Monitoração de Qualidade On-Line da Susceptibilidade de Defeito em Soldagem por Eletrodo Revestido

Tradução do artigo “On-Line Quality Monitoring of Welding Defect Susceptibility in SMAW” escrito por “Rittichai Phonium e Bovornchok Poopat”, na “IV Thailand Material Science and Technology Conference (Ms@t IV), na seção Manufacturing and Design (Apresentações Orais), url: http://www2.mtec.or.th/th/seminar
/msativ/pdf/D03new.pdf

A importância do conhecimento dos processos de soldagem na determinação das melhores condições de desempenho dos equipamentos

James Grant - Phonethical Equipments

Rittichai Phounium e Bovornchok Poopat

Departamento de Engenharia de Soldagem e Engenharia de Produção

King Mongkut´s University of Technology Thonburi, Bangkok 10140

Fone 0-2470-9192, Fax 0-2470-9681, E-Mail: Rittichai_Pho@yahoo.co.uk

1. Resumo

Esse artigo descreve técnicas de monitoração de qualidade on-line para detectar a susceptibilidade de formação de defeitos em solda utilizando monitoração em tempo real dos parâmetros de soldagem: tensão de arco, ângulo de trabalho e ângulo de trajetória.

O processo SMAW (processo de soldagem por Eletrodo Revestido) foi o selecionado nesse estudo.
Esse experimento utilizou medidores de tensão e sensores de ângulo e velocidade para medir as variáveis da soldagem em tempo real.

O experimento consistiu de um sistema de medição de sinal das variáveis da soldagem e processamento dos dados, onde uma soldagem por eletrodo revestido de um aço carbono ASTM A36 foi executada nas posições de soldagem de filete plana e horizontal. A Especificação de Procedimento de Soldagem foi estabelecida para obter a qualidade de solda necessária. As peças do ensaio de soldagem foram feitas por um grupo de soldadores amadores.

Os resultados mostraram que a variação de tensão para fora do alcance controlado pode causar uma qualidade significante de respingos e formato irregular de deposição do cordão. Para parâmetros incorretos e não uniformes, foi observado um formato irregular e arqueado na deposição do cordão.

Quanto ao ângulo de trabalho, ângulos muito baixos ou muito altos causaram tamanho de base do filete desigual na posição de filete horizontal. A localização exata dos defeitos de soldagem pode ser facilmente localizada através do sistema de monitoração on-line assim que os defeitos da solda forem revelados. A técnica proposta pode ser implementada na fabricação real em termos de sistemas de controle de qualidade para detectar a susceptibilidade de formação de defeitos de solda que podem passar despercebidos nas atuais inspeções visuais.

2. Introdução

A soldagem por Eletrodo Revestido é bem conhecida por sua versatilidade, porque pode ser utilizada tanto em situações de produção quanto de reparo. Não requer equipamento especial e pode ser operada facilmente em localizações remotas. É um processo de soldagem estritamente manual.

Para países em desenvolvimento como a Tailândia, a soldagem manual é crucial, visto que o país ainda utiliza uma grande quantidade de operários. Todavia, a habilidade do soldador é um dos maiores problemas na indústria. Em termos de controle de qualidade da qualidade de solda, a dependência é, em grande parte, de extensivas inspeções de solda através de várias técnicas de Ensaios Não Destrutivos (END).

Contudo, tempo e custo se tornam a principal limitação na inspeção de solda. A maioria dos trabalhos foi parcialmente inspecionado pela implementação do conceito de processo estatístico. Esse estudo propõe a técnica de monitoração de qualidade on-line para detectar a susceptibilidade de formação de defeitos em solda utilizando a monitoração em tempo real dos parâmetros de soldagem: tensão do arco, ângulo de trabalho e ângulo de trajetória. Esses parâmetros de soldagem são variáveis essenciais em processos de soldagem que contam com a habilidade do soldador. [1], [2]

3. Procedimento Experimental

O equipamento experimental consistiu de um sistema de medição de sinal e processamento de dados. O experimento de soldagem foi conduzido pela utilização de soldagem por eletrodo revestido. Os cordões sobre chapa foram feitos na posição plana.

As soldas de filete em união T foram feitas na posição horizontal de filete. O aço ASTM A36 e seu metal de adição correspondente conforme a AWS A5.1, E 6013, foram selecionados nesse estudo. O tamanho do espécime foi de 30x150x9mm. A corrente de soldagem foi parametrizada em 95 A, e a velocidade de soldagem em 27 cm/min. Foi utilizada a técnica de cordão retilíneo.

A figura 1 mostra uma configuração experimental consistido de mesa de soldagem e micro controladores que são incorporados em uma unidade de controle para processamento do sinal dos sensores. A partir disso, o sinal foi gravado com programas de computador. O procedimento experimental possui duas fases; primeiro, os dados de soldagem foram coletados de um soldador experiente para a padronização dos limites de tolerância de acordo com o padrão internacional de habilidades, ISO 5817. Na segunda fase, o ensaio foi executado por soldadores amadores, e todos os dados dos parâmetros de soldagem coletados também foram gravados e analisados. As amostras também foram inspecionadas visualmente de acordo com a ISO 5817.

Existem três partes no sistema, que são a entrada, o processamento e a saída.

- Entrada: A entrada do sistema pode ser descrita pela tensão, pela corrente e pelo ângulo. Todos eles são implementados utilizando sensores e CI´s conversores, como sensor de distância (GP2D12), alicate amperímetro, conversor A/D e acelerômetro, respectivamente. Adicionalmente, a mesa de soldagem possui um “rack” para carregar uma parede refletiva para as medições de velocidade e ângulo.

- Processamento: Todos os dados detectados dos sensores e conversores são mandados para o Micro Controlador MCS 51 com programação C.

- Saída: Os dados serão enviados para o PC via porta Serial, então todos os dados serão gravados e apresentados utilizando Microsoft Visual Basic como Interface Gráfica de Usuário.

Fig. 2: O software foi escrito em linguagem C com Micro Controlador MCS 51 utilizado para controlar os sensores. O programa foi compilado para o micro controlador como arquivo hexadecimal. Então, todos os dados do micro controlador serão mandados para o programa Visual Basic no computador como um arquivo de texto via porta Serial. No Visual Basic, o programa será escrito em linguagem Basic e será usado para processar os dados ou calcular dados com algoritmos, como o calculo de velocidade. Para a saída, os dados serão coletados como banco de dados e apresentados em forma de Interface Gráfica de Usuário.

Plano de teste: Os soldadores são designados para realizar duas posições de soldagem, como plana e união T. Antes da soldagem, os soldadores devem ler a Especificação de Procedimento de Soldagem. Dessa forma, o computador gravará todas as variáveis, incluindo velocidade, ângulo de eletrodo e comprimento do arco.

4. Resultados e Debate

Após a coleta de dados do sinal para a peça de trabalho apropriada,

foi mostrado que a tensão obtida, como dito anteriormente, de um soldador experiente é de 29,16 V, e o desvio padrão de 1,22 V, como mostrado na figura 3.

Os limites de tolerância foram considerados como princípio de estatística com nível de confiança de 95% [3].

O limite de tolerância foi 25,5 a 38,82 V. O ângulo de trabalho foi 80 a 90º na posição plana, e 40 a 50º para união T. O ângulo de trajetória foi de 15 a 30º. A figura 4 mostra um cordão de solda aceitável, onde todas as variáveis de solda estão dentro dos limites.

A figura 5 mostra uma comparação entre o sinal de tensão de um soldador e o resultado visual do cordão soldado. A imagem mostra as diferentes seções do cordão soldado sobre chapa (início, centro e fim). As linhas vermelhas apresentam os locais do cordão soldado onde os limites de tolerância foram ultrapassados, e o cordão soldado efetivo. A localização onde os limites de tolerância foram ultrapassados tiveram um formato inapropriado de cordão, como mostrado na seção de corte.

A figura 6 apresenta uma comparação entre o sinal de tensão de um soldador experiente e o visual do cordão soldado. Pode ser notado que a posição do cordão onde o sinal se estabeleceu dentro da tolerância teve um formato de cordão aceitável. A comparação mostra que um sinal instável saiu da tolerância e causou formato inapropriado de cordão.

A figura 7 mostra que o ângulo de trabalho correto afeta o resultado da soldagem. O soldador amador não conhecia esse parâmetro e cometeu um erro. A poça fundida é muito pequena, e posicionada de forma errada nas seções A, B e C. O soldador experiente controlou o ângulo de trabalho tanto no limite superior quanto no inferior na seções A’, B’ e C’. A poça fundida é mais profunda e soldada sem bolhas.

5. Conclusão

Esse artigo descreve a técnica de monitoração de qualidade on-line para detectar a susceptibilidade de formação de defeitos em solda utilizando monitoração em tempo real dos parâmetros de soldagem: tensão de arco, ângulo de trabalho e ângulo de trajetória. O processo de soldagem por eletrodo revestido foi selecionado nesse estudo.

Pode ser concluído que a variação de tensão para fora do alcance controlado pode causar uma quantidade significante de respingos e formato irregular de cordão. Para parâmetros não uniformes e incorretos, foi observado um formato de deposição do cordão irregular e arqueado na deposição do cordão. Quanto ao ângulo de trabalho, ângulos muito baixos ou muito altos causaram tamanho de base do filete desigual na posição de filete horizontal. A localização exata dos defeitos de soldagem pode ser facilmente localizada através do sistema de monitoração on-line assim que os defeitos da solda forem revelados. A técnica proposta pode ser implementada na fabricação real em termos de sistemas de controle de qualidade para detectar a susceptibilidade de formação de defeitos de solda que podem passar despercebidos nas atuais inspeções visuais.

6. Referências

[1] P.J Modenesi., 1999, “The Influence of Small Variations of Wire Characteristics on Arc Welding Process Stability”, Journal of materials processing Technology, pp.266-232.

[2] Sacks, R.J., 1984, In Essential of Welding, Bennet Publishing Company, Illinois, pp. 1-36, 234-289.

[3] Montgomery, D.C., 2001, Design and Analysis of Experiments, 5ª ed., John Wiley & sons, New York.