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Variação Dimensional do Comprimento e Espaçamento de Cordões de Solda Com a Utilização de Análise Fatorial em Três Níveis

Autores

Carpenedo, Marceloa. mcarpenedo@gmail.com

Gonzalez, Arnaldo Rb. ruben@mecanica.ufrgs.br

Reguly, Afonsoa. reguly@ufrgs.br

a Departmento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Av. Bento Gonçalves, 9500 – Setor 4 – Prédio 74 – Sala 211, 91501-970, RS, Brazil.

b Departmento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Rua Sarmento Leite, 425 – Sala 202 – 2º andar, 90046-902, RS, Brazil.

Contatos do autor: Tel.: +55 51-982178461; E-mail address: mcarpenedo@gmail.com

Resumo

O processo de soldagem semiautomático é amplamente utilizado na indústria, mas apresenta limitações para o correto posicionamento dos cordões de solda quanto ao seu comprimento e espaçamento quando aplicado de forma intermitente. Este artigo apresenta uma análise estatística que relata a existência de variações dimensionais importantes no produto final deste processo de soldagem, analisando os principais fatores que influenciam essas variabilidades e a falta de recursos práticos para mitigar seus efeitos indesejáveis na junta soldada. Para mitigar esta lacuna no processo de fabricação em questão é proposta a aplicação de marcações de soldagem, que são relevos físicos aplicados na borda de soldagem da junta com o objetivo de orientar o soldador a aplicar os cordões de solda na posição correta, com precisão. Os resultados experimentais mostraram uma solução que proporciona ganhos significativos ao processo de soldagem, apresentando uma técnica de soldagem que atenua grande parte das variáveis do processo com influência positiva na precisão dimensional dos cordões de solda.

Palavras Chave

Soldagem semiautomática, Comprimento do cordão, Precisão dimensional, Melhoria do processo

Abreviações

Lp – Comprimento especificado do cordão de solda

Lpm – Comprimento verificado do cordão de solda aplicado com o uso da marcação na junta

Lpsm – Comprimento verificado do cordão de solda aplicado sem o uso da marcação na junta

Le – Espaçamento especificado do cordão de solda

MAG – Metal Active Gas

1-Introdução

O processo de soldagem semiautomático, apesar de amplamente utilizado na indústria, possui uma característica intrínseca que é o controle do movimento do bocal de soldagem estritamente dependente da habilidade do operador. Esta condição gera restrições quanto ao alcance das dimensões especificadas dos cordões de solda, tendo relação com seu comprimento e espaçamento.

Atualmente faltam estudos continuados sobre os efeitos estruturais resultantes da precisão dimensional dos cordões de solda para o processo de soldagem semiautomática aplicado de forma intermitente, não havendo referências sobre o estado da arte e soluções para melhorar esta condição de fabricação. Os padrões de soldagem fornecem alguns graus de variação quanto ao comprimento e espaçamento dos cordões de solda, mas para algumas aplicações essa faixa de tolerância pode trazer alguns efeitos estruturais negativos para a junta.

Este cenário mostra a necessidade de melhorias neste processo de soldagem, conduzindo ao desenvolvimento e avaliação de novas técnicas para aplicação de cordões de solda intermitentes sob a operação semiautomática. As marcações de solda, que são relevos físicos aplicados na borda de solda das juntas, são a solução proposta para orientar o soldador sobre o correto posicionamento do cordão de solda, eliminando variações do processo que causam imprecisões no início/fim da soldagem.

Este estudo baseou-se em uma investigação estatística sobre as melhorias obtidas com a utilização das marcações de solda em relação ao estado da arte através da avaliação ANOVA, aplicando o experimento do projeto fatorial 32 com três repetições. O estudo foi realizado avaliando os efeitos das marcações de soldagem no comprimento e posicionamento do cordão de solda, comparando a mesma análise aplicada ao estado da arte da técnica de soldagem semiautomática, ambas utilizando MAG convencional – Metal Active Gas – e cordões de solda intermitentes.

A metodologia ANOVA foi utilizada para determinar estatisticamente a significância de cada fator avaliado, comprimento do cordão de solda – Lp e espaçamento do cordão de solda – Le, por meio da análise do valor de p. Como as soldas aplicadas com marcações e pelo estado da arte não possuem relação entre seus resultados, foi realizado o método estatístico de inferência para comparar a precisão dimensional das soldas aplicadas por ambos os processos quanto às suas variações dimensionais.

2-Revisão

Ao longo da evolução do processo de soldagem em relação a consumíveis e equipamentos, especialmente considerando a tendência para a automação e robotização de processos [3-4], o processo de soldagem MAG semiautomático continua a ser amplamente utilizado na indústria [5], principalmente quando aplicado para soldagem de cordões intermitentes. Porém, uma característica permaneceu inalterada desde o início da aplicação deste processo de soldagem na indústria que é o formato da borda da solda.

A qualidade da solda quanto à precisão dimensional, quando aplicada por processo semiautomático, é resultado direto da habilidade do soldador [6], uma vez que o posicionamento do cordão de solda é definido por referências superficiais, ferramentas ou apenas pela habilidade e experiência do soldador no manuseio do bocal de solda. Estas características têm relação direta com a qualidade da junta, relatada por [7] e [8] como um aspecto de crescente preocupação industrial no atual cenário econômico.

Complementando as preocupações em relação à qualidade da soldagem, [9] e [10] realizaram estudos para verificar a influência do posicionamento do cordão de solda na rigidez estrutural e na resistência mecânica do componente, demonstrando influência direta dessas características na resistência mecânica da junta.

Seguindo as recomendações das normas de soldagem [11] e [12] os tamanhos e comprimentos de solda não devem ser inferiores aos especificados em projeto, reforçando a necessidade de se atingir o comprimento de solda correto e, consequentemente, os requisitos mecânicos projetados para a junta. Esses critérios levam projetistas e engenheiros a buscar soluções, no chão de fábrica ou nos departamentos técnicos, para atingir as recomendações padronizadas e obter uma entrega segura do produto.

A marcação de solda é uma solução desenvolvida para solucionar problemas de comprimento da solda e precisão de posicionamento, projetada para ser aplicada em soldas intermitentes em peças de chapas metálicas, finas ou grossas, cortadas por processo a laser. É um alívio adicionado na borda de soldagem das peças durante o processo de corte da peça, que serve de orientação ao soldador sobre os locais corretos para iniciar e finalizar o cordão de solda.

Este artigo fornece dados sobre uma solução de soldagem para preparar e utilizar peças de chapa metálica a serem soldadas, a fim de melhorar a precisão dimensional do comprimento e posicionamento do cordão de solda, aplicando marcações físicas diretamente na fase de projeto, permitindo ao soldador seguir características visíveis para garantir o posicionamento do cordão de solda durante o processo de soldagem.

Neste trabalho foi realizado o projeto experimental fatorial de três níveis para investigar a influência dos fatores Lp e Le no corpo do cordão de solda produzido pelo processo MAG, seguido por uma análise de inferência estatística, buscando verificar a variação dimensional entre ambas as técnicas de soldagem.

3-Procedimento Experimental

A presente pesquisa considera a análise de dois fatores relativos aos cordões de solda, Lp (comprimento do cordão de solda) e Le (espaçamento do cordão de solda) e níveis tridimensionais para cada fator, avaliando a interação entre eles e os efeitos de cada combinação nas respostas para a precisão do posicionamento do cordão de solda com base em suas características técnicas. As avaliações de ambos os fatores foram realizadas utilizando duas técnicas de soldagem para processo MAG semiautomático:

1 – A técnica de soldagem proposta, onde o posicionamento das soldas intermitentes é definido pela presença de marcações, orientando o soldador sobre os locais exatos de início e término dos cordões de solda, conforme mostra a figura 1.a;

2 – A técnica de soldagem atualmente utilizada na indústria, aplicando soldas intermitentes diretamente na borda de soldagem da amostra, conforme mostra a figura 1.b.

A análise tem como objetivo comparar os resultados para quantificar estatisticamente como as marcações das juntas podem melhorar o processo de soldagem atual quanto à sua precisão dimensional.

Figura 1: Características das bordas de solda para ambas as técnicas de soldagem: a) proposta, utilizando as marcações da junta e b) atual, com borda de solda plana.

A Figura 1.a mostra a aresta de solda com a presença das marcações, conferindo referências para o posicionamento do bocal de soldagem quanto às posições inicial e final do cordão. A Figura 1.b mostra a aresta de solda no formato atual, com borda plana e simples.

Para a análise estatística foi realizado um planejamento fatorial em três níveis com três repetições 32, submetendo os resultados à análise de variância – ANOVA para analisar a relevância de cada fator avaliado e concluindo a análise pelo método de inferência estatística, observando como os fatores são influenciados por si mesmos, sem influência da vizinhança. Os níveis dos fatores selecionados para o procedimento experimental foram definidos com base em valores usuais para dimensões do cordão de solda intermitente quanto ao comprimento e espaçamento aplicados na indústria, aplicados em chapas com espessura de 3 mm, definindo os comprimentos do cordão de solda de 30, 40 e 50 mm e espaçamentos de 30, 50 e 70 mm, conforme Tabela 1.

Tabela 1. Níveis codificados e naturais para os fatores e níveis estabelecidos na análise.

A Tabela 2 apresenta a combinação de fatores e níveis e suas respectivas respostas, onde Lpm é a resposta para comprimento do cordão de solda com marcações e Lpsm é a resposta para comprimento do cordão de solda para a técnica atual. Ambas as respostas Lpm e Lpsm são resultados da combinação Lp e Le, de acordo com cada etapa da execução.

Tabela 2: Resumo das combinações do planejamento fatorial 3k e dos resultados experimentais de Lpm e Lpsm.

As amostras foram soldadas utilizando chapas metálicas laminadas a frio baseadas na norma ASTM A1011 Grau 50 (American Society for Testing and Materials, 2008), obtidas na forma de tiras com largura, comprimento e espessura de 25,0 mm, 400,0 mm e 3, 17 mm, respectivamente. A composição química e as propriedades mecânicas do material são apresentadas nas tabelas 3 e 4, respectivamente, conforme especificado na norma.

Tabela 3: Composição química do metal base para o aço Grau 50. Valores em % em peso. Fonte: ASTM A1011 (2008).

Tabela 4: Propriedades mecânicas do metal base do aço Grau 50. Fonte: ASTM A1011 (2008).

As amostras foram cortadas por uma máquina de corte a laser marca Cincinnati, modelo nº CL-7A e soldadas pelo método semiautomático utilizando uma fonte de energia ESAB, modelo LAI 400 com potência nominal de 14,6 KVA.

A Figura 2 mostra a geometria das amostras antes da soldagem, onde a Figura 2.a mostra a tira básica destinada à técnica de soldagem atual, com borda de soldagem plana. A tira 2.a dupla combinada resulta na amostra final para avaliação da técnica atual, sem marcações. A tira 2.b em combinação com a 2.a resulta na amostra final para avaliação da técnica proposta, com as marcações das juntas. A tira 2.c mostra uma tira com marcações resultantes do processo de corte.

Figura 2: Amostras básicas resultantes do processo de corte a laser.

Os parâmetros de soldagem aplicados na soldagem das amostras são mostrados na Tabela 5.

Tabela 5: Parâmetros de soldagem utilizados para soldagem das amostras.

As amostras finais soldadas resultaram com largura e comprimento de 50,0 mm e 400,0 mm, respectivamente, conforme mostra a figura 3, onde pode ser visualizada uma amostra da solda realizada utilizando as marcações.

Figura 3: a) Exemplo de especificação de amostra para processo de soldagem; b) Exemplo de amostra final soldada.

Na figura 3.a é mostrada a especificação de projeto e dimensões de uma das amostras avaliadas, enquanto na figura 3.b é mostrada uma amostra soldada, ambas para a técnica de soldagem proposta, com marcações nas juntas.

Os cordões de solda foram medidos utilizando paquímetros com resolução de 0,05 mm e os resultados são apresentados na tabela 2. As medidas consideraram o comprimento entre as duas extremidades visíveis dos cordões de solda, conforme mostra a figura 4.

Figura 4: Comprimento do cordão de solda medido.

4-Resultados e Discussões

A partir dos resultados apresentados na Tabela 2, aplicando ANOVA, foram obtidos os seguintes dados sobre as técnicas de soldagem atuais e propostas quanto ao comprimento do cordão e precisão do espaçamento.

4.1-Nova Técnica de Soldagem Proposta

Foi realizada uma ANOVA para quantificar a importância relativa de cada fator (Lp e Le) e também sua interação nos resultados de Lpm. O percentual de contribuição foi calculado pela razão entre a soma dos quadrados (SS) dos fatores selecionados e a soma dos quadrados total. A Tabela 6 apresenta os resultados da ANOVA realizada com os dados adquiridos considerando um intervalo de confiança de 95%. Os fatores são fisicamente significativos quando a sua percentagem de contribuição é superior ao erro associado, que neste caso é de 5%.

Os resultados apresentados nesta tabela estão de acordo com os resultados obtidos na figura 7 em que Lp (mm) é o fator mais importante que afeta Lpm (84,1%). O Le (2,5%) por si só não tem influência significativa na resposta Lpm para a faixa selecionada de fatores, seguido pela interação Lp x Le (1,2%). A taxa de contribuição total dos fatores Lp e Le sobre a Lpm foi de 87,8%.

Tabela 6. ANOVA dos valores para Lpm.

A significância de Lp indica a eficácia das marcações de soldagem no controle dimensional dos cordões de solda, onde tanto o comprimento quanto o espaçamento não são afetados um pelo outro. A única influência visível na variação do comprimento dos cordões de solda ocorre em relação ao seu próprio comprimento Lp, que é definido em projeto.

A Figura 5 apresenta os resultados de Lpm de acordo com a especificação Lp, mostrando o nível de precisão da técnica de soldagem proposta em relação ao Lp.

Figura 5. Principais efeitos do fator Lp sobre Lpm.

Na Figura 5 observa-se que nos três níveis (Lp) avaliados o Lpm permaneceu ligeiramente acima das especificações de Lp, com as respostas mantendo as variâncias aumentando inversamente proporcionais ao aumento dos níveis. Isto significa que quanto maior for Lp maior será a precisão dimensional do cordão de solda.

A Figura 6 mostra a variação média de Lpm em função dos valores de Le.

Figura 6. Gráfico dos principais efeitos para Lpm x Le.

Na Figura 6 pode-se observar que Lpm tende a manter sua constância dimensional à medida que Le aumenta, permanecendo sem influência de fatores externos. Uma característica sutil pode ser observada devido à suave diminuição do Lpm com o aumento do Le, seguindo a tendência da figura 5 e reforçando que nenhum fator externo afeta a variação do comprimento do cordão de solda quando aplicado por meio de marcações.

A Figura 7 mostra variações de Lpm de acordo com sua especificação Lp em combinação com Le.

Figura 7. Gráfico de fatores de interação (Lp x Le) para Lpm.

A Figura 7 mostra que Lpm segue uma variação dimensional proporcionalmente constante ao aumento de Lp, independentemente da especificação de Le, com Lpm permanecendo levemente acima de Lp, exceto em um ponto específico onde Lp = 50 mm combinado com Le = 70 mm resultou em Lpm abaixo de Lp, representando 33 ,3% da amostragem para Lp = 50 mm (execuções 9, 16 e 17 da tabela 2).

As Figuras 5, 6 e 7 mostram que as respostas para cada nível de Lpm avaliado seguem uma variação dimensional constante de acordo com a especificação de Lp, não sendo afetada por Le e permanecendo acima dos valores especificados de Lp predominantemente na maioria dos casos.

4.2-Técnica de Soldagem Atual

Também foi realizada uma ANOVA para quantificar a importância relativa de cada fator (Lp e Le) e também sua interação nos resultados de Lpsm para o processo de soldagem atual, sem as marcações.

Os resultados apresentados nesta tabela estão de acordo com os resultados obtidos na figura 10 em que Lp (mm) é o fator mais importante que afeta a Lpm (86,3%). A interação Lp x Le tem significância relevante (4,4%) e o próprio Le (1,3%) não tem influência significativa na resposta Lpm para a gama de fatores selecionada.

A Tabela 7 apresenta a análise de variância (ANOVA) para dados de Lp pela técnica de soldagem atual, sem utilização de marcações.

Tabela 7. Análise de variância para dados Lpsm.

Pode-se observar que, para as soldas realizadas sem marcações (processo de soldagem atual), o fator Lp também é significativo para o controle de Lpsm. Porém Lp x Le, apesar de não ter significância estatística para as respostas avaliadas, está consideravelmente próximo da fronteira de controle da significância. Esta condição conduz a uma revisão de sua significância estatística, considerando para esta situação como significativa devido aos resultados obtidos nas comparações Lpsm x Le e Lpsm x Lp x Le apresentados nas Figuras 8 e 9, respectivamente, onde Lp apresenta uma tendência de influenciar a dimensão final de Lpsm em função de Le.

A significância de Lp x Le, além de Lp, indica a influência de fatores externos relacionados às variações dimensionais não só de Lp, mas também de Le. Neste caso, como não há limitações físicas para definir o início e o final do cordão de solda, seu posicionamento é definido considerando geometrias próximas como cordões de solda ou outros componentes da junta, além da habilidade do soldador.

A Figura 8 representa o posicionamento do Lpsm conforme Lp especificado, mostrando a falta de precisão dimensional da técnica de soldagem atual em relação aos valores de Lp especificados. Estes resultados refletem o cenário atual do processo de soldagem semiautomática aplicado em soldas intermitentes.

Figura 8. Gráfico de efeitos do fator principal Lp para Lpsm.

Na Figura 8 pode-se observar que todos os cordões de solda – Lpsm – resultaram em comprimentos abaixo do especificado para Lp, mostrando que a técnica de soldagem atual tem uma tendência consistente de não atingir as especificações de projeto para o comprimento do cordão de solda. Apenas em um caso (execução 22 da tabela 2) o Lpsm permaneceu acima da especificação Lp, representando 11,1% dos casos para Lp = 30 mm. Observa-se também as respostas mantendo o aumento da variância diretamente proporcional ao aumento dos níveis (inverso ao observado na figura 5), o que significa que quanto maior for Lp maior será a variação dimensional do cordão de solda.

A Figura 9 mostra os valores médios de Lpsm em função dos valores de Le.

Figura 9. Gráfico dos principais efeitos para Lpsm x Le.

Pode-se observar na Figura 9 que os valores médios de Lpsm aumentam à medida que Le aumenta, mostrando uma relação direta entre o comprimento do cordão de solda e seus elementos vizinhos. Em comparação com a figura 6, as médias de Lpsm são consistentemente inferiores a Lpm, mostrando uma evidência da discrepância de precisão dimensional entre as duas técnicas de soldagem.

A Figura 10 mostra a variação do Lpsm de acordo com sua referência Lp em combinação com Le.

Figura 10. Gráfico de interação para Lpsm x Lp e Le.

A Figura 10 mostra que, para valores de Le de 50 mm e 70 mm, o Lpsm segue uma variação proporcional em relação ao Lp, porém para o valor de Le de 30 mm observa-se uma dispersão nos valores de Lpsm, o que indica a influência de fatores externos no comprimento do Lpsm.

A observação mais importante na Figura 10 é que 100% dos casos Lpsm resultaram abaixo das especificações Lp, ou seja, 100% das soldas fora das especificações.

As influências de fatores externos estão ligadas ao Lpsm na percepção do soldador durante a aplicação da solda, uma vez que a presença de características geométricas próximas ao próximo cordão de solda a ser aplicado tem uma influência importante nas decisões do soldador quanto aos pontos de início/fim do cordão de solda.

4.3-Inferência Estatística

Apesar dos resultados promissores com a utilização da marcação de juntas é importante ter em mente que a significância dos resultados depende exclusivamente dos métodos de soldagem avaliados, não havendo relação entre eles. Para analisar esta relação e comparar sua influência sobre a eficiência da técnica de soldagem proposta, os resultados dos dados foram avaliados sob abordagem de inferência estatística, buscando a diferença efetiva entre os dois métodos avaliados. Os números analisados são apresentados na Tabela 8, derivados da Tabela 2.

Tabela 8: Dados para análise de inferência estatística.

Observa-se que as médias µ são significativamente maiores para Lpsm em relação a Lpm, o que confirma a superior precisão da técnica de soldagem utilizando a marcação.

A Figura 11 apresenta a análise gráfica para ambos os níveis de fator avaliados, comparando Lpm x Lpsm para Lp = 30 mm, 40 mm e 50 mm nas figuras 11.a, 11.b e 11.c, respectivamente.

Figura 11. Comparação de Lpm e Lpsm para os três níveis analisados.

Pode-se observar um padrão de dados predominante para ambas as técnicas de soldagem avaliadas e não dependente do nível avaliado, onde os cordões de solda aplicados com as marcações permaneceram acima da linha especificada na maioria dos casos, significando o cumprimento predominante das especificações do projeto. Para os três níveis avaliados observou-se que num nível de confiança de 95% as médias do Lpm superam o Lpsm.

Esta análise corrobora a superioridade dos cordões de solda aplicados com a utilização de marcações de juntas, conferindo maior precisão dimensional ao componente, o que invariavelmente significa um aumento de qualidade nos custos de processo e nas propriedades mecânicas do componente.

5-Conclusão

As soldas aplicadas sem a marcação das juntas resultaram em 3,7% das amostras com valores de Lpsm acima de Lp, o que significa que 96,3% das amostras não atingiram as especificações de projeto. Situação oposta foi observada para as soldas aplicadas com as marcações, onde 92,6% das amostras atingiram as especificações de projeto.

A variação dimensional do comprimento da solda, quando avaliada sem a utilização de marcações, resultou em números significativamente influenciados pela extensão do cordão de solda e sua distância até os próximos elementos da junta. A especificação Lp e Le afeta diretamente os valores Lpsm, que dependem do comprimento, posição e extensão da borda de solda. Quando a variação dimensional é avaliada com o uso da marcação da junta Le não afeta os valores de Lpm, o que torna a variação de Lpm independente da distância do cordão de solda com o próximo elemento.

A utilização das marcações de juntas permite ao soldador ter referências sobre limitações físicas dedicadas exclusivamente a orientá-lo quanto ao correto posicionamento inicial e final do bocal de solda, garantindo que o ponto inicial da solda seja posicionado levemente antes da marcação da solda e o ponto final levemente após a marcação.

Estas características conferem ao processo de soldagem semiautomático uma precisão dimensional superior à exatidão dimensional do comprimento e espaçamento do cordão de solda quando comparado ao processo atual, resultante dos métodos de controle atualmente disponíveis.

Reconhecimentos

Esta pesquisa não recebeu nenhum subsídio específico de agências de financiamento dos setores público, comercial ou sem fins lucrativos.

6-Referências

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Dimensional Variation Analysis of Weld Bead Length and Spacing Applying Three-level Factorial Design

Authors

Carpenedo, Marceloa. mcarpenedo@gmail.com

Gonzalez, Arnaldo Rb. ruben@mecanica.ufrgs.br

Reguly, Afonsoa. reguly@ufrgs.br

a Department of Materials Engineering, Federal University of Rio Grande do Sul. Av. Bento Gonçalves, 9500 – Sector 4 – Building 74 – Room 211, 91501-970, RS, Brazil.

b Department of Mechanical Engineering, Federal University of Rio Grande do Sul. Rua Sarmento Leite, 425 – Room 202 – 2º floor, 90046-902, RS, Brazil.

Corresponding author: Tel.: +55 51-982178461; E-mail address: mcarpenedo@gmail.com

Abstract

Semi-automatic welding process is widely used in industry, but has limitations for the correct positioning of weld beads regarding length and spacing when applied intermittently. This paper provides a statistical research that reports the existence of important dimensional variations in the final product of this welding process, analyzing the main factors that have influence over these variances and the lack of resources to mitigate their undesirable effects on the welded joint. To mitigate this gap on manufacturing process is proposed the application of the welding markings, which are physical reliefs applied on the welding edge of the joint aimed to orient the welder to apply the weld beads in the correct position, precisely. The experimental results showed a solution that provides significant gains to the welding process, presenting a welding technique that mitigates most of the process variables with influence over the dimensional precision of the weld beads.

Keywords

Semi-automatic weld, Weld length, Dimensional precision, Process improvement

Abbreviations

Lp – Specified weld bead length

Lpm – Verified weld bead length applied with joint markings usage

Lpsm – Verified weld bead length applied without joint markings usage

Le – specified weld bead spacing

MAG – Metal Active Gas

1-Introduction

The semi-automatic welding process, despite widely used in the industry, has an intrinsic characteristic which is the movement control of the welding gun strictly dependent by the operator’s skills. This condition generates restrictions regarding the achievement of desired dimensions of the weld beads, which has relation to their length and spacing.

Currently there is a lack of continued studies about the resulting structural effects of the dimensional precision of the weld beads for the semi-automatic welding process applied intermittently, having no references about the state of art and solutions to improve this manufacturing condition. Welding standards provide some degrees of variation about weld beads length and spacing, but for some applications these range of tolerance can bring some structural negative effects for the joint.

This scenario shows the need for improvements in this welding process, conducing to the development and evaluation of new techniques to apply intermittent weld beads under semi-automatic handling. The weld markings, which are physical reliefs applied on the weld edge of the joints, are the solution proposed to orientate the welder about the correct weld bead positioning, eliminating variances from the process that causes imprecise weld start/end placing.

This study has been based in a statistical investigation about the improvements obtained by using the weld markings compared to the state of art through ANOVA assessment, applying experiment project factorial 32 with three replications. The study was carried out evaluating the welding markings effects on the weld bead length and positioning, comparing the same analysis applied to the state of art of semi-automatic welding technique, both using conventional MAG – Metal Active Gas – and intermittent weld beads.

ANOVA methodology was carried out to statistically determine the significance of each factor evaluated, weld bead length – Lp and weld bead spacing – Le, by p value analysis. Once welds applied with markings and by state of art have no relation between their results, inference statistic method was carried out to compare the dimensional accuracy of the welds applied by both process regarding its dimensional variations.

2-Revision

Along welding process evolution regarding consumables and equipment, especially considering the guidance to the process automation and robotization [3-4], the semi-automatic MAG welding process continues to be widely used in the industry [5], mainly when applied for intermittent weld beads. However, one characteristic remained unchanged since the beginning of the application of this welding process in the industry, which is the weld edge shape.

Weld quality regarding dimensional precision, when applied by semi-automatic process, is a direct result of the welder’s skills [6], once the weld bead positioning is defined by superficial references, tooling or just by the welder ability and experience to handling the weld gun. These characteristics have direct relation to the joint quality, reported by [7] and [8] as an aspect with increasing industrial concerning in the current economic scenario.

Complementing the welding quality concerning, [9] and [10] carried out studies to verify the influence of the weld bead positioning on the structural rigidity and mechanical resistance of the component, which demonstrated direct influence on these characteristics on the mechanical resistance of the welded joint.

Following the recommendations of welding standards [11] and [12] the weld sizes and lengths should not be lower than that specified in project, reinforcing the need to achieve the correct weld length and, consequently, the mechanical requirements designed for the joint. These criteria conduces designers and engineers to search for solutions, on shop floor or design departments, to achieve the standardized recommendations for a safe, but more related to a standardized, product delivering.

The weld marking is a solution developed to fix the issues about weld length and positioning accuracy, designed to be applied to intermittent welds in sheet metal parts, thin or thick, cut by laser process. It is a relief added on the welding edge of the parts during the component cutting process, which serves as a guidance for the welder about the correct places to start and end the weld bead.

This paper provides data about a welding solution to prepare and use sheet metal parts to be welded in order to improve the dimensional accuracy of the weld bead length and positioning, applying physical markings directly on the design phase, enabling the welder to follow visible features to ensure the weld bead positioning during welding process.

In this work the three-level factorial experimental project was carried out to investigate the influence of the factors Lp and Le on the weld bead body produced by GMAW, followed by RSM analysis, applied to predict the weld bead length with respect to the tested factors (Lp and Le), followed by a statistical inference analysis, aiming to verify the dimensional variation among both welding techniques.

3-Experimental Procedure

The current research considers the analysis of two factors regarding the weld beads, Lp (weld bead length) and Le (weld bead spacing) and three dimensional levels for each factor, evaluating the interaction between them and the effects of each combination on the responses for the weld bead positioning accuracy based on its technical specifications. Both factor’s evaluations were performed using two welding techniques for semi-automatic MAG process:

1 – The proposed welding technique, where the positioning of the intermittent welds are defined by the presence of markings, orienting the welder about the exact places to start and end the weld beads, as show in the figure 1.a;

2 – The current welding technique used on the industry, applying intermittent welds direct on the welding edge of the sample, as shown in the figure 1.b.

The analysis has the aim of compares the results to quantify statistically how the joint markings can improve the current welding process regarding its dimensional precision.


Figure 1: Weld edges characteristics for both welding techniques: a) proposed, using the joint markings and b) current, with flat weld edge.

Figure 1.a shows the welding edge with the presence of the markings, conferring references for the welding gun positioning about weld start and end positions. Figure 1.b shows the weld edge in the current shape, with a flat and simple edge.

For the statistical analysis was performed a factorial design at three-levels with three replications 32, submitting the results to analysis of variance – ANOVA to analyse the relevance of each factor assessed and concluding by statistical inference method, observing how the factors are influenced by itself, without influence of neighbouring. The factor’s levels selected for the experimental procedure were defined based on common values for intermittent weld bead dimensions regarding length and spacing applied in the industry, applied in plates with thickness of 3 mm, defining the weld bead lengths of 30, 40 and 50 mm and spacing of 30, 50 and 70 mm, as show in Table 1.

Table 1. Coded and natural levels of the design factors and levels.

Table 2 shows the factors and levels combination and their respective responses, where Lpm is the response for weld bead length with pre-markings and Lpsm is the response for weld bead length for the current technique. Both Lpm and Lpsm responses are results from Lp and Le combination, according each run step.

Table 2: Summary of the 3k factorial design combinations and the experimental results of Lpm and Lpsm.

            The samples were welded using cold rolled sheet metal plates based on standard ASTM A1011 Grade 50 (American Society for Testing and Materials, 2008), obtained as strips with width, length and thickness by 25,0 mm, 400,0 mm and 3,17 mm, respectively. Material chemical composition and mechanical properties are shown in tables 3 and 4, respectively, as specified in the standard.

Table 3: Base metal chemical composition for the steel Grade 50. Values in weight %. Source: ASTM A1011 (2008).

Table 4: Base metal mechanical properties the steel Grade 50. Source: ASTM A1011 (2008).

            The samples were cut by a laser cutting machine brand Cincinnati, model n° CL-7A and welded by semi-automatic method using an ESAB source of power, model LAI 400 with nominal power by 14,6 KVA.

Figure 2 shows the geometry of the samples prior welding, where Figure 2.a shows the basic strip intended for the current welding technique, with flat welding edge. The strip 2.a double combined results in the final sample for the current technique evaluation, without markings. The strip 2.b in combination with 2.a result in the final sample for the proposed technique evaluation, with the joint markings. The strip 2.c shows a strip with markings resulted from the cutting process.


Figure 2: Basic samples resulted by the laser cutting process.

Welding parameters applied on the samples welding are shown in Table 5.

Table 5: Welding parameters used for the samples welding.

            The final welded samples resulted with width and length by 50,0 mm and 400,0 mm, respectively, as shown in the figure 3, where can be seen a sample for the weld done using the markings.

Figure 3: a) Example of sample specification for welding process; b) Example of final welded sample.

In figure 3.a is shown the design specification and dimensions for one of the samples assessed, while in figure 3.b is shown a sample welded, both for the proposed welding technique, with joint markings.

The weld beads were measured using callipers with resolution of 0,05 mm and the results are shown in table 2. The measurements considered the length between the two visible extremities of the weld beads, as shows the figure 4.

Figure 4: Weld bead length measured.

4-Results and Discussions

            From results shown in Table 2, applying ANOVA, were obtained the following data about the current and proposal welding techniques concerning weld bead length and spacing accuracy.

4.1-New Welding Technique Proposed.

An ANOVA was carried out to quantify the relative importance of each factor (Lp and Le) and also its interaction on Lpm results. The contribution percentage was calculated by the ratio of the sum of squares (SS) of the selected factors and total sum of squares. Table 6 shows the results for ANOVA performed with the acquired data considering an interval of confidence by 95%. The factors are physically significant when its percentage of contribution is greater than the error associated, which is by 5% I this assessment.

The results showed in this table are in agreement with the results obtained in figure 7 in which Lp (mm) is the most important factor affecting Lpm (84,1%). Le (2,5%) itself has no significant influence on the Lpm response for the selected range of factors, followed by Lp x Le interaction (1,2%). The total contribution rate of Lp and Le factors over Lpm was 87,8%.

Table 6. ANOVA of Lpm values.

The significance of Lp indicates the effectiveness of welding markings about weld beads dimensional control, where both length and spacing are not affected one by other. The only visible influence on weld beads length variation occurs regarding its own length Lp, which is defined by design.

            Figure 5 shows Lpm results according to Lp specification, showing the accuracy level of the proposed welding technique regarding Lp.


Figure 5. Main factor Lp effects over Lpm.

On Figure 5 is observed that in all three levels (Lp) evaluated Lpm remained slightly above Lp specifications, with the responses keeping the variances increasing inversely proportional to the levels increasing. This means that as greater is Lp greater is the weld bead dimensional accuracy.

            Figure 6 shows the average variation of Lpm as function of Le values.

Figure 6. Main effects plot for Lpm x Le.

            On Figure 6 can be observed that Lpm tends to keep its dimensionally constancy as Le increases, remaining without influence from external factors. A subtle characteristic can be observed due a smooth Lpm decreasing with Le increasing, following the trend in figure 5 and reinforcing that no external factors affects the weld bead variation in length when applied using markings.

            Figure 7 shows Lpm variations according its specification Lp in combination to Le.

Figure 7. Interaction factors (Lp x Le) plot for Lpm.

Figure 7 shows that Lpm follow a dimensional variation proportionally constant to Lp increasing, independently of Le specification, with Lpm remaining lightly above Lp except for a specific point where Lp = 50 mm combined with Le = 70 mm resulted in Lpm beneath Lp, representing 33,3% of sampling for Lp = 50 mm (runs 9, 16 and 17 from table 2).

Figures 5, 6 and 7 showed that the responses for each Lpm level evaluated follow a constant dimensional variation according to Lp specification, not affected by Le and remaining above Lp specified values predominantly in most of cases.

4.2-Current Welding Technique.

An ANOVA was also carried out to quantify the relative importance of each factor (Lp and Le) and also its interaction on Lpsm results for the current wending process, without markings.

The results showed in this table are in agreement with the results obtained in figure 10 in which Lp (mm) is the most important factor affecting Lpm (86,3%). Lp x Le interaction has an relevant significance (4,4%) and Le (1,3%) itself has no significant influence on the response Lpm for the selected range of factors.

Table 7 shows the analysis of variance (ANOVA) for Lp data by the current welding techqnique, without markings usage.

Table 7. Analysis of variance for Lpsm data.

Can be observed that, for the welds done without markings (current welding process), Lp factor is also significant for Lpsm control. However Lp x Le, despite has no statistical significance for the responses evaluated, is considerably near to the significance border control. This condition takes to the consideration that its statistical no significance can be revised, considering it for this situation as significant due the results obtained for the comparisons Lpsm x Le and Lpsm x Lp x Le shown on Figures 8 and 9, respectively, where Lp presents a tendency to influences Lpsm dimensions as function of Le.

The significance of Lp x Le, besides Lp, indicates the influence of external factors related to the dimensional variations not only from Lp, but also Le. In this case, as there is no physical limitations to define the weld bead start and end, its positioning is defined regarding nearby geometries as weld beads or other joint components, besides the welder skills.

            Figure 8 represents Lpsm positioning according to Lp specified, showing the lack of dimensional precision of current welding technique regarding Lp values specified. These results reflect the current scenario of the semi-automatic welding process applied on intermittent welds.

Figure 8. Main factor Lp effects plot for Lpsm.

On Figure 8 can be observed that all weld beads – Lpsm – resulted in lengths below that specified for Lp, showing that the current welding technique has a consistent tendency to not achieve project specifications for the weld bead length. Only in one case (run 22 from table 2) Lpsm remained above Lp specification, representing 11,1% of cases for Lp = 30 mm. Is observed also the responses keeping the variance increasing directly proportional to the levels increasing (inverse of observed in figure 5), what means that as greater is Lp greater is the weld bead dimensional variation.

Figure 9 shows the average Lpsm values as function of Le values.

Figure 9. Main effects plot for Lpsm x Le.

            Can be observed on Figure 9 that Lpsm average values increase as Le increases, showing a direct relation between the weld bead length and its neighbor elements. Compared to the figure 6 Lpsm averages are consistently lower than Lpm, showing an evidence of the dimensional accuracy discrepancy between the two welding techniques.

Figure 10 shows Lpsm variation according its reference Lp in combination to Le.


Figure 10. Interaction plot for Lpsm x Lp and Le.

Figure 10 shows that, for Le values by 50 mm and 70 mm, Lpsm follows a proportional variation regarding Lp, however for Le value of 30 mm is observed a dispersion on Lpsm values, what indicates the influence of external factors on Lpsm length.

The most important observation in Figure 10 is that 100% of Lpsm cases resulted below Lp specifications, meaning 100% of welds out of specification.

The influences of external factors are connected to Lpsm regarding welder’s perception during weld application, once the presence of geometrical characteristics near the next weld bead to be applied has an important influence on the welder decisions regarding start/end weld bead points.

4.3-Statistical Inference

Despite the promissory results with the joint markings usage is important take in count that the significance of the results are dependent of the welding methods evaluated, having no relation between them. To analyse this relation and compare its influence above the efficiency of the proposed welding technique the data results was assessed under inference statistic approach, looking for the effective difference between the two methods evaluated. The analysed numbers are shown in Table 8, derived from table 2.

Table 8: Data for statistical inference analysis.

            Is observed that the averages µ are significantly greater for Lpsm regarding Lpm, what confirms the superior accuracy of the welding technique using the pre-marking.

Figure 11 shows the graphic analysis for both factor levels evaluated, comparing Lpm x Lpsm for Lp = 30 mm, 40 mm and 50 mm on figures 11.a, 11.b and 11.c, respectively.

Figure 11. Lpm and Lpsm comparison for the three levels analysed.

            Can be seen a predominant data pattern for both weld techniques assessed and no dependent of the level evaluated, where the weld beads applied with the pre-markings remained above the specified line in most cases, meaning the predominant achievement of the project specifications. For the three levels evaluated was observed that in a confidence level of 95% the averages from Lpm exceed Lpsm.

            This analysis corroborates the superiority of the weld beads applied with the joint markings usage, granting a higher dimensional precision to the component, which invariably means a quality increasing in process costs and mechanical properties of the component.

5-Conclusion

The welds applied without the joint markings resulted in 3,7% of the samples with Lpsm values above Lp, which means that 96,3% of the samples not reached the design specifications. The opposite situation was observed for the welds applied with the markings, where 92,6% of the samples reached the design specifications.

            The dimensional variation of the weld length, when evaluated without the markings usage, resulted in numbers significantly influenced by weld bead extension and its distance to the next joint elements. Lp and Le specification affects directly Lpsm values, which are dependent of the length, position and weld edge extension. When the dimensional variation is evaluated with the joint marking usage Le don’t affect Lpm values, what makes Lpm variation independent of the weld bead distance with the next element.

            The usage of the joint markings allows the welder to have references about physical limitations dedicated exclusively to orient him to the correct weld gun start and end positioning, ensuring that the weld start point be positioned lightly before the weld marking and the end point be lightly after the marking. These characteristics offer to the semiautomatic welding process a higher dimensional precision to the dimensional accuracy of the weld bead length and spacing when compared to the current process, resulted from the controlling methods currently available.

Authors’ contributions

MC: formal analysis, writing – original draft, methodology. ARG and AR: data curation, supervision, writing – review & editing.

This research did not receive any specific grant from funding agencies in the public, commercial, or not-for-profit sectors.

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