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Um estudo sobre o processo tig duplo eletrodo, onde foram realizadas medições de pressão de estagnação do arco e análises numéricas para investigar o comportamento do arco e a influência do afastamento dos eletrodos na velocidade e temperatura do plasma. O documento também discute as dificuldades encontradas no processo duplo eletrodo, como instabilidade, aquecimento dos eletrodos e contaminação, e propõe soluções para melhorar seu desempenho.
O que você vai aprender
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Mateus Barancelli Schwedersky
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. Jair Carlos Dutra Co-Orientador: Prof. Dr. Uwe Reisgen
Florianópolis 2015
Dedico este trabalho aos meus pais, Werner e Rosa.
Agradeço a todos que colaboraram de alguma forma para a realização deste trabalho:
-Ich bedanke mich an alle Leute von Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Herrn Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen, dem Direktor des Institutes, danke ich für die wertvolle Gelegenheit, an seinem Institut ein sehr wichtiges Teil dieser Arbeit durchzuführen. Meinen besonderen Dank für Herrn Dipl.-Ing. Konrad Willms für alle Hilfe, die die Arbeit ermöglichten. Weiterhin möchte ich mich bei alle Assistenten und Mitarbeiter, besonderes Guido Buchholz, Marion Purrio, Philipp Lozano, Matthias Angerhausen, Jens de Vries, Chika Koyama, Alexandros Pipinikas, Xhafer Rexhepaj und Rahul Scharma für ihre freundschaftliche Unterstützung bedanken.
O presente trabalho trata da pesquisa e desenvolvimento do processo TIG Duplo Eletrodo, modalidade investigada pela primeira vez em um trabalho acadêmico realizado em território nacional, e que mesmo internacionalmente é restrita a poucos grupos de pesquisa. O objetivo geral do trabalho realizado estava inserido no contexto do desenvolvimento de tecnologias de soldagem de alta produtividade usando o processo TIG, o qual possui grande potencial para redução de custos e diminuição do impacto ambiental se for usado em substituição ao MIG/MAG em diferentes aplicações. O resultado mais impactante foi o desenvolvimento de um primeiro sistema de soldagem nacional (tochas e fonte de soldagem) com adequada capacidade de operar com o processo duplo eletrodo, permitindo inclusive a utilização de intensidade de corrente total de até 900 A, e a prospecção de aplicações de elevada produtividade. Os equipamentos desenvolvidos proporcionaram a flexibilidade necessária para viabilizar o estudo dos principais aspectos do processo, usando combinações distintas de posicionamento entre os eletrodos para caracterizar a morfologia do arco em diferentes condições. Um dos principais aspectos abordados foi o desvio do arco causado pela interação dos campos magnéticos formados em cada eletrodo e que varia de intensidade conforme é modificado o afastamento entre os eletrodos. Em determinadas condições, esse desvio resulta em um fluxo de plasma em direção contrária à peça causando efeitos prejudiciais como forte instabilidade e aquecimento excessivo da tocha. Esses problemas podem ser evitados usando a técnica de pulsação sincronizada fora de fase ou utilizando pequenas distâncias entre as pontas dos eletrodos. Foi constatada uma considerável influência da velocidade de soldagem na morfologia do arco, causando ainda grande diferença nos valores de queda de tensão em cada eletrodo. Foram realizados ensaios de medição da pressão de estagnação do arco com diferentes distâncias entre os eletrodos, mostrando que o processo duplo eletrodo resulta em pressão do arco muito menor do que o processo convencional para a mesma corrente média total. Adicionalmente, foram executadas medições mostrando a influência da geometria de afiação do eletrodo em tronco de cone e a variação na pressão do arco utilizando 5% de hidrogênio misturado ao argônio. Os ensaios tipo cordão sobre chapa realizados mostraram que o processo TIG duplo eletrodo apresenta menor susceptibilidade à formação de defeitos tipo humping na soldagem de elevada velocidade. O processo foi testado em soldagem de chapas em junta sobreposta, obtendo velocidade de até 1,
This thesis deals with the research and development of the double electrode GTAW process, modality investigated for the first time in an academic work in Brazil, and even internationally is until yet restricted to a few research groups. The main objective of this work was inserted in a project of high productivity welding technologies development using the TIG process, which has great potential for cost savings and reduced environmental impact if used to replace the MIG / MAG in different applications. The most significant result was the development of a complete welding system (torches and welding power source) that allowed operating with the double electrode process adequately. It has enabled the use of total current intensity of up to 900 A, that is important for prospecting high productivity applications. The developed equipment provided the necessary flexibility to enable the study of the most relevant aspects of the process, using different combinations of positioning between the electrodes in order to characterize the arc morphology in different conditions. One of the main issues addressed was the arc deviation caused by the interaction of the magnetic fields from the arc of each electrode. This deviation assumes different intensities depending on the distance and positioning between the electrodes. In some situations, this deviation results in an unwanted plasma flux toward the welding torch that produces harmful effects as strong instability and torch overheating. These problems can be avoided by using the synchronized out of phase pulse technique or using small distances between the electrodes. It was noticed a considerable influence on the welding speed at the arc morphology, also causing significant difference in voltage drop values at each electrode. Measurements of the arc stagnation pressure were conducted using different distances between the electrodes. The results showed that the double electrode method presents much lower arc pressure than the conventional process, for the same total average current. Furthermore, arc pressure measurements were performed showing the influence of the truncated sharpening geometry of the electrode, and the use of 5% hydrogen in the argon on the shielding gas. Bead on plate test were carried out showing that the double electrode GTAW has lower susceptibility to the humping defects formation in high speed welding. The process was also tested welding mild-steel plates in lap joint, reaching welding velocity up to 1.2 m/min using argon at shielding gas, which means 50% increasing at the speed, comparing with conventional GTAW.
Keywords: Double electrode GTAW, high-speed welding, arc stagnation pressure.
Figura 14 - Pontos de solda TIG mostrando a possibilidade de deformação do morfologia do arco usando campo magnético externo [17] ................ 51 Figura 15 - Resultados de Nomura et al. [17] mostrando que a manipulação do arco TIG usando campo magnético externo possibilitou aumentar a velocidade de soldagem sem formação de humping de 100 para 180 cm/min ..................................................................................................... 52 Figura 16 - Sistema de soldagem que utiliza 3 tochas TIG em sequência, utilizado para fabricação de tubos com costura. Fonte: www.ledica.it [18] ................................................................................................................. 53 Figura 17 -Desenho esquemático representando o processo TIG duplo eletrodo .................................................................................................... 54 Figura 18 – Força produzida em uma carga elétrica positiva se movendo por um campo magnético. Adaptado do trabalho de Reis [19] ...................... 55 Figura 19 - Diagrama explicando a atração de dois arcos de mesma polaridade. Adaptado de Reis [19]........................................................... 57 Figura 20 - Tocha de soldagem TIG duplo eletrodo utilizada por Kobayashi et al. [20] .................................................................................................. 59 Figura 21 - Resultados de medição de pressão de estagnação, comparando o TIG-DE com o processo de eletrodo único [20] ................................... 60 Figura 22 - Perfil de distribuição da pressão do arco. Esquerda: TIG convencional. Direita: Processo duplo eletrodo [20] ............................... 60 Figura 23 - Aspecto do arco para o processo convencional (esquerda), e para o processo TIG-DE (direita), utilizando a mesma quantidade total de corrente [21]............................................................................................. 61 Figura 24 – Resultados de medições mostrando a distribuição da pressão de estagnação do arco com diferentes correntes de soldagem (DEP: 3 mm, Gás: Ar). Fonte: [23] Esquerda: TIG convencional. Direita: TIG-DE com 4 mm de afastamento entre os eletrodos. (Atenção para as diferentes escalas dos gráficos)............................................................................................. 62 Figura 25 - Resultados mostrando a distribuição da pressão de estagnação do arco com diferentes DEP usando 200 A de corrente total. Fonte: [23] Esquerda: TIG convencional. Direita: TIG-DE com 4 mm de afastamento entre os eletrodos. (Atenção para as diferentes escalas dos gráficos) ...... 62 Figura 26 - (a) Resultados de distribuição da pressão de estagnação do arco TIG-DE com diferentes distâncias entre os eletrodos para corrente total de 200 A. [23] (b) Comparação da tensão do arco em cada eletrodo para os processos TIG convencional e duplo eletrodo, Gás: Ar, DEP: 3 mm [22] ................................................................................................................. 63
Figura 27 - Resultados de soldagem mostrando melhor desempenho do TIG-DE (cordões (b) e (d)) em comparação com o processo convencional (cordões (a) e (c)) [22] ............................................................................. 64 Figura 28 – Simulação da influência no afastamento do eletrodo na temperatura e velocidade e direção do fluxo de plasma para o processo TIG-DE. [26] (DEP: 3 mm, Gás: Ar, I: 100 A cada eletrodo) ................. 65 Figura 29 - Perfis de distribuição de densidade de calor imposto calculados para o TIG-DE com diferentes espaçamentos entre a ponta dos eletrodos. [24] (DEP: 3 mm, Gás: Ar, I: 100 A cada eletrodo) ................................ 66 Figura 30 - Valor máximo da densidade de calor imposto calculados para o TIG-DE com diferentes espaçamentos entre a ponta dos eletrodos. [26] (DEP: 3 mm, Gás: Ar, I: 100 A cada eletrodo)........................................ 66 Figura 31 - Perfis de distribuição de pressão do arco calculados para o TIG- DE com diferentes espaçamentos entre a ponta dos eletrodos. [24] (DEP: 3 mm, Gás: Ar, I: 100 A cada eletrodo)...................................................... 67 Figura 32 - Valor da pressão máxima do arco para o processo TIG-DE com diferentes distâncias entre os eletrodos, calculado por Ogino et al. (DEP: 3 mm, Gás: Ar). Gráfico da esquerda [24]. Gráfico da direita [26] ............ 67 Figura 33 - Valor do calor aportado total para o processo TIG-DE com diferentes distâncias entre os eletrodos, calculado por Ogino et al. (DEP: 3 mm, Gás: Ar). Gráfico da esquerda [24]. Gráfico da direita [26] ............ 68 Figura 34 - Análise por simulação numérica do processo TIG-DE realizado por Wang et al. [27] Figuras (a), (b) e (c): Direção, velocidade e temperatura do plasma, sendo em (a) o corte no eixo xz, em (b) o corte no eixo yz e em (c) a vista superior em corte 0,15 mm a cima da superfície do ânodo. Figura (d): Densidade de corrente................................................ 69 Figura 35 - Imagem de um sistema TIG-DE desenvolvido para operações de revestimento. Fonte: [28] .................................................................... 70 Figura 36 - Imagem dos primeiros ensaios realizados para o estudo do processo TIG-DE [29] ............................................................................. 73 Figura 37 - Desvio magnético do arco nos ensaios realizados com duas tochas de soldagem TIG posicionadas com 13 mm de afastamento entre os eletrodos. Esquerda: 100 A em cada eletrodo. Direita: 200 A em cada eletrodo. [29] ........................................................................................... 73 Figura 38 - Tentativa de utilizar um aparato externo para diminuir o desvio do arco no processo TIG duplo eletrodo. [29] ......................................... 74 Figura 39 – Renderização com transparência dos componentes mostrando o projeto da primeira versão de tocha TIG duplo eletrodo projetada pelo LABSOLDA-UFSC................................................................................. 76
Figura 50 - Ensaio de soldagem tipo cordão sobre chapa com diferentes velocidades no mesmo cordão. Imagem superior: Processo TIG convencional com 300 A. Imagem inferior: Processo TIG-DE, com 4 mm de distância entre a ponta dos eletrodos e corrente de soldagem de 200 A em cada eletrodo ...................................................................................... 91 Figura 51 – Imagem mostrando a fixação do corpo de prova na mesa de soldagem utilizado nos ensaios cordão sobre chapa ................................ 92 Figura 52 - Desenhos esquemáticos mostrando as 4 posições padrão para cada eletrodo na 2ª versão de tocha de soldagem TIG-DE desenvolvida 93 Figura 53 - Imagens da simulação numérica do fluxo de gás feita durante o projeto da tocha TIG-DE para comparar duas concepções diferentes do difusor de gás ........................................................................................... 95 Figura 54 - Imagens da segunda versão de tocha TIG duplo eletrodo desenvolvida e fabricada em parceria entre o LABSOLDA-UFSC e o ISF- RWTH-Aachen ........................................................................................ 98 Figura 55 - Imagens da segunda versão de tocha TIG duplo eletrodo desenvolvida e fabricada em parceria entre o LABSOLDA-UFSC e o ISF- RWTH-Aachen ........................................................................................ 99 Figura 56 - Imagem da bancada de soldagem TIG duplo eletrodo no ISF- RWTH-Aachen ...................................................................................... 101 Figura 57 – Módulos de aquisição utilizados para fazer o sistema de aquisição de dados e comando da mesa de soldagem ............................ 102 Figura 58 - Efeito do filtro analógico do sinal de tensão. Em verde o sinal original, e em vermelho o sinal filtrado ................................................. 103 Figura 59 - Módulo eletrônico construído para isolar os sinais de tensão durante os pulsos de alta frequência da abertura do arco....................... 104 Figura 60 - Tela do programa feito em LabVIEW utilizado para aquisição dos sinais de corrente e tensão, e controle da velocidade de soldagem. 105 Figura 61 - Imagens do arco com diferentes ângulos de afiação dos eletrodos. (Vs: 0,4 m/min. DEP: 3 mm. Imagens da coluna central: 200 A em cada eletrodo. Imagens da coluna à direita: pulsado sincronizado fora de fase com Ip: 370 A, Ib: 30 A e tp e tb: 0,1s. Tempo de exposição da imagem: 0,2 s) ....................................................................................... 107 Figura 62 - Aspecto do arco utilizando eletrodo afiado com ângulo de 20° no processo TIG duplo eletrodo. (Vs: 0,4 m/min. DEP: 3 mm. (a): 200 A (corrente constante) em cada eletrodo. (b): Pulsado sincronizado fora de fase com Ip: 370 A, Ib: 30 A e tp=tb: 0,1s. (c): 350 A (corrente constante) em cada eletrodo. Tempo de exposição das imagens: 0,2 s).................. 108 Figura 63 - Desenho esquemático mostrando o aparato experimental utilizado para medição da pressão de estagnação do arco ..................... 109
Figura 64 - Aparato de medição de pressão do arco. (a): Tocha duplo eletrodo posicionada sobre o aparato de medição. (b): Imagem mostrando a tocha sem o bocal de gás de proteção permitindo visualizar os eletrodos e o orifício de medição........................................................................... 110 Figura 65 - Equipamentos utilizados para as medições de pressão de estagnação. (a): Sensor de pressão utilizado. (b): Registrador de dados 112 Figura 66 - Figura esquemática mostrando a movimentação da tocha de soldagem em torno do orifício de medição durante os ensaios de medição da pressão de estagnação do arco........................................................... 113 Figura 67 - Procedimento de aferição utilizando relógio comparador para verificar se os sistemas utilizados para movimentação estavam adequados ............................................................................................................... 114 Figura 68 - Gráfico mostrando o resultado das 3 medições diferentes realizadas para a mesma condição experimental ................................... 115 Figura 69 – Gráficos de pressão de estagnação do arco para o processo TIG duplo eletrodo utilizando diferentes afastamentos entre os eletrodos .... 117 Figura 70 - Vista superior da distribuição de pressão com diferentes afastamentos entre os eletrodos. (a) 0,5 mm; (b) 2 mm; (c) 4 mm e (d) 6 mm ......................................................................................................... 118 Figura 71 - Resultados da medição de pressão de estagnação para o processo TIG-DE utilizando diferentes distâncias entre os eletrodos .... 119 Figura 72 - Resultados da medição de pressão de estagnação para o processo TIG-DE utilizando diferentes distâncias entre os eletrodos em comparação com o processo TIG convencional .................................... 121 Figura 73 - Morfologia do arco para o processo TIG duplo eletrodo com diferentes afastamentos entre os eletrodos ............................................. 123 Figura 74 - Eletrodos utilizados para medição da pressão de estagnação do arco para comparar o efeito da afiação em tronco de cone .................... 124 Figura 75 - Gráficos mostrando os resultados das medições de distribuição da pressão de estagnação do arco utilizando eletrodos com afiação normal (eletrodo pontiagudo), e afiação com tronco de cone com diâmetros 1 e 2 mm ......................................................................................................... 125 Figura 76 - Gráficos mostrando os resultados das medições da pressão de estagnação do arco utilizando eletrodos com afiação normal (eletrodo pontiagudo), e afiação com tronco de cone com diâmetros 1 e 2 mm (DEP 3 mm; gás Ar) ........................................................................................ 125 Figura 77 - Resultados da medição de pressão de estagnação do arco para o processo TIG comparando a utilização de argônio puro e de uma mistura com 5% de H 2 ........................................................................................ 126
