Simulação da Soldagem de Painéis Planos
S. E. G. Melo e R. Y.Qassim
Programa de Engenharia Oceânica, COPPE/UFRJ
Sumário
Tendo em vista a crescente demanda de novos navios no Brasil, espera-se que nos próximos anos os estaleiros nacionais enfrentarão problemas de redução de custo, de aumento da produtividade, e melhorias na qualidade. Consequentemente, os vários processos tradicionais de fabricação da construção naval necessitarão ser modernizados. A soldagem representa grande parte dos processos que empregam aço, e em navio convencionais cerca de 50% do aço soldado corresponde a painéis planos, portanto, a soldagem de painéis planos constitui um dos processos de fabricação mais importantes nos estaleiros. No presente trabalho, desenvolveremos uma análise da soldagem de painéis planos usando simulações tridimensionais, empregando pacotes de software considerados “estado da arte”, sendo o objetivo deste trabalho é modelar o processo de soldagem, incluindo a geometria da construção, a utilização de equipamentos, e a alocação de recursos humanos. O modelo da simulação desenvolvido neste trabalho deve ser entendido como um ponto de partida para uma análise de otimização mais detalhada, podendo se estendida aos demais processos de construção naval.
Abstract
In view of increasing demand for new ships in Brazil, its is to be expected that in the next few years, national shipyards will facing challenges of cost reduction, productivity enhancement, and quality improvement. Welding plays a central role in shipbuilding in view of the fact that about half of assembly operation involves welding. In the present work, we develop an analysis of welding of plane panels employing three dimensional simulation state-of-art software packages. The objective being to model the process of welding including, construction geometry, equipment utilization and human allocation. The model presented have should be seen as first step in some detailed studies.
1 - Introdução
A soldagem é uma das principais operações na construção naval, constituindo cerca de metade do total de processos na construção de navios. Conseqüentemente, há uma motivação óbvia para procurar um aumento da produtividade em todos os aspectos da soldagem, tanto no desenvolvimento do processo em si, como no planejamento do processo como um todo. ASOK e AOYAMA [1] desenvolveram um protótipo de um sistema que faz um auxílio ao planejamento da construção do casco atuando na utilização de recursos e em considerações sobre os processos de soldagem. A despeito do papel crítico que tem a soldagem na construção naval, existe pouca pesquisa nas formas de se realizar planejamento de soldagem e pouca literatura a respeito. O objetivo deste trabalho é fornecer uma contribuição neste sentido. O restante deste trabalho é organizado como segue. Na seção 2, é definido com mais precisão, o planejamento do processo de soldagem sendo feita uma breve revisão da literatura disponível. Na seção 3, demonstramos o papel da simulação no planejamento do processo de soldagem. O Trabalho é concluído na seção 4 com comentários e sugestões para um trabalho de pesquisa mais profunda.
2 - Planejamento do Processo de Soldagem
O processo de soldagem é uma atividade de engenharia ligada à produção a qual é concebida através de um conjunto detalhado de plantas e uma série de instruções de soldagem de peças. O processo de soldagem começa com o desenho e especificação das juntas soldadas e termina com a seleção de diversos parâmetros como representados na figura 1
Figura 1 – Parâmetros do planejamento do processo de soldagem (Fonte: CHO et al [4])
Em particular, o planejamento do processo de soldagem em estaleiros foi estudado por DARWISH [3] e por CHO [4]. DARWISH [3] desenvolveu um sistema de base de dados para a seleção do processo de soldagem em estaleiros. CHO [4] desenvolveu um sistema de planejamento do processo de soldagem para a montagem de blocos, partindo dos componentes e terminando no bloco final, usam o raciocínio “rule-based” para selecionar posturas, métodos, equipamento, e materiais de soldagem. No trabalho dos mesmos usa-se como exemplo uma pequena submontagem para ilustrar a aplicação deste sistema de planejamento. Descreveremos a seguir, resumidamente o descrito em CHO et al [4].
Em primeiro lugar, determina-se o tipo de “postura”, ou seja, o tipo posição de soldagem a ser utilizada na junta, plana(D), Horizontal (H), Vertical (V) ou sobre cabeça (O), para soldadas de topo (B) ou filete (T). A relação entre posições de soldagem tipo de junta estão resumidas na figura 2.
Figura 2 – Relação entre posição de soldagem e tipo de junta (Fonte: CHO et al [4])
A determinação do tipo de posição de soldagem em função do tipo de junta e do tipo de submontagem é determinada no trabalho de CHO [4], pelo algoritmo mostrado na figura 3. O processo é exemplificado através de uma pequena submontagem mostrada na figura 4.
Figura 3 – Algoritmo de determinação da posição de soldagem em função da geometria da submontagem (Fonte: CHO et al [4])
Figura 4 – painel plano de exemplo (Fonte: CHO et al [4])
A automatização pelos algoritmos irá gerar como saída informações como as constantes nas tabelas da figura 5, para o exemplo da figura 4.
Figura 5 – Resultados da utilização do algoritmo proposto para o exemplo da submontagem mostrada na figura 4 (Fonte: CHO et al [4])
Estes dados obtidos pela utilização do algoritmo de automatização servirão de dados de entrada para os modelos de simulação tridimensional apresentados neste trabalho.
3 - Simulação no Planejamento de Processo de Soldagem
A fim de demonstrar o uso da simulação tridimensional como ferramenta de planejamento do processo de soldagem, utilizaremos o painel mostrado na figura 4, o mesmo utilizado na Ref. [4], como exemplo. Este trabalho fornece uma série de “outputs” (tabelas da figura 5) que serão nossos parâmetros de “input” para a modelação tridimensional.
Utilizando o software de planejamento de processos Delmia Process Enginer (DPE), foi modelado o processo de soldagem de um painel plano como o do exemplo, seguindo os dados recebidos da Ref. [4]. As figuras 6 a 9 exemplificam esta etapa do processo.
Figura 6 – Modelação do processo utilizando o DPE – fase inicial
Figura 8 – Process Plan do DPE
Figura 9 Manufacturing Concept do DPE
No DPE foram modelados os elementos geométricos do painel (chapas e reforços), os recursos humanos, ferramental necessário e a relação entre os mesmos. O próximo passo é então utilizando os recursos de integração entre o DPE e o Delmia DPM (Digital Process for Manufacturing), simular o processo de montagem e soldagem do painel soldado. Esta integração fornece uma base inicial para a simulação tridimensional da montagem e requer um relativo grau de complexidade quando se quer uma simulação bem detalhada.
Quando utilizado todos os recursos disponíveis nos dóis softwares (DPM e DPE) é possível interagir com os dois nos dois sentidos, ou seja, criar um modelo de planejamento de processo no DPE, migrá-lo para o DPM, alterar o processo em termos da análise da simulação alterando automaticamente a descrição do processo do DPE. No entanto, como não era o objetivo deste trabalho este grau de complexidade, apenas foi realizada a migração do processo do DPE para o DPM e o processo foi trabalhado apenas no DPM a partir deste ponto. Em trabalhos futuros pretendemos estender esta operação numa integração mais completa DPM- DPE.
A figura 10 mostra o trecho da soldagem de duas chapas planas em solda de topo pelo processo SAW (Submerged Arc Welding). A figura 11 mostra o trecho da mesma simulação numa solda de filete na posição horizontal com o processo GMAW (Gás Metal Arc Welding – MIG/MAG) e na figura 12 o mesmo caso para aposição vertical. Note que neste dois últimos trechos somente a pistola e a mão do soldados foram representados.
Para uma etapa posterior pretende-se, utilizando o trabalho da Ref. [4], realizar uma otimização envolvendo o planejamento do processo e a simulação do mesmo de forma termos
um processo otimizado em termos de utilização de recursos com ganhos na qualidade e produtividade.
Figura 10 – Simulação da soldagem do painel plano – solda de topo
Figura 11 – Simulação da soldagem do painel plano – solda horizontal
4 – Reconhecimento
O segundo autor gostaria de agradecer o Conselho Nacional de Pesquisa (CNPq) pelo apoio financeiro à pesquisa.
5. Referências
[1] Asok, K. A., Aoyama, K. (2005) Evaluation and management of the cost and risk of weld deformations in modular ship construction. Journal of Ship Production, vol. 21, no. 1, pp. 8-13.
[2] Marapoulos, P. G., Yao, Z., Bradley, H. D., Paramor K. Y. G. (2000). An integrated design and planning environment for welding. Part 2: Process planning. Journal of Materials Processing Technology, vol. 107, pp. 9-14.
[3] Darwish, S. H., Al Tamimi A., Al-Habdan, S. (1997). A knowledge base for metal welding process selection. International Journal of Machine Tools Manufacture, vol. 37, no. 7, pp. 1007-1023.
[4] Cho, K.-K., Sun, J. G., Oh, J. S. (1999). An automated welding operation planning system for block assembly in shipbuilding. International Journal of Production Economics, vols. 60-61, pp. 203-209.
