Avaliação da eficiência térmica e de fusão na soldagem MAG em diferentes geometrias de juntas

O presente trabalho objetiva estudar a eficiência térmica do arco elétrico e de fusão para o processo de soldagem MAG, do inglês Metal Active Gas, em diferentes geometrias de juntas soldadas. As soldas foram feitas inicialmente em um calorímetro de fluxo contínuo de água, seguidas de deposição de cordão sobre chapa e soldagem de juntas em ângulo “T”, sempre em aço carbono. A metodologia de projeto de experimentos Box-Behnken foi empregada para a avaliação da influência da variação dos parâmetros de soldagem (tensão, velocidade de alimentação do eletrodo e velocidade de soldagem) nas eficiências, dentro do modo de transferência metálica por curto circuito. Diferentes equações propostas na literatura para o cálculo da eficiência de fusão são comparadas. Para a adequada aquisição da eficiência térmica pelo calorímetro, preliminarmente é avaliada a influência da vazão de água e da geometria na entrada de um calorímetro de fluxo contínuo sobre a eficiência térmica do arco. O procedimento experimental consiste em testar diferentes vazões de água e três configurações geométricas na região de entrada de água no calorímetro: com rolha reta, com difusor cônico e com obstáculo. Os experimentos foram planejados e os resultados avaliados com base na análise de variância estatística de um único fator, no caso, a vazão de água na entrada do calorímetro. A maior eficiência térmica média de 80,5% foi obtida para a vazão de 4 l/min, com baixo erro estatístico, utilizando rolha de entrada com geometria de difusor cônico. O modelo em que o fluxo entra diretamente no tubo apresentou todos os valores de eficiência térmica do arco com pequeno decréscimo numérico se comparados com o difusor cônico, enquanto a rolha com obstáculo apresentou elevado erro estatístico. Com base nos resultados descritos, a eficiência térmica do arco elétrico foi avaliada com a vazão de 4 l/min para o projeto de experimentos Box-Behnken, os valores obtidos estão na faixa de 72 a 82% conforme a combinação dos parâmetros de soldagem. A velocidade de soldagem e a tensão do arco se mostraram como os parâmetros de maior influência na eficiência térmica do arco. Os resultados relativos à eficiência de fusão indicam maiores valores nas soldas realizadas no calorímetro e por simples deposição sobre chapa. A junta T apresentou os menores valores de eficiência de fusão e de diluição para todos os casos. O parâmetro de maior influência na eficiência de fusão foi a corrente de soldagem.The main aim of the present work is to study arc thermal efficiency and fusion efficiency to Gas Metal Arc Welding – GMAW, using different joint geometries. At first, the welds were performed in a continuous water flow calorimeter, followed by bead on plate and T – joint deposits. The Box-Behken design of experiments methodology was used to analyze the effect of welding parameters (arc voltage, wire feed speed and welding speed) on the efficiencies, when using short circuit metal transfer. The results of the fusion efficiency calculation were compared using different equations found in the literature. To correctly evaluate the thermal efficiency, it was necessary to analyze the influence of water flow rate and calorimeter inlet geometry. The experimental procedure consists of varying water flow rate and testing three different calorimeter inlet seal geometries: straight seal, conical diffuser seal and seal with water flux obstacle. The experiments were designed and the results evaluated based in a one-factor statistical analysis of variance, in this case the inlet calorimeter water flow. The highest average thermal efficiency is 80.5% to water flow of 4 l/min, with a low statistical error, using the conical diffuser seal inlet geometry. The inlet with straight seal model shown all the arc thermal efficiency values with slightly lower numerical values compared with conical diffuser, while the seal with flux obstacle exhibited high statistical error. Based on these results, the arc thermal efficiency was evaluated using 4 l/min water flow to the Box-Behnken Design, resulting values in the 72 to 82% range, depending on the welding parameters. The welding speed and arc voltage were the parameters that significantly affect arc thermal efficiency. The fusion efficiency results of the welds performed on the calorimeter and bead on plate were. The welds performed in T joints exhibit lowest fusion efficiency and dilution to each welding parameters combination tested. The fusion efficiency is strongly affected by the welding current

Estudo das propriedades mecânicas e do resfriamento em manufatura aditiva por deposição a arco

A manufatura aditiva por deposição a arco (MADA) é um processo de fabricação que integra as características da manufatura aditiva e da tradicional tecnologia de soldagem. Apresenta-se como uma tecnologia promissora para a fabricação de grandes componentes metálicos, baixos custos, depósitos em três dimensões, diversidade de materiais de adição e alta eficiência de deposição. Com o emprego de projeto de experimentos, inicialmente se avaliou a geometria resultante da combinação dos parâmetros. Então parâmetros do processo GMAW foram variados, formas de onda, metais de adição, tempos de inatividade entre depósitos e resfriamento com jato de ar versus convecção natural. Os resultados obtidos foram ciclos térmicos e propriedades mecânicas como resistência à tração, dureza e de forma macro a microestrutura. As formas de onda foram: pulsado sinérgico, Convencional, Sinérgico, Polaridade Variável (PV), “Cold Metal Transfer” (CMT) e “Low Spatter Control” (LSC). Os resultados do ensaio de tração não apresentaram diferenças significativas para o eletrodo AWS ER70S-6, diferente do AWS ER110S-G no qual a forma de onda da corrente teve influência. Esse comportamento seguiu para a dureza HV. O modo PV apresentou os maiores resultados de tensão máxima para o eletrodo AWS ER110S-G, porém os depósitos produzidos apresentaram algumas descontinuidades. A microestrutura resultante para o eletrodo AWS ER110S-G foi mais refinada quando comparada ao AWS ER70S-6. Para a liga de aço AISI H13, a transferência por CMT apresentou menores modificações na microestrutura e grãos mais refinados, enquanto a menor taxa de resfriamento foi mostrada no modo LSC. A resistência à tração por CMT é ligeiramente menor em comparação ao PS e LSC. Para mitigar o acúmulo de calor devido ao elevado aporte térmico, aplicou-se um jato de ar durante a deposição, comparando seu efeito com a convecção natural. Os dados da superfície destacaram que o resfriamento com jato de ar resultou no aumento da altura dos depósitos entre 0,5 mm e 2,0 mm, e na redução da eficiência de deposição em até 10%, causada por uma maior irregularidade superficial. Na sequência se realizou uma análise do desempenho da imposição do jato de ar por meio de uma abordagem numérico-experimental híbrida. Os resultados indicaram que o jato de ar limita o aumento progressivo da temperatura entre camadas em comparação ao resfriamento por convecção natural. A partir dos resultados, o tempo de inatividade de 30 s mostrou o melhor compromisso entre produtividade e a redução do acúmulo de calor.The additive manufacturing by arc deposition (MADA) is a manufacturing process that integrates the characteristics of additive manufacturing and traditional welding technology. It presents itself as a promising technology for the manufacture of large metallic components, low costs, deposits in three dimensions, diversity of filler materials and high deposition efficiency. Using the design of experiments, the geometry resulting from the combination of parameters was initially evaluated. Then GMAW process parameters were varied, waveforms, filler metals, idle times between deposits and air-jet cooling versus natural convection. The results obtained were thermal cycles and mechanical properties such as tensile strength, hardness and a macro approach of the microstructure. The waveforms were: Pulsed Synergic (PS), standard manual, standard synergic, Variable Polarity (PV), Cold Metal Transfer (CMT) and Low Spatter Control (LSC). The results of the tensile test showed no significant differences for the AWS ER70S-6 electrode, unlike the AWS ER110S-G in which the current waveform had an influence. This behavior followed for HV hardness. The PV mode showed the highest results for the ultimate tensile strength using the AWS ER110S-G electrode, however the deposits produced showed some discontinuities. The resulting microstructure for the AWS ER110S-G electrode was more refined when compared to the AWS ER70S-6. For the AISI H13 steel alloy, the CMT mode showed less modifications in the microstructure and more refined grains, while the lowest cooling rate was shown in the LSC mode. The tensile strength by CMT is slightly lower compared to PS and LSC. To mitigate the accumulation of heat due to the high thermal input, an air jet was applied during deposition, comparing its effect with natural convection. The surface data highlighted that cooling with an air jet resulted in an increase in the height of the deposits between 0.5 mm and 2.0 mm, and a reduction in deposition efficiency by up to 10%, caused by a greater surface irregularity. Next, an analysis of the performance of the imposition of the air jet was performed using a numerical-experimental hybrid approach. The results indicated that the air jet limits the progressive increase in temperature between layers compared to cooling by natural convection. From the results, the 30-second downtime showed the best compromise between productivity and the reduction of heat accumulation

Influence of flow rate and inlet geometry on the thermal efficiency of a water flow calorimeter

O principal objetivo do presente trabalho é analisar a influência da vazão de água e da geometria na entrada de um calorímetro de fluxo contínuo sobre a eficiência térmica do arco. O procedimento experimental consiste em testar diferentes vazões de água e três configurações geométricas na região de entrada de água no calorímetro: com rolha reta, com difusor cônico e com obstáculo. Os experimentos foram planejados e os resultados avaliados com base na análise de variância estatística de um único fator, no caso, a vazão de água na entrada do calorímetro. Os cordões de solda foram depositados através do processo Gas Metal Arc Welding – GMAW, sobre tubos de aço baixo carbono, usando os mesmos parâmetros e tempo de soldagem. A maior eficiência térmica média de 80,5% foi obtida para a vazão de 4 l/min, com baixo erro estatístico, utilizando rolha de entrada com geometria de difusor cônico, sendo que para vazões menores ou maiores ocorreu diminuição nos valores da eficiência medida. O modelo em que o fluxo entra diretamente no tubo apresentou todos os valores de eficiência térmica do arco com pequeno decréscimo numérico se comparados com o difusor cônico, enquanto a rolha com obstáculo apresentou elevado erro estatístico.The main aim of the present work is to analyze the influence of water flow rate and inlet geometry on the arc thermal efficiency of a continuous water flow calorimeter. The experimental procedure consists of varying water flow rate and testing three different calorimeter inlet seal geometries: straight seal, conical diffuser seal and seal with water flux obstacle. The experiments were designed and the results evaluated based in a one-factor statistical analysis of variance, in this case the inlet calorimeter water flow. The welding beads were deposited on low carbon steel pipes by Gas Metal Arc Welding – GMAW process, using the same parameters and welding time. The highest average thermal efficiency is 80.5% to water flow of 4 l/min, with a low statistical error, using the conical diffuser seal inlet geometry, whereas for smaller or higher flow rates the measured efficiency values were lower. The inlet with straight seal model shown all the arc thermal efficiency values with slightly lower numerical values compared with conical diffuser, while the seal with flux obstacle exhibited high statistical error

Avaliação da eficiência térmica e de fusão na soldagem MAG em diferentes geometrias de juntas

O presente trabalho objetiva estudar a eficiência térmica do arco elétrico e de fusão para o processo de soldagem MAG, do inglês Metal Active Gas, em diferentes geometrias de juntas soldadas. As soldas foram feitas inicialmente em um calorímetro de fluxo contínuo de água, seguidas de deposição de cordão sobre chapa e soldagem de juntas em ângulo “T”, sempre em aço carbono. A metodologia de projeto de experimentos Box-Behnken foi empregada para a avaliação da influência da variação dos parâmetros de soldagem (tensão, velocidade de alimentação do eletrodo e velocidade de soldagem) nas eficiências, dentro do modo de transferência metálica por curto circuito. Diferentes equações propostas na literatura para o cálculo da eficiência de fusão são comparadas. Para a adequada aquisição da eficiência térmica pelo calorímetro, preliminarmente é avaliada a influência da vazão de água e da geometria na entrada de um calorímetro de fluxo contínuo sobre a eficiência térmica do arco. O procedimento experimental consiste em testar diferentes vazões de água e três configurações geométricas na região de entrada de água no calorímetro: com rolha reta, com difusor cônico e com obstáculo. Os experimentos foram planejados e os resultados avaliados com base na análise de variância estatística de um único fator, no caso, a vazão de água na entrada do calorímetro. A maior eficiência térmica média de 80,5% foi obtida para a vazão de 4 l/min, com baixo erro estatístico, utilizando rolha de entrada com geometria de difusor cônico. O modelo em que o fluxo entra diretamente no tubo apresentou todos os valores de eficiência térmica do arco com pequeno decréscimo numérico se comparados com o difusor cônico, enquanto a rolha com obstáculo apresentou elevado erro estatístico. Com base nos resultados descritos, a eficiência térmica do arco elétrico foi avaliada com a vazão de 4 l/min para o projeto de experimentos Box-Behnken, os valores obtidos estão na faixa de 72 a 82% conforme a combinação dos parâmetros de soldagem. A velocidade de soldagem e a tensão do arco se mostraram como os parâmetros de maior influência na eficiência térmica do arco. Os resultados relativos à eficiência de fusão indicam maiores valores nas soldas realizadas no calorímetro e por simples deposição sobre chapa. A junta T apresentou os menores valores de eficiência de fusão e de diluição para todos os casos. O parâmetro de maior influência na eficiência de fusão foi a corrente de soldagem.The main aim of the present work is to study arc thermal efficiency and fusion efficiency to Gas Metal Arc Welding – GMAW, using different joint geometries. At first, the welds were performed in a continuous water flow calorimeter, followed by bead on plate and T – joint deposits. The Box-Behken design of experiments methodology was used to analyze the effect of welding parameters (arc voltage, wire feed speed and welding speed) on the efficiencies, when using short circuit metal transfer. The results of the fusion efficiency calculation were compared using different equations found in the literature. To correctly evaluate the thermal efficiency, it was necessary to analyze the influence of water flow rate and calorimeter inlet geometry. The experimental procedure consists of varying water flow rate and testing three different calorimeter inlet seal geometries: straight seal, conical diffuser seal and seal with water flux obstacle. The experiments were designed and the results evaluated based in a one-factor statistical analysis of variance, in this case the inlet calorimeter water flow. The highest average thermal efficiency is 80.5% to water flow of 4 l/min, with a low statistical error, using the conical diffuser seal inlet geometry. The inlet with straight seal model shown all the arc thermal efficiency values with slightly lower numerical values compared with conical diffuser, while the seal with flux obstacle exhibited high statistical error. Based on these results, the arc thermal efficiency was evaluated using 4 l/min water flow to the Box-Behnken Design, resulting values in the 72 to 82% range, depending on the welding parameters. The welding speed and arc voltage were the parameters that significantly affect arc thermal efficiency. The fusion efficiency results of the welds performed on the calorimeter and bead on plate were. The welds performed in T joints exhibit lowest fusion efficiency and dilution to each welding parameters combination tested. The fusion efficiency is strongly affected by the welding current

Influence of flow rate and inlet geometry on the thermal efficiency of a water flow calorimeter

O principal objetivo do presente trabalho é analisar a influência da vazão de água e da geometria na entrada de um calorímetro de fluxo contínuo sobre a eficiência térmica do arco. O procedimento experimental consiste em testar diferentes vazões de água e três configurações geométricas na região de entrada de água no calorímetro: com rolha reta, com difusor cônico e com obstáculo. Os experimentos foram planejados e os resultados avaliados com base na análise de variância estatística de um único fator, no caso, a vazão de água na entrada do calorímetro. Os cordões de solda foram depositados através do processo Gas Metal Arc Welding – GMAW, sobre tubos de aço baixo carbono, usando os mesmos parâmetros e tempo de soldagem. A maior eficiência térmica média de 80,5% foi obtida para a vazão de 4 l/min, com baixo erro estatístico, utilizando rolha de entrada com geometria de difusor cônico, sendo que para vazões menores ou maiores ocorreu diminuição nos valores da eficiência medida. O modelo em que o fluxo entra diretamente no tubo apresentou todos os valores de eficiência térmica do arco com pequeno decréscimo numérico se comparados com o difusor cônico, enquanto a rolha com obstáculo apresentou elevado erro estatístico.The main aim of the present work is to analyze the influence of water flow rate and inlet geometry on the arc thermal efficiency of a continuous water flow calorimeter. The experimental procedure consists of varying water flow rate and testing three different calorimeter inlet seal geometries: straight seal, conical diffuser seal and seal with water flux obstacle. The experiments were designed and the results evaluated based in a one-factor statistical analysis of variance, in this case the inlet calorimeter water flow. The welding beads were deposited on low carbon steel pipes by Gas Metal Arc Welding – GMAW process, using the same parameters and welding time. The highest average thermal efficiency is 80.5% to water flow of 4 l/min, with a low statistical error, using the conical diffuser seal inlet geometry, whereas for smaller or higher flow rates the measured efficiency values were lower. The inlet with straight seal model shown all the arc thermal efficiency values with slightly lower numerical values compared with conical diffuser, while the seal with flux obstacle exhibited high statistical error

Bead geometry prediction in pulsed GMAW welding : a comparative study on the performance of artificial neural network and regression models

Weld bead geometry is a critical factor for determining the quality of welded joints, for this the welding process input parameters play a key role. In this study, the relationships between welding process variables and the size of the weld bead produced by pulsed GMAW process were investigated by a neural network trained with Bayesian-Regulation Back Propagation algorithm and a second degree regression models. A series of experiments were carried out by applying a Box-Behnken design of experiment. The results showed that both models can predict well the bead geometry. However, the neural network model had a slightly better performance than the second-order regression model. Both models can be used for further analyses and using them may surmount or reduce the need of experimental procedures especially in thermal analysis validations of welding finite element modelling