Assessment of Low Current Tandem GMAW Processes with Waveform Control and with Aid of Laser Beam

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.