This study was undertaken with the objective of determining the effect of gap distance on the weld bead geometry and the mechanical properties of the weldments. Low-alloyed and low carbon steel plates were welded under different conditions where each weldment had different gap distance and weld bead grooves. The influences of welding parameters namely, welding speed, current and voltage on the weld bead were examined in terms of weld bead penetration and heat affected zone and weld metal zone hardness variations.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da tÃcnica de soldagem de aÃos AISI 8630M e ASTM A182 F22 aplicados em componentes estruturais subaquÃticos do setor PetrÃleo e GÃs Natural considerando os parÃmetros operacionais, suas caracterÃsticas metalÃrgicas e suas propriedades mecÃnicas. Foram fabricadas juntas dos aÃos AISI 8630M ou ASTM A182 F22 previamente amanteigados com a liga de nÃquel Inconel 625  ou com uma liga de aÃo baixo carbono comumente utilizada na soldagem do aÃo AISI 8630M. Foram utilizadas diferentes tÃcnicas de amanteigamento com e sem o uso de tratamentos tÃrmicos de alÃvio de tensÃes (TTAT). Para algumas das juntas amanteigadas sem TTAT foram depositadas camadas de amanteigamento de acordo com os parÃmetros sugeridos pelos testes de Higuchi e Higuchi modificado previamente realizados. Foram realizados ensaios de dureza, microdureza e de fratura para caracterizaÃÃo mecÃnica das interfaces de amanteigamento e, alÃm disso, foi realizada uma intensa caracterizaÃÃo microestrutural da mesma utilizando microscopia Ãtica, microscopia eletrÃnica de varredura e anÃlises de EDS e de EBSD. O teste de Higuchi mostrou-se uma boa opÃÃo para escolha dos parÃmetros de amanteigamento dos aÃos AISI 8630M e ASTM A182 F22. As juntas amanteigadas com condiÃÃes indicadas pelo teste de Higuchi apresentaram um intenso refino de grÃo na ZAC dos aÃos baixa liga, enquanto as juntas amanteigadas com condiÃÃes reprovadas apresentaram granulaÃÃo grosseira. A interface dissimilar apresentou composiÃÃo quÃmica intermediÃria entre os aÃos utilizados e a liga de nÃquel, sendo essa interface chamada de zona de alta diluiÃÃo (ZAD). As ZAD apresentaram pontos de microdureza elevada e, mesmo nas amostras submetidas a TTAT, nÃo foi possÃvel revenir essas regiÃes. A zona afetada pelo calor (ZAC) das amostras amanteigadas com parÃmetros indicados pelo teste de Higuchi e sem TTAT apresentou valores de dureza similares aos das amostras soldadas com parÃmetros reprovados no teste de Higuchi e com TTAT. Os ensaios de fratura indicaram que, de uma forma geral, o TTAT nÃo trouxe Ãs ZAC benefÃcios significativos relacionados à tenacidade dessas regiÃes e, alÃm disso, os mesmos podem comprometer a tenacidade da interface dissimilar. A anÃlise do caminho preferencial à propagaÃÃo das trincas indicou que o uso de TTAT tende a fragilizar a interface dissimilar, acredita-se que esse efeito està associado a difusÃo de carbono e possÃvel precipitaÃÃo de carbonetos durante esse tratamento. Acredita-se que essa possÃvel precipitaÃÃo pode ser ainda mais crÃtica quando à considerada uma fonte constante de hidrogÃnio para a junta (como em uma proteÃÃo catÃdica), essa hipÃtese traz à tona um questionamento a respeito da necessidade do uso de TTAT na fabricaÃÃo desse tipo de junta. / The aim of this study was to evaluate the effect of welding technique in the AISI 8630M and ASTM A182 F22 steels applied in offshore structural components for Oil and Natural Gas sectors. Joints of AISI 8630M or ASTM A182 F22 were fabricated and previously buttered with nickel alloy Inconel 625  or an alloy of low carbon steel commonly used in welding of AISI 8630M. Different techniques of buttering were performed with and without post welding heat treatment (PWHT). For some of the joints buttered without PWHT, buttering layers were deposited in accordance with the welding parameters suggested by Higuchi and modified Higuchi tests previously performed. Mechanical tests (hardness, microhardness and fracture) were accomplished for buttering interfaces and an intense microstructural characterization (optical microscopy, scanning electron microscopy, EDS and EBSD) was realized. Higuchi test has been showed as a good option to select parameters for AISI 8630M and ASTM A182 F22 buttering. The joints that were buttered using the conditions indicated by Higuchi test showed an intense grain refinement in the HAZ of low alloy steels, while the ones that was buttered with the conditions disapproved showed a coarse granulation. The dissimilar interface showed off intermediate chemical composition between the steel and nickel alloy, and this interface was called high dilution zone (HDZ). The HDZ revealed points of high hardness and, even in samples subjected to PWHT was not possible to anneal these regions. The heat affected zone (HAZ) of the samples buttered using the parameters indicated by Higuchi (without PWHT) showed hardness values similar to those of the samples welded with parameters that failed in the Higuchi test and with PWHT. In general, fracture tests showed that the PWHT not bring significant toughnessâs benefits to the HAZ, furthermore, may impair the toughness of dissimilar interface. The analysis of the preferred path for cracks propagation showed that the use of PWHT tends to weak the dissimilar interface, possibly this effect is related to carbon diffusion and possible carbide precipitation during this treatment. It is believed that this precipitation can be even more critical when considering a constant supply of hydrogen to the board (as in a cathodic protection), this reinforces the use of buttering techniques without subsequent heat treatment in the manufacture of this type of joints.

<p>This master thesis deals with problems in the arc length control in Pulsed MIG/MAG Welding. The main problem is that it is not possible to measure the arc length. In the present solution the voltage over both the electrode and the arc represents the arc length. </p><p>To improve the arc length control a model of the electrode melting has been built. One output from the model is the voltage over the electrode and with this voltage together with the measured voltage it is possible to calculate the voltage over just the arc. Then, having the arc voltage as a value of arc length the arc length control can be improved, which is showed in the end by simulations. Simulations with the present control system are compared with the new one, when the controller is able to control the arc voltage instead of the sum of both the electrode voltage and the arc voltage.</p>

This master thesis deals with problems in the arc length control in Pulsed MIG/MAG Welding. The main problem is that it is not possible to measure the arc length. In the present solution the voltage over both the electrode and the arc represents the arc length. To improve the arc length control a model of the electrode melting has been built. One output from the model is the voltage over the electrode and with this voltage together with the measured voltage it is possible to calculate the voltage over just the arc. Then, having the arc voltage as a value of arc length the arc length control can be improved, which is showed in the end by simulations. Simulations with the present control system are compared with the new one, when the controller is able to control the arc voltage instead of the sum of both the electrode voltage and the arc voltage.

O objetivo deste trabalho é estudar a influência dos parâmetros do processo de soldagem MAG com transferência do metal do tipo Curto-circuito Controlado (CCC) sobre a geometria do cordão de solda. Foi utilizado um dispositivo de soldagem automatizado para realização dos testes de simples deposição sobre um tubo de aço API 5L X65 diâmetro interno 204 mm e espessura 8 mm. Os parâmetros do processo analisados foram a corrente de pico de arco (Ia1), o tempo de atuação desta corrente (ta1), o tempo de atuação da corrente Ia2 (ta2), a velocidade de alimentação do arame (W) e a velocidade de soldagem (v). Tais parâmetros foram ajustados na interface homem-máquina (IHM) de uma fonte de potência microprocessada e do dispositivo de soldagem automatizado. As características geométricas do cordão de solda analisadas foram a largura, a altura do reforço e a penetração. Foi utilizado um Projeto de Experimento Composto de Segunda Ordem para obter a relação entre os parâmetros do processo e as características geométricas do cordão. Os modelos matemáticos obtidos foram considerados adequados, sendo possível determinar estatisticamente o nível de significância de cada um dos parâmetros controláveis – e de suas interações – sobre as respostas analisadas. Foram encontradas sobreposição e falta de fusão lateral em 60% dos corpos de prova avaliados, sendo levantada a hipótese de que a combinação de altos valores da corrente de pico de arco Ia1 com baixos valores do tempo de atuação deste parâmetro – ta1, aliada à utilização de gases de proteção com alta porcentagem de Ar, pode comprometer a eficiência de fusão nas laterais do cordão de solda. Os cordões de solda foram produzidos com quantidade reduzida de salpicos, representando um avanço do processo CCC quando comparado ao processo com transferência do metal por curto-circuito convencional. Os parâmetros controláveis Ia1 e ta1 produziram efeitos muito similares nas respostas de largura e penetração, quando considerados de forma isolada e também quando da interação destes com os demais parâmetros controláveis. A análise dos efeitos das interações principais revelou que Ia1 e ta1 são os parâmetros de maior influência nas respostas da geometria do cordão de solda, porém, com elevada dependência de um ajuste adequado da velocidade de alimentação do arame W para a obtenção de estabilidade do processo. / This work aims to study the influence of MAG welding process parameters with controlled short-circuit (CSC) metal transfer mode on weld bead geometry. The simple deposition weld tests were performed using a micro controlled power supply and an automatized device which enabled achievement of weld beads with standard conditions on API 5L X65 steel pipe whose inner diameter is 204 mm and thickness is 8 mm. The welding process parameters analyzed were the peak arcing current (Ia1), times (ta1) and (ta2), wire feed speed (W) and welding speed (v). Such parameters were set on Human-Machine Interface (HMI) of the micro controlled power supply and automatized welding device. The weld bead geometric features evaluated were width, reinforcement height and penetration depth. A Central Composite Face- Centred Design of Experiment was performed to obtain the relationship between the process parameters and the weld bead geometric features. Statistical analysis allowed development of mathematical models and they were found appropriate to determine the significance level of the process parameters – and their interactions – on output responses analyzed. Overlap and lack of fusion was detected on weld beads side in 60% of all specimens evaluated. The hypothesis formulated states that the origin of these discontinuities is from specific combination of parameters – high values of Ia1 and low values of ta1 together with usage of a shielding gas with high percentage of Ar – which would lead to lower fusion efficiency on weld bead side. The weld beads were produced with low spatter rates so it can be considered an improvement of the CSC process if compared with conventional short-circuit metal transfer mode. The peak arcing current Ia1 and time ta1 yielded similar effects on width and penetration depth, and it was valid when that parameters were taken both isolated and on interactions with other welding process parameters. The present study also revealed that Ia1 and ta1 are the most important parameters on influencing weld bead geometry, however, there is also strong dependence on a proper adjustment of wire feed speed W to obtain process stability.

O objetivo deste trabalho é estudar a influência dos parâmetros do processo de soldagem MAG com transferência do metal do tipo Curto-circuito Controlado (CCC) sobre a geometria do cordão de solda. Foi utilizado um dispositivo de soldagem automatizado para realização dos testes de simples deposição sobre um tubo de aço API 5L X65 diâmetro interno 204 mm e espessura 8 mm. Os parâmetros do processo analisados foram a corrente de pico de arco (Ia1), o tempo de atuação desta corrente (ta1), o tempo de atuação da corrente Ia2 (ta2), a velocidade de alimentação do arame (W) e a velocidade de soldagem (v). Tais parâmetros foram ajustados na interface homem-máquina (IHM) de uma fonte de potência microprocessada e do dispositivo de soldagem automatizado. As características geométricas do cordão de solda analisadas foram a largura, a altura do reforço e a penetração. Foi utilizado um Projeto de Experimento Composto de Segunda Ordem para obter a relação entre os parâmetros do processo e as características geométricas do cordão. Os modelos matemáticos obtidos foram considerados adequados, sendo possível determinar estatisticamente o nível de significância de cada um dos parâmetros controláveis – e de suas interações – sobre as respostas analisadas. Foram encontradas sobreposição e falta de fusão lateral em 60% dos corpos de prova avaliados, sendo levantada a hipótese de que a combinação de altos valores da corrente de pico de arco Ia1 com baixos valores do tempo de atuação deste parâmetro – ta1, aliada à utilização de gases de proteção com alta porcentagem de Ar, pode comprometer a eficiência de fusão nas laterais do cordão de solda. Os cordões de solda foram produzidos com quantidade reduzida de salpicos, representando um avanço do processo CCC quando comparado ao processo com transferência do metal por curto-circuito convencional. Os parâmetros controláveis Ia1 e ta1 produziram efeitos muito similares nas respostas de largura e penetração, quando considerados de forma isolada e também quando da interação destes com os demais parâmetros controláveis. A análise dos efeitos das interações principais revelou que Ia1 e ta1 são os parâmetros de maior influência nas respostas da geometria do cordão de solda, porém, com elevada dependência de um ajuste adequado da velocidade de alimentação do arame W para a obtenção de estabilidade do processo. / This work aims to study the influence of MAG welding process parameters with controlled short-circuit (CSC) metal transfer mode on weld bead geometry. The simple deposition weld tests were performed using a micro controlled power supply and an automatized device which enabled achievement of weld beads with standard conditions on API 5L X65 steel pipe whose inner diameter is 204 mm and thickness is 8 mm. The welding process parameters analyzed were the peak arcing current (Ia1), times (ta1) and (ta2), wire feed speed (W) and welding speed (v). Such parameters were set on Human-Machine Interface (HMI) of the micro controlled power supply and automatized welding device. The weld bead geometric features evaluated were width, reinforcement height and penetration depth. A Central Composite Face- Centred Design of Experiment was performed to obtain the relationship between the process parameters and the weld bead geometric features. Statistical analysis allowed development of mathematical models and they were found appropriate to determine the significance level of the process parameters – and their interactions – on output responses analyzed. Overlap and lack of fusion was detected on weld beads side in 60% of all specimens evaluated. The hypothesis formulated states that the origin of these discontinuities is from specific combination of parameters – high values of Ia1 and low values of ta1 together with usage of a shielding gas with high percentage of Ar – which would lead to lower fusion efficiency on weld bead side. The weld beads were produced with low spatter rates so it can be considered an improvement of the CSC process if compared with conventional short-circuit metal transfer mode. The peak arcing current Ia1 and time ta1 yielded similar effects on width and penetration depth, and it was valid when that parameters were taken both isolated and on interactions with other welding process parameters. The present study also revealed that Ia1 and ta1 are the most important parameters on influencing weld bead geometry, however, there is also strong dependence on a proper adjustment of wire feed speed W to obtain process stability.

O objetivo deste trabalho é estudar a influência dos parâmetros do processo de soldagem MAG com transferência do metal do tipo Curto-circuito Controlado (CCC) sobre a geometria do cordão de solda. Foi utilizado um dispositivo de soldagem automatizado para realização dos testes de simples deposição sobre um tubo de aço API 5L X65 diâmetro interno 204 mm e espessura 8 mm. Os parâmetros do processo analisados foram a corrente de pico de arco (Ia1), o tempo de atuação desta corrente (ta1), o tempo de atuação da corrente Ia2 (ta2), a velocidade de alimentação do arame (W) e a velocidade de soldagem (v). Tais parâmetros foram ajustados na interface homem-máquina (IHM) de uma fonte de potência microprocessada e do dispositivo de soldagem automatizado. As características geométricas do cordão de solda analisadas foram a largura, a altura do reforço e a penetração. Foi utilizado um Projeto de Experimento Composto de Segunda Ordem para obter a relação entre os parâmetros do processo e as características geométricas do cordão. Os modelos matemáticos obtidos foram considerados adequados, sendo possível determinar estatisticamente o nível de significância de cada um dos parâmetros controláveis – e de suas interações – sobre as respostas analisadas. Foram encontradas sobreposição e falta de fusão lateral em 60% dos corpos de prova avaliados, sendo levantada a hipótese de que a combinação de altos valores da corrente de pico de arco Ia1 com baixos valores do tempo de atuação deste parâmetro – ta1, aliada à utilização de gases de proteção com alta porcentagem de Ar, pode comprometer a eficiência de fusão nas laterais do cordão de solda. Os cordões de solda foram produzidos com quantidade reduzida de salpicos, representando um avanço do processo CCC quando comparado ao processo com transferência do metal por curto-circuito convencional. Os parâmetros controláveis Ia1 e ta1 produziram efeitos muito similares nas respostas de largura e penetração, quando considerados de forma isolada e também quando da interação destes com os demais parâmetros controláveis. A análise dos efeitos das interações principais revelou que Ia1 e ta1 são os parâmetros de maior influência nas respostas da geometria do cordão de solda, porém, com elevada dependência de um ajuste adequado da velocidade de alimentação do arame W para a obtenção de estabilidade do processo. / This work aims to study the influence of MAG welding process parameters with controlled short-circuit (CSC) metal transfer mode on weld bead geometry. The simple deposition weld tests were performed using a micro controlled power supply and an automatized device which enabled achievement of weld beads with standard conditions on API 5L X65 steel pipe whose inner diameter is 204 mm and thickness is 8 mm. The welding process parameters analyzed were the peak arcing current (Ia1), times (ta1) and (ta2), wire feed speed (W) and welding speed (v). Such parameters were set on Human-Machine Interface (HMI) of the micro controlled power supply and automatized welding device. The weld bead geometric features evaluated were width, reinforcement height and penetration depth. A Central Composite Face- Centred Design of Experiment was performed to obtain the relationship between the process parameters and the weld bead geometric features. Statistical analysis allowed development of mathematical models and they were found appropriate to determine the significance level of the process parameters – and their interactions – on output responses analyzed. Overlap and lack of fusion was detected on weld beads side in 60% of all specimens evaluated. The hypothesis formulated states that the origin of these discontinuities is from specific combination of parameters – high values of Ia1 and low values of ta1 together with usage of a shielding gas with high percentage of Ar – which would lead to lower fusion efficiency on weld bead side. The weld beads were produced with low spatter rates so it can be considered an improvement of the CSC process if compared with conventional short-circuit metal transfer mode. The peak arcing current Ia1 and time ta1 yielded similar effects on width and penetration depth, and it was valid when that parameters were taken both isolated and on interactions with other welding process parameters. The present study also revealed that Ia1 and ta1 are the most important parameters on influencing weld bead geometry, however, there is also strong dependence on a proper adjustment of wire feed speed W to obtain process stability.

This thesis made in the frame of my engineer studies is focused on technologic process of welding the door-case of bakery ovens. The project will suggest and rate used based material and then the choice of filler material, methods, welding characteristics and welding procedure. At the conclusion of the thesis is brief economical analysis.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The goal of this work is to improve the knowledge of the metal transfer in MIG/MAG welding and supply data to improve the elaboration of its models. In this intention, experiments were accomplished with steel (inverse polarity; Ar+5%O2 shield gas) and aluminum (inverse polarity, Ar shield gas) electrodes, with steel electrode and several shield gases (inverse polarity, Ar+5%O2+ of 0 to 25%He shield gases) and experiments with steel electrode in direct polarity (Ar+5%O2 shield gas). The flat position welds were filmed by a high-speed video camera using the shadowgraph technique. Kinematics and dynamics characteristics of metal transfers in those experiments were obtained experimentally (droplets arrival speed in the weld pool, in flight droplets average acceleration, effective quantity of movement), and the weld geometry, and compared whenever possible with experimental and numeric results available in literature. The results showed that the weld current influences the kinematics and dynamics characteristics of the drops in all of studied conditions, that the arc length influences the cinematic characteristics and dynamics in the welds with steel and aluminum electrodes, and in the steel welds with different shield gasses; that the shield gas doesn't exercise significant influence in the appraised characteristics, and that the current polarity only affects the cinematic characteristics and dynamics in globular transfer mode. Additionally, the welding current affects the weld penetration despite the use of approximately the same heat input, the arc length affect the steel and aluminum weld penetration and with different shield gasses, the shield gas didn't exercise influences in the values of the penetration but it altered the form of the weld and the current polarity didn't exercise influences the weld penetration, but just in width and reinforcement, being more slender the weld bead in direct polarity. / Com o intuito de aprofundar o conhecimento da transferência metálica em MIG/MAG goticular e fornecer dados para aprimorar a elaboração de modelos da mesma, foram realizados experimentos com eletrodos de aço (polaridade inversa, gás de proteção Ar+5%O2) e alumínio (polaridade inversa, gás de proteção Ar), experimentos com eletrodo de aço e vários gases de proteção (polaridade inversa, gases de proteção Ar+5%O2+de 0 a 25%He), e experimentos com eletrodo de aço em polaridade direta (gás de proteção Ar+5%O2). As soldas, em posição plana, foram filmadas em alta velocidade através da técnica da perfilografia. Determinou-se experimentalmente características da transferência metálica (diâmetro das gotas e sua freqüência de destacamento e o comprimento do arco elétrico), bem como as características cinemáticas e dinâmicas das transferências metálicas obtidas nesses experimentos (velocidade de chegada das gotas à poça de fusão; aceleração média das gotas durante a trajetória; quantidade de movimento efetiva das gotas) e a geometria dos cordões de solda, comparados sempre que possível a resultados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Os resultados mostraram que a corrente e o comprimento do arco influenciam as características cinemáticas e dinâmicas das gotas em todas as condições estudadas, que o gás de proteção não exerce influência significativa nas características avaliadas, que a polaridade do eletrodo só afeta as características cinemáticas e dinâmicas no modo de transferência globular e que a quantidade de movimento efetiva das gotas influencia claramente a penetração do cordão de solda apenas quando associada à mudança no modo de transferência de globular para goticular. Adicionalmente, a corrente de soldagem afetou a penetração das soldas, mesmo utilizando-se aproximadamente o mesmo calor imposto, o comprimento do arco afetou a penetração das soldas de aço e alumínio e com diferentes gases de proteção, o gás de proteção não exerceu influência nos valores da penetração, mas alterou a forma do cordão e a polaridade não exerceu influência na penetração da solda, mas apenas na sua largura e reforço, sendo mais esbelto o cordão de solda em polaridade direta. / Doutor em Engenharia Mecânica

Le soudage à l’arc avec fil fusible est un procédé très utilisé, mais la compréhension des mécanismes régissant son fonctionnement comporte toujours quelques interrogations compte tenu de sa complexité. La composition du gaz de protection a une très forte influence sur le procédé : l’ajout de gaz actif modifie, par exemple, le courant nécessaire à la transition entre les différents régimes et est responsable de l’apparition d’oxyde de fer (gangue) à l’extrémité du fil fusible. Pour mener à bien l’étude du soudage MIG-MAG sous mélanges Ar-CO₂-O₂, plusieurs études sont réalisées pour caractériser et mieux comprendre les phénomènes physico-chimiques qui gouvernent le soudage MIG-MAG afin d’optimiser à terme le procédé. Un diagnostic spectroscopique, avec la mise en place d’un système d’acquisition composé de deux spectromètres qui permet d’enregistrer simultanément les raies spectrales de fer et d’argon, permet d’évaluer les distributions radiales de température et densité électronique dans la colonne de plasma. Une étude par cinématographie rapide est également menée pour tenter d’évaluer la formation et l’écoulement de la couche d’oxyde apparaissant en régime globulaire à la surface de l’anode fusible. Et enfin, des analyses micrographiques des électrodes sont réalisées pour étudier l’influence des modifications chimiques et structurales sur le comportement général du procédé pour différents types de paramètres utilisés. Les conséquences d’un changement de gaz de protection sont également appréhendées : Ar-CO₂, Ar-O₂ et Ar-CO₂-O₂. Il s’avère que la température électronique de l’arc évolue en présence d’oxygène dans le gaz de protection et que la modification du gaz actif modifie le type d’oxyde de fer formé. / The arc welding with consumable wire is a process widely used, but understanding the mechanisms governing its operation still has some questions given its complexity. The composition of the shielding gas has a very strong influence on the process: the addition of active gas changes, for example, the current necessary for the transition between the different metal transfers and is responsible for the appearance of an iron oxide (gangue) at the end of the consumable wire. To carry out the study of MIG-MAG welding under mixtures Ar-CO₂-O₂, several studies are performed to characterize and understand the physical and chemical phenomena that govern the MIG-MAG welding to optimize the process. A spectroscopic diagnosis, with the establishment of an acquisition system consisting of two spectrometers to record simultaneously the iron and argon spectral lines, allows to estimate the radial distributions of temperature and electron density in the plasma column. A study by rapid cinematography is also conducted to try to estimate the formation and flow of the iron oxide layer appearing in globular regime on the surface of the anode consumable. And finally, micrographic analyzes of the electrodes are made to study the influence of chemical and structural changes on the general behavior of the process for different types of parameters used. The consequences of a shielding gas change are also apprehended: Ar-CO₂, Ar-O₂ and Ar-CO₂-O₂. It turns out that the electron temperature of the arc changes in the presence of oxygen in the shielding gas and the change of the active gas modifies the type of iron oxide formed.