Publicação: Assessment of Low Current Tandem GMAW Processes with Waveform
Control and with Aid of Laser Beam
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Norrish, John, Cuiuri, Dominic
Resumo
In face of manufacturing-related limitations in the present-day industry, the welding
sector has looked for new, or even not so new, processes. In other words, it has invested in
the development of new processes and, especially, in the use of new arrangements for
conventional processes. Thus, the aim of this work was to assess the use of combined
processes and techniques as means of overcoming welding-related manufacturing
limitations. In order to achieve this target, different tandem GMAW versions were assessed
concerning welding current waveform control by developing dedicated softwares. The highspeed
welding potential of a tandem process was coupled with the penetration control ability
of controlled short-circuit and/or pulsed transfer modes. A combination of tandem GMAW
with Laser beam welding was also assessed. As a consequence of difficulties faced in
tandem GMAW, an investigation on arc interruptions was carried out by using
electromagnetic fields to blow out the arcs. The tandem GMAW versions with both wires
operating in controlled short-circuit mode and also with controlled short-circuit mode in the
leading wire and pulsed mode in the trailing wire were highly unstable because of the intense
interaction between the arcs and the weld pool. The tandem GMAW version with pulsed
mode (low mean current) in both wires presented disturbances and interruptions, but such
events were circumvented by using a very small delay between the current pulses of each
wire. As the tandem pulsed GMAW was the only approach that showed practicability, it was
combined with Laser beam welding. This hybrid process was able to increase the maximum
welding travel speed or penetration depth significantly in comparison to tandem pulsed
GMAW. The Laser beam showed to aid the tandem GMAW process, but more efficiently if
placed half way between the wires. In relation to the investigation on arc interruptions, the
higher the arc welding current and the shorter the arc length, the more the arc resists to the
extinction. High-frequency current pulsing decreased the arc resistance to extinction. A
model to explain the arc interruptions was proposed based on a heat balance in the arc
column. Eventually, recommendations for future developments are presented
Abstract
Em função da demanda industrial por produção de baixo custo, eficiente, rápida e
confiável, a necessidade de soluções de manufatura sofisticadas e avançadas tem
aumentado. Em face desta demanda da indústria atual por produtividade, o setor de
fabricação tem procurado por novos, e mesmo não tão novos, processos. A meta tem sido
superar limitações relacionadas à manufatura dos processos atuais. Esta meta não é
diferente para a soldagem e somente pode ser alcançada com soluções envolvendo
entendimento dos fenômenos envolvidos. Assim, soluções para desafios de fabricação
relacionados à soldagem têm sido alcançadas a partir do desenvolvimento de novos
processos e, especialmente, pelo uso de novos arranjos para processos convencionais.
O objetivo deste trabalho foi, então, avaliar o uso de técnicas e processos combinados
como meio de superar limitações de fabricação relacionadas à soldagem. Como forma de
atingir este objetivo, versões distintas do processo GMAW duplo-arame foram avaliadas. O
potencial para altas velocidades de soldagem do processo com dois arames foi unido à
habilidade para controlar a penetração dos modos de transferência por curto-circuito
controlado e/ou pulsado. Uma combinação de GMAW duplo-arame e soldagem a Laser
também foi avaliada. Em consequência de dificuldades encontradas em GMAW duploarame,
foi feita uma investigação sobre interrupções de arco utilizando campos magnéticos
para apagar os arcos.
Três versões da soldagem GMAW duplo-arame foram desenvolvidas através do
controle do formato de onda de corrente por três programas (softwares): um com modo
pulsado em ambos os arames, um com modo curto-circuito controlado em ambos os arames
e um com modo curto-circuito controlado no arame da frente e modo pulsado no arame de
trás. Todos os programas foram capazes de controlar os parâmetros de soldagem em
ambos os arames. Entretanto, o processo com os dois arames operando no modo curtocircuito
controlado e o processo com o arame da frente no modo curto-circuito controlado e
com o arame de trás no modo pulsado foram altamente instáveis por causa da intensa
interação entre os arcos e a poça de fusão, o que impede qualquer possibilidade de
aplicação dos mesmos em passes de raiz no estágio atual de desenvolvimento dos programas. Em relação ao processo com modo pulsado em ambos os arames, foram
observadas instabilidades e interrupções de arco, principalmente no arame de trás. Estas
interrupções de arco levaram a defeitos de falta de deposição e fusão/penetração, já que
elas causam pausas na deposição de arame e na fonte de calor. Foi verificado, ao menos
para baixos níveis de corrente média, que os pulsos de corrente do arame da frente e de
trás precisaram estar quase que em fase (pequena defasagem) para minimizar tensões
anormais (instabilidades) e evitar interrupções no arame de trás, não importando a condição
superficial da chapa (oxidada ou não). O processo GMAW duplo-arame no modo pulsado
em baixos níveis de corrente foi a única opção que mostrou condições de ser aplicada em
juntas, podendo ser viável para aumentar a velocidade de soldagem de passes de raiz.
Assim, o processo GMAW duplo-arame em modo pulsado foi escolhido para ser
combinado com um feixe de Laser, formando um processo híbrido. O feixe de Laser teve um
efeito positivo sobre o aspecto dos cordões de solda produzidos e quanto maior a potência
do feixe melhor. Os resultados indicaram que o feixe de Laser é melhor utilizado se
colocado no meio da distância entre os arames e uma distância entre arames de 10 mm
promoveu os melhores resultados. O processo híbrido foi capaz de aumentar
significativamente a velocidade de soldagem máxima ou a profundidade de penetração em
testes sobre chapas em comparação ao GMAW duplo-arame em modo pulsado. Para as
condições utilizadas, a posição do ponto focal do feixe Laser em relação a superfície da
chapa não afetou o perfil do cordão de solda.
Para simplificar a abordagem na investigação sobre as razões para a ocorrência de
interrupções de arco em GMAW duplo-arame, arcos GTAW foram submetidos a campos
magnéticos repentinos produzidos por um eletroímã construído para deflexão/apagamento
de arcos elétricos. Os testes mostraram que em situações nas quais arcos de soldagem são
afetados por campos magnéticos (GMAW duplo-arame, oscilação magnética de arco, etc.),
eles podem ser certamente extintos (interrompidos) se a densidade de campo magnético for
alta o suficiente. Quanto maior a corrente elétrica fluindo através do arco e mais curto o
comprimento do arco, mais o arco resiste a extinção. Ao menos para as condições
utilizadas, se o ângulo da tocha (arco) é selecionado de forma a empurrar a poça de fusão,
a resistência do arco à extinção aumenta. A pulsação de corrente em alta-frequência, em
geral, diminuiu a resistência do arco à extinção, contrariando a literatura. A resistência do
arco à extinção foi levemente reduzida com o arco desviado (e então apagado) em direção
ao sentido de soldagem. Os valores de tensão de arco no momento de extinção não
pareceram ser dependentes, nem do campo magnético externo, nem do nível de corrente de
soldagem utilizado. Entretanto, todos os arcos tenderam a ser extintos dentro de uma faixa
de tensão. Um modelo para explicar as interrupções de arco foi proposto baseado no balanço de calor na coluna de plasma. Baseado neste modelo, o arco é extinto devido à
uma perda de calor excessiva à medida que tem seu comprimento aumentado em função da
deflexão. Consequentemente, a extinção do arco acontece quando o calor produzido e
entrando na coluna de plasma se torna insuficiente para contrabalançar a perda de calor
total na coluna de plasma. Extrapolando os resultados relacionados a arcos GTAW para
arcos GMAW, dois fatores agem para determinar as interrupções do arco de trás: a deflexão
do arco de trás e o calor gerado e absorvido pelo arco de trás. Ambos estes fatores são
relacionados à corrente de soldagem e um balanço entre eles deve ser estabelecido para
evitar as interrupções. Dada uma configuração de arcos em GMAW duplo-arame
(comprimentos, distância entre arames, etc.), a minimização/eliminação de interrupções é
uma questão de quanta corrente e de quando ela é aplicada (sincronismo).
Conclui-se o trabalho apresentando sugestões para desenvolvimentos futuros.
Palavras-chave
Soldagem, Tandem GMAW, Waveform control, Hybrid welding, Arc interruption, GMAW duplo-arame, Controle do formato de onda, Laser-GMAW, Soldagem híbrida, Interrupção de arco,
Citação
REIS, Ruham Pablo. Avaliação de Processos GMAW Duplo-Arame em Baixa Corrente com
Controle do Formato de Onda e com Auxílio de Feixe de Laser. 2009. 294 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2009.