Universidade Federal de Santa Catarina
Centro Tecnológico
Departamento de Engenharia Mecânica
PROGRAMA DE FORMAÇÃO DE RECURSOS HUMANOS EM
ENGENHARIA MECÂNICA E QUÍMICA COM ÊNFASE EM
PETRÓLEO E GÁS.
CONVÊNIO PRH-ANP/MME/MCT nº09/99
Relatório de Bolsa
ACADÊMICO: ABÍLIO ORCIOLI NETO
Santa Catarina, 2007.
DESENVOLVIMENTO DE PROCEDIMENTOS DE ALTA EFICÁCIA PARA
SOLDAGEM DE HASTES ANODICAS (TARUGOS REDONDOS DE GRANDE
DIÂMETRO)
Abílio Orcioli Neto – Bolsista IC da ANP
1- Introdução
A evolução dos processos de soldagem, tem como uma das causas
fundamentais a necessidade do aumento da produtividade. Isto pode acontecer
sob dois flancos de atuação no campo da soldagem de união:
pelo aumento da concentração da energia (fontes focadas), a exemplo o
LASER e o Feixe de Elétrons, e pelo aumento da taxa de deposição de
material, a exemplo o MIG/MAG. O segundo enfoque é a situação mais
comumente encontrada na indústria, e as razões são: o custo do investimento
em equipamentos e a maior versatilidade dos mesmos em suas aplicações. O
presente trabalho é uma contribuição ao desenvolvimento do processo
MIG/MAG no que tange ao aumento da produtividade por intermédio do
aumento da taxa de deposição.
2- Etapa Preliminar
Como se trata de um desenvolvimento com o objetivo principal
altamente focado na obtenção de alta velocidade de fusão de arame-eletrodo,
foi desenvolvida uma bancada de ensaios onde o fator determinante foi a
versatilidade para experimentações com as seguintes características:
- Utilização de um, dois e três arames;
- Utilização de diferentes bitolas de arame;
- Utilização de arames energizados com arco, arame frio e arame quente
(Hot wire);
- Variação dos ângulos de ataque das tochas;
- Máquinas com modulação em tensão e em corrente.
Esta bancada preliminar foi planejada, para a soldagem na posição
plana de chapas de topo. A figura 1 retrata o arranjo físico das tochas com
seus suportes fixados a um robô. Ao fundo se observa duas fontes de
soldagem utilizadas nos experimentos. A figura 2 apresenta um dos corpos de
prova, apresentando uma junta de topo soldada com dois arames, um arame
com arco e outro arame energizado, mas sem arco (arame quente).
Os estudos e ensaios conduzidos nesta primeira fase do trabalho
conduziram a uma ampliação do conhecimento, anteriormente adquirido pelo
LABSOLDA/IMC no tocante à utilização da soldagem MIG/MAG com múltiplos
arames. Pelo conhecimento até então adquirido e corroborado pela literatura,
todos os arames deveriam trabalhar com arco e, a velocidade de fusão total
cresceria linearmente com a corrente total.
Com isto, se teria a necessidade
de uma corrente total muito grande, quase obedecendo à soma aritmética das
correntes de cada arame quando utilizados individualmente. A conseqüência
disto era uma poça metálica com um conteúdo calorífico muito alto, fundindo
em demasiado o material de base.
Agora foi verificado, que quando os arames são direcionados adequadamente,
a velocidade de fusão pode aumentar muito sem haver a necessidade de um
aumento proporcional na corrente total. Isto é particularmente importante para
o caso de preenchimento de juntas.
Assim sendo, após cerca da soldagem de 30 corpos de prova, simulando a
junta em chapas planas, foi verificada a possibilidade de uma redução do
tempo de soldagem em cerca de 25%, utilizando cerca de 500 A no total,
obtendo-se uma solda de boa qualidade.
A próxima fase do desenvolvimento deverá ser realizada num dispositivo
rotativo, do qual já foi iniciado o projeto. Com isto se poderá soldar corpos de
prova na forma de tarugos redondos.
Fig. 1- Posicionamento das tochas de soldagem
Fig. 2 – Junta soldada
3- Segunda Fase dos Experimentos
Para a segunda fase dos ensaios, foi projetado e construído um dispositivo de
fixação das tochas de soldagem e movimentação dos corpos de prova com a
finalidade de facilitar o trabalho e simular mais acuradamente o caso real (Fig.
3).
Fig. 3 – Dispositivo de fixação das tochas de soldagem e movimentação
dos corpos de prova
Após os ensaios preliminares, partiu-se para testes com corpos de prova
de tarugos. Depois de alguns testes, observou-se que a poça metálica escorria,
pois a velocidade tangencial dos tarugos, necessária para a produtividade
pretendida, colocava a referida poça metálica numa posição espacial instável,
antes que ela obtivesse a necessária sustentabilidade no caminho da
solidificação. Após uma série de ensaios frustrados, foi observado um carácter
ilógico no ângulo de abertura da junta, o que implicava numa poça metálica de
dimensões muito avantajadas. Este problema era ainda acentuado pelo fato de
se estar utilizando um tarugo com diâmetro de 100 mm, inferior ao diâmetro do
pino pretendido, que era de 133 mm. Isto provocava uma maior criticidade na
sustentação da poça de fusão, pois, pela rotação da peça, ela é exposta mais
rapidamente a uma posição desfavorável em relação à gravidade.
Os ensaios realizados nesta segunda fase do trabalho mostraram sob vários
aspectos o grau de influência das variáveis e parâmetros envolvidos. Cerca de
20 corpos de prova foram soldados, utilizando-se combinações variadas de 2 e
3 arames, conforme a montagem da figura 4.
Fig. 4- Posicionamento das tochas de soldagem
Embora a produtividade esteja sempre bem acima do que é obtido
atualmente, não se considera que se tenha um resultado satisfatório, conforme
mostra a foto de um dos corpos de prova, apresentada na figura 5.
Fig. 5 – Corpo de prova com junta soldada
Como conjecturas para o início da 3a fase está a soldagem com
modulação em corrente, já que até agora se trabalhou com modulação em
tensão. Foi observado que isto provocava uma grande flutuação da corrente e
com isto uma instabilidade no banho de fusão. Acredita-se, que, pela fixação
da corrente se terá melhores condições de qualidade dos cordões de solda.
Outro aspecto a ser considerado é a própria geometria da junta, que se
acredita não ser a mais indicada.
4- Fase Conclusiva
Conforme já foi relatado anteriormente, foi projetado e construído
exclusivamente para o desenvolvimento do procedimento de soldagem dos
pinos -eletrodos das hastes anódicas, o equipamento apresentado nas figuras
6,7 e 8.
1ª tocha
2ª tocha
3ª tocha
(arame frio)
Fig. 6– Dispositivo de fixação das tochas
Fig. 7– Dispositivo de fixação das tochas
Fig. 8– Dispositivo de fixação das tochas
Em seqüência aos experimentos descritos nas duas primeiras fases,
decidiu-se fazer uma alteração no ângulo de abertura do chanfro do corpo de
prova, passando de 45° para 30° (Fig. 9), para aumentar o ancoramento da
poça de fusão. Para esta nova junta, conseguiu-se utilizar dois passes, de
acordo com o procedimento apresentado na tabela 1.
Fig. 9– Desenho do novo chanfro para novos ensaios
Tabela 1 – Resultados obtidos dos ensaios de soldagem com 2 passes.
Im=Corrente média de soldagem; Gp=Gás de proteção; Va=Velocidade de
arame; ∅=Bitola do arame.
Tochas Im
[A]
1º
passe
2º
passe
1º
280
2º
280
3º
1º
_
215
2º
215
3º
_
Gp
Vazão
Va
do Gp [m/min]
[l/min]
Ar + 8% 12,0
8,5
CO2
Ar + 8% 12,0
8,0
CO2
_
_
7,0
Ar + 8% 12,0
6,0
CO2
Ar + 8% 12,0
6,0
CO2
_
_
4,0
Tempo/passe ∅
[s]
[mm]
1,2
1,2
≅57
1,2
1,2
1,2
1,2
O resultado da operação de soldagem de acordo com este procedimento
pode ser visto na figura 10.
Fig. 10– Foto de um corpo de prova –2 passes- resultado satisfatório
Para melhor avaliação do resultado, em um outro corpo de prova, foi
verificada as condições do primeiro passe e, como se pode ver na figura 11 o
resultado foi muito bom, pois o cordão de solda está ausente de poros, plano,
facilitando o próximo passe que encontra praticamente uma superfície plana
como base.
Fig. 11– Foto de um corpo de prova –primeiro passe- resultado
satisfatório
Embora, os resultados tenham sido satisfatórios, foi ainda proposto um
aumento da profundidade do chanfro, o qual ficou conforme a figura 12.
Fig. 12- Desenho do corpo de prova utilizado para 3 passes
Após inúmeros ensaios utilizando 3 passes para o total preenchimento
do chanfro, obtive-se alguns resultados muito bons. A figura 13 mostra um
corpo de prova que foi soldado, onde se pode observar um cordão de solda
sem defeitos, mas com uma certa escassez de material nas laterais do cordão
de solda. Na tabela 2 são apresentados os parâmetros e variáveis de soldagem
utilizados para os 3 passes de solda.
Fig. 13– Foto de um corpo de prova –3 passes- resultado satisfatório
Tabela 2 – Resultados obtidos dos ensaios de soldagem com 3 passes.
Im=Corrente média de soldagem; Gp=Gás de proteção; Va=Velocidade de
arame; ∅=Bitola do arame.
Tochas Im
[A]
1º
passe
2º
passe
3º
passe
1º
300
2º
230
3º
1º
_
210
2º
200
3º
1º
_
190
2º
220
3º
_
Gp
Vazão
Va
do Gp [m/min]
[l/min]
Ar + 20% 12,0
12,4
CO2
Ar + 20% 12,0
11,1
CO2
_
_
6,3
6,8
Ar + 20% 12,0
CO2
Ar + 20% 12,0
8,0
CO2
_
_
3,5
Ar + 20% 12,0
5,9
CO2
8,4
Ar + 20% 12,0
CO2
_
_
2,2
Tempo/passe ∅
[s]
[mm]
1,2
1,2
1,2
1,2
≅57
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Para melhor avaliação do resultado, em outros corpos de prova, foi
verificado as condições do primeiro e do segundo passe. Como se pode ver na
figuras 14 e 15, o resultado foi muito bom, pois os cordões de solda
apresentaram ausência de poros, uma boa planicidade, facilitando os próximos
passes.
Os resultados foram obtidos utilizando-se uma adaptação rápida do
equipamento e, por isso, não foi possível se experimentar a realização de um
quarto passe para fechar melhor o chanfro.
Para este desenvolvimento, que principalmente envolvia a execução de
um novo software de controle, foi cogitado uma arquitetura bem ampla que
contemplava uma outra modalidade de controle do arco, denominada de
imposição de corrente constante. Além disso, a intenção era deixar genérico o
numero de fases de soldagem. Isto implicou numa serie de dificuldades e, se
acabou perdendo a linha mestra do desenvolvimento, que já havia dado bons
resultados.
Por isso, foram consumidos todos os corpos de prova, de tal maneira
que, foi julgado necessário uma consolidação do procedimentos através de
uma repetição dos ensaios.
Fig. 14– Foto de um corpo de prova –primeiro passe- resultado
satisfatório
Fig. 15– Foto de um corpo de prova –segundo passe- resultado
satisfatório
Numa retomada da linha adotada no procedimento correspondente a
tabela 2, foram executados alguns ensaios com o que se pode produzir em
corpos de prova dos pinos já excessivamente com soldas. O procedimento
ficou levemente modificado, resultando nos dados apresentados na tabela 3.
Tabela 3 – Resultados obtidos dos ensaios de soldagem com 3 passes.
Im=Corrente média de soldagem; Gp=Gás de proteção; Va=Velocidade de
arame; ∅=Bitola do arame.
Tochas Im
[A]
1º
passe
2º
passe
3º
passe
1º
300
2º
230
3º
1º
_
210
2º
200
3º
1º
_
190
2º
220
3º
_
Gp
Vazão
Va
do Gp [m/min]
[l/min]
Ar + 20% 12,0
14,4
CO2
Ar + 20% 12,0
11,1
CO2
_
_
5,8
Ar + 20% 12,0
7,5
CO2
7,5
Ar + 20% 12,0
CO2
_
_
2,8
Ar + 20% 12,0
5,9
CO2
Ar + 20% 12,0
8,0
CO2
_
_
1,5
Tempo/passe ∅
[s]
[mm]
1,2
1,2
1,2
1,2
≅57
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Como documentação interna do LABSOLDA, informa-se aqui que o
procedimento foi realizado em cima do sistema pulsado com pulsação térmica,
onde se tem a possibilidade de trabalho em três etapas. Nas etapas inicial e
final não há possibilidade de regulagem das variáveis durante a soldagem e, na
fase intermediaria , isto é possível. Como a corrente de destacamento de gota
é de 300 A, implica em que, sendo a corrente média na primeira etapa de 300
A, na verdade não se tem aí uma corrente pulsada, mas sim uma corrente
imposta constante de 300 A.
A constante de relacionamento entre corrente média e velocidade do arame foi
da seguinte maneira : va = 0,027 . Im. Devido à característica da junta,
resultando num comprimento de eletrodo extremamente grande, foram
necessárias as seguintes correções para se atingir as velocidades anotadas na
tabela 3|:
Tabela 4 – Apresentação das velocidades de arame de cada tocha nas
três fases de soldagem, considerando as respectivas correções
Tochas Im
[A]
1º
passe
2º
passe
3º
passe
Correção
positiva
[m/min]
6,3
4,9
Va final
[m/min]
14,4
11,1
1º
2º
300
230
Va
prog.sin.
[m/min]
8,1
6,2
3º
1º
2º
_
210
200
5,7
5,4
1,8
2,1
5,8
7,5
7,5
3º
1º
2º
_
190
220
5,1
5,9
0,8
2,1
2,8
5,9
8,0
3º
_
1,5
Para melhor orientação para testes futuros, apresenta-se na figura 16
uma foto mostrando o posicionamento relativo das tochas em relação ao corpo
de prova tal como foi utilizado nos últimos ensaios. A tocha que vai na frente do
cordão depositado está deslocada em relação à vertical. A segunda tocha é
que está posicionada na vertical.
Fig. 16– Foto apresentando a posição relativa das tochas em relação ao
corpo de prova
5- Conclusões
A utilização de duplo arame no processo MIG/MAG já era uma
tecnologia desenvolvida, mas a introdução de um arame adicional não
energizado se caracterizou em uma nova opção para aplicações semelhantes a
aqui apresentada. Neste sentido, foi verificado que é necessário que a
transferência metálica seja tal que o arco permaneça aceso todo o tempo, pois
do contrário não haverá energia suficiente para fundir o citado arame extra.
Em se considerando somente os arames com arco, existe uma grande
vantagem de se ter os arcos em paralelo e juntos com respeito à taxa de fusão,
principalmente quando os arcos estão localizados no fundo de chanfros. Isto
pode ser constatado pela leitura da tabela 4, em mostra que a taxa de fusão de
cada arame pode aumentar em mais de 50 %.
O trabalho foi conclusivo em termos de um bom aumento da
produtividade pela utilização, tanto de arames com arco, como também, pela
introdução de um arame frio.