A palavra robô origina-se do tcheco robota e significa “trabalho forçado”. A expressão foi utilizada, pela primeira vez, pelo escritor theco Karel Cápek, em uma novela intitulada Opilec. Três anos mais tarde, em 1920, seu uso se difundiu graças à peça Rossum’s Universal Robots, do mesmo autor. Em 1939, o escritor de ficção científica Isaac Asimov começou a escrever uma série de contos sobre robôs, nos quais introduziu o termo “robótica”. Asimov descreve os robôs como máquinas de aparência humanóide, que raramente falham e auxiliam a humanidade no desempenho de suas tarefas. Graças às histórias desse autor, os robôs se tornaram parte do imaginário popular, como personagens de ficção científica.
No entanto, só em 1958, nos EUA, o primeiro robô do mundo real seria construído. Apenas quatro anos mais tarde, em 1962, os modelos da Unimate (Universal Automation) e da Versatran (Versatile Transfer) já estavam sendo comercializados.
No Japão, a robótica teve início em 1967, com a importação de robôs americanos e o licenciamento da Kawasaki Heavy Industries, obtido junto a então líder americana Unimation, para fabricação de robôs em território japonês.
A pressão da crise do petróleo de 1973 acarretou uma corrida desesperada das indústrias à redução de custos. Foi então que a aplicação de robôs apareceu como uma solução perfeita para a racionalização da produção. A partir de então, o uso da robótica tem apresentado um crescimento constante, interrompido apenas pela profunda crise econômica que o mundo tem vivido desde os primeiros anos da década de 80.
A soldagem a arco elétrico sob proteção gasosa apresenta especificidades frente a outras operações - como paletização, deslocamento de peças etc., Relacionadas a variáveis que interferem no arco elétrico sob proteção gasosa, e, por outro, dar visibilidade às estratégias utilizadas por algumas organizações que estão buscando superar, com êxito, os desafios advindos da incorporação de mudanças tecnológicas.
Mais especificamente, serão tratadas das inovações implicadas na automação. O emprego da robótica tem o poder de incrementar a produtividade e melhorar a qualidade de uma indústria, desde que se façam ajustes, a fim de que o investimento alcance de fato o resultado esperado. As adequações relacionam-se, inicialmente, aos objetivos da empresa frente à decisão de robotizar suas operações.
Para que se pense a robótica como uma ferramenta a serviço do processo de soldagem, é preciso, antes, que se visualize o conjunto de operações envolvidas no processo: das funções que exigem completa interferência do operador até aquelas que se resumem a uma simples monitoração a distância. Tanto na soldagem manual como na semi-automática, o soldador interfere plenamente, e seu julgamento será o responsável pela mudança ou correção da soldagem durante a execução. Nesses tipos de soldagem, o soldador pode deslocar-se ao longo da peça, ou, em alguns casos, pode ainda fixá-la em dispositivos posicionadores. Realizada a soldagem, ele retira a peça e o ciclo se reinicia.
Tendo em vista a redução dos riscos na introdução da robotização industrial, pode-se optar por uma solução intermediária (automação de baixo custo). Nesse caso, a introdução de robôs na fábrica ocorreria gradativamente, de maneira tal que dependeria de cada empresa a velocidade da mudança, até chegar à plena automação, ou seja, na robotização completa do processo de soldagem.
Fatores de grande importância, que devem ser considerados com muito cuidado, nesse momento de definições, são: a escolha do produto a ser fabricado, bem como avaliação correta dos recursos financeiros a serem empregados. Além disso, é fundamental que se
estudem maneiras de otimização dos processos de fabricação e preparação das peças que compõem o produto (corte, prensagem, dobramento).
Estarão em foco, na implantação da nova tecnologia, muitos outros aspectos que dizem respeito a uma nova forma de organizar, planejar e monitorar a produção, já que os sistemas de controle produtivo, tradicionalmente utilizados na soldagem manual, são insuficientes para a soldagem robotizada. Dessa forma, a soldagem a arco elétrico impõe algumas restrições ou constrangimentos à robotização.
A utilização de robôs industriais na soldagem teve início na década de 60, na indústria automobilística, dirigindo-se inicialmente à soldagem por resistência. Por sua vez, o uso da soldagem a arco elétrico foi incrementado a partir da evolução das máquinas de solda, quando estas foram dotadas de microprocessadores, que passaram a propiciar respostas rápidas às condições de soldagem (corrente e tensão), permitindo a manutenção da estabilidade de arco, além de atuarem em outros aspectos importantes, como no controle das falhas de arco e no contato da tocha na peça.
1.5.1 Vantagens e Limitações
As vantagens que os robôs trazem são amplas, como qualidade, produtividade, segurança, flexibilidade, eficiência entre outras. A questão aqui retratada é a comparação com o ser humano que tem limitações e necessidades que um robô não apresenta. Um ponto forte do robô é o grau de precisão que possui: “robôs faltam à capacidade para responder em situações de emergência, a menos que a situação é prevista” (NIKU, 2001).
As limitações do robô se encaixam, segundo Niku, 2001, em graus de liberdade, destreza, sensores e tempo real de resposta. Umas das desvantagens é o custo inicial em equipamentos e instalação e necessidades em programação.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais
O gás de proteção foi uma mistura de argônio e gás carbônico na proporção de 72% Ar e 18% CO2. O metal de adição utilizado para o processo GMAW foi o arame ER70- S6, conforme especificação AWS A5.18 (2001) de diâmetro 1,0mm.
Tabela 4 - Composição química (%) do metal de adição.
C Mn Si P S Ni Cr V Cu Mo Nb
0,16 1,5 0,55 0,03 0,025 0,6 0,3 0,1 0,5 0,3 0,08
Fonte – ESAB.
Tabela 5 - Propriedades mecânicas do metal de adição.
Limite de Resistência (Mpa) Tensão de escoamento (Mpa) Alongamento (%)
480 400 22
Fonte – ESAB.
O material utilizado foi o aço SAE 1012, devido a ser esse o aço mais utilizado na empresa Tromink Industrial LTDA., estando presente em muitos de seus produtos. Suas principais características são o baixo carbono, assim como outros elementos de liga em quantidades muito pequenas. O aço SAE 1012 possui boa ductilidade e soldabilidade, é destinado a estruturas onde a soldagem é requisito, assim como a resistência. A composição química está relacionada na tabela 6 .
Tabela 6 - Composição química (%) do metal base.
Fonte - Gerdau
2.2 Métodos
Para a execução dos ensaios de tração, dobramento, macrografia e dureza foram confeccionadas cento e oito corpos de prova, sendo que foram:
36 - ensaios de dobra.
10 - ensaios de macrografia e dureza. 26 – reserva para algum eventual problema.
Nos ensaios de tração e dobramento foi usada uma máquina de ensaios universal (WOLPERT 60 Toneladas).
Os corpos de prova foram soldados conforme EPS (anexo A) e os parâmetros descritos na EPS foram usados para todos os corpos de prova, na tentativa de obter a mesma situação para todos os soldadores e robô.
O aparelho de solda e robô de solda usados para o teste estão indicados na (figura 53), onde A= Robô de Solda modelo AII-B4 e B= Aparelho de Solda modelo MB 450 LDW.
Figura 53 – Máquinas usadas para soldar os Corpos de Prova.
Fonte - Próprio Autor
2.2.1 Ensaio de Macrografia
Para a macrografia foram usadas lixas de diferentes tamanhos de grão: 120, 180, 220, 320, 400, 600. Após, o corpo de prova foi submetido a um ataque químico com nital 5%. Para a limpeza do ataque foi usado álcool, algodão e um secador, e para a análise do corpo de prova atacado foi usado um microscópio metalúrgico de platina invertida.
2.2.2 Ensaio de Dureza
Os ensaios de dureza foram realizados com um durômetro analógico (PANANTEC RBSM), com um penetrador de esfera 136° com pré-carga de 3 Kgf e carga 30 Kgf, e para a leitura dos dados foi usada uma lupa graduada com resolução de 0,001mm.
2.2.2.1 Dureza Vikers
O método de dureza Vickers requer algumas providências para garantir resultados satisfatórios: a superfície a ser ensaiada deve estar limpa, plana e preparada através de retificação
e polimento; o acabamento da superfície deve ser tanto melhor quanto menor for a impressão; durante a usinagem do corpo de prova, deve-se tomar o cuidado de eliminar partes que possam ter sido afetadas pela operação de corte. Por fim, a superfície do corpo de prova deve ser perpendicular ao eixo do penetrador, sendo o desvio permitido no ângulo de um grau.
É possível considerar dois tipos de desvio quanto à impressão obtida: o primeiro é a impressão defeituosa, no caso de metais recozidos, devido ao afundamento do metal em torno das faces do penetrador, resultando um valor d maior que o real; o segundo tipo de erro é a impressão defeituosa, no caso de metais encruados, devido à aderência do metal em volta das faces do penetrador, resultando um valor d menor que o real. Para os dois casos faz-se necessária uma correção de até 10% nos valores de dureza encontrados.
2.2.2.2 Correção de Valores
Para obter valores corretos de durezas medidas em superfícies de formato esférico ou cilíndrico, os valores encontrados devem ser corrigidos de acordo com um quadro, na qual se considera, em primeiro lugar, o quociente de d/D (d - diagonal média da impressão; D - diâmetro da esfera ou cilindro) e em segundo, a multiplicação dos fatores de correção pelo número de dureza obtido no ensaio.
2.2.2.3 Representação dos Resultados
A representação dos resultados é feita pelo número de dureza Vickers seguido pelo símbolo HV com um sufixo numerai, que representa a carga. Por exemplo, 440 HV30, que representa uma dureza Vickers de 440Kgf/mm2, medida sob uma carga de 30Kgf, aplicada durante 10 a 15 segundos. É possível utilizar outro sufixo também numerai, que indica a duração da aplicação da carga quando esta for diferente da carga considerada como normal, de 10 a 15 segundos. Por exemplo, 440 HV 30/20, que representa uma dureza Vickers de 440Kgf/mm2 medida sob uma carga de 30Kgf, aplicada durante 20 segundos.
2.2.2.4 Equipamento para o Método Vickers
O equipamento para o ensaio de dureza Vickers é constituído por um sistema de aplicação de forças, um penetrador de diamante em forma de pirâmide de base quadrada e um sistema de medição por microscópio de grande ampliação, com um micrômetro acoplado.
2.2.3 Ensaio de Tração
Os corpos de prova foram lixados para a realização de macrografia em todos eles, a fim de localizar o ponto de ruptura (se foi na ZTA, cordão de solda ou chapa base).
Após a realização da macrografia, colocou-se castanhas adequadas para o ensaio na máquina Wolpert 60T. Depois foi regulada a velocidade média dos ensaios, que na máquina é controlada por uma válvula hidráulica.
Após a máquina ser regulada, o próximo passo é o software, que pede as dimensões e identificação da peça a ser ensaiada. Em seguida, pende-se o corpo de prova na máquina e a mesma é ligada.
2.2.4 Ensaio de Dobramento.
O ensaio de dobramento fornece uma indicação qualitativa da ductilidade do material. Consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilíneo e seção circular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada. Através do cutelo é aplicada uma força perpendicular ao eixo do corpo do prova, até que seja atingido um ângulo desejado, que é geralmente 90, 120 ou 180º.
Figura 54 - Ensaio de Dobramento
Fonte - Próprio Autor
2.2.4.1 Ensaio de Dobramento em Corpos de Prova Soldados
O ensaio de dobramento em corpos de prova soldados, retirados de chapas ou tubos, é realizado geralmente para a qualificação de profissionais que soldam (soldadores) e para avaliação de processos de solda.
Figura 55- Corpos de Prova Soldados
Fonte – Próprio Autor
Se na zona tracionada o material não apresentar trincas ou fissuras, ele está aprovado.
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura 56 mostra um gráfico que apresenta a média dos resultados obtidos após o ensaio de tração em Newton. Como pode ser visto no gráfico, o robô de solda, em vermelho, obteve uma média significativamente maior do que a solda manual.
Figura 56 – Médias da Máxima carga dos Ensaios de Tração.
A figura 57 apresenta o gráfico que mostra o desvio padrão dos ensaios de tração onde a menor diferença significa uma solda constante, sem muitas variações. O robô de solda se destaca com o menor desvio padrão entre os testes realizados.
Figura 57 – Desvio Padrão dos Ensaios de Tração.
Fonte – Próprio Autor.
A figura 58 apresenta o gráfico do tamanho da ZTA, em que pode-se observar que o menor aporte térmico apresentado foi o do robô de solda.
Figura 58 – Tamanho da ZTA.
A figura 59 mostra o gráfico do desvio padrão da ZTA, em que se observa que a menor variação obtida foi a do robô de solda em relação aos soldadores qualificados.
Figura 59 – Desvio Padrão da ZTA.
Fonte - Próprio Autor.
Na tabela 7 são apresentados os valores de dureza Vinkers, onde o ponto 1 está localizado no material depositado; o 2 está localizado no centro da ZTA; o 3 está localizado no final da ZTA, onde o aporte térmico é menor; e o 4 está localizado no metal de base.
Figura 60 – Macrografia (numeração, local das impressões de dureza)
A Tabela 7 apresenta as médias dos resultados obtidos na dureza em ambos os locais do material.
Tabela 7 – Resultados de Dureza Vinkers.
Dureza Vikers Solda ZTA Próximo ZTA Metal Base
1 2 3 4
Robô 208 130 120 120
1738 209 140,5 124,5 124,5
1727 192 146 138,5 135
1867 209 138,5 124,5 124,5
Fonte – Próprio Autor.
A média de velocidade de soldagem de cada um dos soldadores e do robô é apresentada na figura 61.
Figura 61– Velocidade de Soldagem em mm/s.
Fonte – Próprio Autor.
O desvio padrão da velocidade de soldagem na figura 62 permite que se note que o robô não obteve variação, por ser uma máquina programável.
Figura 62 – Desvio Padrão da Velocidade de Soldagem.
Fonte – Próprio Autor.
Para os ensaios de dobramento, um dos soldadores obteve trinca em dois corpos de prova e estaria reprovado, tendo que refazer o ensaio para sua requalificação.
Figura 63 – Trinca no Ensaio de Dobramento.
Fonte – Próprio Autor.
Todos os soldadores e o robô foram submetidos ao ensaio visual, e foram aprovados em todos os critérios descritos em (Descontinuidades de Solda Mig/Mag).
CONCLUSÃO
Nos resultados obtidos pelos ensaios realizados, juntamente com o desvio padrão de cada ensaio pode se observar estatisticamente que a solda realizada por robô é mais resistente e mais uniforme do que a solda manual. A diferença da carga máxima passa de mil Newtons, resultado significante se observando o desvio padrão que varia bem menos na solda realizada pelo robô em relação à solda manual, dando maior confiabilidade para peças que exigem um nível de criticidade alto.
No artigo Tusset (uma das bibliografias usadas neste trabalho), pode-se constatar que os resultados obtidos nos ensaios realizados estão compatíveis, comprovando que a solda robotizada é mais eficiente do que a manual em termos de resistência, principalmente para constância da solda.
Como sugestão para futuros trabalhos, pode ser analisada a microestrutura dos corpos de prova para analisar tamanho de grãos, os quais podem ter influência na resistência dos materiais.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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TREMONTI, M. A ., Requisitos Organizacionais à Introdução da Robótica : O caso do Processo de Soldagem a Arco Elétrico Sob Proteção Gasosa. Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, Escola Politecnica da USP, Área de concentração – Engenharia de Produção, Março,1999.
NIKU, B. S. Introduction to robotics: Analysis, systems, aplications. New Jersey: Prentice Hall,2001.
ANEXO A (EPS)
N° da EPS: 011 Norma: IT 13/08
Soldador: Valdecir da Silva Almeida Matrícula: 1372
Tipo de Junta: Topo Tipo de Solda: Chapa
Espessura do Material: 3,35mm Diâmetro Externo: N.A.
Material Base: NBR 5915 Grupo de Material: Aço Carbono
Detalhes da junta/solda:
Projeto da Junta Seqüência de Soldagem
Detalhes da soldagem: Passe Processo de soldagem Posição de soldagem Ø do arame (mm) Corrente de soldagem (A) Tensão (V) Tipo de corrente Tipo de gás Vazão do gás (l/min) Transfe- rência
único MAG Plana 1,0 120 - 180 18 - 22 CC Plus 08 -12 Curto Circuito
Outras informações: (se necessário)
Classificação do arame: ER 70S-6
Data emissão: 28/11/2008
Examinador: Denivaldo Cerutti Camara
ANEXO C GRÁFICO COM OS RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRAÇÃO E ZTA. TAMANHO DA ZAT em mm CP POR SOLDADOR 1867 1727 1738 ROBÔ N° ENSAIO ZTA TRAÇÃO N N° ENSAIO ZTA TRAÇÃO N N° ENSAIO ZTA TRAÇÃO N N°
ENSAIO ZTA TRAÇÃO N
1 1 9,42 38872 19 8,22 37853 28 7,52 36309 4 7,36 40200 1 2 8,95 38162 20 8,46 38285 29 7,63 36927 5 7,35 40539 1 3 8,73 38316 21 8,37 38285 30 7,75 36618 6 7,36 40231 2 13 9,33 39644 22 8,15 37977 33 7,89 37421 7 7,44 40383 2 14 9,68 38347 23 9,03 38779 32 7,98 36927 8 7,43 40568 2 15 9,41 38841 24 8,73 38285 31 8,17 36742 9 7,43 40507 3 16 8,83 39829 25 8,65 38779 34 8,29 37421 10 7,33 40107 3 17 8,89 37987 27 8,73 38440 35 8,33 37483 11 7,31 40138 3 18 8,84 40076 26 8,13 38131 36 8,21 37637 12 7,35 40014