Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
RAMOM TALMIM KUNTZ
APLICAÇÃO DA ABORDAGEM LEAN MANUFACTURING PARA REDUÇÃO DE CUSTO NO PROCESSO DE SOLDAGEM
Panambi 2018
RAMOM TALMIM KUNTZ
APLICAÇÃO DA ABORDAGEM LEAN MANUFACTURING PARA REDUÇÃO DE CUSTO NO PROCESSO DE SOLDAGEM
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Patrícia Carolina Pedrali, Me.
Panambi 2018
APLICAÇÃO DA ABORDAGEM LEAN MANUFACTURING PARA REDUÇÃO DE CUSTO NO PROCESSO DE SOLDAGEM
Trabalho de conclusão de curso aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
________________________________________ Patrícia Carolina Pedrali, Me. – Orientador
________________________________________ Felipe Tusset, Me. – Banca examinadora
Dedico este trabalho primeiramente à Deus, pois até aqui Ele tem me ajudado. Aos meus pais e minha esposa por sempre estarem ao meu lado, apoiando, incentivando e sempre acreditando em mim.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente à Deus por sua imensa graça, e por estar presente em todos os momentos da minha vida. Sem Ele nada disso seria possível.
Aos meus pais que não mediram esforços para que eu chegasse até aqui, sempre me apoiando e incentivando para alcançar este objetivo.
A minha querida esposa Mirele por estar sempre ao meu lado me apoiando e contribuindo para meu crescimento, sempre com otimismo e atenção nos bons e maus momentos. Sendo essencial em minha vida.
A empresa Bruning Tecnomemtal Ltda., por conceder-me a oportunidade de realizar este trabalho.
Ao meu amigo e Mestre Diego Tolotti de Almeida, por sua contribuição, ajuda, orientação e direcionamento para o desenvolvimento deste trabalho.
Aos amigos e colegas de trabalho pelo auxilio na realização deste, em especial ao Engenheiro Maiquel Kuntz pela grande colaboração e auxilio prestado.
A todos os professores que de uma forma ou de outra contribuíram ao longo do curso, em especial a orientadora Mestre Patrícia Pedrali pelos ensinamentos e por ter aceitado o desafio de orientar este estudo.
RESUMO
Na situação do mercado atual, e com a crescente concorrência aumenta a necessidade de as empresas tornarem-se cada vez mais competitivas buscando se destacar no seu ramo de atuação fornecendo produtos com qualidade e preço competitivo. Diante disso as empresas devem buscar continuamente melhorar seu desempenho produtivo, e redução de custo deve ser uma cultura dentro da organização, para isso são utilizadas técnicas como Lean Manufacturing que visa otimizar os processos, reduzir desperdícios e recursos desnecessários da produção sustentado no conceito de melhoria contínua. Para isso é necessário um sistema de gestão eficiente com capacidade para desenvolvimento humano, buscando melhorar constantemente a capacidade e criatividade eliminando desperdícios. Neste sentido foi realizado uma análise de redução de custos de soldagem por meio da redução do consumo de gás de proteção, com a utilização de um controlador de fluxo de gás e avaliação mecânica comparando a influência da utilização do regulador de vazão em soldas com arames sólidos e metal cored, realizadas em chapas grossas com soldagem multipasses utilizando sistema robotizado. Os testes foram comparativos de soldagem com arame ER70S-6 Ø 1.2mm sólido, e E70C-6M Ø1.2mm metal cored, os quais foram avaliados aspecto visual das soldas, a taxa de deposição e o rendimento depositado em ambos os processos, comparando os resultados com aplicação do regulador de vazão e sem o controle de vazão do gás de proteção. O resultado obtido foi a redução no consumo do gás de proteção de 37,6% para arame sólido e 41% para arame metal cored sem afetar os demais fatores envolvendo o processo.
Palavras chaves: Lean manufacturing, melhoria continua, redução de custos, vazão do gás de proteção
ABSTRACT
In the current market situation, and with the increasing competition, companies need to become more and more competitive, striving to stand out in their field of activity providing products with quality and competitive prices. In view of this, companies have to continually seek to improve their productive performance and the cost reduction should be a culture within the organization. For this purpose, some techniques such as Lean Manufacturing that aims to optimize processes and reduce waste and unnecessary resources of sustained production are used in the concept of continuous improvement. It requires an efficient management system for human development, seeking to constantly improve the capacity and creativity by eliminating waste. In this sense, it is intended to carry out an analysis of welding costs reduction by reducing the consumption of protection gas, using a gas flow controller and mechanical evaluation, comparing the influence of the use of the flow regulator on welds with solid wires and metal-cored, carried out in thick plates with multipass welding using robotized system. The tests were comparative in welding with ER70S-6 Ø 1.2mm solid wire, and E70C-6M Ø1.2mm metal-cored, which evaluated the visual aspect of the welds, the deposition rate and the yield deposited in both processes, comparing the results with application of the flow regulator and without the protection gas flow control. The result obtained was the reduction in the protection gas consumption of 37.6% for solid wire and 41% for metal-cored wire without affecting the other factors involving the process.
Keywords: Lean manufacturing, continuous improvement, cost reduction, protection gas flow.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Princípios modelo Toyota ... 17
Figura 2 – Ilustração equipamento de soldagem. ... 20
Figura 3 – Comparativo entre arames GMAW e FCAW ... 22
Figura 4 – Soldagem GMAW ... 23
Figura 5 – Processo de soldagem FCAW ... 26
Figura 6 – Principais formas de transferência metálica, (a) Curto circuito, (b) Globular, (c) Aerosol ou “spray” ... 27
Figura 7 – Classificação dos metais de adição ... 28
Figura 8 – Perfis dos cordões de solda ... 29
Figura 9 – Geometria dos arames tubulares ... 30
Figura 10 – Influência da tensão no perfil do cordão de solda ... 32
Figura 11 – Influência da tensão no arco elétrico ... 32
Figura 12 – Influência da corrente da soldagem na penetração da solda. ... 33
Figura 13 – Efeitos de alterações nos parâmetros de soldagem na geometria de cordões de solda depositados com uma energia de soldagem de aproximadamente 1,8KJ/mm (esquemático). Condições de soldagem: (a) 800A, 26V e 12mm/s e (b) 125ª, 26V e 1,7mm/s. ... 34
Figura 14 – Comparação da taxa de deposição. ... 36
Figura 15 – Extensão do eletrodo. ... 38
Figura 16 – Influência da extensão do eletrodo na soldagem... 38
Figura 17 – Influência do Stick-out na geometria do cordão de solda: a, b, c. ... 39
Figura 18 – Influência do gás de proteção na junta soldada ... 40
Figura 19 – Regiões junta soldada ... 42
Figura 20 – Fluxograma atividades ... 43
Figura 21 – Corpo de prova ... 47
Figura 22 – Especificação junta soldada conforme norma ... 47
Figura 23 – Corpo de prova usinado ... 47
Figura 24 – Balança Toledo... 48
Figura 25 – Equipamento Heidenhain ... 49
Figura 26 – Balança de precisão Ohaus ... 49
Figura 27 – Robô de solda ... 50
Figura 29 – Robô de solda ... 51
Figura 30 – Robô de solda ... 52
Figura 31 – Regulador de vazão Eco gás Powemig ... 53
Figura 32 – Ângulo de trabalho ... 54
Figura 33 – Ângulo de trabalho ... 55
Figura 34 – Plano de corte dos corpos de prova na chapa base... 57
Figura 35 – Microscópio ... 58
Figura 36 – Representação esquemática da seção transversal das amostras utilizadas para .... 59
Figura 37 – Microdurômetro Emcotest modelo DuraScan 20 ... 59
Figura 38 – Maquina universal de ensaios ... 60
Figura 39 – Inspeção visual amostras arame sólido Ø 1.2 ... 61
Figura 40 – Inspeção visual amostras arame metal cored Ø 1.2 ... 62
Figura 41 – Gráfico rendimento depositado ... 63
Figura 42 – Taxa de deposição do arame ... 64
Figura 43 – Aporte térmico ... 65
Figura 44 – Gráfico medição perfil de dureza ... 67
Figura 45 – Resultado dobramento lateral das amostras. A) Arame sólido Ø 1.2mm, B) Arame Metal Cored Ø 1,2mm ... 67
Figura 46 – Macrografias das juntas soldadas. A) Arame sólido Ø 1.2mm, B) Arame Metal Cored Ø 1,2mm ... 68
Figura 47 – Consumo gás de proteção ... 70
Figura 48 – Vazão média gás de proteção ... 70
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Processos de soldagem por fusão ... 21
Tabela 2 - Vantagens, limitações e aplicações processo GMAW ... 24
Tabela 3 - Vantagens, limitações e aplicações processo FCAW ... 25
Tabela 4 - Especificação AWS de Materiais de adição ... 35
Tabela 5 - Composição química e propriedades mecânicas aço ASTM A572 Gr 50-1 ... 45
Tabela 6 - Composição química e propriedades mecânicas do arame ER 70S-6... 45
Tabela 7 - Composição química e propriedades mecânicas do arame E70C-6M ... 46
Tabela 8 – Planejamento dos experimentos ... 53
Tabela 9 – Dados rendimento depositado... 63
Tabela 10 – Dados taxa de deposição do arame ... 64
Tabela 11 – Aporte térmico ... 65
Tabela 9 – Resultados medição dureza... 66
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 13
2. EMBASAMENTO TEÓRICO ... 15
2.1 SISTEMA TOYOTA DE PRODUÇÃO ... 15
2.1.1 Oito desperdícios ... 16
2.1.2 Princípios Lean Manufacturing ... 17
2.1.3 Redução de custos ... 17
2.1.4 Kaizen ... 18
2.2 UNIÃO DE MATERIAIS ... 19
2.3 DEFINIÇÃO DE SOLDAGEM ... 19
2.4 PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÃO ... 20
2.4.1 Processos de soldagem a arco elétrico com proteção gasosa (GMAW)... 22
2.4.2 Processos de soldagem FCAW ... 24
2.5 MODOS DE TRANSFERÊNCIA METAL DE ADIÇÃO ... 26
2.6 CLASSIFICAÇÃO DOS ARAMES DE SOLDAGEM ... 28
2.6.1 Arames tubulares ... 29
2.7 PARÂMETROS DE SOLDAGEM ... 30
2.7.1 Tensão do arco elétrico ... 31
2.7.2 Corrente de soldagem ... 32
2.7.3 Velocidade de soldagem ... 33
2.7.4 Velocidade de alimentação do arame ... 33
2.7.5 Aporte térmico na soldagem ... 34
2.7.6 Taxa de deposição ... 36
2.7.7 Rendimento do arame depositado ... 37
2.7.8 Extensão do eletrodo (stick out) ... 38
2.7.9 Proteção gasosa ... 39
2.8 MICROESTRUTURA NA SOLDAGEM ... 41
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 43
3.1 ANÁLISE NECESSIDADE REDUÇÃO DE CUSTOS ... 44
3.2 MATERIAIS ... 44
3.2.1 Metal de base ... 44
3.2.3 Preparação corpos de prova ... 46
3.2.4 Balança convencional ... 48
3.2.5 Equipamento para calibragem trena ... 48
3.2.6 Balança de precisão ... 49
3.2.7 Equipamentos utilizados para soldagem... 50
3.2.8 Regulador de vazão Powermig ... 52
3.3 MÉTODOS ... 53
3.3.1 Posição de soldagem ... 54
3.3.2 Método de avaliação na soldagem ... 55
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 61
4.1 INSPEÇÃO VISUAL ... 61
4.2 RENDIMENTO DEPOSITADO ... 62
4.3 TAXA DE DEPOSIÇÃO DO ARAME ... 63
4.4 APORTE TÉRMICO ... 65
4.5 CARACTERIZAÇÃO MICRODUREZA ... 66
4.6 ENSAIO DE DOBRAMENTO ... 67
4.7 CARACTERIZAÇÃO MACROESTRUTURAL ... 68
4.8 REDUÇÃO DE CUSTO GÁS DE PROTEÇÃO ... 69
5. CONCLUSÃO ... 72
1. INTRODUÇÃO
Soldagem é a operação de união de duas ou mais peças de forma permanente, que tem o objetivo de assegurar na junta a continuidade das características físicas e químicas necessárias ao seu desempenho. A palavra soldagem caracteriza a ação de unir peças e a palavra solda caracteriza o resultado ou produto da operação (MARQUES et al., 2014).
Parte do desenvolvimento que levaria aos métodos de soldagem empregados atualmente teve origem em tempos remotos. A técnica de soldagem moderna começou a ser moldada a partir da descoberta do arco elétrico, bem como também a sintetização do gás Acetileno no século passado, o que permitiu que se iniciassem alguns processos de fabricação de peças, utilizando esses novos recursos. Com o advento da Primeira Guerra Mundial a técnica de soldagem começou a ser mais utilizada nos processos de fabricação, já a Segunda Guerra Mundial gerou grande impulso na tecnologia de soldagem, no desenvolvimento de novos processos e de aprimoramento dos já existentes.
A soldagem é o mais importante, barato e flexível processo de união entre os materiais na indústria de metalúrgica. O sucesso da soldagem está associado a diversos fatores e, em particular com a sua relativa simplicidade operacional. Sua importância caracteriza-se pelo fato de unir todos os metais comerciais, ser aplicado em qualquer local, proporcionar flexibilidade de projeto, reduzir custos de fabricação e pela facilidade de utilização (MARQUES et al., 2014).
No processo de união de chapa grossas, geralmente é necessário a utilização de processo de solda com multipasses. A solda com mais de um passe é utilizada quando não é possível realizar a soldagem em apenas um passe, ou um cordão de solda.
Os processos de soldagem estão em continua evolução. A necessidade por maior eficiência e menor custo, tornam o mercado de trabalho mais competitivo. Atualmente os arames sólidos são os mais utilizados na soldagem robotizada e semiautomática, em contrapartida os arames tubulares ainda são pouco utilizados na indústria.
Na situação do mercado atual, e com concorrência crescente aumenta a necessidade de as empresas tornarem-se cada vez mais competitivas buscando se destacar no seu ramo de atuação. Diante disso as empresas buscam continuamente melhorar seu desempenho produtivo e a redução de custos deve ser uma prioridade para sobreviver ao mercado (SLACK e LEWIS, 2008), com técnicas para aumento da produtividade, como o Lean Manufacturing que visa otimizar os processos e reduzir desperdícios e recursos desnecessários de produção sustentados nos conceitos de melhoria continua.
Através da metodologia Lean Manufacturing apoiados pela ferramenta kaizen, foi avaliado a necessidade da redução do consumo de gás de proteção utilizado em uma empresa do ramo de autopeças voltada a produção de componentes para ramo Construção. Foi verificado que o consumo do gás de proteção na empresa não era controlado de forma eficiente, e que os robôs de solda utilizam o gás na vazão fornecida pela rede o que ocasiona desperdícios.
Neste sentido pretende-se realizar uma análise de redução de custos de soldagem por meio da redução do consumo de gás de proteção, com a utilização de um controlador de fluxo de gás e realizar avaliação mecânica comparando a influência da utilização do regulador de vazão em soldas com arames sólidos e metal cored realizadas em chapas grossas com soldagem multipasses utilizando sistema robotizado. Os testes serão comparativos de soldagem com arame ER70S-6 Ø 1.2mm sólido, e E70C-6M Ø1.2mm metal cored. Aonde serão avaliados os aspectos visuais da solda, a taxa de deposição e o rendimento depositado em ambos os processos comparando os resultados com aplicação do regulador de vazão e sem o controle de vazão do gás de proteção.
2. EMBASAMENTO TEÓRICO
A revisão bibliográfica que será apresentada neste capitulo tem como finalidade reunir informações que servirão como base no conhecimento técnico e cientifico para realização deste trabalho.
2.1 SISTEMA TOYOTA DE PRODUÇÃO
Sistema Toyota de Produção (STP), Lean Manufacturing, ou Produção Enxuta é uma filosofia de gestão que tem objetivo de identificar e eliminar possíveis desperdícios existentes na cadeia produtiva, os quais não agregam valor (LIKER; MEYER, 2007).
O Sistema Toyota de Produção, ou STP tem origem no Japão na fábrica da Toyota Motor Company, após a Segunda Guerra Mundial, e seus idealizadores são: o fundador da Toyota, Sakichi Toyoda, seu filho Kiichiro Toyoda, o primo Eiki Toyoda, um dos executivos e o engenheiro chefe da Toyota Motors Company, o chinês Taiichi Ohno. A destruição no pós-guerra e a escassez de dinheiro e recursos trazia a necessidade em fornecer bens de consumo para que a população voltasse a vida normal (CRUZ, 2013).
A produção da indústria automotiva era em massa baseada em uma linha de montagem continua com elevada produtividade e baixo custo. Até então a produção em massa idealizada por Ford apresentada resultados satisfatórios para as grandes demandas, mas se tornava inviável quando se tratava de baixas demandas (MENEZES, 2012), desta forma, Taiichi Ohno começou a criar o Sistema Toyota de Produção, com o objetivo de alcançar o mesmo nível de produtividade da Ford (LIKER, 2005).
No Sistema Toyota de Produção os lotes de produção são pequenos, permitindo uma maior variedade de produtos, os trabalhadores são multifuncionais e sabem operar mais que uma máquina, e possui um grande enfoque na qualidade, assim como na cadeia de processos aonde o time Toyota procura entender e dominar o processo além de trabalhar continuamente para melhorar o fluxo da cadeia produtiva (BATISTA, 2010).
2.1.1 Oito desperdícios
Ao aplicar STP, se começa a examinar os processos de produção a partir da perspectiva do cliente tanto interno quanto externo, com isso se consegue verificar o que agrega valor ao cliente. Essa análise tem o objetivo de aumentar a produção através da eliminação dos desperdícios, isso implica em analisar as atividades desenvolvidas, entender o que agrega valor ao cliente e eliminar as que não agregam (TUBINO, 1999).
Os oito desperdícios segundo Liker (2005) são:
a) Superprodução: Produção acima da demanda solicitada pelo cliente;
b) Espera: Tempo em que o funcionário fica parado esperando pelo próximo passo do processamento, ferramentas, suprimentos, matéria prima, ou por falta de matéria prima;
c) Transporte: Movimentação entre estoque e linha de produção por longas distancias, transportes ineficientes ou excesso de movimentação de materiais; d) Superprocessamento ou processamento incorreto: Operações em determinados
processo que não agregam valor ao cliente, ou são desnecessários, processos ineficientes que geram defeitos;
e) Excesso de estoque: Estoques desnecessários muito acima da demanda requerida pelo cliente, o qual implica em “dinheiro parado”, necessita de grandes áreas para armazenamento podendo resultar em defeitos e retrabalho, geralmente está relacionado a falta de planejamento produção;
f) Movimento desnecessário: Movimentos realizados pelos operadores que não agregam valor para cliente;
g) Defeitos: Produção de peça que não atendem aos requisitos do cliente, necessitando de retrabalhos ou sucateamento, desperdiçando matéria prima, mão de obra, movimentação de materiais e outros;
h) Desperdício de criatividade, Liker (2005): Desperdício de ideias, tempo, e habilidades dos funcionários por não os ouvir ou envolve-los nas decisões.
2.1.2 Princípios Lean Manufacturing
Existem 14 princípios que ajudam na implementação das ferramentas do sistema Lean, tendo como objetivo a redução de desperdícios e a melhoria dos resultados. Esses princípios podem ser observados na Figura 1.
Figura 1 – Princípios modelo Toyota
Fonte: LIKER, 2005
2.1.3 Redução de custos
A redução de custos deve ser uma prioridade para empresas que buscam sobreviver ao mercado. Em períodos de crescimento econômico com demandas elevadas pode se conseguir custos mais baixos com produção maior, mas em tempos de resseção com demandas menores e baixo crescimento existe uma dificuldade maior em trabalhar com redução de custos (OHNO, 1997).
Freqüentemente usamos a palavra “eficiência” ao falar sobre produção, gerência e negócio. “Eficiência”, na indústria moderna e nas empresas em geral, significa redução de custos.
Na Toyota, como em todas as industrias manufatureiras, o lucro só pode ser obtido com a redução de custos. Quando aplicamos o princípio de custos, preço de venda = lucro + custo real, fazemos o consumidor responsável por todo o custo. Este princípio não tem lugar na atual indústria automotiva competitiva.
Nossos produtos são cuidadosamente examinados por consumidores desobrigados, racionais, em mercados livres, competitivos onde o custo de manufatura de um produto não possui qualquer importância. A questão é se o produto tem ou não valor para o comprador. Se um preço alto é colocado é colocado em virtude do custo do fabricante os consumidores simplesmente não comprarão (OHNO, 1997).
Para isso é necessário um sistema de gestão eficiente com capacidade para desenvolvimento humano e tenha objetivo de melhorar capacidade e criatividade buscando assim eliminar todos os desperdícios. O Sistema Toyota de Produção é focado em redução de desperdícios, surgiu no Japão por necessidade, mas no atual cenário econômico é viável não somente em sistemas de produção, ele é considerado um conceito de administração que pode ser utilizado em qualquer setor (OHNO, 1997).
2.1.4 Kaizen
Kaizen significa melhoria continua, é de origem japonesa Kai significa mudar, e Zen significa bem, e seu objetivo é agregar valor ao produto final eliminando desperdícios (OHNO, 1997).
Segundo Masaaki Imai (1986 apud SLACK, 1996), kaizen significa melhoramento. E mais: sugere melhoramento na vida pessoal, na vida doméstica, na vida social e na vida de trabalho. Trata-se de um procedimento que envolve todos os colaboradores da empresa. A mudança deve ser continua, em pequena escala e deve ser desenvolvida por trabalhos em grupo. A diferença do kaizen em relação a produção enxuta é que a produção enxuta visa eliminar desperdícios e o kaizen busca melhorar o processo continuamente e por isso é um dos métodos que sustentam a produção enxuta (ORTIZ, 2009).
Para identificar os desperdícios e poder aplicar a ferramenta de forma mais eficiente, deve se ter conhecimento dos processos. A base do kaizen é eliminar desperdícios com soluções baratas utilizando a motivação e criatividade dos colaboradores, melhorando assim os processos de trabalho, e isso se reflete na produtividade, qualidade sem gastos ou com mínimos investimentos (SLACK, 2008).
Segundo Watson (1992) o estudo da metodologia kaizen é importante uma vez que toda organização tem a oportunidade de melhorar a qualidade dos seus produtos e serviços, garantindo a satisfação dos seus cliente, colaboradores, sócios e fornecedores.
A aplicação da ferramenta deve seguir alguns passos: definir a área em que a melhoria será aplicada, escolher a equipe que aplicará o conceito, verificar o processo atual, realizar um teste inicial e por último implementar as melhorias (CHIAVENATO, 2006).
2.2 UNIÃO DE MATERIAIS
Os métodos de união dos metais podem ser divididos basicamente em duas categorias baseado na ação de forças macroscópicas entre as partes a serem unidas, podem ser eles por força macroscópica ou por forças microscópicas. O primeiro caso pode ser citado como exemplos a aparafusar e a rebitagem, aonde a resistência na união é dada pela força de cisalhamento e as forças de atrito. No segundo caso temos a soldagem, colagem e brasagem como exemplo, aonde a união pode ser conseguida pela aproximação dos átomos ou moléculas das peças a serem unidas, adicionando a junta material dos mesmos ou diferentes com distancia suficiente para formação de ligação química. (MARQUES et al., 2014).
2.3 DEFINIÇÃO DE SOLDAGEM
O termo soldagem é um processo de fabricação, que visa obter a união de duas ou mais peças proporcionando na junta a continuidade das propriedades do material assegurando seu desempenho. Na atualidade muitos desses processos são utilizados para deposição de material em uma superfície, recuperando peças ou formando um revestimento com característica especial. Diferentes processos de corte de peças metálicas estão relacionados com a soldagem aonde em muitos aspectos suas operações são semelhantes como exemplo o processo plasma (MARQUES et al., 2014).
A soldagem é o mais importante processo industrial de fabricação de peça metálicas, isso está relacionado a diversos fatores, em particular com a sua simplicidade operacional, um dos processos de soldagem é o MIG/MAG, que é operado geralmente de forma semiautomática, possuindo elevada produtividade, e tem como equipamentos básicos: fonte de energia de corrente constante, tocha de soldagem, fonte de gás de proteção e alimentador de arame. A Figura 2 mostra uma configuração básica de um equipamento de soldagem MIG/MAG (MARQUES et al., 2014).
Figura 2 – Ilustração equipamento de soldagem.
Fonte: MODENESI; MARQUES, 2006.
2.4 PROCESSOS DE SOLDAGEM POR FUSÃO
Atualmente existem um grande número de processos de soldagem por fusão que podem ser separados em subgrupos conforme suas particularidades. Dentre eles o processo mais utilizado e importante atualmente na indústria é a soldagem a arco elétrico. A Tabela 1 mostra os principais processos de soldagem por fusão e suas características. (MARQUES et al., 2014). A soldagem MIG/MAG (MIG - Metal Inert Gás e MAG - Metal active Gás) é um processo de soldagem por arco elétrico entre a peça e o consumível em forma de arame, aonde o calor de um arco elétrico entre um eletrodo nu alimentado de maneira continua e o metal de base funde o eletrodo e o metal da peça formando assim a poça de fusão realizando uma união dos materiais metálicos. A proteção do arco e da poça de solda fundida é realizada por um gás alimentado externamente que pode ser inerte ou ativo, ou ainda uma mistura destes (CUNHA, 2013). Os processos de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding) e FCAW (Flux Cored Arc Welding), tem se destacado por apresentarem grande capacidade produtiva garantindo aumento na taxa de fusão, fator de trabalho e automatização. No entanto as suas variáveis requerem experiência para programação do aparelho de soldagem para garantir melhor eficiência (SOUZA, 2011).
A soldagem a arco com proteção gasosa GMAW, e FCAW, realiza união de peças metálicas por um arco elétrico que produz aquecimento estabelecido entre um eletrodo metálico nu alimentado continuamente, consumível e a peça a ser soldada. A proteção do arame e da poça de fusão contra contaminação pela atmosfera é realizado pelo gás que flui pelo bocal concentricamente com o eletrodo, esses gases podem ser inertes ou ativos. Os dois processos de soldagem utilizam basicamente os mesmos equipamentos, em alguns casos o arame FCAW necessita equipamento com maior velocidade do arame (SOUZA, 2011).
Tabela 1 - Processos de soldagem por fusão
Fonte: Adaptado de MARQUES et al., 2014. Processo Fonte de calor
Tipo de corrente e polaridade
Agente
protetor Outras características Aplicações
Soldagem por eletro-escória Aquecimento por resistência da escoria liquida Continua ou alternada Escória Automática mecanizada. Junta na vertical. Arame alimentado mecanicamente na peça
da fusão. Não existe arco elétrico
Soldagem de aços carbono, baixa e alta e liga, espessura ≥50mm. Soldagem de grande espessura,
eixos, etc.
Soldagem a
arco submerso Arco elétrico
Continua ou alternada Eletrodo + Escória Automática/mecaniz. Ou semiautomática. O
arco arde sob uma camada de fluxo
granular.
Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga. Espessura ≥10mm.Posição plana ou horizontal de peças estruturais,
tanques, vasos de pressão etc. Soldagem com eletrodo revestido Arco elétrico Continua ou alternada Eletrodo + ou - Escória e gases gerados
Manual vareta metálica recoberta por camada
de fluxo
Soldagem de quase todos os metais, exceto cobre puro, metais
preciosos, reativos e de baixo ponto de fusão. Usado na
soldagem em geral
Soldagem com
arame tubular Arco elétrico Eletrodo + Continua
Escórias e gases gerados ou fornecidos por fonte externa. Em geral o CO. Automática ou semiautomático. O
fluxo está contido dentro de um arame
tubular de pequeno diâmetro.
Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga com espessura >1mm. Soldagem de chapas e tubos etc.
Soldagem
MIG/MAG Arco elétrico Eletrodo + Continua Argônio ou Hélio, Argônio + 02, Argônio + CO2, CO2 Automática/mecaniz. ou semiautomática. O arame é sólido
Soldagem de aços carbono, baixa e alta e liga não terrosos, com espessura ≥1mm. Soldagem de
tubos chapas, etc. Qualquer posição
Soldagem a
plasma Arco elétrico
Continua Eletrodo - Argônio, Hélio ou Argônio + Hidrogênio Manual ou automática. O arame é adicionado separadamente. Eletrodo não consumível ou Tungstênio. O arco é construído por um bocal
Todos os metais importantes em engenharias, exceto Zn Be e suas ligas com espessura de até 1.5mm.
Passes de raiz
Soldagem TIG Arco elétrico
Continua ou alternada Eletrodo - Argônio, Hélio ou mistura destes. Manual ou automática. Eletrodo não consumível de tungstênio. O arame é adicionado separadamente
Soldagem de todos os metais exceto Zn, Be e suas ligas,
espessura entre 1 e 6mm. Soldagem de não terrosos e aços
inox. Passe de raiz de solda em tubulações Soldagem por feixe de elétrons Feixe de elétrons Continua Alta tensão Peca + Vácuo (>> 10-4 mm Hgb Soldagem automática. Não usa em geral metal
de adição. Feixe de elétrons permite uma elevada concentração
de energia
Soldagem de todos os metais, exceto nos cada de evolução de gases ou vaporização excessiva em
geral a partir de 25mm de espessura. Industria nuclear e
aeroespacial
Soldagem a
laser Feixe de luz
Argônio ou Hélio
Soldagem automática. Não usa em geral metal
de adição. Laser permite uma elevada
concentração de energia.
Soldagem de todos os metais, exceto nos casos de evolução de gases ou vaporização excessiva. Industria automobilística, nuclear e
aeroespacial.
Soldagem a Gás Oxiacetilenica Chama Gás (CO, HC2O A2O2,
Manual, arame adicionado separadamente
Soldagem manual de aço carbono Cu, Al, Zn, Pb e Bronze. Soldagem de chapas finas e tubos de pequeno
Os arames do processo FCAW são tubulares e possuem no seu interior um fluxo composto por materiais inorgânicos ou metálicos, que auxiliam na otimização do arco elétrico, transferência do metal de solda, proteção do banho de fusão e em alguns casos a adição de elementos de liga (SOUZA, 2011). A Figura 3 demonstra suas diferenças.
Figura 3 – Comparativo entre arames GMAW e FCAW
Fonte: Adaptado de ESAB, 2014
2.4.1 Processos de soldagem a arco elétrico com proteção gasosa (GMAW)
A soldagem a arco elétrico com proteção gasosa (Gas Metal Arc Welding - GMAW), também conhecida como soldagem MIG/MAG (MIG – Metal Inert Gas e MAG - Metal Active Gás) é um dos processos em que a união de peças metálicas é produzida pelo aquecimento um arco elétrico é estabelecido entre a peça e um consumível na forma de arame conforme Figura 4. O arco funde continuamente o arame à medida que este é alimentado à poça de fusão. O metal de solda é protegido da atmosfera pelo fluxo de um gás (ou mistura de gases) inerte ou ativo (SOUZA et al., 2009).
Inicialmente foi empregado com gás de proteção inerte na soldagem de alumínio. Consequentemente o termo de soldagem MIG foi inicialmente aplicado e continua sendo uma referência de processo. Desenvolvimentos posteriores agregaram atividades com baixas correntes e corrente continua pulsada, normalmente utilizando o arame no polo positivo,
possibilitando melhor penetração e estabilidade do arco empregado em uma ampla gama de materiais. Utiliza gases de proteção reativos, ou ativos (FORTES, 2005).
Figura 4 – Soldagem GMAW
Fonte: MODENESI, MARQUES 2006.
A proteção gasosa pode se dar de forma com que se tenha uma atmosfera ativa, tendo como principais gases constituintes O2, CO2, ou a mistura destes, onde o gás promove um meio isento de contaminantes atmosféricos e auxilia na manutenção do arco interagindo com a poça de fusão e com gota de metal de adição. O processo que utiliza gases ativos é conhecido popularmente por processo MAG (DOBIGNIES, 2008; MACHADO 2007).
Outra forma de proteção gasosa também conhecida como processo GMAW, quando são utilizados gases inertes como Argônio (Ar) e Hélio (He), a utilização destes gases é o motivo desse processo ser conhecido comumente como MIG (Metal Inert Gás). Neste contexto a atmosfera formada pelo gás de proteção não interage com a poça e nem com as gotas depositadas, atuando apenas como estabilizador do arco e protegendo a poça de contaminantes externos. Sua utilização acontece principalmente em materiais não ferrosos (DOBIGNIES, 2008).
O processo MIG/MAG é normalmente operado de forma semiautomática e a deposição do arame na poça de fusão pode se dar basicamente de três formas: curto-circuito (short arc), globular e aerossol (spray arc) (MODENESI et al., 2012). A Tabela 2 apresenta as principais vantagens, limitações e aplicações do processo de soldagem por GMAW.
Tabela 2 - Vantagens, limitações e aplicações processo GMAW
Fonte: Adaptado de MODENESI et al., 2012.
2.4.2 Processos de soldagem FCAW
A soldagem com arame tubular (FCAW) tem apresentado grande crescimento na sua utilização nos últimos anos em escala mundial. Este crescimento está relacionado a crescente necessidade de automação da indústria metalúrgica, buscando a obtenção de maior produtividade, substituindo sempre que possível o processo manual pelo automatizado. O processo FCAW tem se mostrado um dos mais adequados dentre os processos de soldagem a arco, para utilização de soldagem automática, e com a utilização de robôs (MARQUES et al., 2014).
A popularidade do processo tem crescido devido a possíveis vantagens que oferece tais como: alta qualidade do metal de solda depositado, excelente aparência do cordão, boas características do arco e baixo nível de respingos e também maior taxa de fusão do arame tubular em relação ao arame sólido na mesma faixa de corrente pois o involucro tubular metálico tem menor massa condutora e isso proporciona maior densidade (MODENESI et al., 2012).
Vantagens e Limitações Aplicações
Processo com eletrodo contínuo Soldagem de ligas ferrosas e não ferrosas Permite soldagem em qualquer posição Soldagem de carrocerias e estruturas de veículos Elevada taxa de deposição de metal Soldagem de tubulação, etc.
Elevada penetração
Pode, em princípio, soldar diferentes ligas metálicas
Exige pouca limpeza após soldagem
Processo exige, em geral, menos habilidade do soldador que a
soldagem SMAW.
Processo de ajuste mais difícil e sensível que o processo SMAW.
Equipamento relativamente caro e complexo.
Pode apresentar dificuldade para soldar juntas de acesso restrito.
Proteção do arco é sensível a correntes de ar.
O processo de soldagem por arame tubular é definido como sendo um processo de fusão onde o calor necessário à ligação das partes é fornecido por um arco elétrico estabelecido entre a peça e um arame alimentado continuamente. Processo semelhante ao MIG/MAG, diferindo somente por possuir um arame no formato tubular, possuindo fluxo no seu interior composto por materiais inorgânicos e metálicos, que tem como função melhoria das características do arco elétrico, a transferência do metal de solda a proteção do banho de fusão e em alguns casos a adição de elementos de liga, além de atuar como formador de escória. (JOAQUIM, 2006). A Tabela 3 apresenta as principais vantagens, limitações e aplicações do processo de soldagem por FCAW.
Tabela 3 - Vantagens, limitações e aplicações processo FCAW
Fonte: Adaptado de MODENESI et al., 2012.
O modo de transferência varia conforme gás de proteção utilizado. Os gases utilizados no processo FCAW são praticamente os mesmos utilizados no processo GMAW, sendo os mais utilizados o dióxido de carbono como gás ativo, e o Argônio (Ar) ou Hélio (He) como gases inertes, podendo ser utilizado a mistura desses (SOUZA; FERRAREZI, 2013). O processo apresenta duas variações principais: soldagem auto protegida quando o fluxo interno fornece a proteção necessária na região do arco, e a soldagem com proteção gasosa, em que a proteção é realizada pelo gás, da mesma maneira do processo GMAW.
O processo FCAW utiliza basicamente os mesmos equipamentos do processo GMAW, embora necessite em alguns casos de equipamentos de maior capacidade, operando normalmente na forma semiautomática, como pode ser visto na Figura 5.
Vantagens e Limitações Aplicações
Elevada produtividade e eficiência Soldagem de aços carbono, baixa e alta liga Soldagem em todas as posições Soldagem de fabricação e de manutenção Custo relativamente baixo Soldagem de partes de veículos
Produz soldas de boa qualidade e aparência Soldagem de montagem no campo Equipamento relativamente caro
Pode gerar elevada quantidade de fumos Necessita limpeza após soldagem
Figura 5 – Processo de soldagem FCAW
Fonte: BARNES, 2009.
Como os dois processos de soldagem FCAW, e GMAW, possuem características semelhantes é comum existir uma indecisão no momento de estabelecer qual processo utilizar, contudo pode-se esperar que cada processo tenha sua individualidade e corresponda com maior desempenho relativo em determinada situação de uso. Para que a escolha do processo seja correta é necessário conhecer suas características operacionais em função da sua aplicação. Apesar de grande volume de informações na literatura existe ainda uma deficiência em relação a comparação dos dois processos (SOUZA; FERRAREZI, 2013).
2.5 MODOS DE TRANSFERÊNCIA METAL DE ADIÇÃO
Uma das mais relevantes características do processo de soldagem a arco, nos quais há adição de material busca a característica de transferência do metal de solda, principalmente em relação ao processo semiautomático aonde variações relacionados ao processo influenciam diretamente na transferência do metal de adição (JOAQUIM, 2006).
Na soldagem com eletrodos consumíveis, o metal fundido na ponta do eletrodo deve ser transferido para poça de fusão regularmente em forma de gotas. Sobre o efeito do aquecimento do eletrodo a fase liquida cresce continuamente. Quando a camada de metal liquido na ponta do eletrodo atinge certo limite dimensional, parte do metal se separa do eletrodo, em forma de gotas, em seguida a camada liquida cresce novamente, a gota se forma e
assim sucessivamente. Deste modo as gotas são separadas do eletrodo e transferidas para poça de fusão (GOMES, 2006; MARQUES et al., 2014).
O modo de ocorrência dessa transferência é de grande importância na soldagem MIG/MAG, pois afeta muitas características do processo tais como: comprimento do arco elétrico, a quantidade de gases absorvida pelo metal fundido, a aplicabilidade do processo em determinadas posições de soldagem e o nível de respingos de solda (MARQUES et al., 2014). Uma diferença essencial para os arames sólidos e arames tubulares para soldagem com gás de proteção é o modo de transferência metálica.
Arames sólidos que necessitam de uma mistura Ar + CO2 produzem arco pequeno e uma transferência de metal muito localizada. As gotas atravessam o arco ao longo de uma linha de centro, uma após a outra com alta frequência. Por causa dessa transferência axial, as gotas penetram na poça de fusão dentro de uma área de projeção relativamente pequena aonde toda energia das gotas fica concentrada nessa área.
Arames tubulares possuem um arco mais largo sua penetração tem uma forma mais rasa porem mais larga reduzindo os defeitos de falta de fusão. Algumas diferenças adicionais são encontradas na aparência do cordão, especialmente para correntes de soldagem maiores, onde a transferência axial de gotas dos arames sólidos cria uma poça de fusão turbulenta e ondulada, como resultado os cordões de solda podem não ser planos, podendo exibir um aspecto rugoso. O arco mais largo dos arames tubulares produz uma poça de fusão calma e plana que promovem um cordão de solda de aspecto liso (ARAUJO, 2004).
Conforme Barbedo (2011) a transferência do metal depende do gás de proteção, do tipo e intensidade da corrente de soldagem, do comprimento, diâmetro e da composição química do eletrodo ou arame. Os principais modos de transferências metálicas são: curto circuito, globular, spray, e corrente pulsada. Na Figura 6 é possível visualizar três das quatro principais formas de transferência metálica.
Figura 6 – Principais formas de transferência metálica, (a) Curto circuito, (b) Globular, (c) Aerosol ou “spray”
2.6 CLASSIFICAÇÃO DOS ARAMES DE SOLDAGEM
Um dos mais importantes fatores que devem ser considerados na soldagem MIG/MAG, é a seleção correta do arame de solda.
Os eletrodos podem ser arames sólidos ou tubulares. Na soldagem com eletrodos sólidos deve ser adicionado fluxo manualmente, para manter a camada de escória com características adequadas. Os eletrodos possuem diâmetro normalmente entre 1,6 e 4mm, e podem ser encontrados com várias composições químicas, permitindo assim a obtenção das propriedades mecânicas desejadas em diversas faixas (MODENESI et al., 2014; SOLCI, 2015). Os arames para soldagem são compostos de metais ou ligas metálicas que possuem composição química, dureza, condições superficiais e dimensões bem controladas, e são classificados por normas de acordo com suas ligas. Arames de má qualidade podem produzir falhas de alimentação, instabilidade do arco e descontinuidades no cordão de solda. (SOLCI, 2015).
A principal especificação para os arames-eletrodos é a AWS A 5.18 que indica os requerimentos para a classificação de eletrodos sólidos ou compostos (arame tubular com núcleo metálico) e varetas para os processos MIG/MAG (GMAW), TIG (GTAW) e PLASMA (PAW) na soldagem de aço carbono. A classificação dos arames para soldagem de aços pelas especificações AWS A 5.18 e A 5.28, que engloba os arames sólidos e os arames com enchimento metálico, conforme Figura 7 (NERIS, 2012).
Figura 7 – Classificação dos metais de adição
Basicamente existem cinco fatores principais que possuem influencia na escolha do arame para soldagem MIG/MAG:
a) A composição química do material;
b) As propriedades mecânicas do metal de base; c) Gás de proteção empregado;
d) O tipo de serviço, ou requisito da especificação aplicável; e) O projeto de junta.
2.6.1 Arames tubulares
O fluxo do interior do arame tubular pode conter minerais, ferros-liga e materiais que forneçam gases de proteção, desoxidantes e materiais formados de escória. Os componentes presentes no fluxo do arame melhoram a estabilidade do arco e influenciam nas características e propriedades mecânicas do metal de solda e também na característica do perfil do cordão de solda, conforme pode se verificar na Figura 8 (ARAUJO, 2004).
Atualmente existem duas famílias para os arames tubulares uma que utiliza proteção gasosa externa e a outra que gera seus próprios gases de proteção.
Para os arames tubulares com proteção gasosa temos o tipo flux cored que pode ser básico, e o tipo metal cored, que tem como fluxo somente pó metálico.
Outra família dos arames tubulares são auto protegidos, que são desenvolvidos para gerar gases de proteção a partir de adição de elementos no fluxo, similar aos eletrodos revestidos (ARAUJO, 2004).
Figura 8 – Perfis dos cordões de solda
Os arames “metal cored”, são arames que possuem enchimento pó de ferro e/ou ferro ligas e muito pouco fluxo a base de minerais. Esses arames permitem uma transferência do metal bastante suave através de um arco de soldagem operando em atmosferas protetoras a base de misturas de argônio e gás carbônico, geralmente utilizado em correntes altas, em torno de 300 A. A escória gerado por esses arames é mínima. A utilização desses arames se torna viável principalmente na soldagem mecanizada em altas velocidades (MODENESI, 2002).
Os eletrodos tubulares podem ter diferentes configurações de secção transversal, podendo ser simplesmente um tubo ou configurações mais complexas os quais são mais difíceis de serem fabricados e possuem um preço mais caro, porem apresentam melhores características operacionais. A Figura 9 mostra as geometrias básicas dos arames tubulares.
Figura 9 – Geometria dos arames tubulares
Fonte: PEIXOTO, 2012.
O mesmo apresenta a vantagem de minimizar o contato de umidade com o fluxo e, portanto, deposita metal de solda com muito baixo hidrogênio. De modo geral o material contido no interior dos arames tubulares fica entre 15% e 30% de seu peso, podendo atingir 50% do seu peso em arames especiais com seção metálica menor (MODENESI, 2002).
2.7 PARÂMETROS DE SOLDAGEM
Muitas variáveis influenciam no desempenho de soldagem com arame maciço (GMAW) e tubular (FCAW). A tecnologia e soldagem é caracterizada por essas variáveis e parâmetros operacionais capaz de influenciar, em maior ou menor grau, a saída do processo, que está diretamente ligada a qualidade da solda produzida.
Alguns parâmetros considerados são: intensidade da corrente do arco, que é determinada a partir da espessura das chapas, do diâmetro do eletrodo e das características do cordão. Tensão e comprimento do arco, velocidade de alimentação do arame, comprimento livre do eletrodo (stick-out), ângulo de inclinação da tocha, vazão e tipo de gás de proteção, velocidade de soldagem e diâmetro do eletrodo. Os quais são parâmetros que devem ser escolhidos de maneira adequada, para se obter uma solda de qualidade e com aspecto desejado. A estabilidade do arco, propriedades mecânicas, defeitos e custos operacionais também são variáveis importantes que estão diretamente ligadas a escolha dos parâmetros de soldagem (MOREIRA, 2008; SOUZA, 2011).
2.7.1 Tensão do arco elétrico
A tensão de soldagem, ou tensão do arco elétrico é uma variável significativa na metalúrgica da soldagem, possuindo grande influência na geometria da solda, podendo afetar a aparência, penetração e as propriedades do cordão de solda.
Tensão do arco e comprimento do arco são fatores determinantes nas características do cordão de solda, eles estão diretamente relacionados e são interdependentes, pois, a tensão do arco depende do comprimento do arco, do tipo e do diâmetro do eletrodo e do gás de proteção influenciando assim o modo de transferência (MOREIRA, 2008).
A tensão de soldagem exerce influência tanto na geometria do cordão, defeitos de soldagem, sua microestrutura e consequentemente o sucesso ou fracasso da operação de soldagem. Quando a tensão diminui a penetração aumenta e quando a tensão aumenta, o comprimento do arco também aumenta, como pode se verificar na Figura 10 e 11, (MOREIRA, 2008; RODRIGUES, 2010).
Tanto a tensão excessiva ou uma baixa tensão tem interferência negativa na estabilidade do arco, quando se tem um valor de tensão muito baixo o cordão de solda poderá apresentar porosidade como também a geometria do cordão é prejudicada, apresentando formato estreito e convexo. Da mesma forma, um aumento excessivo no valor da tensão pode causar danos ao cordão de solda. Com a tensão elevada, o arco tem um aumento proporcional ocasionando porosidade, mordeduras e salpicos (MACHADO, 1996; RODRIGUES, 2010).
Figura 10 – Influência da tensão no perfil do cordão de solda
Fonte: SOLCI, 2015.
Figura 11 – Influência da tensão no arco elétrico
Fonte: SOLCI, 2015.
2.7.2 Corrente de soldagem
A corrente de soldagem, também conhecida como amperagem varia entre valores bem baixos, no caso de solda de componentes eletrônicos, até valores elevados, que são utilizados na indústria automobilística. A corrente é controlada pela velocidade do arame, se a velocidade de alimentação do arame é alterada, a corrente de soldagem consequentemente é alterada. Quanto maior for a corrente, maior será a penetração. Tanto a corrente como a velocidade de alimentação possuem relação direta com a taxa de fusão do arame, quanto maior for à velocidade de alimentação maior será a corrente fornecida pela fonte de modo a fundir o arame e alimentando à poça de fusão (SOLCI, 2015; SOUZA, 2011). Na Figura 12 pode ser verificar essa influência.
Tão importante quanto a corrente em si a densidade da corrente na chapa também deve ser observada. Os seus limites superior e inferior dependem da intensidade, do diâmetro e forma do eletrodo, se a intensidade e a densidade da corrente forem insuficientes não ocorrerá fusão
mesmo ao longo do tempo, mas se forem excessivas o eletrodo penetrara na peça (NASCIMENTO, 2008).
Figura 12 – Influência da corrente da soldagem na penetração da solda.
Fonte: SOLCI, 2015
2.7.3 Velocidade de soldagem
Velocidade de soldagem, é a velocidade de deslocamento do arco elétrico ao longo do comprimento da junta, parâmetro que tem influência direta na energia de soldagem e consequentemente na quantidade de calor transferido a peça, como também na penetração e contorno do cordão. Quando a velocidade de soldagem diminui, a quantidade de material depositado por unidade de comprimento aumenta, a poça de fusão e o calor do arco atua diretamente na poça de fusão e não no metal de base, tendo como consequência pouca penetração (GOMES, 2006).
A redução da largura e penetração do cordão com a velocidade de soldagem estão associadas a diminuição da quantidade de energia fornecida. A influência no reforço do cordão está ligada a diminuição da quantidade de material de adição que é fornecido a solda com o aumento da velocidade de soldagem. Velocidade de soldagem muito alta podem acarretar descontinuidade no cordão, ou mordeduras pela falta de fusão do material, ocasionado pela redução da penetração pois a quantidade de calor transferida por unidade de comprimento é reduzida (MOREIRA, 2008).
2.7.4 Velocidade de alimentação do arame
As características do cordão de solda são influenciadas pela velocidade de alimentação do arame. Quando a velocidade de alimentação do arame é alterada, a corrente de soldagem
varia no mesmo sentido. Um aumento (ou diminuição) na velocidade de alimentação do arame causará um aumento (ou diminuição) da corrente de soldagem (FORTES, 2005).
Elevados valores da velocidade de alimentação do arame geram altas intensidades de correntes, o que podem ocasionar mordeduras, e baixos valores de velocidade podem gerar uma solda com falta de penetração, falta de fusão entre outros (RODRIGUES, 2010).
A velocidade de alimentação do arame também é relacionada a quantidade de metal depositado, e tem influência significativa no custo e na produtividade da solda realizada. Quando forem utilizadas velocidades altas de alimentação do arame, com o intuito de aumentar a taxa de deposição a extensão do eletrodo deverá ser alterada para que se mantenha constante a corrente de soldagem (FORTES, 2005).
2.7.5 Aporte térmico na soldagem
Aporte térmico, ou energia de soldagem é um parâmetro simples utilizado em normas e trabalhos técnicos para especificar as condições de soldagem. Porem deve ser utilizada com cautela, pois não serve de parâmetro especifico, pois nem sempre existe uma relação direta entre a energia de soldagem e efeitos gerados na peça, pois os parâmetros de soldagem como: corrente, tensão e velocidade geram resultados distintos. Por esses motivos mesmo utilizando o mesmo processo de energia de soldagem, é possível obter resultados completamente diferentes nos formatos das soldas, como pode ser verificar na Figura 13, (MODENESI et al., 2012).
Figura 13 – Efeitos de alterações nos parâmetros de soldagem na geometria de cordões de solda depositados com uma energia de soldagem de aproximadamente 1,8KJ/mm (esquemático). Condições de soldagem: (a) 800A, 26V e 12mm/s e (b) 125ª, 26V e 1,7mm/s.
A soldagem de aços exige alta produtividade, com microestruturas excelentes, porém quanto maior o aporte térmico maior o crescimento do grão e a formação de outras estruturas de baixa propriedade mecânica (CARLOS; CARRITÁ; SOUZA, 2011).
A Equação 1 define o aporte térmico da seguinte forma:
Onde:
U = tensão de soldagem [V] I = Corrente de soldagem [A]
vs = velocidade de soldagem [mm/min]
k = eficiência térmica (conf. DIN EN 1011-1:2002)
O fator k é relacionado de acordo com o processo de soldagem utilizado, conforme abaixo na Tabela 4.
Tabela 4 - Especificação AWS de Materiais de adição
Processo
n°. Processo Fator k
121 Soldagem por arco submerso com eletrodo 1,0
111 Solda arco-submerso com eletrodo revestido 0,8
131 Soldagem MIG 0,8
135 Soldagem MAG 0,8
114 Solda arco metálico a fio fluxado sem proteção a gás 0,8 136 Solda arco metálico a fio fluxado com proteção a gás ativo 0,8 137 Solda arco metálico a fio fluxado com proteção a gás inerte 0,8 138 Solda arco metálico a fio fluxado com proteção a gás ativo 0,8 139 Solda arco metálico a fio fluxado com proteção a gás inerte 0,8
141 Soldagem TIG 0,6
15 Soldagem por arco plasma 0,6
Fonte: Adaptado de DIN EN 1011-1, 2002. AT= . .
2.7.6 Taxa de deposição
A taxa de deposição é definida como a massa do metal de solda depositado por unidade de tempo com arco aberto. Como o processo MIG/ MAG é bastante eficiente uma pequena parte do metal de solda será perdida na forma de respingos, porem essas perdas não são consideradas na análise de material depositado. Valores muito baixos de tensão podem ocasionar interrupções no arco, ocasionando falhas na transferência do metal de adição (FORTES, 2005; MACHADO 2007).
Segundo Soeiro (2015), a taxa de deposição do arame pode ser calculada através da Equação 2.
Onde:
TD = Taxa de deposição Mf = massa final CP [g] Mi = massa inicial CP [g] t = tempo de arco aberto [h]
A taxa de deposição é influenciada tanto no arame maciço, quanto no arame tubular, pela densidade de corrente, como o arame tubular possui maior densidade de corrente para o mesmo diâmetro do arame maciço, maior será a sua taxa de deposição, podendo assim utilizar maiores velocidades de corrente, conforme demonstrado na Figura 14 (SOEIRO, 2015).
Figura 14 – Comparação da taxa de deposição.
Fonte: POLYMET, 2012.
Taxa de deposição está ligada diretamente com a velocidade de alimentação do arame. Velocidades de soldagem maiores tem menores taxas de deposição, além desses fatores, o diâmetro do arame, composição e a extensão do eletrodo tem ligação direta com as taxas de deposição. O aumento da taxa de deposição tem influência na penetração da solda, se mais metal for depositado para a mesma corrente de soldagem a penetração será reduzida. (FORTES, 2005; OLIVEIRA, 2005).
2.7.7 Rendimento do arame depositado
O rendimento depositado é a relação entre a taxa de deposição e a taxa de fusão. É uma característica importante na análise de um processo de soldagem, pois influencia diretamente nos custos de soldagem, permitindo avaliar a quantidade de arame que foi perdida durante o processo. Os fatores que levam a diminuição no rendimento são normalmente as perdas por formação de respingos (SOUZA, 2011).
Segundo Nascimento (2005), processos de soldagem com arame maciço possuem geralmente valores maiores de rendimento. Sabendo que eles geram pouca escória e fumos de soldagem, a perda de material consiste sobretudo dos salpicos que não fazem parte do cordão de solda. Para processos de soldagem com arames maciços uma faixa de eficiência de 90 – 98% é comumente alcançada. O rendimento pode ser calculado conforme a Equação 3.
Onde: ɳr = rendimento depositado Mf = massa final CP [g] Mi = massa inicial CP [g]
me = massa linear do arame [g/m]
c = consumo linear médio do arame para cada CP [m]
Arames tubulares (metal cored) com seus níveis mínimos de escória, fumo e salpico (quando usado com gás baseado em misturas de argônio), exibem eficiência de deposição na faixa de 91 – 95% (1,2 mm) e 93 – 96% (1,6 mm) para uma variedade de tipos de liga (NASCIMENTO, 2005).
ɳ𝑟 =
2.7.8 Extensão do eletrodo (stick out)
Segundo Fortes (2005), a extensão do eletrodo (stick-out) é a distância entre o último ponto de contato elétrico, normalmente a extremidade do bico de contato, e a peça de trabalho. A Figura 15 demonstra distância do ponto de tomada de corrente a peça (h), stick-out (s) e comprimento de arco (Ia).
Figura 15 – Extensão do eletrodo.
Fonte: MODENESI, 2012.
O controle realizado entre a distância do bico de contato e a peça (extensão do eletrodo), é um fator importante, impacta na corrente de soldagem necessária para fundir em uma certa velocidade de alimentação. A Figura 16 mostra a influência da extensão do eletrodo relacionado aos parâmetros de soldagem.
Figura 16 – Influência da extensão do eletrodo na soldagem.
Quando a distância da extensão do eletro (DBCP) é elevada geram excesso de metal de solda depositado com calor de arco baixo resultando baixa penetração da solda e geometria de cordão desfavorável. Quando a distância do bico de contato aumenta, o arco é menos estável. Deve ser mantida constante a extensão do eletrodo durante o processo de soldagem de um mesmo cordão de solda, pois quando essa distância é aumentada, o aquecimento devido ao efeito Joule aumenta e a corrente de soldagem necessária para fundir o arame é diminuída e vice-versa (FORTES, 2005).
Verifica-se na Figura 17 a influência do stick-out na geometria e no aspecto visual do cordão de solda, como também ele está diretamente ligado à penetração e a diluição do cordão de solda.
Figura 17 – Influência do Stick-out na geometria do cordão de solda: a, b, c.
Fonte: BARBEDO, 2011.
2.7.9 Proteção gasosa
O processo de soldagem com proteção gasosa necessita um fluxo de gás de proteção em torno do metal de base do eletrodo para produzir soldas com qualidade aonde a sua principal função é a proteção do metal fundido da oxidação ocasionada pelo oxigênio, nitrogênio e hidrogênio, mantendo-os fora da atmosfera evitando assim a formação de óxidos e nitretos que tem como resultado juntas de solda defeituosas, com retenção de escória, porosidade e fragilização do cordão (MACHADO, 2015).
O gás de proteção exerce também efeitos na estabilidade do arco, no modo de transferência metálica, controlando-a em conjunto com outros parâmetros, na morfologia do cordão (penetração, largura e forma). Tanto a abertura do arco quanto a estabilidade são influenciadas pelo potencial de ionização dos gases utilizados no processo de soldagem (GOMES, 2006 apud LYTTLE; STAPON, 1990). A Figura 18 representa os efeitos dos gases de proteção no cordão de solda.
Figura 18 – Influência do gás de proteção na junta soldada
Fonte: BARBEDO, 2011.
Segundo Gomes (2006) apud Lyttle e Stapon (1990), o gás de proteção interage com eletrodo na soldagem melhorando a resistência mecânica, a dureza, e a resistência a corrosão no metal depositado.
Os três principais gases de proteção utilizados para evitar problemas associados a contaminação da poça de fusão são: argônio (Ar), hélio (He), e dióxido de carbono (CO2), e também em menores quantidades e para algumas aplicações oxigênio (O2), nitrogênio (N2), e hidrogênio (H2). O argônio, hélio e dióxido de carbono podem ser utilizados puros, em combinações ou misturados (FORTES, 2005).
Conforme Fortes (2005) as propriedades básicas dos gases de proteção que afetam o desempenho de soldagem incluem:
a) Propriedades térmicas e temperaturas elevadas;
b) Reação química do gás com os vários elementos no metal de base e no arame de solda;
c) Efeito de cada gás no modo de transferência do metal.
Para avaliar o efeito que a vazão e o gás de proteção exercem na solda e na operação de soldagem, deve-se analisar a influência que o oxigênio e o CO2 exercem quando adicionados ao argônio ou ao hélio. A compatibilidade de cada gás com eletrodo e o metal de base determinam as diversas combinações de gases (NASCIMENTO, 2005).
Dióxido de carbono e oxigênio são importantes na soldagem MAG, pois promovem a estabilidade do arco e uma boa fusão entre a poça e a material base. O oxigênio é muito mais reativo que o dióxido de carbono por isso a adição de oxigênio ao argônio são geralmente menores que 12%.
Usado no estado puro, o argônio pode promover mordedura na soldagem de aços. Estas mordeduras podem ser eliminadas com misturas à base de argônio, adicionando 1 a 5% oxigênio ou 3 a 25% CO2 (NASCIMENTO, 2005). O argônio possui baixo potencial de ionização gera uma excelente condução de corrente e estabilidade de arco superior, produzindo
uma coluna de arco restrita e alta densidade de corrente fazendo com que a energia do arco se concentre em uma pequena área (FORTES, 2005).
2.8 MICROESTRUTURA NA SOLDAGEM
O processo de soldagem é uma das maneiras mais simples e econômicas para união de materiais, geralmente realizada com aplicação de calor, que é influenciada pela temperatura da poça de fusão e velocidade de soldagem. Como resultado modificações nas propriedades do material podem ocorrer na região da junta (FORTES, 2005).
Durante a realização de uma solda, as regiões adjacentes são submetidas a ciclos térmicos o qual produz alterações micro estruturais em relação ao material original. Quando realizado cordões de solda em aços de baixa, média ou alta liga, nos deparamos com o tipo de microestrutura, que são geralmente de formas complexas com várias morfologias e fases dispersas (MODENESI et al., 2012). Esta região pode ser subdividida em três zonas que são:
a) Zona termicamente afetada (ZTA): Região não fundida do metal de base adjunta a poça de fusão que é aquecida durante a soldagem, tem sua microestrutura e propriedades modificadas pelo ciclo térmico do material. Conforme sua severidade a ZTA apresenta diferentes características metalúrgicas e propriedades mecânicas. É considerada uma região critica na junta soldada (FORTES, 2005);
b) Zona fundida (ZF): Região aonde o aporte térmico de soldagem funde o metal de base e o metal de adição, ocorrendo assim a transformação para o estado liquido formando a poça de fusão que posteriormente se solidificará. Nessa região diversos fenômenos químicos e físicos são verificados simultaneamente, e a forma com que ocorre a solidificação após o resfriamento tem grande influência nos defeitos e no comportamento mecânico do cordão de solda (MODENESI et al., 2012).
c) Metal de base (MB): Segundo Marques, Modenesi, Bracarense (2014, p. 92) “Região mais afastada do cordão de solda e que não foi afetada pelo processo de soldagem. As suas temperaturas de pico são inferiores a temperatura crítica do material”. A Figura 19 demonstra as três regiões da junta soldada.
Figura 19 – Regiões junta soldada
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo serão apresentadas as fases de elaboração dos estudos, detalhando os equipamentos, procedimentos, materiais e considerações para elaboração dos testes comparativos entre arame sólido e tubular, e a análise de redução de custos com a utilização do regulador de vazão. As etapas do estudo podem ser verificadas no fluxograma, conforme Figura 20.
Figura 20 – Fluxograma atividades
3.1 ANÁLISE NECESSIDADE REDUÇÃO DE CUSTOS
Através da metodologia Lean Manufacturing apoiados pela ferramenta kaizen, foi avaliado a necessidade da redução do consumo de gás de proteção utilizado em uma empresa do ramo de autopeças voltada a produção de componentes para ramo Construção. Foi criado grupo de trabalho para avaliar como reduzir o consumo do gás no processo, e de que forma poderia ser otimizado.
Foi verificado que o consumo do gás de proteção na empresa não era controlado de forma eficiente, e que os robôs de solda utilizam o gás na vazão fornecida pela rede o que ocasiona desperdícios.
Com objetivos de reduzir desperdícios com gás de proteção foi definido a realização de testes com regulador de vazão, juntamente com a análise de parâmetros de soldagem para avaliação de possíveis variações nos parâmetros de processo de soldagem.
3.2 MATERIAIS
Neste capitulo serão descritos os materiais utilizados para os ensaios de soldagem FCAW e GMAW, como também os equipamentos, dispositivos, procedimentos e metodologia utilizada.
3.2.1 Metal de base
Os corpos de prova utilizados neste trabalho são de 25mm de espessura e material ASTM A572 Gr. 50-1. As composições químicas e propriedades mecânicas podem ser vistas na Tabela 5.
Chapas de grande espessura como a utilizada no trabalho, são utilizadas nos segmentos de óleo e gás, naval, construção civil, maquinas pesadas e setor energético, utilizadas para aplicações onde as propriedades de resistência são mais importantes que as de deformação e ductilidade.
Tabela 5 - Composição química e propriedades mecânicas aço ASTM A572 Gr 50-1 Composição Química Carbono – C (%) 0,23 MÁX. Manganês- Mn(%) 1,35 MÁX. Fósforo – P (%) 0,04 MÁX. Enxofre – S (%) 0,05 MÁX.
Carb. Equiv. Estimado - CE(%) 0,46*
Propriedades Mecânicas:
Limite Escoamento (N/mm²) 345 MÍN.
Limite Resist. Tração (N/mm²) 450 MÍN.
Alongamento Lo=80mm 21 MÍN.
Fonte: ASTM A572, 2013.
3.2.2 Gás de proteção e metal de adição (consumíveis)
A composição química e propriedades mecânicas dos materiais de adição podem ser verificados nas Tabelas 6 e 7.
Tabela 6 - Composição química e propriedades mecânicas do arame ER 70S-6
Composição Química Carbono – C (%) 0,06 – 0,15 Silício – Si(%) 0,8 – 1,15 Manganês – Mn(%) 1,4 – 1,85 Fósforo – P (%) 0,025 Enxofre – S (%) 0,035 Níquel – Ni(%) -- Cromo – Cr (%) 0,5 Molibdênio – Mo (%) -- Vanádio – V (%) -- Cobre – Cu (%) -- Alumínio – Al (%) -- Propriedades Mecânicas: Gás de proteção CO2
Resistência Tração (MPA) 480 MÍN.
Limite de escoamento (MPA) 400 MÍN.
Resistência Tração (psi) 70000 MÍN
Limite de escoamento (psi) 58000 MÍN
Percentual de alongamento 22 MÍN.
Para os testes realizados foi utilizado gás de proteção que possui em sua composição 90% de argônio, 10% CO2, conhecido comercialmente como PIPE. Os metais de adição utilizados (arames de solda) foram:
a) Arame sólido cobreado conforme norma AWS 5.18 ER70S-6, Ø 1,2mm; b) Arame metal cored sem cobreamento conforme norma AWS 5.36 E70C-6M, Ø 1,2 mm;
Tabela 7 - Composição química e propriedades mecânicas do arame E70C-6M
Composição Química Carbono – C (%) 0,06 Silício – Si(%) 0,5 Manganês – Mn(%) 1,3 Fósforo – P (%) -- Enxofre – S (%) -- Níquel – Ni(%) -- Cromo – Cr (%) -- Molibdênio – Mo (%) -- Vanádio – V (%) -- Cobre – Cu (%) -- Alumínio – Al (%) -- Propriedades Mecânicas:
Resistência Tração (MPA) 610MÍN.
Limite de escoamento (MPA) 510 MÍN.
Percentual de alongamento 25 MÍN.
Fonte: Adaptado de ESAB, 2016.
3.2.3 Preparação corpos de prova
A preparação dos corpos de prova para a soldagem com os processos GMAW e FCAW, foram confeccionadas em chapa de 25mm de espessura, e seguiram o seguinte procedimento:
Figura 21 – Corpo de prova
Fonte: KUNTZ, 2016.
b) Usinagem em fresadora para realizar chanfro ideal para testes, conforme norma BS EN ISO 9692-1:2003, Figura 22 e 23.
Figura 22 – Especificação junta soldada conforme norma
Fonte: BS EN ISO 9692-1, 2003.
Figura 23 – Corpo de prova usinado
