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    MINISTRIO DA EDUCAO

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

    CONSTRUO E VALIDAO DE UM CALORMETRO COM VAZO CONTNUA

    DE GUA PARA AVALIAO DO RENDIMENTO TRMICO EM PROCESSOS DESOLDAGEM

    por

    Pedro Vasata Sgarbi

    Dissertao para obteno do Ttulo deMestre em Engenharia

    Porto Alegre, Setembro de 2013

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    CONSTRUO E VALIDAO DE UM CALORMETRO COM VAZO CONTNUA

    DE GUA PARA AVALIAO DO RENDIMENTO TRMICO EM PROCESSOS DE

    SOLDAGEM

    por

    Pedro Vasata Sgarbi

    Engenheiro Mecnico

    Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, da

    Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dosrequisitos necessrios para a obteno do Ttulo de

    Mestre em Engenharia

    rea de Concentrao: Processos de Fabricao

    Orientador: Prof. Dr. Jos Antnio Esmrio Mazzaferro

    Comisso de Avaliao:

    Prof. Dr. Arnaldo Ruben Gonzalez, PROMEC / UFRGS

    Prof. Dr. Louriel Oliveira Vilarinho, FEMEC / UFU

    Prof. Dr. Paulo Smith Schneider, PROMEC / UFRGS

    Prof. Dr. Rogrio Jos Marczak

    Coordenador do PROMEC

    Porto Alegre, 02 de Setembro de 2013

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    Eu no vou estud, vou s trabia. S trabia!

    Estava enganado Pedro quando proferiu estas palavras.

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    iii

    AGRADECIMENTOS

    Ao Prof. Mazzaferro, pela orientao deste trabalho, pelo conhecimento e experincia

    transmitidos.

    Ao Prof. Ruben, que esteve sempre disposio para contribuir com o

    desenvolvimento deste trabalho.

    Ao Prof. Schneider, por ter contribudo desde inicio deste trabalho com ideias.

    equipe de ps-graduandos do LS&TC, pela colaborao na realizao dos

    experimentos de soldagem.

    minha famlia e minha noiva, que estiverem sempre presentes, sempre meapoiaram nesta longa caminhada e que me suportaram nos momentos mais insanos.

    minha irm Mariana, que mesmo sem conhecer nada de soldagem corrigiu todo este

    trabalho.

    Ao meu amigo Paulo, que incentivou a minha inscrio neste programa de Mestrado e

    que foi meu colega durante esta caminhada.

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    RESUMO

    O aporte trmico, ou imposio de calor, uma das caractersticas com grande importncia

    nos processos de soldagem, pois ela est diretamente relacionada com as propriedades

    mecnicas e as transformaes metalrgicas da junta soldada. Neste sentido, este trabalho

    prope o projeto, a construo e a validao de um calormetro com uma vazo contnua de

    gua para avaliao do aporte trmico e da eficincia trmica em processos de soldagem a

    arco eltrico que seja de baixo custo, adaptvel aos diferentes processos de soldagem, de

    simples operao e fcil movimentao. Foram realizados experimentos com trs processos,

    sendo eles: soldagem a arco com gs de proteo e eletrodo consumvel (GMAWGas Metal

    Arc Welding), soldagem a arco com eletrodo no consumvel e gs de proteo (GTAWGasTungsten Arc Welding) e soldagem ao arco submerso (SAW Submerged Arc Welding). As

    atividades realizadas visam identificar o efeito sobre a eficincia trmica devido variao de

    alguns dos parmetros de soldagem bem como identificar caractersticas intrnsecas do

    calormetro construdo. Para o processo de soldagem GMAW verificou-se um rendimento

    mdio do arco de 72,82%, com uma eficincia mdia de 71,10% especificamente para o

    processo GMAW com transferncia metlica goticular e de 76,26% para transferncia

    metlica por curto-circuito. O processo de soldagem GTAW apresentou uma eficinciatrmica mdia de 68,44% e para o processo SAW foi observado um rendimento do arco de

    91,05%. Os resultados obtidos se mostraram coerentes quando comparados aos valores

    reportados anteriormente por outros autores e tambm apresentaram uma boa repetitividade,

    sendo de 4,5% a maior diferena observada entre cordes de solda de um mesmo

    experimento.

    Palavras-chave: Calorimetria; Eficincia Trmica; Aporte Trmico; Calormetro de gua;Soldagem a arco.

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    v

    ABSTRACT

    Heat input is an important welding process characteristic since it is directly related to the

    mechanical properties and metallurgical transformations of the welded joint. This paper aims

    to present the project, construction and validation of a calorimeter with continuous water flow

    to evaluate the heat input and the thermal efficiency of arc welding processes. The proposed

    calorimeter shall have a low cost, versatile, easy to handle and to operate. Experiments were

    carried out with gas metal arc welding (GMAW), gas tungsten arc welding (GTAW) and

    submerged arc welding (SAW). These activities aimed to identify the effect that changes of

    certain welding parameters perform on the thermal efficiency and to identify intrinsic

    characteristics of the proposed calorimeter. For GMAW processes it was obtained a globalthermal efficiency of 72.82%. For this process, the results were different according to the

    metal transfer: 71.10% for GMAW with spray transfer and 76.26% for GMAW with short

    circuit transfer. The average thermal efficiency obtained for the GTAW was of 68.44% and

    for the SAW process was of 91.05%. The experiments results showed to be consistent when

    compared to previously reported values by other authors and also showed good repeatability,

    where the large difference observed between weldments of the same experiment was of 4.5%.

    Keywords: Calorimetry, Thermal Efficiency, Heat Input, Water Calorimeter, Arc Welding.

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    NDICE

    1

    INTRODUO ............................................................................................................. 1

    2 REVISO BIBLIOGRFICA ..................................................................................... 4

    2.1

    Processos de Soldagem .................................................................................................... 4

    2.2Clculo da Potncia do Arco Eltrico e da Eficincia Trmica ....................................... 8

    2.3

    Mecanismos de Transferncia de Calor ........................................................................... 11

    2.4Modelos de Transferncia de Calor na Soldagem ........................................................... 12

    2.5Perdas de Calor Durante o Processo de Soldagem .......................................................... 14

    2.6

    Calorimetria ..................................................................................................................... 16

    2.7Valores de Eficincia Trmica Obtidas em Estudos Anteriores ...................................... 23

    3 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MTODOS ...................................................... 27

    3.1Corpos de Prova ............................................................................................................... 27

    3.2Corpo do Calormetro ...................................................................................................... 28

    3.3

    Isolamento Trmico do Corpo de Prova .......................................................................... 29

    3.4

    Acoplamento entre o Corpo do Calormetro e o Corpo de Prova.................................... 31

    3.5Sistema de Alimentao de gua .................................................................................... 32

    3.6

    Sistema de Monitoramento de Temperatura .................................................................... 33

    3.7Sistema de Monitoramento da Soldagem ........................................................................ 35

    3.8Equipamentos de Soldagem ............................................................................................. 36

    3.9Metodologia Utilizada para Medio da Vazo de gua do Calormetro....................... 47

    3.10 Metodologia de Clculo da Potncia Eltrica ............................................................. 49

    3.11

    Metodologia de Clculo da Energia de Soldagem ...................................................... 51

    3.12 Metodologia para Obteno do Aporte Trmico ........................................................ 51

    3.13 Planejamento Experimental ........................................................................................ 53

    3.14 Testes Iniciais ............................................................................................................. 56

    4 PROJETO, CONSTRUO E OPERAO DO CALORMETRO ..................... 58

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    vii

    5 RESULTADOS E DISCUSSES ................................................................................. 68

    5.1

    Experimentos com o Processo de Soldagem GMAW ..................................................... 68

    5.2Experimentos com o Processo de Soldagem GTAW ...................................................... 73

    5.3

    Experimentos com o Processo de Soldagem SAW ......................................................... 76

    5.4

    Anlise dos Erros e Incertezas ......................................................................................... 79

    5.5Anlise Financeira ........................................................................................................... 80

    6 CONCLUSES .............................................................................................................. 81

    7 TRABALHOS FUTUROS ............................................................................................ 82

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................................. 83

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    LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1 Esquema representativo da soldagem MIG/MAG. 5

    Figura 2.2 Esquema representativo da soldagem TIG com corte da tocha desoldagem.

    7

    Figura 2.3 Vista em corte do processo de soldagem ao arco submerso. 8

    Figura 2.4 Representao dos mecanismos de transferncia de calor porconduo, conveco e radiao.

    12

    Figura 2.5 Desenho ilustrativo da distribuio de energia em um processo desoldagem a arco eltrico.

    15

    Figura 2.6 Transferncia de calor na pea durante a soldagem. (a) SoldagemMIG/MAG com penetrao total e (b) soldagem MIG/MAG com

    penetrao parcial.

    16

    Figura 2.7 Representao do calormetro proposto por Essers e Walter, 1981. 17

    Figura 2.8 Calormetro com fluxo contnuo de gua. 18

    Figura 2.9 Dispositivo proposto para avaliao do rendimento trmico. 19

    Figura 2.10 Princpio operacional do calormetro. 20

    Figura 2.11 Calormetro de caixa fechada. (a) Detalhe do corpo de prova elocalizao dos termopares e (b) montagem do bloco na caixa.

    21

    Figura 2.12 Princpio de avaliao do aporte trmico por massa perdida de N2L

    com transporte manual do corpo de prova.

    22

    Figura 2.13 Equipamento calormetro de nitrognio lquido. 23

    Figura 2.14 Grfico da eficincia trmica mdia reportada por autores pelo ano dapublicao.

    26

    Figura 3.1 Desenho dos corpos de prova utilizados nos experimentos (dimensesem mm). (a) Tubo laminado com dimetro externo de 63,5 mm e (b)tubo laminado com dimetro externo de 89 mm.

    28

    Figura 3.2 Calhas utilizadas para isolamento dos corpos de prova. (a) Calha comtubo de PVC e cortia de menor dimetro e (b) calha com tubo dePVC e cortia de maior dimetro.

    30

    Figura 3.3 Vista em corte e isomtrica das rolhas utilizadas nos experimentos(dimenses em mm). (a) Rolha para os corpos de prova menores e (b)rolha para os corpos de prova maiores.

    31

    Figura 3.4 Detalhe dos componentes utilizados no sistema de alimentao degua.

    32

    Figura 3.5 Posicionamento dos termopares no calormetro. 34

    Figura 3.6 Esquema de ligao dos fios de dois termopares para medidas detemperatura diferencial.

    34

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    ix

    Figura 3.7 Equipamento ADS2000 IP utilizado na aquisio de dados. 35

    Figura 3.8 Sistema utilizado para aquisio de dados: (a) computador econdicionador de sinais; (b) sensor de corrente de soldagem ligado aocabo da fonte; (c) garra do sinal de tenso conectada fonte; (d)sensor de velocidade de alimentao do arame posicionado no suportedo rolo de arame e (e) garra de aterramento presa ao cabo terra.

    36

    Figura 3.9 Fonte utilizada nos processos de soldagem MIG/MAG. 37

    Figura 3.10 Alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter. 38

    Figura 3.11 Equipamentos utilizados: (a) controlador DX 100 e (b) interfacehomem-mquina na tela de configurao do programa de soldagem.

    39

    Figura 3.12 Rob MA1400 da Yaskawa Motoman Robotics. 40

    Figura 3.13 Manipulador iCAT e tocha de soldagem MIG/MAG instalados no

    rgo terminal do rob.

    40

    Figura 3.14 Fonte utilizada nos experimentos com soldagem TIG. 42

    Figura 3.15 Mdulos do sistema Tartlope v4: (a) manipulador da tocha desoldagem; (b) controlador; (c) interface homem-mquina e (d)controle remoto.

    43

    Figura 3.16 Representao das juntas do Tartilope v4 no (a) arranjo para soldagemde tubos e (b) arranjo para soldagem de dutos.

    44

    Figura 3.17 Conjunto Unionmelt AS-800 utilizado na soldagem ao arco submerso. 45

    Figura 3.18 Unidade de Controle CAS-100. 46

    Figura 3.19 Sistema para monitoramento da vazo de gua. 48

    Figura 3.20 Imagem de captura de tela do filme gerado durante o monitoramentodo sistema em operao. Quadro referente (a) ao nvel de guaequivalente a 4 litros e (b) ao nvel de gua equivalente a 5 litros.

    49

    Figura 3.21 Curvas tpicas de tenso e corrente de soldagem para o processo desoldagem GMAW. Em destaque a regio utilizada no clculo da

    potncia instantnea mdia.

    50

    Figura 3.22 Curvas tpicas de tenso e corrente de soldagem para o processo desoldagem GTAW. Em destaque a regio utilizada no clculo da

    potncia instantnea mdia.

    50

    Figura 3.23 Evoluo dos sinais de temperatura da gua esperada para os ensaios.Em verde representada a evoluo da temperatura da gua na entradado calormetro, que deve ser constante, em roxo, a temperatura desada da gua e em laranja a subtrao dos dois sinais obtida com ouso dos termopares em ligao diferencial.

    52

    Figura 3.24 Evoluo da de temperatura com o tempo (a) antes e (b) aps otratamento de dados proposto.

    53

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    x

    Figura 4.1 Partes constituintes do corpo do calormetro: (a) tubulao de entradade gua e (b) tubulao de sada de gua. Numerao conforme Tabela

    4.1.

    59

    Figura 4.2 Estruturas construdas para apoiar o calormetro: (a) suportes laterais esuporte central; (b) e (c) apresentam duas das posies regulveis dosuporte central.

    60

    Figura 4.3 Bancada experimental para os ensaios de calorimetria: (a) vistasuperior e (b) vista isomtrica.

    61

    Figura 4.4 Possveis configuraes do calormetro: (a) tubulao de entradaoposta tubulao de sada; (b) tubulao de entrada em angulo comrelao tubulao de sada e (c) montagem de uma bancada paramedio do aporte trmico em chapas metlicas utilizando uma caixa.

    62

    Figura 4.5 Proposta de caixa para ser utilizada na medio do aporte trmico nasoldagem de chapas metlicas.

    62

    Figura 4.6 Fluxograma das operaes que devem ser realizadas antes do inciodos experimentos.

    63

    Figura 4.7 Representao da atividade de nmero 1. 63

    Figura 4.8 Segunda atividade a ser realizada na montagem do calormetro. 64

    Figura 4.9 Montagem das unies roscveis (passo 3). 64

    Figura 4.10 Representao da montagem das mangueiras (passo 4) e indicao da

    posio das vlvulas de entrada de gua (VE) e de regulagem da vazo(VR) do calormetro.

    64

    Figura 4.11 Representao da atividade de nmero 5. 65

    Figura 4.12 Representao do calormetro na posio vertical, com o ponto deentrada de gua (PEA) em um nvel mais baixo que o ponto de sadade gua (PSA).

    65

    Figura 4.13 Suporte utilizado para manter parte da mangueira de sada de guamais elevada que o corpo de prova.

    66

    Figura 4.14 Alinhamento da ponta dos sensores de temperatura com o centro da

    tubulao.

    66

    Figura 4.15 Termopares fixos ao tampo com o uso de adesivo de silicone. 67

    Figura 5.1 Resultados obtidos nos ensaios com o processo GMAW. 68

    Figura 5.2 Grfico de temperatura dos cordes de solda GMAW_01_1 eGMAW_05_1.

    72

    Figura 5.3 Resultados obtidos nos ensaios com o processo GTAW. 73

    Figura 5.4 Grfico da temperatura obtida para o cordo de solda GTAW_02_3. 74

    Figura 5.5 Resultados obtidos nos ensaios com o processo SAW. 77

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    xi

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1 Valores de rendimento trmico conforme a EN 1011-1:2009. 10

    Tabela 2.2 Valores de eficincia do arco para o processo de soldagemMIG/MAG.

    24

    Tabela 2.3 Valores de eficincia do arco para o processo de soldagem TIG. 25

    Tabela 3.1 Composio qumica dos corpos de prova conforme os dados dofabricante.

    27

    Tabela 3.2 Propriedades mecnicas dos corpos de prova conforme os dados dofabricante.

    28

    Tabela 3.3 Dados tcnicos da fonte TransPuls Synergic 4000R. 37

    Tabela 3.4 Propriedades nominais do arame AWS ER70S-6. 41

    Tabela 3.5 Caractersticas constitutivas da fonte Digiplus A7 450. 42

    Tabela 3.6 Dados tcnicos da fonte de energia V-800. 45

    Tabela 3.7 Composio qumica nominal do metal de adio do processo desoldagem SAW.

    47

    Tabela 3.8 Composio qumica nominal do fluxo de soldagem. 47

    Tabela 3.9 Experimentos propostos para o processo de soldagem GMAW. 54

    Tabela 3.10 Experimentos propostos para o processo de soldagem GTAW. 55

    Tabela 3.11 Experimentos propostos para o processo de soldagem SAW. 56Tabela 3.12 Parmetros utilizados nos testes preliminares. 57

    Tabela 4.1 Lista de materiais utilizados na construo do corpo do calormetro. 60

    Tabela 5.1 Tabela de resultados dos experimentos realizados com o processo desoldagem GMAW.

    69

    Tabela 5.2 Tabela de resultados dos experimentos realizados com o processo desoldagem GTAW.

    74

    Tabela 5.3 Experimentos realizados com o processo de soldagem SAW. 77

    Tabela 5.4 Tabela de resultados dos experimentos realizados com o processo desoldagem SAW.

    78

    Tabela 5.5 Erro de leitura dos sensores. 79

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    xii

    LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

    ASME American Society of Mechanical Engineers

    ASTM American Society for Testing and MaterialsAWS American Welding Society

    CA Corrente Alternada

    CC Corrente Contnua

    CMT Cold Metal Transfer

    CP Corpo de Prova

    CPVC Policloreto de Polivinila Clorado

    DBCP Distncia Bico de Contato-Pea

    DIN Deutsches Institut fr Normung

    EN European Standards

    GDL Graus de Liberdade

    GMAW Gas Metal Arc Welding

    GTAW Gas Shielded Tungsten Arc Welding

    IHM Interface Homem-Mquina

    LS&TC Laboratrio de Soldagem e Tcnicas Conexas

    MAG Metal Active GasMIG Metal Inert Gas

    N2L Nitrognio Lquido

    PEA Ponto de Entrada de gua

    PROMEC Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica

    PSA Ponto de Sada de gua

    PVC Policloreto de Polivinila

    RMS Root Mean Square

    SAW Submerged Arc Welding

    TIG Tungsten Inert Gas

    TP TeachPedant

    UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul

    VE Vlvula de Entrada de gua

    VR Vlvula de Regulagem da Vazo de gua

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    LISTA DE SMBOLOS

    Calor especifico da gua, J/kgK

    Energia indicada na fonte de soldagem, J Energia de soldagem, J/mm Eficincia do processo de soldagem Difusividade trmica, m/s Espessura, m Corrente de soldagem, A Condutividade trmica, W/mK

    Funo de Bessel modificada de segunda espcie e ordem zero

    Distncia da ponta do eletrodo pea, mm Comprimento do cordo de solda, mm Vazo mssica de gua, kg/s Nmero de pontos amostrados Nvel fixo de gua no balde, litros Potncia instantnea mdia, W Potncia indicada na fonte de soldagem, W

    Fluxo de calor, W/m2

    Calor aportado a pea, J Aporte trmico por unidade de comprimento do cordo de solda, J/mm Distancia radial do ponto origem da fonte de calor, m Densidade, kg/m Tempo de soldagem, s Tenso de soldagem, V

    Velocidade de alimentao do arame, m/min

    Velocidade de soldagem, mm/s Vazo de gua, litros/s Distncia de um ponto origem, m

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    1

    1 INTRODUO

    Os processos de soldagem, desde o seu desenvolvimento, vm ocupando um

    papel importante entre os processos de fabricao. A indstria automobilstica foi uma

    das responsveis por um grande crescimento e maior utilizao deste processo. No

    Brasil, as indstrias de base naval, minerao, siderurgia e usinas de acar e lcool

    realizaram grandes investimentos na rea de soldagem nos ltimos anos.

    Devido a sua grande utilizao, necessrio um melhor entendimento dos

    parmetros envolvidos e a interao entre eles durante o processo de soldagem que tem

    por caracterstica a complexidade. Com uma maior noo dos fenmenos que ocorrem

    durante a soldagem possvel obter-se melhores resultados, o que gera um aumento de

    produtividade e qualidade nos processos de fabricao. Altos investimentos em pesquisa

    so realizados nesta rea, tendo-se como exemplo a parceria firmada entre a Petrobras e

    o SENAI para implantao do Laboratrio Brasileiro de Excelncia em Tecnologia de

    Soldagem, assinada no final de 2011. A estrutura deste laboratrio visa atender as

    necessidades de pesquisa, desenvolvimento e qualificao de processos da

    rea [CIMM, 2013].

    O aporte trmico um fenmeno que ocorre durante os processos de soldagem e

    ele de grande importncia, isso porque a imposio de calor para a pea est

    diretamente ligada com as propriedades mecnicas obtidas na junta soldada, bem como

    com as mudanas metalrgicas que ocorrem durante o processo. A transferncia de

    calor tambm est associada com o ciclo trmico de soldagem que impacta diretamente

    na ocorrncia de outros fenmenos como as distores e tenses residuais na junta

    soldada [Kumaresan et al., 2011].

    Devido importncia do entendimento do aporte trmico nos processos de

    soldagem, diferentes mtodos para sua avaliao, observao e quantificao foramdesenvolvidos ao longo dos anos [Arvalo, 2011]. Inicialmente utilizou-se de mtodos

    analticos que evoluram para mtodos numricos e experimentais, juntamente com os

    avanos tecnolgicos que permitiram novas abordagens para o problema de

    transferncia de calor na soldagem.

    Um dos trabalhos precursores nesta rea o desenvolvido por Rosenthal, 1941.

    Ele props um mtodo analtico para resoluo do problema de aporte trmico durante a

    http://pressurevesseltech.asmedigitalcollection.asme.org/searchresults.aspx?q=D.%20Kumaresan&p=1&s=19&c=0&t=http://pressurevesseltech.asmedigitalcollection.asme.org/searchresults.aspx?q=D.%20Kumaresan&p=1&s=19&c=0&t=
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    2

    soldagem. Seus modelos so vlidos para duas e trs dimenses, sendo necessrio

    realizar simplificaes do problema para resolver as equaes desenvolvidas.

    Conforme os resultados obtidos com modelos analticos, o rendimento trmico

    um parmetro ajustvel associado s medies experimentais. Por isso, a estimao da

    eficincia trmica do arco eltrico por meio de mtodos analticos no abrange todos os

    fatores associados a um fenmeno complexo de fluxo de calor em soldagem, sendo

    limitado por fatores inerentes ao prprio modelo e propriedades do material que podem

    afetar a soluo do mesmo [Arvalo, 2011].

    Os mtodos experimentais para avaliar a imposio de calor durante a soldagem

    e a eficincia trmica se desenvolveram principalmente com o uso de processos

    calorimtricos. O experimento proposto por Essers e Walter, 1981, foi utilizado para

    avaliar diferentes processos de soldagem. O aparato construdo pelos autores consistiaem uma caixa com gua na qual foi colocado parcialmente imerso o corpo de prova

    (CP) a ser soldado e na qual realizaram o monitoramento contnuo da temperatura da

    gua durante a soldagem. Derivados desse modelo foram propostos por outros autores

    (Lu e Kou, 1989; Bosworth, 1991; Arvalo, 2011).

    Outra configurao de calormetro proposta por autores baseada no principio

    termoeltrico de Seebeck (Giedt et al., 1989; Fuerschbach e Knorovsky, 1991; DuPont e

    Marder, 1995). Mais recentemente, foram desenvolvidos equipamentos utilizandonitrognio lquido (N2L) para avaliao do aporte trmico e eficincia do arco de

    diferentes processos de soldagem (Kenney et al., 1998; Joseph, 2001; Ppe, 2010;

    Arvalo, 2011), os quais tambm apresentaram bons resultados.

    Existe uma grande variao nos valores obtidos para a eficincia trmica nos

    processos de soldagem, tanto entre os mtodos analticos e experimentais como entre os

    diferentes mtodos experimentais. Isso reflexo da complexidade dos processos e da

    sua dependncia de outros parmetros durante soldagem. Portanto, no possvel

    afirmar que existe uma eficincia do arco definida para um dado processo.

    Desta forma, esta Dissertao tem como objetivo a construo e a validao de

    um calormetro que utiliza um escoamento de gua constante para avaliao da

    eficincia trmica em processos de soldagem a arco eltrico que tenha uma boa relao

    custo/benefcio, adaptvel aos diferentes processos, de simples operao e fcil

    movimentao. Para um melhor entendimento e apreciao desta Dissertao, ser

    apresentado um plano geral de seus captulos:

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    3

    Captulo 2: Reviso bibliogrfica dos temas fundamentais para o desenvolvimento

    e entendimento dos fenmenos ocorridos no experimento proposto neste trabalho;

    Captulo 3: Descrio da metodologia, dos materiais e dos equipamentos

    utilizados no procedimento experimental e na construo do calormetro;

    Captulo 4: Explanao sobre o conceito utilizado na construo do calormetro e

    do modo de operao do mesmo para realizao adequada dos experimentos;

    Captulo 5: Apresentao dos resultados obtidos com a calorimetria e uma

    discusso sobre eles;

    Captulo 6: Resumo do contedo de cada um dos Captulos da Dissertao, com

    destaque s principais concluses obtidas no Captulo 5, projetando perspectivas

    para futuros trabalhos.

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    4

    2 REVISO BIBLIOGRFICA

    Uma pesquisa dos assuntos relacionados com este trabalho nas bibliografias

    disponveis se faz necessria para um melhor entendimento do contexto em que ele se

    encontra e para auxiliar na interpretao dos resultados obtidos, bem como realizar uma

    comparao com resultados de outros autores.

    2.1 Processos de Soldagem

    De acordo com Houldcroft, 1979, os processos de soldagem devem preencher os

    seguintes requisitos:

    Gerar uma quantidade de energia capaz de unir dois materiais ou corpos;

    Remover as contaminaes das superfcies a serem unidas;

    Evitar que o ar atmosfrico contamine a regio durante o processo de soldagem;

    Proporcionar algum grau de controle da microestrutura e, por consequncia, das

    propriedades desejadas da junta soldada.

    Grande parte dos processos de soldagem consiste em aquecer a superfcie de

    contato de dois corpos levando-os a um estado de fuso ou plasticidade. A regio onde

    ocorre a fuso dos materiais denominada junta, que se caracteriza por sua resistncia e

    coeso depois do resfriamento. Dois dos principais processos de soldagem so os

    processos por presso e os processos por fuso.

    Nos processos de soldagem por fuso, a rea a ser soldada aquecida por uma

    fonte concentrada de calor, levando fuso localizada do material, podendo-se

    adicionar material de preenchimento. Dentre os processos de fuso, podemos citar os

    processos de soldagem a arco eltrico, que so amplamente utilizados nas indstrias

    metal-mecnicas.

    Um dos maiores problemas na soldagem de metais a sua rpida reao com o

    ambiente prximo quando sua temperatura aumenta. O mtodo utilizado para proteger o

    metal da atmosfera outra caracterstica que distingue os processos de soldagem. As

    tcnicas variam entre o recobrimento com fluxos, que formam uma escria protetora, a

    proteo da poa de fuso com gases e, em algumas aplicaes, a atmosfera removida

    por meio de vcuo.

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    2.1.1 Soldagem a Arco com Gs de Proteo e Eletrodo Consumvel

    A soldagem a arco eltrico com gs de proteo e eletrodo consumvel

    (GMAWGas Metal Arc Welding), tambm conhecida como MIG/MAG (dos termos

    em ingls: MIG Metal Inert Gas e MAG Metal Active Gas), tem como principio

    bsico a formao de um arco eltrico entre a extremidade de um arame-eletrodo

    consumvel alimentado continuamente e o metal a ser soldado. A poa de fuso formada

    protegida por um gs, ou a mistura de gases, durante todo o perodo da soldagem. Esse

    arranjo pode ser observado na Figura 2.1.

    Figura 2.1Esquema representativo da soldagem MIG/MAG [Adaptado de

    ESAB, 2012].

    So denominados MIG os processos que utilizam gases inertes, normalmente

    monoatmicos, como o Argnio (Ar) e o Hlio (He). Estes gases no interagem com o

    metal da poa de fuso. J nos processos MAG, a proteo gasosa feita com um gs

    dito ativo, ou seja, um gs que interage com a poa de fuso. O dixido de carbono

    (CO2), oxignio (O2) e misturas destes gases so muito utilizadas neste tipo de

    soldagem.

    O processo de soldagem GMAW foi desenvolvido no ano de 1948 pelo Battelle

    Memorial Institute, utilizando o Argnio como gs de proteo na soldagem de

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    alumnio. Esta proposta oferecia uma alta taxa de deposio de material, mas o alto

    custo do gs de proteo na poca limitava sua aplicao. Em 1953, comeou-se a

    utilizar CO2e outras misturas como gs de proteo e ento o processo MIG/MAG se

    tornou vivel para soldagem em escala industrial. Desde a sua aceitao, as variantes do

    processo tem sido investigadas e aprimoradas. Os maiores desenvolvimentos esto

    principalmente relacionados transferncia metlica no processo de soldagem.

    Conforme Machado, 1996, a soldagem pode ser realizada de forma

    semiautomtica ou automtica e o processo possui boas caractersticas para robotizao.

    Isso se deve ao fato de que possvel soldar em todas as posies, com tima

    estabilidade do arco, se os parmetros do processo forem ajustados adequadamente.

    Outras caractersticas do processo que podemos citar so:

    No necessrio realizar a remoo de escria; Conseguem-se altas taxas de deposio do metal de solda;

    Permite a utilizao de altas velocidades de soldagem com menor distoro das

    peas;

    Juntas com grande abertura so preenchidas facilmente.

    2.1.2 Soldagem a Arco com Eletrodo no Consumvel e Proteo Gasosa

    Soldagem TIG ou GTAW (dos termos em ingls Tungsten Inert Gas e Gas

    Shielded Tungsten Arc Welding) um processo que utiliza um eletrodo de tungstnio

    puro ou composto com outros metais no consumveis, no qual o arco eltrico se

    estabelece entre a pea de trabalho e o eletrodo. A poa de fuso e o eletrodo so

    protegidos contra os efeitos atmosfricos por um gs inerte, cujo fluxo direcionado

    pelo bocal da tocha de soldagem. A Figura 2.2 ilustra esquematicamente o sistema de

    soldagem TIG.Embora o seu conceito tenha sido proposto muito tempo antes, apenas em 1941

    o processo se desenvolveu e na poca ficou tambm conhecido como processo Heliarc,

    pois na soldagem se utilizava um eletrodo de tungstnio e Hlio como gs de proteo.

    A afirmao do processo se deu devido capacidade de realizar-se soldas de alta

    qualidade em ligas de alumnio, ao inoxidvel e magnsio. O processo comeou a ser

    mais utilizado quando passou-se a utilizar o Argnio como gs de proteo no lugar do

    Hlio, por ser economicamente mais barato.

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    Figura 2.2Esquema representativo da soldagem TIG com corte da tocha de soldagem

    [Adaptado de DCB Oxignio, 2013].

    O modo de operao do TIG normalmente manual, mas tambm pode ser

    semiautomtico e automtico [Machado, 1996]. A soldagem pode se dar pela simples

    fuso dos materiais base ou tambm com a adio de um metal consumvel. Neste caso,

    o procedimento realizado manualmente pelo soldador com o uso de uma vareta ou

    automaticamente com um arame proveniente de um alimentador.

    A soldagem GTAW produz soldas de grande qualidade, geralmente livres de

    defeitos, com timas propriedades mecnicas e bom acabamento. Sua aplicao se d

    em larga escala em indstrias nucleares, qumicas, aeronuticas e de alimentos.

    2.1.3 Soldagem ao Arco Submerso

    O processo de soldagem ao arco submerso, SAW (do ingls Submerged Arc

    Welding), foi patenteado por Robinoff em 1930 e ento vendido para Linde Air

    Products em 1936 e revolucionou os conceitos de produtividade existentes na poca. O

    arco submerso um mtodo de soldagem no qual o calor para fundir o metal gerado

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    pelo arco que se forma com a passagem de corrente eltrica entre o um arame nu

    continuamente alimentado e a pea de trabalho (metal base).

    Neste processo, a poa de fuso fica protegida por uma camada de material

    mineral granulado, conhecido como fluxo fusvel para soldagem, que possui a funo de

    proteger a poa de contaminaes, alm de outras funes metalrgicas. Devido a isto,

    diferentemente dos processos apresentados anteriormente, o arco eltrico e a poa de

    fuso, neste caso, no ficam visveis. O esquema de funcionamento do processo pode

    ser observado na Figura 2.3.

    Figura 2.3Vista em corte do processo de soldagem ao arco submerso [Fonte:

    ESAB, 2004].

    Este processo apresenta uma alta taxa de deposio, podendo chegar at 20 kg/h

    com a utilizao de apenas um arame, e grande penetrao. O modo de operao pode

    ser automtico e, raramente, semiautomtico. Apesar de apresentar algumas limitaesoperacionais, o processo SAW produz um metal de solda com excepcionais

    caractersticas mecnicas e metalrgicas [Machado, 1996].

    2.2 Clculo da Potncia do Arco Eltrico e da Eficincia Trmica

    De acordo com Bosworth, 1991, existe uma diferena de at 30% entre os

    mtodos de clculo para potncia eltrica do arco. Gonzalez, 1997, verificou que para o

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    processo MIG/MAG pulsado, esta diferena aumenta conforme o valor da corrente de

    excesso e conforme o tempo de bases. Dependendo do processo de soldagem, um

    mtodo pode ser apropriado, enquanto outro no recomendado. Joseph, 2001, concluiu

    que o mtodo da potncia instantnea mdia o mais adequado.

    A pesquisa realizada por Nascimento et al., 2007, verificou diferentes

    metodologias para o clculo da energia do arco. Os autores demonstraram pelo teorema

    da esperana que os mtodos mais apropriados so o do clculo da potncia instantnea

    mdia e da potncia instantnea quadrtica mdia (ou potncia instantnea RMS, do

    inglsRoot Mean Square), uma vez que estes podem ser utilizados nos casos em que a

    tenso e a corrente de soldagem so dependentes.

    A potncia instantnea mdia , em W, pode ser obtida pelo somatrio doproduto entre a corrente e a tenso em cada instante de tempo, dividido pelo nmero de pontos amostrados durante o processo de soldagem:

    ( )

    onde e so a tenso de soldagem, em V, e a corrente de soldagem, em A, no pontoamostrado i, respectivamente.

    De posse da potncia instantnea mdia possvel ento calcular a energia de

    soldagem, que definida tradicionalmente pela razo entre a potncia eltrica e a

    velocidade de deslocamento da tocha ou velocidade de soldagem:

    onde a energia de soldagem em J/mm e a velocidade de soldagem em mm/s.Nos casos em que se utiliza um controle sobre forma da onda do processo de

    soldagem e que a fonte mostre diretamente os valores de energia ou potncia do

    processo, as recomendaes presentes na ASME Boiler and Pressure Vessel Code,

    Section IX: Welding and Brazing Qualifications, item QW409.1, so para utilizar a

    Equao 2.3 ou a Equao 2.4 para calcular a energia de soldagem, conforme o

    apresentado por Melfi, 2010. Ambas as equaes resultam no mesmo valor para a

    (2.1)

    (2.2)

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    energia de soldagem, sendo aplicadas conforme a informao disponvel (energia ou

    potncia).

    onde a energia indicada na fonte de soldagem em J, o comprimento do cordode solda em mm, a potncia indicada na fonte de soldagem em W e o tempo de

    soldagem (tempo de arco aberto) em s.A eficincia trmica do processo , que tambm pode ser chamada de eficincia

    do processo de soldagem, rendimento trmico do processo ou eficincia do arco, um

    fator de correo da energia do arco, uma vez que existem perdas durante a soldagem e

    nem todo calor gerado entregue pea. Esta eficincia obtida pela seguinte relao:

    onde o calor aportado pea em J.Algumas normas apresentam valores tabelados para a eficincia trmica de

    alguns processos de soldagem, porm sabe-se que estes valores no so consistentes

    uma vez que no consideram parmetros ajustveis dos processos de soldagem, como a

    velocidade de alimentao do arame e a vazo do gs de proteo. A Norma Europeia

    DIN EN 1011-1:2009 apresenta valores de rendimento trmico constantes para os

    processos de soldagem GTAW, GMAW e plasma, conforme o apresentado na

    Tabela 2.1.

    Tabela 2.1Valores de rendimento trmico conforme a DIN EN 1011-1:2009.

    Processo GTAW 60%

    GMAW 80%

    Plasma 60%

    (2.3)

    (2.4)

    (2.5)

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    11

    2.3 Mecanismos de Transferncia de Calor

    O calor definido como a energia trmica em trnsito devido a diferena de

    temperaturas no espao [Incropera et al., 2008], ou seja, sempre que existir uma

    diferena de temperatura em um corpo ou entre corpos de um sistema, haver um fluxo

    de calor. No momento em que existe equilbrio entre os corpos e eles se encontram no

    mesmo nvel energtico, essa transferncia cessada.

    A transferncia de calor por conduo ocorre quando temos um meio

    estacionrio sujeito a um gradiente de temperatura e a transferncia se d por este corpo.

    A conduo tambm pode ser entendida como a transferncia de energia das partculas

    mais energticas para as menos energticas por interaes entre as partculas dos

    materiais. Este mecanismo de transferncia de calor diretamente proporcional condutividade trmica do corpo.

    A conveco est associada transferncia de energia que se d entre um fludo

    em movimento e uma superfcie, quando eles se encontram em temperaturas diferentes.

    Ela classificada em conveco forada, quando o escoamento advindo de meios

    externos, e de conveco natural (ou livre), quando o escoamento do fludo induzido

    por foras de arraste, originadas pela diferena de temperatura. Esse modo de

    transferncia de calor mais complexo, pois alm de depender das propriedades dofludo (densidade, condutividade trmica, calor especfico, viscosidade), funo da

    geometria da superfcie e das condies de escoamento.

    Outro mecanismo de transferncia de calor a radiao trmica. Ela ocorre

    continuamente, uma vez que todos os meios que no esto em uma temperatura nula

    emitem energia na forma de ondas eletromagnticas. Enquanto a transferncia de

    energia por conduo ou conveco requer a presena de um meio material, a radiao

    no necessita dele, at sendo mais eficiente no vcuo. Uma representao dos modos de

    transferncia de calor podem ser visualizados no esquema apresentado na Figura 2.4.

    Alm da condutividade trmica, outro conceito importante a ser observado

    quando a transferncia de calor se d por conduo, o da difusidade trmica. Obtida

    pela relao entre a condutividade trmica e a capacidade calorifica volumtrica

    (produto entre a densidade e o calor especifico do material), ela uma propriedade do

    material que controla o processo de transferncia de calor por conduo em regime

    transiente e est relacionada com a capacidade que o material tem de conduzir calor em

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    relao sua capacidade de armazen-lo. Portanto, materiais que possuem alta

    difusidade trmica atingem uma nova condio de equilbrio mais rapidamente quando

    sujeitos a uma mudana de temperatura do que aqueles que possuem uma baixa

    difusidade trmica.

    Figura 2.4Representao dos mecanismos de transferncia de calor por conduo,

    conveco e radiao [Adaptado de: Incropera et al., 2008].

    2.4 Modelos de Transferncia de Calor na Soldagem

    O aporte trmico que ocorre durante o processo de soldagem tem sido estudadopor diferentes pesquisadores. Os autores dessas pesquisas sugerem, de uma forma geral,

    que a energia do arco e a transferncia de calor para pea so dois fatores de grande

    importncia para um melhor entendimento dos processos de soldagem a arco eltrico,

    uma vez que estes esto diretamente relacionados com as transformaes fsicas do

    metal base que ocorrem durante os processos. A imposio de calor no material pode

    causar variaes dimensionais e alteraes microestruturais localizadas no material,

    podendo resultar em efeitos indesejados como a mudana nas propriedades mecnicas,qumicas, fsicas, distores, tenses residuais e a formao de trincas [Arvalo, 2011].

    Um dos primeiros estudos que abordou a transferncia de calor no processo de

    soldagem a arco foi realizado por Rosenthal, 1941. Ele desenvolveu um modelo terico

    utilizando as seguintes simplificaes e consideraes:

    As propriedades fsicas do material base se mantm constantes durante o processo

    de soldagem;

    A fonte de calor considerada pontual;

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    No ocorre troca de calor por conveco na poa de fuso;

    O fluxo de calor em uma pea com comprimento supostamente infinito

    considerado estacionrio ou quase-estacionrio;

    Perdas de calor para atmosfera so desconsideradas;

    O calor proveniente do metal de adio no levado em conta nos clculos.

    Com isso, Rosenthal, 1941, obteve a equao que descreve o fluxo de calor para

    duas dimenses durante a soldagem de placas finas, com largura considerada infinita

    para uma fonte de calor pontual , em J, que se move com uma velocidade , em m/s:

    ( )( )

    onde a temperatura do ponto e a temperatura inicial, ambas em K, acondutividade trmica do corpo de prova em W/mK, a espessura do corpo de provaem m, a difusividade trmica do corpo de prova em m/s, a distncia do ponto origem ao longo do eixo cartesiano x em m, a funo de Bessel modificada desegunda espcie e ordem zero e a distancia radial do ponto origem da fonte decalor em m.

    Nunes, 1983, fez novas consideraes aos modelos analticos deRosenthal, 1941. O autor considerou a ocorrncia de troca de fases e a troca de calor por

    conveco na poa de fuso. Apesar deste novo modelo, mais complexo, ter aumentado

    o entendimento do aporte trmico durante o processo de soldagem, era limitado para

    soldagens sem deslocamento relativo entre a tocha e a pea.

    Um dos primeiros modelos implementados computacionalmente foi

    desenvolvido por Kou e Le, 1984. Utilizado para estudar o fluxo de calor na soldagem

    GTAW de tubos, o modelo para trs dimenses e esttico apresentou resultados deciclos trmicos e de regio de fuso muito prximos aos obtidos experimentalmente. J

    os resultados obtidos com o modelo transiente no foram to precisos quanto os

    anteriores, quando comparados com os resultados obtidos com experimentos.

    Gonalves et al., 2006, usaram de tcnicas inversas para estimar a fonte de calor,

    eficincia trmica e eficincia de fuso para um processo de soldagem TIG. O modelo

    proposto pelos autores leva em considerao a troca de fases, perdas de calor e a

    variao das propriedades fsicas do material com a temperatura. Com essas

    (2.6)

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    14

    consideraes foi possvel identificar o rendimento do processo e a eficincia de fuso a

    cada instante da soldagem.

    Mais recentemente, Scotti et al., 2012, propuseram um modelo descritivo mais

    abrangente para melhor entender os efeitos do fluxo de calor nos processos soldagem.

    Ele foi divido em duas partes: a primeira considerando o balano de energia no arco

    eltrico e a segunda descrevendo o fluxo de calor no metal base. Com o uso dos

    modelos desenvolvidos, eles verificaram a impreciso das simplificaes realizadas nos

    modelos analticos. No estudo, os autores tambm prope o uso do termo calor

    imposto efetivo, o qual est relacionado com o calor imposto que realmente afeta a

    velocidade de resfriamento nas regies aquecidas do metal base. Este termo seria uma

    maneira mais adequada de se correlacionar a energia de soldagem com as

    transformaes metalrgicas que ocorrem durante os processos de soldagem. Conformeo proposto por Scotti et al., 2012, para o mesmo calor imposto obtido atravs de

    experimentos com calorimetria, o calor imposto efetivo pode ser diferente.

    2.5 Perdas de Calor Durante o Processo de Soldagem

    Sabe-se que apenas uma parte da energia gerada pelo arco eltrico absorvida

    pela pea durante a soldagem. As perdas de calor se do pela ao dos mecanismos deconveco, conduo e radiao, bem como pela gerao de vapor metlico e respingos.

    A tarefa de quantificar a energia perdida em um processo fsico complexo como o arco

    eltrico difcil, porm no recomendado negligenciar estas perdas ou ento utilizar

    valores estimados para elas. Dados de pesquisas experimentais mostram que o

    mecanismo de transferncia de calor por conduo aquele que mais representa a

    energia real imposta pea durante a soldagem a arco eltrico [Ppe, 2010].

    Segundo DuPont e Marder, 1995, a maior parte da energia total gerada pelo

    processo fornecida pelo arco eltrico e apenas uma pequena parte fornecida pelo

    eletrodo. A energia total (energia do eletrodo somada a energia do arco eltrico)

    transmitida em parte para a pea, enquanto o restante perde-se para o ambiente. Os

    autores verificaram que estas perdas energticas representam aproximadamente 1% da

    potncia total do arco. Do calor que entregue para a pea, uma parte responsvel

    pela fuso do metal base e a outra transmitida por conduo pelo metal base,

    aumentando a sua temperatura. Um esquema da distribuio de energia que ocorre no

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    processo de soldagem a arco proposto por DuPont e Marder, 1995, pode ser observado

    na Figura 2.5.

    Figura 2.5Desenho ilustrativo da distribuio de energia em um processo de

    soldagem a arco eltrico [Adaptado de DuPont e Marder, 1995].

    Estes autores tambm realizaram a anlise da perda de calor devido ao

    aquecimento do eletrodo. Eles verificaram que nos processos de soldagem em que o

    eletrodo consumvel (GMAW e SAW) o calor gerado pelo aquecimento resistivo do

    arame-eletrodo transferido em parte para a pea pela fuso dele, enquanto nos

    processos em que o eletrodo no consumvel (GTAW), esta energia perdida pelo

    aquecimento do eletrodo e da tocha de soldagem, que so resfriados continuamente com

    gua.

    Comparando as energias impostas ao metal base e os rendimentos trmicos em

    um processo de soldagem MIG/MAG em passes de solda com penetrao total e

    penetrao parcial, Quintino et al., 2013, observaram uma reduo na energia aportada

    ao corpo de prova para os passes realizados com penetrao total. As perdas de calor,

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    que variaram entre 3% e 12%, esto relacionadas com a perda por radiao trmica pelo

    lado da raiz do cordo de solda. Um esquema proposto pelos autores para o fluxo de

    calor na pea durante a soldagem GMAW pode ser visualizado na Figura 2.6. As setas

    apresentadas na imagem com nmero 1 representam as perdas de calor por conveco

    natural, as identificadas com o nmero 2 referem-se ao calor perdido por radiao e o

    nmero 3 representa a difuso de calor pela pea por meio do mecanismo de conduo

    trmica.

    Figura 2.6Transferncia de calor na pea durante a soldagem. (a) Soldagem

    MIG/MAG com penetrao total e (b) soldagem MIG/MAG com penetrao parcial

    [Fonte: Quintino et al., 2013].

    As perdas entre a energia de soldagem e o calor aportado no so dependentes

    somente do processo de soldagem, mas dos parmetros do processo e de caractersticas

    do material base, o que no permite o uso de um nico valor de rendimento trmico para

    um dado processo como valor absoluto [Scotti et al., 2012].

    2.6 Calorimetria

    O ato de medir a troca de energia que se d em forma de calor entre corpos ou

    sistemas chamado de calorimetria. Com as medidas calorimtricas possvel

    determinar a condutividade trmica ou capacidade calorfica de materiais. Os

    calormetros so os equipamentos utilizados nestas medies e a sua concepo e

    construo podem ser de diversas formas.

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    A calorimetria utilizada para auxiliar no entendimento do ciclo trmico, da

    transferncia de calor e na quantificao da eficincia trmica dos processos de

    soldagem. Os resultados obtidos com este mtodo experimental tm se mostrado

    satisfatrios, uma vez que envolvem as principais variveis do processo de soldagem e

    os mtodos numricos e analticos so muito limitados ao modelo utilizado e s

    aproximaes realizadas.

    Um dos mais difundidos calormetros que foi utilizado para avaliao do

    rendimento do arco em processos de soldagem tem como principio bsico o

    resfriamento contnuo do corpo de prova com gua. Essers e Walter, 1981, mantiveram

    uma chapa de ao parcialmente imersa na gua, deixando apenas a face onde seria

    realizada a soldagem exposta ao ambiente. A gua era continuamente misturada por um

    agitador para garantir a homogeneizao da temperatura no interior do calormetro, quefoi monitorada durante todo o processo, e atingiu um valor mximo de 35 C. Os

    autores verificaram uma perda de calor pela superfcie exposta do corpo de prova menor

    que 5%, uma eficincia trmica mdia de 65% para o processo MIG/MAG-Plasma e de

    71% para o processo MIG/MAG convencional. Um esquema representativo do

    calormetro utilizado pelos pesquisadores pode ser observado na Figura 2.7.

    Figura 2.7Representao do calormetro proposto por Essers e Walter, 1981.

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    Lu e Kou, 1989, diferentemente dos autores anteriores, construram um

    calormetro com escoamento contnuo de gua, medindo a sua temperatura na entrada e

    na sada do equipamento com a utilizao de termopares. Este fluxo ficava em contato

    com a face oposta solda no corpo de prova, que foi montado no topo de uma caixa de

    ao inoxidvel. Na Figura 2.8 possvel visualizar o calormetro proposto pelos autores.

    Os pesquisadores verificaram que no ocorreu a formao de bolhas resultantes da

    vaporizao da gua com este arranjo e obtiveram uma eficincia trmica mdia de 80%

    na soldagem MIG/MAG de alumnio com transferncia metlica globular. Os autores

    determinaram que 45% do calor proveniente do arco eltrico, 23% das gotas formadas

    pela fuso do arame-eletrodo e 12% da poa de fuso. A eficincia trmica obtida foi

    significantemente maior que a reportada anteriormente por Essers e Walter, 1981. Essa

    diferena foi atribuda s propriedades do material base utilizado no teste, que nestecaso era alumnio.

    Figura 2.8Calormetro com fluxo contnuo de gua [Adaptado de Lu e Kou, 1989].

    O calormetro proposto por Bossworth, 1991, composto por um recipienteisolado do ambiente externo, preenchido com gua e instrumentado com termopares

    para monitoramento da temperatura interna. Para verificao do calor aportado ao corpo

    de prova durante a soldagem, o autor padronizou os tempos de soldagem e de intervalo

    entre o trmino da solda e a imerso do corpo de prova no recipiente com gua. Devido

    a incertezas e perda de calor durante a transferncia da chapa metlica soldada, foi

    atribuda uma incerteza total de 5% no clculo da eficincia trmica. Mantendo os

    parmetros de soldagem constantes, o autor observou que uma quantidade maior de

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    calor entregue ao corpo de prova se utilizado o processo de soldagem MIG/MAG no

    pulsado, quando comparado ao processo MIG/MAG pulsado, exceto quando a

    transferncia metlica se d por curto-circuito. Bossworth, 1991, tambm verificou que

    o parmetro de soldagem que tem maior impacto na eficincia trmica do processo a

    velocidade de alimentao do arame. Neste estudo foi obtida uma eficincia trmica de

    83% a 85% para o processo de soldagem MIG/MAG convencional e na faixa de 82% a

    83% para o processo MIG/MAG pulsado.

    Com uma proposta de calormetro que tambm utiliza gua, mas diferente dos

    autores apresentados anteriormente, o aparato desenvolvido por Haelsig et al., 2011,

    consiste em uma placa metlica mantida angulada em relao a um recipiente

    termicamente isolado. A tocha de soldagem se desloca paralelamente chapa com uma

    velocidade constante e concomitantemente com este deslocamento, o nvel de gua vaisendo elevado. Com isso, tem-se uma situao em que logo aps que a realizao da

    soldagem, o cordo gerado encoberto com gua. A temperatura da gua monitorada

    por termopares, alm de recircular pelo reservatrio por meio de uma bomba. O

    calormetro proposto por Haelsig et al., 2011 pode ser observado na Figura 2.9.

    Figura 2.9Dispositivo proposto para avaliao do rendimento trmico [Adaptado de

    Haelsig et al., 2011].

    DuPont e Marder, 1995, utilizaram um calormetro baseado no princpio

    termoeltrico de Seebeck semelhante ao desenvolvido por Giedt et al., 1989, conforme

    pode ser observado na Figura 2.10. O aparato consiste em uma juno termocondutora

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    que fica sujeita a um gradiente de temperatura. Um lado da juno constantemente

    resfriado com gua, enquanto o outro lado fica em contato direto com o corpo de prova

    a ser soldado. Este gradiente de temperatura medido com um par de termopares, sendo

    cada um posicionado em um dos lados da juno. O sinal de tenso eltrica obtido

    multiplicado por uma constante de calibrao (funo da condutividade trmica

    especfica, espessura da juno condutora e do tipo de termopar utilizado), fornecendo o

    valor de energia que entregue pea durante o processo de soldagem. Os autores

    obtiveram uma eficincia trmica mdia de 67% para o processo de soldagem TIG e de

    84% para os processos MIG/MAG e arco submerso. Estes valores concordaram com os

    obtidos no estudo de Giedt et al., 1989.

    Figura 2.10Princpio operacional do calormetro [Adaptado de DuPont e

    Marder, 1995].

    Um calormetro com as mesmas caractersticas construtivas foi utilizado por

    Fuerschbach e Knorovsky, 1991, que observaram um rendimento mdio do arco de 80%

    tanto para o processo MIG/MAG convencional quanto para o MIG/MAG pulsado. Os

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    autores tambm verificaram que o processo plasma teve a menor eficincia trmica,

    bem como apresentou a maior oscilao entre os resultados; os valores de rendimento

    do processo variaram entre 50% e 75%. Em um estudo mais recente, Fuerschbach,

    1996, encontrou uma eficincia trmica entre 20% e 90% para soldagem a laser, sendo

    esta variao diretamente dependente da intensidade do feixe laser.

    Utilizando um calormetro de caixa fechada, Cantin e Francis, 2005,

    investigaram a eficincia trmica na soldagem MIG/MAG em alumnio. O equipamento

    utilizado consiste em uma caixa com uma base de cermica sobre a qual foi apoiado o

    bloco de alumnio a ser soldado. O espao restante da caixa foi preenchido com

    vermiculita, visando reduzir a perda de calor para o ambiente vizinho. Foram

    posicionados oito termopares no bloco de alumnio para monitoramento do perfil de

    temperatura durante a soldagem. O esquema de montagem do calormetro pode serobservado na Figura 2.11.

    Figura 2.11Calormetro de caixa fechada. (a) Detalhe do corpo de prova e

    localizao dos termopares e (b) montagem do bloco na caixa [Adaptado de Cantin e

    Francis, 2005].

    Os autores verificaram que utilizando polaridade direta (eletrodo negativo), a

    eficincia trmica variou entre 46% e 89% e com polaridade inversa (eletrodo positivo)

    a faixa foi de 52% a 60%. Em concordncia com os estudos de Zijp e Den, 1990 e

    Hiraoka et al., 1998, eles observaram que o gs de proteo tem grande efeito na

    eficincia trmica do processo de soldagem, sendo os maiores valores obtidos com uma

    mistura mais rica de Hlio (25% Ar / 75% He).

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    Em pesquisas mais recentes, diferentes autores (Kenney et al., 1998; Joseph,

    2001; Ppe, 2010; Arvalo, 2011) utilizaram calormetros com nitrognio lquido para

    verificao do aporte trmico em processos de soldagem. Estes equipamentos

    apresentaram um baixo erro e boa repetitividade nos ensaios. Em contrapartida, tem-se

    um custo mais elevado que os calormetros que utilizam gua ou que so baseados no

    efeito de Seebeck.

    Kenney et al., 1998, utilizaram um recipiente de Dewar e uma balana eletrnica

    conectada a um computador, com o qual eles monitoravam a perda de peso associada

    vaporizao do nitrognio lquido. Aps a soldagem ser realizada, o corpo de prova era

    rapidamente inserido manualmente dentro do recipiente de Dewar, conforme os passos

    que podem ser observados na Figura 2.12. Os autores obtiveram eficincias trmicas

    entre 69% e 82% para o processo de soldagem MIG/MAG pulsado. Utilizando o mesmoprincpio, porm monitorando a balana com a utilizao de um circuito de cmera de

    filmagem, Ppe, 2010, obteve valores de rendimento do arco para o processo de

    soldagem MIG/MAG CMT (do ingls Cold Metal Transfer) que variaram de 80% at

    93%.

    Figura 2.12Princpio de avaliao do aporte trmico por massa perdida de N2L com

    transporte manual do corpo de prova [Fonte: Arvalo et al., 2011].

    Arvalo, 2011, construiu um equipamento automatizado visando eliminar a

    interveno do operador de forma direta, como no transporte da chapa soldada entre o

    ponto de realizao do cordo at o calormetro e tambm padronizar a medio da

    massa evaporada de N2L. O equipamento dotado de um sistema pneumtico para

    fixao e manipulao do corpo de prova a ser soldado, de um sistema para

    deslocamento da tocha de soldagem e de um sistema para a aquisio de dados do

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    processo de soldagem e da massa evaporada de nitrognio lquido, conforme pode ser

    observado na Figura 2.13.

    Figura 2.13Equipamento calormetro de nitrognio lquido [Fonte: Arvalo, 2011].

    O autor verificou que a bancada experimental com o calormetro de N2L

    apresentou boa repetitividade, com uma diferena mxima de 3% entre os resultados.

    Foi obtida uma eficincia trmica mdia de 78,6% para o processo MIG/MAG

    curto-circuito convencional, 73,6% para MIG/MAG com transferncia metlica

    goticular e 76,1% para o processo MIG/MAG com curto-circuito controlado.

    Utilizando-se dos princpios da calorimetria, porm sem analisar a eficincia

    trmica, Soderstrom et al., 2011, construram um dispositivo para avaliar o calor resultante

    do metal de adio fundido em um processo de soldagem GMAW. Os autores observaram

    que o calor que transferido pelas gotas do eletrodo para a poa de fuso varia entre 20% e

    30% da energia total de soldagem. Eles tambm verificaram que na transio do modo de

    transferncia metlica globular para spray ocorreu uma reduo significativa na temperatura

    da gota metlica, bem como no calor armazenado e transportado pela mesma.

    2.7 Valores de Eficincia Trmica Obtidas em Estudos Anteriores

    Para serem utilizados como referncia para as atividades experimentais

    desenvolvidas neste trabalho, foi realizado um levantamento dos valores de rendimento

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    trmico que foram obtidos por outros autores. Os resultados atingidos pelos diferentes

    estudos so apresentados nas Tabelas 2.2 e 2.3. Na Tabela 2.2 encontram-se as

    eficincias trmicas obtidas para os processos de soldagem GMAW e na Tabela 2.3 para

    os processos GTAW. Em ambos os casos, os dados esto categorizados conforme as

    caractersticas construtivas do calormetro e os parmetros de soldagem. Nas tabelas, o

    smbolo se refere distncia da ponta do eletrodo pea em mm e o smbolo velocidade de alimentao do arame em m/min.

    Tabela 2.2Valores de eficincia do arco para o processo de soldagem MIG/MAG.

    Autor(es) e princpiodo calormetro

    Gs de Proteo [V]

    [A]

    [mm/s]

    [m/min]

    Essers e Walter, 1981Banho de gua

    continuamente agitada93% Ar / 7% CO2 - 275 - - 71%

    Bosworth, 1991Imerso do corpo deprova em recipiente

    com gua

    82% Ar / 18% CO2 35,4 292 5 9,9 76%

    82% Ar / 18% CO2 28,3 148 5 4 79%

    95% Ar / 5% CO2 27,5 243 5 9,9 78%

    95% Ar / 5% CO2 20,3 148 5 4 80%

    75% Ar / 25% CO2 34,6 307 5 9,9 83%75% Ar / 25% CO2 16,8 170 5 5,9 86%

    Lu e Kou, 1989Fluxo de gua

    contnuo

    100% Ar 19,4 78 10,2 2,5 83%

    100% Ar 22,6 128 10,2 3 81%

    100% Ar 27,8 176 10,2 4 81%

    100% Ar 28,2 251 10,2 5,8 80%

    Arvalo, 2011Fluxo dgua contnuo

    75% Ar / 25% CO2 19 122 5 4 71%

    75% Ar / 25% CO2 29 287 5 8,5 67%Giedt et al., 1989

    Princpio de Seebeck100% Ar 27 230 15 - 84%

    DuPont eMarder, 1995

    Princpio de Seebeck

    100% Ar 27 230 15 7,2 87%

    100% Ar 35 375 15 7,2 85%

    Arvalo, 2011Imerso do corpo deprova em recipiente

    Dewar com N2L

    75% Ar / 25% CO2 19 128 6,7 3 77%

    75% Ar / 25% CO2 19 122 5 4 82%

    75% Ar / 25% CO2 29 286 5 8,5 79%

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    Tabela 2.3Valores de eficincia do arco para o processo de soldagem TIG.

    Autor(es) e principiodo calormetro

    Gs deProteo

    Polaridadedo Eletrodo

    [V]

    [A]

    [mm]

    [mm/s]

    Arvalo, 2011Fluxo de gua contnuo

    100% Ar Negativo 10,5 100 3 3,3 69%

    100% Ar Negativo 12,9 150 5 2,5 59%

    Giedt et al., 1989Principio de Seebeck

    100% Ar Negativo 9,7 100 3 0,8 82%

    100% Ar Negativo 8,8 155 3 0,8 84%

    100% Ar Negativo 10,3 200 3 0,8 82%

    Fuerschbach eKnorovsky, 1991

    Princpio de Seebeck

    100% Ar Negativo - 29 1 4,2 75%

    100% Ar Negativo - 132 1 21,2 80%

    100% Ar Pulsado - 42 1 6,3 80%

    DuPont e Marder, 1995Princpio de Seebeck

    100% Ar Negativo 15 250 6 7 67%

    100% Ar Negativo 16 350 6 7 70%

    Cantin e Francis, 2005Calormetro de caixa

    fechada

    100% Ar Negativo 11,1 100 2 1,67 80%

    100% Ar Negativo 12 200 4 1,67 76%

    100% He Negativo 18 200 4 1,67 87%

    100% Ar Positivo 16,1 100 2 1,67 58%

    100% Ar Positivo 17 100 4 1,67 55%

    100% He Positivo 23,8 100 2 1,67 58%

    Arvalo, 2011Imerso do corpo deprova em recipiente

    Dewar com N2L

    100% Ar Negativo 11 100 3 2,5 72%

    100% Ar Negativo 11 102 3 3,3 74%

    100% Ar Negativo 12 150 5 2,5 61%

    100% Ar Negativo 11,7 150 5 4,2 69%

    Conforme pode ser observado nas Tabelas 2.2 e 2.3, a eficincia obtida nos

    diferentes experimentos varia significativamente. Stenbacka et al., 2012, realizaram um

    levantamento dos resultados obtidos por diferentes autores com calorimetria e

    simulao numrica para a eficincia do arco em processos de soldagem GTAW. Na

    Figura 2.14 pode-se observar a compilao resultante da pesquisa que os autores

    realizaram. Os dados foram apresentados conforme o ano de publicao e possvel

    visualizar que existe uma grande disperso entre os resultados, no sendo possvel

    observar qualquer tipo de relao entre eles.

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    Figura 2.14Grfico da eficincia trmica mdia reportada por autores pelo ano da

    publicao [Fonte: Stenbacka et al., 2012].

    Para o processo de soldagem ao arco submerso existem poucos estudos

    publicados que avaliaram a eficincia trmica do processo. DuPont e Marder, 1995,

    verificaram uma eficincia variando entre 83% e 90%, para uma tenso de soldagem

    entre 34 V e 37 V e uma corrente de 200 A a 320 A. Os autores realizaram a soldagemcom uma velocidade de deslocamento de 15 mm/s e uma velocidade de alimentao do

    arame consumvel de 7,2 m/min.

    Fuerschbach, 2004, consolidou dados reportados por alguns estudos para

    eficincia trmica de diferentes processos de soldagem, realizando uma recomendao

    de valores a serem utilizados na realizao de simulaes e clculos para cada um dos

    processos. Para o processo de soldagem SAW ele relatou que as pesquisas apontam para

    uma eficincia mdia do arco de 90% e recomendou a utilizao deste valor como

    referncia para esse processo.

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    3 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MTODOS

    No decorrer deste capitulo apresentado o planejamento desenvolvido para

    realizao dos experimentos. Tambm so descritos os materiais e equipamentos que

    foram utilizados na construo do calormetro e durante os processos experimentais.

    As atividades experimentais foram desenvolvidas no Laboratrio de Soldagem e

    Tcnicas Conexas (LS&TC) no Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio

    Grande do Sul (UFRGS).

    3.1 Corpos de Prova

    Para realizao dos experimentos de soldagem e avaliao do seu rendimento

    trmico, foram utilizados tubos mecnicos laminados sem costura, que atendem norma

    DIN 2391 St-52, com dimetros externos de 63,5 mm e 89 mm e dimetros internos de

    48,5 mm e 55,5 mm, respectivamente. O comprimento dos tubos foi padronizado em

    200 mm, conforme pode ser observado na Figura 3.1. A composio qumica e as

    propriedades mecnicas dos corpos de prova so apresentadas na Tabela 3.1 e na

    Tabela 3.2 (dados fornecidos pelo fabricante). Optou-se por utilizar estes tubos por

    serem facilmente encontrados no comrcio e por apresentarem boa soldabilidade.

    Tabela 3.1Composio qumica dos corpos de prova conforme os dados do

    fabricante.

    Composio Qumica, % (aprox.)

    C 0,2

    Si 0,3Mn 1,4

    P < 0,03

    S < 0,03

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    Tabela 3.2Propriedades mecnicas dos corpos de prova conforme os dados do

    fabricante.

    Caracterstica

    Resistncia a trao 510 MPaLimite de Escoamento 343 MPa

    Dureza Brinell 145 HB

    Figura 3.1Desenho dos corpos de prova utilizados nos experimentos (dimenses em

    mm). (a) Tubo laminado com dimetro externo de 63,5 mm e (b) tubo laminado com

    dimetro externo de 89 mm.

    3.2 Corpo do Calormetro

    Na construo do calormetro foram utilizados tubos e conexes de policloreto

    de polivinila clorado (CPVC). Este material apresenta baixa condutividade trmica e um

    baixo custo quando comparado com outros tubos para conduo de gua quente, o que

    motivou a sua utilizao. Alm das caractersticas citadas anteriormente, este material

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    leve, resistente corroso e permite trabalhar com conduo de fluidos em temperaturas

    de at 80 C, porm no recomendada a sua utilizao na conduo de vapor dgua.

    O CPVC um material que foi desenvolvido a partir do policloreto de polivinila

    (PVC), aumentando-se a composio em peso de cloro (Cl) do vinil. O policloreto de

    polivinila clorado apresenta uma composio qumica com teor, em peso, de

    aproximadamente 65% de cloro e de 35% de eteno, contra 57% e 43%, respectivamente,

    do PVC. Alm destes componentes so acrescidos mistura outros aditivos, pigmentos

    e estabilizantes necessrios durante o processo de polimerizao do material.

    Conforme o fabricante, o policloreto de polivinila clorado apresenta uma

    condutividade trmica de 0,05 W/mK, um valor relativamente baixo se comparado com

    outros materiais, como o PVC (0,17 W/mK) e o ao (52,9 W/mK). O composto de

    CPVC empregado na fabricao de tubos e conexes hidrulicas deve apresentar asseguintes propriedades fsicas a uma temperatura de 23 C 2 C, quando analisado

    conforme a norma ASTM D1784-07:

    Resistncia mnima de impacto Izod: 80,1 J/m;

    Resistncia trao mnima: 48,3 MPa;

    Mdulo de elasticidade mnimo sob trao: 2482 MPa;

    Temperatura mnima de deflexo sob carga de 1,82 MPa: 100 C.

    Para a montagem do corpo do calormetro, foram utilizados tubos e conexes deCPVC da linha Aquatherm do fabricante Tigre. Utilizou-se uma tubulao com

    dimetro externo nominal de 15 mm e espessura de parede de 1,6 mm, visando garantir

    uma vazo de gua continua com fluxo laminar.

    3.3 Isolamento Trmico do Corpo de Prova

    Objetivando reduzir as perdas de calor por conveco e por radiao nasuperfcie exposta do corpo de prova, foram construdas duas calhas de PVC a partir de

    dois tubos partidos ao meio, e colou-se no interior delas uma lmina de cortia, como

    pode ser visualizado na Figura 3.2.

    Foram utilizados dois tubos de policloreto de polivinila, sendo cada um

    destinado para um dos corpos de prova; o menor tubo, com dimetro externo de 75 mm

    e espessura de parede de 4,2 mm foi utilizado de isolamento para o corpo de prova com

    dimetro de 63,5 mm; o maior tubo, com dimetro externo nominal de 110 mm e

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    espessura de parede de 6,1 mm foi utilizado para a proteo do corpo de prova de

    89 mm.

    Figura 3.2Calhas utilizadas para isolamento dos corpos de prova. (a) Calha com tubo

    de PVC e cortia de menor dimetro e (b) calha com tubo de PVC e cortia de maior

    dimetro.

    Como o PVC no resiste a grandes temperaturas, fez-se necessria a adio de

    uma lmina de cortia com 2 mm de espessura no interior das calhas, que foi fixada

    com a utilizao de um adesivo de silicone para altas temperaturas. A cortia um

    material de origem biolgica, formado por microclulas (da ordem de 30 m) mortas

    que apresentam normalmente uma forma polidrica de 14 lados, dispostas de formamuito compactada. Tal material foi escolhido devido sua baixa condutividade trmica,

    o que desejvel para evitar a perda de energia para o ambiente. Conforme a literatura

    (Gil, 1998; Fortes et al., 2004), a condutividade trmica da cortia pode variar entre

    0,028 W/mK e 0,045 W/mK, sendo este valor dependente da origem da cortia e do

    processamento a qual foi submetida.

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    3.4 Acoplamento entre o Corpo do Calormetro e o Corpo de Prova

    Para realizar um rpido acoplamento do corpo do calormetro ao corpo de prova

    e permitir uma troca fcil de corpos de prova, foram utilizadas rolhas de borrachas com

    um furo central passante, como pode ser observado na Figura 3.3. Este arranjo tambm

    permite que seja realizada a troca da rolha por outra de diferentes dimenses,

    possibilitando a utilizao de corpos de provas tubulares com diferentes dimetros.

    Figura 3.3Vista em corte e isomtrica das rolhas utilizadas nos experimentos

    (dimenses em mm). (a) Rolha para os corpos de prova menores e (b) rolha para os

    corpos de prova maiores.

    Conforme a representao na Figura 3.3, neste trabalho foram utilizadas rolhas

    com duas dimenses, sendo cada uma aplicada a um dos corpos de prova. Optou-se pela

    utilizao de rolhas de borracha butlica, que suportam uma faixa de temperatura que

    vai de -40 C a 140 C e apresentam uma baixa condutividade trmica e alta capacidade

    de tamponamento. Estas caractersticas so requeridas, uma vez que procura-se evitar a

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    perda de calor e vazamentos nas interfaces, e, ainda, a faixa de temperatura de trabalho

    do material deve ser condizente com a faixa de operao do equipamento.

    3.5 Sistema de Alimentao de gua

    Para garantir um fluxo constante de gua no interior calormetro, o sistema de

    alimentao deve assegurar que no ocorram quedas de presso na linha de alimentao

    do calormetro. Visando satisfazer esta condio, foi construdo um sistema com um

    reservatrio que mantm o nvel de gua constante e, portanto, uma presso constante

    (coluna de gua) na alimentao de gua para o calormetro. Na Figura 3.4 pode ser

    observado que o sistema desenvolvido composto por uma tubulao de entrada no

    reservatrio, uma caixa de gua com capacidade mxima de 100 litros e pela tubulaode sada do reservatrio. O nvel constante de gua mantido por uma torneira com

    boia, a qual est instalada no interior da caixa.

    Figura 3.4Detalhe dos componentes utilizados no sistema de alimentao de gua.

    A caixa de gua foi posicionada sobre um suporte mvel, que permite o

    deslocamento do sistema de alimentao conforme a necessidade. A alimentao do

    calormetro feita pelo ponto inferior do reservatrio, o qual alimentado pela entrada

    posicionada em seu ponto superior. Duas vlvulas de esfera foram instaladas, uma na

    entrada e outra na sada da caixa da gua, permitindo um fechamento do sistema quando

    ele no est em utilizao.

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    A conexo do sistema de alimentao ao calormetro foi realizada com o uso de

    mangueiras flexveis transparentes. O mesmo material foi aplicado para realizar a

    conexo do ponto de alimentao de gua da caixa ao encanamento de gua do

    laboratrio. A gua utilizada nos experimentos foi suprida pelo Departamento

    Municipal de gua e Esgotos (DMAE) da cidade de Porto Alegre. A gua bruta que

    chega at as estaes de tratamento do departamento passa por processos de tratamento

    at que sejam atingidas as propriedades de qualidade para distribuio.

    3.6 Sistema de Monitoramento de Temperatura

    O monitoramento da evoluo da temperatura da gua na entrada e na sada do

    calormetro durante o processo de soldagem de suma importncia para o clculo dorendimento trmico do processo. Para realizar a medio da temperatura optou-se pela

    utilizao de termopares do tipo T (par de cobre e constantan) que apresentam uma

    sensibilidade de 50 V/C, que uma das maiores entre os tipos de termopares mais

    comuns e por possurem um baixo erro, que da ordem de 1 C. A faixa de operao

    do sensor (-270 C a 400 C) atende s necessidades dos ensaios.

    Os termopares foram fabricados com uma bainha de proteo em ao inoxidvel

    AISI 304 com dimetro de 3 mm e comprimento de 100 mm, na qual os fios do parcondutor foram compactados com xido de magnsio a fim de obter-se isolao eltrica

    e ficando a junta completamente isolada das condies ambientais. Este isolamento,

    porm, diminui o tempo de resposta do sensor.

    Nos experimentos foram utilizados quatro termopares, sendo dois posicionados

    na entrada e dois na sada. Na Figura 3.5 possvel visualizar o esquema de

    posicionamento dos termopares no calormetro. Um dos sensores da sada e um da

    entrada foram montados em ligao diferencial. Nesta configurao, as ligaes so

    feitas de forma que uma se ope a outra, sendo um fio comum aos dois termopares.

    Assim, quando as temperaturas dos dois termopares forem iguais, a fora eletromotriz

    resultante ser igual a zero. No momento em que as temperaturas dos dois termopares

    estiverem em nveis diferentes, a diferena de potencial (mV) produzida ser

    correspondente diferena da temperatura entre os dois termopares. O esquema da

    ligao dos termopares de forma diferencial pode ser visualizada na Figura 3.6.

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    Figura 3.5Posicionamento dos termopares no calormetro.

    Figura 3.6Esquema de ligao dos fios de dois termopares para medidas de

    temperatura diferencial.

    Para realizar o monitoramento das temperaturas utilizou-se o sistema de

    aquisio de dados ADS2000 IP, fabricado pela Lynx. O equipamento, que pode ser

    visualizado na Figura 3.7, j conta com um condicionador de sinais e junta fria

    eletrnica, o que permite a ligao direta dos sensores no sistema e a converso

    automtica do sinal de tenso em temperatura. Os dados obtidos durante os

    experimentos realizados foram salvos em arquivos para serem trabalhados

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    posteriormente em softwares para manipulao de dados. Na aquisio dos dados, as

    seguintes configuraes foram utilizadas:

    Bits do conversor analgico/digital: 16;

    Ganho do sinal de entrada: 100 vezes;

    Filtro do sinal: 3 Hz;

    Frequncia de amostragem: 10 Hz.

    Figura 3.7Equipamento ADS2000 IP utilizado na aquisio de dados.

    3.7 Sistema de Monitoramento da Soldagem

    Para todos os ensaios realizados foi utilizado um sistema de aquisio de dados

    para monitoramento dos parmetros instantneos de soldagem. Utilizou-se o

    equipamento SAP v 4.01, fabricado pela empresa IMC Soldagem. Este sistema j contacom diferentes sensores que mensuram a corrente de soldagem, tenso de soldagem,

    velocidade de alimentao do arame e vazo do gs de proteo. Alm dos valores

    instantneos, o equipamento realiza a leitura dos valores mdios e eficazes da corrente e

    tenso, de potncia e de tempo de arco aberto.

    Os dados obtidos durante os ensaios realizados foram armazenados utilizando o

    software disponibilizado pelo prprio fabricante, para posterior anlise. Para os

    experimentos utilizou-se uma taxa de amostragem de 5 kHz e uma converso de sinal

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    analgico/digital de 10 bits. A Figura 3.8 mostra os componentes do sistema de

    aquisio de dados de soldagem.

    Figura 3.8Sistema utilizado para aquisio de dados: (a) computador e condicionador

    de sinais; (b) sensor de corrente de soldagem ligado ao cabo da fonte; (c) garra do sinal

    de tenso conectada fonte; (d) sensor de velocidade de alimentao do arame

    posicionado no suporte do rolo de arame e (e) garra de aterramento presa ao cabo terra.

    3.8 Equipamentos de Soldagem

    3.8.1 GMAW

    Para realizar os experimentos e avaliar o rendimento trmico dos processos de

    soldagem MIG/MAG, utilizou-se de um sistema robotizado composto pela fonte

    TransPuls Synergic 4000R da Fronius, pelo rob MA1400 da Yaskawa Motoman

    Robotics, pelo alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter, tambm da Fronius, e

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    pelo manipulador iCAT com cabos e tocha de soldagem Robo WH, ambos de

    fabricao da Abicor Binzel.

    A fonte de soldagem, apresentada na Figura 3.9, apresenta a caracterstica de ser

    completamente digitalizada e possui controle interno por microprocessador, o que

    garante repetitividade dos parmetros ajustados e que podem ser salvos em posies de

    memria para posterior utilizao. A fonte tambm dotada de um inversor de

    pequenas dimenses e peso, o que facilita seu transporte. Alguns dos dados tcnicos da

    fonte so apresentados na Tabela 3.3, conforme o informado pelo fabricante.

    Figura 3.9Fonte utilizada nos processos de soldagem MIG/MAG.

    Tabela 3.3Dados tcnicos da fonte TransPuls Synergic 4000R.

    Caracterstica

    Tenso de rede 3 x 400 V

    Potncia do Primrio 12,4 kVA

    Fator de Potncia 0,99

    Faixa de Corrente de Soldagem 3 - 400 A

    Tenso em Vazio 70 V

    Tenso Operacional 14,2 V34 V

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    O alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter foi desenvolvido

    especialmente para aplicaes robticas. Montado sobre o terceiro membro do rob, o

    equipamento regulado digitalmente, possui um sistema com 4 roletes, compacto e

    leve. A velocidade de alimentao do arame pode ser regulada entre uma faixa que vai

    de 0,5 m/min at 22 m/min. Na Figura 3.10 possvel observar o alimentador de arame

    utilizado nos experimentos.

    Figura 3.10Alimentador de arame VR 1500 4R/W/E Roboter.

    O rob de soldagem MA1400 comandado pelo controlador DX100. Este

    controlador permite executar tarefas com at 8 robs, movimentando 72 juntas

    simultaneamente com no mximo 18 programas sendo executados simultaneamente. A

    memria interna permite que sejam salvas at 10.000 instrues de comando. No total,

    o controlador possui 40 entradas e 40 sadas digitais, sendo 16 utilizadas pelo sistema

    interno e 24 configurveis pelo usurio.

    A interface homem-mquina (IHM) tambm chamada de TeachPedant (TP)possui trs modos operacionais: play (rodar), teach (ensinar) e remote (remoto).

    Operando a IHM possvel realizar o desligamento dos servo-motores, pausar a

    execuo de movimentos e acionar a parada de emergncia do equipamento. A

    linguagem de programao utilizada pelo controlador a INFORM III. possvel

    realizar a escrita dos programas em um computador e ento realizar o download para o

    controlador, porm neste trabalho, utilizou-se o TP para desenvolver o programa de

    soldagem. Utilizando o modo teachdo TeachPedant, realizou-se a gravao dos pontos

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    inicias e finais do cordo de solda, fez-se a regulagem da velocidade de deslocamento

    da tocha, a chamada do programa de configurao da fonte e a determinao dos tempos

    de abertura e fechamento do arco. Na Figura 3.11 so apresentados o controlador e a

    IHM.

    Figura 3.11Equipamentos utilizados: (a) controlador DX 100 e (b) interfacehomem-mquina na tela de configurao do programa de soldagem.

    O MA1400, que pode ser observado na Figura 3.12, um rob com 6 graus de

    liberdade (GDL), sendo todos eles originrios das suas juntas rotativas. Deste total,

    3 GDL so utilizados para localizar ou posicionar o rgo terminal (tocha de soldagem)

    e os outros 3 para orientar. As juntas permitem uma rotao mdia de 175 com uma

    velocidade angular mxima de 200 graus/s. O rgo terminal do rob possui um alcance

    vertical de aproximadamente 2,5 m na vertical e 1,5 m na horizontal. A carga mxima

    de instalao no rgo terminal de 3 kg.

    Uma das grandes vantagens em se utilizar um rob para soldagem a alta

    repetitividade atingida com este equipamento. O MA1400 possui uma repetitividade de

    0,08 mm na movimentao do rgo terminal. Nesta posio encontra-se um

    manipulador iCAT com cabos e tocha de soldagem modelo Robo WH. O manipulador

    permite que o conjunto de cabos passe por dentro do punho esfrico do rob, assim tem-

    se um elevado nvel de segurana e flexibilidade para tochas com refrigerao. Caso

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    ocorra uma coliso entre a tocha de soldagem e o corpo de prova, o iCAT realiza um

    desvio de at 10 por meio de mecanismos mecnicos e, alm disso, possui uma funo

    amortecedora, a fim de evitar danos tocha, perifricos e bem como ao rob. O

    manipulador e a tocha de soldagem podem ser visualizados na Figura 3.13.

    Figura 3.12 - Rob MA1400 da Yaskawa Motoman Robotics.

    Figura 3.13Manipulador iCAT e tocha de soldagem MIG/MAG instalados no rgo

    terminal do rob.

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    O sistema de cabos Robo WH permite um acoplamento e desacoplamento rpido

    da tocha de soldagem, facilitando a troca de componentes, como o bico de contato e o

    bocal, que muitas vezes devem ser substitudos conforme a soldagem a ser realizada.

    O arame utilizado nos experimentos foi o AWS ER70S-6 com dimetro de

    1,2 mm. A escolha deste material de adio est relacionada ao fato deste arame ser

    amplamente utilizado em processos de soldagem de aos comuns ao carbono. Na

    Tabela 3.4 apresentada a composio qumica do arame, conforme os dados

    informados pelo fabricante.

    Tabela 3.4Propriedades nominais do arame AWS ER70S-6.

    Composio Qumica, %

    C 0,060,15

    Si 0,81,15

    Mn 1,41,85

    P < 0,025

    S < 0,035

    Cu < 0,5

    3.8.2 GTAW

    Nos experimentos em que se utilizou o processo de soldagem TIG, os seguintes

    equipamentos foram aplicados: fonte de soldagem Digiplus A7 450, fabricada pela IMC

    Soldagem, e um sistema automatizado para movimentao da tocha de soldagem

    modelo Tartlope v4, fabricado pela SPS.

    A fonte de soldagem Digiplus A7 450, apresentada na Figura 3.14, dotada um

    microprocessador que permite o controle na utilizao de diferentes processos de

    soldagem. O sistema de controle baseado em um controlador que possibilita a

    completa operao da fonte com o uso de um software computacional, possibilitando o

    desenvolvimento de um programa de soldagem para cada aplicao, alm da

    comunicao com outros sistemas automatizados. Outra caracterstica desta fonte de

    soldagem a possibilidade de armazenar as variveis e parmetros configurados na

    memria do controlador para posterior utilizao.

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    Figura 3.14Fonte utilizada nos experimentos com soldagem TIG.

    A arquitetura da fonte de potncia chaveada no secundrio e se utiliza de

    transistores para controlar o parmetro de soldagem desejado, realizando o bloqueio ou

    liberao do fluxo de corrente pelo transistor. A fonte tambm dotada de um filtro,

    que tem por objetivo obter um melhor fator de potncia. Alguns dos dados tcnicos da

    fonte so apresentados na Tabela 3.5.

    Tabela 3.5Caractersticas constitutivas da fonte Digiplus A7 450.

    Caracterstica

    Tenso de Rede 220/380/440 V

    Potncia do Primrio 10 kVA

    Fator de Potncia 0,94

    Faixa de Corrente de Soldagem 5 - 450 ATenso em Vazio (Regulvel) 50/68/85 V

    Ripple de Corrente 8 A

    O sistema automatizado de deslocamento da tocha de soldagem Tartlope v4

    constitudo basicamente por 4 mdulos: o manipulador da tocha que possui 4 GDL, o

    controlador, a IHM e o controle remoto para correo manual da trajetria. Estes

    mdulos so apresentados na Figura 3.15.

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    Figura 3.15Mdulos do sistema Tartlope v4: (a) manipulador da tocha de soldagem;

    (b) controlador; (c) interface homem-mquina e (d) controle remoto [Fonte: SPS, 2013].

    O manipulador dotado de trs juntas prismticas que se movimentam pelo

    sistema cartesiano e uma junta rotacional, que utilizada para orientar a tocha de

    soldagem. Um dos eixos corresponde ao deslocamento do manipulador sobre um trilho,

    que pode ser flexvel ou rgido, no sentido de soldagem. Outro eixo tem o papel de fazer