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UNIVERSIDADE DE BRASLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA
RELAO IWP E DWP EM GMAW PARA PROJETO DE
JUNTAS TIPO T POR FILOSOFIA BAYESIANA
FILLIPE MENDONA ALBUQUERQUE
ORIENTADOR: SADEK CRISSTOMO ABSI ALFARO
DISSERTAO DE MESTRADO
EM SISTEMAS MECATRNICOS
PUBLICAO: PPMEC.DM 70 A/14
BRASLIA/DF, 30 JUNHO 2014.
FICHA CATALOGRFICA
ALBUQUERQUE, FILLIPE MENDONA.Relao IWP e DWP em GMAW para projeto de juntas tipo T por filosofia bayesiana.[Distrito Federal] 2014.xvii, 120 p., 210 x 297 mm (ENM/FTlUnB, Mestre, Sistemas Mecatrnicos, 2014).
Dissertao de Mestrado Universidade de Brasilia.Faculdade de Tecnologia.
Departamento de Engenharia Mecnica1. Solda3.GMAWI. ENMlFTlUnB
2. Junta4. Bayes11. Ttulo (srie)
REFERNCIA BmLIOGRFICA
ALBUQUERQUE, F. M. (2014). Relao IWP e DWP em GMAW para projeto de juntas
tipo T por filosofia bayesiana. Dissertao de Mestrado em Sistemas Mecatrnicos,
Publicao PPMEC.DM 70 A/l4, Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade de
Braslia, Braslia, DF, 120 p.
CESSO DE DIREITOS
AUTOR: Fillipe Mendona Albuquerque
TTULO: Relao IWP e DWP em GMAW para projeto de juntas tipo T por filosofia
bayesiana,
GRAU: Mestre ANO: 2014
concedida Universidade de Braslia permisso para reproduzir cpias desta dissertao
de mestrado e para emprestar ou vender tais cpias somente para propsitos acadmicos e
cientficos. O autor reserva outros direitos de publicao e nenhuma parte dessa dissertao
de mestrado pode ser reproduzida sem autorizao por escrito do autor.
F llipe Mendona Albuquerque .
lU
iv
AGRADECIMENTOS
Minha querida famlia, os meus mais sinceros agradecimentos, a cada um de vocs, por
acreditar, apoiar e sacrificar do seu tempo ao meu lado em prol dessa etapa da minha vida.
minha grande parceira e amiga Eliza Cristina, pelo apoio irrestrito ao longo de tantos
anos. Sou grato a ti, dona Eliza, por momentos to turbulentos e to agradveis ao seu lado.
Minha gratido se estende queles que apoiaram, por demais, a minha caminhada ao longo
do mestrado, principalmente nos tropeos e acertos na busca pelo saber. Sou grato pelo
espao aos desabafos, por me tratarem com humanidade, sempre, como feito pelo senhor
lvaro Patio, senhor Esdras Ramos, senhora Patrcia Tavares, senhora Ana Paula
Bernardi e senhor Jess Emlio.
Ao suporte tcnico incansvel do senhor Antnio Marrocos, com sua postura
extremamente profissional e infinita vontade de ajudar. Mostrou-se um facilitador, franco e
assertivo, na ruidosa comunicao entre alunos, professores, GRACO e SG9.
UnB e PPMEC, por terem me aceitado e acreditado no meu potencial de realizar este
trabalho.
CAPES, pelo auxlio financeiro oportuno.
Ao meu orientador, Sadek C. A. Alfaro, por ser to acessvel e franco em nossas conversas.
Sou grato pela autonomia na escolha e conduo dos meus trabalhos.
equipe tcnica do Laboratrio de Mecnica SG9, Marcos, Xavier, Tssis e Arthur, pela
prontido nas tarefas de oficina e metrologia.
In science, as in life, you may befriend a few. The others are drows.
Fillipe Albuquerque
v
Dedicado ao pai e ao filho,
por tudo,
nos momentos bons, ruins e feios.
vi
RESUMO
RELAO IWP E DWP EM GMAW PARA PROJETO DE JUNTAS
TIPO T POR FILOSOFIA BAYESIANA
Autor: Fillipe Mendona Albuquerque
Orientador: Sadek Crisostomo Absi Alfaro
Programa de Ps-graduao em Sistemas Mecatrnicos PPMEC
Braslia, 30 de junho de 2014
A modelagem de parmetros indiretos (em ingls Indirect Welding Parameters, IWP) e
diretos (em ingls Direct Welding Parameters, DWP) alvo de investigao desde 1940
atravs de modelos analticos, seguido de modelos empricos, estatsticos, por redes
neurais, entre outros. No entanto, ainda superficial o conhecimento que se tem sobre a
relao de IWP e DWP que atenda os requisitos de projetos em soldagem estrutural em
juntas de ngulo em 90.
Este trabalho apresenta um mtodo para associar por probabilidades um grupo de IWP,
como as variveis tenso eltrica de soldagem, velocidade de soldagem e velocidade de
alimentao do arame, aos critrios de projetos de junta tipo T como elemento estrutural,
atravs da aplicao da Regra de Bayes em um universo definido por planejamento
fatorial.
Os dados foram coletados a partir do processo de soldagem a arco eltrico com gs de
proteo, alimentao contnua de eletrodo no revestido e slido, em modo de
transferncia por curto-circuito (em ingls Gas Metal Arc Welding). Utilizaram-se juntas
de ngulo de 90, com cordes intermitentes em apenas um lado da junta, na posio 2F.
Amostras foram colhidas de seces transversais das juntas e medidas em um projetor de
perfil. Os resultados mostram que possvel direcionar a configurao das variveis de
entrada do processo de soldagem atravs das distribuies de probabilidade obtidas para
um dado valor de largura do filete, considerando o conhecimento a priori do universo
investigado e o clculo das relaes de IWP e DWP por Regra de Bayes.
Palavras-chave: Solda. Junta. GMAW. Bayes.
vii
ABSTRACT
IWP AND DWP RELATION IN GMAW TO T-JOINT PROJECTS BY
BAYESIAN PHILOSOPHY
Author: Fillipe Mendona Albuquerque
Supervisor: Sadek Crisostomo Absi Alfaro
Mechatronics Systems Post-graduation Program PPMEC
Braslia, June 30th 2014
Researches about modeling Indirect and Direct Welding Parameters are around since 1940,
through analytical, empirical, statistical, neural networks, among other models.
Nonetheless, the knowledge about them is still superficial when the subject is the
relationship of IWP and DWP required on 90 angled welded joints at structural
weldments.
This work presents a method to associate by probabilities a group of IWP, such as welding
voltage, welding speed and wire feed speed variables, to T joint welding requirements as a
structural element through Bayes Rule in a universe defined by factorial planning.
The data is collected from a GMAW-S process in a 90 steel angled joint, with intermittent
weld bead on one side of the joint, at 2F welding position. Samples were collected from a
transversal sectioning of the joint and measured in a profile projector. The results showed
that is possible to guide the configuration of input welding variables through probabilities
distributions obtained given a known fillet size, having considered the a priori knowledge
of the researched universe and the calculus of the Bayes relationships.
Keywords: Weld. Joint. GMAW. Bayes.
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Classificao e subclassificao dos modos de transferncia metlica GMAW
(modificado de LOPERA, 2010). ........................................................................................ 43
Tabela 2.2 - Convexidade mxima (modificado de AWS D1.1, 2006)............................... 52
Tabela 2.3 - Valores aproximados para soldagem de ferrocarbono em curto-circuito
(ALTHOUSE et al., 2013). ................................................................................................. 63
Tabela 3.1 - Composio Ao SAE/AISI. ........................................................................... 77
Tabela 3.2 - Avaliao das velocidades de soldagem. ........................................................ 82
Tabela 3.3 - Informao tcnica da fonte. ........................................................................... 83
Tabela 3.4 - EPS experimental (NADZAM et al., 1995; PARMAR, 1995; TAMBOLI,
1999; MILLER WELDS, 2012; ALTHOUSE et al., 2013). ............................................... 83
Tabela 3.5 - Informao Adicionais do eletrodo DENVER - MIG de 1,2 mm. ................... 84
Tabela 3.6 - Planejamento fatorial. ...................................................................................... 88
Tabela 3.7 - Dimenses obtidas do perfil dos filetes no projetor. ....................................... 92
Tabela 3.8 - Avaliao estatstica das dimenses dos filetes. ............................................. 93
Tabela 3.9 - Nmero de eventos por IWP. .......................................................................... 93
Tabela 3.10 - Tenso de soldagem e largura do filete. ........................................................ 94
Tabela 3.11 - Velocidade de soldagem e largura do filete. ................................................. 94
Tabela 3.12 - Velocidade de alimentao do arame e largura do filete............................... 95
Tabela 3.13 - Largura do filete por tenso de soldagem. .................................................... 98
Tabela 3.14 - Largura do filete por velocidade de soldagem. ........................................... 100
Tabela 3.15 - Largura do filete por velocidade de alimentao do arame......................... 101
Tabela 3.16 - Relao W, l e t para GMAW-S. ................................................................. 101
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Componentes do processo GMAW manual..................................................... 22
Figura 2.2 - Variveis de entrada e sada em GMAW (modificado de Cook, 1981). ......... 24
Figura 2.3 - Relao IWP e DWP em GMAW (modificado de NAIDU et al., 2003). ....... 24
Figura 2.4 - Vizinhana da tocha em GMAW. .................................................................... 25
Figura 2.5 Curvas caractersticas de fontes de soldagem, em (A) tenso e corrente
constante, em (B) tenso constante (ROADKILL, 2013). .................................................. 26
Figura 2.6 - Efeito da tenso eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003). .............. 27
Figura 2.7 - Efeito da corrente eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003). ........... 28
Figura 2.8 - Indutncia, valor alto (esquerda) e baixo (direita) (WEMAN, 2003). ............. 29
Figura 2.9 Polaridade em DCEN e DCEP (modificado de ROADKILL, 2013). ............. 30
Figura 2.10 - Influncia da velocidade de soldagem no cordo de solda. ........................... 30
Figura 2.11 - Exemplificao de undercut em junta de topo. ............................................. 31
Figura 2.12 - ngulo da tocha, de acesso ou trabalho, e de ataque ou deslocamento. ........ 32
Figura 2.13 - Em (a) deslocamento positivo (drag ou backhand), em (b) perpendicular ou
vertical, e em (c) negativo (push ou forehand) (WEMAN, 2003). ..................................... 33
Figura 2.14 - Posicionamento angular adequado da tocha para soldagem de filete
(modificado de WEMAN, 2003). ........................................................................................ 34
Figura 2.15 - Influncia do CTWD na geometria do cordo de solda. ............................... 35
Figura 2.16 - Possvel configurao para GMAW-S, CTWD menor que stand off. ........... 36
Figura 2.17 - CTWD, stand off e stick out para junta T. ..................................................... 36
Figura 2.18 - Influncia geral da escolha do gs na geometria global da poa de fuso
(modificado de ALTHOUSE et al., 2013). ......................................................................... 39
Figura 2.19 - Da esquerda para a direita, bocal e difusor do tipo gas lens, e bocal padro,
respectivamente, ambos utilizados em TIG. ........................................................................ 40
Figura 2.20 - Tipos bsicos de juntas soldadas, vista em perspectiva e corte transversal
(modificado de TAMBOLI, 1999 e TIMINGS, 2008). ....................................................... 45
Figura 2.21 Exemplos de distribuio de esforos (WEMAN, 2003). ............................. 46
Figura 2.22 - Exemplos de movimentao do eletrodo, sem ou com tecimento. ................ 47
Figura 2.23 - Tipos comuns de chanfros para o projeto das juntas (modificado de
GREGORY et al., 2005 e AWS A3.0, 2010). ..................................................................... 47
Figura 2.24 - Posies de soldagem. ................................................................................... 48
x
Figura 2.25 - Exemplo de traduo entre posio de teste e produo (modificado de
ASME, 2013). ...................................................................................................................... 49
Figura 2.26 - Nomenclatura da geometria do cordo de solda. ........................................... 50
Figura 2.27 - Penetrao total e parcial em junta com chanfro. .......................................... 51
Figura 2.28 - Requerimentos de penetrao para solda em filete de junta tipo T
(modificado de TAMBOLI, 1999). ..................................................................................... 51
Figura 2.29 Parmetros do filete (modificado de AWS WHB, 1984). ............................. 52
Figura 2.30 - Perfis esperados de filete em junta tipo T (modificado de AWS D1.1, 2006).
............................................................................................................................................. 53
Figura 2.31 - Relao para o menor volume de filete. ........................................................ 55
Figura 2.32 - Geometria considerada para o filete. ............................................................. 56
Figura 2.33 - Diferena na capacidade de carga em ao carbono para ASD e LRFD.
(modificado de QUIMBY, 2008) ........................................................................................ 56
Figura 2.34 - Localizao dos elementos e smbolos de soldagem (ISO 2553, 2013). ....... 59
Figura 2.35 - Marcao de limites do filete na prtica. ....................................................... 60
Figura 2.36 - Rebolos e medidas de mercado (NORTON ABRASIVOS, 2013). ............... 61
Figura 2.37 - Em GMAW-S ocorre a extino momentnea do arco eltrico. ................... 62
Figura 2.38 - Histograma de tempo entre curtos-circuitos em GMAW-S (modificado de
NORRISH, 1992). ............................................................................................................... 62
Figura 2.39 - Modos de transferncia metlica por gs de proteo, 98% Ar + 2% CO2
(modificado de PIRES et al., 2012) e 100% Ar (MODENESI, 2008), respectivamente. ... 64
Figura 2.40 - Relao P[A|B] na interseco entre conjuntos. ............................................ 66
Figura 2.41 - Exemplo simplificado de uma rede bayesiana (modificado de
HECKERMAN, 1995). ....................................................................................................... 66
Figura 2.42 - Espao amostral S dividido em partes mutuamente exclusivas (LEON-
GARCIA, 1994). ................................................................................................................. 67
Figura 2.43 Exemplos de calibre de solda. ....................................................................... 71
Figura 2.44 - Diferena entre perfil do laser para (A) junta de topo e (B) junta T. ............. 73
Figura 2.45 - Projetor de Perfil, Laboratrio de Metrologia ENM-UnB. ............................ 74
Figura 2.46 - Funes para estimar (A) perna, (B) largura e (C) distoro no filete e junta.
............................................................................................................................................. 75
Figura 3.1 - Grupos de peas para soldagem. ...................................................................... 77
Figura 3.2 - Em (a) ferramentas, (b) marcao longitudinal na linha neutra do metal base e
(c) ponteamento da junta. .................................................................................................... 79
xi
Figura 3.3 - Amostra de dez peas preparadas para soldagem em filete. ............................ 79
Figura 3.4 - Posio da tocha para soldagem de junta tipo T, de acordo com Figura 2.14. 80
Figura 3.5 - Base para suporte da junta tipo T a ser soldada. .............................................. 80
Figura 3.6 - ngulos de Euler para TCP 1. ........................................................................ 81
Figura 3.7 - Sinal de tenso e corrente sem rudo no OSC do Waveview for Windows. 86
Figura 3.8 - Sinal adquirido de tenso (verde) e corrente (azul) eltrica, normalizados no
processo GMAW-S. ............................................................................................................ 86
Figura 3.9 - Correlao entre stick out (a: 5 mm, b: 10 mm, c: 20 mm) e IS para eletrodo de
1,2 mm de dimetro (NORRISH, 1992). ............................................................................. 87
Figura 3.10 - Esquema das distribuies dos cordes de solda na junta tipo T. ................. 88
Figura 3.11 - Franho FM 500 em corte de junta tipo T. ...................................................... 89
Figura 3.12 - Cordo de solda intermitente e junta seccionada. .......................................... 89
Figura 3.13 - Visualizao do perfil do filete no projetor. .................................................. 90
Figura 3.14 - Amostra de perfis de filetes obtidos. ............................................................. 91
Figura 3.15 - Distribuio de tenso de soldagem por largura do filete. ............................. 99
Figura 3.16 - Distribuio de velocidade de soldagem por largura do filete..................... 100
Figura 3.17 - Distribuio de velocidade de alimentao do arame por largura do filete. 101
xii
LISTA DE ACRNIMOS E SMBOLOS
Acrnimos Descrio
AISI Instituto Americano de Ferro e Ao (em ingls American Iron and Steel
Institute)
AISC Instituto Americano da Construo em Ao (em ingls American Institute of
Steel Construction)
ARLA Linguagem de programao de robs ABB (em ingls ASEA Programming
Robot Language)
ASD Projeto da Tenso Admissvel (em ingles Allowed Stress Design)
ASME Sociedade Norte-americana de Engenheiros Mecnicos (em ingls
American Society of Mechanical Engineers)
AWS Sociedade Americana de Solda (em ingles American Welding Society)
BNN Redes Neurais Bayesianas (em ingls Bayesian Neural Net)
BGNN Redes Neurais Bayesianas-Gaussianas (em ingls Bayesian-Gaussian
Neural Net)
BPNN Redes neurais em retropropagao (em ingls Backpropagation Neural Net)
CCD Dispositivo de Carga Acoplada (em ingls Charged Coupled Device)
CJP Penetrao Total (em ingls Complete Joint Penetration)
CMOS Semicondutor de xido Metlico Complementar (em ingls Complementary
Metal-oxide Semiconductor)
DAG Grficos Acclicos Dirigidos (em ingls Directed Acyclic Graph)
DCEP Eletrodo Positivo e Corrente Contnua (em ingls Direct Current Electrode
Positive)
DCP Distncia entre tubo de contato e metal base (em ingls contact tube to
workpiece distance, CTWD)
DCRP Polaridade Reversa e Corrente Contnua (em ingls Direct Current Reverse
Polarity)
DCEN Eletrodo Negativo e Corrente Contnua (Direct Current Electrode Negative)
DCSP Polaridade Direta e Corrente Contnua (em ingls Direct Current Straight
Polarity)
DL Carga morta (em ingls Dead Load)
DWP Parmetros Diretos de Soldagem (em ingls Direct Welding Parameters)
xiii
EPS Especificao de Procedimento de Soldagem (em ingls Welding Procedure
Specification, WPS)
GMAW Processo de soldagem a arco eltrico, alimentao contnua e eletrodo slido
no revestido (em ingls Gas Metal Arc Welding)
GMAW-P Modo de transferncia metlica pulsada para GMAW
GMAW-S Modo de transferncia metlica em curto-circuito para GMAW
GTAW Processo de soldagem a arco eltrico e eletrodo de tungstnio no
consumvel (em ingls Gas Tungsten Arc Welding)
HLAW Processo de soldagem a laser hbrido (em ingls Hibird Laser Arc Welding)
IIW Instituto Internacional de Soldagem (em ingls International Institute of
Welding)
INPM Grau do Instituto de Pesos e Medidas
ISO Organizao Internacional para Padronizao (em ingls International
Organization for Standardization)
IWP Parmetros Indiretos de Soldagem (em ingls Indirect Welding Parameters)
LL Carga Viva (em ingls Living Load)
LRFD Coeficiente de Projeto para Carga e Resistncia (em ingls Load and
Resistance Factor Design)
MAG Processo de soldagem a arco eltrico com eletrodo slido consumvel e gs
de proteo ativo (em ingls Metal Active Gas)
MIG Processo de soldagem a arco eltrico com eletrodo slido consumvel e gs
de proteo inativo (em ingls Metal Inert Gas)
NEMA Associao Nacional de Fabricantes Eltricos (em ingls National Electrical
Manufacturers Association)
OCV Tenso Eltrica em circuito aberto (em ingls Open-circuit Voltage)
PJP Penetrao parcial (em ingls Partial Joint Penetration)
PWHT Tratamento Trmico Ps-solda (em ingls Postweld Heat Treatment)
ROB Interface Robtica (em ingls Robot Interface)
SAE Sociedade de Engenheiros da Mobilidade (em ingls Society of Automotive
Engineers)
SMAW Processo de soldagem a arco eltrico e eletrodo revestido (em ingls
Shielded Metal Arc Welding)
TCP Ponto Central da Ferramenta (em ingls Tool Center Point)
xiv
TIG Processo de soldagem a arco eltrico e eletrodo de tungstnio no
consumvel (em ingls Tungsten Inert Gas)
US Tenso eltrica de soldagem
UA Tenso do arco eltrico
UE Tenso eltrica do eletrodo
VI Instrumento Virtual (em ingls Virtual Instrument)
WFS Velocidade de Alimentao do Arame (em ingls Wire Feed Speed)
WS Velocidade de Soldagem (em ingls Welding Speed)
ZTA Zona Termicamente Afetada (em ingls Heat-affected Zone, HAZ)
Smbolos Descrio
ngulo entre fora e seo do filete
ngulo de trabalho da tocha
Primeira constante emprica para taxa de derretimento do eletrodo
AR rea da seco do eletrodo, em mm
Segunda constante emprica para taxa de derretimento do eletrodo
Altura da solda em relao ao plano do filete em anlise, em mm
DR Dimetro do eletrodo, em mm
Fora perpendiculares seo analisada, em N
Fora atuando no plano da garganta do filete, em N
Capacidade da chapa de metal, em N
Tenso ltima, mxima ou limite de resistncia do metal base, em N/mm
Tenso ltima, mxima ou limite de resistncia do eletrodo, em N/mm
Tenso ltima, mxima ou limite de resistncia da solda, em N/mm
IS Varivel corrente eltrica de soldagem, em A
Comprimento do arame projetado pelo bico de contato ou stick out, em mm
Comprimento do cordo de solda, em mm
Fator de segurana
MR Taxa de consumo do eletrodo (em ingls melting rate), em mm/s
Resistncia dinmica do eletrodo, em
Resistncia nominal da estrutura, em N
S Tamanho do filete cncavo, em mm
Garganta terica, em mm
xv
Garganta efetiva, em mm
Garganta real, em mm
Tamanho do filete, em mm
Fator de segurana para metodologia ASD
Modificador das cargas
Modificador das cargas pela ductilidade do material
Modificador das cargas redundncia
Modificador das cargas importncia da operao
Fator de resistncia
Mudana de varivel para
Fatores de carga
Resistividade eltrica do eletrodo, em . mm
US1 Varivel aleatria para tenso eltrica de soldagem
uS1 Varivel tenso eltrica de soldagem, em V
Varivel aleatria para velocidade de alimentao do arame
Varivel velocidade de alimentao do arame, em m/min
Varivel aleatria para velocidade de soldagem
Varivel velocidade de soldagem, em mm/s
Coeficiente de fator de segurana
Coeficiente da classe de soldagem
Volume do cordo de solda, em mm
W Varivel aleatria para largura do filete
w Largura do filete, em mm
Perna do filete, em mm
Relao de escala entre imagem do CCD e imagem armazenada nas
direes horizontal e vertical
Posio cartesiana (xim, yim) na matriz de armazenamento, em pixels
Posio cartesiana (xCCD, yCCD) na matriz CCD, em elementos CCD
xvi
SUMRIO
1 - INTRODUO ............................................................................................................ 18
1.1 - CONTEXTO .......................................................................................................... 18
1.2 - OBJETIVOS .......................................................................................................... 20
1.2.1 - Gerais ............................................................................................................... 20
1.2.2 - Especficos ........................................................................................................ 20
1.3 - ORGANIZAO DO TEXTO ............................................................................ 21
2 - FUNDAMENTOS E REVISO DE LITERATURA ............................................... 22
2.1 - PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW E PROJETO DE JUNTAS ............... 22
2.1.1 - Parmetros....................................................................................................... 25
2.1.1.1 - Tenso eltrica de soldagem ...................................................................... 26
2.1.1.2 - Corrente eltrica de soldagem .................................................................... 28
2.1.1.3 - Velocidade de soldagem e de alimentao do arame ................................. 30
2.1.1.4 - ngulo da tocha ......................................................................................... 32
2.1.1.5 - Distncia entre bico de contato e metal base.............................................. 34
2.1.1.6 - Gs de proteo .......................................................................................... 36
2.1.1.7 - Ciclo de trabalho da fonte de soldagem ..................................................... 40
2.1.1.8 - Modos de transferncia metlica ................................................................ 41
2.1.1.9 - Estabilidade do processo de soldagem ....................................................... 44
2.1.2 - Projeto de junta ............................................................................................... 44
2.1.2.1 - Tipos de junta ............................................................................................. 45
2.1.2.2 - Tipos de chanfros ....................................................................................... 47
2.1.2.3 - Posies de soldagem ................................................................................. 48
2.1.2.4 - O cordo de solda ....................................................................................... 49
2.1.2.5 - Marcao do filete na prtica ..................................................................... 60
2.1.2.6 - GMAW-S ................................................................................................... 61
2.2 - PROBABILIDADE CONDICIONAL ................................................................. 65
2.3 - FILOSOFIA DE BAYES ...................................................................................... 66
2.4 - ESPECIALISTA, INFERNCIA, MO DE OBRA E RISCOS ...................... 68
2.4.1 - Modelos: simples ou complexos? ................................................................... 69
2.5 - MEDIO DA LARGURA DO CORDO DE SOLDA .................................. 70
3 - METODOLOGIA E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................ 76
xvii
3.1 - PLANEJAMENTO ................................................................................................ 76
3.2 - METODOLOGIA .................................................................................................. 76
3.2.1 - Projeto de junta ............................................................................................... 76
3.2.2 - IRB 2000 .......................................................................................................... 81
3.2.3 - Configurao do processo de soldagem ........................................................ 82
4 - DISCUSSES DE RESULTADOS .......................................................................... 102
5 - CONCLUSES .......................................................................................................... 106
5.1 - SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................. 106
REFERNCIAS .............................................................................................................. 108
APNDICE A .................................................................................................................. 113
APNDICE B ................................................................................................................... 116
APNDICE C .................................................................................................................. 118
APNDICE D .................................................................................................................. 120
18
1 - INTRODUO
1.1 - CONTEXTO
A metalurgia encontra na soldagem a mais utilizada tecnologia na unio de peas
metlicas. Diferentes arranjos geomtricos e perfis metlicos so imersos no mercado dia
aps dia nos diversos campos de atuao da engenharia. A gama de juntas projetadas exige
grande flexibilidade nos processos de soldagem para alcanar os requisitos calculados.
Fundamentalmente,
Os projetos devem ser feitos especificamente para cada unio,
com o objetivo de obter a mxima economia, o critrio irrevogvel
de aceitao. Qualquer sistema aceitvel por atender os requisitos
de rigidez, fora, vibrao, fadiga, impacto ou aparncia. O melhor
deles, para qualquer propsito, aquele que possui o mximo
desempenho ao menor custo (BLODGETT, p.1, 1963, traduo
nossa).
Nesse contexto, a busca pelo conhecimento sobre a geometria do cordo de solda torna-se
um universo vasto e de necessria investigao para atender os requisitos supracitados nos
projetos de juntas.
A unio de elementos perpendiculares um dos arranjos mais comuns em soldagem,
especialmente no campo da construo, com o ao estruturado, em tubulaes, ou na
fabricao de equipamentos. Esse tipo de junta em particular, junta de ngulo em 90 ou
tipo T, suporta grande esforo e possui uma srie de particularidades que um soldador deve
conhecer, um amlgama entre configuraes, padres, regulamentos e melhores prticas de
um determinado processo de soldagem. A sua utilizao vantajosa pelo menor nmero de
partes envolvidas, consequentemente menor consumo de material, e reduo no uso de
oficina (TAMBOLI, 1999).
Chawla (1992) e Melton (1992) sugerem que qualquer soldador experiente consegue
inferir sobre estabilidade e qualidade dos processos de soldagem atravs da viso e
19
audio, o que se estende ao projeto de junta tipo T. No entanto, a acuidade humana na
inspeo de alguns parmetros a priori e a posteriori do processo de soldagem, como
manter constante a largura do cordo de solda em filete, ou avaliar se houve penetrao
total (CJP) ou parcial (PJP) do passe raiz, reduzida ou nula, sem qualidade para
comparao por considerar apenas a viso e audio do especialista. Mesmo com a
utilizao de cartas de controle, utilizao de modelos matemticos, probabilsticos,
empricos, ou outras metodologias de escolha de parmetros de soldagem, existem
imprecises, erros e incertezas, sobre o resultado da soldagem, j que todos os modelos
esto errados; alguns modelos so teis; todo modelo uma aproximao (BOX et al.,
2005, traduo nossa).
As variaes na largura da poa de fuso, por exemplo, so inconstantes e ruidosas, com
inmeras incertezas associadas, seja de deformao da superfcie medida com o pulsar da
poa de fuso, ajuste e calibrao relacionada metrologia quando utilizada, erros de
medio, histerese e paralaxe, escorrimento da poa de fuso devido ao gradiente de
temperatura e foras atuantes, deformaes, distores e defeitos no metal base por
excesso de calor em uma das partes soldadas, concavidade ou convexidade em demasia,
entre outras.
O que pode ser feito reduzir tais imprecises. Conhecer a profundidade de um processo
aplicado a um tipo de junta permite o uso da metrologia adequada, analisar e esclarecer os
parmetros fundamentais que contornam o processo de soldagem, com o intuito de
encurtar a distncia entre as insinuaes tericas do projeto de junta e o resultado prtico
do processo de soldagem. Fortuitamente, ter maior qualidade para a unio especificada no
projeto.
Na prtica, o soldador, ou operador do programa de soldagem, estabelece os parmetros de
uma Especificao de Procedimento de Soldagem (EPS) para o passe de um cordo que
atenda os critrios de qualidade (AWS, 2006). O processo continua at atingir os requisitos
de projeto e dar o acabamento por usinagem ao cordo. Como propsito inicial, a soldagem
ocorre, h unio metlica. H tambm provvel uso em demasia de material de soldagem,
retrabalho do operrio e adio de novos processos de inspeo ps-solda para atender o
projeto da junta. Na pior hiptese, ocorre a remoo do cordo e confeco de novo
traado como um novo projeto. No caminho contrrio, processos de soldagem com
20
modelos mais prximos, com monitoramento e tecnologia adequada, e junta previamente
analisada, possuem maior acuidade para garantir os requisitos de projeto. E o caminho
natural a busca da reduo de custos, tempo no manuseio, inspeo, material e trabalho.
Nesse vis, a investigao aqui presente parte para o esclarecimento entre parmetros de
entrada do processo GMAW-S e a geometria do cordo de solda tipo filete encontrada em
junta tipo T de ao classificado pela Sociedade de Engenheiros da Mobilidade (SAE) como
1020. A regra de Bayes aplicada para traar relaes entre os parmetros de entrada do
processo de soldagem, os requisitos de projeto e o resultado do cordo de solda na junta.
Dessa forma, analisam-se trs variveis de entrada no processo de soldagem que possam
influenciar a junta tipo T projetada. Posteriormente, busca-se parear as relaes desses
parmetros geometria esperada do cordo, a partir do conhecimento a priori para a
confeco da junta. A partir disso, espera-se traar um conjunto de notaes tcnicas para
facilitar a compreenso do universo delimitado.
1.2 - OBJETIVOS
1.2.1 - Gerais
Este trabalho busca esclarecer os requisitos de projeto da junta tipo T, soldada em filete, no
intuito de estabelecer relaes entre a geometria do cordo de solda e o processo GMAW-
S, atravs da utilizao da regra de Bayes que atenda os critrios de projeto. Esperam-se,
com a aplicao da metodologia, resultados que obtenham parmetros de tenso de
soldagem, velocidade de soldagem e velocidade de alimentao do arame com maior
chance de serem selecionados para traados de cordo de solda dentro dos valores de perna
e garganta terica requeridas no projeto da junta.
1.2.2 - Especficos
(a) Esclarecer critrios de projetos de junta tipo T;
(b) Aplicar a regra de Bayes em valores mdios de parmetros do processo GMAW-S para
a junta tipo T sem chanfro;
21
(c) Relacionar as variveis pr-definidas do processo de soldagem largura do cordo de
solda. Posteriormente, apresentar a relao da largura do cordo de solda perna, garganta
terica do filete, nas posies de soldagem 2F para junta tipo T.
1.3 - ORGANIZAO DO TEXTO
Os cincos captulos que constituem este trabalho contemplam o seguinte contedo:
O captulo um fornece um breve escopo do trabalho, intenes e motivos que contornam a
investigao.
O captulo dois envolve os fundamentos tericos e o cenrio acadmico do processo
GMAW-S, juntas soldadas e a regra de Bayes.
O captulo trs foca nas consideraes de laboratrio, metodologia experimental,
configurao da fonte de soldagem, programao do IRB2000, ferramentas utilizadas, e
apresenta os resultados dos experimentos planejados.
O captulo quatro tem a finalidade de discutir os resultados esperados e alcanados com a
investigao.
O captulo cinco finaliza o trabalho, e apresenta concluses sobre a distribuio de valores
para as variveis de entrada para a obteno da varivel largura do filete atravs da
metodologia utilizada.
22
2 - FUNDAMENTOS E REVISO DE LITERATURA
2.1 - PROCESSO DE SOLDAGEM GMAW E PROJETO DE JUNTAS
Na busca de custos reduzidos de produo e maior previsibilidade de resultados de soldas
pesquisadores vm desenvolvendo e aprimorando os variados processos de soldagem.
Entre o leque de processos de soldagem disponveis, tem-se em Gas Metal Arc Welding
(GMAW) uma tecnologia de arco eltrico que contempla a coalescncia do metal de
adio consumvel, sem revestimento e slido, ao metal base. O ento denominado
eletrodo, ou arame slido, fundido pela energia gerada pelo arco eltrico para formar a
poa de fuso, e, com o traado da tocha e resfriamento do regime, o cordo de solda
(AWS WHB, 1984; NORRISH, 1992; TIMINGS, 2008).
A alimentao do arame ocorre em velocidade contnua, com aplicao de corrente
contnua e uso de eletrodo no polo positivo da fonte. Diferenas na polaridade no eletrodo
afetam a transferncia de calor (ALTHOUSE et al., 2013; ROADKILL, 2013). O arame se
movimenta sob a proteo de um gs contra oxidao e contaminao atmosfrica vizinha
ao arco eltrico, se funde ao metal base, e com o resfriamento da liga metlica formada h
unio das peas (AWS WHB, 1984; NORRISH, 1992; TIMINGS, 2008).
Figura 2.1 - Componentes do processo GMAW manual.
23
Essa alimentao contnua do arame est estreitamente ligada ao autoajuste de seu
comprimento. A dinmica do consumo do arame se deve variao na corrente eltrica.
Entre o arame e o metal base h elevada concentrao de corrente eltrica, at 300 A/mm.
Tal comportamento aliado alta velocidade de soldagem, alta taxa de deposio de metal
(calculada para cada dimetro e WFS) e simplicidade de automao garante uma gama de
aplicaes GMAW. Dependendo da configurao, GMAW gera baixo aporte trmico e
permite a utilizao em metal base de pouca espessura, entre 0,5 e 2 mm, bem como o uso
em todos os ngulos de ataque para a tocha de soldagem, sem limitar a aplicao em juntas
de maior espessura (ALTHOUSE et al., 2013; NADZAM et al., 1995).
Tais caractersticas contribuem para fabricar unies com grande penetrao da poa de
fuso e bom acabamento, evitando o uso de limpeza de escria, o que reduz o gasto com
ps-tratamento do cordo, como Tratamento Trmico Ps-solda (PWHT) para alguns
materiais, e, com arame de menor dimetro e configurao adequada, estreitamento nas
zonas termicamente afetadas, o que contribui para a manuteno das propriedades
mecnicas do metal base.
O processo GMAW, no entanto, possui uma srie de variveis e consideraes que
aumentam a complexidade do seu uso. Variveis como a velocidade de alimentao do
arame, comprimento do eletrodo, distncia entre tubo de contato e metal base (DCP),
ngulo de ataque, ngulo de trabalho e vazo do gs so alguns exemplos que no esto
presentes em outros processos e tambm precisam ser monitoradas pelo soldador
(PARMAR, 1995). Partes adicionais, como o alimentador e a bobina de arame, precisam
ser transportadas com a fonte de soldagem. Outra limitao sua utilizao em ambientes
abertos, pois a corrente de ar pode atrapalhar a proteo do gs do eletrodo e provocar
defeitos no cordo e instabilidade no arco eltrico. Alm disso, por possuir maiores taxas
de resfriamento da poa de fuso, pode-se afetar a qualidade global da solda (NADZAM et
al., 1995).
Adicionalmente a essas caractersticas, tm-se os parmetros diretos e indiretos da solda
que tambm devem ser de conhecimento do soldador. Segundo Naidu et al. (2003), os IWP
comportam as configuraes para trabalho que resultam nos DWP, como mostra a Figura
2.2. Entende-se por IWP aquelas variveis de entrada do processo de soldagem, desde a
definio, por exemplo, dos valores de tenso, a escolha do processo e material de adio,
24
quando houver, destinado a soldagem. O DWP inclui o produto das escolhas do IWP
aplicadas ao processo de soldagem.
Figura 2.2 - Variveis de entrada e sada em GMAW (modificado de Cook, 1981).
A configurao das variveis de entrada no processo de soldagem guiam os tipos de
transferncia metlica em GMAW e afetam diretamente a geometria do cordo e a
qualidade global da solda, pois alteram a penetrao, altura e espalhamento do reforo,
amplitude e granulometria metalrgica nas zonas termicamente afetadas (ZTA), e largura
da poa de fuso, ver Figura 2.3.
Figura 2.3 - Relao IWP e DWP em GMAW (modificado de NAIDU et al., 2003).
25
2.1.1 - Parmetros
O universo de variveis apresentado na Figura 2.2, segundo Dornfeld et al. (1982), pode
ser separado em trs categorias: as que podem ser alteradas durante o processo, as que so
definidas antes do processo e as que no podem ser alteradas.
As variveis que podem ser alteradas durante o processo incluem a tenso de soldagem, a
velocidade de alimentao do arame e a velocidade de soldagem. Os parmetros que so
definidos antes do processo incluem a polaridade eletrodo-metal base, composio e vazo
do gs de proteo, ngulo de trabalho e deslocamento da tocha, distncia entre bico de
contato e metal base, classificao e tipo do eletrodo. Os parmetros que no podem ser
alteradas so composio e dimenses do metal base, configurao da junta (NAIDU et al.,
2003).
Para GMAW, a configurao adequada do conjunto de variveis entre os IWP, dinmica
do processo de soldagem e DWP deve ser capaz de inserir energia necessria no sistema
eletrodo-metal base para que haja fuso. A configurao adequada do arco eltrico
responde por esse fenmeno. A ionizao do gs de proteo rompe o dieltrico entre o
eletrodo e o metal base, insere energia no sistema, com valores na faixa de 10 a 40 V,
alcanando 1200 A (MODENESI, 2008). Tendo em vista que das trs categorias, apenas
uma pode variar durante o processo, entende-se que so estes os parmetros mais
relevantes para se alcanar o DWP desejado (NAIDU et al., 2003).
Figura 2.4 - Vizinhana da tocha em GMAW.
26
Algumas tecnologias de fontes de soldagem j armazenam configuraes automticas dos
principais parmetros para um dado processo de soldagem para um dado IWP.
Computacionalmente, informam-se as entradas que no esto armazenadas na memria da
fonte, como tipo e dimetro do arame, tipo do gs de proteo e espessura do metal base
entre outros. A partir disso, obtm-se os valores de tenso, velocidade de alimentao do
arame e a curva Volt por Ampre (V x A), como mostra a Figura 2.5.
Figura 2.5 Curvas caractersticas de fontes de soldagem, em (A) tenso e corrente constante, em (B) tenso constante (ROADKILL, 2013).
Esses e outros parmetros a serem configurados para a utilizao do processo de soldagem
GMAW so apresentados a seguir, bem como suas particularidades, influncias gerais no
processo e no cordo de solda.
2.1.1.1 - Tenso eltrica de soldagem
A tenso eltrica de soldagem tem relao direta com o aporte trmico do processo de
soldagem GMAW e com o formato global do arco eltrico, seu comprimento e largura. A
tenso de soldagem US, a tenso do arco eltrico UA e a tenso do eletrodo UE esto
relacionadas de acordo com a Equao (2.1) (ADOLFSSON et al., 1995).
(2.1)
27
Para um mesmo valor de corrente eltrica, tenses mais baixas implicam em cordes de
solda mais estreitos e com maior penetrao no metal base, ver Figura 2.6. Tal
configurao possui grande utilizao no modo de transferncia por curto-circuito,
estudado neste trabalho. A variao da tenso em descompasso com a faixa de operao de
um dado modo de transferncia implica em defeitos caractersticos, como aparecimento de
porosidade no cordo de solda, sobreposio de camadas metlicas, salpicos e mordeduras
(BARRA, 2003). Tenso de soldagem muito alta provoca descontrole do arco eltrico e
turbulncia da poa de fuso, o que consequentemente influencia na penetrao do metal
base. Tenso de soldagem muito baixa afeta a abertura do arco eltrico, seu controle e
penetrao da poa de fuso, alm de aumentar a quantidade de respingos e a formao de
um cordo de solda de reforo extremamente convexo, com falhas na adeso ao metal base
em suas extremidades (WEMAN, 2003; AWS WHB, 1984).
Figura 2.6 - Efeito da tenso eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003).
Para dar-se incio ao processo, a fonte de soldagem tambm possui uma tenso em vazio,
tenso de circuito aberto (OCV). Por critrios de segurana o valor da tenso em aberto
limitado, porm varia de modelo para modelo de fonte de soldagem.
Apesar da Equao (2.1) descrever as tenses primrias envolvidas no processo, sabido
que so inmeros elementos que provocam quedas de tenso entre a gerao da energia
pela fonte e a demanda do processo. Dessa forma, h diferena entre a tenso da fonte
monitorada no processo de soldagem. A tenso eltrica monitorada a do arco eltrico,
que soma a queda catdica, a queda na coluna e a queda andica. Fatores como limpeza da
pea e superfcie a ser soldada, qualidade e posicionamento do plo CC-, espessura da
chapa a ser soldada entre outros, exigem maior tenso da fonte de soldagem para que o
valor do processo esteja na faixa desejada.
28
2.1.1.2 - Corrente eltrica de soldagem
A corrente eltrica de soldagem a varivel mais importante na taxa de consumo do
arame, por consequncia no volume transferido para a poa de fuso e, dessa forma, a
geometria final do cordo de solda, ver Figura 2.7.
Figura 2.7 - Efeito da corrente eltrica na geometria do cordo (WEMAN, 2003).
A Equao 2.2 descreve a taxa de consumo do arame (em ingls melting rate, MR), de
acordo com rea da seco do arame (AR, que depende diretamente do dimetro), a
corrente eltrica de soldagem (IS), o comprimento de stick out do arame (lout), a constante
emprica 3 (que envolve reaes no anodo, a influncia do gs de proteo, as
caractersticas do eletrodo e polaridade do processo) e a constante emprica (que envolve
o aquecimento devido a resistncia do eletrodo) (NORRISH, 1992; AWS WHB, 1984).
(2.2)
A variao do parmetro pode alterar o modo de transferncia metlica. Um elevado valor
da corrente eltrica de soldagem afeta diretamente a expanso da ZTA. Tal injeo de
energia responsvel pelo brilho presente durante a soldagem. Para cada configurao de
parmetros de soldagem h uma variao particular do brilho emitido no processo. A
corrente eltrica de soldagem, a distncia entre o bico de contato e o comprimento do
arame provocam variao na taxa de fuso do arame e na energia transferida para a poa de
fuso, de acordo com o efeito Joule:
(2.3)
Algumas fontes de soldagem permitem que a indutncia do processo seja alterada. Essa
varivel, medida em henry no S.I., influencia diretamente no valor da corrente eltrica de
29
soldagem. Trata-se de uma corrente eltrica gerada por uma bobina prxima ao
transformador da fonte. Tal bobina, atravs da passagem da corrente eltrica de soldagem
gera induo magntica que cria uma corrente contrria corrente eltrica de soldagem, no
mesmo circuito, de maior ou menor intensidade, restringindo a mudana sbita de corrente
eltrica que passa pelo transformador (ALTHOUSE et al., 2013).
No caso de GMAW-S, esse parmetro controla a taxa em que a corrente cresce ou reduz,
ver Figura 2.8. Se a indutncia for muito baixa, a ruptura do contato entre a poa de fuso e
o arame pode ser violenta a ponto de gerar uma exploso. Isso resulta em muitos respingos
e a vaporizao de parte do material. Por outro lado, se a indutncia for muito alta, o arame
pode mergulhar na poa de fuso antes da fuso completa do arame. Assim, o processo
interrompido com o birds nest, ou seja, com arame emaranhado, no fundido, sobre o
metal de base e/ou na caixa do alimentador de arame (ALTHOUSE et al., 2013).
Figura 2.8 - Indutncia, valor alto (esquerda) e baixo (direita) (WEMAN, 2003).
Mquinas para a soldagem GMAW possuem, em geral, um controle que permite ajustar a
taxa de crescimento ou reduo da corrente de soldagem e assim aprimorar a variao da
corrente de soldagem para o modo de transferncia em curto-circuito. Na fonte TransPuls
Synergic 5000 CMT, por exemplo, essa operao feita pelo parmetro Dinmico que
varia de 0.0 a 10.0, com resoluo de 0.1.
No se utiliza corrente alternada em GMAW, pois o ciclo dessa forma de onda extinguiria
o arco eltrico durante o processo. No entanto, a inverso da polaridade da fonte (arame
em CC-), provoca instabilidade do arco, com deposio excessiva e irregular de material
sobre o metal base e reservado para projetos especficos (ALTHOUSE et al., 2013; AWS
WHB, 1984).
30
A configurao padro do fluxo de corrente para soldagem em GMAW utiliza DCEP ou
DCRP, ou seja, a polaridade positiva no eletrodo, com o metal base na polaridade negativa.
Em alguns casos especficos possvel utilizar configurao DCEN ou DCSP, ver Figura
2.9, com a polaridade negativa no eletrodo, com o metal base na polaridade positiva,
porm essas particularidades no sero tratadas nesse trabalho (ALTHOUSE et al., 2013;
AWS WHB, 1984).
Figura 2.9 Polaridade em DCEN e DCEP (modificado de ROADKILL, 2013).
2.1.1.3 - Velocidade de soldagem e de alimentao do arame
A velocidade de soldagem (em ingls welding speed) concentra ou distribui a transferncia
de metal e energia para o metal base, ver Figura 2.10, o que afeta a penetrao, a geometria
global do cordo de solda e o tamanho da ZTA (AWS WHB, 1984).
Figura 2.10 - Influncia da velocidade de soldagem no cordo de solda.
31
Velocidades maiores provocam cordes estreitos e alta penetrao no metal base, porm
elevao exagerada desse parmetro implica em geometria irregular do cordo com
ondulaes convexas, aparecimento de trincas de solidificao, irregularidades e falhas na
adeso ao metal base nas extremidades do cordo de solda, conhecido como mordedura
(em ingls undercut), como mostra a Figura 2.11 (AWS WHB, 1984).
Figura 2.11 - Exemplificao de undercut em junta de topo.
Velocidade de soldagem muito baixa implica em demasiada transferncia de metal e
energia sobre o metal base, e consequentemente h um aumento excessivo da largura do
cordo de solda com baixa penetrao que, em superfcies de baixa espessura, pode causar
perfurao (em ingls burn through) (WEMAN, 2003).
A velocidade de alimentao do arame controla a corrente eltrica de soldagem e
consequentemente a penetrao da poa de fuso no metal base. Valores elevados
dificultam a abertura do arco eltrico. Podem tambm aumentar excessivamente a largura
do cordo de solda e o nmero de respingos pelo curto-circuito frequente (AWS WHB,
1984).
Dependendo da espessura do metal base, a velocidade de alimentao do arame pode
implicar em baixa penetrao ou perfurao total da superfcie. Valores baixos resultam
em menor deposio de metal, estreitamento, concavidade e falha na adeso ao metal base
nas extremidades do cordo de solda.
Em curto-circuito, a diferena de velocidade de alimentao e consumo do arame causa o
mergulho do eletrodo. No instante que se toca a pea, h extino do arco eltrico que
determina a taxa de consumo do eletrodo. No instante seguinte, h o afastamento do
eletrodo ao metal base, e os parmetros retornam para restabelecer o arco (NORRISH,
1992).
32
2.1.1.4 - ngulo da tocha
Dois ngulos so preponderantes no posicionamento da tocha de soldagem: o de acesso ou
trabalho (em ingls torch work angle), e o de ataque ou deslocamento (em ingls torch
travel angle), ver Figura 2.12. O ngulo de trabalho, que est no plano transversal do
cordo de solda, est mais voltado para o acesso da raiz da junta projetada, contido no
intervalo de 35 a 90 por quadrante (WEMAN, 2003; TIMINGS, 2008).
Figura 2.12 - ngulo da tocha, de acesso ou trabalho, e de ataque ou deslocamento.
O ngulo de ataque, no entanto, est no plano da seco longitudinal do cordo de solda,
ou seja, o mesmo plano da garganta terica para filetes, com amplitude entre 0 e 15 em
relao a vertical, e possui configurao positiva, neutra ou negativa (ver Figura 2.13)
relativa posio do bocal, com a tocha sobre, perpendicular ou contra a poa de fuso
(WEMAN, 2003). Timings (2008) afirma que esse mesmo valor est compreendido entre
0 a 20. Cada posio influencia diretamente a geometria global do traado, como a
simetria do cordo de solda, a penetrao da poa de fuso e a geometria do reforo.
33
No caso de deslocamento negativo da tocha, ou seja, com o bocal sobre o cordo de solda,
o arco voltaico e o gs de proteo pressionam o material depositado contra ao cordo de
solda, o que implica em baixa penetrao da poa de fuso, aumento da largura do cordo
de solda e reduo de oscilao da poa de fuso durante o processo.
Figura 2.13 - Em (a) deslocamento positivo (drag ou backhand), em (b) perpendicular ou
vertical, e em (c) negativo (push ou forehand) (WEMAN, 2003).
Para deslocamento positivo, ou seja, com o bocal contrrio ao cordo de solda, o arco
voltaico e o gs de proteo pressionam a poa de fuso na direo de formao do cordo
de solda, o que implica em maior penetrao da poa de fuso, geometria mais robusta
com reforo convexo e reduo da proteo do gs (WEMAN, 2003; AWS WHB, 1984).
A posio perpendicular, ou vertical, a referncia de geometria do cordo de solda e no
exerce fora adicional por presso do gs de proteo ou arco voltaico sobre a poa de
fuso.
Uma configurao semelhante de posicionamento da tocha aplicada na soldagem de
juntas. A junta tipo T em particular, exige a inclinao no entorno de 45 com o plano
transversal linha raiz da junta, para ter mais acesso ao metal base, ou mesa ou membro
contnuo, e ao plano da alma, ou membro intercostal. Como boa prtica, utiliza-se tambm
inclinao levemente negativa, em torno de -15 em relao a vertical, como ilustra a
posio (c) na Figura 2.13. Essa configurao permite que o fluido aquecido esquente as
duas partes da junta com isonomia, o que influencia diretamente a geometria do filete.
34
Figura 2.14 - Posicionamento angular adequado da tocha para soldagem de filete
(modificado de WEMAN, 2003).
Segundo Weman (2003), a tocha deve projetar o eletrodo com um deslocamento de 1 a 2
mm da raiz da junta tipo T, como mostra a Figura 2.14. O propsito compensar a elevada
dissipao de calor pela conduo nas duas partes soldadas e dar simetria ao perfil de
penetrao.
2.1.1.5 - Distncia entre bico de contato e metal base
A distncia entre o bico de contato e o metal base, de sigla DCP em portugus, influencia
diretamente a escolha do modo de transferncia metlica (ver Figura 2.4). O bico de
contato pode estar levemente projetado ou recuado no bocal da tocha, e possui relao
estreita com o comprimento do arco eltrico e do arame (em ingls stick out).
Apesar da importncia dessas distncias na geometria da poa de fuso e da proteo
adequada do gs, pouco esclarecido sobre o assunto. Kim et al. (1995) estudaram a
influncia do CTWD, sigla em ingls, na geometria da poa de fuso e encontraram que h
influncia considervel, principalmente por afetar o comprimento do arco eltrico e a
corrente eltrica de soldagem. Dreher et al. (2010) apresentam o estudo de escoamento do
gs no bocal comumente utilizado em GMAW. Entretanto, relaes entre CTWD, stand
off, modos de transferncia e vazo do gs possuem literatura detalhadas, o que implica
em confuso sobre nomes de distncias (CTWD e stand off, por exemplo) e configuraes
empricas por parte do soldador, com imagens constantes de CTWD igual a stand off, ou
seja, com o bico de contato nivelado ao bocal (ALTHOUSE et al., 2013).
35
Quanto mais recuado o bico de contato em relao ao bocal, ou seja, quanto mais
escondido estiver, maior ser o stick out e consequentemente maior a oscilao de
parmetros durante o processo. Quanto mais projetado o bico de contato em relao ao
bocal, ou seja, quanto mais amostra estiver, mais concentrado fica o arco voltaico, maior
a penetrao da poa de fuso, maior a robustez e convexidade no reforo, e mais estreitos
so os cordes (ALTHOUSE et al., 2013).
O bocal mantm uma altura constante, ou stand off, em relao ao metal base para cada
posicionamento do bico de contato e modo de transferncia desejado. A distncia entre o
bico de contato e o metal base, ou CTWD, indica se o bico de contato est projetado ou
recuado em relao ao bocal da tocha. Para cada tipo de transferncia metlica, utilizam-se
as configuraes citadas, trabalhando, como regra geral, em uma faixa de 10 a 15 vezes o
dimetro do eletrodo. Deve ser mantido constante ao longo da soldagem e tambm
influencia a geometria do cordo de solda, como mostra Figura 2.15 (NAIDU et al., 2003).
Figura 2.15 - Influncia do CTWD na geometria do cordo de solda.
Em GMAW-S, por exemplo, o bico de contato pode estar projetado, com limite mnimo
referenciado no bocal, configurado conjuntamente com stand off e stick out quando se quer
ter mais acesso uma junta a ser soldada.
36
Figura 2.16 - Possvel configurao para GMAW-S, CTWD menor que stand off.
A literatura, no entanto, no esclarece qual a referncia para essas distncias quando h
inclinao na tocha. Infere-se do posicionamento para junta de topo que a distncia para
uma junta tipo T, por exemplo, parte na direo do arame at o metal base.
Figura 2.17 - CTWD, stand off e stick out para junta T.
2.1.1.6 - Gs de proteo
Um dos elementos que influencia diretamente as caractersticas globais do processo
GMAW a composio do gs de proteo. A cobertura gasosa, alm de proteger a
37
formao do cordo contra o ar atmosfrico e facilitar a abertura do arco eltrico, possui
forte influncia no aspecto final do cordo de solda e na eficincia da transferncia de
energia do arco eltrico para o metal base.
O ar atmosfrico composto principalmente de oxignio em torno de 20%, e nitrognio
em torno de 80%. Tais elementos so reativos e podem combinar aos metais envolvidos no
processo de soldagem para o aparecimento de defeitos na solda.
A combinao de oxignio aos metais forma xido, como o monxido de carbono que,
provindo da presena de oxignio na soldagem de ferrocarbono, pode provocar porosidade
no cordo de solda e dificultar a coalescncia do arame e metal base, e, como
consequncia, impactar negativamente nas caractersticas mecnicas da solda, alm de ser
txico para o homem (ALTHOUSE et al., 2013; AWS WHB, 1984).
O nitrognio, em maior concentrao no ar, tende a formar nitritos metlicos que, entre
outros efeitos, aumenta a dureza no cordo de solda. O dixido de nitrognio, por exemplo,
contribui para o surgimento de porosidade no cordo de solda e traz risco sade do
soldador.
No geral, o gs de proteo influencia o modo de transferncia metlica desejada, na
geometria global do cordo de solda, na velocidade de soldagem devido eficincia na
transferncia de energia do arco eltrico para o metal base, e por consequncia os defeitos
decorridos no processo de soldagem, como escria, deformao na seco transversal do
metal base, entre outros (ALTHOUSE et al., 2013; AWS WHB, 1984).
Em GMAW, para aplicao da solda em metais no ferrosos, utilizam-se gases inertes,
puro ou combinado, como o Argnio (Ar) e o Hlio (He). Gases como o Oxignio (O2),
Dixido de Carbono (CO2) e Nitrognio (N2), por serem reativos, geralmente no so
utilizados puros como gases de proteo. Cada gs, ou combinao de gases, destinado a
alcanar caractersticas especficas no processo de soldagem e so apresentados a seguir e
na Figura 2.18. Mesmo que a vazo e o gs de proteo estejam fixados durante o processo
de soldagem, a configurao adequada desses parmetros reflete diretamente no cordo de
solda (ALTHOUSE et al., 2013; AWS WHB, 1984).
38
Argnio (Ar): gs inerte altamente ionizvel, o argnio estreita o arco eltrico e aumenta a
concentrao de corrente eltrica de soldagem no processo. As consequncias diretas na
poa de fuso so maior penetrao, estreitamento da largura e reduo de respingos,
aliada a utilizao de menor tenso de soldagem. O peso especfico maior, se comparado
ao hlio, e por isso utiliza-se menor vazo de gs de proteo no processo de soldagem. A
contrapartida a baixa condutividade trmica. Pode ser utilizado para soldagem de metais
no ferrosos e ferrocarbono. No ltimo caso, geralmente utilizado em mistura com
pequenas quantidades de CO2 ou O2.
Hlio (He): gs inerte com alta condutividade trmica, o que contribui com a fuso mais
acelerada do arame e a formao de reforo com maior volume, e consequentemente
utilizado em soldagem de metais base mais espessos. Essa mesma caracterstica bem
aproveitada na soldagem de metais que a taxa de transferncia de calor por conduo
facilita o resfriamento do metal base durante o processo de soldagem. No entanto, o hlio
no ioniza to facilmente e exige maiores valores de tenso de soldagem, o que provoca
respingos durante o traado do cordo. Outra contrapartida possuir menor peso
especfico, o que implica em maior gasto de gs para a proteo da poa de fuso.
Dixido de Carbono (CO2): gs reativo com alta condutividade trmica e menor ionizao,
se comparado ao argnio, o que exige maior tenso de soldagem no processo, e
consequentemente provoca poas de fuso mais largas e com maior penetrao. O peso
especfico elevado, exige menor vazo volumtrica para se ter boa cobertura da poa de
fuso. Seu uso acarreta maior definio do contorno do cordo de solda e reduz a
deformao na seco transversal do metal base. O diferencial do CO2 o custo reduzido
se comparado aos gases inertes. No entanto, recomenda-se a utilizao de ventilao para
soldagem com esse gs puro, j que uma frao apresenta-se na forma de CO que aumenta
o comprimento do arco eltrico, alm de ser txico.
Oxignio (O2): gs reativo extremamente oxidante que deve ser utilizado em combinao
com argnio, principalmente para solda de ferrocarbono. Em baixas concentraes, entre 1
e 5% de O2, essa mistura produz poas de fuso mais fluidas, o que reduz a ocorrncia de
respingos, com contorno destacado e reduo de deformao na seco transversal do
metal base. O oxignio coopera para a estabilidade do arco, entretanto, natural que
39
provoque oxidao da superfcie do cordo de solda, mesmo que no comprometa as
caractersticas mecnicas da unio.
Nitrognio (N2): gs reativo substituto de mercado do hlio, com propriedades
semelhantes, geralmente utilizado em combinao com argnio na proporo Ar 70% e N2
30%.
Figura 2.18 - Influncia geral da escolha do gs na geometria global da poa de fuso
(modificado de ALTHOUSE et al., 2013).
Alm da composio do gs de proteo, outro fator que deve ser analisado a cobertura
que o gs est oferecendo para o cordo de solda. A vazo adequada de gs de proteo
deve possuir a quantidade essencial para o traado do cordo de solda, sem haver
desperdcio por emisso exagerada de gs. De forma emprica, utiliza-se um valor elevado
de vazo, como 40 l/min, com reduo do valor at encontrar o momento que h corroso
no cordo. A medida tima a vazo limiar superior ao valor encontrado de corroso.
Caso o valor de corroso seja 12 l/min, sugere-se utilizar de 13 l/min.
Outra influncia o tipo de escoamento do gs de proteo, ver Figura 2.19. Alguns bocais
auxiliam o escoamento do gs de proteo, de turbulento para laminar, e aprimoram a
cobertura do cordo de solda durante o processo. Dessa forma, h reduo de consumo de
gs e melhoria de proteo com o gs concentrado sobre o arco eltrico.
40
Figura 2.19 - Da esquerda para a direita, bocal e difusor do tipo gas lens, e bocal padro,
respectivamente, ambos utilizados em TIG.
A vazo do gs depende do tamanho do bocal utilizado em GMAW, e geralmente varia
entre 4 e 40 l/min, geralmente utilizado entre a faixa de 7 a 12 l/min (PARMAR, 1995).
2.1.1.7 - Ciclo de trabalho da fonte de soldagem
No exatamente um parmetro para ser configurado durante o processo de soldagem,
porm o desconhecimento do ciclo de trabalho da fonte, ou duty cicle, afeta negativamente
o desempenho e a vida til do equipamento, e o planejamento do processo.
As caractersticas estticas e dinmicas da fonte afetam diretamente a estabilidade do arco
eltrico. Uma fonte de tenso constante, comumente utilizada em GMAW, possui um
tempo de trabalho, ou tempo de operao, que afeta o processo. O ciclo de trabalho,
discriminado em porcentagem, geralmente entre 20% e 100%, descreve por quanto tempo
a fonte gera energia para um dado trabalho em uma dada configurao. A partir desse
valor, possvel estimar o tempo possvel para executar a soldagem e o tempo de pausa
para resfriamento da fonte. Por exemplo, considerar ciclo de trabalho com parada de 10
minutos, utilizando 40% do tempo (equivalente a 6 min) a 500 A, ou seja, a fonte pode
trabalhar 6 minutos gerando 500 A e depois deve dar uma pausa de 10 minutos.
Desconsiderar essas recomendaes implica em superaquecimento do sistema eltrico da
fonte, o que pode provocar falha nos componentes eltricos.
41
A Associao Nacional de Fabricantes Eltricos (NEMA), por exemplo, possui uma norma
que descreve sobre ciclos de trabalho e equipamentos eltricos de soldagem, a EW-1
Eletric Welding Apparatus.
2.1.1.8 - Modos de transferncia metlica
Como foi dito, o processo de soldagem GMAW possui uma srie de parmetros que
influenciam a formao do cordo de solda. A combinao de alguns desses parmetros
tambm influencia a forma como o material de adio incorporado ao metal base, alm
de permitir avaliar a estabilidade do processo de soldagem, a quantidade de respingos e
perda de material de adio, a qualidade global do cordo de solda traado, e as
possibilidades dadas ao operador da ferramenta quanto aos ngulos de utilizao.
Norrish (1992) e Ponomarev et al. (2009) classificam os modos de transferncia metlica
quanto ocorrncia ou no do toque do arame na poa de fuso, ou seja, quando h
mergulho (em ingls dip transfer), ou queda livre (em ingls free-flight transfer), durante a
deposio de metal de adio ao metal base.
No modo de transferncia em queda livre, o metal de adio se desprende do eletrodo e se
desloca na coluna de gs protetor at alcanar o metal base. Esporadicamente pode ocorrer
imerso do eletrodo na poa de fuso. No entanto, isso no ocorre com uma frequncia
regular, ou de forma proposital.
No modo de transferncia em mergulho, e mais relevante para este trabalho, ocorre o toque
e imerso do eletrodo no metal base em uma frao de segundo. O material fundido no
eletrodo se desprende e arrastado para a poa de fuso pela fora de tenso superficial ali
presente, pela fora gravitacional e pelo solavanco magntico, ou pinch force, induzida
pela corrente do processo. Recomendado para soldagem de juntas de chapas finas (inferior
a 1/8 pol.), soldagem em todos os tipos de posio da tocha e para preenchimento de passe-
raiz de grandes dimenses (ROADKILL, 2013).
Sob essa tica, tem-se como modos de transferncia predominantes estveis o globular, o
curto-circuito, o goticular ou spray, e o pulsado. Ponomarev et al. (2009) classificam
tambm as transies entre alguns dos modos predominantes, de acordo com a variao do
42
comportamento da deposio devido s faixas de tenso e corrente eltrica de soldagem. O
modo globular repelida, goticular projetada, goticular com alongamento, goticular
rotacional ou explosiva esto entre os rtulos da subclassificao como mostra a Tabela
2.1.
O comportamento da transferncia metlica influencia diretamente a luminescncia do arco
eltrico, fenmeno que influencia o monitoramento em tempo real da largura do cordo de
solda abordado no tpico 2.5 - . Com exceo do curto-circuito, no h extino do arco
eltrico durante a deposio do metal de adio ao metal base. Assim, a radiao luminosa
torna-se um rudo que satura a imagem da poa de fuso e compromete muito o
monitoramento da dinmica do processo de soldagem na vizinhana da poa de fuso
(FRANCO, 2007; KOIKE et al., 1999).
43
Tabela 2.1 - Classificao e subclassificao dos modos de transferncia metlica GMAW
(modificado de LOPERA, 2010).
44
2.1.1.9 - Estabilidade do processo de soldagem
A variabilidade na frequncia de curto-circuito, a ocorrncia de curtos-circuitos
momentneos que no provocam transferncia metlica, e a extino repetitiva do arco
eltrico durante o processo caracterizariam, para estabilidade do arco eltrico, que
GMAW-S um processo instvel. No entanto, Carvalho (1997) refora a subjetividade em
se conceituar estabilidade do processo de soldagem e aponta que a prpria regularidade
dessas supostas caractersticas de instabilidade permite a inferncia de GMAW-S como um
processo estvel e vivel, j que a estabilidade do arco eltrico no indica estabilidade no
comportamento dinmico da poa de fuso.
Assume-se para esse trabalho a condio de estabilidade do processo de soldagem, e no
exclusivamente do arco eltrico, os aspectos de qualidade na geometria do filete,
atendimento aos requisitos de projeto de junta tipo T e ocorrncia mnima de respingos.
2.1.2 - Projeto de junta
O projeto da junta exige uma anlise crtica sobre o posicionamento do metal base,
acessibilidade tocha e inspeo, e o preparo fsico-qumico do material que ser
soldado. O projeto de junta precisa ser avaliado quanto gesto do escopo, prazo, o custo,
a qualidade, os recursos humanos, a comunicao, o risco, as aquisies e a integrao de
todos os pilares. No geral, resume-se o projeto nos seguintes quesitos (BLODGETT, 1963;
AWS D1.1, 2006; TIMINGS, 2008; MACHADO, 2011):
Definir o tipo (tenso, compresso, flexo, carga estvel, sbita ou varivel), a
magnitude, a direo e o sentido dos esforos a serem recebidos na junta;
Se h fadiga ou estresse causado por impacto na unio das peas;
Risco de defeitos e avaliao de quais deles pode-se evitar, mitigar, transferir ou
aceitar;
O custo de preparo da junta;
A eficincia da junta, ou seja, quo resistente a solda se comparada ao metal base.
A comunicao entre projeto e execuo da solda;
45
O projeto de conexes envolve uma relao estreita entre cincia e arte. So diversas
filosofias que podem ser utilizadas na concepo da junta, aplicao das foras,
disponibilidade de tecnologia, custos, recursos, produtividade do processo etc.
2.1.2.1 - Tipos de junta
A combinao das especificaes conjuntas de tal anlise permite projetar inmeros tipos
de juntas para receber a solda. Quatro tipos bsicos delas so amplamente conhecidos: de
topo (em ingls butt joint), de ngulo (em ingls corner joint), sobreposta (em ingls lap
joint), e de aresta (em ingls edge joint) (TIMINGS, 2008; WEMAN, 2003; AWS WHB,
1984), como mostra a Figura 2.20.
Figura 2.20 - Tipos bsicos de juntas soldadas, vista em perspectiva e corte transversal
(modificado de TAMBOLI, 1999 e TIMINGS, 2008).
Diz-se junta de topo quando h alinhamento no mesmo plano das partes soldadas. Caso
estejam sujeitas inclinao, seja em forma de L, em forma de T, ou outro ngulo entre as
superfcies do metal base, nomeia-se junta de ngulo. Para juntas de ngulo com peas
perpendiculares, utiliza-se comumente o nome junta tipo T. A junta entre a aresta de uma
pea e a superfcie de outra, configurao pea sobre pea, denominada sobreposta.
Tambm destinada para partes no mesmo plano, mas com propsito diferente da junta de
topo, tem-se a junta de aresta.
A combinao metal base e material de adio determinar o matching, ou seja, o plano de
ao dos esforos ao longo da junta. Um dos critrios de projeto determinar que o metal
de adio seja menos resiliente que o metal base e dessa forma, os esforos so calculados
46
em distribuio uniforme ao longo do plano da garganta terica do filete. Para um metal de
adio mais resiliente que o metal base, os esforo deslocam-se para as extremidades da
unio, concentrando-se nas reas termicamente afetadas (AWS D1.1, 2006).
Figura 2.21 Exemplos de distribuio de esforos (WEMAN, 2003).
Utiliza-se no projeto de junta tipo T a grandeza da perna do perfil do cordo de solda para
calcular o tamanho do filete. no valor da garganta terica, porm, que se calcula os
esforos da junta, exemplificados na Figura 2.21. Para junta tipo T, possvel utilizar
soldagem em filete, plug/slot, spot/projection, brasagem e em chanfro reto, 60, J, V
curvado (AWS WHB, 1984).
O passe da raiz inicia a soldagem das partes preparadas e influencia diretamente a
penetrao da solda. Seu traado acompanha e preenche a abertura da raiz, ou gap. Para
alguns projetos de juntas, apenas o passe da raiz suficiente para a unio das partes.
Outros casos incluem passes consecutivos a partir do passe da raiz. Traados assim so
exigidos para o total preenchimento da junta, dependendo da espessura do metal base, seja
em movimento retilneo, como o de um cordo simples, ou duplo oito, ou triangular, ou
stringer bead, ou ziguezague (em ingls weave bead) ou outros perfis de tecimento
(NADZAM et al., 1995; AWS D1.1, 2006; TIMINGS, 2008), como mostra a Figura 2.22.
47
Figura 2.22 - Exemplos de movimentao do eletrodo, sem ou com tecimento.
2.1.2.2 - Tipos de chanfros
A configurao das juntas com chanfro provoca traados bem diferenciados para o cordo
de solda. O perfil dos chanfros variado, ver Figura 2.23, e influencia diretamente na
forma como a unio estabelecida, consequentemente na forma como o metal base
acomoda entre as juntas e a geometria do cordo de solda (TAMBOLI, 1999).
Figura 2.23 - Tipos comuns de chanfros para o projeto das juntas (modificado de
GREGORY et al., 2005 e AWS A3.0, 2010).
A abertura da raiz, facilmente visualizada no chanfro reto, geralmente determinada pelo
dimetro do eletrodo utilizado e, consequentemente, do tipo do metal base e do
posicionamento da solda. Utilizar o valor adequado para o gap influencia diretamente na
48
dimenso profundidade do cordo de solda. Para solda em filete, as peas devem estar o
mais prximo possvel, no devendo exceder gap de 3/16 pol. ( 4,7625 mm). Se houver
gap de at 1/16 pol., esse valor deve ser acrescido no tamanho do filete (TAMBOLI,
1999).
2.1.2.3 - Posies de soldagem
Duas categorias determinam faixas de posicionamento de soldagem: para teste e para
produo. As posies para teste, ou posies padro, so classificadas de acordo com a
norma, por exemplo, ASME e EN ISO 6947, nas quais h correlao. As posies de teste
utilizam uma nomenclatura para facilitar o entendimento do posicionamento para teste do
metal base a ser soldado. Na norma ASME, a letra G utilizada para junta com chanfro e a
letra F para junta em filete. Para chapas no tubulares, uma numerao dita a posio de
soldagem, sendo 1 no plano, 2 na horizontal, 3 na vertical e 4 sobrecabea. Para soldagem
orbital, configuraes adicionais so permitidas. Para a norma EN ISO 6947, a
nomenclatura utiliza PA, PB, PC, PD, PE, PF e PG para abreviar as posies de soldagem,
como explica a Figura 2.24.
Figura 2.24 - Posies de soldagem.
49
As posies de teste so posies discretas, com faixas de tolerncias definidas, de 15
para desvio longitudinal e 5 de desvio transversal ao cordo, com inteno principal de
contribuir com a avaliao e qualificao de soldadores. Durante o processo produtivo de
soldagem, no entanto, ngulos fora da tolerncia de teste so necessrios, indefinidos pelas
posies dessas normas. Relaes entre posies de teste e produo podem ser
encontradas nos cdigos de construo ASME IX QW-461.1 e QW-461.2, ver Figura 2.25.
Figura 2.25 - Exemplo de traduo entre posio de teste e produo (modificado de
ASME, 2013).
2.1.2.4 - O cordo de solda
Outras configuraes tambm afetam a geometria do cordo, como o ngulo de trabalho da
tocha e a velocidade de resfriamento da poa de fuso. O segundo caso, a taxa de
resfriamento, influencia a largura, por exemplo, de cordes de solda com elevado valor de
reforo, com deposio de muita massa do arame, e alto aporte trmico. O desdobramento
dessa combinao uma massa concentrada em coalescncia e aquecida, que tende a
escorrer e acomodar sua geometria at que o resfriamento a solidifique. Em GMAW-S, no
entanto, h baixo aporte trmico e rpido resfriamento, o que permite a medio da largura
do cordo de solda bem prxima da largura da poa de fuso.
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Variveis como o coeficiente de expanso trmica do metal base e o nmero de restries
no posicionamento da junta influenciam a distoro, o aparecimento de trincas e as tenses
residuais na solda da junta.
A seco de um cordo de solda contempla trs parmetros que definem a geometria global
da solda, com o reforo, a penetrao e a largura, ou distncia entre margens, como mostra
a Figura 2.26.
Figura 2.26 - Nomenclatura da geometria do cordo de solda.
Duas macrocategorias definem a geometria do cordo de solda em relao seco e
junta: solda em chanfro (groove) e em filete (fillet). A junta em chanfro pode ser do tipo
penetrao total (CJP) ou penetrao parcial (PJP), como mostra a Figura 2.27. Cordes
em PJP ou filete so preferenciais em relao ao custo devido ao menor volume de
material depositado (AWS D1.1, 2006) . Em geral, filetes menores e mais longos so
equivalentes em capacidade a filetes maiores e curtos, e custam menos pela quantidade de
material depositado, pelo nmero de passes e pelo tempo do processo (TAMBOLI, 1999).
51
Figura 2.27 - Penetrao total e parcial em junta com chanfro.
vlido lembrar que nem todas as juntas necessitam de alta penetrao do cordo de solda.
De acordo com o AWS D1.1, filetes simples no exigem que a penetrao siga alm da
raiz, pois a fuso at a raiz garante capacidade suficiente para aquele junta, ver Figura
2.28.
Figura 2.28 - Requerimentos de penetrao para solda em filete de junta tipo T
(modificado de TAMBOLI, 1999).
A nomenclatura tambm utiliza as seguintes definies de pontos relevantes na seco do
cordo (TAMBOLI, 1999).
Chanfro: superfcie geralmente angular, em uma ou ambas as partes e faces, que
recebe o cordo de solda. Pode estar entre a faixa de 30 a 60 graus, ou possuir
curvatura na forma de bisel, V, J, U, K ou outras geometrias para propsitos
especiais de solda e custos.
Face: superfcie aparente do cordo ao trmino do traado.
Garganta efetiva: distncia entre o ponto mdio da raiz face da solda.
Garganta terica: distncia entre o ponto mdio da raiz linha de ligao entre as
margens. Essa dimenso forma o plano mais frgil da solda ao longo do cordo. Por
52
estar mais distante da rea de fuso no metal base e a alma, tem muita relevncia no
projeto de junta.
Margem: limiar entre a juno entre a face da solda com o metal base. A largura do
cordo de solda medida atravs da distncia entre duas margens.
Perna: distncia entre a margem e o ponto mdio da raiz da solda.
Raiz: parte posterior da solda que intercepta a superfcie oposta do metal base. Em
uma corte de seco visualizada como um ponto, uma linha, ou uma rea,
dependendo do projeto da junta. A abertura da raiz geralmente tem a dimenso
igual ao dimetro do arame utilizado para GMAW.
Figura 2.29 Parmetros do filete (modificado de AWS WHB, 1984).
Um bom cordo de solda possui um reforo mnimo suficiente para garantir que o perfil
projetado seja preenchido. Excesso ou carncia de deposio influencia a convexidade do
perfil, ver Figura 2.29, e est diretamente ligado ao projeto da junta e custo do cordo
traado. Para soldas em filete em junta tipo T, a convexidade de um cordo de solda de
dada largura no pode exceder os seguintes valores apresentados na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 - Convexidade mxima (modificado de AWS D1.1, 2006).
Largura do cordo ou da face W Convexidade mxima
W 5/16 pol. (8 mm) 1/16 pol. (2 mm)
W > 5/16 pol. (8 mm) at W < 1 pol. (25 mm) 1/8 pol. (3 mm)
W 1 pol. (25 mm) 3/16 pol. (5 mm)
53
A partir da anlise da Tabela 2.2 possvel inferir que o reforo no desejvel por
critrios de projeto, por ser um concentrador de fadiga, comumente usinado. Ele
desejvel, porm, para contornar defeitos na geometria do filete. De acordo com o cdigo
AWS D1.1 (2006), espera-se que os perfis em juntas tipo T estejam nos intervalos
mostrado na Figura 2.30.
Figura 2.30 - Perfis esperados de filete em junta tipo T (modificado de AWS D1.1, 2006).
Caso o projeto necessite de mais resistncia aos esforos, um cordo multipasse pode ser
traado para reforar o filete. A quantidade de passes est, no entanto, diretamente
relacionada distoro angular da junta.
Como foi dito, a variao dos parmetros indiretos do processo de soldagem, o gap entre
as chapas e o posicionamento do metal base influenciam a geometria global do cordo e
altera a forma como a poa de fuso ir se depositar. O preparo adequado do metal base a
ser soldado tambm influencia na eficincia, sequncia e produtividade da solda. Outros
impactos envolvem os defeitos de geometria e qualidade no cordo, provindos do processo
e/ou dos parmetros diretos e indiretos do processo de soldagem (AWS WHB, 1984).
54
Um dos mtodos mais utilizados no projeto de junta considera que, conhecendo as cargas
externas, tm-se as tenses distribudas uniformemente ao longo da garganta do cordo de
solda (TAMBOLI, 1999; BLODGETT, 1963). Os critrios de projetos utilizados nos
experimentos consideram que:
a) Cargas externas utilizam valores nominais;
b) O cordo de solda homogneo, isotrpico e elstico;
c) As partes soldadas so rgidas.
Dessa forma, desprezam-se as tenses residuais, concentrao de tenses e deformaes
entre solda e pea, o que aumenta a complexidade do clculo do projeto da junta. Este
trabalho no considera esforos atuando sobre a junta tipo T. A variao na geometria do
filete tem o intuito de associar parmetros de soldagem aos requisitos de projetos da junta.
Dado um filete em junta tipo T, o perfil do cordo tratado como tringulo retngulo.
Tem-se no dimensionamento dos catetos o clculo da rea da seco, e posteriormente, o
volume de material despendido naquele projeto. Para encontrar o menor volume de
material gasto com o cordo, tem-se:
(2.4)
(2.5)
Substituindo (2.5) em (2.4), tem-se:
(2.6)
Considerando:
(2.7)
Substituindo (2.7) em (2.6) e derivando, tem-se:
55
(
)
(2.8)
O volume mnimo de material necessrio para o projeto de um cordo alcanado com um
filete de pernas iguais. A Figura 2.31 mostra a relao calculada entre o volume do filete e
a razo entre as pernas do filete, para uma dada garganta e comprimento do cordo de
solda.
Figura 2.31 - Relao para o menor volume de filete.
Considerando um filete de pernas iguais, pode-se aproximar o perfil do cordo de solda a
um triangulo retngulo issceles, de catetos l (ou S = l para filete convexo, ou S l em
filete cncavo), hipotenusa w, a altura mxima do reforo re e a garganta terica t, com
relao direta pelo teorema de Pitgoras.
(2.9)
56
Figura 2.32 - Geometria considerada para o filete.
Dois mtodos so utilizados para clculo de esforos em projetos de estruturas, o
Coeficiente de Projeto para Carga e Resistncia (em ingls Load and Resistance Factor
Design, LRFD), e o Projeto da Tenso Admissvel (em ingls Allowable Strength Design,
ASD), ver Figura 2.33, cujas diferenas so mais filosficas e de critrios de projeto, e
sobre como contornar as incertezas associadas solda, s caractersticas do material
soldado, localizao da solda, funo da estrutura e atuao de esforos. Tanto o ASD
e LRFD, de acordo com Instituto Americano da Construo em Ao (em ingls American
Institute of Steel Construction, AISC), ainda so empregados (QUIMBY, 2008).
Figura 2.33 - Diferena na capacidade d
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