7º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA 7º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA México D.F., 12 a 14 de Outubro de 2005 SOLDAGEM ORBITAL DE DUTOS UTILIZANDO ROBÔ DEDICADO DE 4 GRAUS DE LIBERDADE Ivanilza Felizardo*, Alexandre Queiroz Bracarense°, Eduardo José Lima II°, Guilherme Campelo Fortunato Torres°, Álvaro Thadeu Cadete dos Reis°, Paulo Henrique Coelho Papatela° *ROTECH Tecnologia Robótica Ltda, Rua Tupinambás, 360 – Cj 906, Centro, 30120-070, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, º Laboratório de Soldagem Robótica e Simulação, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6627, Campus Pampulha, 31270-90,1Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil. *[email protected] RESUMO Este trabalho apresenta os ganhos de produtividade e qualidade resultantes da utilização de um sistema robótico projetado especialmente para soldagem orbital de gasodutos e oleodutos. O sistema possui uma unidade de controle e supervisão, que permite o controle de forma autônoma de todas as atividades referentes à soldagem. Conectados à esta unidade existem manipuladores robóticos de 4 graus de liberdade, por meio dos quais a velocidade de soldagem, o ângulo e o posicionamento da tocha em relação ao chanfro e o stick-out são controlados. No intuito de utilizar máquina de solda convencional acoplada ao sistema robótico, uma placa eletrônica para realizar a interface entre o controlador e a máquina foi desenvolvida, possibilitando assim também o controle da tensão e corrente de soldagem durante o processo. O método de execução utilizado atualmente na soldagem orbital de dutos é manual, utilizando o processo GTAW para a realização do passe de raiz e o processo SMAW para os passes de enchimento e acabamento. Com o sistema robótico, utiliza-se tanto arame sólido (GMAW) quanto tubular (FCAW) para a realização da soldagem. Somente a substituição dos processos GTAW e SMAW para GMAW e FCAW já apresenta um ganho considerado de produtividade. Adicionando a substituição do método de execução manual para o robotizado, este ganho torna-se ainda mais expressivo. Além disto, tem-se a repetibilidade que se consegue nas soldas robotizadas, na qual a qualidade está incluída. Visto que a soldagem de tubulações é orbital, o tubo fica parado enquanto a tocha de soldagem se desloca ao redor do mesmo, quatro são as posições de soldagem existentes: plana, vertical descendente, sobre-cabeça e vertical ascendente. Diversos testes foram realizados para obter o melhor conjunto de parâmetros a serem utilizados em cada posição de soldagem. A partir destes testes, foi possível determinar a melhor seqüência de soldagem a ser aplicada, visando sempre aumentar a produtividade e garantir uma alta qualidade das soldas realizadas com o sistema robótico. PALAVRAS CHAVES: Sistema Robótico, Soldagem Orbital, Tubulações, GMAW, FCAW. INTRODUÇÃO Todas as especificações para a realização da soldagem orbital de oledutos e gasodutos são descritas na norma API 1104 [1]. Esta aceita que todos os passes necessários à soldagem (raiz, enchimento e acabamento) sejam executados por um único processo ou por uma combinação de processos. Podendo o método de execução ser manual, mecanizado ou automático. Pode-se dizer que quando é o homem que segura e desloca a tocha de soldagem ao longo da junta a ser soldada, o método de execução é manual. Quando a tocha é deslocada por um dispositivo mecânico, o método é mecanizado e quando é deslocado por um robô, o método torna-se robotizado (soldagem automática). O método de execução usual utilizado atualmente para a soldagem de tubulações é manual, sendo que o passe de raiz é realizado com o processo GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) e os passes de enchimento e acabamento com o processo SMAW (Shielded Metal Arc Welding). Estes processos por serem tipicamente manuais exigem um alto nível de habilidade e qualificação dos soldadores. Além de serem os que apresentam os menores níveis de produtividade em comparação com os demais processos de soldagem a arco elétrico. Por exemplo, tem-se que em um quilômetro de tubulação, utilizando tubos de 12 metros de comprimento, 10 polegadas de diâmetro externo e 9,5 mm de espessura de parede existem 83 juntas de topo a serem soldadas [2]. Para a realização dos passes de enchimento e acabamento, utilizando o processo SMAW, são necessárias 175 horas de trabalho. Com o processo GMAW são necessárias 128 horas e com o processo FCAW, 112 horas são gastas para a soldagem das 83 juntas de topo. A diferença observada nestes tempos deve-se ao princípio operacional de cada processo [3]. Realizar a soldagem orbital de tubos ininterruptamente com o processo SMAW é impossível, vista o tamanho limitado do eletrodo revestido, em média 350 mm, que dependendo dos parâmetros utilizados, produz cordões de solda com 150 a 200 mm de comprimento. Por outro lado, com os processos GMAW e FCAW seria possível, visto que nestes a alimentação do arame é contínua. Porém, sabendo que para cada posição de soldagem ao redor do tubo, (Fig. 1), existe um conjunto ótimo de parâmetros a serem utilizados (corrente, tensão, velocidade de soldagem, stickout e ângulo da tocha), realizar a variação controlada destes parâmetros ao alterar a posição de soldagem, sem precisar interromper o processo só é possível por meio da utilização de um sistema robótico (automático). Além disto, o método manual, além de ser ergometricamente dificultado: os tubos são soldados in loco e a poucos centímetros do chão (Fig. 2), não garante a produtividade e a repetibilidade obtida pelo método robotizado. Fig. 1: Posições de soldagem ao redor do tubo. Fig. 2: Soldagem manual de tubulações Segundo a RIA (Robotics Industries Association), “um robô é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas e dispositivos especializados através de movimentos programáveis variáveis a fim de desempenhar uma variedade de tarefas” [4]. A soldagem em campo de tubulações, utilizando um robô industrial antropomórfico é possível, porém inviável, visto o elevado peso a ser deslocado a cada nova junta a ser soldada ao longo da tubulação e a necessidade de reprogramação de sua trajetória, devido às irregularidades do terreno ou mudanças no diâmetro dos tubos. Portanto, um sistema robótico ideal para soldagem em campo de tubulações, além de realizar todas as atividades referentes à soldagem automaticamente (abertura e fechamento do arco elétrico; movimentação da tocha de soldagem com controle da velocidade, do ângulo da tocha e do stick-out e controle da tensão e corrente de soldagem), deve ser leve para facilitar o seu transporte ao longo da tubulação e possuir facilidades na adequação da trajetória da tocha de soldagem ao redor do tubo. Este tipo de sistema não seria completamente multifuncional (não poderia ser utilizado para uma tarefa genérica, por estar limitado a movimentos ao redor do tubo), porém tal sistema pode ser definido como um “robô para tarefas especiais” [5], robô dedicado. O sistema robótico apresentado neste trabalho foi desenvolvido para realizar a soldagem em campo de tubulações, com o objetivo de melhor atender todos os requisitos descritos acima. SISTEMA ROBÓTICO DE 4 GRAUS DE LIBERDADE PARA SOLDAGEM ORBITAL DE DUTOS Estrutura do robô O sistema robótico, Fig. 3, é composto por um controlador que é responsável pelo controle de todas as atividades relacionadas à soldagem. Este controlador é conectado a uma máquina de solda convencional e um manipulador, que é o responsável pelo deslocamento da tocha de soldagem ao redor do tubo. O manipulador é revestido por uma carenagem que protege os componentes internos de sujeiras e intempéries, além de proporcionar uma barreira adicional de proteção ao arco elétrico contra correntes de ar, prováveis de ocorrer na soldagem em campo. Fig. 3: Estrutura do sistema robótico desenvolvido. Manipulador robótico O manipulador robótico foi idealizado para ser compacto, leve, de fácil locomoção e fixação no tubo. Sua primeira versão foi construída para ser utilizada em tubos acima de 10 polegadas [6,7]. Visto a grande demanda na soldagem de tubos de menores diâmetros, uma nova versão do manipulador foi projetada para também ser utilizado em tubos de 8 polegadas. Para isto, além da disposição de todos os componentes eletromecânicos nas duas versões terem sido alteradas, a área de abraçamento do sistema de fixação feito por um par de correntes individualmente fechadas, que passam em volta do manipulador e do tubo simultaneamente foi aumentada, Fig. 4. Para tubos abaixo de 8 polegadas, as alterações necessárias a serem realizadas no manipulador (redução de seu tamanho, o que implicaria em componentes eletromecânicos extremamente pequenos) levariam a um aumento demasiado do custo do sistema robótico, não sendo economicamente viável. Portanto, para tubos menores, essencialmente de 4 e 5 polegadas, foi projetado um sistema de adaptação para o manipulador, conforme apresentado na Fig. 5. Neste posicionador, o manipulador robótico é fixado no tubo de 8 polegadas, com abertura central para que a tocha de soldagem possa ser posicionada adequadamente e realizar a soldagem no tubo de 5 polegadas, por exemplo. Uma outra possibilidade da utilização do sistema robótico é empregando dois manipuladores em tubos de grandes diâmetros, Fig. 6, no qual reduz consideravelmente o tempo de arco elétrico fechado. Sendo para isto necessário apenas utilizar uma máquina de solda com dois cabeçotes, visto que o controlador foi projetado visando acoplar também esta aplicação. Fig. 4: Sistema eletromecânico do manipulador robótico (a) primeira versão (b) segunda versão. Fig. 5: Sistema de adaptação do manipulador robótico para soldagem orbital de tubos de menores diâmetros. Fig. 6: Esquema mostrando a possibilidade da utilização de dois manipuladores simultaneamente. Graus de liberdade Os graus de liberdade do sistema robótico, Fig. 7, consistem no movimento de translação do manipulador ao redor do tubo e nos movimentos vertical, lateral e angular, possíveis de serem realizados pela tocha de soldagem, devidamente controlados pelo sistema de controle. (a) Translação (b) Vertical (c) Lateral (d) Angular Fig. 7: Graus de liberdade do sistema robótico. O grau de liberdade de translação proporciona realizar o deslocamento do manipulador ao redor do tubo, como conseqüência, o deslocamento da tocha de soldagem. O grau de liberdade vertical permite o movimento para cima e para baixo da tocha, permitindo afastá-la ou aproximá-la do tubo quando necessário. O grau de liberdade lateral é necessário para garantir o perfeito alinhamento entre o arco elétrico e o chanfro e para realizar o deslocamento lateral da tocha permitindo que os diversos passes necessários ao preenchimento do chanfro possam ser executados sem que o manipulador seja retirado do tubo. O grau de liberdade angular permite o movimento angular da tocha em relação à superfície do tubo. Acionamento e controle do sistema robótico Para acionar o grau de liberdade de translação, um motor de corrente contínua, acionado por PWM (modulação por largura de pulso) foi utilizado. Já para acionar os demais graus de liberdade, motores de passo foram utilizados, devido às suas reduzidas dimensões, proporcionando, porém, um alto torque e um preciso controle de posição. O controlador do robô foi implementado em um PC, ao que foram adicionadas placas de entradas e saídas digitais e analógicas. Permitindo, assim, o acionamento dos eixos do manipulador (graus de liberdade), o controle e os ajustes necessários à velocidade de soldagem, ao stick-out e ao posicionamento lateral e angular da tocha de soldagem ao redor do tubo ao alterar a posição de soldagem. Durante a execução do programa, o controlador gera valores de referência para a velocidade do primeiro eixo e posição dos três eixos seguintes. Os valores de velocidade de soldagem, do ângulo da tocha e do stick-out são informados através de tabela de parâmetros previamente definida. Assim, para cada posição do manipulador ao redor do tubo, lida através do sensor inclinômetro, é possível gerar as referências com os valores ótimos para tais parâmetros. Posicionamento do manipulador ao redor do tubo Para realizar a mudança de parâmetros durante a soldagem orbital, é necessário conhecer a posição da tocha exata ao redor do tubo. Este senso de posicionamento pode ser proporcionado por um sensor que informe a inclinação em que o manipulador se encontra a cada instante. Sensores que medem inclinação são chamados inclinômetros. Um inclinômetro de tamanho adequado para ser embarcado no manipulador; de robustez pertinente ao agressivo ambiente de soldagem; de saída mais imune possível ao ruído eletromagnético proveniente do arco elétrico; de capacidade de operação de 360°; com erro mínimo admissível e resolução pertinente ao controle dos parâmetros foi desenvolvido. Este inclinômetro é composto, basicamente, por um encoder incremental de alta resolução, um pêndulo especialmente projetado e uma unidade eletrônica. O princípio de funcionamento baseia-se no centro de gravidade do pêndulo e no vetor peso (suas componentes), Figura 8a. Acoplado ao pêndulo encontra-se o encoder. À medida que o sensor é inclinado, Figura 8b, o vetor peso, através de sua componente x, proporciona um torque que tende a alinhar o pêndulo com o vetor normal (vetor ortogonal ao plano da terra). Desta forma, é produzido um movimento rotacional relativo no encoder. Este movimento é, então, enviado à unidade eletrônica que adequa a informação, e proporciona uma saída digital de 11 bits que é enviada ao controlador, além de enviar informações ao meio externo por meio de um visor de cristal líquido. Portanto, o sensor projetado possui uma resolução de 0,18°, é mecanicamente robusto (por ser construído em aço inox) e possui faixa operacional linear de 360°. a) Decomposição vetor peso b) Pêndulo Figura 8. Inclinômetro projetado. Processo de soldagem e fonte de energia Para a soldagem orbital de dutos ser robotizada, é necessário que o processo de soldagem seja passível à robotização e aceito por norma [1]. Dentre os processos de soldagem a arco elétrico que se enquadram nestes requisitos são: GMAW e FCAW. Estes processos têm ainda a vantagem de utilizarem a mesma máquina de solda. A diferença entre estes processos está no tipo de arame utilizado: sólido no GMAW e tubular no FCAW. No intuito de utilizar máquinas de solda convencional (baixo custo e a mais adequada para ser utilizar em campo) com um ou dois alimentadores de arame independentes (quando for o caso de se utilizar dois manipuladores), uma placa eletrônica para realizar a interface entre o controlador e a máquina de solda foi desenvolvida. Originalmente, uma máquina deste tipo possui um potenciômetro para regulagem da tensão e cada um dos alimentadores possui um potenciômetro para regulagem da corrente (velocidade de alimentação do arame), sendo todos de regulagem manual. A placa desenvolvida é capaz de variar a resistência elétrica entre 3 terminais, substituindo, então, um resistor tripot. Com esta placa, o sistema de controle do sistema cumpre a exigência para um sistema ser classificado como robótico [4]: todas as tarefas relacionadas ao processo de soldagem são controladas automaticamente: posicionamento da tocha de soldagem (vertical, lateral e ângulo), velocidade, corrente e tensão de soldagem. SOLDAGEM ORBITAL DE DUTOS COM O SISTEMA ROBÓTICO Tanto o processo GMAW quanto o FCAW possuem a característica de serem altamente produtivos, visto que a alimentação do arame é contínua. Sendo o último mais produtivo que o primeiro. Visando, sempre aumentar a produtividade na soldagem orbital de dutos, foi analisada a possibilidade da utilização do arame tubular (FCAW) na soldagem de todos os passes necessários para preenchimento de uma junta orbital. Entretanto, verificou-se insuficiência de material depositado no passe de raiz na posição sobre-cabeça, sendo que nas demais posições nenhuma descontinuidade foi observada [8]. O arame utilizado nesta análise foi o E71-T1 de 1,2 mm de diâmetro. Testes foram realizados alterando o tipo de gás de proteção e o fabricante do arame, porém todos sem sucesso. Novos estudos com diferentes geometrias de chanfros estão sendo realizados no intuito de sanar tal descontinuidade. Visto que este problema ainda não foi solucionado, a execução do passe de raiz utilizando o sistema robótico é feita com o processo GMAW e os demais passes com o processo FCAW. Em campo, deve ser utilizada uma frente de trabalho (um sistema robótico com arame sólido) para a realização do passe de raiz e uma segunda frente (outro sistema robótico com arame tubular) para a realização dos demais passes, conseguindo assim maior produtividade. Diversos testes de soldagem foram realizados buscando obter tanto o conjunto ótimo de parâmetros a serem utilizados em cada posição de soldagem assim como a melhor seqüência de soldagem. Para verificar a influência da posição de soldagem na morfologia do cordão de solda e verificar o grau de complexidade necessário para a alteração dos parâmetros em função da posição, cordões sobre chapa nas posições plana, vertical descendente, sobrecabeça e vertical ascendente foram realizados mantendo os mesmos parâmetros de soldagem da posição plana [9], tanto com arame tubular, Fig. 9, quanto arame sólido, Fig. 10. Fig. 9: Macrografias de cordões de solda realizados com o processo FCAW (arame tubular). Fig. 10: Macrografias de cordões de solda realizados com o processo GMAW (arame sólido). Utilizando arame tubular, Fig. 9, para se obter uma morfologia do cordão de solda na posição vertical ascendente similar à obtida na posição plana são necessárias alterações consideráveis nos parâmetros de soldagem. Os testes realizados mostraram que, por exemplo, o ângulo da tocha que na posição plana pode ser de 90o em relação ao plano da chapa e nas posições vertical descendente e sobre-cabeça pode ser de 85º e 87º, respectivamente, sendo que na posição vertical ascendente este ângulo deve ser inferior a 65o. Utilizando o sistema robótico, é possível programá-lo de maneira que ele faça a interpolação necessária entre os parâmetros de soldagem na região de transição entre uma posição e outra. Entretanto, devido à mudança brusca do valor do ângulo da região plana para a vertical descendente e desta para a sobre-cabeça, por exemplo, a geometria do cordão de solda nas regiões de transição torna-se não homogênea. Portanto, apesar de ser possível realizar a soldagem com o sistema robótico ininterruptamente ao redor do tubo, o ganho de produtividade da soldagem na seqüência plana, vertical descendente, sobre-cabeça e vertical ascendente não justifica a perda de qualidade. Assim, a melhor seqüência de soldagem utilizando o sistema robótico com arame tubular é: sobre-cabeça, vertical ascendente e plana, sendo a soldagem realizada em duas etapas. Com arame sólido, Fig. 10, o grau de complexidade necessário para a alteração dos parâmetros de soldagem em função da posição é relativamente baixo. Porém, observa-se que o reforço do cordão de solda na posição vertical ascendente é consideravelmente alto e que a largura do cordão de solda na posição vertical ascendente é bastante satisfatória. Testes realizados com o sistema robótico mostraram que dentro de uma faixa de variação dos parâmetros de soldagem, a largura do cordão de solda com arame sólido na posição vertical descendente é sempre superior a largura do cordão de solda na posição vertical ascendente, Fig. 11. Assim, sendo válida a mesma observação feita para a utilização do arame tubular, a melhor seqüência de soldagem utilizando o sistema robótico com arame sólido é: plana, vertical descendente e sobre-cabeça, sendo a soldagem também realizada em duas etapas. Fig. 11: Diferença na largura do cordão de solda em função da posição de soldagem. Mesmo realizando a soldagem com o sistema robótico em duas etapas, o ganho de produtividade em relação ao procedimento manual é consideravelmente alto, principalmente, ao considerar tubos de grandes diâmetros. Tem-se notícias que para tubos de 24 polegadas são gastos em média 130 minutos para a realização do passe de raiz com o processo GTAW e 80 minutos com o processo GMAW. Com o sistema robótico para realizar o passe de raiz com o processo GMAW, em tubos de 14 polegadas, são necessários em média 20 minutos e em tubos de 24 polegadas, 25 minutos, inclusos os tempos de fixação do sistema robótico no tubo e de preparação do mesmo para iniciar soldagem. A Fig. 12 apresenta o passe de raiz realizado com o sistema robótico em tubos de 14 polegadas, destacando uma vista externa do cordão na posição vertical ascendente e uma vista interna na posição sobre-cabeça. Fig. 12: Vista do passe de raiz realizados com o sistema robótico com o processo GMAW. O ponto fundamental para garantir a qualidade e repetiblidade do passe de raiz executado com o sistema robótico é a garantir a repetibilidade da preparação dos chanfros. A Fig. 13 exemplifica não conformidades comuns encontradas em chanfros preparados em tubos, por equipamentos não automáticos. 3 mm 1 mm Fig. 13: Não conformidades encontradas em chanfros preparados em tubos. A diferença apresentada nesta figura em relação à dimensão do nariz do chanfro, na soldagem manual, o soldador consegue, durante o processo, corrigir esta não conformidade, alterando o ângulo da tocha e a velocidade de soldagem, por exemplo. O sistema robótico, desde que devidamente programada também conseguiria. O problema é que um robô “não enxerga” o que está soldando e todos os parâmetros de soldagem são previamente definidos, admitindo que todas as juntas a serem soldadas são iguais. Grandes dificuldades estão sendo encontradas na realização do passe de raiz, visto a não uniformidade dos chanfros. A principal descontinuidade resultante desta não uniformidade está na falta de penetração do passe de raiz. O principal fato que garante que este problema resulta da não repetibilidade na preparação dos chanfros é que os pontos encontrados de falta de penetração, ao comparar duas juntas orbitais soldadas de maneira idêntica, não são repetitivos: ora a falta de penetração ocorre na posição plana, ora ocorre na vertical, ora na sobre-cabeça. Destaca-se que qualquer operação de soldagem executada de forma robotizada, para que a qualidade e a repetibilidade das soldas possam ser garantidas, a repetibilidade na preparação dos chanfros tem que ocorrer. Caso contrário, o sistema robótico não terá êxito. Para solucionar este problema, uma biseladera especial (automática) está sendo desenvolvida para garantir a repetibilidade na preparação dos chanfros e poder adaptá-los ao sistema robótico. Uma alternativa, de forma paliativa no momento, está sendo utilizar o sistema robótico para execução dos passes de enchimento e acabamento sobre o passe de raiz executado manualmente. Mesmo utilizando o sistema robótico apenas para a realização dos passes de enchimento e acabamento o ganho de produtividade ainda é expressivo. Têm-se notícias que o gargalo na soldagem de dutos é justamente a execução dos passes de enchimento e acabamento. Estes são executados manualmente com o processo com eletrodo revestido e são gastos em média 140 minutos para a soldagem de tubos de 24 polegadas de 9,5 mm de espessura de parede. Com o sistema robótico, utilizando arame tubular de 1,2 mm de diâmetro, em tubos de 24 polegadas de 9,5 mm de espessura de parede, após a realização do passe de raiz, são necessários 1 passe de enchimento e 2 de acabamento para preenchimento completo da junta orbital. Cada passe é executado no tempo de 9 minutos, inclusos os dois lados do tubo. Considerando o tempo de fixação e preparação do sistema robótico no tubo para a realização destes passes, são necessários em média 45 minutos para preenchimento de toda a junta orbital com arame tubular, reduzindo significativamente o tempo de soldagem dos dutos. A Fig. 14 apresenta um passe de enchimento, realizado após a soldagem manual do passe de raiz, e dois passes de acabamento executados com o sistema robótico utilizando arame tubular (FCAW). Fig. 14: Passes de enchimento e acabamento executados com o sistema robótico utilizando o processo FCAW. COMETÁRIOS FINAIS O ganho de produtividade e qualidade de soldas orbitais realizadas com sistemas robóticos é bastante expressivo. Este método de execução da soldagem também possibilidade a diminuição do retrabalho destas soldas. No mínimo, o robô é capaz de reproduzir o cordão de solda do melhor soldador humano, porém com um nível de repetibilidade impossível de ser obtido manualmente. A utilização do sistema robótico na soldagem do passe de raiz com GMAW é extremamente viável. Porém, para tornar esta soldagem uma realidade em campo, é fundamental que os biseis seja realizados também de forma automática, para que a garantia da repetibilidade na preparação dos chanfros seja alcançada. Mesmo assim, o ganho de produtividade e qualidade alcançado com a utilização do sistema robótico na execução dos passes de enchimento e acabamento é considerável ao comparar com o tempo gasto manualmente na soldagem destes passes com eletrodo revestido. REFERÊNCIAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 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