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UNIVERSIDADE DE BRASLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

RELAO IWP E DWP EM GMAW PARA PROJETO DE

JUNTAS TIPO T POR FILOSOFIA BAYESIANA

FILLIPE MENDONA ALBUQUERQUE

ORIENTADOR: SADEK CRISSTOMO ABSI ALFARO

DISSERTAO DE MESTRADO

EM SISTEMAS MECATRNICOS

PUBLICAO: PPMEC.DM 70 A/14

BRASLIA/DF, 30 JUNHO 2014.

FICHA CATALOGRFICA

ALBUQUERQUE, FILLIPE MENDONA.Relao IWP e DWP em GMAW para projeto de juntas tipo T por filosofia bayesiana.[Distrito Federal] 2014.xvii, 120 p., 210 x 297 mm (ENM/FTlUnB, Mestre, Sistemas Mecatrnicos, 2014).

Dissertao de Mestrado Universidade de Brasilia.Faculdade de Tecnologia.

Departamento de Engenharia Mecnica1. Solda3.GMAWI. ENMlFTlUnB

2. Junta4. Bayes11. Ttulo (srie)

REFERNCIA BmLIOGRFICA

ALBUQUERQUE, F. M. (2014). Relao IWP e DWP em GMAW para projeto de juntas

tipo T por filosofia bayesiana. Dissertao de Mestrado em Sistemas Mecatrnicos,

Publicao PPMEC.DM 70 A/l4, Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade de

Braslia, Braslia, DF, 120 p.

CESSO DE DIREITOS

AUTOR: Fillipe Mendona Albuquerque

TTULO: Relao IWP e DWP em GMAW para projeto de juntas tipo T por filosofia

bayesiana,

GRAU: Mestre ANO: 2014

concedida Universidade de Braslia permisso para reproduzir cpias desta dissertao

de mestrado e para emprestar ou vender tais cpias somente para propsitos acadmicos e

cientficos. O autor reserva outros direitos de publicao e nenhuma parte dessa dissertao

de mestrado pode ser reproduzida sem autorizao por escrito do autor.

F llipe Mendona Albuquerque .

lU

iv

AGRADECIMENTOS

Minha querida famlia, os meus mais sinceros agradecimentos, a cada um de vocs, por

acreditar, apoiar e sacrificar do seu tempo ao meu lado em prol dessa etapa da minha vida.

minha grande parceira e amiga Eliza Cristina, pelo apoio irrestrito ao longo de tantos

anos. Sou grato a ti, dona Eliza, por momentos to turbulentos e to agradveis ao seu lado.

Minha gratido se estende queles que apoiaram, por demais, a minha caminhada ao longo

do mestrado, principalmente nos tropeos e acertos na busca pelo saber. Sou grato pelo

espao aos desabafos, por me tratarem com humanidade, sempre, como feito pelo senhor

lvaro Patio, senhor Esdras Ramos, senhora Patrcia Tavares, senhora Ana Paula

Bernardi e senhor Jess Emlio.

Ao suporte tcnico incansvel do senhor Antnio Marrocos, com sua postura

extremamente profissional e infinita vontade de ajudar. Mostrou-se um facilitador, franco e

assertivo, na ruidosa comunicao entre alunos, professores, GRACO e SG9.

UnB e PPMEC, por terem me aceitado e acreditado no meu potencial de realizar este

trabalho.

CAPES, pelo auxlio financeiro oportuno.

Ao meu orientador, Sadek C. A. Alfaro, por ser to acessvel e franco em nossas conversas.

Sou grato pela autonomia na escolha e conduo dos meus trabalhos.

equipe tcnica do Laboratrio de Mecnica SG9, Marcos, Xavier, Tssis e Arthur, pela

prontido nas tarefas de oficina e metrologia.

In science, as in life, you may befriend a few. The others are drows.

Fillipe Albuquerque

v

Dedicado ao pai e ao filho,

por tudo,

nos momentos bons, ruins e feios.

vi

RESUMO

RELAO IWP E DWP EM GMAW PARA PROJETO DE JUNTAS

TIPO T POR FILOSOFIA BAYESIANA

Autor: Fillipe Mendona Albuquerque

Orientador: Sadek Crisostomo Absi Alfaro

Programa de Ps-graduao em Sistemas Mecatrnicos PPMEC

Braslia, 30 de junho de 2014

A modelagem de parmetros indiretos (em ingls Indirect Welding Parameters, IWP) e

diretos (em ingls Direct Welding Parameters, DWP) alvo de investigao desde 1940

atravs de modelos analticos, seguido de modelos empricos, estatsticos, por redes

neurais, entre outros. No entanto, ainda superficial o conhecimento que se tem sobre a

relao de IWP e DWP que atenda os requisitos de projetos em soldagem estrutural em

juntas de ngulo em 90.

Este trabalho apresenta um mtodo para associar por probabilidades um grupo de IWP,

como as variveis tenso eltrica de soldagem, velocidade de soldagem e velocidade de

alimentao do arame, aos critrios de projetos de junta tipo T como elemento estrutural,

atravs da aplicao da Regra de Bayes em um universo definido por planejamento

fatorial.

Os dados foram coletados a partir do processo de soldagem a arco eltrico com gs de

proteo, alimentao contnua de eletrodo no revestido e slido, em modo de

transferncia por curto-circuito (em ingls Gas Metal Arc Welding). Utilizaram-se juntas

de ngulo de 90, com cordes intermitentes em apenas um lado da junta, na posio 2F.

Amostras foram colhidas de seces transversais das juntas e medidas em um projetor de

perfil. Os resultados mostram que possvel direcionar a configurao das variveis de

entrada do processo de soldagem atravs das distribuies de probabilidade obtidas para

um dado valor de largura do filete, considerando o conhecimento a priori do universo

investigado e o clculo das relaes de IWP e DWP por Regra de Bayes.

Palavras-chave: Solda. Junta. GMAW. Bayes.

vii

ABSTRACT

IWP AND DWP RELATION IN GMAW TO T-JOINT PROJECTS BY

BAYESIAN PHILOSOPHY

Author: Fillipe Mendona Albuquerque

Supervisor: Sadek Crisostomo Absi Alfaro

Mechatronics Systems Post-graduation Program PPMEC

Braslia, June 30th 2014

Researches about modeling Indirect and Direct Welding Parameters are around since 1940,

through analytical, empirical, statistical, neural networks, among other models.

Nonetheless, the knowledge about them is still superficial when the subject is the

relationship of IWP and DWP required on 90 angled welded joints at structural

weldments.

This work presents a method to associate by probabilities a group of IWP, such as welding

voltage, welding speed and wire feed speed variables, to T joint welding requirements as a

structural element through Bayes Rule in a universe defined by factorial planning.

The data is collected from a GMAW-S process in a 90 steel angled joint, with intermittent

weld bead on one side of the joint, at 2F welding position. Samples were collected from a

transversal sectioning of the joint and measured in a profile projector. The results showed

that is possible to guide the configuration of input welding variables through probabilities

distributions obtained given a known fillet size, having considered the a priori knowledge

of the researched universe and the calculus of the Bayes relationships.

Keywords: Weld. Joint. GMAW. Bayes.

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Classificao e subclassificao dos modos de transferncia metlica GMAW

(modificado de LOPERA, 2010). ........................................................................................ 43

Tabela 2.2 - Convexidade mxima (modificado de AWS D1.1, 2006)............................... 52

Tabela 2.3 - Valores aproximados para soldagem de ferrocarbono em curto-circuito

(ALTHOUSE et al., 2013). ................................................................................................. 63

Tabela 3.1 - Composio Ao SAE/AISI. ........................................................................... 77

Tabela 3.2 - Avaliao das velocidades de soldagem. ........................................................ 82

Tabela 3.3 - Informao tcnica da fonte. ........................................................................... 83

Tabela 3.4 - EPS experimental (NADZAM et al., 1995; PARMAR, 1995; TAMBOLI,

1999; MILLER WELDS, 2012; ALTHOUSE et al., 2013). ............................................... 83

Tabela 3.5 - Informao Adicionais do eletrodo DENVER - MIG de 1,2 mm. ................... 84

Tabela 3.6 - Planejamento fatorial. ...................................................................................... 88

Tabela 3.7 - Dimenses obtidas do perfil dos filetes no projetor. ....................................... 92

Tabela 3.8 - Avaliao estatstica das dimenses dos filetes. ............................................. 93

Tabela 3.9 - Nmero de eventos por IWP. .......................................................................... 93

Tabela 3.10 - Tenso de soldagem e largura do filete. ........................................................ 94

Tabela 3.11 - Velocidade de soldagem e largura do filete. ................................................. 94

Tabela 3.12 - Velocidade de alimentao do arame e largura do filete............................... 95

Tabela 3.13 - Largura do filete por tenso de soldagem. .................................................... 98

Tabela 3.14 - Largura do filete por velocidade de soldagem. ........................................... 100

Tabela 3.15 - Largura do filete por velocidade de alimentao do arame......................... 101

Tabela 3.16 - Relao W, l e t para GMAW-S. ................................................................. 101

ix

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Componentes do processo GMAW manual..................................................... 22

Figura 2.2 - Variveis de entrada e sada em GMAW (modificado de Cook, 1981). ......... 24

Figura 2.3 - Relao IWP e DWP em GMAW (modificado de NAIDU et al., 2003). ....... 24

Figura 2.4 - Vizinhana da tocha em GMAW. .................................................................... 25

Figura 2.5 Curvas caractersticas de fontes de soldagem, em (A) tenso e corrente

constante, em (B) tenso constante (ROADKILL, 2013). .................................................. 26

Figura 2.6 - Efeito da tenso eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003). .............. 27

Figura 2.7 - Efeito da corrente eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003). ........... 28

Figura 2.8 - Indutncia, valor alto (esquerda) e baixo (direita) (WEMAN, 2003). ............. 29

Figura 2.9 Polaridade em DCEN e DCEP (modificado de ROADKILL, 2013). ............. 30

Figura 2.10 - Influncia da velocidade de soldagem no cordo de solda. ........................... 30

Figura 2.11 - Exemplificao de undercut em junta de topo. ............................................. 31

Figura 2.12 - ngulo da tocha, de acesso ou trabalho, e de ataque ou deslocamento. ........ 32

Figura 2.13 - Em (a) deslocamento positivo (drag ou backhand), em (b) perpendicular ou

vertical, e em (c) negativo (push ou forehand) (WEMAN, 2003). ..................................... 33

Figura 2.14 - Posicionamento angular adequado da tocha para soldagem de filete

(modificado de WEMAN, 2003). ........................................................................................ 34

Figura 2.15 - Influncia do CTWD na geometria do cordo de solda. ............................... 35

Figura 2.16 - Possvel configurao para GMAW-S, CTWD menor que stand off. ........... 36

Figura 2.17 - CTWD, stand off e stick out para junta T. ..................................................... 36

Figura 2.18 - Influncia geral da escolha do gs na geometria global da poa de fuso

(modificado de ALTHOUSE et al., 2013). ......................................................................... 39

Figura 2.19 - Da esquerda para a direita, bocal e difusor do tipo gas lens, e bocal padro,

respectivamente, ambos utilizados em TIG. ........................................................................ 40

Figura 2.20 - Tipos bsicos de juntas soldadas, vista em perspectiva e corte transversal

(modificado de TAMBOLI, 1999 e TIMINGS, 2008). ....................................................... 45

Figura 2.21 Exemplos de distribuio de esforos (WEMAN, 2003). ............................. 46

Figura 2.22 - Exemplos de movimentao do eletrodo, sem ou com tecimento. ................ 47

Figura 2.23 - Tipos comuns de chanfros para o projeto das juntas (modificado de

GREGORY et al., 2005 e AWS A3.0, 2010). ..................................................................... 47

Figura 2.24 - Posies de soldagem. ................................................................................... 48

x

Figura 2.25 - Exemplo de traduo entre posio de teste e produo (modificado de

ASME, 2013). ...................................................................................................................... 49

Figura 2.26 - Nomenclatura da geometria do cordo de solda. ........................................... 50

Figura 2.27 - Penetrao total e parcial em junta com chanfro. .......................................... 51

Figura 2.28 - Requerimentos de penetrao para solda em filete de junta tipo T

(modificado de TAMBOLI, 1999). ..................................................................................... 51

Figura 2.29 Parmetros do filete (modificado de AWS WHB, 1984). ............................. 52

Figura 2.30 - Perfis esperados de filete em junta tipo T (modificado de AWS D1.1, 2006).

............................................................................................................................................. 53

Figura 2.31 - Relao para o menor volume de filete. ........................................................ 55

Figura 2.32 - Geometria considerada para o filete. ............................................................. 56

Figura 2.33 - Diferena na capacidade de carga em ao carbono para ASD e LRFD.

(modificado de QUIMBY, 2008) ........................................................................................ 56

Figura 2.34 - Localizao dos elementos e smbolos de soldagem (ISO 2553, 2013). ....... 59

Figura 2.35 - Marcao de limites do filete na prtica. ....................................................... 60

Figura 2.36 - Rebolos e medidas de mercado (NORTON ABRASIVOS, 2013). ............... 61

Figura 2.37 - Em GMAW-S ocorre a extino momentnea do arco eltrico. ................... 62

Figura 2.38 - Histograma de tempo entre curtos-circuitos em GMAW-S (modificado de

NORRISH, 1992). ............................................................................................................... 62

Figura 2.39 - Modos de transferncia metlica por gs de proteo, 98% Ar + 2% CO2

(modificado de PIRES et al., 2012) e 100% Ar (MODENESI, 2008), respectivamente. ... 64

Figura 2.40 - Relao P[A|B] na interseco entre conjuntos. ............................................ 66

Figura 2.41 - Exemplo simplificado de uma rede bayesiana (modificado de

HECKERMAN, 1995). ....................................................................................................... 66

Figura 2.42 - Espao amostral S dividido em partes mutuamente exclusivas (LEON-

GARCIA, 1994). ................................................................................................................. 67

Figura 2.43 Exemplos de calibre de solda. ....................................................................... 71

Figura 2.44 - Diferena entre perfil do laser para (A) junta de topo e (B) junta T. ............. 73

Figura 2.45 - Projetor de Perfil, Laboratrio de Metrologia ENM-UnB. ............................ 74

Figura 2.46 - Funes para estimar (A) perna, (B) largura e (C) distoro no filete e junta.

............................................................................................................................................. 75

Figura 3.1 - Grupos de peas para soldagem. ...................................................................... 77

Figura 3.2 - Em (a) ferramentas, (b) marcao longitudinal na linha neutra do metal base e

(c) ponteamento da junta. .................................................................................................... 79

xi

Figura 3.3 - Amostra de dez peas preparadas para soldagem em filete. ............................ 79

Figura 3.4 - Posio da tocha para soldagem de junta tipo T, de acordo com Figura 2.14. 80

Figura 3.5 - Base para suporte da junta tipo T a ser soldada. .............................................. 80

Figura 3.6 - ngulos de Euler para TCP 1. ........................................................................ 81

Figura 3.7 - Sinal de tenso e corrente sem rudo no OSC do Waveview for Windows. 86

Figura 3.8 - Sinal adquirido de tenso (verde) e corrente (azul) eltrica, normalizados no

processo GMAW-S. ............................................................................................................ 86

Figura 3.9 - Correlao entre stick out (a: 5 mm, b: 10 mm, c: 20 mm) e IS para eletrodo de

1,2 mm de dimetro (NORRISH, 1992). ............................................................................. 87

Figura 3.10 - Esquema das distribuies dos cordes de solda na junta tipo T. ................. 88

Figura 3.11 - Franho FM 500 em corte de junta tipo T. ...................................................... 89

Figura 3.12 - Cordo de solda intermitente e junta seccionada. .......................................... 89

Figura 3.13 - Visualizao do perfil do filete no projetor. .................................................. 90

Figura 3.14 - Amostra de perfis de filetes obtidos. ............................................................. 91

Figura 3.15 - Distribuio de tenso de soldagem por largura do filete. ............................. 99

Figura 3.16 - Distribuio de velocidade de soldagem por largura do filete..................... 100

Figura 3.17 - Distribuio de velocidade de alimentao do arame por largura do filete. 101

xii

LISTA DE ACRNIMOS E SMBOLOS

Acrnimos Descrio

AISI Instituto Americano de Ferro e Ao (em ingls American Iron and Steel

Institute)

AISC Instituto Americano da Construo em Ao (em ingls American Institute of

Steel Construction)

ARLA Linguagem de programao de robs ABB (em ingls ASEA Programming

Robot Language)

ASD Projeto da Tenso Admissvel (em ingles Allowed Stress Design)

ASME Sociedade Norte-americana de Engenheiros Mecnicos (em ingls

American Society of Mechanical Engineers)

AWS Sociedade Americana de Solda (em ingles American Welding Society)

BNN Redes Neurais Bayesianas (em ingls Bayesian Neural Net)

BGNN Redes Neurais Bayesianas-Gaussianas (em ingls Bayesian-Gaussian

Neural Net)

BPNN Redes neurais em retropropagao (em ingls Backpropagation Neural Net)

CCD Dispositivo de Carga Acoplada (em ingls Charged Coupled Device)

CJP Penetrao Total (em ingls Complete Joint Penetration)

CMOS Semicondutor de xido Metlico Complementar (em ingls Complementary

Metal-oxide Semiconductor)

DAG Grficos Acclicos Dirigidos (em ingls Directed Acyclic Graph)

DCEP Eletrodo Positivo e Corrente Contnua (em ingls Direct Current Electrode

Positive)

DCP Distncia entre tubo de contato e metal base (em ingls contact tube to

workpiece distance, CTWD)

DCRP Polaridade Reversa e Corrente Contnua (em ingls Direct Current Reverse

Polarity)

DCEN Eletrodo Negativo e Corrente Contnua (Direct Current Electrode Negative)

DCSP Polaridade Direta e Corrente Contnua (em ingls Direct Current Straight

Polarity)

DL Carga morta (em ingls Dead Load)

DWP Parmetros Diretos de Soldagem (em ingls Direct Welding Parameters)

xiii

EPS Especificao de Procedimento de Soldagem (em ingls Welding Procedure

Specification, WPS)

GMAW Processo de soldagem a arco eltrico, alimentao contnua e eletrodo slido

no revestido (em ingls Gas Metal Arc Welding)

GMAW-P Modo de transferncia metlica pulsada para GMAW

GMAW-S Modo de transferncia metlica em curto-circuito para GMAW

GTAW Processo de soldagem a arco eltrico e eletrodo de tungstnio no

consumvel (em ingls Gas Tungsten Arc Welding)

HLAW Processo de soldagem a laser hbrido (em ingls Hibird Laser Arc Welding)

IIW Instituto Internacional de Soldagem (em ingls International Institute of

Welding)

INPM Grau do Instituto de Pesos e Medidas

ISO Organizao Internacional para Padronizao (em ingls International

Organization for Standardization)

IWP Parmetros Indiretos de Soldagem (em ingls Indirect Welding Parameters)

LL Carga Viva (em ingls Living Load)

LRFD Coeficiente de Projeto para Carga e Resistncia (em ingls Load and

Resistance Factor Design)

MAG Processo de soldagem a arco eltrico com eletrodo slido consumvel e gs

de proteo ativo (em ingls Metal Active Gas)

MIG Processo de soldagem a arco eltrico com eletrodo slido consumvel e gs

de proteo inativo (em ingls Metal Inert Gas)

NEMA Associao Nacional de Fabricantes Eltricos (em ingls National Electrical

Manufacturers Association)

OCV Tenso Eltrica em circuito aberto (em ingls Open-circuit Voltage)

PJP Penetrao parcial (em ingls Partial Joint Penetration)

PWHT Tratamento Trmico Ps-solda (em ingls Postweld Heat Treatment)

ROB Interface Robtica (em ingls Robot Interface)

SAE Sociedade de Engenheiros da Mobilidade (em ingls Society of Automotive

Engineers)

SMAW Processo de soldagem a arco eltrico e eletrodo revestido (em ingls

Shielded Metal Arc Welding)

TCP Ponto Central da Ferramenta (em ingls Tool Center Point)

xiv

TIG Processo de soldagem a arco eltrico e eletrodo de tungstnio no

consumvel (em ingls Tungsten Inert Gas)

US Tenso eltrica de soldagem

UA Tenso do arco eltrico

UE Tenso eltrica do eletrodo

VI Instrumento Virtual (em ingls Virtual Instrument)

WFS Velocidade de Alimentao do Arame (em ingls Wire Feed Speed)

WS Velocidade de Soldagem (em ingls Welding Speed)

ZTA Zona Termicamente Afetada (em ingls Heat-affected Zone, HAZ)

Smbolos Descrio

ngulo entre fora e seo do filete

ngulo de trabalho da tocha

Primeira constante emprica para taxa de derretimento do eletrodo

AR rea da seco do eletrodo, em mm

Segunda constante emprica para taxa de derretimento do eletrodo

Altura da solda em relao ao plano do filete em anlise, em mm

DR Dimetro do eletrodo, em mm

Fora perpendiculares seo analisada, em N

Fora atuando no plano da garganta do filete, em N

Capacidade da chapa de metal, em N

Tenso ltima, mxima ou limite de resistncia do metal base, em N/mm

Tenso ltima, mxima ou limite de resistncia do eletrodo, em N/mm

Tenso ltima, mxima ou limite de resistncia da solda, em N/mm

IS Varivel corrente eltrica de soldagem, em A

Comprimento do arame projetado pelo bico de contato ou stick out, em mm

Comprimento do cordo de solda, em mm

Fator de segurana

MR Taxa de consumo do eletrodo (em ingls melting rate), em mm/s

Resistncia dinmica do eletrodo, em

Resistncia nominal da estrutura, em N

S Tamanho do filete cncavo, em mm

Garganta terica, em mm

xv

Garganta efetiva, em mm

Garganta real, em mm

Tamanho do filete, em mm

Fator de segurana para metodologia ASD

Modificador das cargas

Modificador das cargas pela ductilidade do material

Modificador das cargas redundncia

Modificador das cargas importncia da operao

Fator de resistncia

Mudana de varivel para

Fatores de carga

Resistividade eltrica do eletrodo, em . mm

US1 Varivel aleatria para tenso eltrica de soldagem

uS1 Varivel tenso eltrica de soldagem, em V

Varivel aleatria para velocidade de alimentao do arame

Varivel velocidade de alimentao do arame, em m/min

Varivel aleatria para velocidade de soldagem

Varivel velocidade de soldagem, em mm/s

Coeficiente de fator de segurana

Coeficiente da classe de soldagem

Volume do cordo de solda, em mm

W Varivel aleatria para largura do filete

w Largura do filete, em mm

Perna do filete, em mm

Relao de escala entre imagem do CCD e imagem armazenada nas

direes horizontal e vertical

Posio cartesiana (xim, yim) na matriz de armazenamento, em pixels

Posio cartesiana (xCCD, yCCD) na matriz CCD, em elementos CCD

xvi

SUMRIO

1 - INTRODUO ............................................................................................................ 18

1.1 - CONTEXTO .......................................................................................................... 18

1.2 - OBJETIVOS .......................................................................................................... 20

1.2.1 - Gerais ............................................................................................................... 20

1.2.2 - Especficos ........................................................................................................ 20

1.3 - ORGANIZAO DO TEXTO ............................................................................ 21

2 - FUNDAMENTOS E REVISO DE LITERATURA ............................................... 22

2.1 - PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW E PROJETO DE JUNTAS ............... 22

2.1.1 - Parmetros....................................................................................................... 25

2.1.1.1 - Tenso eltrica de soldagem ...................................................................... 26

2.1.1.2 - Corrente eltrica de soldagem .................................................................... 28

2.1.1.3 - Velocidade de soldagem e de alimentao do arame ................................. 30

2.1.1.4 - ngulo da tocha ......................................................................................... 32

2.1.1.5 - Distncia entre bico de contato e metal base.............................................. 34

2.1.1.6 - Gs de proteo .......................................................................................... 36

2.1.1.7 - Ciclo de trabalho da fonte de soldagem ..................................................... 40

2.1.1.8 - Modos de transferncia metlica ................................................................ 41

2.1.1.9 - Estabilidade do processo de soldagem ....................................................... 44

2.1.2 - Projeto de junta ............................................................................................... 44

2.1.2.1 - Tipos de junta ............................................................................................. 45

2.1.2.2 - Tipos de chanfros ....................................................................................... 47

2.1.2.3 - Posies de soldagem ................................................................................. 48

2.1.2.4 - O cordo de solda ....................................................................................... 49

2.1.2.5 - Marcao do filete na prtica ..................................................................... 60

2.1.2.6 - GMAW-S ................................................................................................... 61

2.2 - PROBABILIDADE CONDICIONAL ................................................................. 65

2.3 - FILOSOFIA DE BAYES ...................................................................................... 66

2.4 - ESPECIALISTA, INFERNCIA, MO DE OBRA E RISCOS ...................... 68

2.4.1 - Modelos: simples ou complexos? ................................................................... 69

2.5 - MEDIO DA LARGURA DO CORDO DE SOLDA .................................. 70

3 - METODOLOGIA E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................ 76

xvii

3.1 - PLANEJAMENTO ................................................................................................ 76

3.2 - METODOLOGIA .................................................................................................. 76

3.2.1 - Projeto de junta ............................................................................................... 76

3.2.2 - IRB 2000 .......................................................................................................... 81

3.2.3 - Configurao do processo de soldagem ........................................................ 82

4 - DISCUSSES DE RESULTADOS .......................................................................... 102

5 - CONCLUSES .......................................................................................................... 106

5.1 - SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................. 106

REFERNCIAS .............................................................................................................. 108

APNDICE A .................................................................................................................. 113

APNDICE B ................................................................................................................... 116

APNDICE C .................................................................................................................. 118

APNDICE D .................................................................................................................. 120

18

1 - INTRODUO

1.1 - CONTEXTO

A metalurgia encontra na soldagem a mais utilizada tecnologia na unio de peas

metlicas. Diferentes arranjos geomtricos e perfis metlicos so imersos no mercado dia

aps dia nos diversos campos de atuao da engenharia. A gama de juntas projetadas exige

grande flexibilidade nos processos de soldagem para alcanar os requisitos calculados.

Fundamentalmente,

Os projetos devem ser feitos especificamente para cada unio,

com o objetivo de obter a mxima economia, o critrio irrevogvel

de aceitao. Qualquer sistema aceitvel por atender os requisitos

de rigidez, fora, vibrao, fadiga, impacto ou aparncia. O melhor

deles, para qualquer propsito, aquele que possui o mximo

desempenho ao menor custo (BLODGETT, p.1, 1963, traduo

nossa).

Nesse contexto, a busca pelo conhecimento sobre a geometria do cordo de solda torna-se

um universo vasto e de necessria investigao para atender os requisitos supracitados nos

projetos de juntas.

A unio de elementos perpendiculares um dos arranjos mais comuns em soldagem,

especialmente no campo da construo, com o ao estruturado, em tubulaes, ou na

fabricao de equipamentos. Esse tipo de junta em particular, junta de ngulo em 90 ou

tipo T, suporta grande esforo e possui uma srie de particularidades que um soldador deve

conhecer, um amlgama entre configuraes, padres, regulamentos e melhores prticas de

um determinado processo de soldagem. A sua utilizao vantajosa pelo menor nmero de

partes envolvidas, consequentemente menor consumo de material, e reduo no uso de

oficina (TAMBOLI, 1999).

Chawla (1992) e Melton (1992) sugerem que qualquer soldador experiente consegue

inferir sobre estabilidade e qualidade dos processos de soldagem atravs da viso e

19

audio, o que se estende ao projeto de junta tipo T. No entanto, a acuidade humana na

inspeo de alguns parmetros a priori e a posteriori do processo de soldagem, como

manter constante a largura do cordo de solda em filete, ou avaliar se houve penetrao

total (CJP) ou parcial (PJP) do passe raiz, reduzida ou nula, sem qualidade para

comparao por considerar apenas a viso e audio do especialista. Mesmo com a

utilizao de cartas de controle, utilizao de modelos matemticos, probabilsticos,

empricos, ou outras metodologias de escolha de parmetros de soldagem, existem

imprecises, erros e incertezas, sobre o resultado da soldagem, j que todos os modelos

esto errados; alguns modelos so teis; todo modelo uma aproximao (BOX et al.,

2005, traduo nossa).

As variaes na largura da poa de fuso, por exemplo, so inconstantes e ruidosas, com

inmeras incertezas associadas, seja de deformao da superfcie medida com o pulsar da

poa de fuso, ajuste e calibrao relacionada metrologia quando utilizada, erros de

medio, histerese e paralaxe, escorrimento da poa de fuso devido ao gradiente de

temperatura e foras atuantes, deformaes, distores e defeitos no metal base por

excesso de calor em uma das partes soldadas, concavidade ou convexidade em demasia,

entre outras.

O que pode ser feito reduzir tais imprecises. Conhecer a profundidade de um processo

aplicado a um tipo de junta permite o uso da metrologia adequada, analisar e esclarecer os

parmetros fundamentais que contornam o processo de soldagem, com o intuito de

encurtar a distncia entre as insinuaes tericas do projeto de junta e o resultado prtico

do processo de soldagem. Fortuitamente, ter maior qualidade para a unio especificada no

projeto.

Na prtica, o soldador, ou operador do programa de soldagem, estabelece os parmetros de

uma Especificao de Procedimento de Soldagem (EPS) para o passe de um cordo que

atenda os critrios de qualidade (AWS, 2006). O processo continua at atingir os requisitos

de projeto e dar o acabamento por usinagem ao cordo. Como propsito inicial, a soldagem

ocorre, h unio metlica. H tambm provvel uso em demasia de material de soldagem,

retrabalho do operrio e adio de novos processos de inspeo ps-solda para atender o

projeto da junta. Na pior hiptese, ocorre a remoo do cordo e confeco de novo

traado como um novo projeto. No caminho contrrio, processos de soldagem com

20

modelos mais prximos, com monitoramento e tecnologia adequada, e junta previamente

analisada, possuem maior acuidade para garantir os requisitos de projeto. E o caminho

natural a busca da reduo de custos, tempo no manuseio, inspeo, material e trabalho.

Nesse vis, a investigao aqui presente parte para o esclarecimento entre parmetros de

entrada do processo GMAW-S e a geometria do cordo de solda tipo filete encontrada em

junta tipo T de ao classificado pela Sociedade de Engenheiros da Mobilidade (SAE) como

1020. A regra de Bayes aplicada para traar relaes entre os parmetros de entrada do

processo de soldagem, os requisitos de projeto e o resultado do cordo de solda na junta.

Dessa forma, analisam-se trs variveis de entrada no processo de soldagem que possam

influenciar a junta tipo T projetada. Posteriormente, busca-se parear as relaes desses

parmetros geometria esperada do cordo, a partir do conhecimento a priori para a

confeco da junta. A partir disso, espera-se traar um conjunto de notaes tcnicas para

facilitar a compreenso do universo delimitado.

1.2 - OBJETIVOS

1.2.1 - Gerais

Este trabalho busca esclarecer os requisitos de projeto da junta tipo T, soldada em filete, no

intuito de estabelecer relaes entre a geometria do cordo de solda e o processo GMAW-

S, atravs da utilizao da regra de Bayes que atenda os critrios de projeto. Esperam-se,

com a aplicao da metodologia, resultados que obtenham parmetros de tenso de

soldagem, velocidade de soldagem e velocidade de alimentao do arame com maior

chance de serem selecionados para traados de cordo de solda dentro dos valores de perna

e garganta terica requeridas no projeto da junta.

1.2.2 - Especficos

(a) Esclarecer critrios de projetos de junta tipo T;

(b) Aplicar a regra de Bayes em valores mdios de parmetros do processo GMAW-S para

a junta tipo T sem chanfro;

21

(c) Relacionar as variveis pr-definidas do processo de soldagem largura do cordo de

solda. Posteriormente, apresentar a relao da largura do cordo de solda perna, garganta

terica do filete, nas posies de soldagem 2F para junta tipo T.

1.3 - ORGANIZAO DO TEXTO

Os cincos captulos que constituem este trabalho contemplam o seguinte contedo:

O captulo um fornece um breve escopo do trabalho, intenes e motivos que contornam a

investigao.

O captulo dois envolve os fundamentos tericos e o cenrio acadmico do processo

GMAW-S, juntas soldadas e a regra de Bayes.

O captulo trs foca nas consideraes de laboratrio, metodologia experimental,

configurao da fonte de soldagem, programao do IRB2000, ferramentas utilizadas, e

apresenta os resultados dos experimentos planejados.

O captulo quatro tem a finalidade de discutir os resultados esperados e alcanados com a

investigao.

O captulo cinco finaliza o trabalho, e apresenta concluses sobre a distribuio de valores

para as variveis de entrada para a obteno da varivel largura do filete atravs da

metodologia utilizada.

22

2 - FUNDAMENTOS E REVISO DE LITERATURA

2.1 - PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW E PROJETO DE JUNTAS

Na busca de custos reduzidos de produo e maior previsibilidade de resultados de soldas

pesquisadores vm desenvolvendo e aprimorando os variados processos de soldagem.

Entre o leque de processos de soldagem disponveis, tem-se em Gas Metal Arc Welding

(GMAW) uma tecnologia de arco eltrico que contempla a coalescncia do metal de

adio consumvel, sem revestimento e slido, ao metal base. O ento denominado

eletrodo, ou arame slido, fundido pela energia gerada pelo arco eltrico para formar a

poa de fuso, e, com o traado da tocha e resfriamento do regime, o cordo de solda

(AWS WHB, 1984; NORRISH, 1992; TIMINGS, 2008).

A alimentao do arame ocorre em velocidade contnua, com aplicao de corrente

contnua e uso de eletrodo no polo positivo da fonte. Diferenas na polaridade no eletrodo

afetam a transferncia de calor (ALTHOUSE et al., 2013; ROADKILL, 2013). O arame se

movimenta sob a proteo de um gs contra oxidao e contaminao atmosfrica vizinha

ao arco eltrico, se funde ao metal base, e com o resfriamento da liga metlica formada h

unio das peas (AWS WHB, 1984; NORRISH, 1992; TIMINGS, 2008).

Figura 2.1 - Componentes do processo GMAW manual.

23

Essa alimentao contnua do arame est estreitamente ligada ao autoajuste de seu

comprimento. A dinmica do consumo do arame se deve variao na corrente eltrica.

Entre o arame e o metal base h elevada concentrao de corrente eltrica, at 300 A/mm.

Tal comportamento aliado alta velocidade de soldagem, alta taxa de deposio de metal

(calculada para cada dimetro e WFS) e simplicidade de automao garante uma gama de

aplicaes GMAW. Dependendo da configurao, GMAW gera baixo aporte trmico e

permite a utilizao em metal base de pouca espessura, entre 0,5 e 2 mm, bem como o uso

em todos os ngulos de ataque para a tocha de soldagem, sem limitar a aplicao em juntas

de maior espessura (ALTHOUSE et al., 2013; NADZAM et al., 1995).

Tais caractersticas contribuem para fabricar unies com grande penetrao da poa de

fuso e bom acabamento, evitando o uso de limpeza de escria, o que reduz o gasto com

ps-tratamento do cordo, como Tratamento Trmico Ps-solda (PWHT) para alguns

materiais, e, com arame de menor dimetro e configurao adequada, estreitamento nas

zonas termicamente afetadas, o que contribui para a manuteno das propriedades

mecnicas do metal base.

O processo GMAW, no entanto, possui uma srie de variveis e consideraes que

aumentam a complexidade do seu uso. Variveis como a velocidade de alimentao do

arame, comprimento do eletrodo, distncia entre tubo de contato e metal base (DCP),

ngulo de ataque, ngulo de trabalho e vazo do gs so alguns exemplos que no esto

presentes em outros processos e tambm precisam ser monitoradas pelo soldador

(PARMAR, 1995). Partes adicionais, como o alimentador e a bobina de arame, precisam

ser transportadas com a fonte de soldagem. Outra limitao sua utilizao em ambientes

abertos, pois a corrente de ar pode atrapalhar a proteo do gs do eletrodo e provocar

defeitos no cordo e instabilidade no arco eltrico. Alm disso, por possuir maiores taxas

de resfriamento da poa de fuso, pode-se afetar a qualidade global da solda (NADZAM et

al., 1995).

Adicionalmente a essas caractersticas, tm-se os parmetros diretos e indiretos da solda

que tambm devem ser de conhecimento do soldador. Segundo Naidu et al. (2003), os IWP

comportam as configuraes para trabalho que resultam nos DWP, como mostra a Figura

2.2. Entende-se por IWP aquelas variveis de entrada do processo de soldagem, desde a

definio, por exemplo, dos valores de tenso, a escolha do processo e material de adio,

24

quando houver, destinado a soldagem. O DWP inclui o produto das escolhas do IWP

aplicadas ao processo de soldagem.

Figura 2.2 - Variveis de entrada e sada em GMAW (modificado de Cook, 1981).

A configurao das variveis de entrada no processo de soldagem guiam os tipos de

transferncia metlica em GMAW e afetam diretamente a geometria do cordo e a

qualidade global da solda, pois alteram a penetrao, altura e espalhamento do reforo,

amplitude e granulometria metalrgica nas zonas termicamente afetadas (ZTA), e largura

da poa de fuso, ver Figura 2.3.

Figura 2.3 - Relao IWP e DWP em GMAW (modificado de NAIDU et al., 2003).

25

2.1.1 - Parmetros

O universo de variveis apresentado na Figura 2.2, segundo Dornfeld et al. (1982), pode

ser separado em trs categorias: as que podem ser alteradas durante o processo, as que so

definidas antes do processo e as que no podem ser alteradas.

As variveis que podem ser alteradas durante o processo incluem a tenso de soldagem, a

velocidade de alimentao do arame e a velocidade de soldagem. Os parmetros que so

definidos antes do processo incluem a polaridade eletrodo-metal base, composio e vazo

do gs de proteo, ngulo de trabalho e deslocamento da tocha, distncia entre bico de

contato e metal base, classificao e tipo do eletrodo. Os parmetros que no podem ser

alteradas so composio e dimenses do metal base, configurao da junta (NAIDU et al.,

2003).

Para GMAW, a configurao adequada do conjunto de variveis entre os IWP, dinmica

do processo de soldagem e DWP deve ser capaz de inserir energia necessria no sistema

eletrodo-metal base para que haja fuso. A configurao adequada do arco eltrico

responde por esse fenmeno. A ionizao do gs de proteo rompe o dieltrico entre o

eletrodo e o metal base, insere energia no sistema, com valores na faixa de 10 a 40 V,

alcanando 1200 A (MODENESI, 2008). Tendo em vista que das trs categorias, apenas

uma pode variar durante o processo, entende-se que so estes os parmetros mais

relevantes para se alcanar o DWP desejado (NAIDU et al., 2003).

Figura 2.4 - Vizinhana da tocha em GMAW.

26

Algumas tecnologias de fontes de soldagem j armazenam configuraes automticas dos

principais parmetros para um dado processo de soldagem para um dado IWP.

Computacionalmente, informam-se as entradas que no esto armazenadas na memria da

fonte, como tipo e dimetro do arame, tipo do gs de proteo e espessura do metal base

entre outros. A partir disso, obtm-se os valores de tenso, velocidade de alimentao do

arame e a curva Volt por Ampre (V x A), como mostra a Figura 2.5.

Figura 2.5 Curvas caractersticas de fontes de soldagem, em (A) tenso e corrente constante, em (B) tenso constante (ROADKILL, 2013).

Esses e outros parmetros a serem configurados para a utilizao do processo de soldagem

GMAW so apresentados a seguir, bem como suas particularidades, influncias gerais no

processo e no cordo de solda.

2.1.1.1 - Tenso eltrica de soldagem

A tenso eltrica de soldagem tem relao direta com o aporte trmico do processo de

soldagem GMAW e com o formato global do arco eltrico, seu comprimento e largura. A

tenso de soldagem US, a tenso do arco eltrico UA e a tenso do eletrodo UE esto

relacionadas de acordo com a Equao (2.1) (ADOLFSSON et al., 1995).

(2.1)

27

Para um mesmo valor de corrente eltrica, tenses mais baixas implicam em cordes de

solda mais estreitos e com maior penetrao no metal base, ver Figura 2.6. Tal

configurao possui grande utilizao no modo de transferncia por curto-circuito,

estudado neste trabalho. A variao da tenso em descompasso com a faixa de operao de

um dado modo de transferncia implica em defeitos caractersticos, como aparecimento de

porosidade no cordo de solda, sobreposio de camadas metlicas, salpicos e mordeduras

(BARRA, 2003). Tenso de soldagem muito alta provoca descontrole do arco eltrico e

turbulncia da poa de fuso, o que consequentemente influencia na penetrao do metal

base. Tenso de soldagem muito baixa afeta a abertura do arco eltrico, seu controle e

penetrao da poa de fuso, alm de aumentar a quantidade de respingos e a formao de

um cordo de solda de reforo extremamente convexo, com falhas na adeso ao metal base

em suas extremidades (WEMAN, 2003; AWS WHB, 1984).

Figura 2.6 - Efeito da tenso eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003).

Para dar-se incio ao processo, a fonte de soldagem tambm possui uma tenso em vazio,

tenso de circuito aberto (OCV). Por critrios de segurana o valor da tenso em aberto

limitado, porm varia de modelo para modelo de fonte de soldagem.

Apesar da Equao (2.1) descrever as tenses primrias envolvidas no processo, sabido

que so inmeros elementos que provocam quedas de tenso entre a gerao da energia

pela fonte e a demanda do processo. Dessa forma, h diferena entre a tenso da fonte

monitorada no processo de soldagem. A tenso eltrica monitorada a do arco eltrico,

que soma a queda catdica, a queda na coluna e a queda andica. Fatores como limpeza da

pea e superfcie a ser soldada, qualidade e posicionamento do plo CC-, espessura da

chapa a ser soldada entre outros, exigem maior tenso da fonte de soldagem para que o

valor do processo esteja na faixa desejada.

28

2.1.1.2 - Corrente eltrica de soldagem

A corrente eltrica de soldagem a varivel mais importante na taxa de consumo do

arame, por consequncia no volume transferido para a poa de fuso e, dessa forma, a

geometria final do cordo de solda, ver Figura 2.7.

Figura 2.7 - Efeito da corrente eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003).

A Equao 2.2 descreve a taxa de consumo do arame (em ingls melting rate, MR), de

acordo com rea da seco do arame (AR, que depende diretamente do dimetro), a

corrente eltrica de soldagem (IS), o comprimento de stick out do arame (lout), a constante

emprica 3 (que envolve reaes no anodo, a influncia do gs de proteo, as

caractersticas do eletrodo e polaridade do processo) e a constante emprica (que envolve

o aquecimento devido a resistncia do eletrodo) (NORRISH, 1992; AWS WHB, 1984).

(2.2)

A variao do parmetro pode alterar o modo de transferncia metlica. Um elevado valor

da corrente eltrica de soldagem afeta diretamente a expanso da ZTA. Tal injeo de

energia responsvel pelo brilho presente durante a soldagem. Para cada configurao de

parmetros de soldagem h uma variao particular do brilho emitido no processo. A

corrente eltrica de soldagem, a distncia entre o bico de contato e o comprimento do

arame provocam variao na taxa de fuso do arame e na energia transferida para a poa de

fuso, de acordo com o efeito Joule:

(2.3)

Algumas fontes de soldagem permitem que a indutncia do processo seja alterada. Essa

varivel, medida em henry no S.I., influencia diretamente no valor da corrente eltrica de

29

soldagem. Trata-se de uma corrente eltrica gerada por uma bobina prxima ao

transformador da fonte. Tal bobina, atravs da passagem da corrente eltrica de soldagem

gera induo magntica que cria uma corrente contrria corrente eltrica de soldagem, no

mesmo circuito, de maior ou menor intensidade, restringindo a mudana sbita de corrente

eltrica que passa pelo transformador (ALTHOUSE et al., 2013).

No caso de GMAW-S, esse parmetro controla a taxa em que a corrente cresce ou reduz,

ver Figura 2.8. Se a indutncia for muito baixa, a ruptura do contato entre a poa de fuso e

o arame pode ser violenta a ponto de gerar uma exploso. Isso resulta em muitos respingos

e a vaporizao de parte do material. Por outro lado, se a indutncia for muito alta, o arame

pode mergulhar na poa de fuso antes da fuso completa do arame. Assim, o processo

interrompido com o birds nest, ou seja, com arame emaranhado, no fundido, sobre o

metal de base e/ou na caixa do alimentador de arame (ALTHOUSE et al., 2013).

Figura 2.8 - Indutncia, valor alto (esquerda) e baixo (direita) (WEMAN, 2003).

Mquinas para a soldagem GMAW possuem, em geral, um controle que permite ajustar a

taxa de crescimento ou reduo da corrente de soldagem e assim aprimorar a variao da

corrente de soldagem para o modo de transferncia em curto-circuito. Na fonte TransPuls

Synergic 5000 CMT, por exemplo, essa operao feita pelo parmetro Dinmico que

varia de 0.0 a 10.0, com resoluo de 0.1.

No se utiliza corrente alternada em GMAW, pois o ciclo dessa forma de onda extinguiria

o arco eltrico durante o processo. No entanto, a inverso da polaridade da fonte (arame

em CC-), provoca instabilidade do arco, com deposio excessiva e irregular de material

sobre o metal base e reservado para projetos especficos (ALTHOUSE et al., 2013; AWS

WHB, 1984).

30

A configurao padro do fluxo de corrente para soldagem em GMAW utiliza DCEP ou

DCRP, ou seja, a polaridade positiva no eletrodo, com o metal base na polaridade negativa.

Em alguns casos especficos possvel utilizar configurao DCEN ou DCSP, ver Figura

2.9, com a polaridade negativa no eletrodo, com o metal base na polaridade positiva,

porm essas particularidades no sero tratadas nesse trabalho (ALTHOUSE et al., 2013;

AWS WHB, 1984).

Figura 2.9 Polaridade em DCEN e DCEP (modificado de ROADKILL, 2013).

2.1.1.3 - Velocidade de soldagem e de alimentao do arame

A velocidade de soldagem (em ingls welding speed) concentra ou distribui a transferncia

de metal e energia para o metal base, ver Figura 2.10, o que afeta a penetrao, a geometria

global do cordo de solda e o tamanho da ZTA (AWS WHB, 1984).

Figura 2.10 - Influncia da velocidade de soldagem no cordo de solda.

31

Velocidades maiores provocam cordes estreitos e alta penetrao no metal base, porm

elevao exagerada desse parmetro implica em geometria irregular do cordo com

ondulaes convexas, aparecimento de trincas de solidificao, irregularidades e falhas na

adeso ao metal base nas extremidades do cordo de solda, conhecido como mordedura

(em ingls undercut), como mostra a Figura 2.11 (AWS WHB, 1984).

Figura 2.11 - Exemplificao de undercut em junta de topo.

Velocidade de soldagem muito baixa implica em demasiada transferncia de metal e

energia sobre o metal base, e consequentemente h um aumento excessivo da largura do

cordo de solda com baixa penetrao que, em superfcies de baixa espessura, pode causar

perfurao (em ingls burn through) (WEMAN, 2003).

A velocidade de alimentao do arame controla a corrente eltrica de soldagem e

consequentemente a penetrao da poa de fuso no metal base. Valores elevados

dificultam a abertura do arco eltrico. Podem tambm aumentar excessivamente a largura

do cordo de solda e o nmero de respingos pelo curto-circuito frequente (AWS WHB,

1984).

Dependendo da espessura do metal base, a velocidade de alimentao do arame pode

implicar em baixa penetrao ou perfurao total da superfcie. Valores baixos resultam

em menor deposio de metal, estreitamento, concavidade e falha na adeso ao metal base

nas extremidades do cordo de solda.

Em curto-circuito, a diferena de velocidade de alimentao e consumo do arame causa o

mergulho do eletrodo. No instante que se toca a pea, h extino do arco eltrico que

determina a taxa de consumo do eletrodo. No instante seguinte, h o afastamento do

eletrodo ao metal base, e os parmetros retornam para restabelecer o arco (NORRISH,

1992).

32

2.1.1.4 - ngulo da tocha

Dois ngulos so preponderantes no posicionamento da tocha de soldagem: o de acesso ou

trabalho (em ingls torch work angle), e o de ataque ou deslocamento (em ingls torch

travel angle), ver Figura 2.12. O ngulo de trabalho, que est no plano transversal do

cordo de solda, est mais voltado para o acesso da raiz da junta projetada, contido no

intervalo de 35 a 90 por quadrante (WEMAN, 2003; TIMINGS, 2008).

Figura 2.12 - ngulo da tocha, de acesso ou trabalho, e de ataque ou deslocamento.

O ngulo de ataque, no entanto, est no plano da seco longitudinal do cordo de solda,

ou seja, o mesmo plano da garganta terica para filetes, com amplitude entre 0 e 15 em

relao a vertical, e possui configurao positiva, neutra ou negativa (ver Figura 2.13)

relativa posio do bocal, com a tocha sobre, perpendicular ou contra a poa de fuso

(WEMAN, 2003). Timings (2008) afirma que esse mesmo valor est compreendido entre

0 a 20. Cada posio influencia diretamente a geometria global do traado, como a

simetria do cordo de solda, a penetrao da poa de fuso e a geometria do reforo.

33

No caso de deslocamento negativo da tocha, ou seja, com o bocal sobre o cordo de solda,

o arco voltaico e o gs de proteo pressionam o material depositado contra ao cordo de

solda, o que implica em baixa penetrao da poa de fuso, aumento da largura do cordo

de solda e reduo de oscilao da poa de fuso durante o processo.

Figura 2.13 - Em (a) deslocamento positivo (drag ou backhand), em (b) perpendicular ou

vertical, e em (c) negativo (push ou forehand) (WEMAN, 2003).

Para deslocamento positivo, ou seja, com o bocal contrrio ao cordo de solda, o arco

voltaico e o gs de proteo pressionam a poa de fuso na direo de formao do cordo

de solda, o que implica em maior penetrao da poa de fuso, geometria mais robusta

com reforo convexo e reduo da proteo do gs (WEMAN, 2003; AWS WHB, 1984).

A posio perpendicular, ou vertical, a referncia de geometria do cordo de solda e no

exerce fora adicional por presso do gs de proteo ou arco voltaico sobre a poa de

fuso.

Uma configurao semelhante de posicionamento da tocha aplicada na soldagem de

juntas. A junta tipo T em particular, exige a inclinao no entorno de 45 com o plano

transversal linha raiz da junta, para ter mais acesso ao metal base, ou mesa ou membro

contnuo, e ao plano da alma, ou membro intercostal. Como boa prtica, utiliza-se tambm

inclinao levemente negativa, em torno de -15 em relao a vertical, como ilustra a

posio (c) na Figura 2.13. Essa configurao permite que o fluido aquecido esquente as

duas partes da junta com isonomia, o que influencia diretamente a geometria do filete.

34

Figura 2.14 - Posicionamento angular adequado da tocha para soldagem de filete

(modificado de WEMAN, 2003).

Segundo Weman (2003), a tocha deve projetar o eletrodo com um deslocamento de 1 a 2

mm da raiz da junta tipo T, como mostra a Figura 2.14. O propsito compensar a elevada

dissipao de calor pela conduo nas duas partes soldadas e dar simetria ao perfil de

penetrao.

2.1.1.5 - Distncia entre bico de contato e metal base

A distncia entre o bico de contato e o metal base, de sigla DCP em portugus, influencia

diretamente a escolha do modo de transferncia metlica (ver Figura 2.4). O bico de

contato pode estar levemente projetado ou recuado no bocal da tocha, e possui relao

estreita com o comprimento do arco eltrico e do arame (em ingls stick out).

Apesar da importncia dessas distncias na geometria da poa de fuso e da proteo

adequada do gs, pouco esclarecido sobre o assunto. Kim et al. (1995) estudaram a

influncia do CTWD, sigla em ingls, na geometria da poa de fuso e encontraram que h

influncia considervel, principalmente por afetar o comprimento do arco eltrico e a

corrente eltrica de soldagem. Dreher et al. (2010) apresentam o estudo de escoamento do

gs no bocal comumente utilizado em GMAW. Entretanto, relaes entre CTWD, stand

off, modos de transferncia e vazo do gs possuem literatura detalhadas, o que implica

em confuso sobre nomes de distncias (CTWD e stand off, por exemplo) e configuraes

empricas por parte do soldador, com imagens constantes de CTWD igual a stand off, ou

seja, com o bico de contato nivelado ao bocal (ALTHOUSE et al., 2013).

35

Quanto mais recuado o bico de contato em relao ao bocal, ou seja, quanto mais

escondido estiver, maior ser o stick out e consequentemente maior a oscilao de

parmetros durante o processo. Quanto mais projetado o bico de contato em relao ao

bocal, ou seja, quanto mais amostra estiver, mais concentrado fica o arco voltaico, maior

a penetrao da poa de fuso, maior a robustez e convexidade no reforo, e mais estreitos

so os cordes (ALTHOUSE et al., 2013).

O bocal mantm uma altura constante, ou stand off, em relao ao metal base para cada

posicionamento do bico de contato e modo de transferncia desejado. A distncia entre o

bico de contato e o metal base, ou CTWD, indica se o bico de contato est projetado ou

recuado em relao ao bocal da tocha. Para cada tipo de transferncia metlica, utilizam-se

as configuraes citadas, trabalhando, como regra geral, em uma faixa de 10 a 15 vezes o

dimetro do eletrodo. Deve ser mantido constante ao longo da soldagem e tambm

influencia a geometria do cordo de solda, como mostra Figura 2.15 (NAIDU et al., 2003).

Figura 2.15 - Influncia do CTWD na geometria do cordo de solda.

Em GMAW-S, por exemplo, o bico de contato pode estar projetado, com limite mnimo

referenciado no bocal, configurado conjuntamente com stand off e stick out quando se quer

ter mais acesso uma junta a ser soldada.

36

Figura 2.16 - Possvel configurao para GMAW-S, CTWD menor que stand off.

A literatura, no entanto, no esclarece qual a referncia para essas distncias quando h

inclinao na tocha. Infere-se do posicionamento para junta de topo que a distncia para

uma junta tipo T, por exemplo, parte na direo do arame at o metal base.

Figura 2.17 - CTWD, stand off e stick out para junta T.

2.1.1.6 - Gs de proteo

Um dos elementos que influencia diretamente as caractersticas globais do processo

GMAW a composio do gs de proteo. A cobertura gasosa, alm de proteger a

37

formao do cordo contra o ar atmosfrico e facilitar a abertura do arco eltrico, possui

forte influncia no aspecto final do cordo de solda e na eficincia da transferncia de

energia do arco eltrico para o metal base.

O ar atmosfrico composto principalmente de oxignio em torno de 20%, e nitrognio

em torno de 80%. Tais elementos so reativos e podem combinar aos metais envolvidos no

processo de soldagem para o aparecimento de defeitos na solda.

A combinao de oxignio aos metais forma xido, como o monxido de carbono que,

provindo da presena de oxignio na soldagem de ferrocarbono, pode provocar porosidade

no cordo de solda e dificultar a coalescncia do arame e metal base, e, como

consequncia, impactar negativamente nas caractersticas mecnicas da solda, alm de ser

txico para o homem (ALTHOUSE et al., 2013; AWS WHB, 1984).

O nitrognio, em maior concentrao no ar, tende a formar nitritos metlicos que, entre

outros efeitos, aumenta a dureza no cordo de solda. O dixido de nitrognio, por exemplo,

contribui para o surgimento de porosidade no cordo de solda e traz risco sade do

soldador.

No geral, o gs de proteo influencia o modo de transferncia metlica desejada, na

geometria global do cordo de solda, na velocidade de soldagem devido eficincia na

transferncia de energia do arco eltrico para o metal base, e por consequncia os defeitos

decorridos no processo de soldagem, como escria, deformao na seco transversal do

metal base, entre outros (ALTHOUSE et al., 2013; AWS WHB, 1984).

Em GMAW, para aplicao da solda em metais no ferrosos, utilizam-se gases inertes,

puro ou combinado, como o Argnio (Ar) e o Hlio (He). Gases como o Oxignio (O2),

Dixido de Carbono (CO2) e Nitrognio (N2), por serem reativos, geralmente no so

utilizados puros como gases de proteo. Cada gs, ou combinao de gases, destinado a

alcanar caractersticas especficas no processo de soldagem e so apresentados a seguir e

na Figura 2.18. Mesmo que a vazo e o gs de proteo estejam fixados durante o processo

de soldagem, a configurao adequada desses parmetros reflete diretamente no cordo de

solda (ALTHOUSE et al., 2013; AWS WHB, 1984).

38

Argnio (Ar): gs inerte altamente ionizvel, o argnio estreita o arco eltrico e aumenta a

concentrao de corrente eltrica de soldagem no processo. As consequncias diretas na

poa de fuso so maior penetrao, estreitamento da largura e reduo de respingos,

aliada a utilizao de menor tenso de soldagem. O peso especfico maior, se comparado

ao hlio, e por isso utiliza-se menor vazo de gs de proteo no processo de soldagem. A

contrapartida a baixa condutividade trmica. Pode ser utilizado para soldagem de metais

no ferrosos e ferrocarbono. No ltimo caso, geralmente utilizado em mistura com

pequenas quantidades de CO2 ou O2.

Hlio (He): gs inerte com alta condutividade trmica, o que contribui com a fuso mais

acelerada do arame e a formao de reforo com maior volume, e consequentemente

utilizado em soldagem de metais base mais espessos. Essa mesma caracterstica bem

aproveitada na soldagem de metais que a taxa de transferncia de calor por conduo

facilita o resfriamento do metal base durante o processo de soldagem. No entanto, o hlio

no ioniza to facilmente e exige maiores valores de tenso de soldagem, o que provoca

respingos durante o traado do cordo. Outra contrapartida possuir menor peso

especfico, o que implica em maior gasto de gs para a proteo da poa de fuso.

Dixido de Carbono (CO2): gs reativo com alta condutividade trmica e menor ionizao,

se comparado ao argnio, o que exige maior tenso de soldagem no processo, e

consequentemente provoca poas de fuso mais largas e com maior penetrao. O peso

especfico elevado, exige menor vazo volumtrica para se ter boa cobertura da poa de

fuso. Seu uso acarreta maior definio do contorno do cordo de solda e reduz a

deformao na seco transversal do metal base. O diferencial do CO2 o custo reduzido

se comparado aos gases inertes. No entanto, recomenda-se a utilizao de ventilao para

soldagem com esse gs puro, j que uma frao apresenta-se na forma de CO que aumenta

o comprimento do arco eltrico, alm de ser txico.

Oxignio (O2): gs reativo extremamente oxidante que deve ser utilizado em combinao

com argnio, principalmente para solda de ferrocarbono. Em baixas concentraes, entre 1

e 5% de O2, essa mistura produz poas de fuso mais fluidas, o que reduz a ocorrncia de

respingos, com contorno destacado e reduo de deformao na seco transversal do

metal base. O oxignio coopera para a estabilidade do arco, entretanto, natural que

39

provoque oxidao da superfcie do cordo de solda, mesmo que no comprometa as

caractersticas mecnicas da unio.

Nitrognio (N2): gs reativo substituto de mercado do hlio, com propriedades

semelhantes, geralmente utilizado em combinao com argnio na proporo Ar 70% e N2

30%.

Figura 2.18 - Influncia geral da escolha do gs na geometria global da poa de fuso

(modificado de ALTHOUSE et al., 2013).

Alm da composio do gs de proteo, outro fator que deve ser analisado a cobertura

que o gs est oferecendo para o cordo de solda. A vazo adequada de gs de proteo

deve possuir a quantidade essencial para o traado do cordo de solda, sem haver

desperdcio por emisso exagerada de gs. De forma emprica, utiliza-se um valor elevado

de vazo, como 40 l/min, com reduo do valor at encontrar o momento que h corroso

no cordo. A medida tima a vazo limiar superior ao valor encontrado de corroso.

Caso o valor de corroso seja 12 l/min, sugere-se utilizar de 13 l/min.

Outra influncia o tipo de escoamento do gs de proteo, ver Figura 2.19. Alguns bocais

auxiliam o escoamento do gs de proteo, de turbulento para laminar, e aprimoram a

cobertura do cordo de solda durante o processo. Dessa forma, h reduo de consumo de

gs e melhoria de proteo com o gs concentrado sobre o arco eltrico.

40

Figura 2.19 - Da esquerda para a direita, bocal e difusor do tipo gas lens, e bocal padro,

respectivamente, ambos utilizados em TIG.

A vazo do gs depende do tamanho do bocal utilizado em GMAW, e geralmente varia

entre 4 e 40 l/min, geralmente utilizado entre a faixa de 7 a 12 l/min (PARMAR, 1995).

2.1.1.7 - Ciclo de trabalho da fonte de soldagem

No exatamente um parmetro para ser configurado durante o processo de soldagem,

porm o desconhecimento do ciclo de trabalho da fonte, ou duty cicle, afeta negativamente

o desempenho e a vida til do equipamento, e o planejamento do processo.

As caractersticas estticas e dinmicas da fonte afetam diretamente a estabilidade do arco

eltrico. Uma fonte de tenso constante, comumente utilizada em GMAW, possui um

tempo de trabalho, ou tempo de operao, que afeta o processo. O ciclo de trabalho,

discriminado em porcentagem, geralmente entre 20% e 100%, descreve por quanto tempo

a fonte gera energia para um dado trabalho em uma dada configurao. A partir desse

valor, possvel estimar o tempo possvel para executar a soldagem e o tempo de pausa

para resfriamento da fonte. Por exemplo, considerar ciclo de trabalho com parada de 10

minutos, utilizando 40% do tempo (equivalente a 6 min) a 500 A, ou seja, a fonte pode

trabalhar 6 minutos gerando 500 A e depois deve dar uma pausa de 10 minutos.

Desconsiderar essas recomendaes implica em superaquecimento do sistema eltrico da

fonte, o que pode provocar falha nos componentes eltricos.

41

A Associao Nacional de Fabricantes Eltricos (NEMA), por exemplo, possui uma norma

que descreve sobre ciclos de trabalho e equipamentos eltricos de soldagem, a EW-1

Eletric Welding Apparatus.

2.1.1.8 - Modos de transferncia metlica

Como foi dito, o processo de soldagem GMAW possui uma srie de parmetros que

influenciam a formao do cordo de solda. A combinao de alguns desses parmetros

tambm influencia a forma como o material de adio incorporado ao metal base, alm

de permitir avaliar a estabilidade do processo de soldagem, a quantidade de respingos e

perda de material de adio, a qualidade global do cordo de solda traado, e as

possibilidades dadas ao operador da ferramenta quanto aos ngulos de utilizao.

Norrish (1992) e Ponomarev et al. (2009) classificam os modos de transferncia metlica

quanto ocorrncia ou no do toque do arame na poa de fuso, ou seja, quando h

mergulho (em ingls dip transfer), ou queda livre (em ingls free-flight transfer), durante a

deposio de metal de adio ao metal base.

No modo de transferncia em queda livre, o metal de adio se desprende do eletrodo e se

desloca na coluna de gs protetor at alcanar o metal base. Esporadicamente pode ocorrer

imerso do eletrodo na poa de fuso. No entanto, isso no ocorre com uma frequncia

regular, ou de forma proposital.

No modo de transferncia em mergulho, e mais relevante para este trabalho, ocorre o toque

e imerso do eletrodo no metal base em uma frao de segundo. O material fundido no

eletrodo se desprende e arrastado para a poa de fuso pela fora de tenso superficial ali

presente, pela fora gravitacional e pelo solavanco magntico, ou pinch force, induzida

pela corrente do processo. Recomendado para soldagem de juntas de chapas finas (inferior

a 1/8 pol.), soldagem em todos os tipos de posio da tocha e para preenchimento de passe-

raiz de grandes dimenses (ROADKILL, 2013).

Sob essa tica, tem-se como modos de transferncia predominantes estveis o globular, o

curto-circuito, o goticular ou spray, e o pulsado. Ponomarev et al. (2009) classificam

tambm as transies entre alguns dos modos predominantes, de acordo com a variao do

42

comportamento da deposio devido s faixas de tenso e corrente eltrica de soldagem. O

modo globular repelida, goticular projetada, goticular com alongamento, goticular

rotacional ou explosiva esto entre os rtulos da subclassificao como mostra a Tabela

2.1.

O comportamento da transferncia metlica influencia diretamente a luminescncia do arco

eltrico, fenmeno que influencia o monitoramento em tempo real da largura do cordo de

solda abordado no tpico 2.5 - . Com exceo do curto-circuito, no h extino do arco

eltrico durante a deposio do metal de adio ao metal base. Assim, a radiao luminosa

torna-se um rudo que satura a imagem da poa de fuso e compromete muito o

monitoramento da dinmica do processo de soldagem na vizinhana da poa de fuso

(FRANCO, 2007; KOIKE et al., 1999).

43

Tabela 2.1 - Classificao e subclassificao dos modos de transferncia metlica GMAW

(modificado de LOPERA, 2010).

44

2.1.1.9 - Estabilidade do processo de soldagem

A variabilidade na frequncia de curto-circuito, a ocorrncia de curtos-circuitos

momentneos que no provocam transferncia metlica, e a extino repetitiva do arco

eltrico durante o processo caracterizariam, para estabilidade do arco eltrico, que

GMAW-S um processo instvel. No entanto, Carvalho (1997) refora a subjetividade em

se conceituar estabilidade do processo de soldagem e aponta que a prpria regularidade

dessas supostas caractersticas de instabilidade permite a inferncia de GMAW-S como um

processo estvel e vivel, j que a estabilidade do arco eltrico no indica estabilidade no

comportamento dinmico da poa de fuso.

Assume-se para esse trabalho a condio de estabilidade do processo de soldagem, e no

exclusivamente do arco eltrico, os aspectos de qualidade na geometria do filete,

atendimento aos requisitos de projeto de junta tipo T e ocorrncia mnima de respingos.

2.1.2 - Projeto de junta

O projeto da junta exige uma anlise crtica sobre o posicionamento do metal base,

acessibilidade tocha e inspeo, e o preparo fsico-qumico do material que ser

soldado. O projeto de junta precisa ser avaliado quanto gesto do escopo, prazo, o custo,

a qualidade, os recursos humanos, a comunicao, o risco, as aquisies e a integrao de

todos os pilares. No geral, resume-se o projeto nos seguintes quesitos (BLODGETT, 1963;

AWS D1.1, 2006; TIMINGS, 2008; MACHADO, 2011):

Definir o tipo (tenso, compresso, flexo, carga estvel, sbita ou varivel), a

magnitude, a direo e o sentido dos esforos a serem recebidos na junta;

Se h fadiga ou estresse causado por impacto na unio das peas;

Risco de defeitos e avaliao de quais deles pode-se evitar, mitigar, transferir ou

aceitar;

O custo de preparo da junta;

A eficincia da junta, ou seja, quo resistente a solda se comparada ao metal base.

A comunicao entre projeto e execuo da solda;

45

O projeto de conexes envolve uma relao estreita entre cincia e arte. So diversas

filosofias que podem ser utilizadas na concepo da junta, aplicao das foras,

disponibilidade de tecnologia, custos, recursos, produtividade do processo etc.

2.1.2.1 - Tipos de junta

A combinao das especificaes conjuntas de tal anlise permite projetar inmeros tipos

de juntas para receber a solda. Quatro tipos bsicos delas so amplamente conhecidos: de

topo (em ingls butt joint), de ngulo (em ingls corner joint), sobreposta (em ingls lap

joint), e de aresta (em ingls edge joint) (TIMINGS, 2008; WEMAN, 2003; AWS WHB,

1984), como mostra a Figura 2.20.

Figura 2.20 - Tipos bsicos de juntas soldadas, vista em perspectiva e corte transversal

(modificado de TAMBOLI, 1999 e TIMINGS, 2008).

Diz-se junta de topo quando h alinhamento no mesmo plano das partes soldadas. Caso

estejam sujeitas inclinao, seja em forma de L, em forma de T, ou outro ngulo entre as

superfcies do metal base, nomeia-se junta de ngulo. Para juntas de ngulo com peas

perpendiculares, utiliza-se comumente o nome junta tipo T. A junta entre a aresta de uma

pea e a superfcie de outra, configurao pea sobre pea, denominada sobreposta.

Tambm destinada para partes no mesmo plano, mas com propsito diferente da junta de

topo, tem-se a junta de aresta.

A combinao metal base e material de adio determinar o matching, ou seja, o plano de

ao dos esforos ao longo da junta. Um dos critrios de projeto determinar que o metal

de adio seja menos resiliente que o metal base e dessa forma, os esforos so calculados

46

em distribuio uniforme ao longo do plano da garganta terica do filete. Para um metal de

adio mais resiliente que o metal base, os esforo deslocam-se para as extremidades da

unio, concentrando-se nas reas termicamente afetadas (AWS D1.1, 2006).

Figura 2.21 Exemplos de distribuio de esforos (WEMAN, 2003).

Utiliza-se no projeto de junta tipo T a grandeza da perna do perfil do cordo de solda para

calcular o tamanho do filete. no valor da garganta terica, porm, que se calcula os

esforos da junta, exemplificados na Figura 2.21. Para junta tipo T, possvel utilizar

soldagem em filete, plug/slot, spot/projection, brasagem e em chanfro reto, 60, J, V

curvado (AWS WHB, 1984).

O passe da raiz inicia a soldagem das partes preparadas e influencia diretamente a

penetrao da solda. Seu traado acompanha e preenche a abertura da raiz, ou gap. Para

alguns projetos de juntas, apenas o passe da raiz suficiente para a unio das partes.

Outros casos incluem passes consecutivos a partir do passe da raiz. Traados assim so

exigidos para o total preenchimento da junta, dependendo da espessura do metal base, seja

em movimento retilneo, como o de um cordo simples, ou duplo oito, ou triangular, ou

stringer bead, ou ziguezague (em ingls weave bead) ou outros perfis de tecimento

(NADZAM et al., 1995; AWS D1.1, 2006; TIMINGS, 2008), como mostra a Figura 2.22.

47

Figura 2.22 - Exemplos de movimentao do eletrodo, sem ou com tecimento.

2.1.2.2 - Tipos de chanfros

A configurao das juntas com chanfro provoca traados bem diferenciados para o cordo

de solda. O perfil dos chanfros variado, ver Figura 2.23, e influencia diretamente na

forma como a unio estabelecida, consequentemente na forma como o metal base

acomoda entre as juntas e a geometria do cordo de solda (TAMBOLI, 1999).

Figura 2.23 - Tipos comuns de chanfros para o projeto das juntas (modificado de

GREGORY et al., 2005 e AWS A3.0, 2010).

A abertura da raiz, facilmente visualizada no chanfro reto, geralmente determinada pelo

dimetro do eletrodo utilizado e, consequentemente, do tipo do metal base e do

posicionamento da solda. Utilizar o valor adequado para o gap influencia diretamente na

48

dimenso profundidade do cordo de solda. Para solda em filete, as peas devem estar o

mais prximo possvel, no devendo exceder gap de 3/16 pol. ( 4,7625 mm). Se houver

gap de at 1/16 pol., esse valor deve ser acrescido no tamanho do filete (TAMBOLI,

1999).

2.1.2.3 - Posies de soldagem

Duas categorias determinam faixas de posicionamento de soldagem: para teste e para

produo. As posies para teste, ou posies padro, so classificadas de acordo com a

norma, por exemplo, ASME e EN ISO 6947, nas quais h correlao. As posies de teste

utilizam uma nomenclatura para facilitar o entendimento do posicionamento para teste do

metal base a ser soldado. Na norma ASME, a letra G utilizada para junta com chanfro e a

letra F para junta em filete. Para chapas no tubulares, uma numerao dita a posio de

soldagem, sendo 1 no plano, 2 na horizontal, 3 na vertical e 4 sobrecabea. Para soldagem

orbital, configuraes adicionais so permitidas. Para a norma EN ISO 6947, a

nomenclatura utiliza PA, PB, PC, PD, PE, PF e PG para abreviar as posies de soldagem,

como explica a Figura 2.24.

Figura 2.24 - Posies de soldagem.

49

As posies de teste so posies discretas, com faixas de tolerncias definidas, de 15

para desvio longitudinal e 5 de desvio transversal ao cordo, com inteno principal de

contribuir com a avaliao e qualificao de soldadores. Durante o processo produtivo de

soldagem, no entanto, ngulos fora da tolerncia de teste so necessrios, indefinidos pelas

posies dessas normas. Relaes entre posies de teste e produo podem ser

encontradas nos cdigos de construo ASME IX QW-461.1 e QW-461.2, ver Figura 2.25.

Figura 2.25 - Exemplo de traduo entre posio de teste e produo (modificado de

ASME, 2013).

2.1.2.4 - O cordo de solda

Outras configuraes tambm afetam a geometria do cordo, como o ngulo de trabalho da

tocha e a velocidade de resfriamento da poa de fuso. O segundo caso, a taxa de

resfriamento, influencia a largura, por exemplo, de cordes de solda com elevado valor de

reforo, com deposio de muita massa do arame, e alto aporte trmico. O desdobramento

dessa combinao uma massa concentrada em coalescncia e aquecida, que tende a

escorrer e acomodar sua geometria at que o resfriamento a solidifique. Em GMAW-S, no

entanto, h baixo aporte trmico e rpido resfriamento, o que permite a medio da largura

do cordo de solda bem prxima da largura da poa de fuso.

50

Variveis como o coeficiente de expanso trmica do metal base e o nmero de restries

no posicionamento da junta influenciam a distoro, o aparecimento de trincas e as tenses

residuais na solda da junta.

A seco de um cordo de solda contempla trs parmetros que definem a geometria global

da solda, com o reforo, a penetrao e a largura, ou distncia entre margens, como mostra

a Figura 2.26.

Figura 2.26 - Nomenclatura da geometria do cordo de solda.

Duas macrocategorias definem a geometria do cordo de solda em relao seco e

junta: solda em chanfro (groove) e em filete (fillet). A junta em chanfro pode ser do tipo

penetrao total (CJP) ou penetrao parcial (PJP), como mostra a Figura 2.27. Cordes

em PJP ou filete so preferenciais em relao ao custo devido ao menor volume de

material depositado (AWS D1.1, 2006) . Em geral, filetes menores e mais longos so

equivalentes em capacidade a filetes maiores e curtos, e custam menos pela quantidade de

material depositado, pelo nmero de passes e pelo tempo do processo (TAMBOLI, 1999).

51

Figura 2.27 - Penetrao total e parcial em junta com chanfro.

vlido lembrar que nem todas as juntas necessitam de alta penetrao do cordo de solda.

De acordo com o AWS D1.1, filetes simples no exigem que a penetrao siga alm da

raiz, pois a fuso at a raiz garante capacidade suficiente para aquele junta, ver Figura

2.28.

Figura 2.28 - Requerimentos de penetrao para solda em filete de junta tipo T

(modificado de TAMBOLI, 1999).

A nomenclatura tambm utiliza as seguintes definies de pontos relevantes na seco do

cordo (TAMBOLI, 1999).

Chanfro: superfcie geralmente angular, em uma ou ambas as partes e faces, que

recebe o cordo de solda. Pode estar entre a faixa de 30 a 60 graus, ou possuir

curvatura na forma de bisel, V, J, U, K ou outras geometrias para propsitos

especiais de solda e custos.

Face: superfcie aparente do cordo ao trmino do traado.

Garganta efetiva: distncia entre o ponto mdio da raiz face da solda.

Garganta terica: distncia entre o ponto mdio da raiz linha de ligao entre as

margens. Essa dimenso forma o plano mais frgil da solda ao longo do cordo. Por

52

estar mais distante da rea de fuso no metal base e a alma, tem muita relevncia no

projeto de junta.

Margem: limiar entre a juno entre a face da solda com o metal base. A largura do

cordo de solda medida atravs da distncia entre duas margens.

Perna: distncia entre a margem e o ponto mdio da raiz da solda.

Raiz: parte posterior da solda que intercepta a superfcie oposta do metal base. Em

uma corte de seco visualizada como um ponto, uma linha, ou uma rea,

dependendo do projeto da junta. A abertura da raiz geralmente tem a dimenso

igual ao dimetro do arame utilizado para GMAW.

Figura 2.29 Parmetros do filete (modificado de AWS WHB, 1984).

Um bom cordo de solda possui um reforo mnimo suficiente para garantir que o perfil

projetado seja preenchido. Excesso ou carncia de deposio influencia a convexidade do

perfil, ver Figura 2.29, e est diretamente ligado ao projeto da junta e custo do cordo

traado. Para soldas em filete em junta tipo T, a convexidade de um cordo de solda de

dada largura no pode exceder os seguintes valores apresentados na Tabela 2.2.

Tabela 2.2 - Convexidade mxima (modificado de AWS D1.1, 2006).

Largura do cordo ou da face W Convexidade mxima

W 5/16 pol. (8 mm) 1/16 pol. (2 mm)

W > 5/16 pol. (8 mm) at W < 1 pol. (25 mm) 1/8 pol. (3 mm)

W 1 pol. (25 mm) 3/16 pol. (5 mm)

53

A partir da anlise da Tabela 2.2 possvel inferir que o reforo no desejvel por

critrios de projeto, por ser um concentrador de fadiga, comumente usinado. Ele

desejvel, porm, para contornar defeitos na geometria do filete. De acordo com o cdigo

AWS D1.1 (2006), espera-se que os perfis em juntas tipo T estejam nos intervalos

mostrado na Figura 2.30.

Figura 2.30 - Perfis esperados de filete em junta tipo T (modificado de AWS D1.1, 2006).

Caso o projeto necessite de mais resistncia aos esforos, um cordo multipasse pode ser

traado para reforar o filete. A quantidade de passes est, no entanto, diretamente

relacionada distoro angular da junta.

Como foi dito, a variao dos parmetros indiretos do processo de soldagem, o gap entre

as chapas e o posicionamento do metal base influenciam a geometria global do cordo e

altera a forma como a poa de fuso ir se depositar. O preparo adequado do metal base a

ser soldado tambm influencia na eficincia, sequncia e produtividade da solda. Outros

impactos envolvem os defeitos de geometria e qualidade no cordo, provindos do processo

e/ou dos parmetros diretos e indiretos do processo de soldagem (AWS WHB, 1984).

54

Um dos mtodos mais utilizados no projeto de junta considera que, conhecendo as cargas

externas, tm-se as tenses distribudas uniformemente ao longo da garganta do cordo de

solda (TAMBOLI, 1999; BLODGETT, 1963). Os critrios de projetos utilizados nos

experimentos consideram que:

a) Cargas externas utilizam valores nominais;

b) O cordo de solda homogneo, isotrpico e elstico;

c) As partes soldadas so rgidas.

Dessa forma, desprezam-se as tenses residuais, concentrao de tenses e deformaes

entre solda e pea, o que aumenta a complexidade do clculo do projeto da junta. Este

trabalho no considera esforos atuando sobre a junta tipo T. A variao na geometria do

filete tem o intuito de associar parmetros de soldagem aos requisitos de projetos da junta.

Dado um filete em junta tipo T, o perfil do cordo tratado como tringulo retngulo.

Tem-se no dimensionamento dos catetos o clculo da rea da seco, e posteriormente, o

volume de material despendido naquele projeto. Para encontrar o menor volume de

material gasto com o cordo, tem-se:

(2.4)

(2.5)

Substituindo (2.5) em (2.4), tem-se:

(2.6)

Considerando:

(2.7)

Substituindo (2.7) em (2.6) e derivando, tem-se:

55

(

)

(2.8)

O volume mnimo de material necessrio para o projeto de um cordo alcanado com um

filete de pernas iguais. A Figura 2.31 mostra a relao calculada entre o volume do filete e

a razo entre as pernas do filete, para uma dada garganta e comprimento do cordo de

solda.

Figura 2.31 - Relao para o menor volume de filete.

Considerando um filete de pernas iguais, pode-se aproximar o perfil do cordo de solda a

um triangulo retngulo issceles, de catetos l (ou S = l para filete convexo, ou S l em

filete cncavo), hipotenusa w, a altura mxima do reforo re e a garganta terica t, com

relao direta pelo teorema de Pitgoras.

(2.9)

56

Figura 2.32 - Geometria considerada para o filete.

Dois mtodos so utilizados para clculo de esforos em projetos de estruturas, o

Coeficiente de Projeto para Carga e Resistncia (em ingls Load and Resistance Factor

Design, LRFD), e o Projeto da Tenso Admissvel (em ingls Allowable Strength Design,

ASD), ver Figura 2.33, cujas diferenas so mais filosficas e de critrios de projeto, e

sobre como contornar as incertezas associadas solda, s caractersticas do material

soldado, localizao da solda, funo da estrutura e atuao de esforos. Tanto o ASD

e LRFD, de acordo com Instituto Americano da Construo em Ao (em ingls American

Institute of Steel Construction, AISC), ainda so empregados (QUIMBY, 2008).

Figura 2.33 - Diferena na capacidade d