tcc 2007 parte 3.2
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RESUMO
Este trabalho teve como objetivo avaliar as características geométricas e diluição na soldagem
de revestimento do aço 317L pelo processo MIG/MAG pulsado. Os parâmetros de soldagem
para a realização dos ensaios foram obtidos de uma tese de doutorado que está sendo
desenvolvida no laboratório de soldagem da UFC (ENGESOLDA), porém utilizando ligas de
níquel como metal de adição. Esses parâmetros foram adequados para a utilização do metal de
adição E317L. Para determinar o número de ensaios a serem realizados, utilizou-se o método
Taguchi, de forma a cumprir, com reduzidos números de ensaios a influência dos fatores de
controle (parâmetros de soldagem) sobre as variáveis respostas (características geométricas e
diluição) e determinar as condições ótimas para soldagem de revestimento utilizando o aço
inoxidável 317L. Os fatores de controle escolhidos foram: Técnica da energia (tipo I e tipo
V), técnica da tocha (posição vertical, empurrando e puxando), tipo de tecimento (sem
tecimento, tecimento triangular e duplo 8), forma de onda (Ip alto, Ip baixo e Ip médio com
degrau) e energia (energia baixa, energia média e energia alta). Esses fatores foram divididos
pelo método Taguchi em uma matriz L18, ou seja, foram necessários apenas 18 ensaios para
avaliar a influencia dos fatores de controle. As variáveis resposta escolhidas foram: a diluição
(D), a razão entre o reforço e a largura (R/L) e o reforço. As soldagens foram realizadas na
posição plana por simples deposição sobre chapas de aço ASTM A36 com dimensões de 200
x 50 x 6 mm.Foram mantidas constantes a vazão do gás de proteção em 25l/mim e a DBCP
em 20 mm. Os resultados mostraram que a tocha na posição puxando e com baixa energia
proporcionaram menores diluições. A tocha na posição empurrando e com tecimento duplo 8
proporcionaram menor razão R/L. Sem tecimento e nível de energia alto proporcionaram os
maiores valores de reforço.
Palavras-Chave: Aço inoxidável 317L, MIG/MAG pulsado, Taguchi, Diluição, Razão R/L,
Reforço.
2
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Representação esquemática das dimensões geométricas das seções transversais dos
cordões de solda........................................................................................................................13
Figura 2. Representação esquemática do processo MIG/MAG................................................14
Figura 3. Equipamentos e acessórios do processo MIG/MAG.................................................15
Figura 4. Soldagem puxando e empurrando.............................................................................19
Figura 5. Formato da onda de corrente pulsada........................................................................23
Figura 6. Região de uma gota por pulso...................................................................................24
Figura 7. Bancada experimental...............................................................................................37
Figura 8. Posições da tocha.......................................................................................................40
Figura 9. Tecimento triangular.................................................................................................41
Figura 10. Tecimento em duplo oito.........................................................................................41
Figura 11. Forma de onda da corrente pulsada simples............................................................41
Figura 12. Forma de onda da corrente pulsada com degrau.....................................................42
Figura 13. Aspecto superficial do cordão de solda do Ensaio 1...............................................46
Figura 14. Seção transversal do cordão de solda para o Ensaio 1............................................46
Figura 15. Aspecto superficial do cordão de solda do Ensaio 2...............................................47
Figura 16. Seção transversal do ensaio 2..................................................................................47
Figura 17.Seção transversal do cordão de solda do Ensaio 12.................................................47
Figura 18. Seção transversal do cordão de solda do Ensaio 12................................................47
Figura 19. Descontinuidades na largura do cordão de solda....................................................48
Figura 20. Valores de para cada nível dos fatores de controle considerando a característica
da qualidade diluição................................................................................................................50
Figura 21. Seções transversais do ensaio E1 à esquerda e da soldagem da chapa de 12,7mm na
condição 1 à direita...................................................................................................................51
Figura 22. Seções transversais do ensaio E5 à esquerda e da soldagem da chapa de 12,7mm na
condição 5 à direita...................................................................................................................51
Figura 23. Valores de para cada nível dos fatores de controle considerando a característica
da qualidade R/L.......................................................................................................................53
Figura 24. Valores de para cada nível dos fatores de controle considerando a característica
da qualidade Reforço (R)..........................................................................................................55
LISTA DE TABELAS
3
Tabela 1. Composição química (% em peso) dos corpos de prova segundo o fabricante.......36
Tabela 2. Composição química do arame eletrodo ER – 317L, segundo o fabricante.............36
Tabela 3. Combinações de corrente e velocidade de soldagem para os três níveis de energia
E1, E2 e E3...............................................................................................................................40
Tabela 4. Matriz ortogonal L18................................................................................................42
Tabela 5. Planilha L18 com os parâmetros de soldagem utilizados nos ensaios exploratórios.
...................................................................................................................................................43
Tabela 6. Valores obtidos das variáveis respostas....................................................................48
Tabela 7. Análise de variância da qualidade diluição (D)........................................................50
Tabela 8. Análise de variância da qualidade R/L.....................................................................53
Tabela 9. Análise de variância da qualidade Reforço...............................................................55
4
SumárioResumo........................................................................................................................................1
Lista de figuras............................................................................................................................2
Lista de tabelas........................................................................................................................... 3
Sumário...................................................................................................................................... 4
1 Introdução e motivação.......................................................................................................7
1.1 Introdução.....................................................................................................................7
1.2 Motivação.....................................................................................................................7
2 Objetivos.............................................................................................................................8
3 Revisão bibliográfica..........................................................................................................9
3.1 Aços inoxidáveis..........................................................................................................9
3.2 Aços inoxidáveis ferríticos...........................................................................................9
3.3 Aços inoxidáveis austeníticos......................................................................................9
3.4 Aços inoxidáveis martensíticos..................................................................................10
3.5 Aços inoxidáveis Duplex (austenítico-ferríticos).......................................................10
3.6 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação........................................................10
3.7 Aços inoxidáveis austeníticos....................................................................................10
3.8 Soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos........................................................11
3.9 Revestimento..............................................................................................................12
3.10 Soldagem de revestimento......................................................................................12
3.11 O processo MIG/MAG...........................................................................................14
3.11.1 Equipamentos do processo MIG/MAG..............................................................15
3.11.2 Transferência Metálica........................................................................................20
3.11.3 Características estáticas das fontes.....................................................................21
3.11.4 Corrente pulsada.................................................................................................22
3.11.5 Técnicas de identificação do modo de transferência metálica............................25
3.11.6 Corrente Alternada..............................................................................................26
3.12 Método Taguchi / Projeto Robusto.........................................................................26
5
3.12.1 Desenvolvimento do Projeto Robusto................................................................27
3.12.2 Projeto dos parâmetros........................................................................................27
3.12.3 Razão Sinal/Ruído..............................................................................................28
3.12.4 Arranjo ortogonal................................................................................................30
3.12.5 Experimentação e análise....................................................................................32
4 Materiais e Métodos..........................................................................................................36
4.1 Materiais de consumo.................................................................................................36
4.1.1 Corpos de prova..................................................................................................36
4.1.2 Arame eletrodo....................................................................................................36
4.1.3 Gás de proteção...................................................................................................37
4.2 Equipamentos e acessórios.........................................................................................37
4.2.1 Equipamentos empregados nas soldagens..........................................................37
4.3 Equipamentos para preparação metalográfica............................................................38
4.4 Metodologia...............................................................................................................38
4.4.1 Etapa 1 – Ensaios preliminares...........................................................................38
4.4.2 Etapa 2 – Ensaios definitivos..............................................................................38
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES....................................................................................46
5.1 Resultados..................................................................................................................46
5.1.1 Aspecto visual.....................................................................................................46
5.2 Características geométricas dos ensaios da planinha L18..........................................48
5.3 Análise da característica da qualidade diluição (D) na planinha L18........................50
5.4 Analise da característica da qualidade da razão R/L na planinha L18.......................53
5.5 Analise da característica da qualidade reforço na planinha L18................................55
5.6 Testes de confirmação................................................................................................57
5.6.1 Teste de confirmação para a diluição..................................................................57
5.6.2 Teste de confirmação para a razão R/L...............................................................59
5.6.3 Teste de confirmação para o reforço...................................................................59
6
6 conclusão...........................................................................................................................61
7 Sugestão para trabalhos futuros........................................................................................62
8 Referências Bibliográficas................................................................................................63
CAPÍTULO I
7
1 INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO
1.1 Introdução
A corrosão causada pelo petróleo brasileiro trás sérios prejuízos em virtude da
necessidade de paradas desnecessárias para corrigir tais defeitos.
A soldagem de revestimento que consiste em depositar camadas de matérias mais
nobres e que são mais resistentes a corrosão e conferem excelentes resistências mecânica
surgi como uma alternativa economicamente viável.
Um dos materiais comumente utilizados para essas aplicações são os aços
inoxidáveis, dentre eles o aço inoxidável austenítico 317L, o qual apresenta todas as
características necessárias para tal aplicação, como por exemplo, excelente resistência
mecânica e a corrosão, mesmo em aplicações de altas temperaturas.
O método estatístico Taguchi, consiste em determinar as variáveis que mais
influenciam a variabilidade do processo ou produto. Com esse método é possível reduzir o
número de experimentos e avaliar com segurança os resultados obtidos. Esse método é uma
ferramenta importantíssima quando a variável analisada é dependente de vários fatores como,
por exemplo, a diluição para a soldagem de revestimento.
Dentre os vários processos de soldagem utilizados para a aplicação de revestimento
destacam-se: MIG/MAG, arame tubular, arco submerso com fita, TIG (com alimentação de
arame frio ou quente) e o plasma por arco transferido (PTA) e um dos processos mais
largamente utilizados está o MIG/MAG devido a sua boa produtividade, flexibilidade e custo
relativamente baixo.
1.2 Motivação
A motivação para este trabalho é a obtenção de parâmetros de soldagem de
revestimento, para utilização em torres de destilação da Petrobras.
CAPÍTULO II
8
2 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é a avaliação das características geométricas e diluição na
soldagem de revestimento do aço inoxidável 317L pelo processo MIG/MAG pulsado sobre
aço baixo carbono, utilizando ferramentas estatísticas para otimização do processo e redução
do número de ensaios.
CAPÍTULO III
9
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Aços inoxidáveis
Os aços inoxidáveis são aços de alta liga, geralmente contendo cromo, níquel,
molibdênio em sua composição química. Estes elementos de liga, em particular o cromo,
conferem uma excelente resistência à corrosão quando comparados com os aços carbono. Eles
são, na realidade, aços oxidáveis, isto é, o cromo presente na liga oxida-se em contato com o
oxigênio do ar, formando uma película, muito fina e estável, de óxido de cromo. Ela é
chamada de camada passiva e tem a função de proteger a superfície do aço contra processos
corrosivos. Para que a película de óxido seja efetiva, o teor mínimo de cromo no aço deve
estar ao redor de 11% (ASM HANDBOOK, 1994).
Os aços inoxidáveis são comumente classificados em cinco grupos: ferríticos,
martensíticos, austeníticos, duplex (austenítico-ferríticos) e os endurecíveis por precipitação
(ASM HANDBOOK, 1994).
3.2 Aços inoxidáveis ferríticos
Possuem uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC). Correspondem à
metade dos aços inoxidáveis da série 400. Estes aços contêm de 10.5 a 30% de cromo ligado a
outros elementos, mais notavelmente o molibdênio. Possuem excelente resistência à corrosão
sob tensão e boa resistência à corrosão por pites. (ASM HANDBOOK, 1994)
3.3 Aços inoxidáveis austeníticos
Possuem uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC). Representam o
maior grupo dos aços inoxidáveis, sendo largamente produzido. A adição de elementos
austenitizantes, como o níquel, manganês e nitrogênio, expandem o campo no qual a austenita
(cfc) está presente e aumentam sua estabilidade a baixas temperaturas. A série 3XX contém
uma quantidade de cromo que varia de 16 a 26%; manganês pode chegar a 2% e a quantidade
de níquel pode chegar a 22%. (LIPPOLD et al, 2005, KOU, 2003).
3.4 Aços inoxidáveis martensíticos
São essencialmente ligas de cromo e carbono que possuem uma estrutura cúbica de
corpo centrado distorcida (martensita). Estes aços são ferromagnéticos e temperáveis.
Geralmente resistem à corrosão em ambientes de média agressividade. O teor de cromo destes
10
aços situa-se na faixa de 11,5 a 18%, e o teor de carbono pode ser maior que 1,2% (ASM
HANDBOOK, 1994)
3.5 Aços inoxidáveis Duplex (austenítico-ferríticos)
Possuem uma estrutura mista de ferrita CCC e austenita CFC. A quantidade exata de
cada fase presente é função da composição química do aço e do tratamento térmico. Os
principais elementos de liga são cromo e níquel. Nitrogênio, molibdênio, silício, cobre e
tungstênio, podem ser adicionados para um balanço do controle estrutural e para melhorar
certas características de resistência a corrosão (ASM HANDBOOK, 1994).
3.6 Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação
São aços liga baseados no sistema Fe-Cr-Ni que possuem tensões de escoamento de
550 a 1795 MPa. Esta alta resistência mecânica é obtida devido à precipitação em uma matriz
martensítica ou austenítica de um ou mais dos seguintes elementos: cobre, alumínio, titânio,
nióbio e molibdênio (ASM HANDBOOK, 1994).
3.7 Aços inoxidáveis austeníticos
O grupo destes aços é o maior dentre os aços inoxidáveis e são os mais produzidos.
São geralmente utilizados em aplicações que requerem boa resistência a corrosão a
temperatura ambiente ou elevadas temperaturas. Mesmo havendo uma grande variedade de
aços inoxidáveis austeníticos, a série 300 é a mais antiga e comumente utilizada. A maioria
destas ligas é baseada no sistema 18Cr-8Ni, com adição de outros elementos que podem
conferir propriedades específicas ao aço, como os aços austeníticos estabilizados ao titânio
e/ou nióbio (como os aços 347 e 321). Estes aços contêm pequenas quantidades de Ti e Nb,
que se combinam com o carbono e reduzem a tendência à corrosão intergranular, devido à
precipitação de carboneto de cromo. Para aplicações em que a corrosão intergranular é um
problema, podem ser utilizados os aços inoxidáveis austeníticos baixo carbono, série 3XXL
(LIPPOLD et al, 2005).
Os aços inoxidáveis austeníticos são usados em quase todos os tipos de aplicação na
indústria. Áreas típicas do seu uso incluem trocadores de calor, tanques, indústria químicas,
farmacêuticas e de papel.
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3.8 Soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos
Os aços inoxidáveis austeníticos são os que apresentam a melhor soldabilidade de
todos os aços inoxidáveis. Por causa das suas propriedades físicas, seu comportamento na
soldagem pode ser considerado diferente daquelas dos ferríticos, martensiticos e duplex. Por
exemplo, a condutividade térmica das ligas típicas de aços austeníticos é aproximadamente a
metade dos aços ferríticos, isso significa que a energia de soldagem requerida para atingir a
mesma penetração é consideravelmente reduzida. Em contrapartida o coeficiente de expansão
térmica é 30 a 40% maior que a dos aços ferríticos, o que pode resultar em aumentos na
distorção e na tensão residual por causa da soldagem (ASM HANDBOOK, 1994).
As poças de fusão dos aços inoxidáveis austeníticos tendem a ser mais viscosas do
que a dos férricos e martensiticos. Isso impede o metal de escoar o que diminui a
molhabilidade das soldas nesses materiais, o que podem promover defeitos de falta de fusão
(ASM HANDBOOK, 1994).
Um dos problemas na soldagem de aços austeníticos é sua susceptibilidade na
formação de trincas na solidificação da zona fundida, mas isso pode ser controlado com a
adição de pelo menos 4% de ferrita delta no metal de solda a temperatura ambiente (ASM
HANDBOOK, 1994).
Nos casos em que cordões totalmente austenítico são necessários, como, por
exemplo, em ambientes corrosivos, como no caso da soldagem de revestimento, a propensão
para trincas nas soldas aumentará, pois quantidades pequenas de ferrita nessas aplicações
podem ocasionar pontos de corrosão. Para minimizar fissuras nestas soldas, é aconselhável
soldar com baixa energia de soldagem e em condições de baixa pressão. Elementos residuais,
que formam baixo ponto de fusão em fases líquidas e que promovem o surgimento de trincas,
devem ser mantidos em baixas concentrações. Alguns desses elementos são: fósforo, enxofre,
boro, selênio, nióbio, silício e titânio. Pequenas adições de oxigênio e nitrogênio são bastante
benéficos e acredita-se que sua adição possa afetar as características de molhamento da poça
de fusão. No entanto, altas concentrações destes elementos podem promover o surgimento de
poros. Teores de manganês também podem reduzir suscetibilidade a trincas, principalmente
por poder formar elementos com o enxofre e o silício que estariam disponíveis para formar
fases com baixo ponto de fusão. (ASM HANDBOOK, 1994).
12
3.9 Revestimento
Os revestimentos metálicos foram desenvolvidos no começo da década de 1930 e
uma de suas primeiras aplicações foi à utilização de níquel sobre aço carbono. Este composto
era usado na construção de tanques de guerra. Outros produtos feitos de aço revestido foram
então utilizados em fornos de destilação, vasos de processamento, ferramentas manuais,
equipamentos de armazenamento e outros (MAGALHÃES, 2008).
A maioria dos revestimentos metálicos são compostos de metais como aços
inoxidáveis, ligas de níquel e ligas de cobre soldados sobre aços carbono e aços baixa liga. A
espessura do revestimento geralmente varia entre 5 e 20% da espessura do substrato. A
vantagem do revestimento é promover, a partir de um baixo custo relativo, os benefícios de
materiais mais caros, que possuem características de resistência à corrosão, resistência à
abrasão e outras (MAGALHÃES, 2008).
Contudo a soldagem de revestimento geralmente é uma soldagem entre materiais
dissimilares exibindo um fenômeno único de fissuração não observado em soldas entre
materiais similares. Onde temos que trincas ou desprendimentos ao longo ou próximo da linha
de fusão em soldas dissimilares ferrítico-austenítico vêm sendo um problema persistente por
mais de 60 anos (MAGALHÃES, 2008).
O processo de manufatura do revestimento pode ser realizado de diversas maneiras.
Laminação a quente, soldagem por explosão, aspersão térmica, recobrimento com solda
(overlay) e recobrimento com chapa (lining) são métodos de produzir materiais revestidos
(MAGALHÃES, 2008).
3.10 Soldagem de revestimento
A soldagem de revestimento consiste em depositar camadas de uma material mais
nobre, com menor susceptividade à corrosão sobre um material menos nobre. É utilizado,
principalmente no setor de petróleo e gás natural, devido a grande corrosão causada por esses
materiais, isso surge como uma alternativa economicamente viável, pois a utilização maciça
desses materiais mais nobre em substituição aos menos nobres, torna-se economicamente
inviável devido a grande quantidade de material requerido para tal finalidade.
A soldagem de revestimento deve atingir certas características para uma boa
eficiência do revestimento, dentre elas podemos destacar as características geométricas do
cordão de solda, principalmente, reforço, largura, razão reforço/largura e a diluição, que é
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definida como a parcela de metal de base que entra na composição da zona fundida (metal de
solda). A diluição para um simples cordão pode ser calculada pela Equação 1. A Figura 1
mostra a representação esquemática de cada uma das características geométricas da seção
transversal de um cordão de um cordão de solda.
D= Af(Ad+ Af )
x 100 (%) Equação 1
Onde:
Ad – Área depositada do cordão;
Af – Área fundida do metal de base.
Figura 1. Representação esquemática das dimensões geométricas das seções transversais dos
cordões de solda.
A diluição é umas das características mais importante da soldagem de revestimento,
pois diluições elevadas prejudicam a resistência à corrosão do revestimento, devido a maior
participação do ferro do metal base no metal de solda.
Além disso, altas a energias de soldagem, que naturalmente aumentam a diluição,
também podem proporcionar o aparecimento de zonas parcialmente diluídas (ZPD) que
fragiliza a interface metal de solda (MS) /zona afetada pelo calor (ZAC) (KEJELIN et al.,
2007).
Razões reforço/largura altas proporcionam concentrações de tensão no pé do cordão
de solda, bem como favorece a ocorrência de defeitos como a falta de fusão entre outros. Com
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relação ao reforço, dependendo do tipo de equipamento, é exigida uma espessura mínima para
o revestimento.
Em relação a largura, quanto maior a largura do cordão melhor, pois aumenta a
produtividade do revestimento, porém larguras excessivas podem acarretar em baixo reforço,
sendo necessário uma maior quantidade de passes, diminuindo assim a produtividade.
3.11 O processo MIG/MAG
No processo de soldagem a arco elétrico com proteção gasosa (Gas Metal Arc
Welding – GMAW) a união de peças metálicas se dá pelo aquecimento destas, através de um
arco elétrico estabelecidos entre um eletrodo consumível nu e a peça de trabalho. Neste
processo a proteção do arco elétrico e da poça de fusão, contra elementos nocivos no meio é
feita por um gás ou mistura de gases, que podem ser inertes (MIG), que não reagem
significativamente com a poça de fusão, como o argônio e o hélio, ou ativos (MAG) que
reagem intensamente com a poça de fusão, como o O2 e o CO2 (MARQUES, 2005). A Figura
2 mostra esquematicamente o processo MIG/MAG.
Figura 2. Representação esquemática do processo MIG/MAG (MIRANDA, 1999).
O processo MIG/MAG pode ser soldado tanto no modo semi-automático, onde a
posição da tocha, a velocidade e a direção de soldagem são controlados pelo soldador e no
modo automático, onde a posição da tocha, a velocidade e a direção de soldagem são
controlados por um sistema robotizado.
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A grande maioria das aplicações do processo MIG/MAG emprega CC+ (eletrodo
conectado ao pólo positivo), resultando em um arco estável com transferência uniforme
(regular) e baixa quantidade relativa de respingos. Os cordões obtidos apresentam boas
propriedades (mecânicas e estéticas) e penetração elevada para soldagens realizadas dentro de
uma larga faixa da corrente. A polaridade direta CC- (eletrodo conectado ao pólo negativo) é
raramente utilizada, porém quando se deseja taxa de deposição elevada com baixa penetração
(deposição superficial), este tipo de polaridade é ainda empregado (AWS, 1992 apud,
PESSOA, 2007).
3.11.1 Equipamentos do processo MIG/MAG
O processo MIG/MAG consiste basicamente de uma fonte de soldagem, um
alimentador de arame, uma tocha de soldagem, uma fonte de gás protetor e um sistema de
refrigeração. A Figura 3 mostra esquematicamente os equipamentos utilizados no processo
MIG/MAG.
Figura 3. Equipamentos e acessórios do processo MIG/MAG (PESSOA, 2007, apud
MIRANDA, 2002).
A fonte de soldagem fornece a tensão e a corrente elétrica necessárias para
estabelecer e manter o arco elétrico entre o eletrodo e o material a ser soldado. O sistema de
alimentação de arame eletrodo é constituído por um conjunto de roletes tracionadores e por
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um motor com velocidade de rotação ajustável. Este sistema tem que ser robusto e com boa
velocidade de resposta, de modo contrário a soldagem pode ficar seriamente comprometida e
até mesmo inviável. A tocha de soldagem é constituída de um punho o qual sustenta um bico
de contato, que faz a energização do arame eletrodo e possui um diâmetro interno
ligeiramente maior que o arame eletrodo, de um bocal que orienta o fluxo de gás protetor, que
é feito de cobre ou material cerâmico. A fonte de gás consiste normalmente de um cilindro de
gás ou mistura de gases e reguladores de pressão e/ou vazão.
O processo MIG/MAG é um dos mais versáteis, pois pode ser usada em materiais
numa grande faixa de espessura, tanto em metais ferrosos como não ferrosos. O diâmetro dos
eletrodos usados varia normalmente entre 0,8 e 2,4mm. O processo MAG é utilizado apenas
na soldagem de matérias ferrosos, tendo como gás de proteção o CO2 ou misturas ricas neste
gás, enquanto a soldagem MIG pode ser usada tanto na soldagem de ferrosos quanto de não
ferrosos, como alumínio, cobre, magnésio, níquel e suas ligas (MARQUES et al, 2005).
De uma forma geral o processo MIG/MAG apresenta as seguintes vantagens (AWS
1991, apud, PESSOA 2007).
a) soldagem de todos os metais e ligas comerciais;
b) alimentação contínua do eletrodo;
c) soldagem em todas as posições;
d) elevadas taxas de deposição;
e) elevadas velocidades de soldagem;
f) obtenção de cordões extensos sem muitas interrupções;
g) como não existe escória, mínima limpeza pós soldagem é exigida;
h) permite a automatização industrial, possibilitando a utilização de robôs.
Dentre as desvantagens do processo MIG/MAG é a sua maior sensibilidade á
variação dos parâmetros elétricos de operação do arco de soldagem, que influenciam
diretamente na qualidade do cordão de solda depositado, além da necessidade de um ajuste
rigoroso de parâmetros, para se obter um determinado conjunto de características para o
cordão de solda. A determinação desses parâmetros é dificultada pela forte interdependência
destes e por sua influencia no resultado final da operação. (MARQUES, 2005).
Outras desvantagens do processo MIG/MAG são:
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a) equipamentos de soldagem complexos, relativamente caros e menos portáteis;
b) utilização mais restrita em locais de difícil acesso, devido à maior complexidade
e dimensões dos equipamentos;
c) o arco deverá ser protegido das correntes de ar, para garantir a eficiência de
proteção realizada pelos gases empregados;
d) os altos níveis de radiação e calor gerado fazem com que o operador ponha
resistência à utilização deste processo. (AWS, 1991 apud, MIRANDA, 1999).
Dentre as variáveis que influenciam na soldagem MIG/MAG estão:
a) diâmetro do arame-eletrodo;
b) composição química do arame-eletrodo;
c) tipo de gás de proteção;
d) vazão do gás de proteção;
e) velocidade de alimentação do arame;
f) DBCP;
g) posicionamento da tocha em relação à peça;
h) corrente de soldagem;
i) tensão de soldagem;
j) velocidade de soldagem;
k) indutância da fonte;
l) técnica de manipulação da tocha.
As variáveis influenciam da seguinte forma:
Diâmetro do eletrodo: influencia na penetração e na taxa de deposição;
A composição química do arame-eletrodo: influencia nas propriedades mecânicas e
metalúrgicas.
O tipo de gás de proteção: Influenciam no modo de transferência do metal de solda
para a peça, nas propriedades mecânico/metalúrgicas da junta soldada, geometria e
18
aparência da junta soldada, estabilidade do arco e operacionalidade do processo.
(MACHADO, 1996)
Vazão do Gás de proteção: A vazão do gás de proteção influencia na qualidade do
metal de solda depositado, ela deve ser tal que proporcione uma proteção eficiente
contra a contaminação do arco e da solda pela atmosfera. Em geral, quanto maior a
corrente, maior a poça de fusão e a área a proteger e, portanto, maior a vazão
necessária. Vazões reduzidas podem levar ao aparecimento de porosidade e outros
problemas associados à falta de uma proteção eficiente, como perda de elementos de
liga e deterioração de propriedades. Vazões muito elevadas provocam a depreciação
da poça de fusão e tornar o cordão de solda irregular, além de aumentar o custo de
proteção. (MARQUES, 2005).
Velocidade de alimentação do arame: A velocidade de soldagem representa o
deslocamento do eletrodo no sentido do comprimento da solda na unidade de tempo.
A penetração é influenciada pela velocidade soldagem da seguinte forma: para
valores muito baixos de velocidade a quantidade de material depositado aumenta,
resultando numa poça de fusão com grande volume, fazendo com que o calor do arco
não atue diretamente no metal base, gerando um reforço grande e uma penetração
baixa. A partir desta condição, a penetração tende aumentar com o uso de
velocidades intermediárias e depois diminui com velocidades mais altas
(MIRANDA, 1999).
DBCP: Distancia do bico de contato a peça, quanto maior essa distância, menor é a
eficiência da proteção gasosa, maior o consumo de gás, maior a instabilidade do
arco.
Posicionamento da tocha em relação à peça: Considerando o plano 1 da
, a tocha pode assumir dois tipos de inclinação na soldagem MIG/MAG. A primeira,
correspondente ao ângulo α, é denominada de soldagem “puxando” que direciona a
tocha mais para poça de fusão proporcionando uma maior da taxa de transferência de
calor para a peça, aumentando a penetração para ângulos de até cerca de 25°, quando
depois começa a diminuir. A segunda, ângulo β, é denominada soldagem
“empurrando” direciona a tocha mais para o metal base (mais frio) proporcionando
uma redução na penetração e produzindo um cordão de solda mais largo e plano
(MACHADO, 1996; apud, PESSOA, 2009).
19
Figura 4. Soldagem puxando e empurrando.
Corrente de soldagem: A corrente de soldagem influencia fortemente a taxa de fusão
do arame-eletrodo, a largura, a penetração e o reforço do cordão de solda. Com todas
as outras variáveis do processo mantidas constantes um aumento na corrente
proporciona um aumento na taxa de deposição, na penetração e na largura do cordão
de solda. (MACHADO, 1996; MIRANDA, 1999; apud PESSOA, 2009).
Tensão de soldagem: Esta variável está diretamente relacionada com comprimento
do arco, ou seja, mantendo as demais variáveis constantes, um acréscimo na tensão
do arco resulta em aumento do comprimento do arco. No entanto, o mesmo
comprimento do arco, poderá estar relacionado com diferentes tensões, dependendo
da corrente, do gás de proteção e do comprimento do eletrodo. A tensão é a principal
variável na definição da largura do cordão de solda e em conjunto com a corrente
exerce influência direta no modo de transferência metálica. Uma diminuição na
tensão resulta em cordões com perfil estreito e mais abaulado. Um aumento tende a
ocasionar cordões mais planos com maior largura da zona de fusão (ASM, 1993b;
apud PESSOA, 2009).
Velocidade de soldagem: A velocidade de soldagem representa a taxa linear em que
o arco se move ao longo da junta de solda. Observa-se que a penetração, primeiro
aumenta e depois diminui com o aumento da velocidade de soldagem, sendo máxima
para velocidades intermediárias. Este comportamento acontece, pois quando a
20
velocidade é muito baixa, a quantidade de material depositado por unidade de
comprimento da solda aumenta, a poça de fusão fica com dimensões elevadas e o
calor do arco atua diretamente na poça e não no metal de base, fazendo com que a
penetração seja baixa. Porém quando a velocidade de soldagem é muito alta, a
quantidade de calor transferida por unidade de comprimento é reduzida e a
penetração também diminui. E por fim o uso de velocidades excessivas pode resultar
em mordeduras e falta de penetração ao longo do cordão de solda (ASM, 1993b;
apud PESSOA, 2009).
3.11.2 Transferência Metálica
O modo de transferência metálica para a poça de fusão é muito importante na
soldagem MIG/MAG, pois afeta muitas características do processo, como, por exemplo: a
instabilidade do arco, a quantidade de gases (principalmente hidrogênio, oxigênio e
nitrogênio) absorvida pelo metal fundido, a aplicabilidade do processo em determinadas
posições de soldagem e o nível de respingos gerados (MARQUES, 2005)
Basicamente, existem três tipos de transferência metálica no processo MIG/MAG:
transferência por curto-circuito, transferência globular e transferência goticular (“spray”).
A transferência por curto-circuito
Ocorre quando a gota ainda na ponta do eletrodo toca a poça de fusão, no momento
em que ocorre esse toque o arco se extingue e há um aumento súbito e controlado da corrente
e uma diminuição brusca da tensão, esse aumento da corrente faz com que forças
eletromagnéticas pressionem a gota de fusão, estragulando-a até o seu desprendimento (efeito
“pinch”), além dessas forças eletromagnéticas existem também forças devido à tensão
superficial e a gravidade, porém esta com menor intensidade, ao fim do curto-circuito o arco
se restabelece até que ocorra um novo curto. São utilizados baixos níveis de corrente e tensão
(comprimento do arco), apresenta uma poça de fusão de menor diâmetro, com intensidade de
energia mais baixa em relação aos demais, por isso é mais indicada para a soldagem de chapas
finas e fora da posição plana. Este modo de transferência caracteriza-se por uma grande
instabilidade do arco, podendo ocorrer à produção intensa de respingos, caso haja uma má
seleção de parâmetros (MOTTA, 2001).
Transferência globular
21
Caracteriza-se por valores intermediários de corrente e tensão, o diâmetro da gota é
maior que o diâmetro do eletrodo e a transferência metálica se da sem a ocorrência de curto-
circuito. A transferência se da principalmente devido à gravidade, por isso é caracterizada por
um nível de respingo relativamente elevado e limitado apenas a posição plana.
Transferência goticular (“spray”)
Caracteriza-se com o diâmetro da gota um pouco menor que o diâmetro do arame. Só
ocorre para determinados tipos de gases ou misturas de gases de proteção, apresenta arco
bastante estável e pouca quantidade de respingos.
Na transferência por “spray” as gotas metálicas sofrem a ação de várias forças de
origem eletromagnéticas, que se sobrepõem à ação da força gravitacional e, assim, em
principio seria aplicável em qualquer posição de soldagem. Entretanto, como esta
transferência só é possível para elevados níveis de corrente, sua soldagem fora da posição
plana pode ser problemática, devido ao tamanho elevado da poça de fusão, de difícil controle
(MOTTA, 2001).
3.11.3 Características estáticas das fontes
O processo MIG/MAG pode ser soldado com a fonte operando em dois modos
distintos: tensão constante e corrente constante, a qual ainda pode ser do tipo pulsada e
alternada.
Tensão constante
Para fontes que operam no modo tensão constante a tensão e a velocidade de
alimentação do arame são praticamente constantes durante toda a soldagem, isso é devido ao
auto-ajuste da fonte que é feito da seguinte forma, devido a imperfeições na junta soldada o
comprimento do arco (tensão) pode aumentar ou diminuir, se o comprimento do mesmo
aumentar e a velocidade de alimentação permanecer constante, então a fonte atua de forma a
diminuir a corrente e conseqüentemente a taxa de fusão do arame que com isso restabelece ao
comprimento inicial do arco, caso ocorra uma diminuição (diminuição da tensão), a fonte
agirá de maneira contraria a anterior, aumentará a corrente de soldagem até que o
comprimento inicial do arco volte ao valor inicial. Devido à rapidez entre essas mudanças, a
alteração no comprimento do arco não é muito acentuada, por isso esse modo de soldagem é
mais indicado para arames de pequeno diâmetro, pois à medida que o diâmetro do arame
22
aumenta, a velocidade de resposta da taxa de fusão passa a diminuir. Isso é chamado de
controle interno da fonte. (AWS, 1991 apud MIRANDA, 1999).
Corrente constante
Nesse modo de soldagem a corrente de soldagem permanece praticamente constante
em toda a soldagem, mesmo tendo ocorrido um aumento ou diminuição do comprimento do
arco, por isso é necessário um controle independente, atuando na velocidade de alimentação
do arame eletrodo com base na distância entre a ponta do eletrodo e o metal de base. Isto é o
chamado controle externo e funciona com um motor retro-alimentado por um sinal baseado na
referida distância, de forma a se ter o ajuste da velocidade de alimentação do arame eletrodo
quase instantânea. Este controle funciona bem independente do diâmetro do arame eletrodo,
porém seu custo é mais elevado. As fontes de soldagem para o processo MIG/MAG são na
sua maioria de tensão constante (controle interno), já que os arames eletrodos são
normalmente de pequenos diâmetros (AWS, 1991 apud MIRANDA, 1999).
3.11.4 Corrente pulsada
A corrente pulsada caracteriza-se pela pulsação da corrente em dois patamares, um
nível mais baixo, denominado corrente de base e outro nível mais alto, denominado corrente
de pico. No nível mais baixo, durante um intervalo de tempo denominado tempo de base, o
nível de corrente é suficiente apenas para deixar o arco aberto sem que ocorra transferência do
eletrodo para a peça. No nível mais elevado, durante um intervalo de tempo denominado
tempo de pico é onde ocorre a transferência do arame para a peça. A magnitude desses pulsos
e sua freqüência controlam o nível de energia do arco e, conseqüentemente da taxa de fusão.
A Figura 5 mostra o formato de onda para correntes pulsadas.
23
Figura 5. Formato da onda de corrente pulsada (PESSOA, 2007).
A corrente pulsada tem como objetivo a obtenção de transferência metálica do tipo
goticular (“spray”), mas com valores de corrente média inferiores a utilizadas para correntes
de transição, e devido a utilização de níveis mais baixos de corrente, pode ser usada para a
soldagem de chapas finas e fora da posição plana.
As vantagens de se utilizar corrente pulsada são: redução de salpicos em relação a
transferência por curto-circuito; melhoria no controle da transferência metálica, uma vez que
o tamanho da gota e o sua freqüência de destacamento são comandados pela pulsação da
corrente; obtenção de transferência metálica semelhantes a goticular (“spray”), com arco
estável, porém com níveis mais baixos de aporte térmico. Entretanto por apresentar uma
maior quantidade de variáveis o processo MIG/MAG pulsado exige o controle mais rigoroso
do ajuste desses parâmetros, tornando a obtenção dos mesmos uma tarefa que exige muito
tempo e muitas vezes o método da tentativa e erro é utilizado (KIM & EDGAR, 1993 b,
SUBRAMANIAM et al, 1993 ; PRAVEEN et al, 2006 , apud PESSOA 2007).
Segundo Amin (1983a, 1983b), apud Motta (2002) em seus trabalhos diz que a
previsão dos parâmetros de pulso é baseada em três requisitos principais:
O tipo de transferência metálica deve ser similar ao goticular (“spray”), porém em
baixas velocidades de alimentação de arame.
24
A velocidade de alimentação deve ser tal que fique balanceada com a taxa de fusão, de
tal forma que, o comprimento de arco seja mantido constante.
A corrente de base deve exceder um valor mínimo, para que se obtenha um arco
estável, abaixo desse valor, o arco tende a se extinguir.
Para atender a transferência metálica do tipo goticular, proposto por Amin (1983a;
1983b), apud Motta (2002), uma corrente de pulso deve ser aplicada ao arame por um
determinado tempo para promover o destacamento de uma gota. Os parâmetros de base (Ib e
tb), e, portanto, a corrente média de soldagem (Im), têm pouca influência sobre o
destacamento na soldagem com corrente pulsada (ALLUM, 1983 apud MOTTA, 2002).
Muitos autores admitem que o melhor controle da transferência metálica seja obtido
com o destacamento de uma gota, com diâmetro próximo ao do eletrodo, a cada pulso da
corrente (NIXON & NORRISH, 1988; LARSEN, 1990 apud MOTTA, 2002).
Alguns autores verificaram que uma gota é destacada a cada pulso de corrente, se:
I p ∙ t pn=D Equação 2
Sendo: “n” um valor próximo de 2 e, “D” é uma constante denominada de parâmetro
de destacamento para um diâmetro de gota específico. Essa relação entre Ip e tp é
determinada experimentalmente e tem a forma das curvas da Figura 6.
Figura 6. Região de uma gota por pulso (MAMANI, 1996 apud MIRANDA, 2001).
25
A Figura 6 mostra as regiões onde é possível se obter a característica de UGPP
(região Hachurada), menos de UGPP a esquerda no gráfico e mais de UGPP a direita do
gráfico.
Rajasekaran (1998) apud Motta, (2002) em seu estudo sobre o destacamento da gota
e características de fusão do metal de base no MIG/MAG pulsado, afirma que a condição que
combina altos níveis de Ip com baixos níveis de tp proporciona uma transferência metálica
estável e arco também estável quando comparada com a condição de baixos valores de Ip com
altos tp.
Subramaniam et al (1998) apud Motta (2002) constatou que quando a gota é
destacada no período de pulso ocasiona maior penetração, sendo assim mais indicado para
soldagem de peças mais espessas. Ainda segundo o autor, o destacamento no período de base
proporciona a redução de respingos.
Uma transferência metálica estável é obtida quando gotas de dimensões próximas à do
eletrodo são projetadas a uma freqüência constante, da ponta do eletrodo para a peça. Isso é
conseguindo através da taxa de fusão do arame e velocidade de alimentação praticamente
constante sem que aja variação do comprimento do arco.
Para uma condição estável na soldagem com corrente pulsada é necessário que a
corrente de base esteja acima de um valor mínimo, para que o arco se mantenha acesso,
durante o intervalo de tempo em que a corrente se encontra nessa intensidade. Em aplicações
práticas de soldagem, Amin (1983) apud Motta (2002) recomenda-se uma corrente de 15A
para esse valor mínimo.
3.11.5 Técnicas de identificação do modo de transferência metálica.
Muitas técnicas são utilizadas para se detectar o modo de transferência, uma delas é
através da analise dos oscilogramas de tensão e corrente. De acordo com essa técnica, o
destacamento da gota gera uma pequena perturbação no sinal da tensão, provavelmente
devido à estricção (empescoçamento) da gota antes da separação (BÁLSAMO, et al 2000;
PRAVEEN & YARLAGADDA, 2005; apud MOTTA, 2002). Esses instantes são
identificados por pequenos aumentos no sinal de tensão (de intensidade variando entre 0,5 e
2V), conseqüentes do desprendimento da gota aderida à ponta do eletrodo (MOTTA, 2002).
26
Outra técnica é a filmagem em alta velocidade. Esta técnica utiliza uma câmera capaz
de capturar uma grande quantidade de imagem em um curto intervalo de tempo (1000 a 10000
quadros por segundo). Esta técnica permite, por meio de sincronização dos sinais de tensão e
corrente com as imagens gravadas da câmera, determinar o instante do destacamento e
também o diâmetro da gota (PESSOA, 2007).
3.11.6 Corrente Alternada
Na soldagem em corrente alternada, a corrente oscila entre as polaridades positiva e
negativa e em cada meio ciclo ocorre à extinção momentânea do arco (no instante em que a
corrente passa pelo zero).
Para corrente alternada com o formato da onda senoidal, na qual a dinâmica da
corrente é bastante lenta, a estabilidade do processo é prejudicada, pois a cada meio ciclo o
arco extingue-se e a reignição do arco é dificultada (AWS, 1991). Para solucionar problemas
de reignição do arco quando a corrente passa pelo zero pode-se aplicar uma tensão de
reignição do arco após as transições de polaridade (FARIAS, 1985). Entretanto, a aplicação
de altos pulsos de tensão pode causar problemas relativos à segurança operacional (PESSOA,
2007).
3.12 Método Taguchi / Projeto Robusto
Este método visa determinar as variáveis (denominadas de fatores) que mais
influenciam a variabilidade do processo ou produto. O controle destes fatores garante a
qualidade do processo/produto (menor variabilidade), além da otimização do seu
desempenho. O método Taguchi pertence a uma classe de abordagens que assegura a
qualidade através do projeto, neste caso através da identificação e controle de variáveis
críticas (ou ruídos) que fazem ocorrer desvios na qualidade do produto ou processo (VIEIRA,
1996, apud PESSOA, 2009).
A técnica denominada projeto robusto, desenvolvida por Taguchi, é uma ferramenta
poderosa na otimização de produtos ou processos e pode ser definida como um conjunto de
conceitos, estratégias e métodos que utiliza o conhecimento existente de engenharia para
realizar os seguintes benefícios (ROSS, 1991, apud PESSOA, 2009):
melhoria da Qualidade;
minimização do custo;
minimização do tempo de desenvolvimento.
27
Estes benefícios são obtidos através da determinação e controle das variáveis
(chamadas de fatores de controle).
3.12.1 Desenvolvimento do Projeto Robusto
Os níveis (valores) de fatores controláveis (parâmetros do projeto) são selecionados
para minimizar os efeitos de fatores perturbadores nas características funcionais do produto,
ou seja, determinam-se os níveis dos diferentes parâmetros que proporcionam ao produto as
suas qualidades funcionais e que minimizam a perda de qualidade. Em outras palavras,
procura-se estabelecer os níveis dos parâmetros do produto de modo que a característica de
qualidade deste torne-se insensível ou robusta às fontes de variação (fatores de ruído),
mantendo o valor médio da resposta sobre o valor objetivo de maneira consistente, obtendo
alto desempenho e baixo custo, simultaneamente (ROSS, 1991; VIEIRA, 1996, apud
PESSOA, 2009)
3.12.2 Projeto dos parâmetros
A resposta do produto considerada para o propósito de otimização em um
delineamento de experimento robusto é chamada de característica de qualidade. Vários
parâmetros podem influenciar a característica de qualidade ou resposta do produto. Estes
parâmetros classificam-se dentro das seguintes três classes (note que a palavra parâmetro
equivale à palavra fator na literatura de Projeto Robusto):
Fatores de sinal (M): Este é o grupo de parâmetros para o usuário ou operador expressar o
valor pretendido para a resposta do produto. Os fatores de sinal são selecionados pelo
engenheiro de projeto baseado no conhecimento da engenharia do produto que está se
desenvolvendo (GOMES, 2006, apud PESSOA 2009).
Fatores de ruído (X): Certos parâmetros não podem ser controlados pelo projetista, sendo
estes parâmetros chamados de fatores de ruído (GOMES, 2006, apud PESSOA, 2009).
Fatores de controle (Z): Estes são parâmetros que o projetista pode especificar livremente.
De fato, é responsabilidade do projetista determinar o melhor valor destes parâmetros. Cada
fator de controle pode ter múltiplos valores, chamados níveis. Quando se muda os níveis de
certos fatores de controle, o custo de fabricação não muda (GOMES, 2006, apud PESSOA,
2009).
28
Identificar respostas importantes, fatores de sinal, fatores de ruído e fatores de
controle em um projeto específico são questões importantes. Em um delineamento de Projeto
Robusto é também importante reconhecer quais fatores de controle mudam o custo de
fabricação. A melhor situação, dos parâmetros que não afetam o custo de fabricação, é
determinada através do projeto do parâmetro (GOMES, 2006, apud PESSOA, 2009).
3.12.3 Razão Sinal/Ruído
É a função objetiva () empregada no Método Taguchi. O uso da razão S/R tem a
vantagem de que, uma vez obtido o melhor ajuste que minimize a sensibilidade ao ruído para
um dado valor médio de um parâmetro estudado, esse ajuste também é válido para outro valor
médio deste parâmetro.
a) Sinal/ Ruído
Os parâmetros de controle que contribuem na redução de variação (aprimoramento
da qualidade) podem ser rapidamente identificados observando o quanto de variação aparece
como resposta. A metodologia Taguchi idealiza uma transformação dos dados da repetição
em outro valor, que representa a variação da medição existente. Designa-se a transformação
como relação sinal-ruído (S/R) ou função objetiva. A função objetiva para ser maximizada,
nas resoluções dos problemas estatísticos de projeto de processo/produto, tem que ser
escolhida corretamente. As diversas relações S/R disponíveis, de acordo com o tipo de
característica são:
Menor é melhor;
Maior é melhor;
Nominal é melhor.
Cada característica tem a equação específica para o cálculo de (ROSS, 1991, apud
PESSOA, 2009). Como serão mostradas a seguir:
Problemas do tipo menor é o melhor:
Usado quando se deseja minimizar os resultados. Como exemplo de menor é melhor
pode-se citar o número de defeitos de uma peça, os índices de convexidade, a diluição e
número de respingos durante uma soldagem. O h neste caso é dado pela Equação 3 (ROSS,
1991, apud PESSOA, 2009).
29
η=−10 log10( 1ni
×∑i=1
n
y i2) Equação 3
Onde:
ni = número de repetições num ensaio (número de repetições independente dos níveis de
ruído)
yi é a característica da qualidade (resposta observada).
Problemas do tipo maior é o melhor:
Usado quando se deseja maximizar os resultados. Como exemplo de aplicação da
função maior é melhor pode-se citar o rendimento de um equipamento, as taxas de fusão e
deposição e a qualidade do cordão de solda na soldagem. Assim, os níveis ótimos das
variáveis de influência são aqueles que maximizam o h apropriado para cada análise
estatística específica. O valor de h é determinado neste caso pela Equação 4 (ROSS, 1991
apud PESSOA, 2009).
η=−10 log10( 1ni
×∑i=1
n1y i
2 ) Equação 4
Onde:
ni = número de repetições num ensaio (número de repetições independente dos níveis de
ruído)
yi é a característica da qualidade (resposta observada).
Problemas do tipo nominal é o melhor:
Usado quando se deseja obter um valor desejado dentre os resultados. Este tipo de
problema é freqüentemente encontrado na engenharia, onde se deseja, por exemplo, obter a
dimensão específica de um componente com certa tolerância. A função objetiva a ser
maximizada para estes problemas é dada pela Equação 5 (ROSS, 1991, apud PESSOA, 2009).
η=10 log10μ2
σ2 Equação 5
Com:
30
μ= 1ni∑i=1
ni
y i e σ=[ 1n i−1
x∑i=1
ni
( y i−μ )2]Onde temos:
ni = número de repetições num ensaio (número de repetições independente dos níveis de
ruído)
yi é a característica da qualidade (resposta observada).
b) Parâmetros de controle e de ruído
A Metodologia Taguchi distingue os parâmetros em dois grupos principais:
parâmetros de controle e de ruído. Parâmetros de controle são aqueles estabelecidos pelo
fabricante e que não podem ser diretamente modificados pelo consumidor. Os parâmetros de
ruído são aqueles sobre os quais o fabricante não possui controle direto, mas que variam de
acordo com o ambiente e hábito do consumidor. Parâmetros de ruído podem ser classificados
em três categorias (GOMES, 2006 apud PESSOA, 2009):
Ruídos externos são aqueles relacionados aos fatores ambientais como temperatura
ambiente, umidade, pressão ou pessoas. Ruídos externos provocam variações externamente ao
produto;
Ruídos internos estão relacionados com a função e com o tempo, tais como deterioração,
desgaste, desaparecimento gradual da cor, encolhimento e resseca mento; ruídos internos
causam variação no interior do produto;
Ruído do produto manifesta-se como variação de peça para peça. São ocasionados durante
a fabricação, mudando uma determinada característica entre dois ou mais produtos.
3.12.4 Arranjo ortogonal
O arranjo ortogonal (AO) facilita e reduz o número de experimentos. As colunas da
matriz representam os fatores a serem estudados e as linhas os experimentos que serão
realizados. Na matriz ortogonal, colunas podem ser deixadas vazias (que correspondem às
variáveis a serem estudadas) sem prejuízo na análise. Linhas vazias, que corresponde deixar
de realizar algum experimento, prejudica a ortogonalidade e compromete a análise e a
confiabilidade dos experimentos (VIEIRA, 1996 apud PESSOA, 2009).
A escolha adequada da matriz ortogonal empregada deverá obedecer algumas
exigências. Essas exigências envolvem as seguintes determinações:
31
do número de fatores a serem estudados;
do número de níveis para cada fator;
das possíveis interações a serem estimadas;
das dificuldades na execução dos experimentos.
As três primeiras observações estão relacionadas com os graus de liberdade
associados. Os graus de liberdade são definidos como o número total de comparações
independentes que podem ser realizadas dentro de um conjunto de dados. O número de graus
de liberdade para um fator é igual ao número de níveis menos um (no de níveis - 1). O número
de graus de liberdade para uma interação entre dois fatores é igual ao produto entre o número
de graus de liberdade de cada fator (MCCONNELL & MCPHERSON, 1997).
O número na designação do arranjo indica o número de graus de ensaios contidos no
mesmo, sendo o número de graus de liberdade disponíveis num certo arranjo equivalente ao
número de ensaios menos um (o arranjo L8 possui 7 graus de liberdade disponíveis) (ROSS,
1991 apud PESSOA, 2009). Um exemplo de matriz ortogonal é ilustrado na Tabela.
Tabela - Matriz ortogonal L8.
Projeto Robusto
Experimento 1 2 3 4 5 6 7
1 1 1 1 1 1 1 1
2 1 1 1 2 2 2 2
3 1 2 2 1 1 2 2
4 1 2 2 2 2 1 1
5 2 1 2 1 2 1 2
6 2 1 2 2 1 2 1
7 2 2 1 1 2 2 1
8 2 2 1 2 1 1 2
O número à esquerda de cada fila é chamado de número do experimento ou número
da distribuição, e vai de 1 a 8. Os alinhamentos verticais são chamados de colunas do arranjo
ortogonal, e todas as colunas contêm quatro vezes os numerais 1 e 2. Quando cada uma das
duas colunas consiste de numerais 1 e 2 e as quatro combinações (11), (12), (21) e (22)
aparecem com a mesma freqüência, diz-se que estas duas colunas estão balanceadas ou são
ortogonais. Existem outros arranjos ortogonais como o arranjo ortogonal L8. Entre os arranjos
32
ortogonais mais freqüentemente usados estão o L9, L16, L18, L27e L32. Para os propósitos
deste trabalho foi utilizado o arranjo ortogonal L18.
3.12.5 Experimentação e análise
A metodologia do projeto robusto permite ao engenheiro gerar as informações
necessárias para tomar decisões com pouco esforço experimental. O mensuramento da
qualidade durante o projeto e desenvolvimento e a experimentação eficiente para encontrar
informações confiáveis sobre os parâmetros de projeto são duas importantes questões para
serem desenvolvidas no projeto robusto (VIEIRA, 1996 apud PESSOA, 2009).
Objetivo/ meta do experimento:
Procura-se nesta etapa determinar os fatores mais importantes que afetam as
características da qualidade (ou respostas) e conseqüentemente reduzir a variabilidade nas
respostas.
Seleção das características de qualidade:
Identificado o objetivo do experimento, nesta etapa são selecionadas as respostas
apropriadas para o experimento. As respostas de interesse mostram as características que se
quer obter do produto/processo analisado.
Identificação dos fatores de controle e S/R:
Seleção de fatores que podem influenciar as características da qualidade bem como a
seleção dos níveis dos fatores. Fatores de controle são aqueles que podem ser controlados sob
condições normais de produção. Seleção de fatores ruídos. Fatores ruídos são aqueles que
causam variação no desempenho funcional do produto/processo. Seleção de fator sinal. Fator
sinal é aquele que afeta somente a média do processo/produto
Escolha do arranjo ortogonal (AO):
Seleção apropriada do AO de acordo com o número de fatores e seus níveis que
encaixe perfeitamente com o pretendido para o estudo, com economia de tempo, trabalho e
número de ensaios.
Preparação experimental:
Nesta etapa são elaboradas as matrizes de projeto codificadas e descodificadas para o
experimento e análise dos resultados respectivamente.
Análise estatística e interpretação dos resultados:
33
Na metodologia Taguchi o objetivo sempre é reduzir a variabilidade nas respostas. O
S/R é uma medida do desempenho da variabilidade do produto/ processo na presença dos
fatores ruídos. A idéia é maximizar o S/R e, desse modo, minimizar os efeitos dos fatores
ruídos.
Confirmação experimental:
Alguns ensaios são feitos para a condição ótima e comparados com os resultados
previstos por Taguchi, para concluir se são satisfatórios e válidos.
Para a determinação do intervalo de confiança para o η previsto devem-se seguir os
seguintes passos:
1° Passo: Determinação da variância de erro (σ2e) dado pela Equação 6
σ e2=SQE
gle
Equação 6
Onde:
SQE = soma dos quadrados devido ao erro;
gle = graus de liberdade associados ao erro.
2° Passo: Determinação da variância do erro de previsão pela
A variância do erro de previsão é a diferença entre η do experimento e o ηot previsto,
a qual é composta por duas parcelas. A primeira parcela denominada “erro de repetição dos
experimentos” é o erro associado ao número de repetições para cada condição (cada linha da
matriz ortogonal) enquanto que a segunda parcela denominada de “ erro na previsão de ηot é o
que está associado ao numero de experimentos empregados (tamanho da amostra) para
determinação de ηot e da variância do erro.
σ prev2 =( 1
nr) . σe
2+( 1n0
) .σ e2
Equação 7
Onde:
34
ηot = valor obtido para η, quando se utiliza os níveis dos fatores de controle previstos para minimizar o critério de qualidade.
nr = numero de repetições para cada condição;
1/n0 = tamanho equivalente da amostra para estimação de ηot obtido pela Equação 8.
1n0
=1n+( 1
nA1
−1n )+( 1
nB3
−1n )+….
Equação 8
Onde:
n é o numero total de experimentos da matriz ortogonal (número de linhas);
nA1 é o numero de repetições do nível A1 dentro de sua coluna na matriz ortogonal;
nB3 é o numero de repetições do nível B3 dentro de usa coluna na matriz ortogonal;
3° Passo: Determinação do desvio padrão associado à previsão ηot (σprev) obtido pela
Equação 9.
σ prev=√σ prev2
3° Passo: Determinação do desvio padrão associado àprevisão ηot (σprev) obtido pela Equação 9
4° Passo: Determinação do intervalo de confiança associado à previsão de ηot
fornecido pela Equação 10.
IC=± 2 . σ prev4° Passo: Determinação do intervalo de confiança
associado à previsão de ηot fornecido pela Equação 10
5° Passo: Determinação do intervalo de confiança com base no ηot fornecido pela
Equação 11
ηmin ≤η ± ≤ ηmax 5° Passo: Determinação do intervalo de
confiança com base no ηot fornecido pela
Equação 11
6° Passo: Determinação do intervalo admissível para o critério de qualidade calculado
através da Equação 12 e da Equação 13
Para calcular os valores máximos e mínimos do intervalo admissível para os critérios
de qualidade utiliza-se a 6° Passo: Determinação do intervalo admissível para o critério de
qualidade calculado através da apresentada abaixo, a qual foi desenvolvida a partir da
Equação 4.
35
y i=√ni . (10−η /10 )Equação 13
Assim temos que o intervalo admissível para um critério de qualidade qualquer é
dado pela e da Equação 13.
ymin≤ y ≤ ymax Equação 13
Onde:
y = É o critério de qualidade que se deseja calcular.
ymin = É o valor para o critério de qualidade calculado utilizando o valor do ηmin no lugar de η 6° Passo: Determinação do intervalo admissível para o critério de qualidade calculado atravésda Equação 12.
ymax = É o valor para o critério de qualidade calculado utilizando o valor do ηmax no lugar de η 6° Passo: Determinação do intervalo admissível para o critério de qualidade calculado atravésda Equação 12.
CAPÍTULO IV
36
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capitulo serão apresentados e descritos todos os procedimentos experimentais
empregados nos ensaios, bem como os equipamentos, acessórios e os materiais de consumo
utilizados. O objetivo deste capítulo é reunir as informações necessárias de forma que seja
possível a compreensão e reprodução dos ensaios.
4.1 Materiais de consumo
Os materiais de consumo empregados neste trabalho estão agrupados em três
categorias: corpos de prova, arame eletrodo e gás de proteção.
4.1.1 Corpos de prova
Tanto para os ensaios preliminares quanto para os ensaios definitivos, foram
utilizadas chapas de aço ASTM A36. A Tabela 1 mostra a composição química do aço
segundo o fabricante.
Tabela 1. Composição química (% em peso) dos corpos de prova segundo o fabricante.
ASTM A36
Composição em peso %
C Mn P S
0,18 –
0,230,30 – 0,60 0,030 máx. 0,050 máx
4.1.2 Arame eletrodo.
Foi utilizado como metal de adição o arame eletrodo ER - 317L de 1,2 mm de
diâmetro. A Tabela 2 mostra a composição química do arame segundo o fabricante.
Tabela 2. Composição química do arame eletrodo ER – 317L, segundo o fabricante.
ER – 317L
Composição em peso %
C Si Mn Cr Ni Mo N
0,02 0,4 5,5 19 17,2 4,3 0,16
37
4.1.3 Gás de proteção
Foi utilizado como gás de proteção, uma mistura gasosa contendo 70% de argônio e
30% de Hélio (70% Ar + 30% He).
4.2 Equipamentos e acessórios
A descrição dos equipamentos e acessórios empregados neste trabalho tem como
objetivo informar as características de cada dispositivo empregado e sua aplicação.
4.2.1 Equipamentos empregados nas soldagens
Serão apresentadas a seguir as características operacionais dos equipamentos utilizados na
realização das soldagens (
).
Figura 7. Bancada experimental. 1) Robô industrial para deslocamento automático da tocha de
soldagem, 2) Fonte de soldagem eletrônica multiprocesso com corrente máxima de 550ª, 3)
Sistema de aquisição de dados, para adquirir os sinais de tensão e corrente, operando na
freqüência de 9600 Hz, 4) Um medidor de velocidade de alimentação – Valim, 5) Mesa de
trabalho.
38
4.3 Equipamentos para preparação metalográfica
A seguir são descritos os equipamentos utilizados para preparação dos corpos de
prova soldados, para análise metalográfica.
a) Cortadeira.
b) Lixadeira e politriz.
c) Máquina fotográfica digital.
d) Régua metálica graduada.
4.4 Metodologia
A fase experimental foi dividida em três etapas:
1. Estudo exploratório a fim de encontrar faixas de parâmetros de soldagem no modo
corrente constante pulsada, que resultasse em uma soldagem com transferência do tipo
goticular (“spray”), estável e cordões com bom aspecto superficial, esta etapa foi
nomeada de “Ensaios preliminares”.
2. Soldagem dos corpos de prova com os melhores parâmetros selecionados na etapa de
exploração de parâmetros, esta etapa nomeada de “Ensaios definitivos”.
3. Soldagem dos corpos de prova para confirmação dos resultados com base nos
resultados dos ensaios definitivos, esta etapa foi nomeada de “Soldagem de
confirmação”.
4.4.1 Etapa 1 – Ensaios preliminares
Esta etapa consistiu na realização de ensaios exploratórios. Os parâmetros utilizados
nessa etapa foram retirados de uma tese de doutorado, que está sendo realizada no Laboratório
de soldagem da UFC (ENGESOLDA) para soldagem de revestimento utilizando ligas de
níquel. Por se tratar de ligas de composição química diferentes, portanto propriedades físicas
diferentes foram-se necessários os ajustes das velocidades de soldagem, a fim de obter um
arco estável sem a ocorrência de curto-circuito
4.4.2 Etapa 2 – Ensaios definitivos
Esta etapa foi dividida em cinco sub - etapas.
39
Planejamento experimental: escolha dos fatores de controle e de seus níveis
Seleção das variáveis resposta
Realização das soldagens
Preparação metalográfica e medição das características geométricas e diluição
Realização dos testes de confirmação
Planejamento experimental
Optou-se pelo uso do método Taguchi, que é o método estatístico, que tem a
finalidade de reduzir o número de experimentos sem perder a confiabilidade dos resultados.
Se fosse utilizado um fatorial completo seriam necessários um número elevados de
ensaios para avaliar a influência de todos os fatores de controle e seus níveis.
Sendo assim, escolheram-se os fatores de controle e seus níveis para a elaboração da
planinha de soldagem. Optou-se por utilizar a matriz ortogonal L18, pois com ela permite
avaliar até oito fatores de controle, com dois níveis para o fator A e três níveis para os demais
fatores. Com isso foram definidos os fatores de controle e seus respectivos níveis.
Técnica de energia
Considerando-se que a mesma energia de soldagem (E) pode ser obtida com
diferentes combinações de tensão (U), corrente (I) e velocidade de soldagem (Vs), como
mostra a Equação 14, para uma mesma energia de soldagem. Buscou-se avaliar o efeito
individual da velocidade e corrente de soldagem na diluição, no reforço e na razão R/L.
Foram utilizados três níveis de energia (5,6 kJ/cm, 8,5 kJ/cm e 12 kJ/cm). Cada nível pode ser
obtido por 2 combinações de corrente e velocidade de soldagem, como mostra a Tabela 3.
Desta forma, definiu-se a técnica de energia Tipo I como sendo aquela onde a corrente varia e
a velocidade de soldagem é constante (com valor intermediário V2) e a técnica Tipo V, aquela
em que a velocidade de soldagem varia e a corrente eficaz é constante (com valor
intermediário I2).
E=U × IVs
Equação
14
40
Tabela 3. Combinações de corrente e velocidade de soldagem para os três níveis de energia
E1, E2 e E3.
Tipo de energiaNíveis de energia
E1 E2 E3
I I1/V2 I2/V2 I3/V2
V I2/V1 I2/V2 I2/V3
Técnica da tocha
O ângulo com que o arco voltaico incide na poça de fusão pode influenciar na
penetração, na diluição e na microestrutura do metal de solda (MACHADO, 1996; SCOTTI e
PONOMAREV, 2008). Para avaliar este efeito, foi definido o fator de controle técnica da
tocha, que corresponde ao ângulo de inclinação da tocha em relação a um eixo perpendicular
ao corpo de prova, contido num plano vertical que passa pelo eixo longitudinal do corpo de
prova. Para avaliar o seu efeito foram adotados três níveis para esta técnica, sendo: tocha com
uma inclinação de 0º, tocha com inclinação de 15º empurrando e tocha com inclinação de 15º
puxando. A Figura 8 mostra as três posições adotadas neste trabalho.
Figura 8. Posições da tocha.
41
Tipo de tecimento
Para avaliar o efeito do tecimento sobre as variáveis resposta, escolheu-se três níveis
para este fator de controle: soldagem com tecimento triangular (Figura 9), soldagem com
tecimento duplo oito (Figura 10) e soldagem sem tecimento.
Figura 9. Tecimento triangular.
Figura 10. Tecimento em duplo oito.
Forma de onda
Visando avaliar o efeito da forma de onda nas variáveis resposta, usou-se os
seguintes modos de pulsação: simples (Figura 11) com uma corrente de pico alta e com uma
corrente de pico baixa e pulsação com degrau com corrente de pico média (Figura 12).
Figura 11. Forma de onda da corrente pulsada simples.
42
Figura 12. Forma de onda da corrente pulsada com degrau.
Energia de soldagem
Definiu-se três níveis de energia de soldagem, sendo: um baixo (5,6 kJ/cm), um
médio (8,5 kJ/cm) e alto (12 kJ/cm) para isso definiu-se a energia de soldagem para avaliar o
seu efeito nas características geométricas e diluição.
Escolha da matriz experimental - ortogonal L18 (método Taguchi)
A matriz ortogonal selecionada para o experimento (Tabela 4) foi a L18 que permite
avaliar até oito fatores de controle, com dois níveis para o fator A e três níveis para os demais
fatores. Os fatores de controle e seus níveis foram escolhidos com base em que todos eles
podem influenciar significativamente as características finais do cordão de solda.
Tabela 4. Matriz ortogonal L18.
Ensaios
Fatores de Controle
Técnica de
Energia
Técnica
da Tocha
Tipo de
Tecimento
Forma de
Onda Energia
1 1 1 1 1 1
2 1 1 2 2 2
3 1 1 3 3 3
4 1 2 1 1 2
5 1 2 2 2 3
6 1 2 3 3 1
43
7 1 3 1 2 1
8 1 3 2 3 2
9 1 3 3 1 3
10 2 1 1 3 3
11 2 1 2 1 1
12 2 1 3 2 2
13 2 2 1 2 3
14 2 2 2 3 1
15 2 2 3 1 2
16 2 3 1 3 2
17 2 3 2 1 3
18 2 3 3 2 1
Parâmetros de soldagem
Foi montada uma planilha L18 (Tabela 5) com os parâmetros de soldagem utilizados
nos ensaios preliminares.
Tabela 5. Planilha L18 com os parâmetros de soldagem utilizados nos ensaios exploratórios.
EnsaioTE
TT
TC
FO
EI/Vs
IpVs/Ief
Ief Im Ip tpIpb
tpb
Ib tb E U Vs FpValim
1 1 1 1 1 1 I1 Alto 0,4 149,8 96,4380
1,8
0 0 50 11 5,625
0,4
78,1 3,5
2 1 1 2 2 2 I2 Baixo 0,4 195,4 174,1280
2,8
0 0100
4 8,529
0,4
147,1
6,1
3 1 1 3 3 3 I3Médi
o0,4 250,4 231
320
3,8
180
1,5100
2 1232
0,4
137 9,1
4 1 2 1 1 2 I2 Alto 0,4 194,8 158,2380
2,1
0 0100
8 8,529
0,4
99 6,1
5 1 2 2 2 3 I3 Baixo 0,4 248,9 245,7280
4 0 0200
311,9
32
0,4
142,9
9,1
6 1 2 3 3 1 I1Médi
o0,4 148,7 108,7
320
2140
1,5 50 8 5,625
0,4
87 3,5
7 1 3 1 2 1 I1 Baixo 0,4 148,9 109,6280
2,8
0 0 50 8 5,625
0,4
92,6 3,5
8 1 3 2 3 2 I2Médi
o0,4 198,2 174,5
320
3180
2100
6 8,629
0,4
90,9 6,1
9 1 3 3 1 3 I3 Alto 0,4 252,5 212380
3 0 0100
4,5
12,1
32
0,4
133,3
9,1
10 2 1 1 3 3 V1Médi
o195 195,2 170
320
3,2
140
2100
612,1
29
0,3
89,3 6,1
44
11 2 1 2 1 1 V3 Alto 195 196,8 134,3380
2,4
0 0 50 7 5,729
0,6
106,4
6,1
12 2 1 3 2 2 V2 Baixo 195 195,4 174,1280
2,8
0 0100
4 8,529
0,4
147,1
6,1
13 2 2 1 2 3 V1 Baixo 195 195,4 174,1280
2,8
0 0100
412,1
29
0,3
147,1
6,1
14 2 2 2 3 1 V3Médi
o195 195 170,9
320
3160
2100
6 5,729
0,6
90,9 6,1
15 2 2 3 1 2 V2 Alto 195 194,8 158,2380
2,1
0 0100
8 8,529
0,4
99 6,1
16 2 3 1 3 2 V2Médi
o195 194,7 170,8
320
3,2
180
2100
7 8,529
0,4
82 6,1
17 2 3 2 1 3 V1 Alto 195 193,1 130,9380
2,6
0 0 50 8 1229
0,3
94,3 6,1
18 2 3 3 2 1 V3 Baixo 195 195,9 174,6280
3,4
0 0100
4,8
5,729
0,6
122 6,1
Legenda: TE: técnica de energia (TE 1-velocidade de soldagem constante, TE 2-corrente
constante); TT: técnica tocha (TT 1-0º vertical, TT 2-15º empurrando, TT 3-15º puxando);
TC: tipo de tecimento (TC 1-sem tecimento, TC 2-tecimento triangular, TC 3-tecimento em
duplo oito); FO: forma de onda (FO 1-pulsada com a corrente de pico alta, FO 2-pulsada
com a corrente de pico baixa, FO 3-pulsada com degrau e corrente de pico média); E:
energia de soldagem (E1-energia baixa, E2-energia média, E3-energia alta).
Variáveis respostas (critérios de qualidade)
As variáveis adotadas como critério de qualidade para julgar se a combinação dos
níveis dos fatores de controle são aceitáveis foram:
Razão reforço-largura (R/L)
Razões reforço/largura altas proporcionam concentrações de tensão no pé do cordão
de solda, bem como favorece a ocorrência de defeitos como a falta de fusão, que são
indesejáveis na soldagem de revestimento. Esse critério é do tipo menor é melhor.
Diluição
Umas das aplicações da soldagem de revestimento é a proteção contra corrosão, por
isso é importante controlar a participação do metal de base na composição do metal de solda
(diluição elevada prejudica a resistência a corrosão do revestimento). Esse critério é do tipo
menor é melhor.
Reforço
45
Com relação ao reforço, dependendo do tipo de equipamento, é exigida uma
espessura mínima para o revestimento. Com base no exposto, a função objetiva adotada
(relação sinal/ruído) é do tipo quanto maior melhor.
Realização das soldagens
As soldagens foram realizadas na posição plana por simples deposição, sobre chapas
de aço carbono ASTM A36 com dimensões de 200 x 50 x 6 mm, com eletrodo na polaridade
positiva, uma DBCP de 20mm e uma vazão de gás de proteção de 25 L/mim.
Preparação metalográfica e medição das características geométricas e diluição
Para a medição e a caracterização das características geométricas e da diluição de
cada cordão, foram retirados duas amostras de 10mm de comprimento, uma se deu a 30mm
do inicio do cordão e a outra amostra se deu 30mm do final do cordão de solda.
As amostras após cortadas foram lixadas (da granulação 100 até a granulação 1200),
polidas com pasta de diamante de 3µm e em seguidas atacadas quimicamente com Nital 2%
por um período de 15s, para melhor visualização do perfil geométrico.
Após o ataque as amostras foram fotografadas para em seguida serem medidas
através de um software de analise de imagens o reforço, a largura, a penetração e diluição.
Testes de confirmação
Depois de feitas todas as medições e avaliados os resultados, fez-se os chamados
testes de confirmação, para avalizar se aquela característica avaliada, segundo os critérios do
método de Taguchi está dentro do critério de aceitação do teste.
CAPÍTULO V
46
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Resultados
5.1.1 Aspecto visual
De uma maneira geral os corpos de prova da planilha L18 apresentaram um bom
aspecto superficial, com pouco ou quase nenhum respingo. A Figura 13 mostra o aspecto
superficial do corpo de prova 1 da planinha L18, onde todos os fatores de controle estavam no
nível (11111), ou seja, a energia do Tipo I, a tocha na posição vertical, sem tecimento,
corrente pulsada com Ip alto e energia de soldagem baixa. Este corpo de prova foi um dos que
apresentou os melhores valores de diluição da planinha L18, ele apresentou um valor de 25,71
%. A Figura 14 mostra a seção transversal do cordão de solda.
Figura 13. Aspecto superficial do cordão de solda do Ensaio 1
.
Figura 14. Seção transversal do cordão de solda para o Ensaio 1.
Todos os cordões apresentaram baixas razões R/L, principalmente nas soldagens com
tecimento, tanto triangular quanto duplo 8. A Figura 15 mostra respectivamente a superfície e
a seção transversal do corpo de prova 2 e a Figura 16 mostra respectivamente a superfície e
seção transversal do corpo de prova 12. O ensaio 2 foi realizado com os fatores de controle
nos níveis (11222), ou seja, energia tipo I, tocha na posição vertical, tecimento triangular,
corrente pulsada com Ip baixo e energia de soldagem média. Já o ensaio 12 foi realizado com
os fatores de controle nos seguintes níveis (21322), ou seja, energia tipo V, tocha na posição
47
empurrando, corrente pulsada com degrau e corrente de pico média e energia de soldagem
média.
Figura 15. Aspecto superficial do cordão de solda do Ensaio 2.
Figura 16. Seção transversal do ensaio 2.
Figura 17.Seção transversal do cordão de solda do Ensaio 12.
Figura 18. Seção transversal do cordão de solda do Ensaio 12.
Alguns cordões com tecimento duplo 8 apresentaram descontinuidades na largura do
cordão de solda. A Figura 19 exemplifica esse fato. Isso pode ter sido causado por um alto
comprimento de oscilação, aliada com uma baixa velocidade de alimentação.
48
Figura 19. Descontinuidades na largura do cordão de solda.
5.2 Características geométricas dos ensaios da planinha L18.
A Tabela 6 mostra os valores de diluição, reforço, largura, razão R/L e do produto
Dx(R/L) obtidos para cada ensaio da planilha L18. De cada ensaio foram retiradas duas
amostras uma no inicio e outra no fim do cordão, que foram aqui chamadas de En - I e En – F.
A partir destes dados, pôde-se fazer uma análise usando o projeto robusto de Taguchi para
encontrar os melhores parâmetros de soldagem para a aplicação em revestimentos, tendo com
base as seguintes características de qualidade: diluição, reforço e razão R/L.
Tabela 6. Valores obtidos das variáveis respostas.
Ensaio R (mm) L (mm) P (mm) D (%)(R/
L)D x (R/L)
E1 - I 2,3 7,1 1,0 18,25 0,32 5,82
E1 - F 1,9 7,5 1,2 25,71 0,26 6,63
E2 - I 1,8 14,7 1,3 40,46 0,12 4,91
E2 - F 1,9 15,4 1,3 37,15 0,12 4,59
E3 - I 2,3 18,2 2,1 44,89 0,13 5,70
E3 - F 2,2 17,5 1,9 45,08 0,13 5,65
E4 - I 2,2 10,8 2,2 39,11 0,21 8,07
E4 - F 2,2 10,7 2,0 38,03 0,21 7,82
E5 - I 2,0 20,8 2,8 47,27 0,10 4,68
E5 - F 1,9 20 2,3 53,49 0,10 5,25
E6 - I 1,4 11,5 0,3 14,07 0,12 1,73
E6 - F 1,5 11,8 0,6 21,51 0,12 2,67
E7 - I 2,0 7,9 1,3 25,05 0,26 6,59
E7 - F 1,9 8,3 0,9 23,15 0,23 5,39
49
E8 - I 2,2 12 1,0 28,21 0,19 5,28
E8 - F 2,3 12,49 0,80 23,63 0,18 4,27
E9 - I 2,8 13,92 1,30 32,43 0,20 6,59
E9 - F 2,3 15,34 1,5 43,07 0,15 6,34
E10 - I 2,7 13,07 2,4 38,39 0,21 8,09
E10 - F 2,7 13,10 2,5 38,58 0,20 7,88
E11 - I 1,9 9,67 1,4 32,00 0,20 6,29
E11 - F 1,8 9,09 1,2 33,82 0,20 6,67
E12 - I 1,7 15,51 0,9 35,14 0,11 3,85
E12 - F 1,7 15,22 1,1 36,77 0,11 4,12
E13 - I 2,3 14,60 2,5 43,09 0,16 6,70
E13 - F 2,5 13,83 2,5 40,39 0,18 7,21
E14 - I 1,6 13,18 1,2 38,67 0,13 4,84
E14 - F 1,5 12,32 1,1 39,20 0,12 4,87
E15 - I 1,7 16,74 1,1 34,90 0,11 3,67
E15 - F 1,7 15,45 1,0 35,21 0,11 3,82
E16 - I 2,4 12,33 2,1 34,84 0,20 6,89
E16 - F 2,3 12,64 1,8 34,83 0,18 6,42
E17 - I 2,6 12,84 0,6 14,37 0,20 2,92
E17 - F 2,4 13,65 0,9 15,98 0,18 2,86
E18 - I 1,7 10,45 1,2 34,60 0,16 5,65
E18 - F 1,7 10,49 1,3 38,37 0,17 6,44
50
5.3 Análise da característica da qualidade diluição (D) na planinha L18.
Pela análise da Tabela 7 e da Figura 20 podem-se chegar às seguintes conclusões:
Tabela 7. Análise de variância da qualidade diluição (D).
Análise de variância - α
Fator de controle Nível de α
TE 0,58
TT 0,12
TC 0,92
FO 0,14
E 0,09
Figura 20. Valores de para cada nível dos fatores de controle considerando a característica
da qualidade diluição.
Nenhum dos fatores de controle influencia significativamente no critério de
qualidade diluição, onde mesmo variando os fatores de controle e seus níveis, não há muita
variação no valor da diluição. Como os valores de diluição deram muito acima do desejado
51
para a soldagem de revestimento, desconfiou-se que era devido a pequena espessura do corpo
de prova (6 mm), pois para pequenas espessuras, o fluxo de calor na chapa se deslocaria mais
rápido, fazendo que fosse necessário uma menor quantidade de calor para fundir o material de
base, uma vez que a chapa a frente da poça de fusão estará a uma temperatura maior que a do
inicio da soldagem. Então para avaliar a influencia da espessura da chapa fez-se dois testes
em uma chapa de mesma dimensão, porém com uma espessura de 12,7 mm, o primeiro para a
condição 1 da Tabela 5 e o segundo para a condição 5 também da Tabela 5, os quais
apresentaram diluições de 25,71% e 53,49% respectivamente. Os valores de diluição obtidos
pelos novos ensaios foram de 23,34% e 51,12% respectivamente, valores estes muito
próximos dos obtidos para as chapas de 6mm de espessura. Assim chegou-se a conclusão de
que a espessura da chapa não influenciou nos valores de diluição e sim os parâmetros
utilizados para a criação da planinha L18. A Figura 21 mostra as seções transversais dos
corpos de prova do ensaio E1 e da soldagem do corpo de prova da chapa de 12,7 mm para a
condição 1 e a Figura 22 mostra as seções transversais dos corpos de prova do ensaio E5 e da
soldagem do corpo de prova da chapa de 12,7 mm para a condição 5.
Figura 21. Seções transversais do ensaio E1 à esquerda e da soldagem da chapa de 12,7mm na
condição 1 à direita.
Figura 22. Seções transversais do ensaio E5 à esquerda e da soldagem da chapa de 12,7mm na
condição 5 à direita.
Os níveis dos fatores de controle que maximizam a função η para a diluição são:
Técnica da energia (TE) no Nível 1 (energia Tipo I).
Técnica da tocha (TT) no Nível 3 (posição puxando).
Tipo de tecimento (TC) no Nível 2 (tecimento triangular).
52
Forma de onda (FO) no Nível 1 (corrente pulsada com Ip alto).
Energia de soldagem (E) no Nível 1 (energia baixa).
A energia de soldagem do Tipo I (Nível 1) tem um efeito um pouco maior que a do
Tipo V (Nível 2), porém como a variação da função η para a técnica da energia é praticamente
nenhuma, então se pode utilizar tanto a energia tipo I como a tipo V para o critério da
diluição.
A técnica da tocha, que daria o melhor valor de diluição, seria obtida pela tocha na
posição puxando e a que daria a maior diluição seria a tocha na posição empurrando, o que
contraria a literatura, que diz que a tocha na posição empurrando daria uma diluição menor
que a tocha na posição puxando (SCOTTI & PONOMAREV, 2008). Uma explicação para
que a tocha na posição puxando dar uma menor diluição, em relação à tocha na posição
empurrado, é a alta viscosidade da liga, isso quer dizer que a poça de fusão tem uma baixa
molhabilidade e atua como uma barreira para o metal de base, impedindo o arco elétrico de
agir diretamente sobre ele.
O tipo de tecimento que mais influenciou foi o tecimento triangular, porém a tocha
sem tecimento também poderia ser usada para o critério de baixa diluição, devido à pequena
variação da função η para esse critério.
A forma de onda com Ip alto foi o que mais influenciou a diluição dentro do fator de
controle da forma de onda e o que menos influenciou foi a forma de onda com Ip baixo.
A energia de soldagem baixa foi a que mais influenciou dentro do critério de energia,
seguido pela energia média e o que menos influenciou foi a energia mais alta, o que está de
acordo com a literatura que diz que baixos valores de energia implicam em baixos valores de
diluição.
53
5.4 Analise da característica da qualidade da razão R/L na planinha L18.
Pela analise da Tabela 8 e da Figura 23, pode-se chegar às seguintes conclusões:
Tabela 8. Análise de variância da qualidade R/L.
Análise de variância - α
Fator de controle Nível de α
TE 0,24
TT 0,00
TC 0,00
FO 0,00
E 0,00
Figura 23. Valores de para cada nível dos fatores de controle considerando a característica
da qualidade R/L.
Todos os fatores de controle menos a técnica da energia influenciaram estatisticamente
54
o critério da qualidade R/L.
Os níveis dos fatores de controle que maximizam a função η para a razão R/L são:
Técnica da energia (TE) no Nível 2 (energia Tipo V).
Técnica da tocha (TT) no Nível 2 (posição empurrando).
Tipo de tecimento (TC) no Nível 1 (tecimento duplo 8).
Forma de onda (FO) no Nível 1 (corrente pulsada com Ip baixo).
Energia de soldagem (E) no Nível 2 (energia média).
A técnica da energia tipo V influenciou um pouco mais significativamente o critério
de qualidade R/L do que a técnica da energia tipo I.
A técnica da tocha empurrando, influenciou mais que a tocha na posição vertical e
puxando, respectivamente, isso está de acordo com a literatura, pois com a tocha nessa
posição, o arco provoca um pré - aquecimento do metal base a frente da poça de fusão, que
está se formando, isso faz com que aumente a molhabilidade da poça de fusão, levando a um
cordão com maior largura, mas com menor penetração (SCOTTI & PONOMAREV, 2008).
O tipo de tecimento que mais influenciou o critério de qualidade R/L foi o tecimento
duplo 8, seguido do tecimento triangular e por último sem tecimento, isso está de acordo com
a literatura, pois com o tecimento é possível aquecer mais as laterais do metal base,
aumentando a molhabilidade da poça de fusão no metal base, o que implicará cordões com
maior largura e menor reforço. O fato de o tipo de tecimento duplo oito influenciar um pouco
mais na razão R/L deve-se ao fato de que ele aquece mais a poça de fusão devido ao seu
movimento oscilatório, o que significa melhorar ainda mais a molhabilidade da poça de fusão.
A forma de onda com corrente de pico baixa foi a que teve a maior influência no
critério de qualidade R/L seguido, pela corrente de pico média com degrau e o que menos
influenciou foi à corrente de pico alta. A corrente de soldagem está diretamente relacionada
com a taxa de fusão do arame eletrodo, para uma mesma velocidade de soldagem, quanto
menor a corrente menor será a taxa de deposição, conseqüentemente menor será o reforço do
cordão de solda. (menor R/L).
A energia que mais afetou a razão R/L foi a energia média (8,5kJ/cm), seguido da
energia alta (12kJ/cm) e por último a energia baixa (5kJ/cm). Pode – ser ver na Figura 23, que
o valor de η para energia teve pouca variação para as energias de 8,5kJ/cm e 12kJ/cm.
55
5.5 Analise da característica da qualidade reforço na planinha L18.
Pela análise da Tabela 9 e da Figura 24, pode-se chegar às seguintes conclusões:
Tabela 9. Análise de variância da qualidade Reforço.
Análise de variância - α
Fator de controle Nível de α
TE 0,522
TT 0,00
TC 0,00
FO 0,00
E 0,00
Figura 24. Valores de para cada nível dos fatores de controle considerando a característica
da qualidade Reforço (R).
Todos os fatores de controle, menos a técnica da energia influenciaram
estatisticamente o critério da qualidade Reforço (R).
56
Os níveis dos fatores de controle que maximizam a função η para o reforço são:
Técnica da energia (TE) no Nível 1 (energia Tipo I).
Técnica da tocha (TT) no Nível 3 (posição puxando).
Tipo de tecimento (TC) no Nível 1 (tecimento duplo 8).
Forma de onda (FO) no Nível 1 (corrente pulsada com Ip baixo).
Energia de soldagem (E) no Nível 3 (energia média).
A mudança da técnica de energia do Tipo I (Nível 1) para o Tipo V (Nível 2),
praticamente não influencia o reforço, pois a variação de em torno da média é muito
pequena. Isso significa que tanto a técnica da energia tipo I, quanto à técnica tipo V, podem
ser utilizadas para atingir o maior reforço.
A técnica da tocha que mais influenciou, na posição puxando, seguido pela tocha na
posição normal e por último a tocha na posição empurrando. Segundo a literatura, a tocha na
posição puxando, o jato de plasma empurraria a poça de fusão para trás e incidiria
diretamente no metal base, porém devido a alta viscosidade da liga, o arco não conseguiria
agir diretamente no metal base e causaria uma sobreposição de metal fundido na poça de
fusão, o que aumentaria o reforço. (SCOTTI & PONOMAREV, 2008).
O tipo de tecimento que mais influenciou, foi o sem tecimento seguido pelo
tecimento triangular e por ultimo o tecimento duplo 8. Sem tecimento não ha um pré-
aquecimento das laterais do metal de base, o que significa pouca molhabilidade da poça. Há
também o fato de que sem tecimento há uma maior incidência de sobreposição da poça de
fusão, principalmente para baixas velocidades de soldagem, o que acarreta altos valores de
reforço.
A forma de onda que mais afetou o critério da qualidade reforço, foi a com Ip alto,
seguido do Ip médio com degrau e o que menos influenciou foi o Ip baixo. Corrente elevadas
proporcionam uma maior taxa de fusão do arame eletrodo, mantendo as demais variáveis
constantes, por isso para correntes mais elevadas serão atingidos maiores valores de reforço.
A energia no seu nível 3 (12kJ/cm) foi a que mais influenciou no reforço, seguido
pela energia no seu nível 2 (8,5kJ/cm) e por último, a que causou menor variação no reforço
foi a energia no nível 1 (5,6kJ/cm). Esses resultados estão de acordo com a literatura, pois
maiores energias significam maiores quantidades de calor e conseqüentemente maiores taxas
57
de fusão do arame eletrodo, que ocasionam uma maior sobreposição do metal de solda,
principalmente para baixos valores de velocidade de soldagem, aqui no caso 0,3m/mim.
5.6 Testes de confirmação
Uma das grandes vantagens da utilização do método Taguchi, além da redução no
número de ensaios, é o de prevê a combinação de fatores que fornecem uma resposta ótima de
cada fator de controle, que é conseguido através da otimização da função sinal/ruído que é
conhecida como a função objetivo .
5.6.1 Teste de confirmação para a diluição
De acordo com o método Taguchi a combinação de ensaios que daria o menor valor
de diluição seria o seguinte: (13211), ou seja, energia tipo I, tocha na posição puxando,
tecimento triangular, forma de onda com Ip alto e baixa energia. Como esse ensaio não estava
contemplado na Tabela 5, foi necessária a sua realização. De acordo com a Equação 3, o valor
de diluição atingido por esse ensaio seria 19,65% com intervalo de confiança de 11,74 -
32,86. O valor encontrado no ensaio de confirmação foi de 19,1%, que está dentro do
intervalo de confiança. Isso significa que o critério diluição pode ser avaliado com segurança
pelo método Taguchi. Vale lembrar que o critério de diluição é do tipo quanto menor melhor.
Então de posse dessas informações pode-se calcular o intervalo de confiança para o
critério qualidade Diluição (D).
Os valores do SQE e gle foram obtidos através de um software estatístico, cujos
valores são: 186,94 e 26 respectivamente.
σ e2=SQE
gle
=186,9426
=7,19
Para a determinação da variância do erro de previsão (σ2prev), calculou-se seus dois
termos separadamente: primeiro calculou-se o erro de repetição dos experimentos (1ª parcela
da Equação 7) e depois calculou-se o erro na previsão ηot (2ª parcela da Equação 7).
( 1nr
). σ e2=( 1
2 ) x7,19=3,595
Onde nr é igual a 2, pois foram duas amostras de cada corpo de prova
58
1n0
=1n+( 1
nA1
−1n )+( 1
nB3
−1n )+( 1
nC 2
−1n )→ 1
36+( 1
12−
136 )+( 1
12−
136 )+( 1
12−
136 )→
1n0
=0,1944
Onde:
n = 36, pois apesar de se tratar de uma L18, ou seja, 18 linhas, mas foram retiradas duas
amostras de cada corpo de prova, totalizando 36 linhas na matriz.
nA1 = 12, corresponde ao nível 3 do fator de controle técnica da tocha, que aparece 12 vezes
nas 36 linhas da matriz.
nB3 = 12, corresponde ao nível 1 do fator de controle forma de onda, que aparece 12 vezes nas
36 linhas da matriz
nC2 = 12, corresponde ao nível 1 do fator de controle energia, que aparece 12 vezes nas 36
linhas da matriz.
Assim o valor de (σ2prev) a partir da Equação 7 é:
σ prev2 =4,99
De posse do valor de σ2prev, o valor de σprev foi calculado através da 3° Passo: Determinação do
desvio padrão associado à previsão ηot (σprev) obtido pela Equação 9.
σ prev=√4,99 → σ prev=2,2345
Com base na 4° Passo: Determinação do intervalo de confiança associado à previsão de ηot
fornecido pela Equação 10e no valor do σprev calculou-se o valor de IC.
IC=± 2. σ prev → IC=± 2x 2,2345 → IC=± 4,469
A partir do IC e utilizando a 5° Passo: Determinação do intervalo de confiança com
base no ηot fornecido pela Equação 11 chegou-se ao intervalo de confiança com base no ηot,
cujo valor para a diluição é de -25,86, então:
ηmin ≤η ≤ ηmax →−21,39 ≤ η ≤−30,33
Com o intervalo de confiança, pode-se calcular o intervalo admissível utilizando a 6°
Passo: Determinação do intervalo admissível para o critério de qualidade calculado através da
Equação 12.
Cálculo do Dmin:
59
y i=√ni . (10−η /10 ) → y i=√1. (10−21,39/10) → Dmin=11,74
Calculo do Dmax:
y i=√ni . (10−η /10 ) → y i=√1. (10−30,33/10) → Dmin=32,86
Onde:
Dmin = é a diluição pela 6° Passo: Determinação do intervalo admissível para o critério de
qualidade calculado através da Equação 12 utilizando o valor de ηmin
Dmax = é a diluição pela 6° Passo: Determinação do intervalo admissível para o critério de
qualidade calculado através da Equação 12utilizando o valor de ηmax
E por fim utilizando a Equação 14, calculou-se o intervalo admissível para a diluição
na matriz L18.
ymin≤ y ≤ ymax → Dmin ≤ D ≤ Dmax → 11,74≤ D ≤32,86
5.6.2 Teste de confirmação para a razão R/L
De acordo com o método Taguchi a combinação de ensaios que daria o menor valor
de razão R/L seria o seguinte: (22322), ou seja, energia tipo V, tocha na posição empurrando,
tecimento duplo 8, forma de onda com Ip baixo e energia média. Como esse ensaio não estava
contemplado na Tabela 5, foi necessária a sua realização. De acordo com a Equação 3, o valor
da razão R/L atingido por esse ensaio seria 0,09 com intervalo de confiança de 0,08 – 0,11, o
qual foi calculado seguindo os mesmos passos mostrado acima, para um SQE de 20,8, gle de
26 e um valor de ηot de 21,1. O valor encontrado no ensaio de confirmação foi também de
0,09. Isso significa que o critério razão R/L pode ser avaliado com segurança pelo método
Taguchi. Vale lembrar que o critério razão R/L é do tipo quanto menor melhor
5.6.3 Teste de confirmação para o reforço
De acordo com o método Taguchi a combinação de ensaios que daria o maior valor
do reforço seria o seguinte: (13113), ou seja, energia tipo I, tocha na posição puxando, sem
tecimento, forma de onda com Ip alto e energia alta. Como esse ensaio não estava
contemplado na Tabela 5, foi necessária a sua realização. De acordo com a Equação 4, o valor
do reforço atingido por esse ensaio seria 3,1mm com intervalo de confiança de 2,79 – 3,37, o
qual foi calculado seguindo os mesmos passos acima, para um valor de SQE de 6,284, gle de
60
26 e um valor de ηot de 9,744 . O valor encontrado no ensaio de confirmação foi de 2,97mm, o
que está dentro do intervalo de confiança. Isso significa que o critério reforço pode ser
avaliado com segurança pelo método Taguchi. Vale lembrar que o critério reforço é do tipo
quanto maior melhor.
CAPÍTULO VI
61
6 CONCLUSÃO
Os parâmetros utilizados na elaboração da planinha L18 não foram adequados para a
soldagem de revestimento, pois apresentaram valores de diluição muito acima do
aceitável para tal finalidade, apesar de apresentarem baixos valores de razão R/L e
bons níveis de reforço.
Os cordões, em geral apresentaram um bom acabamento superficial, isento de
descontinuidades.
O método estatístico Taguchi se mostrou eficiente para otimização do processo.
CAPÍTULO VII
62
7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS
Realizar ensaios preliminares com o intuito de encontrar um conjunto de parâmetros
para compor uma nova planinha L18.
Realizar a caracterização metalúrgica dos corpos de prova.
Fazer levantamento de custos de cada corpo de prova.
Capítulo VIII
63
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