APLICAÇÃO DE BBD EM REVESTIMENTO POR SOLDAGEM TIG-P COM TECIMENTO 

Engenharias, Volume 27 - Edição 125/AGO 2023 / 25/08/2023

APPLICATION OF BBD IN COATING BY TIG-P WELDING WITH WEAVING

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8264309

R.E. Pimentel1 
A.R. Gonzalez2 
M. Botega3 
V.C. Marcolin4 

RESUMO

A complexidade de ajuste dos fatores influentes na soldagem em conjunto com a aplicação de novos materiais para revestimento torna necessário a utilização de ferramentas que otimizem tempo e custo, visando o acerto dos parâmetros na aplicação do processo. O projeto de experimentos Box-Behnken (Box-Behnken Desing – BBD) é uma ferramenta que necessita de número reduzido de corpo de provas, deixando o processo mais simplificado e ágil. O objetivo do estudo foi aplicar BBD em revestimento por soldagem TIG-P, visando valores de diluição baixos, inerentes a processos de revestimentos adequados em relação às propriedades mecânicas e metalúrgicas, custo e qualidade. Os valores aferidos mostraram possível a aplicação da ferramenta com erro de 8,8%, tornando possível o entendimento das variáveis de entrada e a sensibilidade dos valores de saída, que mostraram valor de 3,12% de diluição.
O estudo buscou contribuir com a literatura e apresentar uma aplicação viável de BBD em processo de revestimento por soldagem, de grande aplicação.

Palavras-Chave: Soldagem. BBD. Diluição. Revestimento.

1 INTRODUÇÃO

A aplicação de revestimento em componentes é comumente empregado para aumento de vida em projeto (MENON, 1996). Contudo, torna-se necessário o estudo de processos de soldagem que sejam viavelmente empregados (SUNNY,2021). Nesse contexto, o processo TIG (Tungsten Inert Gas) mostra-se como uma solução viável, uma vez que apresenta ótimo acabamento, maior controle das características dimensionais do cordão depositado (TSENG,2001; TSENG 2002) e menor aporte de calor (BALASUBRAMANIAN ET AL, 2008), que diminui a diluição, muito influenciada pelo processo pulsado.
A diluição e seu comportamento, bem como seu controle vêm sendo estudado por diversos autores (BALASUBRAMANIAN ET AL., 2009; SHAHI, 2008; PALANI, 2007).
Além disso, os parâmetros de soldagem influenciam diretamente na diluição, que acaba afetando a qualidade do revestimento, independentemente do processo empregado (KANNAN,2006B; SHAHI, 2008), mostrando a importância dos parâmetros frente a diluição, que pode ser vista como a relação da área de reforço (Ar) e área do metal base fundido (Amb), sendo D = (Amb/Ar + Amb) * 100%, e seu esquema pode ser visto na Figura 1.

Ademais, o ajuste dos parâmetros de soldagem, principalmente em revestimentos, torna o estudo e aplicação da investigação das variáveis importante, e rotineiramente aplicado, umavez que inúmeros trabalhos destacaram tempo para tanto (GONZALEZ ET AL., 1994; GONZALEZ ET AL., 1995). Contudo, o uso de roteiros e critérios bem estabelecidos para que se consiga parâmetros ajustados são de suma importância (CUNHA, 2013). Para o estudo, foi necessário a aplicação de projeto de experimento, que é amplamente empregado nas maisdiversas áreas do conhecimento (MONTGOMERY, 2004).

2 MATERIAIS E MÉTODOS

O procedimento de soldagem foi todo realizado no LS&TC (Laboratório de Soldagem e Técnicas Conexas – UFRGS). A fonte de soldagem utilizada foi a DIGIPlus A7 450, e um Tartilope V4 para a condução da tocha de soldagem (automatizado) e o suporte do arame frio para que se garantisse um avanço com controle de velocidade e a manutenção da distância do eletrodo à peça, tudo foi devidamente alinhado com auxílio de um nível para que o sistema ficasse horizontal. O equipamento da IMC Soldagem, o SAP4.01, foi usado para a aquisição dos valores instantâneos de corrente, tensão do arco elétrico e para controle do processo. Os equipamentos que foram citados podem ser vistos na Figura 2.

As variáveis de entrada, parâmetros referentes ao tecimento como a frequência (Ft – Hz), a amplitude (At – mm), e a velocidade de alimentação do arame (W – m/min) foram variados com objetivo do melhor entendimento da influência na variável de saída ou resposta. Os valores dos parâmetros da curva de corrente foram mantidos constante durante a realização de todos os corpos de prova e são: corrente de pico (Ip) de 175 A, tempo de pico positivo (Tp) de 10 ms, corrente de base (Ib) de 40 A e tempo de pico negativo (Tb) de 5 ms. Outros parâmetros mantidos constantes podem ser vistos na Tabela 1.

Tabela 1: Parâmetros do processo de soldagem. 

Parâmetros do Processo Valores Constantes
Velocidade de Soldagem (Vs) (mm/s) 2,0
Ângulo de deslocamento da tocha – empurrando (°) -17,35
Ângulo de alimentação do arame frio (°) 67,15
Distância eletrodo peça (DEP) (mm) 2,5

Além disso, foi necessário a construção de um suporte para que a aplicação do metal de adição fosse possível, pois a movimentação da tocha feita pelo Tartilope V4 em processo TIGsó era funcional em aplicações autógenas, sem metal de adição. A conexão da fonte de soldagem é do tipo Corrente Contínua Eletrodo Negativo (CCEN) e outros parâmetros mantidos constantes durante o processo:

  • Gás de proteção: Argônio;
  • Vazão do gás de proteção: 18 L/min;
  • Eletrodo EWTh – 2;
  • Diâmetro do eletrodo: 2,4 mm;
  • Ângulo do eletrodo: 60°;
  • Extensão do eletrodo: 24 mm;

O projeto de experimentos Box-Behnken para três fatores requer apenas 12 ensaios, mais 3 réplicas no ponto central, totalizando 15 execuções, para verificar a repetitividade do experimento. Para tanto, foram soldados por processo TIG-P com tecimento sobre superfície livre (bead-on-plate) e posição plana (1G) em chapas de aço ASTM A36 e metal de adição AWS A5.9 ER385, a composição química do metal depositado é análogo ao AISI 904L. Somado a isso, analisou-se a diluição como resposta frente aos valores de entrada. Além disso foi analisado os valores de altura do reforço e largura do cordão depositado. A matriz do projeto de experimento aleatorizada com os valores mínimos, médios e máximos com os valores centrais destacados pode ser vista na Tabela 2.
Para a análise da geometria dos cordões de solda depositados como revestimento foi necessário realizar cortes transversais com equipamentos comuns para tal aplicação (cut-off).
Depois de ter cortado as chapas com os cordões, foi realizado o embutimento das amostras, com o objetivo de acomodá-las para que ficassem planas, e as imagens da macrografia foram geradas mediante uma lupa, logo foram medidas a geometria do cordão com o software livre ImageJ. Além disso, foram lixadas as amostras com tipos diferentes de lixas nas granulometrias 100, 240, 360, 600 e 1200 e, depois disso, passando por 3 panos de polimento com alumina. As amostras foram atacadas com Nital 3%, para a obtenção das imagens.

3 RESULTADOS

Quando analisado frente a qualidade superficial e morfologia dos cordões depositados como revestimento, não foi observado trincas bem como poros, características inerentes e necessárias para revestimentos submetidos à ambientes com elevado grau de corrosão. Os parâmetros de entrada como velocidade de alimentação do arame, frequência e amplitude de tecimento mostraram valores mínimos, médios e máximos adequados, uma vez visto a qualidade dos cordões depositados. Os valores médios apresentados de altura do reforço 1,95mm e largura 8,3mm mostraram boa homogeneidade e alguns cordões podem ser vistos na Figura 3.

Nota-se, na Tabela 2, que os valores centrais destacados (em cinza) são muito próximos, mostrando o ajuste do estudo. Além disso, o menor valor de diluição apresentado foi de 3,12% (verde) enquanto o maior foi de 59,59% (vermelho), esse último muito catalisado pelo valor mínimo de W. A influência da velocidade de alimentação do arame foi de 74,5% no seu fator linear frente a ANOVA, com valor-p de 0,000052, para confiança de 95%. Isso pode ser visto na Tabela 3, onde para valores mínimos de W = 1,0 m/min apresentou maiores valores de diluição.

A Tabela 3 mostra o projeto de experimentos Box-Behnken com os três parâmetros controláveis de processo e os valores da diluição de cada cordão de solda, o tratamento dos dados através das técnicas estatísticas. Ainda na Tabela 3, se apresenta a Análise de Variância (ANOVA) para a diluição (%) do cordão de solda. O valor-p pode ser utilizado na determinação da significância dos fatores principais ou interações sobre a diluição (%). Se o valor-p for menor que 0,05 o efeito do parâmetro principal ou interação é significativo sobre a Diluição. Conforme a Tabela 3, os efeitos linear e quadrático da velocidade de alimentação do arame, W (m/min) (L e Q), são significativos para a diluição, para um nível de significância  = 0,05 (Valor-p < 0,05). Os demais parâmetros e interações não são significativos.

Na Figura 4, pode observar-se a região com diluição menor que 10%, para a amplitude At > 4,0 mm e W > 2,5 m/min, para Ft = 1,0 Hz. A energia de soldagem foi mantida constante para todos os ensaios, o aumento da W (m/min) causa uma diminuição no metal base fundido, pode ser que o aumento de arame por unidade tempo precise de mais energia para fundir (pelo aumento de W), com isso fica menos energia para fundir o metal base.

(DERRINGER, 1980) encontraram uma das soluções para otimizar várias respostas, desenvolvendo a função de conveniência ou método desirability (desejabilidade), que tem sido amplamente utilizada desde então na indústria. A Figura 5 mostra os valores dos parâmetros descontrole para obter uma diluição (estimada) de 9,0% usando o método de desejabilidade, obtendo-se W = 2,60 m/min, At = 5,60 mm e 0,80 Hz.

Figura 5: Valores dos parâmetros para uma diluição estimada de 9,0 %.

Além disso, (MURUGAN, 1997) sugere valores entre 10% e 15% de diluição, para
satisfazer a resistência de união entre o metal de base e o metal de adição, tanto do ponto de vista mecânico quanto do metalúrgico. Logo, para analisar o erro do BBD foi proposto um alvo de projeto de 9% de diluição, visto sua desejabilidade, para que então, se obtenha a resposta via macrografia (Figura 6). Ademais, o uso do tecimento foi proposto para que o perfil de revestimento seja o mais adequado possível (KANNAN, 2006A), para evitar problemas de falta de união metalurgia visto os reduzidos valores de diluição encontrados.

Nota-se a morfologia com maior penetração nas periferias (em vermelho), o que ajuda a evitar desplacamento por carga externa aplicada. Além disso, o cordão apresentou largura de 8,78 mm e altura de reforço de 2,04 mm, valores esses muito próximos da média apresentada, mostrando o ajuste do modelo. Além disso, o coeficiente de determinação R2 apresentado foi de 97,73%, que apresenta elevada confiabilidade (MONTGOMERY, 2007). Ademais, o valor de diluição obtido foi de 9,80% com parâmetros de entrada de W= 2,60 m/min, At= 5,60 mm e Ft= 0,83 Hz ajustados para a resposta alvo de 9%, isso aproxima o erro da diluição para 8,88%.

4 CONCLUSÕES

  • A aplicação do processo TIG-P com tecimento se mostrou viável em aplicações de revestimento com baixo valores de diluição.
  • BBD se mostrou uma excelente ferramenta, mais influente ainda visto a carência de literatura sobre o material para obtenção e entendimento das variáveis.
  • A influência da velocidade de alimentação do arame se mostrou majoritário na
    proporção no projeto de experimento visto seu valor-p.
  • Tanto valores de coeficiente de determinação quanto do erro foram satisfatórios.
  • A morfologia do cordão se mostrou adequada ao desplacamentos.
  • Bom acabamento dos cordões, inerentes do processo.

REFERÊNCIAS

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TSENG, K. H. e CHOU, C. P. The effect of pulsed GTA welding on the residual stress of astainless steel weldment. Journal of material processing technology, 123, 2002.

1,3,4Engenheiro Mecânico. Mestrando em Engenharia Mecânica – UFRGS/PROMEC.
2Dr. Engenheiro. Professor – UFRGS/PROMEC.