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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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