UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
MAX BARANENKO RODRIGUES
VALIDAÇÃO DE UM SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DINÂMICA
APLICADO EM REVESTIMENTO POR FUSÃO A LASER
FLORIANÓPOLIS
2020VALIDAÇÃO DE UM SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DINÂMICA APLICADO EM REVESTIMENTO POR FUSÃO A LASER
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica
Orientador: Prof. Milton Pereira, Dr. Eng.
Coorientador: Prof. Régis Henrique Gonçalves e Silva, Dr. Eng.
Coorientador: Erwin Werner Teichmann, Dr. Eng.
Florianópolis 2020
Max Baranenko Rodrigues
Validação de um Sistema de Alimentação Dinâmica Aplicado em Revestimento por Fusão a Laser
O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Mateus Barancelli Schwedersky, Dr. Eng. Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
Prof. Raul Gohr Júnior, Dr. Eng. IMC Soldagem
Prof. Dr- Ing. Walter Lindolfo Weingaertner Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de mestre em Engenharia Mecânica.
____________________________ Prof. Dr. Eng. Jonny Carlos da Silva
Coordenador do Programa
____________________________ Prof. Milton Pereira, Dr. Eng. - Orientador Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC
Florianópolis, 12 de fevereiro de 2020
Documento assinado digitalmente Milton Pereira
Data: 08/04/2020 15:58:18-0300 CPF: 823.484.489-04
Documento assinado digitalmente Jonny Carlos da Silva
Data: 08/04/2020 17:17:52-0300 CPF: 514.515.064-49
Dedico este trabalho à minha família, em especial aos meus avós.
Agradeço a todos que participaram direta e indiretamente para a construção deste trabalho, o qual foi um grande crescimento pessoal e profissional. Ele só foi possível em virtude da colaboração de diversas pessoas e instituições, dentre as quais:
-Meu orientador, Prof. Dr. Milton Pereira pelo conhecimento, contribuições e experiências técnicas transmitidas ao longo do período do projeto;
-O professor Walter Lindolfo Weingaertner por todo apoio e conhecimento transmitido ao longo da dissertação;
-Meus coorientadores, Prof. Dr. Erwin Werner Teichmann e Prof. Dr. Régis Henrique Gonçalves e Silva pelo suporte técnico e conhecimento transmitidos durante as atividades realizadas;
-Toda equipe do LMP-Laser pelo suporte técnico durante o desenvolvimento do trabalho e apoio para sua realização. Em especial, o Dr. Claudio Abilio da Silveira, Eng. Adriano Pinto Pereira, M. Denize Albertazzi, Eng. Rafael Nunes Gomes Silva, M. Cledenir Costa de Oliveira, Eng. Frederico Baumgratz e Eng. Calil Amaral;
-Toda equipe do LABSOLDA pelo conhecimento transmitido e infraestrutura que possibilitaram a realização deste trabalho. Em especial à equipe de eletrônica, M. Felippe Kalil, Dr. Cleber Marques e M. Fernando Costenaro;
-O Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) campus Florianópolis e ao DAMM (Departamento de Metal Mecânica), por possibilitar a realização da etapa experimental; -O LAR- Laboratório de Robótica Aplicada Raul Guenther pela infraestrutura para realização deste trabalho;
-O Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), por possibilitar a realização desta dissertação;
-O CNPq, pelo apoio financeiro;
-O Eng. Raul Gohr Jr., pelas dúvidas solucionadas, infraestrutura e conhecimentos transmitidos; -Os Eng. Kisa Teresa Taho, Eng. Marcos Rodrigues Butignol, Eng. Gabrielli Laurindo, Eng. Michel Fabre Almeida, Eng. Vinicius Ghellere Sbardelotto pela amizade desde a graduação; -A minha família pela constante motivação e incentivo.
“A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou sobre aquilo que todo mundo vê.” (Arthur Schopenhauser)
Diversos setores industriais apresentam problemas relacionados ao desgaste de componentes, resultando em uma significativa perda de econômica devido à sua manutenção frequente. O desenvolvimento de novos equipamentos para processos LMD (laser Metal Deposition) é uma busca constante de diversos centros de pesquisa para aumento de produtividade de processos de revestimento que mitiguem os mecanismos de desgaste. No que tange ao processo de revestimento por fusão a laser com alimentação externa frontal de arame, modernas versões dos equipamentos permitem um nível maior de controle geométrico da disponibilização da direção de alimentação do arame em relação ao substrato. Em processos de revestimento a arco, as modernas versões dos equipamentos permitem um alto nível de controle das variáveis do processo, flexibilidade e robustez de aplicação. Dentre as inovações pode-se destacar o controle da movimentação de arame dentro de um período de transferência metálica, com alterações cíclicas no sentido de movimento. Este tipo de alimentação é denominada de alimentação dinâmica (AD). Em busca de melhorias do processo e promover a liberdade do usuário para exploração da tecnologia de novos equipamentos, o presente trabalho avalia um sistema de alimentação dinâmica com flexibilidade de regulagem de parâmetros pelo usuário/pesquisador para processo de revestimento por fusão a laser (laser cladding AD). Para o desenvolvimento do novo processo de revestimento, foi construído um protótipo de movimentação do direcionador de arame e um sistema de alimentação dinâmica de arame equipado com um servomotor de alta dinâmica. O sistema foi validado variando os parâmetros de alimentação de arame com o equipamento desenvolvido em relação aos erros de velocidade como consequência do algoritmo criado para determinar o avanço e recuo de arame no processo de revestimento por fusão a laser com alimentação externa frontal de arame. Foi empregada uma fonte de laser de fibra (Yb-Itérbio) equipado com um cabeçote de soldagem (Precitec) e um sistema de movimentação da amostra em relação ao cabeçote laser integrado com um comando numérico Siemens 840D que permite variação da potência do feixe laser e velocidade de deslocamento da amostra. Com relação ao novo procedimento, foi verificado um erro máximo em torno de 7,34 % e 15,0 % para, respectivamente, velocidade média de alimentação de arame e amplitude de oscilação de recuo de arame em relação aos parâmetros comandados. O perfil resultante para cordões únicos apresentou homogeneidade em sua superfície e com o uso de alimentação dinâmica, verificou-se um aumento de 62 % da diluição para a frequência de 5 Hz e amplitude de oscilação de arame de 5 mm. Para revestimento, a técnica é promissora pois promove diminuição das descontinuidades do revestimento para as amostras de Inconel 625.
Many industrial sectors suffer from loss of productivity due to frequent maintenance of worn components. In order to reduce and avoid wear mechanisms, the development of new Laser Metal Deposition (LMD) process equipment is a constant pursuit of several research centers for increased productivity coating. When it comes to laser cladding processes, the modern versions of the equipment have a greater level of control over the geometric arrangement of the material fed to the substrate. However, in arc processes, modern equipment allows a high-level control of variables and greater application flexibility. Among the recent innovations can be highlighted the control of wire movement within the period of metal transfer, with changes in the direction of the movement. This type of technique is called dynamic wire feeding (DWF). In order to improve the process, the present work develops and evaluates a dynamic feeding system with a flexible parameter regulation for laser cladding application. For the development of the new coating welding procedure, it was necessary to build an equipment for the feed system equipped with a highly dynamic servomotor. The wire feeding parameters of the developed equipment and speed error were analyzed as consequence of the created algorithm in laser cladding. To test the prototype, it was proposed its application wire front feeded, a fiber laser source (Yb-Ytterbium) and a welding head were used, varying laser power, welding speed and DWF parameters. Regarding the procedure, it was possible to verify a maximum error around 7.34 % and 15.0 % for, respectively, average wire feed speed and wire amplitude oscillation in relation to commanded parameter. The resultant profile for single tracks showed homogeneity in the surface and with the technique of dynamic wire feeding, there was an increase up to 62 % of the dilution for frequency of 5 Hz and wire oscillation amplitude of 5 mm. For coating process, the technique was promising as it promotes the decrease of welding discontinuities with Inconel 625 wire as feedstock.
Keywords: Laser cladding; Dynamic wire feeding; Mechanical transfer control; Laser surfacing; Laser coating; Wire oscillation; Wire pulsation.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Componentes básicos de um oscilador laser. Adaptado de [11]. ... 27
Figura 2- Estrutura do laser de fibra. Adaptado de [13]. ... 29
Figura 3- Esquemático do combinador de feixe paralelo. Adaptado de [15]. ... 30
Figura 4- Modos de distribuição eletromagnética transversal. Adaptado de [17] ... 31
Figura 5- Esquemático de um cabeçote óptico laser, mostrando o conjunto das lentes. Adaptado de [18] ... 32
Figura 6- Representação esquemática da densidade de energia média para um feixe gausseano (TEM00)em posições focais diferentes. Adaptado de [22]. ... 33
Figura 7- Categorização do processo de manufatura aditiva metálica - Processos de etapa única - ISO ASTM 52900:2015. Adaptado de [29]. ... 35
Figura 8- (a) Revestimento por fusão a laser com a utilização de pó para reparação de pás de turbinas. (b) Revestimento por fusão a laser alimentado por arame para reparação de pás de turbinas. Adaptado de [38, 45]. ... 36
Figura 9- Esquemático e fotografias de bicos de deposição de pó metálico para revestimento por fusão - Coaxial (a) e Externo Lateral (b). Adaptado de [8, 49]. ... 38
Figura 10- a) Adição de pó coaxial. b) Adição de pó lateral externa (off-axis). c) Adição descontínua de pó com quatro entradas. d) Bocal coaxial contínuo. e) Bocal coaxial descontínuo 45°. Adaptado de [52, 53]. ... 39
Figura 11- Esquemático e fotografias do processo de deposição a laser com adição de arame – externo frontal (a) e coaxial (b). Adaptado de [20, 56, 57]. ... 40
Figura 12- Sistema de processamento óptico COAXwire do instituto IWS da Fundação Fraunhofer. Adaptado de [59]. ... 41
Figura 13- Comparação das características da alimentação de material no processo de revestimento por fusão com arame e pó metálico (Feedstock). Fonte: Autor. ... 42
Figura 14- (a) Esquemático da alimentação de (a) pó (b) e de arame. Indicação dos fenômenos físicos envolvidos nos processos. Adaptado de [67] ... 43
Figura 15- Esquemático das componentes das forças que atuam sobre a parte liquefeita do arame - (a) processo de revestimento por fusão a laser alimentado externamente por arame. (b) para o processo MIG/MAG. (c) para o processo TIG . Adaptado de [72]. ... 45
Figura 16- Parâmetros geométricos de orientação do arame para o processo de revestimento por fusão a laser. Fonte: Autor. ... 48
com alimentação externa frontal. Adaptado de [78] ... 49 Figura 18- Diferentes Formas de disposição geométrica entre a alimentação do arame e o deslocamento do feixe laser. Adaptado de [8]. ... 49 Figura 19- (a) Ângulo de entrada do arame (α). (b) Disposição geométrica do arame em relação ao substrato. Adaptado de [63]. ... 50 Figura 20- Transferências metálicas intermitente, por ponte e por mergulho no processo de revestimento por fusão a laser alimentado externamente na região frontal do arame. Adaptado de [60]. ... 52 Figura 21- Faixas de transição de transferência metálica para o revestimento por fusão a laser com alimentação externa frontal. Adaptado de [60]. ... 52 Figura 22- Aplicação de desentortadores de arame (detalhe) em série com um tracionador auxiliar indicado pela seta. Adaptado de [83]. ... 53 Figura 23- Movimentação do arame no processo TIG. (a) Alimentação Contínua. (b) Alimentação Dinâmica. Adaptado de [75]. ... 55 Figura 24- Valores programados da velocidade de avanço e recuo no processo de soldagem TIG com alimentação dinâmica. Adaptado de [75]. ... 55 Figura 25- (a) Comportamento da velocidade do arame em função do sistema de alimentação dinâmica no processo de soldagem TIG. (b) Imagens da câmera de alta velocidade para uma frequência de 1 Hz. Adaptado de [86] ... 57 Figura 26- Movimento de avanço e recuo do arame para o processo CMT [89]. ... 58 Figura 27- Disposição de componentes básicos do sistema CMT. (1) Fonte de alimentação. (2) Cabeçote alimentador de arame. (3) Buffer de arame. (4) Tocha de soldagem. Adaptado de [89]. ... 59 Figura 28- Diagrama esquemático do equipamento CMT, destacando o motor de tracionamento contínuo do arame saindo da bobina, o pulmão e o motor com elevada dinâmica no corpo da tocha. Adaptado de [94]. ... 60 Figura 29- Sistemas com tracionamento auxiliar desenvolvidos para alimentação dinâmica em processos de soldagem MIG/MAG. 1) Servomotor Kollmorgen. 2) Entrada para alimentação gasosa. 3) Roletes tracionadores de arame. 4) Mecanismo de ajuste de pressão no arame. 5) Ponto de conexão para cabo de corrente. 6) Pescoço da tocha. 7) Bocal da tocha. Adaptado de [89, 93]. ... 61 Figura 30- Tochas com acionamentos para alimentação dinâmica. 1) Cloos Motion Control Weld. 2) OTC Daigen Synchro feed. 3) SKS MicroMIG. Adaptado de [93] ... 62
FAULHABER system [99]; 2) Alabama Precision Micro-Wire Feeder [100]; 3) Dinse
Push-Push technology [101]. ... 63
Figura 33- Bancada experimental. (a) Sistema de movimentação do suporte direcionador de arame (SMS). (b) Sistema de alimentação dinâmica (SAD). (c) Câmara de processo. (d) Cabeçote óptico. Fonte: Arquivo do laboratório LMP-Laser. ... 65 Figura 34- (a) Cabeçote de soldagem YW52 (Precitec). (b) Fonte laser de fibra YLS 10000 (fabricada pela empresa IPG Photonics®). Fonte: Arquivo do laboratório LMP-Laser. ... 66 Figura 35- Direcionador de arame TIG desenvolvido pela equipe do LABSOLDA. Adaptado de [82]. ... 67 Figura 36- Bancada experimental para realização de ensaios de alimentação dinâmica de arame. (a) Sistema de movimentação do suporte orientador (SMS). (b) Sistema de alimentação dinâmica (SAD). (c) Direcionador de arame TIG. (d) Direcionador de gás de proteção. Fonte: Arquivo do laboratório LMP-Laser. ... 67 Figura 37- Representação esquemática da seção transversal e definições geométricas. Fonte: Autor. ... 68 Figura 38- Disposição da câmera, alimentador de arame e fundo com papel milimetrado utilizados na medição de deslocamento do arame nos diversos regimes programados. Fonte: Autor. ... 69 Figura 39- Imagens isoladas (quadros) utilizados para a determinação do deslocamento na extremidade do arame no movimento de avanço e recuo. Fonte: Autor. ... 70 Figura 63- Erro do patamar de velocidade (velocidade real e comandada adquiridas pelo
encoder). Fonte: Autor ... 71
Figura 64 - Indicação de carga no rolete do tracionador de arame do SAD. Fonte: Autor. ... 72 Figura 32- Fluxograma da metodologia experimental. Fonte: Autor. ... 75 Figura 40- Tocha MIG/MAG acoplada ao cabeçote laser da bancada de ensaios. Fonte: Arquivo do laboratório LMP-Laser. ... 76 Figura 41- Defeitos gerados no revestimento decorrentes da falta de regularidade do posicionamento entre arame e feixe de laser. Fonte: Autor. ... 77 Figura 42- (a) Resultado de cordões de revestimento mostrando fusão incompleta do arame. (b) Dificuldade em manter a extremidade do arame sob o feixe de laser. Adaptado de [103]. ... 78 Figura 44- (a) Posicionamento da extremidade do arame no ponto iluminado pelo laser de posicionamento. (b) Posicionamento da extremidade do arame com câmera coaxial. Fonte: Autor. ... 79
iguais (arame com velocidade média nula). Fonte: Autor. ... 81
Figura 46- (a) Configuração com ângulo de entrada de arame de 45 º para o processo de revestimento por fusão a laser. (b) Configuração com ângulo próximo de 180 ° em relação à superfície da peça. Fonte: Arquivo do laboratório LMP-Laser. ... 82
Figura 47- Vista isométrica do SMS e vista explodida com os principais componentes. ... 84
Figura 48- (a) Região de interface entre motores de passo e sua fixação no sistema. (b) Chapa de alumínio para fixação entre os módulos. ... 85
Figura 49- (a) Desenho em SolidWorks do sistema montado na bancada de ensaios laser no LMP. (b) Montagem final do sistema fabricado montado na bancada de ensaios laser do LMP. ... 86
Figura 50 - Esquemático do gabinete elétrico do SMS. ... 87
Figura 51 - Sistema de comando das guias lineares e interface do SMS. ... 88
Figura 52- Gabinete elétrico e interface IHM para comandar movimentação do SMS. ... 89
Figura 54- (a) Driver Pansonic Minas A4 Series. (b) Servomotor CA MSMD012P1T ... 91
Figura 55 – Sistema de tracionamento e alimentação dinâmica proposto para o processo de revestimento por fusão a laser com alimentação externa frontal de arame. (1) Servomotor CA MSMD012P1T. (2) Pescoço tocha MIG/MAG. (3) Base de montagem (4) Tracionador de arame. ... 92
Figura 56- Componentes do sistema de alimentação dinâmica de arame SAD. ... 92
Figura 57 – SAD e seus componentes montados na bancada de aplicações laser do LMP. (1) Tracionador de arame. (2) Servomotor. (3) Interface de montagem do tracionador e do servoacionamento. ... 93
Figura 58 - Desenho renderizado em em SolidWorks ® e do sistema SAD montado na bancada de ensaios. ... 93
Figura 59- Malhas de controle do servoacionamento ... 95
Figura 60- Resultados no domínio da frequência de servoacionamento com carga (velocidade de 30 m/min). ... 95
Figura 61- Interface de configuração de servoacionamento após Autotunning (definição dos ganhos) ... 96
Figura 62- Gabinete elétrico do sistema de alimentação dinâmica para o processo de revestimento por fusão a laser (circuito de potência e sinais). ... 97
Figura 65- Gráfico de Pareto para condição de tracionamento para a indicação de 2 (Erro percentual da Va). ... 98
percentual da Va)... 99 Figura 67- Gráfico de interação entre os fatores para condição de carga do rolete na condição 2 (Erro percentual da Va)... 100 Figura 68- (a) Gráfico de erro percentual da Va em função da amplitude e frequência. (b) Mapa de calor do erro percentual da Va para amplitude e frequência. ... 101 Figura 69- Gráfico de Pareto para condição de tracionamento para a indicação de 2 (Erro percentual da Vr). ... 102 Figura 70- Efeitos principais para condição com rolete de pressão na condição 2 (Erro percentual na Vre) ... 103 Figura 71- Gráfico de interação entre os fatores para condição de carga do rolete na condição 2 (Erro Vr) ... 104 Figura 72- (a) Gráfico de erro percentual da Vr em função da amplitude e frequência. (b) Mapa de calor do erro percentual da Vr para amplitude e frequência. ... 105 Figura 73 – Erros da velocidade resultante real e comandada para uma velocidade de 1,5 m/min. ... 107 Figura 74- Amplitude de recuo de arame real para uma velocidade de alimentação de arame resultante de 1,5 m/min ... 108 Figura 75- Macrografias transversais dos cordões para velocidade de deslocamento do caeçote de 1000,00 mm/min. ... 110 Figura 76- Aspectos operacionais solucionados com o SAD. Adaptado de [55] ... 111 Figura 77- Gráfico de diluição por potência para diferentes posições focais com alimentação contínua de arame para velocidade de soldagem de 1000 mm/min. ... 112 Figura 78- Macrografias transversais dos cordões para posição focal de + 20,0 mm ... 113 Figura 79- Gráfico de diluição por velocidade de deslocamento do cabeçote para diferentes potências com posição focal de +20,0 mm ... 114 Figura 80- Macrografias transversais dos cordões para diferentes frequências e amplitudes de arame para velocidade de alimentação de arame de 1,5 m/min. ... 117 Figura 81- Gráfico de diluição por frequência (alimentação dinâmica). ... 119 Figura 82 – Aspecto da superfície dos depósitos de revestimento laser com alimentação dinâmica. ... 120 Figura 83- Macrografias dos cordões com e sem a técnica de alimentação dinâmica para uma amplitude de recuo de 3 mm. (a) Alimentação contínua de arame. (b) Alimentação dinâmica
dinâmica com frequência de 15 Hz. ... 121 Figura 84- Seção transversal e acabamento superficial revestimentos. (a) Revestimento com alimentação contínua. (b) Revestimento com alimentação dinâmica ... 122 Figura 85-Aspecto da superfície dos depósitos para revestimento com alimentação contínua e dinâmica. (a) Alimentação contínua. (b) Alimentação Dinâmica. ... 123
Tabela 1- Características dos diferentes tipos de laser e faixa de potência. Adaptado de [7]. . 28 Tabela 7- Parâmetros utilizados para o ensaio de validação do servoacionamento ... 71 Tabela 2- Composição química do substrato SAE 1020 ... 73 Tabela 3- Composição química do material de adição ER NiCrMo-3 (Inconel 625) ... 73 Tabela 4 – Parâmetros empregados nos ensaios de revestimento por fusão laser alimentado por arame nos ensaios preliminares. ... 77 Tabela 6- Especificações do servomotor PANASONIC modelo CA MSMD012P1T. ... 91 Tabela 8 - Parâmetros utilizados para o ensaio de validação do servoacionamento por vídeo. ... 106 Tabela 9- Parâmetros alimentação contínua em chapas com Inconel 625, onde: velocidade de alimentação de arame (Val), velocidade de deslocamento do cabeçote (Vs), potência (W), Posição focal (Fy), Distância longitudinal (Dx), Distância vertical (Dy). ... 109 Tabela 10- Dados das seções transversais dos depósitos para a velocidade de deslocamento do cabeçote de 1000 mm/min ... 110 Tabela 11- Dados das seções transversais dos depósitos para posição focal de + 20 mm... 113 Tabela 12 - Parâmetros alimentação dinâmica em chapas com Inconel 625. ... 115 Tabela 13- Parâmetros de alimentação dinâmica utilizados nos ensaios de revestimento por fusão a laser. ... 116 Tabela 14- Dados das seções transversais dos depósitos com alimentação dinâmica ... 117 Tabela 15- Parâmetros de deposição dos revestimentos ... 122 Tabela 16-Dados das seções transversais dos revestimentos com alimentação contínua e dinâmica ... 122
LISTA SÍMBOLOS α - Ângulo entre arame e substrato
ɣ - Tensão superficial do metal Cd - Coeficiente da força de vapor
Fy- Distância da posição focal do feixe de laser Fɣ - Força de tensão superficial
Fg - Força gravitacional Fd - Força de vapor
Fad - Força eletromagnética P- Potência do laser
Pf - Densidade do plasma
Vre - Velocidade de resultante de arame Vr - Velocidade de recuo de arame Va - Velocidade de avanço de arame Val- Velocidade de alimentação de arame Vs- Velocidade de soldagem
Vf - Velocidade do plasma
da- Direção de alimentação de arame
dx- Distância longitudinal entre feixe e arame dy- Distância vertical entre feixe e arame d- Distância arame-peça
rd - Raio da gota ta - Tempo de avanço tr - Tempo de recuo
LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS AD - Alimentação Dinâmica
AWS - American Welding Society CMT - Cold Metal Transfer
CNC - Comando Numericamente Controlado DBCP - Distância de Bico de Contato à Peça DM - Dispositivo Microcontrolado
DMD - Direct Metal Deposition GE - General Electrics
G - Gravidade
IHM - Interface Homem-Máquina
LMP - Laboratório de Mecânica de Precisão
LABSOLDA - Instituto de Soldagem e Mecatrônica LENS - Laser Engineered Net Shaping
MA - Manufatura Aditiva
MEV - Microscópio Eletrônico de Varredura
SMA - Sistema de Movimentação de Alimentador de Arame SAD - Sistema de Alimentação Dinâmica
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 23
1.1 Objetivos ... 24
1.1.1 Objetivo Geral ... 24
1.1.2 Objetivos Específicos ... 24
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E BASES TECNOLÓGICAS... 26
2.1 Tecnologia Laser e suas Aplicações ... 26
2.1.1 Fundamentos ... 26
2.1.2 Laser de Fibra ... 28
2.1.3 Características de um Feixe de Laser ... 30
2.2 Deposição de Metais por fusão ... 34
2.2.1 Conceito do Processo Cladding e Normas Vigentes ... 34
2.2.2 Deposição de Metais a Laser – Mecanismos do Processo ... 37
2.2.3 Fenômenos Físicos do Processo de Revestimento por Fusão a Laser ... 42
2.3 Processo de Revestimento por Fusão a Laser Alimentado Externamente por Arame 46 2.3.1 Parâmetros do Processo ... 46
2.3.2 Adição Externa Frontal do Arame sob o feixe Laser ... 48
2.3.3 Taxa de Alimentação de Arame e Transferência Metálica ... 50
2.4 Alimentação Dinâmica de Arame ... 54
2.4.1 Sistemas de Alimentação Dinâmica de Arame em Soldagem a Arco ... 54
2.4.2 Dispositivos para Reprodução da Técnica de Alimentação Dinâmica na Soldagem a Arco 58 2.5 Aspectos Observados Para o Desenvolvimento do Sistema AD para Revestimento por Fusão a Laser ... 62
3.2 Análise Macrográfica e Avaliação da Caracterização Geométrica ... 68
3.3 Monitoramento por Filmagem com Câmera de Alta Velocidade ... 68
3.4 Monitoramento por Encoder do Sevoacionamento ... 70
3.5 Corpos de Prova e Consumíveis ... 72
3.6 Metodologia Experimental ... 73
4 REQUISITOS PARA A BANCADA DO PROCESSO REVESTIMENTO POR FUSÃO A LASER COM ALIMENTAÇÃO DINÂMICA EXTERNA FRONTAL DE ARAME ... 76
4.1 Sistema de Movimentação do Suporte Direcionador de Arame e Ensaios Preliminares 76 4.2 Requisitos do Sistema de Alimentação Dinâmica de Arame ... 80
5 PROJETO DE SISTEMA DE MOVIMENTAÇÃO DO SUPORTE DIRECIONADOR DE ARAME... 83
5.1 Projeto Mecânico ... 83
5.2 Sistema Eletroeletrônico e Acionamento ... 86
6 PROJETO DE SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DINÂMICA DE ARAME .... 90
6.1 Projeto Mecânico ... 90
6.2 Sistema Eletroeletrônico e Acionamento ... 94
7 ANÁLISE DOS RESULTADOS POR ENCODER DO SERVOACIONAMENTO ... 98
7.1 Influência dos Parâmetros de Alimentação no Erro da Velocidade de Avanço (Va) . 98 7.2 Influência dos Parâmetros de Alimentação no Erro da Velocidade de Recuo (Vr) . 102 7.3 Análise por Vídeo para Definir Janela de Processamento ... 105
8 APLICAÇÃO DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DINÂMICA PARA SOLDAGEM DE REVESTIMENTO ... 109
8.1 Processo de Revestimento por Fusão a Laser com Alimentação Contínua de Arame 109 8.2 Alimentação Dinâmica Aplicada em processo de revestimento por fusão a laser... 115
9.2 Sugestões para Trabalhos Futuros ... 125 REFERÊNCIAS ... 126 APÊNDICE A – IMAGENS DOS EQUIPAMENTOS DESENVOLVIDOS PARA REVESTIMENTO POR FUSÃO A LASER AD... 135 APÊNDICE B – ERROS PERCENTUAIS DO PATAMAR DE VELOCIDADE ADQUIRIDOS PELO ENCODER DO SERVOACIONAMENTO ... 136 APÊNDICE C – ASPECTO DA SUPERFÍCIE DOS CORDÕES DE REVESTIMENTO POR FUSÃO A LASER COM ALIMENTAÇÃO DINÂMICA ... 139 APÊNDICE D – PUBLICAÇÕES E TRABALHOS ASSOCIADOS À DISSERTAÇÃO ... 140
1 INTRODUÇÃO
Entre outras áreas a soldagem de revestimento é aplicada na fabricação de componentes de turbinas, ferramentas de estampagem e moldes, visando a proteção contra o desgaste por abrasão e corrosão [1]. Os problemas relacionados ao mecanismo de desgaste fazem com que haja uma perda significativa de produtividade devido à manutenção frequente dos equipamentos e perda de qualidade. Estas características têm feito da soldagem de revestimento uma operação de crescente aplicabilidade entre os mais diversos tipos de indústrias, como por exemplo, as indústrias petrolíferas, químicas, alimentícias, agrícolas, nucleares, navais, ferroviários, além de várias outras [2, 3].
Em virtude da demanda de componentes de alta resistência ao desgaste abrasivo e à corrosão, novas tecnologias surgiram com o objetivo de se obter diferentes características mecânicas para a peça final empregando, orginalmente, o arco elétrico. Com a evolução dos processos de revestimento por fusão a arco, o emprego do processo TIG que inicialmente era alimentado externamente por arame de forma manual, hoje tem grande importância na recuperação de ferramentas, matrizes e moldes, onde é aplicado o material de adição nas regiões de maior desgaste de forma automática.
No desenvolvimento da automatização dos alimentadores de arame, observou-se que o processo podia se comportar de forma instável e afetar o acabamento do cordão de revestimento se não houvesse uma alimentação adequada de arame. Com o desenvolvimento de novas tecnologias para solução deste problema, resultou o sistema de alimentação dinâmica de arame – AD, o qual permite uma expansão da faixa e condições de aplicação dos processos de soldagem a arco, que como resultado, possibilita o aumento da estabilidade e controlabilidade e, consequentemente da qualidade de revestimento [4]. Como exemplo, há possibilidade de modificar a forma da alimentação de material de adição como nos casos do MIG e TIG com alimentação dinâmica (CMT e TipTIG). Nestes casos, a principal inovação consiste no movimento de avanço e recuo de forma peregrina do arame, buscando dessa forma, adaptação dos processos diante às demandas específicas da indústria.
É com este panorama que países desenvolvidos fazem fortes investimentos no campo da soldagem, contribuindo para o desenvolvimento de novos processos ou versões, buscando melhorias na qualidade e produtividade do revestimento. Entretanto, os equipamentos nacionais ainda são escassos e os mesmos tipos de alimentadores para processos de soldagem a arco são adaptados para processos LMD -Laser Metal Deposition (Deposição por Fusão a Laser).
Neste contexto, com o desenvolvimento de sistemas para revestimento no grupo Laser do Laboratório de Mecânica de Precisão (LMP-Laser), onde em parceria com o centro de laser de Hannover LZH, já foram desenvolvidos ensaios de revestimento por fusão a laser com alimentação externa de arame e dispondo-se de sistemas de alimentação de arame controlados desenvolvidos pelo Laboratório de Soldagem (LABSOLDA), este trabalho propõe avaliar o potencial de aplicação da técnica de alimentação dinâmica de arame no processo de revestimento por fusão a laser. O caráter de inovação deste trabalho está no desenvolvimento de um sistema aberto com possibilidade de configuração de seus parâmetros e um dispositivo intermediário para movimentação do suporte direcionador de arame especificamente projetado para realização do processo de revestimento por fusão a laser.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho consiste na validação da infraestrutura e criar uma base científica e tecnológica para o processo de revestimento por fusão a laser (laser cladding) com alimentação externa frontal de arame e o desenvolvimento de um sistema de alimentação dinâmica, dando subsídios para o avanço das pesquisas na área.
1.1.2 Objetivos Específicos
Para se atingir o objetivo geral proposto foram elencados os seguintes objetivos específicos:
• Projetar e construir um protótipo de movimentação linear para o suporte direcionador de arame, visando a correção de posição do ponto de disponibilização do arame sob o feixe de laser;
• Desenvolver uma solução para o sistema de alimentação dinâmica de arame externo e frontal para o processo de revestimento por fusão a laser (laser
cladding);
• Integrar o acoplamento automatizado e o alimentador de arame com o sistema CNC através do comando Siemens Sinumerik 840D SL;
• Validar os sistemas verificando a influência dos parâmetros de alimentação dinâmica no erro de velocidade do acionamento e definir parâmetros básicos do processo;
• Validar os aspectos operacionais do procedimento de revestimento por fusão a laser com alimentação dinâmica de arame de Inconel 625 em chapas de aço carbono.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E BASES TECNOLÓGICAS
2.1 TECNOLOGIA LASER E SUAS APLICAÇÕES
2.1.1 Fundamentos
O primeiro dispositivo laser foi apresentado em 1960, pelo pesquisador Theodore Mainam, o qual obteve a geração de um feixe laser em um cristal cilíndrico de rubi sintético com duas faces planas e paralelas iluminadas lateralmente por uma fonte luminosa helicoidal estroboscópica de elevada intensidade montada em torno de um cristal cilíndrico de rubi sintético (óxido e alumínio dopado com traços de cromo) [5]. Desde então, novos laser foram desenvolvidos e possibilitaram novas aplicações em áreas que abrangem a medicina, informática, telefonia bem como áreas de processamento e análise de materiais, sendo possível afirmar que o potencial desta tecnologia ainda está sendo desvendado [6].
Laser é o acrônimo do termo dado à esta luz em inglês, light amplificiation by stimulated
emission of radiation (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação). Por conceito,
o feixe de laser pode ser considerado monocromático, coerente e com isto apresenta a característica de ser extremamente focável o que favorece diversas aplicações industriais [7, 8]. A continua expansão e novas descobertas na área desde a primeira apresentação da radiação laser resultou em aplicações distintas em diversas áreas tecnológicas, como processos de manufatura, soldagem de união, revestimento por fusão, corte, marcação, gravação, tratamentos térmicos, entre outros. [9]. Ressalta-se ainda que em processamento de materiais modernos e avançadas tecnologias, existem contribuições expressivas e destaque industrial para aplicação laser [10].
Na construção de uma fonte laser, encontram-se três elementos principais: a fonte de bombeamento, o ressonador e o sistema de condução externo [6]. O meio ativo é o ambiente onde estão os átomos que possibilitam a ocorrência do processo de emissão estimulada. Localiza-se, normalmente, entre dois espelhos, um totalmente refletor e outro parcialmente refletor, que permite a “entrega” do feixe de laser. Os espelhos são construídos paralelos entre si, com um afastamento de um múltiplo de meio comprimento de onda, gerando dessa forma, um oscilador óptico. A luz é amplificada, pois cada átomo excitado atingido por um fóton aprisionado, irá emitir dois fótons e assim servir para excitar o meio ativo pelo mecanismo de emissão estimulada. Todo átomo excitado que estes fótons encontrarem no caminho, serão igualmente excitados a emitirem fótons na mesma direção e em fase com o fóton excitante,
levando à um aumento geométrico da quantidade de fótons que oscilam entre os espelhos do ressonador. A Figura 1 ilustra os diferentes sistemas para geração do feixe laser, numa representação esquemática clássica.
Figura 1- Componentes básicos de um oscilador laser. Adaptado de [11].
As principais diferenças entre as diversas fontes de laser são o meio ativo e a escolha da distância entre os espelhos no ressonador. Esta distância define qual o comprimento de onda a ser amplificado (λ). Para que um feixe de laser cause efeito sobre um material a ser processado, é necessário que o feixe incida sobre a peça de trabalho com a densidade de energia adequada e que haja um nível apropriado de absorção desta energia pelo material, a qual é diretamente influenciada pelo comprimento de onda. Uma parte da energia é absorvida pelo material e a restante é refletida ou transmitida por ele, o que depende também das propriedades física do material, da geometria e do acabamento da superfície da peça. A Tabela 1 apresenta alguns dos diferentes tipos de laser, associando o comprimento de onda característico e potência média disponível.
Tabela 1- Características dos diferentes tipos de laser e faixa de potência. Adaptado de [7]. Laser λ [nm] Faixa de Potência [W] Estado
Dióxido de Carbono (CO2) 10600 10-3 - 104 W Gasoso
Excimer 248 100 - 102 W Gasoso
Íon de Argônio 514,5 10-3 - 10-1 W Gasoso
Nd: Vidro 1050 100 W Sólido
Nd: YAG 1060 10-3 - 102 W Sólido
Diodo VCSEL (vertical- cavity
surface-emitting laser) 810 10
-3 W Sólido
Fibra 1064 101 - 105 W Sólido
2.1.2 Laser de Fibra
O meio ativo de um laser pode estar hospedado em um meio sólido, líquido ou gasoso. O laser de fibra, utilizado neste trabalho, pertence ao grupo de laser de estado sólido cuja características construtivas do ressonador é baseada em uma fibra óptica com um núcleo dopado e recoberta por um revestimento com um índice de refração menor que o do núcleo. A energia luminosa oriunda de vários VCSEL é bombeada para o núcleo através do revestimento, e na fibra dopada, estabelece-se a ressonância dos fótons no comprimento de onda específico. Nas extremidades da fibra dopada do núcleo, encontram-se grades de Bragg (cada superfície da grade de Bragg, espaçada por um múltiplo de meio comprimento de onda da luz laser desejada), as quais são um refletor e transmissor parcial, sendo no conjunto totalmente refletiva em uma extremidade e, parcialmente transmissiva na outra. Em decorrência do grande comprimento, embora sendo de pequeno diâmetro a fibra, a dissipação de energia não transformada em luz laser, ocorre por sua superfície. O laser de fibra de Itérbio emite um feixe gausseano de baixa divergência e com comprimento de onda na faixa de 1060 – 1085 nm [6].
A fibra de um ressonador consiste em uma fibra central, dopada com átomos de Itérbio, revestida por uma camada concêntrica, não dopada, de menor índice de refração. Uma camada externa, com índice de refração ainda menor tem a finalidade protetiva da fibra, mas não é necessária fisicamente para o funcionamento do laser [12]. A luz laser de bombeamento,
proveniente dos VCSEL, converge para os topos da fibra externa em um ângulo determinado pela diferença dos índices de refração da fibra dopada e do revestimento, de forma que esta luz é transmitida para a fibra dopada e aprisionada no interior desta por reflexão total. O núcleo contém dopante (geralmente Itérbio ou Érbio), que é bombeado para um nível energético superior e estimulado a emitir radiação a partir da energia bombeada. Em decorrência do grande comprimento da fibra e do pequeno ângulo de incidência da luz de bombeamento, o rendimento do bombeamento é elevado e a emissão dos átomos dopados também. Os fótons retrorefletidos pelas grades de Bragg nas extremidades da fibra do núcleo que entram em ressonância, estimulam os átomos excitados a emitirem no alinhamento do eixo da fibra e a energia no interior da fibra dopada aumenta exponencialmente. Este excesso de energia é transmitido pela grade de Bragg parcialmente transmissiva. A geometria mais comum é formada por uma estrutura de duplo núcleo conforme ilustrada na Figura 2.
Figura 2- Estrutura do laser de fibra. Adaptado de [13].
A integração de um laser de fibra de itérbio em um sistema de processamento é facilitada por existirem fibras ópticas transmissivas para o comprimento de onda deste laser, o que diminui a dimensão dos equipamentos e proporciona maior estabilidade do sistema ao longo do tempo, uma vez que, não são necessários espelhos adicionais para seu alinhamento.
A utilização do laser de fibra ganhou destaque especial a partir de 2002 quando estas fontes começaram a ser comercializadas para utilização industriais e militares. Há uma série de vantagens dos lasers de fibra em relação aos demais disponíveis até então (Nd: YAG ou CO2) como confiabilidade, maior eficiência energética, baixa necessidade de manutenção, flexibilidade na entrega do feixe e baixo custo relativo [14].
O desenvolvimento da tecnologia de combinação de módulos de laser de fibra através de combinador de feixes (beam combiner) possibilitou alcançar potências de saída maiores que as anteriormente possíveis em lasers de estado sólido. Esta tecnologia foi desenvolvida
inicialmente na área de telecomunicações e adaptada pela empresa IPG Photonics® para lasers de fibra de elevada potência. Em um equipamento de laser de fibra de Itérbio (Yb) os módulos instalados definem a potência de saída do laser. Os módulos são combinados através de combinadores de feixes com um número de 7 ou 19 entradas e 1 saída. [15].
O combinador de fibras se assemelha a um cabo de aço, com 1 fibra central e 6 de iguais diâmetro dispostas em seu contorno. A combinação consiste em fundir as 7 fibras em 1 fibra única em uma das extremidades. Com isto, o menor combinador de fibras dispõe de 7 entradas combinadas em apenas 1 saída. A Figura 3 mostra esquematicamente um laser modular com 7 unidades, cada um composto por 19 módulos, combinados no final em uma única fibra.
Figura 3- Esquemático do combinador de feixe paralelo. Adaptado de [15].
2.1.3 Características de um Feixe de Laser
Uma informação essencial para poder aplicar um laser corretamente é o conhecimento da sua distribuição transversal da energia, denominada também de modo eletromagnético transversal, do inglês Transverse Electromagnetic Mode (TEM). O TEM está relacionado com a forma de distribuição de energia do feixe em relação ao eixo óptico de emissão [6, 16]. Esta
característica depende da concepção e do meio ativo da fonte de geração, e sofre influência direta do condicionamento gerado pelo sistema óptico [6, 8].
Um feixe com TEM00 apresenta uma distribuição normal ou gausseana. Esta distribuição representa o modo fundamental e permite a focagem do feixe em menores diâmetros (spot size), concentrando uma maior energia no ponto focal. A Figura 4 ilustra alguns modos de distribuição transversal de densidade de energia para um feixe de laser.
Figura 4- Modos de distribuição eletromagnética transversal. Adaptado de [17]
Além da distribuição transversal de energia, como a distribuição TEM00, outros parâmetros permitem especificar a qualidade do feixe laser, a qual pode ser mensurada de diversas formas [6]. Segundo a norma ISO 111146 e 1999, os parâmetros para se mensurar a qualidade do feixe são o produto do parâmetro do feixe- BPP (Beam Parameter Product) e o fator M². O BPP é obtido pelo produto do ângulo de divergência de um feixe (𝛩) pelo seu raio em seu ponto mais estreito. Conforme a Equação (1), quanto menor for o BPP de um laser maior a sua profundidade de foco.
𝐵𝑃𝑃 = (
𝐷𝑐𝑖𝑛𝑡𝑢𝑟𝑎 2 ) ∗ Θ
4
(1)
Já o fator M² representa o grau de variação da intensidade de um feixe real, correspondendo a qualidade de um feixe real em relação a um feixe de mais alta qualidade
(perfeito). O feixe de mais alta qualidade é representado pelo feixe com distribuição gaussiana de energia (M²=1). O fator M2 é obtido pela Equação (2).
𝑀2 = 𝐵𝑃𝑃 ∗𝜋
λ (2)
Para obtenção de um feixe de elevada qualidade, ainda é importante entender os aspectos tecnológicos de sua fonte e o condicionamento a partir dos aspectos construtivos do sistema óptico. O sistema óptico é responsável pelo condicionamento do feixe, no interior do cabeçote específico para cada aplicação [6]. O feixe laser é transmitido para o cabeçote por meio de uma fibra, e seu primeiro elemento óptico é uma lente de expansão do feixe. Na sequência, é condicionado pelo colimador, de forma que o diâmetro do feixe de laser permaneça fixo. O feixe paralelo passa por uma lente de focagem com distância focal estabelecida para cada aplicação e após esta lente, há uma janela de proteção com espessura de um múltiplo de meio comprimento de onda (funciona como um interferômetro de Fabry-Perot). A principal função de um cabeçote para aplicações laser é garantir o condicionamento do feixe para uma convergência bem definida e em conjunto com elementos ópticos, poder alterar a distribuição de densidade de energia como ilustrado na Figura 5, no exemplo um cabeçote óptico de corte laser.
Figura 5- Esquemático de um cabeçote óptico laser, mostrando o conjunto das lentes. Adaptado de [18]
Para efetuar revestimento por fusão com o emprego de uma fonte de laser, a densidade de energia deve ser suficiente para fundir o material de revestimento e apenas uma fina camada do substrato, já que o objetivo é a obtenção de uma menor diluição do revestimento no substrato. Dispondo de um laser com potência elevada, a densidade de energia necessária para fusão do material de revestimento é obtida fora da posição focal do laser, permitindo que haja um acréscimo da área de material atingido pelo feixe laser, garantindo cordões com maiores larguras [19, 20]. Para a soldagem por fusão a laser (união), uma maior densidade de energia é necessária para obtenção de cordões de menor largura e maior penetração [21]. Estas características de densidade de energia necessária para os distintos processos são obtidas aliando a potência do feixe com a distância da posição focal do sistema óptico. Como o comprimento de onda do feixe laser se encontra no infra-vermelho, a adoção de um procedimento específico para caracterização do feixe é fundamental para o estabelecimento da densidade de energia adequada ao processo específico. A Figura 6 apresenta o esquemático do feixe laser gaussiano com suas distâncias relativas e distribuições de energia.
Figura 6- Representação esquemática da densidade de energia média para um feixe gausseano (TEM00)em posições focais diferentes. Adaptado de [22].
O laser de fibra utilizado neste trabalho apresenta um feixe de saída com distribuição normal, ou gaussiana. Pela escolha da distância da posição focal, abaixo ou acima da superfície da amostra, possibilita a realização de processo de revestimento ou soldagem por fusão a laser
(união). Estudos referentes ao processo de soldagem laser (união) indicam que o foco é localizado na superfície da peça para menores espessuras e, em casos de maiores espessuras, o foco é posicionado abaixo da superfície do substrato (0,5- 1 mm) [23]. Em relação ao processo de revestimento por fusão a laser, o foco deve ser posicionado acima da superfície da peça, deste modo, em decorrência do diâmetro da região iluminada pelo feixe laser, uma menor densidade de energia incide sobre a superfície do substrato [24, 25]. Para o cabeçote com a óptica empregada, um deslocamento da posição do foco do feixe de 20-40 mm acima da superfície do componente é usual, porém a distância da posição do foco à superfície do alvo é dependente do material e da potência utilizada do laser e define a largura do cordão de revestimento a ser obtido [26, 27].
2.2 DEPOSIÇÃO DE METAIS POR FUSÃO
2.2.1 Conceito do Processo Cladding e Normas Vigentes
Os principais processos de fabricação têm seus fundamentos baseados na fusão, remoção, conformação e/ou adição de material. O sub-grupo referente à fabricação por adição de material (como a soldagem, brasagem e colagem) é caracterizado por promover a união de materiais para a formação de componentes de complexidade elevada [28]. Encontra-se neste grupo, a manufatura aditiva (MA), processos de fabricação que assumem a abordagem de criação de componentes por camadas. A ISO/ASTM 52900:2015 [29] categoriza a MA por Deposição Direta de Energia (DED) como as modalidades em que uma energia é focada (feixe de laser, elétrons ou arco de plasma) é utilizada para adição e união de materiais por fusão durante a deposição. Alguns exemplos podem ser citados como o LMD (Laser Metal Deposition), mas também são representados por LENS (Laser Engineered Net Shaping), DMD (Direct Metal
Deposition) ou laser cladding [30].
O processo de deposição de metais a laser usualmente utiliza como material de adição (feedstock) um material granulado (pó metálico) [31, 32], uma lâmina ou um filamento (arame metálico) [33-35]. A representação gráfica proposta pela ISO/ASTM 52900:2015 indica os processos de MA que são efetuados em uma única etapa (single-step processing), onde o material de adição é metálico, subdividindo quanto ao estado de união do material, forma de distribuição, forma de alimentação, fonte energética e, por fim, a categoria a qual se enquadra o processo. Em virtude da possibilidade da utilização de diferentes fontes de calor, a nomenclatura pode ser alterada para DDE-L (laser), DDE-EB (feixe de elétrons), DDE-PA
(arco-plasma) e DDE-GMAW (MIG/MAG). A Figura 7 apresenta o gráfico das subdivisões, enfatizando o processo DED-L utilizado no trabalho.
Figura 7- Categorização do processo de manufatura aditiva metálica - Processos de etapa única - ISO ASTM 52900:2015. Adaptado de [29].
O processo de revestimento por fusão a laser pode ser denominado também de laser
cladding, e devido sua relação com a melhoria das propriedades de resistência à corrosão da
superfície, é complexo, altamente multidisciplinar, dividido em subáreas como tecnologias laser, comando numérico, controle, sensoriamento e robótica [36]. Os principais usos deste processo se baseiam em depositar camadas de material fundido sobre um substrato para fornecer propriedades específicas à superfície do material ou realizar o reparo de componentes danificados, reconstituindo-os tridimensionalmente [21].
As principais aplicações têm como objetivo a proteção contra a corrosão e o desgaste de peças utilizadas em condições severas e reparação de componentes de alto valor agregado que sofreram algum tipo de desgaste [37]. Entre as vantagens do processo, destacam-se [38, 39] :
• Interação metalúrgica entre o material de adição e o substrato;
• Espessura de camadas depositadas entre 0,1 mm e 1,5 mm; • Mínima deformação térmica da peça;
• Baixa diluição;
• Utilização de diversas ligas e materiais.
Devido às suas vantagens, o processo de revestimento por fusão a laser é estudado visando aumento de produtividade e eficiência. Entre as técnicas desenvolvidas estão o seu monitoramento através de sensores, cálculo da eficiência de material de adição e modelos computacionais para prever os cordões depositados [36, 40, 41]. Se comparado a outros processos de revestimento, o processo de revestimento por fusão a laser oferece elevado potencial para o mercado de revestimento metálico devido à sua alta eficiência e baixo custo de manutenção [42]. Apesar disto, foi identificada elevada propensão a descontinuidades do revestimento decorrente da rápida solidificação da poça de fusão, possuindo uma interação complexa entre a luz laser e o material alvo [43].
O processo pode ser realizado em aplicações que requerem tratamento em pequenas regiões localizadas, tendo utilidade em diversas áreas industriais para reparo de ferramentas, componentes para aplicações civis e militares e pás de turbinas. Sendo a restauração de pás de turbinas, uma de suas aplicações que mais se destaca [44]. A Figura 8 ilustra o processo de revestimento por fusão a laser utilizado para reparação de pás de turbinas de usinas elétricas que sofreram cavitação.
Figura 8- (a) Revestimento por fusão a laser com a utilização de pó para reparação de pás de turbinas. (b) Revestimento por fusão a laser alimentado por arame para reparação de pás de
2.2.2 Deposição de Metais a Laser – Mecanismos do Processo
O processo de revestimento por fusão a laser (laser cladding) pode ser realizado utilizando um material granulado (pó metálico), filamento (arame metálico) ou fita como forma de material alimentado (feedstock). Os processos mais empregados na literatura são com alimentação de pó e arame devido a facilidade de implementação nos processos industriais e dificuldade na alimentação da fita [42]. Entretanto, publicações recentes apresentam o uso de fitas metálicas como material de adição, visando a construção de peças por manufatura aditiva ou revestimento de superfície com altas taxas de deposição [46].
No processo alimentado por pó, a adição das partículas é realizada via transporte pneumático, cuja vazão é regulada pelo mecanismo dosador de alimentador de pó. Este fluxo de material deve ser contínuo e uniformemente alimentado por um bocal (nozzle), convergindo em um jato anelar de particulados (pó) focados no substrato [47]. O feixe de pó é influenciado pela vazão mássica de pó, a qual pode ser ajustada na rotação do Powder Feeder (alimentador de pó), pela vazão do gás de arraste, responsável por fornecer energia genética às partículas, e pela vazão do gás de proteção. Os dois princípios de alimentação de material no processo de deposição laser, seja para MA ou para revestimento de superfícies são coaxial e externo lateral (off-axis) [8]. Cada bocal possui um sistema de alimentação de pó que possui uma distribuição característica das partículas, sendo diferenciados pela forma que liberam os particulados e sua relação geométrica com o feixe de laser. Na alimentação coaxial de pó, o bocal é denominado de bocal coaxial contínuo, em que o fluxo de material é conduzido pelo próprio cabeçote [48]. A Figura 9 ilustra os dois princípios de alimentação de material no processo por deposição a laser [8, 49].
Figura 9- Esquemático e fotografias de bicos de deposição de pó metálico para revestimento por fusão - Coaxial (a) e Externo Lateral (b). Adaptado de [8, 49].
No sistema externo lateral de alimentação de pó (off-axis), a variação da direção de movimentação do cabeçote laser em relação à posição da alimentação do bocal pode gerar descontinuidades na deposição do material devido a mudança relativa da deposição do pó metálico. Tendo em vista este comportamento, a liberdade de movimentação para tal sistema é reduzida de acordo com a peça a ser fabricada. Por outro lado, na alimentação coaxial, a simetria axial direta com o eixo ótico livre confere ao processos características vantajosas se comparado à alimentação externa como a possibilidade de processamento de materiais em qualquer direção sem acúmulo de erro (desde que o feixe esteja perpendicular à superfície de trabalho) [50].
Ainda na categoria de bocais coaxiais, encontram-se os bocais descontínuos ou discretos, ao contrário dos bocais coaxiais contínuos, estes bocais não possuem uma câmara para homogeneizar o fluxo de pó. Sendo estes, menos vulneráveis ao efeito da angulação durante o processamento, portanto mais adequados para fabricação de superfícies 3D complexas [51]. A Figura 10 apresenta 3 diferentes bocais de alimentação da fabricante RPM Innovations®, utilizados para revestimento de superfícies e MA a laser e exemplos montados no cabeçote da
Figura 10- a) Adição de pó coaxial. b) Adição de pó lateral externa (off-axis). c) Adição descontínua de pó com quatro entradas. d) Bocal coaxial contínuo. e) Bocal coaxial
descontínuo 45°. Adaptado de [52, 53].
No processo de revestimento por fusão a laser com alimentação de arame, o fornecimento do arame pode ser coaxial ao cabeçote laser ou a alimentação pode ser externa independente do cabeçote laser, assim como na adição de pó [54]. Na alimentação externa do arame, o material de adição deve atingir uma posição bem definida sob o feixe laser, de forma que é desejável trabalhar com um arame sem deformações para evitar falhas durante sua alimentação. Neste processo, o material deve ser alimentado de forma contínua através de um sistema de tracionamento compostos por roletes, os quais comportam o arame para sua adição. A deformação residual não uniforme do arame, decorrente do seu enrolamento no carretel, dificulta seu posicionamento na poça de fusão, tornando o processo menos robusto [55]. Dois princípios de alimentação de arame são mostrados na Figura 11.
Figura 11- Esquemático e fotografias do processo de deposição a laser com adição de arame – externo frontal (a) e coaxial (b). Adaptado de [20, 56, 57].
Na alimentação coaxial de arame, o feixe de laser é dividido simetricamente por um sistema óptico complexo em vários feixes que depois são focados acima do substrato para fusão do arame e da região de interesse do substrato. Esta concepção permite que no revestimento por fusão com alimentação de arame coaxial ou MA, o arame seja alimentado de forma precisa perpendicular à poça de fusão. Da mesma que na adição de pó coaxial, a alimentação coaxial de arame possui benefícios como a independência da direção e sentido da alimentação de arame na aplicação de revestimento, tornando o processo mais robusto que com a aplicação externa ao cabeçote [58]. A Figura 12 ilustra o sistema de processamento óptico COAXwire ® desenvolvido no Instituto IWS da Fundação Fraunhofer.
Figura 12- Sistema de processamento óptico COAXwire do instituto IWS da Fundação Fraunhofer. Adaptado de [59].
As vantagens principais da alimentação com arame são a facilidade de estocagem e a maior eficiência (relação entre a quantidade de material adicionado regulada no equipamento do alimentador e a que foi efetivamente depositada para formação dos cordões de deposição por fusão), uma vez que a perda de materiais é minimizada se comparado com o pó. Permite alcançar uma maior taxa de deposição, já que não há limite para o fluxo de material,, como é o caso para a alimentação de pó [60]. O acabamento da superfície obtida por revestimento por fusão a laser com alimentação de arame é geralmente superior [61], e o custo de um sistema de alimentação de arame externo ao cabeçote é baixo em relação à adição de pó coaxial [62]. A alimentação por pó é interessante quando se busca otimizar as propriedades mecânicas de um componente e há possibilidade de gerar gradientes de composição do material, com alteração das proporções de diferentes pós após finda uma camada [31]
Apesar das vantagens utilização do arame como material de adição, estudos relacionados à alimentação externa ao cabeçote indicam que um aspecto crítico é o posicionamento do arame em relação ao feixe e é causada devido a elevada instabilidade em sua transferência metálica com função do ângulo de entrada à poça de fusão [63]. O processo alimentado por pó tem mostrado ser mais flexível em termos de parâmetros [42]. Tem-se então que o posicionamento do arame é um fator crítico do processo, sendo preferível a utilização do pó para aplicações que tem como requisito maior estabilidade. As características das duas formas de adição de material, disponíveis para os ensaios de processo LMD no LMP-Laser, são comparadas de forma qualitativa na Figura 13 [32, 34, 35, 60, 64, 65].
Figura 13- Comparação das características da alimentação de material no processo de revestimento por fusão com arame e pó metálico (Feedstock). Fonte: Autor.
2.2.3 Fenômenos Físicos do Processo de Revestimento por Fusão a Laser
Do ponto de vista do substrato, os processos alimentados por arame ou pó podem ser considerados similares. A superfície da amostra, absorve a radiação laser e o calor eleva a temperatura da camada próxima à superfície e é conduzido para o interior do sólido, obedecendo os mecanismos da condução para fontes de calor em movimento [66].
A temperatura máxima e o gradiente térmico dos dois processos são semelhantes, principalmente devido às perdas por reflexão, convecção e irradiação de calor serem consideradas iguais [67]. Se comparado aos processos a arco, o gradiente térmico de processos laser é alto e localizado em uma pequena área de atuação. Deste modo, quando o feixe laser se movimenta no substrato, o material fundido solidifica quase que instantaneamente com uma taxa de auto-resfriamento na ordem de 103-105 K/s [68].
Apesar das semelhanças, existem diferenças relevantes entre o processo de revestimento por fusão a laser alimentado com arame ou pó. No processo alimentado com pó, o feixe laser é atenuado devido uma nuvem de pó gerada sobre o substrato (Figura 14-a). Como consequência desta atenuação, partículas de pó são aquecidas e a potência que afeta o substrato é menor. A atenuação pode alcançar valores de 20 % em relação à potência original do laser que sai da fibra [69]. Este fenômeno de transferência de energia é diferente na alimentação com arame. O material de adição na forma de arame é aquecido pelo feixe laser, provocando uma sombra na superfície da amostra. Esta região na superfície da amostra aquece por condução como ilustrado na Figura 14-b. Os parâmetros variáveis de entrada do laser e da alimentação do arame devem ser ajustados para que tanto o arame quanto a superfície da amostra tenham atingido a
temperatura de fusão. Caso contrário, o destacamento das gotas pode ocorrer antes de atingir a poça de fusão, acarretando cordões irregulares e de menor qualidade da superfície.
Figura 14- (a) Esquemático da alimentação de (a) pó (b) e de arame. Indicação dos fenômenos físicos envolvidos nos processos. Adaptado de [67]
No revestimento por fusão a arco (TIG), com alimentação externa de arame, o processo de transferência metálica, além de constituir um fator importante para o comportamento físico, é descrito como uma combinação complexa de forças de destacamento e retenção responsáveis pelo destacamento da gota do arame e transferência à poça de fusão [70]. A Teoria do Balanço Estático de Forças (SFBT) estabelece que para ocorrer o destacamento da gota o somatório das forças de destacamento deve ser maior que o somatório das forças de retenção [71]. As Equações (3) e (4) são propostas para avaliação da transferência metálica.
𝐹𝛾 = 𝐹𝑔+ 𝐹𝑑+ 𝐹𝑎𝑑 (3) 2 𝜋𝑟𝑤𝛾 = 4 3𝜋(𝑟𝑑) 3𝜌𝑔 + 𝐶 𝑑𝐴𝑝( 𝜌𝑓𝑉𝑓2 2 ) + 𝐹𝑎𝑑 (4)
Apesar de haver muitos mecanismos envolvidos, normalmente são apresentados como fundamentais as forças de origem eletromagnética, gravitacional e de tensão de superfície. Apesar disto, trabalhando-se com alimentação externa de arame tanto para revestimento por fusão a laser ou a arco (TIG) não há a adição da força de destacamento eletromagnética. Modificações no processo exigem alterações e complementações na teoria com o objetivo de se obter modelagens matemáticas adequadas à transferência metálica.
No processo de revestimento por fusão a laser alimentado por arame as premissas são semelhantes ao do processo de revestimento por fusão a arco, no entanto a física que explica o aquecimento é fundamentalmente distinta do processo a arco. O arame, sendo alimentado externamente ao feixe laser, ao adentrar na região do feixe, distintamente do processo a arco, é aquecido pelos fótons do feixe, independentemente de estar em contato com o substrato ou não. Além disto, o arame projeta sua sombra sobre a amostra. Devido ao arame estar mais próximo ao foco do laser (que está acima da superfície da amostra), a sombra do arame sobre a amostra é maior que o diâmetro do arame, levando a uma substancial redução da energia transferida para a amostra.
Baseado na ideia da alimentação dinâmica de arame para o processo de revestimento por fusão, o trabalho tem o intuito de se investigar a dinâmica da transferência metálica no processo de revestimento por fusão a laser alimentado por arame [72]. No processo de revestimento por fusão a laser, enquanto o arame e sua extremidade líquida não estiver em contato com a poça de fusão na superfície da amostra, forças atuantes são necessárias para destacamento da gota do arame: tensão de superfície e força gravitacional. A resultante á a força que atua no destacamento da gota, sendo sua magnitude um fator de importante influência na estabilidade do processo.
Enquanto a força de retenção da parte líquida, estabelecida pela tensão de superfície no contorno do arame, for maior que a força gravitacional, a gota não é destacada. Isto representa uma dificuldade para o destacamento de gotas de diâmetro reduzido em processos laser, o que leva em descontinuidades de revestimento. A partir do momento que a parte líquida na extremidade do arame entrar em contato com a poça de fusão, a tensão de superfície que retém a gota no arame entra em equilíbrio com a tensão de superfície da poça, e a força gravitacional torna a resultante positiva e favorável à transferência da gota. Em detrimento aos processos a arco que possuem força de origem eletromagnética devido a passagem de corrente (MIG/MAG) [73], o revestimento por fusão a laser alimentado por arame pode ser comparado com o processo TIG com adição externa de arame. Além disso, de forma distinta ao que ocorre no processo de revestimento por fusão a arco, no processo a laser não se dispõe de uma flutuação de parâmetros elétricos para avaliar a condição de fusão do arame.
Dessa forma, pequenas variações dos parâmetros geométricos entre a posição da extremidade do arame e o feixe de laser influenciam o destacamento da gota, fazendo com que
se destaque apenas quando as condições de destacamento forem favoráveis para garantir contato da parte líquida do arame com a superfície da poça de fusão.
Para o aumento da regularidade do revestimento por fusão em processos a arco, descobriu-se que o efeito da vibração do arame no processo TIG com o uso da alimentação dinâmica gera uma dinâmica diferenciada de destacamento de gota [74, 75]. A mesma análise pode ser relacionada aos processos MIG/MAG [76]. Fica evidente a contribuição das novas técnicas de alimentação dinâmica de arame no processo de destacamento de gota, gerando menores dimensões da mesma durante o destacamento. Como resultado, esta variante do processo de alimentação dinâmica do arame gera também pode gerar uma maior estabilidade de sua transferência metálica em processos de revestimento por fusão a laser com alimentação frontal externa de arame [77]. A Figura 15 ilustra a ação das componentes de forças que atuam no destacamento da gota, sendo a teoria a Teoria de Balanço Estático de Forças (SFBT) adaptado do processo MIG/MAG para o processo de revestimento por fusão a laser.
Figura 15- Esquemático das componentes das forças que atuam sobre a parte liquefeita do arame - (a) processo de revestimento por fusão a laser alimentado externamente por arame.
