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metadata.dc.type: Tese
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Análise e modelagem empírica do processo de soldagem a plasma com Keyhole em aço inoxidável
Other Titles: Analysis and empirical modeling of the Keyhole plasma welding process of stainless steel
metadata.dc.creator: Richetti, André
metadata.dc.contributor.advisor1: Ferraresi, Valtair Antonio
metadata.dc.contributor.referee1: Scotti, Américo
metadata.dc.contributor.referee2: Oliveira, Sônia Aparecida Goulart de
metadata.dc.contributor.referee3: D oliveira, Ana Sofia Clímaco Monteiro
metadata.dc.contributor.referee4: Mota, Carlos Alberto Mendes da
metadata.dc.description.resumo: O processo de soldagem a plasma (PAW Plasma Arc Welding) vem recebendo, nos últimos anos, uma aceitação significativa para seu uso em aplicações automatizadas, principalmente em países desenvolvidos. Isto tem estimulado em grande parte a realização de pesquisas científicas que visam o entendimento dos fenômenos físicos envolvidos no processo. Atualmente, a quantidade de trabalhos técnico-científicos disponíveis na literatura do processo é imensa. Contudo, há ainda certos aspectos pouco estudados, ou com informações divergentes. Pode-se exemplificar este problema com alguns tipos de aplicações, como a soldagem em juntas chanfradas e de aços carbono, as quais são dificilmente encontradas na prática. Há também a falta de informações relacionadas com variáveis até então consideradas como secundárias. Tais variáveis podem, no entanto, apresentar uma influência significativa na qualidade e perfil da solda e na produtividade do processo. Recentemente, as pesquisas científicas têm gerado modelos teóricos e empíricos, os quais vêm sendo utilizados para o entendimento do comportamento dos processos sob determinadas condições de soldagem. Aliás, a geração de modelos tem sido uma das principais atividades dentro da engenharia moderna. Entretanto, a elaboração de um modelo adequado depende de um estudo amplo e sistemático dos efeitos de cada uma das variáveis de soldagem. Desta forma, este trabalho tem como objetivos principais a verificação do efeito das variáveis de processo sobre a geometria de cordão na soldagem a plasma com keyhole e, a partir destes efeitos, desenvolver modelos matemáticos que permitam prevê-la a partir das condições de trabalho, ou otimizar o processo. As técnicas utilizadas para a geração dos modelos foram a Metodologia de Superfície de Resposta e a Teoria da Similitude (similaridade). Os resultados obtidos mostram a viabilidade da obtenção de modelos matemáticos para prever o comportamento do processo dentro da região de trabalho. Dentro deste aspecto, verificou-se que a Metodologia de Superfície de Resposta parece ser a mais indicada para o estudo de poucas variáveis. Por outro lado, a Teoria da Similitude apresentou uma grande facilidade para a obtenção dos modelos matemáticos, mesmo considerando um grande número de variáveis de estudo. Além disso, as equações obtidas garantem um melhor entendimento físico dos fenômenos envolvidos. Outro aspecto interessante abordado neste trabalho foi a verificação da potencialidade da aplicação da técnica da camada de fluxo ativo, desenvolvida para o processo GTAW Gas Tungsten Arc Welding, também para o processo a plasma com keyhole. O fluxo ativo, apesar de não ser considerado uma variável propriamente dita, representa uma alternativa para melhorar ainda mais a produtividade do processo. Os resultados obtidos com a técnica tradicional mostram que há a formação de uma escória de difícil remoção devido às interações entre o fluxo e a poça de fusão. Desta forma, foi proposta uma nova metodologia para a aplicação da camada de fluxo por sobre a superfície da peça. Os resultados obtidos com esta nova metodologia mostraram-se satisfatórios, tanto no sentido de aumentar a produtividade do processo (aumento da penetração), como no de garantir um bom acabamento superficial do cordão (liso e sem escória). Este trabalho representa um amplo estudo do processo a plasma com keyhole aplicado na soldagem do aço inoxidável 304L e que serve de suporte para estudos posteriores. Neste estudo, foram verificados os efeitos das variáveis de processo sobre a geometria de cordão, os quais mostraram a robustez do processo neste tipo de aplicação e a possibilidade de se obter modelos matemáticos para a predição do perfil da solda sob determinadas condições de soldagem. As técnicas utilizadas, Superfície de Resposta e Similitude, se mostraram satisfatórias para a obtenção dos modelos propostos, sendo então indicadas para o uso em trabalhos futuros. O estudo feito na soldagem de fluxo ativo e a nova metodologia proposta para a aplicação do fluxo sobre a superfície da peça tornaram viável este tipo de soldagem, permitindo aumentar a produtividade do processo sem os efeitos prejudiciais sobre a qualidade superficial das soldas, os quais são observados na soldagem com fluxo ativo tradicional. Todos estes resultados representam um avanço na análise e no entendimento dos fenômenos envolvidos no processo de soldagem a plasma através da técnica keyhole.
Abstract: The plasma welding process has been receiving a significant acceptance in the last few years for its use in automated applications, mainly in developed countries. It has stimulated scientific researches, which intend a better understanding of the physical phenomena involved in the process. Nowadays, there is a huge number of technical and scientific work available in the current literature, but there are some effects, which have still not been studied fully or present divergent information. For example, applications with chamfered V joints and welding of carbon steels are recommended in the literature, but these applications are not easy to be reproduced in production lines. There is also a lack of information related with those variables considered as secondary. Such variables can present a significant effect on the weld quality and process productivity, though. In recent work, empirical and theoretical models have been developed, which are often used to the prediction of the process behavior under certain welding conditions. As a matter of fact, model developments have been one of the main activities in the modern engineering. However, an adequate model depends on a wide and systematic study of the process variables effects. In order to do this, this work aims the verification of the effect of the process variables on the weld bead geometry in plasma keyhole welding of stainless steel and, considering these effects, to obtain mathematical models, which allow predicting the weld profile as a function of the welding conditions. These models can be also used to optimize the process based on its productivity. It was used a statistical technique, the Response Surface Methodology and the Similitude Theory to obtain the models. The results show the possibility of the development of mathematical models to predict the process behavior inside the operational ranges studied. Actually, it was verified that the Response Surface Methodology is more indicated when a few number of variables are studied. On the other hand, the Similitude Theory presented a easier means to obtain mathematical models, even when the number of variables is large. Besides, the equations allow a better understanding of the physical phenomena involved. Another interesting topic studied in this work was the verification of the use of the active flux layer technique, which was developed for the GTA welding, also in the keyhole plasma process. The results obtained indicate that the use of the traditional way of flux application tend to produce slag hard to be removed. In order to avoid this problem, it was xvi proposed a new technique to apply the flux on the pieces to be welded. The results with this new methodology were satisfactory, allowing to increase the productivity (depth of penetration)and ensuring a good weld bead surface finish (smooth and free of slag). This work represents a general study of the keyhole plasma welding of stainless steel AISI 304L and it can be used as support for further studies. The effect of the process variables on the weld bead geometry was assessed, since it represents the process robustness for this kind of application. Moreover, it is possible to obtain mathematic models for weld profile prediction under certain conditions. The techniques employed here to obtain the mathematic models, Response Surface and Similitude, obtained satisfactory results and they can be used for additional studies or modelling. The study carried out on the active-flux welding and on the new methodology proposed to apply the flux on the surface makes this kind of welding feasible and allows rising the process productivity without spoiling the weld surface finishing, which are observed in the traditional welding with active flux. All these results represent an advance in the analysis and the understanding of the fenomena involved in the keyhole plasma process.
Keywords: Soldagem a plasma
Keyhole
Modelagem empírica
Variáveis de soldagem
Fluxo ativo
Plasma welding
Keyhole
Empirical modeling
Process variables
Active flux
Soldagem a plasma
Juntas soldadas
Processos de fabricação
Engenharia mecânica
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Citation: RICHETTI, André. Analysis and empirical modeling of the Keyhole plasma welding process of stainless steel. 2003. 292 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2003.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14785
Issue Date: 18-Dec-2003
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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