Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Atualmente a busca por melhorias de processos e técnicas de soldagem mecanizados/automatizados tem sido intensa devido à escassez de mão de obra qualificada. Nesta linha, a combinação de processos e mesmo de modos operacionais (polaridade e/ou modo de transferência metálica) dentro de um só processo, em adição à possibilidade de combinar níveis de corrente de soldagem, vem ganhando espaço. Por meio dos modos operacionais e/ou dos níveis de corrente, é possível variar a energia do arco (tanto térmica quanto cinética) entregue à peça de trabalho. Combinando este recurso com o movimento do arco, pode-se distribuir a energia do mesmo de forma otimizada para controlar a formação do cordão de solda. Uma forma relativamente simples de controlar o movimento do arco é por meio de oscilação magnética – deflexão do arco elétrico através de um eletroímã. Assim, este trabalho explora a sincronização da oscilação magnética com processos de soldagem a arco de modo a controlar a distribuição da energia do arco sobre a peça. Para tal, foi desenvolvido um sistema de oscilação sincronizada, incluindo hardware e software, para permitir controlar a oscilação magnética e a fonte de soldagem (multiprocesso) de forma sincronizada. Em seguida, foi feita uma caracterização da deflexão (em função da tensão do eletroímã, da corrente e do comprimento do arco de soldagem) baseada em filmagens de alta velocidade. Como forma de explorar a técnica de oscilação magnética sincronizada com diferentes processos de soldagem, foram realizadas duas abordagens, ambas com oscilação do arco transversal à direção de soldagem, e depois comparadas a condições de referência (soldagem sem oscilação e com oscilação não sincronizada). O processo TIG foi sincronizado à oscilação magnética variando o nível de corrente de soldagem de acordo com a posição do arco, tendo como base de análise o efeito sobre o controle da largura dos cordões de solda formados. Já o processo MIG/MAG foi sincronizado à oscilação magnética variando os modos operacionais de soldagem de acordo com a posição do arco, avaliando o efeito sobre o controle da geometria das áreas fundidas dos cordões resultantes. O sistema de oscilação magnética sincronizada demonstrou ser capaz de controlar a formação do cordão tanto na soldagem TIG quanto na MIG/MAG. No caso do TIG sincronizado, foi possível aumentar a largura do cordão do lado com maiores corrente e tempo de parada lateral e vice-versa. Já no caso do MIG/MAG sincronizado, foi possível controlar a geometria da zona fundida formada, podendo-se diminuir a diluição dos cordões resultantes, com pouca variação no reforço superior e ao mesmo tempo com aumento de largura dos cordões e com tendência de maior concentração da penetração nas laterais dos mesmos. Acredita-se que a técnica de oscilação magnética sincronizada com processos de soldagem possa ser explorada visando diversas aplicações, nas quais é importante otimizar a distribuição de energia do arco sobre a peça de trabalho. / Currently the search for improvements in processes and mechanized/automated welding techniques has been intense due to the skilled labor shortage. In this line, the combination of processes and even operational modes (polarity and/or metal transfer mode) within a process, in addition to the possibility of combining welding current levels, has gained attention. Through operational modes and/or current levels, the arc energy (both thermal and kinetic) delivered to the workpiece can be changed. By combining this feature with the arc motion, the arc energy can be optimally distributed to control the formation of the weld bead. A relatively simple way to control the arc motion is by magnetic oscillation - deflection of the electric arc by an electromagnet. Thus, this work exploits the synchronization between the arc oscillation and the welding process to control the arc energy distribution on the workpiece. To this end, a synchronized oscillation system, including hardware and software, was devised to enable to control the magnetic oscillation and a multiprocess welding power source synchronously. Then, a characterization of the magnetic arc deflection was carried out (according to the electromagnet voltage, welding current and arc length) based on high-speed filming. In order to exploit the synchronized magnetic oscillation technique with different welding processes, two approaches were executed, both with arc oscillation transverse to the welding direction, and then compared to reference conditions (welding without oscillation and with unsynchronized oscillation). The TIG process was synchronized to the magnetic oscillation varying the level of welding current according to the arc position, being the effect on the control of the weld beads width the basis for analysis. The MIG/MAG process was synchronized to the magnetic oscillation with different welding operational modes according to the arc position, being the effect on the control of the molten zone geometry the basis for evaluation. The synchronized oscillation system was able to control the formation of the weld beads for the TIG as well as for the MIG/MAG welding. In the case of the synchronized TIG, it was possible to increase the weld bead width on the side with higher current and lateral stop time and vice versa. In the case of the synchronized MIG/MAG, it was possible to control the molten zone geometry, besides reduce the dilution of the resulting beads, with little variation in the top reinforcement and at the same time with increasing in the bead widths and with tendency for more side penetration. It is believed that the magnetic oscillation technique synchronized with the welding processes can be exploited in several applications, where it is important to optimize the arc energy distribution on the workpiece. / Dissertação (Mestrado)

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / In recent years, the demand of the productive sector for more efficient processes has encouraged the research and development of products and processes to increase the production at a competitive cost. In this sense, the \"Plasma-MIG\" with Concentric Arcs process, being an evolution of the conventional MIG/MAG process, has emerged as a promising option. This process has been available to the market since the 70s. However, it is still necessary to consolidate a scientific and technological basis of that process. Only then the market will decide if it is applicable, either to replace or become an option instead of the other processes. Thus, the challenge is to collaborate with both the scientific and the production what actually is the overall goal of this work, that is to provide fundamental knowledge about functioning principles and operating parameters of the \"Plasma-MIG\" with Concentric Arcs. The influence of the gas flow, especially of the intermediate one on the weld bead surface appearance, the effect of external arc on the globular-spray transition current and on the axial spray-rotational transition current, as well as on the droplet kinematic parameters and the relation between the outer arc current/torch working angle/torch-piece distance and the weld geometry have been studied experimentally. The results showed that the intermediate arc gas flow rate was the very one which determined weld appearance. The globular-spray transition current rose and the axial spray-rotational transition current became lower in the presence of the outer arc. The presence of the outer arc also raised the momentum of the drops hitting the weld pool. The presence of current in the outer arc at low values reduces penetration and correlated parameters (either directly or inversely proportional), but causes their growing again when being increased. The bead geometry follows the similar behavior of the conventional MIG/MAG as regards to the torch working angle and the torch-piece distance, though being more intensified when using the outer arc. In conclusion, it is possible to say that the knowledge on the operational characteristics of the \"Plasma-MUG\" with Concentric Arcs welding process obtained in this work may serve as a basis for the perception of this process application potential. / Nos últimos anos, a demanda do setor produtivo por processos mais eficientes tem incentivado a pesquisa e o desenvolvimento de produtos e processos que permitam o aumento da produção a um custo compatível. Neste sentido, o processo de soldagem \"Plasma-MIG\" com Arcos Concêntricos, uma evolução do processo MIG/MAG convencional, tem surgido como uma opção promissora. Esse processo está à disposição do mercado desde a década de 70, no entanto, ainda é necessário consolidar uma base cientifica e tecnológica a respeito desse processo. Somente assim o mercado poderá decidir se o mesmo é aplicável, seja para substituir ou se tornar mais uma opção frente a outros processos. Desta forma, é no desafio de colaborar tanto com o meio cientifico como o produtivo que se enquadra o objetivo global deste trabalho, o qual é o de fornecer conhecimentos fundamentais sobre aspectos de funcionamento e parâmetros operacionais do processo \"Plasma-MIG\" com Arcos Concêntricos. Foram estudados experimentalmente a influência das vazões dos gases, principalmente o intermediário, sobre o aspecto superficial do cordão de solda, o efeito do arco externo sobre as correntes de transição globulargoticular e goticular axial-rotacional e sobre os parâmetros cinemáticos das gotas e a relação entre corrente do arco externo/ângulo de inclinação da tocha/distância da tocha a peça e a geometria do cordão. Os resultados apontam que a vazão governante sobre o acabamento do cordão é a do gás intermediário. A corrente de transição globular-goticular elevou-se e a goticular axial-rotacional ficou menor na presença do arco externo. A presença do arco externo também fez elevar o momentum das gotas atingindo a poça. A presença da corrente no arco externo em valores baixos reduz a penetração e parâmetros correlacionados (de forma direta ou inversamente proporcional), mas faz novamente crescêla ao ser aumentada. A geometria do cordão segue o comportamento similar ao do processo MIG/MAG convencional quanto ao ângulo de inclinação e distância da tocha à peça, mais intensificado quando se usa arco externo. Ao final, pode-se dizer que os conhecimentos gerados no presente trabalho sobre as características operacionais do processo \"Plasma- MIG\" com Arcos Concêntricos formam uma base para conceber a potencialidade aplicativa do processo. / Doutor em Engenharia Mecânica

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The Thermal Pulse GMAW process seeks the combination of relative high productivity, good weld bead finish and low spatter generation of the Pulsed GMAW with the capability of controlling welding pool of the Pulsed TIG. Nevertheless, its industrial application is still very limited, except for aluminum welding. But this GMAW version may become differential for application if a distribution of the arc/droplet heat and pressure along the joint is applied. Thus, the objective of this study was to evaluate the potential weld pool control of the Thermal Pulsed GMAW for automated welding of root passes, without backing strips. Synchronization between the thermal pulses and torch trapezoidal weaving was initially devised. In this case, the thermal pulse was applied on the joint side, ensuring to melt this region, and the thermal base applied during the transition from one side to the other, in order to minimize the possibility of weld pool collapse, by reducing the heat and pressure of arc and droplets during this period. The maximum root gap was searched by evaluating this technique under different root gaps at several oscillation amplitudes for a given combination of thermal pulse and base parameters (V-groove butt joints of carbon steel welded in flat position, with and without root face). The results showed that this approach, in contrast to the welding without any synchronization, was able to control the weld pool. Root passes with complete penetration, adequate geometry and defect free were produced for gaps ranging from 2,5 to 6 mm. The oscillation amplitude must be larger than the root gap. However, the process does not seem robust enough and requires further investigation to allow keeping the same welding parameters regardless joint geometry variations, especially in the root face and gap. / Com o processo MIG/MAG com Pulsação Térmica busca-se a combinação de uma relativa alta produtividade, bom acabamento do cordão e baixa geração de respingos da soldagem MIG/MAG Pulsada com a capacidade de controle da poça de fusão da soldagem TIG Pulsada. Porém, sua aplicação é ainda muito limitada no meio industrial, com apelo apenas para soldagens de alumínio. Mas esta versão do MIG/MAG pode ter um diferencial de aplicação ao se usar a distribuição de calor e pressão do arco/gotas ao longo da junta. Desta forma, este trabalho teve como objetivo avaliar o potencial da soldagem MIG/MAG com pulsação térmica para controlar a poça de fusão em soldagens automatizadas de passes de raiz, sem utilização de cobrejunta. Para isso, foi inicialmente desenvolvida uma sincronização da pulsação térmica com o tecimento trapezoidal da tocha. Neste caso, o pulso térmico foi aplicado nas laterais da junta, garantindo a fusão desta região, e a base térmica aplicada durante o movimento de transição entre uma lateral e outra, com a finalidade de minimizar o risco de colapso da poça pela redução do calor e pressão do arco e gotas durante este período. Esta abordagem foi avaliada sob diferentes aberturas de raiz em distintas amplitudes de oscilação, para uma dada combinação de parâmetros de pulso e base térmicos (juntas de topo de aço carbono com chanfro em V , posição plana, com e sem altura do nariz). Buscou-se verificar a máxima abertura de raiz possível de ser soldada. Os resultados mostraram que foi possível controlar a poça de fusão com o uso dessa abordagem, em contraste com soldagens sem essa sincronização. Passes de raiz com penetração completa, geometria adequada e livre de defeitos foram obtidos em juntas de topo com abertura variando de 2,5 a 6 mm. Os resultados mostram que a amplitude de oscilação tem de ser maior do que a abertura da raiz. Porém, o processo ainda se mostra pouco robusto, demandando maiores estudos para permitir manter os mesmos parâmetros de soldagem frente a variações da geometria do chanfro, sobretudo a altura e o tamanho da folga na raiz. / Mestre em Engenharia Mecânica

AgÃncia Nacional do PetrÃleo / Este trabalho teve como objetivo determinar os parÃmetros de soldagem que proporcionem condiÃÃes adequadas para revestimentos com ligas de nÃquel atravÃs do processo MIG/MAG com transferÃncia metÃlica por curto-circuito indicadas para aplicaÃÃes no setor de petrÃleo e gÃs natural. A primeira etapa consistiu na realizaÃÃo de ensaios exploratÃrios para determinar os fatores de controle e seus nÃveis a serem utilizados na etapa posterior denominada de âensaios definitivosâ. Nos ensaios definitivos, para determinar o nÃmero de ensaios a serem realizados, optou-se pelo uso do mÃtodo Taguchi (planejamento robusto de experimentos), de forma a cumprir, com um reduzido nÃmero de ensaios, dois objetivos: o primeiro foi obter a influÃncia dos fatores de controle (parÃmetros de soldagem) sobre as variÃveis respostas (caracterÃsticas geomÃtricas dos cordÃes de solda); e segundo foi determinar as condiÃÃes ideais para aplicaÃÃo das ligas de nÃquel nas soldagens de revestimentos. Foram escolhidos seis fatores de controle com trÃs nÃveis cada: tensÃo de referÃncia (Ur = 20, 22, 24 V), velocidade soldagem (Vs = 0,2, 0,3 e 0,4 m/min), tipo de tecimento (sem tecimento, duplo oito e tecimento triangular), tÃcnica da tocha (normal, empurrando e puxando), gÃs de proteÃÃo (100%Ar, 70%Ar+30%He e 99,97%Ar+0,03%NO) e o material de adiÃÃo (AWS ERNiCrMo-3, AWS ERNiCrMo-14 e AWS ERNiCrMo-4). Tais fatores foram divididos pelo mÃtodo Taguchi em duas matrizes L9, resultando num total de 18 ensaios. JÃ as variÃveis respostas escolhidas foram: a diluiÃÃo (D), a razÃo entre o reforÃo e a largura (R/L) e produto da diluiÃÃo pela razÃo R/L (DxR/L). As soldagens foram realizadas na posiÃÃo plana por simples deposiÃÃo sobre chapas de aÃo ASTM 516 Gr60 com dimensÃes de 200 x 50 x 12,7 mm. Foram mantidas constantes a vazÃo do gÃs de proteÃÃo em 20 L/min, a velocidade de alimentaÃÃo em 6,0 m/min e a DBCP em 20 mm. Assim com base nos ensaios definitivos e nos custos de soldagem, foi realizada a soldagem de um revestimento. Os resultados mostraram que os menores nÃveis da tensÃo de referÃncia e da velocidade de soldagem proporcionaram as menores diluiÃÃes. O uso do tecimento proporcionou cordÃes com baixos valores da razÃo R/L. O material de adiÃÃo e o gÃs de proteÃÃo foram capazes de alterar significativamente a geometria do cordÃo de solda. A tÃcnica da tocha na posiÃÃo empurrando obteve os menores valores para a diluiÃÃo e para a razÃo R/L. E por fim os parÃmetros de soldagem selecionados pelo mÃtodo Taguchi e as caracterÃsticas econÃmicas demonstram ser capazes de obter um revestimento com um bom acabamento superficial e isento de defeitos / This work aims to determine the welding process parameters that provide appropriate conditions for weld overlay with nickel alloy through the GMAW process in a short circuiting transfer mode indicated for applications in petroleum and natural gas Industry. Exploratory tests were conducted initially to determine the control factors and their levels to be used in the subsequent stage called the definitive tests. In the definitive tests to determine the number of tests to be accomplished, was chosen by the Taguchi method (Robust design of experiments) and thus with a limited number of tests achieve two objectives: the first was to obtain the influence of the control factors (welding parameters) on quality characteristics (weld bead geometry) and the second was to determine optimal conditions for weld overlay with nickel alloy. Six control factors were employed with three levels each: reference voltage (Ur = 20, 22, 24 V), welding speed (Vs = 0,2, 0,3 and 0,4 m/min), arc oscillation (linear, double 8 and triangular weaving) , welding gun orientation (perpendicular, forehand and backhand), shielding gas (100%Ar, 70%Ar+30%He and 99,97% Ar+0,03% NO) and filler metal (AWS ERNiCrMo-3, AWS ERNiCrMo-14 and AWS ERNiCrMo-4). These factors were divided into two L9 orthogonal array resulting in a total of 18 experiments. The employed quality characteristics were: Percent of dilution (D), the ration between reinforcement and bead width (R/L) and product of the dilution for the ratio R/L (DxR/L). The weldings were accomplished using a bead on plate (BOP) technique, flat position, in steel ASTM 516 Gr60 with dimensions of 200 x 50 x 12,7 mm. The other parameters which were kept constant were gas flow rate at 20 L/min, wire feed rate at 6,0 m/min and stick out was at 20 mm. Based in the definitive tests and in the weld costs weld overlay was accomplished. The results showed that the smallest levels of the reference voltage and of the welding speed provided the smallest dilutions. The use of arc oscillation promote weld bead with low values of the ratio R/L. The filler metal and the shielding gas were capable to alter the weld bead geometry significantly. The welding gun orientation forehand obtained the smallest values for the dilution and for the ratio R/L. Finally the welding parameters selected by the Taguchi method and the weld costs demonstrated to be capable for obtaining an overlay with a good superficial aspect and without welding defects.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Este trabalho teve como objetivo o estudo exploratÃrio do processo MIG/MAG-DA-PI utilizando corrente alternada. Os ensaios foram executados em simples deposiÃÃo na posiÃÃo plana em chapas de aÃo baixo carbono com espessura de 3 mm utilizando arame eletrodo de 1,2 mm de diÃmetro. Foram realizados estudos sobre o nÃvel de corrente, tipo de onda aplicado em corrente alternada (CA-CP e CA-CC), a porcentagem de corrente alternada com o eletrodo na polaridade negativa (% CAEN), o sentido de deslocamento do eletrodo em relaÃÃo ao tipo de onda. Foi realizado tambÃm um estudo comparativo entre as soldagens realizadas em corrente alternada com corrente pulsada e sobre a disposiÃÃo dos eletrodos em relaÃÃo à direÃÃo de soldagem (âtandemâ e lado a lado). Foram avaliados os efeitos destes estudos nas caracterÃsticas geomÃtricas (penetraÃÃo, reforÃo e largura), na diluiÃÃo, na taxa de fusÃo do arame eletrodo, no aspecto superficial do cordÃo de solda e na microestrutura resultante na regiÃo de grÃos grossos da zona afetada pelo calor. Foi constatado que o aumento no nÃvel de corrente promove o aumento nas caracterÃsticas geomÃtricas, da diluiÃÃo e da taxa de fusÃo. A aplicaÃÃo de corrente alternada na soldagem MIG/MAG-DA-PI promoveu o aumento da taxa de fusÃo do arame, do reforÃo com a diminuiÃÃo da diluiÃÃo e da largura do cordÃo de solda. O aumento da % CAEN resultou no aumento do reforÃo, da taxa de fusÃo do arame, reduÃÃo da largura, da diluiÃÃo da solda e no refino da microestrutura. A aplicaÃÃo de corrente alternada no eletrodo anterior promoveu a reduÃÃo da diluiÃÃo com o aumento do reforÃo. Em comparaÃÃo com o uso da corrente pulsada, aplicaÃÃo de corrente alternada no processo MIG/MAG-DA-PI, para um mesmo nÃvel de corrente eficaz, resultou no aumento do reforÃo, da taxa de fusÃo do arame com a diminuiÃÃo da largura e da diluiÃÃo da solda. / The use of alternating current (or variable polarity) on the tandem GMAW process was investigated experimentally. Bead-on-plate test, in flat position, were carried out using a 1.2 mm diameter on mild steel sheet (3mm-thick). The level of welding current, waveform type applied in alternating current tandem GMAW: alternating-continuous current (AC-CC) and alternating-pulsed current (AC-PC), the percentage of alternating current in the negative polarity (% DCEN), the displacement direction of electrode applied related to waveform type. It was also carried out a comparative study between variable polarity and pulsed current in tandem GMAW and, a comparative study about the arrangement of electrodes in respect to the welding direction (tandem and side-by-side). The effects on welding geometric characteristics (penetration, reinforcement and width), weld dilution, electrode fusion rate and microstructure on coarsened grain heat affected zone (CG-HAZ) were evaluated. The experiments revealed that as current level increase, the geometrics characteristics, dilution and electrode fusion rate increased accordingly. The application of variable polarity in tandem GMAW process resulted in an increase on electrode fusion rate, reinforcement and, reduction of dilution and width of weld bead. Increasing % DCEN resulted in increase reinforcement and electrode fusion rate, reduction of dilution and width and, a refinement of microstructure. By applying variable polarity waveform on the trailing electrode, dilution is reduced and reinforcement is increased. Comparing welds made with pulsed current, the use of variable polarity in tandem GMAW process resulted in increase of reinforcement, electrode fusion rate and, reduction of width and dilution.

Ces travaux présentent une recherche sur la physique du soudage hybride. La revue littéraire décrit les principaux processus physiques se produisant au cours de la combinaison Laser-arc, les principales réalisations et les problèmes rencontrés lors de l'analyse de ces processus. Les processus ont été étudiés pendant l'assemblage de matériaux de fortes épaisseurs. Deux configurations ont été utilisées. La première est le soudage d’un acier Superduplex en un seul passage, par Laser et arc distanciés. La seconde configuration est le soudage multipasse de l'acier 18MND5, où le faisceau Laser défocalisé intercepte le plasma d'arc électrique. Avec l'aide de la planification d'expérience, l'imagerie vidéo rapide, l'enregistrement des signaux électriques, la détermination de la température et des distorsions de l’assemblage ont permis d’expliquer le rôle de chaque source thermique et l'influence de leur combinaison sur la création du bain fondu, l'identification du mode de transfert métallique et la répartition de la chaleur dans la plaque soudée. Les relations entre les signaux électriques et la géométrie de l'arc, les dimensions du bain et la distribution de chaleur sont analysées à différentes échelles de temps. L'analyse thermique présentée montre que l'hypothèse de stationnarité, qui est largement utilisé par les simulateurs, est vraie seulement sur une courte période et pour une longueur donnée de soudure. L’analyse macrographique montre, quant à elle, l'effet de la variation des paramètres d'entrée sur la structure et la géométrie de la soudure. / An investigation on hybrid welding physics is presented in the current work. A literature review describes main physical processes occurring during Laser-arc combination and shows main achievements and problematics met during process analysis. Physical processes were studied during joining of very thick materials. Two configurations were used. The first configuration is welding of Superduplex steel in one pass by Laser and arc that are far apart. The second configuration is multipass welding of 18MND5 steel, where defocused Laser beam intercepts arc plasma. With a help of experiment’s design, fast video imaging, electric signals recording, determination of temperature and workpiece distortion, were explained the role of each thermal source and influence of their combination on arc behaviour, molten pool creation, metallic drop transfer evaluation and heat distribution into welded plates. The relationships between electric signals and arc geometry, bath dimensions and heat distribution have been analyzed at various time scales. Thermal analysis, presented in this work, shows that hypothesis of stationarity, which is commonly used in numerical modelling, is true only during a short welding period and for a given weld length. Macrographic analysis shows effect of input parameters variation on weld’s structure and geometry.

The thesis deals with a potential application of welding simulators in basic courses of welding held in welding schools. The first section briefly describes the welding simulators in the global market. There is a detailed description and the control of the welding simulator Virtual Welding, a description of core courses of welding and the necessary welding technology in the following section. Experiments with a welding simulator are carried out in the last section and also their evaluation, comparison and summary of costs.