Análise da zona afetada pelo calor em soldagem dupla camada utilizando o método dos elementos finitos

A técnica de soldagem dupla camada utiliza método controlado de deposição, onde a relação entre os aportes térmicos da segunda para a primeira camada de solda (E2/E1) deve ser criteriosamente definida para promover o refino dos grãos da Zona Afetada pelo Calor (ZAC). Entretanto, a parametrização de processos de soldagem para a realização desta técnica tem sido de modo experimental, requerendo diversos ensaios, corpos de prova e consumíveis, demandando tempo e elevado custo. Uma possível solução para tal problemática é a análise computacional aplicada à soldagem, tornando o estudo desta de grande relevância. Este trabalho objetiva o estudo inicial do comportamento da ZAC em soldagem dupla camada utilizando o Método de Elementos Finitos (MEF). Experimentos práticos foram realizados para comparar e validar o modelo numérico. Dessa maneira, seis corpos de prova foram fabricados, três com camada simples e três com dupla camada. Foram utilizadas três energias de soldagem diferentes para os primeiros passes (0.571, 0.428 e 0.342 kJ/mm) e o dobro de tais energias para o segundo passe (taxa de energia de 1:2). Comparou-se as macrografias dos resultados experimentais e numéricos, tanto para a camada simples quanto para a dupla camada, bem como realizou-se a medição das dimensões da ZAC ao longo da seção transversal dos corpos de prova. Dessa maneira, notou-se que a taxa de energia de 1:2 é suficiente para atingir a zona de grãos grosseiros da primeira camada. Ainda, os resultados macrográficos e as medições das ZAC apresentaram ótima convergência entre as análises experimental e numérica, validando o modelo proposto. Palavras-chave: Distribuição de calor em soldagem. Simulação em soldagem. Sobreposição dos ciclos térmicos

Investigações de ordem operacional e implementação de tecnologias para soldagem subaquática molhada com eletrodos revestidos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.O processo de soldagem eletrodo revestido é largamente aplicado em operações subaquáticas em ambiente molhado, tendo em vista seu desempenho aceitável e baixo custo de implementação. No entanto, a realização deste processo manualmente apresenta inconvenientes e desafios operacionais intrínsecos, como risco ao soldador mergulhador, principalmente em profundidades superiores a 20 m, a partir da qual os efeitos nocivos da pressão, o desconforto da troca constante de eletrodos, a redução de visibilidade do arco e poça de fusão e oscilações mecânicas advindas de correntes de água e balanço da estrutura a ser soldada tornam-se mais significativos. Em decorrência destes últimos fatores, a manutenção dos parâmetros elétricos ao longo da junta é prejudicada, restringindo a operacionalidade do processo e qualidade da solda. A automação, aliada ao desenvolvimento de fontes de soldagem especiais, contribui para sanar tal problemática, além de largamente contribuir para a pesquisa e desenvolvimento de novas composições para os eletrodos, pela maior flexibilidade e capacidade de controle das condições de soldagem. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo geral o desenvolvimento de um sistema e base científica e tecnológica para a automatização da soldagem submarina molhada com eletrodos revestidos. Essencialmente, em termos de automação de processos de soldagem este trabalho apresenta as etapas de desenvolvimento de um subsistema AVC (Arc Voltage Control) especialmente dedicado para soldagem em ambiente subaquático com eletro- dos revestidos, da atuação do sistema mecanizado e a fonte de soldagem microprocessada. Além disto, aborda o estudo do comportamento do pro- cesso em função dos parâmetros elétricos e funcionalidades da fonte de soldagem, incluindo investigações prévias sobre a aplicação de corrente pulsada e polaridades direta e inversa. A técnica de abertura do arco desenvolvida, agregando evoluções na fonte de soldagem e no AVC, permitiu maior precisão e repetibilidade, ao simular os movimentos do soldador com maior dinâmica e de maneira controlada. As investigações sobre o processo suportaram avanços de controle da fonte e do sistema AVC para maior estabilidade de alimentação do eletrodo. Foi possível melhoria da estabilidade do comprimento do arco elétrico por meio de análise e seleção de filtro de tensão adequado e implementação de controlador PI. Também foram desenvolvidas metodologias para a compensação da queda de tensão sobre eletrodo, que é mutante ao longo do consumo do mesmo, de maneira a regular e manter a continuidade e linearidade da taxa de ali- mentação (mergulho) da vareta. Ainda em relação ao estudo fenomenológico de comportamento do processo, filmagens em alta velocidade proporcionaram a quantificação do diâmetro das bolhas e respectivas frequências de destacamento em função da corrente e polaridade. Os dados obtidos foram correlacionados com a taxa de fusão dos eletrodos nas condições supracitadas. De maneira geral, os resultados elucidam a estreita relação entre o comportamento do sistema de mecanização, incluindo o AVC, e os parâmetros elétricos e funcionalidades da fonte de soldagem para o bom desempenho da automação do processo eletrodo revestido em ambiente molhado.Abstract : The coated electrode welding process is widely applied in underwater operations in wet environment, considering its acceptable performance and low implementation cost. However, the execution of this process manually presents intrinsic operational disadvantages, such as risks to the diver welder, especially at depths exceeding 20m, from which the harmful effects of the pressure coupled with the discomfort of constant electrode exchange, the reduction of visibility of the arc and the melting pool and mechanical oscillations due to water currents and balance of the structure to be welded are more significant. As a result of these latter factors, the maintenance of the electrical parameters along the joint is impaired, restricting the process operability and weld quality. Automation, combined with the development of special welding sources, helps to solve such problems, as well as contributing to the research and development of new compositions for the electrodes due to the greater flexibility and ability to control the welding conditions. In this context, the present work has as main objective the development of a system and scientific and technological basis for the automation of underwater wet welding with coated electrodes. Essentially, in terms of automation of welding processes, this work presents the stages of development of an Arc Voltage Control (AVC) subsystem specially dedicated for underwater welding with coated electrodes, the actuation of the machined system and the microprocessed welding source. In addition, it deals with the study of the process behav- ior in function of the electrical parameters and welding source function- alities, including previous investigations on the application of pulsed current and direct and reverse polarities. The developed arc opening tech- nique, with evolutions in the welding power source and in the AVC al- lowed greater precision and repeatability, by simulating the movements of the welder with greater dynamics and in a controlled way. The investigations of the process supported advances of the source and the AVC control for greater stability of electrode s feeding. It was possible to improve the arc length stability by the analysis and selection of suitable voltage filter and PI controller implementation. In addition, methodologies were developed to compensate the voltage drop on the electrode, which is mutant along its consumption, in order to regulate and maintain the continuity and linearity of the feed rate of the rod. Still in relation to the phenomenological study of the process behavior, high-speed filming provided quantification of the bubble diameter and the respective frequencies of detachment as a function of current and polarity. The data obtained were correlated with the fusion rate of the electrodes in the above-mentioned conditions. In general, the results elucidate the close relationship between the behavior of the mechanization system, including the AVC, and the welding source s electrical parameters and functionalities for the good performance of the underwater wet welding with coated electrodes auto- mation