaios (Itajubá, 28/08/14).

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

Pode-se perceber que quanto maior a velocidade, maior a taxa de deposição, porém isso não significa uma solda melhor, uma vez que a taxa de respingo também é grande.

O rendimento do processo (Rend) é apresentado na forma percentual e foi calculado a partir das taxas de fusão (TF) e deposição (TD) através da equação 4 tem seus resultados apresentados na Tabela 6:

Rend=(TD/TF)x100 (4)

Tabela 6 – Rendimento dos Processos de Soldagem (Itajubá, 28/08/14).

Chapa Rendimento (%)

7 97,685

8 98,551

9 92,306

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

Já o índice de respingos (Resp) foi calculado com base na massa de respingos (Mresp) e no tempo de soldagem (ts), através da equação 5, e é apresentado na Tabela 7:

Resp=Mresp/t_s (5)

Tabela 7 – Taxa de Respingos dos ensaios (Itajubá, 28/08/14).

Chapa Massa de Respingo (g) Taxa de Respingo (g/s) Taxa de Respingo (kg/h)

7 0,090 0,005 0,016

8 0,085 0,004 0,015

9 0,583 0,030 0,109

Fonte: Lab. Solda – ensaios.

A massa de respingos foi calculada a partir da variação da massa da chapa subtraída da quantidade teórica da massa de arame que deveria ser depositada sobre esta chapa.

Feitos os cálculos, chegou-se aos seguintes resultados: a chapa 7 apresentou rendimento de 97,685% e índice de respingos de 0,016 kg/h, a chapa 8 apresentou rendimento de 98,551% e índice de respingos de 0,015 kg/h, e a chapa 9 apresentou rendimento de 92,306% e índice de respingos de 0,109 kg/h.

Notou-se que rendimento é fundamental para a avaliação do desempenho do processo produtivo, pois ele influência diretamente nos custos de soldagem.

Como os processos de soldagem das diferentes chapas foram realizados com o mesmo tipo de gás (C25), tensão (28 V), corrente (300 A), corrente de base (40 A) e frequência (70 Hz), percebeu-se que o rendimento foi afetado de maneira mais significativa pelo índice de respingos. Portanto, concluiu-se que a presença de respingos foi o principal fator que levou a diminuição do rendimento, pois uma parte do arame que deveria ser soldado nas chapas foi perdida através da formação de gotas de respingos.

Observou-se que apesar da chapa 9 apresentar uma taxa de deposição maior do que das chapas 7 e 8, esta chapa possui o menor rendimento. Tal fato está diretamente relacionado com a taxa de respingo, pois como a chapa 9 possui uma alta taxa de fusão, ela deveria apresentar uma taxa de deposição maior do que realmente apresentou. Isso é atribuído à grande formação de respingos no processo de soldagem da chapa 9, pois isso levou a diminuição da massa final de arame soldado e, consequentemente, a uma menor taxa de deposição e menor índice de rendimento.

Percebeu-se que a chapa 9 apresentou maior índice de respingos do que as chapas 7 e 8, pois esta chapa contou com a maior massa de gotas de respingo, ou seja, a quantidade teórica de massa de arame soldado não apresentou um valor próximo da variação real da massa das chapas, devido a formação de muitos respingos.

 

CONCLUSÕES

A partir dos ensaios feitos no Laboratório de Soldagem foi possível analisar experimentalmente os índices de soldagem do processo MIG/MAG pulsado no que tange à taxa de fusão, taxa de deposição, taxa de respingos e rendimento. Percebeu-se que com uma velocidade de alimentação do arame de 4 m/min se conseguiu maiores taxas de fusão e deposição do arame sobre a peça, acelerando o processo de soldagem. Contudo, essa maior velocidade ocasionou uma perda de material em respingos, diminuindo o rendimento do processo.

Analisando os rendimentos das soldagens quando a velocidade de alimentação do arame estava em 2 m/min e 3 m/min foi possível perceber que o aumento da taxa de respingos não afetou substancialmente o rendimento do processo, que diminuiu em 1% quando a velocidade de alimentação do arame aumentou de 2 m/min para 3 m/min.

Contudo, a qualidade do cordão de solda, como se vê na Figura 1 não corresponde a um padrão esperado na indústria. Os cordões feitos nas velocidades de 3 m/min e 4 m/min apresentam um padrão melhor de qualidade. A velocidade de 4 m/min, mesmo apresentando um cordão de boa qualidade, produziu uma alta taxa de respingos. Assim, nas condições adotadas aos ensaios, uma velocidade de alimentação do arame de 3 m/min seria a mais indicada, por produzir um cordão de qualidade, com alto rendimento e baixa taxa de respingos.

Vale ressaltar que essa indicação se mostrou experimentalmente a melhor nas condições em que foi feita a solda. Caso fossem alteradas as variáveis envolvidas, como espessura do arame, tipo de gás utilizado, posição de soldagem, por exemplo, os resultados obtidos poderiam ser diferentes, pois, como foi visto, o processo de soldagem MIG/MAG pulsado leva em consideração uma séries de fatores, que devem ser analisados criteriosamente a fim de obter um máximo rendimento, aliados a uma boa qualidade e menor tempo de soldagem.

REFERÊNCIAS

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