BR102018074541B1 - GMAW-CW WELDING PROCESS WITH GAS SHIELDING IN THE SLAVE TORCH - Google Patents
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Abstract
processo de soldagem gmaw-cw com proteção gasosa na tocha escravo. patente de invenção, da área de processos de fabricação, que consiste em uma soldagem a arco elétrico com proteção gasosa e duplo arame. um dos arames adicionados é energizado e o outro é frio (não energizado), sendo que ambos são iguais. no arame energizado foi usado um gás de proteção em mistura comercial (ar + 15% co2) e na tocha não energizada foram usadas porcentagens (ar + 12 a 20%co2) da mistura. os parâmetros elétricos do processo (tensão e corrente) são mantidos constantes durante a soldagem, com valores necessários para manter a transferência metálica por spray. a velocidade de alimentação dos arames permite a fusão total dos mesmos para garantir a qualidade do cordão soldado.gmaw-cw welding process with gas shielding in the slave torch. invention patent, in the area of manufacturing processes, which consists of electric arc welding with gas protection and double wire. one of the added wires is energized and the other is cold (not energized), both of which are the same. A shielding gas in a commercial mixture was used on the energized wire (air + 15% co2) and on the non-energized torch, percentages (air + 12 to 20% co2) of the mixture were used. The electrical parameters of the process (voltage and current) are kept constant during welding, with values necessary to maintain metallic transfer by spray. The wire feeding speed allows their total fusion to guarantee the quality of the welded bead.
Description
[001] A presente patente de invenção da área de processos de fabricação (soldagem) tem por objetivo apresentar um novo processo de soldagem GMAW - CW (Gas Metal Arc Welding - Cold Wire), com adição de um arame frio não energizado e proteção gasosa proveniente tanto da tocha principal quanto da tocha escravo, porém com diferentes misturas gasosas, na poça de fusão promovida pelo arco elétrico estabelecido pelo arame energizado. A principal aplicação da tecnologia é para fabricação de bens de capital e indústrias petrolífera, ferroviária e naval.[001] The present invention patent in the area of manufacturing processes (welding) aims to present a new GMAW - CW (Gas Metal Arc Welding - Cold Wire) welding process, with the addition of a non-energized cold wire and gas shielding coming from both the main torch and the slave torch, but with different gas mixtures, in the fusion pool promoted by the electric arc established by the energized wire. The main application of the technology is for the manufacture of capital goods and the oil, railway and naval industries.
[002] Já são conhecidos os processos GMAW-CW (Gas Metal Arc Welding - Cold Wire) sem a proteção gasosa no arame frio, cujos números de patente são INPI - BR 102015025059-2 A2, INPI - BR 102013018868-9 A2, US 2012055911 A1. Porém, não suprem as necessidades das indústrias, devido à baixa penetração do cordão de solda. Principalmente nas aplicações de materiais de maior espessura a penetração na solda é de suma importância, pois garante a união da junta que está sendo soldada permitindo que a união estabelecida entre os materiais possa proporcionar uma continuidade das linhas de forças que atuam na mesma.[002] The GMAW-CW (Gas Metal Arc Welding - Cold Wire) processes without gas protection on the cold wire are already known, whose patent numbers are INPI - BR 102015025059-2 A2, INPI - BR 102013018868-9 A2, US 2012055911 A1. However, they do not meet the needs of industries, due to the low penetration of the weld bead. Especially in applications with thicker materials, penetration into the weld is extremely important, as it guarantees the union of the joint being welded, allowing the union established between the materials to provide continuity of the lines of forces that act on it.
[003] A patente INPI - BR 102015025059-2 A2 trata do desenvolvimento de tocha com regulagem angular para a soldagem MAG com adição de arame frio. A patente existente não trata de uma inovação do processo de soldagem, e sim de um componente que é utilizado no mesmo. O projeto objeto da patente pode usar na aplicação tochas não especiais, ou seja, origem comercial, sem precisar alterar o ângulo entre os arames e traz como diferencial o uso de gás de proteção também no arame frio.[003] The INPI patent - BR 102015025059-2 A2 deals with the development of a torch with angular adjustment for MAG welding with the addition of cold wire. The existing patent does not deal with an innovation in the welding process, but rather with a component that is used in it. The project subject to the patent can use non-special torches in the application, that is, commercial ones, without having to change the angle between the wires and has the advantage of using shielding gas also on the cold wire.
[004] A patente INPI - BR 102013018868-9 A2 trata do desenvolvimento de uma tocha com regulagens para a soldagem MAG com adição de duplo arame frio. Mais uma vez, essa patente existente trata do desenvolvimento de um item usado no processo, e não de uma inovação no processo em si. Para o processo de soldagem descrito na presente patente, pode-se utilizar tochas não especiais, ou seja, origem comercial, desde que respeitados os procedimentos que serão descritos adiante.[004] The INPI patent - BR 102013018868-9 A2 deals with the development of a torch with adjustments for MAG welding with the addition of double cold wire. Again, this existing patent deals with the development of an item used in the process, not an innovation in the process itself. For the welding process described in this patent, non-special torches can be used, that is, commercial torches, as long as the procedures that will be described below are respected.
[005] A patente US 2012055911 A1 trata do desenvolvimento de uma tocha com ajuste da distância entre os dois arames para manter a estabilidade e a qualidade do cordão soldado. Para o processo de soldagem descrito na presente patente, não é necessário variar a distância entre os arames. A estabilidade do processo é alcançada a partir dos parâmetros elétricos que serão descritos adiante e da localização exata do arame frio no arco elétrico. Além disso, traz como diferencial o uso de proteção gasosa ativa também no arame frio.[005] US patent 2012055911 A1 deals with the development of a torch with adjusting the distance between the two wires to maintain the stability and quality of the welded bead. For the welding process described in the present patent, it is not necessary to vary the distance between the wires. Process stability is achieved based on the electrical parameters that will be described below and the exact location of the cold wire in the electric arc. Furthermore, the difference is the use of active gas protection also on the cold wire.
[006] Outros inconvenientes causados seriam o fato de que sem a penetração adequada, a aplicabilidade da solda pode ser restrita. O tempo de soldagem, se houver necessidade de mais de um passe devido à geometria do cordão, é maior. A produtividade geral do processo é menor.[006] Other inconveniences caused would be the fact that without adequate penetration, the applicability of the weld may be restricted. The welding time, if more than one pass is required due to the geometry of the bead, is longer. The overall productivity of the process is lower.
[007] O novo processo de fabricação descrito na presente patente, permite que, com a melhora do perfil de penetração, aumente-se a área transversal soldada por passe, aumentando a resistência da solda em cada um dos passes. Também permite otimizar o processo, por permitir a diminuição da quantidade necessária de passes.[007] The new manufacturing process described in the present patent allows, with the improvement of the penetration profile, to increase the cross-sectional area welded per pass, increasing the strength of the weld in each of the passes. It also allows you to optimize the process, by allowing a reduction in the required number of passes.
[008] O processo também tem como vantagem o aumento da taxa de deposição, mantendo a estabilidade do arco elétrico e a transferência metálica por spray.[008] The process also has the advantage of increasing the deposition rate, maintaining the stability of the electric arc and metal transfer by spray.
[009] Os desenhos anexos mostram todas as possíveis perspectivas do processo e os resultados encontrados nas condições de teste, onde:[009] The attached drawings show all possible perspectives of the process and the results found in the test conditions, where:
[010] A Figura 1 mostra o suporte em que as duas tochas estão acopladas, para deslocamento em velocidade constante sobre a mesa de apoio, usando um conjunto de movimentação composto por inversor de frequência e fuso de esfera.[010] Figure 1 shows the support to which the two torches are coupled, for movement at constant speed on the support table, using a movement set consisting of a frequency inverter and ball screw.
[011] A Figura 2 mostra o esquema de posicionamento das tochas, sendo (A) a tocha principal (arame energizado) e (B) a tocha escravo (arame frio).[011] Figure 2 shows the torch positioning scheme, being (A) the main torch (energized wire) and (B) the slave torch (cold wire).
[012] A Figura 3 mostra as regiões em que se subdivide o arco elétrico: (C) região catódica, (D) coluna do arco e (E) região anódica, que é onde deve-se inserir o arame frio para manter a estabilidade do processo.[012] Figure 3 shows the regions into which the electric arc is subdivided: (C) cathodic region, (D) arc column and (E) anodic region, which is where the cold wire must be inserted to maintain stability of the process.
[013] A figura 4 mostra o resultado obtido na soldagem MAG com adição de arame frio convencional.[013] Figure 4 shows the result obtained in MAG welding with the addition of conventional cold wire.
[014] A figura 5 mostra o resultado obtido na soldagem MAG com adição de arame frio e proteção gasosa em ambas as tochas.[014] Figure 5 shows the result obtained in MAG welding with the addition of cold wire and gas protection in both torches.
[015] O ângulo entre as tochas denominado (β) , de acordo com a Figura 1, pode variar entre 55° a 65°, e o arame frio deve ser adicionado na região anódica, região indicada na figura 3 como região “E” do arco elétrico, a fim de não perturbar o arco elétrico formado pelo arame energizado, mantendo a estabilidade do sistema arame energizado-arame frio. O ângulo (α) da Figura 1 também pode variar entre 55° e 65°, e também tem a finalidade de manter a estabilidade do processo, de acordo com a necessidade da preparação da junta a ser soldada.[015] The angle between the torches called (β), according to Figure 1, can vary between 55° to 65°, and the cold wire must be added in the anode region, a region indicated in figure 3 as region “E” of the electric arc, in order not to disturb the electric arc formed by the energized wire, maintaining the stability of the energized wire-cold wire system. The angle (α) in Figure 1 can also vary between 55° and 65°, and is also intended to maintain the stability of the process, according to the need for preparing the joint to be welded.
[016] Com isso, tem-se que os ângulos (α) e (β) têm valores que podem variar entre 55° e 65°, sendo que o fechamento de todos os ângulos que compõe o posicionamento das duas tochas deverá ser de 180°, sendo o último ângulo complementar a soma dos demais, dependendo da preparação da junta a ser soldada, em relação às dimensões do chanfro e/ou filete.[016] Therefore, the angles (α) and (β) have values that can vary between 55° and 65°, and the closure of all angles that make up the positioning of the two torches must be 180 °, the last complementary angle being the sum of the others, depending on the preparation of the joint to be welded, in relation to the dimensions of the chamfer and/or fillet.
[017] Os parâmetros, tensão e intensidade de corrente interferem diretamente na morfologia do perfil de penetração na soldagem, sendo a tensão a responsável pela largura e altura do cordão, e a intensidade de corrente diretamente ligada à penetração. No entanto outros fenômenos contribuem na formação do perfil de penetração da solda como, por exemplo, efeito Marangoni que está intimamente relacionado à presença de elementos tenso ativos na poça de fusão. Portanto, levando-se em consideração o material e a espessura do mesmo na confecção da junta a ser soldada, quanto maior os valores da tensão e da intensidade de corrente utilizados para soldagem desta junta, maior será a tendência de um perfil de penetração mais profundo. A utilização de gás ativo no arame frio tem como objetivo disponibilizar elementos tenso ativos na poça de fusão potencializando assim, o efeito Marangoni, juntamente com os valores de tensão e corrente no auxilio da penetração da solda.[017] The parameters, voltage and current intensity directly interfere with the morphology of the welding penetration profile, with the voltage being responsible for the width and height of the bead, and the current intensity directly linked to the penetration. However, other phenomena contribute to the formation of the weld penetration profile, such as, for example, the Marangoni effect, which is closely related to the presence of active stress elements in the weld pool. Therefore, taking into account the material and its thickness when creating the joint to be welded, the higher the voltage and current intensity values used for welding this joint, the greater the tendency for a deeper penetration profile. . The use of active gas in the cold wire aims to provide active stressed elements in the weld pool, thus enhancing the Marangoni effect, together with the voltage and current values to aid weld penetration.
[018] Nas aplicações de onde os materiais são de maior espessura a penetração na solda é de suma importância, garantindo assim a união da junta que está sendo soldada permitindo que a união estabelecida entre os materiais possa proporcionar uma continuidade das linhas de forças que atuam na mesma.[018] In applications where the materials are thicker, penetration into the weld is of paramount importance, thus ensuring the union of the joint being welded, allowing the union established between the materials to provide continuity of the lines of forces that act in the same.
[019] Para o processo de soldagem proposta na presente patente, os parâmetros de soldagem foram os seguintes: A tensão podendo variar na faixa de 30V a 32V e a corrente elétrica podendo variar na faixa de 220A a 235A, sendo estas as faixas que possibilitam a transferência metálica do tipo spray. A velocidade de alimentação do arame energizado ficou entre 5,0 e 6,0 m/min e a velocidade de alimentação do arame frio foi de 3,0 a 3,5 m/min.[019] For the welding process proposed in this patent, the welding parameters were as follows: The voltage can vary in the range of 30V to 32V and the electric current can vary in the range of 220A to 235A, these being the ranges that allow spray-type metallic transfer. The energized wire feed speed was between 5.0 and 6.0 m/min and the cold wire feed speed was 3.0 to 3.5 m/min.
[020] Utiliza-se a técnica “puxando” para a execução do cordão de solda, com velocidades variando na faixa de 330mm/min e 360 mm/min. Essa técnica é caracterizada pelo posicionamento da tocha principal de modo que o arame energizado seja alimentado no sentido oposto ao do deslocamento do arco.[020] The “pulling” technique is used to execute the weld bead, with speeds varying in the range of 330mm/min and 360 mm/min. This technique is characterized by positioning the main torch so that the energized wire is fed in the opposite direction to the arc displacement.
[021] Em relação às misturas dos gases utilizados na soldagem, a tocha energizada é alimentada com uma mistura Ar + 15% CO2. Na tocha escravo usa-se mistura gasosa de Ar + (entre 12 a 20%) CO2. Para ambas as tochas, a vazão dos gases varia na faixa de 16 l/min a 20 l/min.[021] Regarding the gas mixtures used in welding, the energized torch is fed with an Ar + 15% CO2 mixture. In the slave torch, a gaseous mixture of Ar + (between 12 to 20%) CO2 is used. For both torches, the gas flow varies in the range of 16 l/min to 20 l/min.
[022] Realizou-se a soldagem do cordão sobre chapa em uma bancada projetada para proporcionar suporte e movimentação do sistema de tochas com velocidade constante e sem interferência de operador. O corpo de prova foi submetido a preparação padrão para um ensaio macrográfico para análise no microscópio do perfil de penetração.[022] The bead was welded onto sheet metal on a bench designed to provide support and movement of the torch system with constant speed and without operator interference. The specimen was subjected to standard preparation for a macrographic test for analysis of the penetration profile under a microscope.
[023] As figuras 4 e 5 apresentam de forma não limitante a aplicação do processo de soldagem apresentado na presente patente. Pela comparação entre as figuras pode- se perceber que a largura do cordão de solda aumentou de 4,96mm para 6,40mm, correspondendo a uma variação percentual aproximada de 29% e o reforço da solda aumentou de 2,76mm para 3,19mm, correspondendo a uma variação percentual aproximada de 15%. Já a penetração da solda aumentou de 0,82mm para 1,70mm, correspondendo a uma variação percentual aproximada de 207%.[023] Figures 4 and 5 present, in a non-limiting way, the application of the welding process presented in the present patent. By comparing the figures, it can be seen that the width of the weld bead increased from 4.96mm to 6.40mm, corresponding to an approximate percentage variation of 29% and the weld reinforcement increased from 2.76mm to 3.19mm, corresponding to an approximate percentage variation of 15%. Weld penetration increased from 0.82mm to 1.70mm, corresponding to an approximate percentage change of 207%.
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