METODOLOGIA PARA DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO TÉRMICO DE UM PROCESSO DE SOLDAGEM
Giovanna Beatriz Almeida Pereira1, Francisco Edson Nogueira Fraga2
1 Graduanda do curso Bacharelado em Ciência e Tecnologia, UFERSA, Mossoró – Rio Grande do Norte.
Email: giovannapereira_2009@hotmail.com
2 Professor Doutor, CE-UFERSA, Mossoró – Rio Grande do Norte. Email: nfraga@ufersa.com.br
Resumo: O objetivo deste trabalho é fazer um estudo acerca dos valores de rendimento disponíveis na literatura cientifica, analisando a forma com que foram obtidos, quais parâmetros precisam ser levados em consideração para, finalmente, apresentar uma proposta de metodologia original e alternativa de como medir o rendimento térmico de soldagem para o processo de TIG, permitindo esta relacionar claramente e testar a influência dos parâmetros de medição com os resultados obtidos. O modelo proposto neste estudo é baseado na utilização de um calorímetro por compensação térmica elétrica para determinação do calor efetivo que é necessário para encontrar rendimento do arco usando um mecanismo com um arduíno UNO R3 controlador PID, formas de mensuração para cada parâmetro do processo também são apresentadas. Para encontrar o valor do rendimento de fusão em si, utiliza-se uma equação já utilizada em trabalhos anteriores que necessita inicialmente de valores da eficiência do arco. Como o modelo possui um custo de aquisição baixo em relação ao da própria máquina de soldagem, e o mecanismo para a mensuração do calor do arco tem princípio de funcionamento e montagem da parte física simples, pode-se dizer que o método é acessível, tendo como parte mais complexa a necessidade de conhecimento em eletrônica e linguagem de programação C ou C++.
Palavras-chave: Soldagem TIG; Energia de soldagem; Rendimento Térmico; Metodologia; Calorímetro.
1. INTRODUÇÃO
O processo de soldagem GTAW (Gas-Shielded Tungsten Arc Welding) ou, como é mais chamado no Brasil, TIG (Tungsten Inert Gas) é um dos processos que utiliza como fonte de energia o arco elétrico, utilizando um eletrodo de tungstênio não consumível para o estabelecimento do arco com a peça a ser trabalhada, onde há simultaneamente a liberação de um gás inerte (geralmente o argônio) para que ocorra a proteção da poça de fusão e também evitar que haja a oxidação do eletrodo, podendo ou não serem utilizados metais de adição durante o procedimento. [1]
É relevante estudar o rendimento térmico do processo de soldagem TIG pois é um procedimento que hoje tem sua utilização estabilizada na indústria, usado geralmente em peças de pouca espessura, tendo grande uso em operações com aços inoxidáveis e naquelas que necessitam de um melhor acabamento. Dessa forma, considerando a importância de sua utilização na atualidade, abundantes quantidades de estudos, testes e artigos com esse processo de soldagem foram e são feitos, sendo a energia de soldagem uma informação muito importante que, geralmente, é disponibilizada. [1]
É importante ter conhecimento do valor do rendimento de soldagem pois este determina efetivamente o quanto de calor foi utilizado para realizar a fusão do material e, consequentemente, o quanto de calor foi introduzido por unidade de comprimento, essa quantidade de calor, além de fundir o material, reflete também na velocidade de solidificação da poça de fusão (e com isso, na granulometria e transformações microestruturais) e nas transformações microestruturais que ocorrerão na ZAC (Zona Afetada pelo Calor).
Uma das possíveis aplicações práticas seria possibilitar processos de simulações em softwares computacionais, afinal, a quantidade de calor teórica difere da efetiva, dessa forma, a utilização da energia nominal pode fazer com que os dados obtidos da simulação sejam muito destoantes do valor real, não atendendo ao seu propósito de antecipar o que irá acontecer com a peça corretamente, afinal, ao ter um resultado utilizando calor superior ao real, por exemplo, podem ser previstos a ocorrência de defeitos que de fato não chegarão a existir ou obtenção de microestruturas diferentes.
Na literatura científica estão dispostos alguns valores de rendimentos térmicos obtidos por metodologias diferentes. Ao analisarmos os mesmos, observa-se que há uma variação bastante significativa entre os valores máximos e mínimos encontrados em cada pesquisa realizada, sendo esse fato possivelmente ocasionado por mudanças nos parâmetros de medição. [1,3]
Assim, o objetivo deste trabalho é fazer um estudo desses valores disponíveis em artigos e livros e analisar a UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO - UFERSA
CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA Trabalho de Conclusão de Curso (2020).
forma com que foram obtidos, quais parâmetros precisam ser levados em consideração e, dessa forma, entender o que é preciso para medir o rendimento térmico de soldagem para no fim apresentar, com base na literatura cientifica, uma metodologia de como medir o rendimento térmico de soldagem para o processo de TIG.
2. CONTEXTUALIZAÇÃO 2.1. Energia de Soldagem
A energia de soldagem, também chamada de insumo de calor, é muito interessante para avaliar efeitos metalúrgicos em peças. Cada processo de soldagem, dependendo da sua fonte de energia, tem suas variáveis próprias para determinar o calor gerado durante o processo, estas ao serem relacionadas no final chegam a um valor em Joule, a unidade de medida para energia. Na Tabela 1 temos alguns exemplos de processos, onde é possível observar que a maioria dos mais conhecidos possuem as mesmas variáveis. [1,2]
Tabela 1. Variáveis em cada processos de soldagem distintos (Autoria Própria) Processos de Soldagens Variáveis
Eletrodo Revestido Corrente, Tensão e Velocidade de soldagem TIG Corrente, Tensão e Velocidade de soldagem MIG/MAG Corrente, Tensão e Velocidade de soldagem
Plasma Corrente, Vazão do orifício de gás e Velocidade de soldagem
FSW Raio de giração do sistema, velocidade de rotação do volante, pressão entre as peças e tempo de
contato (durante e logo após o processo) Por Resistência Corrente, Tensão, pressão entre as peças e tempo de
contato
Oxiacetileno Vazão do Acetileno e do oxigênio e Velocidade de soldagem
A energia de soldagem do processo TIG, dessa forma, pode ser calculada ao considerarmos as variáveis de corrente em ampère, tensão em volts e velocidade de soldagem (cm/s) dispostos na relação apresentada na Equação 1. Ao realizarmos esses cálculos encontramos o que é denominado de energia nominal, mas também pode ser chamado de calor gerado. [2]
𝑄 =𝑈. 𝐼 𝑉
No entanto, durante a soldagem nem toda a energia liberada pelo arco vai ser utilizada de forma efetiva para a peça trabalhada, haverá perdas durante o percurso, em razão disso sendo necessário encontrar o rendimento do arco, que nada mais é que uma relação entre o calor absorvido pela peça trabalhada (𝑞𝑤)e o calor gerado (𝑞𝑛), como pode ser visto na Equação 2. A dificuldade nesse procedimento se encontra na parte de medição do calor na peça, uma vez que os parâmetros determinantes do calor gerado são mais fáceis de serem medidos e calculados [3]
𝜂𝑤 =𝑞𝑤 𝑞𝑛
A parcela de energia que não atinge a peça é perdida por transferência de calor por meio da irradiação e convecção para a vizinhança. No entanto, da parte de energia absorvida pela peça também há perdas, uma parcela do calor vai ser transferida por condução na própria peça e o restante que será utilizada para realmente formar a poça de fusão, como pode ser visto na Figura 1. [4]
Dessa forma, pode-se dizer que a eficiência de fusão é demonstrada na relação entre a parcela de energia que foi realmente utilizada para liquefazer o material (𝑞𝑚) e a parte de energia transferida para peça pelo arco (𝑞𝑤), como está disposto na Equação 3. Sendo assim, para conseguir medir o rendimento da poça de fusão, é necessário saber o valor do calor transferido pelo arco à peça. [3]
𝜂𝑚 = 𝑞𝑚 𝑞𝑤
(1)
(2)
(3)
Figura 1. Esquema representando a distribuição de energia na soldagem onde as setas amarelas representam a transferência por condução, setas vermelhas representam a transferência por convecção e as azuis representam a
por radiação. (Autoria Própria) 2.2. Valores de Rendimentos Obtidos em Outros Trabalhos
Na literatura existente e em artigos publicados ao longo dos anos é possível encontrar alguns trabalhos onde alguns valores de rendimento térmico foram obtidos para os vários processos de soldagem. Como as variáveis que influenciam cada processo não são as mesmas, diferentes metodologias de medição foram implementadas para a medição de cada um deles. Considerando a forma diferente com que cada parâmetro influencia na absorção de calor pela peça, em alguns tipos de soldagem a variação do valor do rendimento são maiores do que nos outros, como pode ser observado na Tabela 2 feita por Guerra [1].
Tabela 2: Rendimento Térmico Médio da Fonte de Energia em função do processo de soldagem. [Adaptado de 1]
Processo Rendimento (r) Processo Rendimento (r)
Eletrodo revestido 0,75 ± 0,10 TIG (CCEN) 0,65 ± 0,15
Eletroescória 0,68 ± 0,13 TIG (CA) 0,35 ± 0,15
MIG/MAG 0,75 ± 0,10 Laser 0,005 ± 0,70
Oxigás 0,52 ± 0,27 Feixe de elétrons 0,87 ± 0,08
Com relação ao processo de soldagem TIG, especificamente, pode-se encontrar uma quantidade considerável de estudos, principalmente sobre os índices de eficiência do arco. No entanto, como pode ser observado na Tabela 3 elaborada no estudo de Stenbacka [3], esses valores obtidos variam muito quando comparados uns com os outros, tanto em valores mínimos e máximos, quanto na faixa de variação do mesmo.
Tabela 3: Valores de Alguns Valores de Eficiência do Arco do Processo TIG Publicados. [Adaptado de 3]
Referência Ano Faixa de ηa Substrato Comentários
Apps & Milner 1955 0.60 –0.78 Ferro Armco DCEN
“ “ 0.31 – 0.44 Alumínio Corrente AC
Wilkinson & Milner 1960 0.80 – 0.90 Ânodo de cobre resfriado a água
Ânodo de cobre resfriado a água
Christensen et al. 1965 0.36 – 0.46 Aço macio DCEN
“ “ 0.21 – 0.43 Alumínio Corrente AC
Niels & Jackson 1975 0.35 – 0.65 Aço Modelagem
Ghent et al. 1979 0.58 – 0.83 Aço DCEN
Collings et al. 1979 0.77 – 0.90 Aço macio e inoxidável DCEN
Smartt et al. 1985 0.75 Inoxidável 304L DCEN
Tsai & Eagar 1985 0.80 – 0.90 Ânodo de cobre resfriado a água
DCEN
Geidt et al. 1989 0.79 – 0.84 Inoxidável 304L DCEN
“ “ 0.57 “ Modelagem
Fuerschbach &
Knorovsky
1991 0.80 – 0.85 Inoxidável 304L & Ni 200 DCEN
Dutta et al. 1994 0.62 – 0.85 Aço HY-80 Modelagem
DuPont & Marder 1995 0.62 – 0.72 Aço A 36 DCEN Orlowicz & Trytek 2003 0.66– 0.77 (0.39 –
0.77)
Ferro fundido esferoidal DCEN
Mishra & DebRoy 2005 0.72 Ti-6Al-4V Modelagem
Goncalves et al. 2006 0.56 – 0.77 Inoxidável 304L Modelagem
Cantin & Francis 2005 0.76 – 0.89 Alumínio DCEN
Cantin & Francis 2005 0.52 – 0.63 Alumínio DCEP
Cantin & Francis 2005 0.65 – 0.83 Alumínio Corrente AC
Gonzales et al. 2007 0.63 – 0.77 Ânodo de cobre resfriado a água
DCEN
Bag & De 2010 0.65 Inoxidável 304 Modelagem
Arul & Sellamuthu 2011 0.74 Aço 1005 Modelagem
Essas variações, contudo, vão além da diferença ocorrida por erros de medição, elas ocorrem devido a mudança de varáveis que são responsáveis pelo estabelecimento da energia e de parâmetros de soldagem, sendo bem evidente a mudança com a alteração em, por exemplo, o tipo de corrente. Ao se comparar a eficiência em soldagens TIG com corrente alternada (AC), corrente contínua negativa (DCEN) e corrente contínua positiva (DCEP) em experimentos realizados, nota-se que os maiores resultados de rendimento do arco são encontrados nos utilizando corrente DCEN, em contrapartida os menores são encontrados nos utilizando DCEP, ficando os AC com os valores intermediários. No experimento realizado em por Cantin e Francis [5], onde foi aplicada a experiência para esses três tipos de corrente soldando no mesmo tipo de material, fica visível essa influência do tipo de corrente, que pode ser visto na Tabela 4: [3, 5]
Tabela 4: Valores de Rendimento de Arco Para os Tipos de Corrente [5]
Tipo de Corrente Valor do Rendimento do Arco
DCEN 0,76 – 0,89
DCEP 0,52 – 0,63
AC 0,65 – 0,83
Além do tipo de corrente, o aumento ou redução da corrente também irá interferir na quantidade de energia absorvida pela peça trabalhada. Parâmetros de soldagem como o ângulo da ponta do eletrodo, distância entre o eletrodo e a peça soldada, a polaridade do eletrodo, vazão do gás de proteção, adição de metal de adição e a vazão de hélio utilizada influenciam com suas alterações no rendimento do arco, como é mostrado na Figura 2. Outros fatores como o tipo de gás liberado no processo de solda TIG, assim como o material usado para soldar, também podem influenciar no valor final. [3,6]
Por conseguinte, é perceptível que não há um valor fixo de rendimento de arco ou térmico para o processo de soldagem TIG, pois as variáveis do mesmo sempre vão afetar diretamente no desempenho que o processo irá realizar à medida que são alteradas. [6].
q
Figura 2. Efeito dos parâmetros de soldagem TIG no rendimento do arco. [Adaptado de 6]
O rendimento da poça de fusão é diretamente relacionado com o rendimento do arco. Dessa forma, pode-se dizer que se a eficiência do arco for pequena, isso limitaria a eficiência de fusão também a um valor baixo. Esses dois tipos podendo também estar relacionados um com o outro em alguns procedimentos de medição, que utilizam os valores obtidos de 𝜂𝑤para encontrar o valor de 𝜂𝑚, o que pode ser observado nos trabalhos de Dupont e Marder
[4] e Fuerschbach e Knorovsky [7], por exemplo. [4]
2.3. Métodos de Determinação de Rendimento
Para a determinação do rendimento térmico de soldagem, ao longo dos anos diferentes metodologias foram adotadas por pesquisadores. Alguns deles utilizaram métodos que necessitavam de se obter primeiramente o conhecimento do valor rendimento de arco para poder encontrar o térmico, outros já utilizaram outros métodos do cálculo de eficiência de fusão, que desconsideram a eficiência do arco. [8]
Esse segundo caso foi usado no experimento realizado por Schwedersky e Dutra [8], que utilizou a Equação 4 para medir o calor absorvido na poça e a sua relação com a distância entre o eletrodo e a peça, onde Q é a entalpia de fusão do material que estava sendo soldado, 𝐴𝑚 é a área medida na seção transversal, V a velocidade de soldagem, sendo isso dividido pela média da potência elétrica em cada instante. Para possibilitar esse cálculo, foi- se medido a corrente e tensão em instantes diferentes da soldagem e, após ela finalizada, as amostras de solda foram cortadas ao meio para possibilitar que fossem medidas a seção transversal. [8]
𝜂𝑚=𝑄. 𝐴𝑚. 𝑉
∑ 𝐼. 𝑈 𝑛
𝑛 1
Como uma das formas de medição necessita se conhecer o valor da eficiência do arco, métodos de medição do calor transferido pelo arco de soldagem para a peça são muito úteis. Existem duas formas muito utilizadas para essa medição: a que utiliza calorímetros e a que calcula por meio de modelagens e simulações computacionais. A calorimetria é uma forma mais direta de determinação desse rendimento, enquanto as simulações estimam de uma maneira indireta e, devido a modernização de softwares que calculam de forma cada vez mais precisa, estão ganhando certa popularidade, além disso, dessa forma é possível calcular tanto o rendimento do arco quanto o de fusão. [3]
No estudo realizado por Dutta, Joshi e Franche [9], houve uma combinação entre o método experimental e o computacional para realizar a medição do rendimento no processo TIG. A metodologia consiste em utilizar a visão de laser pulsado para realizar a aferição do comprimento da poça de fusão através de imagens digitalizadas, dessa forma possibilitando fazer medições instantaneamente, e a microscopia óptica para mensuração da profundidade e largura da poça de fusão. Uma vez aferidos esses valores, vão servir como dados de entrada em um software tridimensional modelo de transferência sobre condições quase estáveis que irá realizar os cálculos necessários para determinar o rendimento. [9]
Entre os modelos propostos utilizando calorimetria, se destacam algumas metodologias diferentes que são muito difundidas. Um exemplo disso é modelo que foi o aplicado por Dupont e Marder [4], que tem sido difundido em livros ao longo dos anos, sendo que neste experimento houve a determinação tanto do rendimento do arco quanto o de fusão. Neste estudo foi utilizado um calorímetro seebeck que, de forma simplificada, capta um sinal de tensão de saída que corresponde proporcionalmente ao fluxo de calor que passa aravés das suas paredes. A partir disso pode-se obter um gráfico tensão versus tempo que ao ser integrado e multiplicado pela constante de calibração do calorímetro, corresponderá ao total de calor absorvido pela peça durante o processo de soldagem.
[4]
Para ser possível essa medição nesse método, a soldagem é feita na parte inferior de um calorímetro, que é fechado assim que o procedimento cessa para diminuir erros. A corrente e a voltagem que partem da máquina de soldagens também serão medidas para o cálculo da energia nominal e, dessa forma, sendo apenas necessário aplicar na Equação 2 para descobrir a eficiência do arco. Na mensuração da eficiência de fusão, houve o corte da amostra soldada para que possibilitasse a medição da seção transversal, tanto do substrato fundido quanto do metal de adição, para calcular o volume ocupado pela zona de fusão, já possuindo o valor de 𝜂𝑤, foi-se aplicada a Equação 5. [4]
𝜂𝑚=𝐸𝑚. 𝑉𝑚+ 𝐸𝑆. 𝑉𝑠
𝜂𝑎𝑉𝑈
Outro modelo de calorímetro pode ser encontrado no estudo de Tsai e Eagar [10] cuja metodologia consiste basicamente na utilização de água de resfriamento para a retirada do calor do substrato durante o processo de soldagem. Dessa forma, é possível estimar a quantidade de calor absorvida pela peça através da elevação da temperatura que a água obteve e do fluxo da mesma. Para não atrapalhar o procedimento, a água entra na parte inferior de onde está sendo feito o arco, sendo a mudança de temperatura medida por termistores diferenciais, a vazão da água mensurada por medidores de pressão em turbina e esses dados processados por um minicomputador PDP 11/23.
(4)
(5)
2.4. CALORIMETRIA
A calorimetria é um método de mensuração da quantidade de energia trocada sobre forma de calor que começou a ser desenvolvido no século XVIII por Joseph Black. No século passado, houve um interesse crescente possibilitado pelo refinamento nas técnicas de medição que aconteceu que fez com que houvesse o estudo dessa metodologia de quantificação de energia em laboratórios termodinâmicos ao redor do mundo e, consequentemente, o desenvolvimento de novos calorímetros mais precisos. [11,12]
Na determinação do rendimento do arco em processos de soldagem a calorimetria tem sido utilizada em diversos trabalhos pois permite encontrar experimentalmente a quantidade real de calor absorvido no material soldado. Nesses estudos, no entanto, há uma grande variação no jeito que o calorímetro em questão opera, diferença essa que se deve à escolha do seu princípio de funcionamento e o modo de operação. [3,11]
Uma das formas de se classificar os calorímetros são em relação ao seu princípio de funcionamento. O princípio de compensação térmica é aquele em que há o fornecimento de uma energia de mesma magnitude da que está se perdendo para dessa forma manter a temperatura no calorímetro constante, no de diferença de temperatura ocorre a medição da diferença de temperatura variando com o tempo, já no de modulação de temperatura há a análise periódica da amostra para obtenção de uma função de capacidade de calor generalizada que vai depender do tempo ou da quantidade de frequência. Além disso, há o modo de operação e construção que fazem existir uma quantidade considerável de opções de calorímetros para utilização. [11]
3. METODOLOGIA
A metodologia a seguir é uma proposta de como fazer para determinar o rendimento térmico para o processo de soldagem o TIG (Tungsten Inert Gas), mas o procedimento de medição poderia ser aplicado a qualquer método que tenha como fonte de energia o estabelecimento do arco elétrico. Usam-se no estudo amostras de dois materiais distintos: o alumínio e o aço inoxidável, ambos habitualmente soldados com essa técnica, dessa forma, pode-se ser avaliada se realmente há influência do material utilizado no valor do rendimento térmico medido.
Para mensurar a eficiência de fusão do processo é necessário levar em consideração os parâmetros que influenciam no mesmo, podendo-se usar os mesmos utilizados no trabalho de Haelsig e Mayr [6]. Sendo assim, para conseguir visualizar a influência de cada parâmetro, inicialmente, escolhem-se valores base para cada um deles, a partir desta, realizam-se quatro alterações em cada parâmetro, duas para valores menores do que a base e duas para maiores, individualmente para observar qual a influência que o acréscimo e o decréscimo de cada um terão no rendimento do arco e, posteriormente, no rendimento de fusão.
Os parâmetros a ser considerados e variados nesse estudo são: velocidade de soldagem, corrente, ângulo da ponta do eletrodo, distância entre o eletrodo e as amostras que irão ser testadas, polaridade do eletrodo, vazão do gás de proteção utilizado, a vazão de gás hélio e o acréscimo do metal de adição. Para melhor controle e precisão de medidas os procedimentos de soldagens devem-se realizar em uma máquina de solda TIG automática. A corrente que se utiliza na soldagem será a corrente contínua com eletrodo de polaridade negativa (CCEN).
Apesar de ter um indicador da corrente utilizada na própria máquina de solda TIG, algumas perdas e erros de calibração podem existir, então, para se obter um valor mais confiável e exato da corrente utilizada, utiliza-se um instrumento virtual juntamente com um transdutor de efeito Hall, dispositivo que torna possível a medição de correntes altas. Essa mesma combinação de equipamentos também pode ser utilizada na medição da voltagem do processo.
Alguns instrumentos de medição de precisão mais comuns podem ser utilizados. Utiliza-se um paquímetro digital de alta precisão para medir de forma confiável a distância requerida entre o eletrodo e a superfície da amostra soldada, pode-se utilizar o aparelho chamado goniômetro para garantir que o ângulo seja ajustado corretamente.
Para realizar a medição da velocidade de soldagem do processo utilizam-se dois equipamentos distintos:
sensores de movimento para medir o tempo de soldagem e um medidor a laser para medir a distância percorrida, como a soldagem é feita automaticamente, pode-se dizer que a velocidade do processo ocorre de maneira constante. Utiliza-se também o medidor a laser para mensurar a área da zona de fusão da amostra, procedimento que é necessário para poder calcular o valor do rendimento térmico de fusão de acordo com o método que proposto neste trabalho.
Por fim, utiliza-se um multímetro para a medição da polaridade do eletrodo, enquanto para medir a vazão do gás emprega-se um fluxômetro que deve estar presente no próprio cilindro que contém o gás. O parâmetro de vazão de hélio no gás de proteção já vem estabelecido no próprio cilindro quando se compra e quantifica-se a taxa de deposição do metal de adição ao se medir quantidade gasta de metal no procedimento, podendo utilizar também o medidor à laser para esse fim e, em seguida, divide-se pelo tempo que foi captado pelo sensor para o parâmetro anterior.
O método escolhido para medir o calor absorvido pela peça é a calorimetria, solda-se a peça e coloca-se rapidamente a mesma dentro do calorímetro para diminuir perdas. Para isso se faz necessária a construção e utilização de um calorímetro cujo princípio de funcionamento é por compensação térmica elétrica e o modo de operação é o isotérmico. Para ser possível essa compensação, monta-se um mecanismo utilizado por Bista [14] de
um sistema baseado em arduíno controlador PID (proporcional-integral-derivado), utilizando componentes como a placa de arduíno UNO R3, um sensor de temperatura de alta sensibilidade e que suporte altas temperaturas, refrigeradores termoelétricos, fonte de energia e alguns outros componentes eletrônicos como os transistores MOSFET, entre outros.
4. PROPOSTA DE MODELO
Diante das diversas possibilidades já existentes para se encontrar o rendimento térmico de fusão em processos de soldagem que tem como fonte o arco elétrico, neste modelo de obtenção utiliza-se aquela em que inicialmente se encontra o valor do rendimento do arco de soldagem para, somente após isto, ser capaz de calcular o da zona de fusão. O processo a qual é direcionado é o TIG, dessa forma, apesar da forma de obtenção geral ser aplicável para outros métodos que obtém energia com a mesma fonte, algumas considerações de parâmetros são específicas para o mesmo.
Inicialmente, para se obter a eficiência do arco, utiliza-se o método da calorimetria que funciona a partir da troca de calor existente entre corpos. Usa-se em questão o calorímetro que tem como princípio de funcionamento a compensação de energia, este que procede evitando variações de temperatura ao fornecer calor de mesmo magnitude, mas sinal contrário. O modo de operação é o isotérmico que, indo de acordo com o princípio, necessita que se opere sem mudanças de temperaturas.
O modo de compensação acontece por meio elétrico, que tem como base a dissipação de Joule através do efeito Peltier, que consiste em, sob a aplicação de uma corrente em um objeto, aconteça o deslocamento do calor de um lado para o outro, fazendo com que um lado esfrie e o outro esquente. Dessa forma, um calorímetro por compensação elétrica utiliza a eletricidade para retirar ou adicionar calor no mesmo, objetivando que a temperatura permaneça constante. Obtém-se a quantidade de calor contida na peça analisada de acordo com a energia necessária para evitar variações de temperatura.
Para permitir que o calorímetro funcione de acordo com o planejado, deve-se atentar para que o mesmo seja isolado adequadamente, fazendo com que a perda de calor para o ambiente externo seja praticamente insignificante. Já com relação à compensação elétrica, deve-se ser desenvolvido um mecanismo similar ao desenvolvido por Bista [14] regulado por um arduíno controlador PID, que se liga ao sistema para realizar o monitoramento e ajustes necessários para manter a temperatura constante.
Este mecanismo formado, contém duas partes básicas: hardware e software. A parte de software é aquela que contém toda a programação necessária para o sistema funcionar adequadamente e também armazenar dados sobre o fluxo de calor que ocorreu para obtenção do rendimento do arco. Já hardware contém alguns componentes essenciais, como:
Arduíno que é responsável por controlar todo o sistema, tomar decisões lógicas e comandar as ações necessárias.
Refrigeradores termoelétricos que é um atuador que irá adicionar ou retirar calor do calorímetro.
As portas PWM (Pulse Width Modulation) do arduíno são utilizadas para possibilitar uma análise de uma onda variável, de forma que é possível perceber 256 valores diferentes para um sinal qualquer ao invés de apenas dois possíveis estados.
Sensor de temperatura: para captar as mudanças de temperatura e enviar sinais avisando da variação.
Ponte H que é um circuito que possibilita que haja um fluxo de corrente em direções de cargas quaisquer, direcionando o motor no sentido desejado, além da presença de transistores na ponte proporcionando um aumento do módulo da corrente que passa pelo motor.
Amplificadores operacionais são circuitos de transistores que permitem gerar um ganho fixo de tensão e corrente na saída do amplificador, permitindo controlar um sistema com uma baixa tensão de entrada.
Resumidamente, o sensor de temperatura faz a mensuração da temperatura que é lida pelo arduíno, que compara com o valor base. Logo em seguida, sinais PWM são enviados para os amplificadores e os refrigeradores termoelétricos servem para garantir que as pontes H recebam o sinal PWM e assim, aquecendo ou esfriando a peça, dependendo de como a variação com relação ao valor base tenha ocorrido. Esse procedimento é feito continuamente e instantaneamente, até que a mudança deixe de acontecer ou aconteça em um percentual insignificante. Cessado essa etapa, obtém-se um valor para a quantidade de calor absorvido pela peça, que, logo em seguida, utiliza-se na Equação 2, juntamente com o valor do calor gerado mensurado, e encontra-se o rendimento térmico do arco de soldagem.
Encontrada a eficiência do arco, pode-se encontrar a de fusão. Nesta proposta, utiliza-se a equação que foi usada por Dupont e Marder [4] no seu estudo. Sendo assim, inicialmente mede-se o comprimento total da solda realizada, depois as peças são cortadas de forma que sua seção transversal se torne visível, onde utilizando a instrumentação adequada calcula-se as áreas da zona fundida e do metal de adição separadamente, dessa forma podendo os valores serem aplicados na Equação 5 e, finalmente, encontrar o valor do rendimento térmico de fusão.
A soldagem, por fins práticos, realiza-se fora do calorímetro, no entanto, assim que a mesma cessa, rapidamente coloca-se a amostra testada dentro do calorímetro, para dessa forma, diminuir os erros causados pela energia que será perdida para o ambiente enquanto a peça não estiver isolada. Os testes realizam-se considerando os parâmetros
e variáveis que se tem conhecimento, inclusive considerando a mudança do material trabalhado, para observar qual a influência do resultado final do rendimento de fusão.
Cada parâmetro varia individualmente em quatro vezes, com acréscimos e decréscimos para verificar as respostas a essa alteração e, para cada variação feita, realizam-se três testes cuja uma média foi feita dos valores obtidos e, dessa forma, reduzir possíveis erros de medição. Pensando na prevenção de erros, utiliza-se na mensuração de cada parâmetro uma instrumentação de um alto grau de precisão e com a calibração em dia, assim como o calorímetro confeccionado deve-se ser submetido a uma série de testes que comprovem o seu funcionamento adequado.
5. CONCLUSÕES
No estudo realizado foi abordado formas de obtenção do rendimento térmico de soldagem do processo TIG, sendo expostas metodologias utilizadas em outras pesquisas e também sugerida uma proposta original de como encontrar esse valor, objetivando ter um método alternativo que relacione de uma forma mais clara os parâmetros de medição com os resultados do rendimento térmico, além de testar a influência que o material que está sendo soldado terá sobre os mesmos.
Foi notado a partir dos resultados de testes na literatura consultada que há uma variação considerável entre os valores de eficiência obtidos. No entanto, além de possíveis erros, essas discrepâncias podem ser atribuídas ao alto grau de padronização necessária para se conseguir resultados iguais, ou seja, mesmo com valores diferentes, o resultado não necessariamente está errado, podendo estar adequado aos parâmetros e outras variáveis utilizadas, já que é muito improvável que as condições de medições sejam exatamente as mesmas.
O modelo proposto neste trabalho é baseado na utilização de um calorímetro por compensação térmica elétrica para determinação do rendimento do arco usando um mecanismo com um arduíno controlador PID, que é essencial para encontrar o rendimento de fusão. Tendo em vista os custos relativamente baixos da aquisição dos equipamentos necessários para a aplicação dessa metodologia se comparados ao da máquina de soldagem TIG, ela se mostra economicamente acessível para instituições que desejem realizar testes de eficiência de soldagem.
Por possuir princípio de funcionamento e montagem da parte física parcialmente simples, a parte mais complexa será a idealização do circuito e do software, que demandará que o responsável pelo sistema possua conhecimento em eletrônica e em linguagem de programação C ou C++, sendo elas de alto nível, significando não possuir elevado grau de complexidade quando comparada com as demais existentes. Dessa forma, a etapa mais complexa do processo não deve se mostrar uma barreira intransponível para engenheiros e pesquisadores que necessitem dessas aferições. Por limitações do presente trabalho, não foi possível testar a validade do método proposto com relação a sua eficiência.
6.SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Alguns questionamentos ficaram em aberto na elaboração desse trabalho sobre a eficiência e viabilidade dessa metodologia, uma vez que o mesmo é teórico. Dessa forma, foi possível apresentar como sugestão para trabalhos futuros alguns pontos a serem abordados, uma vez que desenvolvidos podem contribuir para o enriquecimento dessa temática.
Efetivar a montagem do modelo de calorímetro proposto, verificando se é eficaz através da realização de testes.
Realizar soldagem com diferentes processos e medir o rendimento, considerando variações de alguns parâmetros de soldagem, dessa forma, avaliando a influência que cada um deles podem exercer sobre o valor do rendimento.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] MACHADO, I. G. Soldagem & Técnicas Conexas: Processos. Porto Alegre: Editado Pelo Autor, 1996. 477 p. Disponível em: <www.ct.ufrgs.br/lstc/>. Acesso em: 05 jan. 2020.
[2] MARQUES, P. V.; MODENESI, P. J. Algumas equações úteis em soldagem. Soldag. insp. São Paulo , v.
19, n. 1, p. 91-101, Mar. 2014. Disponível
em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-92242014000100011&lng=en&nrm=iso>.
Acesso em: 06 jan. 2020.
[3] STENBACKA, N. On arc efficiency in gas tungsten arc welding. Soldag. insp., São Paulo, v. 18, n. 4, p. 380- 390, Dec. 2013. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104- 92242013000400010&lng=en&nrm=iso>. Acesso em: 05 Jan. 2020.
[4] DUPONT, J. N.; MARDER, A. R. Thermal Efficiency of Arc Welding Processes: The effect of welding parameters and process type on arc and melting efficiency is evaluated. Welding Journal, Research Supplement, p.406-416, dez. 1995. Disponível em: <https://www.semanticscholar.org/paper/Thermal-efficiency-of-arc- welding-processes-Dupont-
Marder/d23c9e8eccd31b2dd06492a1920b2f5dfe79de0e?citationIntent=methodology#citing-papers>. Acesso em:
07 jan. 2020.
[5] CANTIN, G. M. D.; FRANCIS, J. A. Arc power and efficiency in gas tungsten arc welding of aluminium. Science And Technology Of Welding And Joining, [s.l.], v. 10, n. 2, p.200-210, abr. 2005.
Disponível em: <https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1179/174329305X37033>. Acesso em: 08 jan. 2020.
[6] HAELSIG, A.; MAYR, P. Energy balance study of gas-shielded arc welding processes. Welding In The World, [s.l.], v. 57, n. 5, p.727-734, 26 jun. 2013. Disponível em:
<https://link.springer.com/article/10.1007/s40194-013-0073-z>. Acesso em: 09 jan. 2020.
[7] FUERSCHBACH, P. W.; KNOROVSKY, G. A. A Study of Melting Efficiency in Plasma Arc and Gas Tungsten Arc Welding: A method for selecting optimal weld schedules to minimize net heat input is derived from calorimetric measurements. Welding Journal: Research Supplement, [s.l.], p.287-298, out. 1991
[8] SCHWEDERSKY, M. B.; DUTRA, J. C. Um Estudo da Eficiência Térmica dos Principais Processos de Soldagem a Arco. Congresso Nacional de Soldagem: XXXVII CONSOLDA, Natal, 06 out. 2011. Disponível em: <http://www.labsolda.ufsc.br/public/artigos/congressos/261-um-estudo-da-eficiencia-termica-dos-principais- processos-de-soldagem-a-arco>. Acesso em: 11 jan. 2020.
[9] DUTTA, P.; JOSHI, Y.; FRANCHE, C. Determination of gas tungsten arc welding efficiencies. Experimental Thermal And Fluid Science, [s.l.], v. 9, n. 1, p.80-89, jul. 1994. Disponível em:
<https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0894177794900116>. Acesso em: 13 jan. 2020.
[10] TSAI, N. S.; EAGAR, T. W. Distribution of the heat and current fluxes in gas tungsten arcs. Metallurgical Transactions B, [s.l.], v. 16, n. 4, p.841-846, dez. 1985. Disponível em:
<https://link.springer.com/article/10.1007/BF02667521>. Acesso em: 15 jan. 2020.
[11] WARRINGTON, S. B.; HÖHNE, G. W. H. Thermal Analysis and Calorimetry. Ullmann's Encyclopedia Of Industrial Chemistry, [s.l.], p.415-439, 15 abr. 2008.
[12] WEBER, H. NEW PRINCIPLES OF CALORIMETRIC DESIGN. Thermochimica Acta,, Amsterdam, p.29-38, jun. 1973.
[13] EREN, H. Current Measurement. Handbook Of Measuring System Design, [s.l.], v. 00, n. 00, p.1362-1370, 15 jul. 2005.
[14] BISTA, D. Understanding and Design of an Arduinobased PID Controller. 2016. 59 f. Tese (Mestrado) - Curso de Ciências, Virginia Commonwealth University, Richmond. Disponível em:
<https://scholarscompass.vcu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=5737&context=etd>. Acesso em: 20 jan. 2020.
