Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016. / Submitted by Marianna Gomes (mariannasouza@bce.unb.br) on 2016-12-08T17:07:19Z No. of bitstreams: 1 2016_FilipeFragaPaulaSilva.pdf: 3377150 bytes, checksum: f86e878fba37db866811f53f5230c51a (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2017-01-30T19:24:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_FilipeFragaPaulaSilva.pdf: 3377150 bytes, checksum: f86e878fba37db866811f53f5230c51a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-30T19:24:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_FilipeFragaPaulaSilva.pdf: 3377150 bytes, checksum: f86e878fba37db866811f53f5230c51a (MD5) / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sensor para monitoramento geométrico da poça de fusão em um processo GTAW pulsado utilizando uma câmera de alta velocidade CMOS para aquisição das imagens. A configuração da câmera é tal que o seu eixo óptico é paralelo ao eixo longitudinal da tocha e a imagem da poça de solda é transmitida por meio de um conjunto de espelhos planos. Afim de reduzir o efeito da luz causada pela emissão do arco, um filtro passa alta com corte na região do infravermelho é utilizado de tal modo que a emissão do arco no espectro visível e ultravioleta são eliminados. A configuração do sensor permite a redução do tamanho da estrutura de fixação do conjunto óptico, pois utiliza as leis da reflexão para direcionar a imagem desejada até a câmera. A estrutura de sustentação dos aparatos ópticos foi projetada com a finalidade de minimizar o efeito de vibração na câmera ocasionada pelo movimento robótico e na perda de graus de orientação da tocha no processo de soldagem robotizado. Com a configuração proposta, é possível obter imagens consistentes e de qualidade da poça de fusão permitindo extrair seus dados geométricos. Neste trabalho a principal característica geométrica desejada é a largura da poça de fusão, uma vez que é fortemente correlacionada à largura do cordão resultante. Por se tratar de um processo no qual o arco está constantemente aberto, um software para sincronização das imagens baseado na análise do brilho do arco foi proposto, mostrando eficiência na seleção das imagens com menor interferência luminosa. A integração da estrutura óptica com os softwares proporcionou imagens consistentes para análise de parâmetros que futuramente podem ser usadas nos métodos de controle. / This work presents the development of a sensor for monitoring weld pool geometry in a pulsed GTAW process using a high-speed CMOS camera for image acquisition. The configuration of the camera is such that its optical axis is parallel to the longitudinal axis of the torch and the weld pool image is transmitted through a set of plane mirrors. In order to reduce the effect caused by the emission of light from the arc, a long wave pass filter with cutoff in the infrared region is used such that the emission of the arc in the UV and visible spectra are eliminated. The proposed sensor configuration enabled the reduction in size of the optical assembly structure because it uses the laws of reflection to direct the desired image to the camera. The bearing structure of the optical apparatus is designed in order to minimize the effect of camera vibration caused by robotic movement and loss of degrees orientation of the robot torch at the welding process. With the proposed configuration, it is possible to obtain consistent quality images of the weld pool, allowing extract their geometric data. At this work, the main geometrical feature desired is the weld pool width, once it is strongly correlated the resulting bead width. Because it is a process in which the arch is constantly open, one software for synchronization based on the analysis of the arc brightness was proposed showing efficiency in the selection of images with less light interference. The integration of optical structure with the proposed software provided consistent images for analysis of parameters that can be used in future control methods.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-09-27T18:35:49Z No. of bitstreams: 1 2018_JorgeAndrésGirónCruz.pdf: 3947071 bytes, checksum: 0cce733c018362c50b17b1729129344e (MD5) / Approved for entry into archive by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-10-08T20:47:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_JorgeAndrésGirónCruz.pdf: 3947071 bytes, checksum: 0cce733c018362c50b17b1729129344e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-08T20:47:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_JorgeAndrésGirónCruz.pdf: 3947071 bytes, checksum: 0cce733c018362c50b17b1729129344e (MD5) Previous issue date: 2018-09-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ). / A busca por métodos de produção com melhor controle da qualidade e maior produtividade tem impulsionado o uso de sistemas automatizados em processos industriais como a soldagem. Porém, tornar a soldagem eficiente e econômica, é necessário para reduzir o desperdício de material e tempo gasto na produção e ensaios de verificação de qualidade. Isso pode ser conseguido por meio de sistemas automatizados que substituam os soldadores especialistas e sejam capazes de prever a geometria do cordão de solda a partir dos parâmetros de soldagem – permitindo que um processo realizado com os parâmetros determinados forneça uma junta com as propriedades mecânicas desejadas. Durante anos, muito se tem feito no sentido de prever os problemas na soldagem com o intuito de torná-la um processo estável, capaz de efetuar uniões de peças com o mínimo de interferência humana. Dos vários sensores utilizados em processos de soldagem, ainda não há uma opção eficaz capaz de identificar, diretamente, as características do cordão obtido durante o processo. Esse é um fator limitante no controle do processo, pois somente é possível determinar as características do cordão após a realização da solda através de ensaios (destrutivos ou não), quando nenhuma ação de controle pode ser tomada. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de monitoramento da poça de fusão em tempo real usado para obter imagens do comportamento da oscilação da poça durante a solda. Uma nova abordagem para este tipo de imagens é a utilização de um sistema de iluminação por laser do processo, de modo que uma imagem de alta qualidade natural da poça de fusão, eletrodo e cordão de solda possa ser obtida, dando detalhes da poça e arredores. Essa estratégia, independente de modelos pré-definidos do processo, permite controlar a penetração dos cordões de solda no processo GMAW no modo de transferência metálica por curto-circuito (GMAW-S). Para o modelo e controlador definiu-se a utilização de sistemas inteligentes focados diretamente nas medições da oscilação da poça de fusão e a estimação da penetração dos cordões de solda a partir dos parâmetros de processo. Finalmente, um modelo para relacionar a profundidade da penetração, a frequência de oscilação da poça com a formação e o padrão das escamas na superfície do cordão de solda é proposto. / The search for methods of production with better quality control and greater productivity has promoted the use of automated systems in industrial processes such as welding. However, make the welding efficient and economical; it is necessary to reduce the waste and time spent on the production and quality tests. This can be achieved by means of automated systems to replace those skilled welders and be able to predict the geometry of the weld bead as welding parameters - allowing a process performed with the determined parameters provide a joint with the desired mechanical properties. For years, much has been done to predict problems in welding in order to make it a stable process capable of making unions parts with minimal human interference. The various sensors used in welding processes, there is still no effective option able to identify, directly, the weld bead characteristics obtained during the process. This is a limiting factor in the process control, because only can be determined the weld bead characteristics after the completion of welding through testing (destructive or not) when no control action can be taken. This work proposes the development of a real-time weld pool monitoring system to obtain the images of the weld pool oscillation behavior during welding. A novel approach to this type of images is the use of a laser lighting system for illumination of the process, so that a high quality natural image of the weld pool, electrode and weld bead can be obtained, giving details of the weld pool and surrounding area. This strategy, regardless of predefined models, can control the weld bead penetration in the GMAW-S process. For the proposed model and controller is defined the use of intelligent systems focused on the measurements of the weld pool oscillations and the estimation of the weld bead penetration from the process parameters. Finally, a model to relate the weld penetration depth, the weld pool oscillation frequency with the formation and the pattern of the ripples on the weld bead surface is proposed.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-10-04T21:29:54Z No. of bitstreams: 1 2018_JorgeAndrésGirónCruz.pdf: 3947071 bytes, checksum: 0cce733c018362c50b17b1729129344e (MD5) / Approved for entry into archive by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-10-09T20:43:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_JorgeAndrésGirónCruz.pdf: 3947071 bytes, checksum: 0cce733c018362c50b17b1729129344e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-09T20:43:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_JorgeAndrésGirónCruz.pdf: 3947071 bytes, checksum: 0cce733c018362c50b17b1729129344e (MD5) Previous issue date: 2018-10-09 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ). / A busca por métodos de produção com melhor controle da qualidade e maior produtividade tem impulsionado o uso de sistemas automatizados em processos industriais como a soldagem. Porém, tornar a soldagem eficiente e econômica, é necessário para reduzir o desperdício de material e tempo gasto na produção e ensaios de verificação de qualidade. Isso pode ser conseguido por meio de sistemas automatizados que substituam os soldadores especialistas e sejam capazes de prever a geometria do cordão de solda a partir dos parâmetros de soldagem – permitindo que um processo realizado com os parâmetros determinados forneça uma junta com as propriedades mecânicas desejadas. Durante anos, muito se tem feito no sentido de prever os problemas na soldagem com o intuito de torná-la um processo estável, capaz de efetuar uniões de peças com o mínimo de interferência humana. Dos vários sensores utilizados em processos de soldagem, ainda não há uma opção eficaz capaz de identificar, diretamente, as características do cordão obtido durante o processo. Esse é um fator limitante no controle do processo, pois somente é possível determinar as características do cordão após a realização da solda através de ensaios (destrutivos ou não), quando nenhuma ação de controle pode ser tomada. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de monitoramento da poça de fusão em tempo real usado para obter imagens do comportamento da oscilação da poça durante a solda. Uma nova abordagem para este tipo de imagens é a utilização de um sistema de iluminação por laser do processo, de modo que uma imagem de alta qualidade natural da poça de fusão, eletrodo e cordão de solda possa ser obtida, dando detalhes da poça e arredores. Essa estratégia, independente de modelos pré-definidos do processo, permite controlar a penetração dos cordões de solda no processo GMAW no modo de transferência metálica por curto-circuito (GMAW-S). Para o modelo e controlador definiuse a utilização de sistemas inteligentes focados diretamente nas medições da oscilação da poça de fusão e a estimação da penetração dos cordões de solda a partir dos parâmetros de processo. Finalmente, um modelo para relacionar a profundidade da penetração, a frequência de oscilação da poça com a formação e o padrão das escamas na superfície do cordão de solda é proposto. / The search for methods of production with better quality control and greater productivity has promoted the use of automated systems in industrial processes such as welding. However, make the welding efficient and economical; it is necessary to reduce the waste and time spent on the production and quality tests. This can be achieved by means of automated systems to replace those skilled welders and be able to predict the geometry of the weld bead as welding parameters - allowing a process performed with the determined parameters provide a joint with the desired mechanical properties. For years, much has been done to predict problems in welding in order to make it a stable process capable of making unions parts with minimal human interference. The various sensors used in welding processes, there is still no effective option able to identify, directly, the weld bead characteristics obtained during the process. This is a limiting factor in the process control, because only can be determined the weld bead characteristics after the completion of welding through testing (destructive or not) when no control action can be taken. This work proposes the development of a real-time weld pool monitoring system to obtain the images of the weld pool oscillation behavior during welding. A novel approach to this type of images is the use of a laser lighting system for illumination of the process, so that a high quality natural image of the weld pool, electrode and weld bead can be obtained, giving details of the weld pool and surrounding area. This strategy, regardless of predefined models, can control the weld bead penetration in the GMAW-S process. For the proposed model and controller is defined the use of intelligent systems focused on the measurements of the weld pool oscillations and the estimation of the weld bead penetration from the process parameters. Finally, a model to relate the weld penetration depth, the weld pool oscillation frequency with the formation and the pattern of the ripples on the weld bead surface is proposed.

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