Desenvolvimento e avaliação do processo de soldagem híbrida laser-GMAW (HLAW): um avanço na consolidação de processos de soldagem de alta penetração

Abstract

Os processos de soldagem estão inseridos em todos os setores da indústria. Em alguns nichos da indústria de fabricação, como a indústria de óleo e gás, naval e automobilística, a soldagem representa um dos principais processos envolvidos na produção, sendo determinante no tempo de fabricação e, consequentemente, no valor final do produto. Em aplicações de soldagem de união de chapas e tubos de grande espessura, a operação prévia de chanframento da junta, somada ao elevado número de passes para preenchimento dessa junta, faz com que o processo de união se torne extremamente lento e oneroso. Nesse cenário, processos de soldagem que possibilitem uma elevada penetração retiram a exigência do chanframento prévio, acelerando por consequência todo o ciclo de produção. O processo de soldagem híbrida Laser-GMAW surge como uma promissora opção para a soldagem de estruturas de elevada espessura, tendo como princípio a atuação do arco elétrico e do feixe Laser na mesma poça de fusão. A hibridização das duas fontes de calor garante elevada penetração e taxa de deposição, auxiliando no aumento da tolerância geométrica e reduzindo a necessidade do chanframento da junta, tornando-se extremamente interessante para aplicação industrial. Entretanto, devido ao elevado número de parâmetros envolvidos e à complexa interação entre o arco elétrico e o feixe Laser, esse processo torna-se relativamente complexo de ser parametrizado quando comparado aos processos individuais. O presente trabalho aborda a complexidade e características do processo de soldagem híbrida Laser-GMAW, desde a necessidade de adequação de um sistema composto pelos equipamentos individuais dos dois processos de soldagem Laser e a arco, até a análise da influência dos principais parâmetros no processo híbrido na penetração máxima, na largura da solda e na presença de descontinuidades, tendo sido analisada a influência de parâmetros como potência do feixe Laser, gás de proteção utilizado, sentido de alimentação de arame, distância relativa entre o feixe Laser e o arco elétrico e distância de desfoque do feixe Laser. Dentre esses parâmetros analisados e discutidos, foi possível alcançar uma penetração máxima de 14,8 mm a partir de uma potência emitida no Laser de 10 kW e uma corrente média de arco de 265 A em cordão de solda realizado no aço ASTM A516 GR70, revelando que o processo HLAW é de fato uma promissora alternativa para aplicações de elevada penetração. Através da comparação metalúrgica das soldas dos processos LBW e HLAW, foi obtida uma relação clara de formação de microestruturas mais duras e mais frágeis no processo LBW, como martensita e bainita superior, enquanto no processo HLAW foram observadas microestruturas como martensita revenida e bainita superior, sustentando que o ciclo térmico do processo HLAW contribui também como um agente retardador de aquecimento e resfriamento da zona fundida. Por fim, o trabalho aborda a metodologia de adequação dos parâmetros para aplicação do processo HLAW em junta, possibilitando ainda uma comparação temporal entre este e o processo GMAW, onde alcançou-se uma redução comparativa de 40 vezes o tempo necessário para 1 metro de junta, confirmando as suas vantagens e a importância do seu estudo, pesquisa e desenvolvimento para a indústria nacional.

Abstract: Welding processes are inserted in all sectors of the industry. In some manufacturing industry fields, such as the oil and gas, shipbuilding and automobile industries, welding represents one of the main processes involved in production, being decisive in the time of manufacturing and, consequently, in the final value of the product. In welding applications for joining thick sheets and tubes, the previous operation of chamfering the joint, added to the high number of passes for filling this joint makes the joining process extremely slow and costly. In this scenario, welding processes that enable high penetration remove the requirement for prior chamfering, thereby speeding up the entire production cycle. The hybrid LASER-GMAW welding process appears as a promising option for the welding of structures of high thickness, having as principle the performance of the electric arc and the Laser beam in the same melting pool. The hybridization of the two heat sources ensures high penetration and deposition rate, helping to increase geometric tolerance and reducing the need for joint chamfering, making it extremely interesting for industrial application. However, due to the high number of parameters involved and the complex interaction between the electric arc and the Laser beam, this process becomes relatively complex to be parameterized when compared to individual processes. The present work addresses the complexity and characteristics of the hybrid Laser-GMAW welding process, from the need to adapt a system composed of the individual equipment of the two Laser and arc welding processes, to the analysis of the influence of the main parameters of the hybrid process on maximum penetration, weld width and presence of discontinuities, having analyzed the influence of parameters such as Laser beam power, shielding gas used, wire feed direction, relative distance between the Laser beam and the electric arc and distance defocusing of the Laser beam. Among these parameters analyzed and discussed, it was possible to achieve a maximum penetration of 14.8 mm from a power emitted by the Laser of 10 kW and an average arc current of 265 A in weld bead made in ASTM A516 GR70 steel, revealing that the HLAW process is indeed a promising alternative for high penetration applications. Through the metallurgical comparison of the welds in the LBW and HLAW processes, a clear relationship was obtained for the formation of harder and more fragile microstructures in the LBW process, such as martensite and upper bainite, while in the HLAW process microstructures were observed such as tempered martensite and upper bainite, maintaining that the thermal cycle of the HLAW process also contributes as a heating and cooling retardant in the melted zone. Finally, the work addresses the methodology of adapting the parameters for the application of the HLAW process together, allowing a temporal comparison between this and the GMAW process, where a comparative reduction of 40 times the time required for 1 meter was achieved board, confirming its advantages and the importance of its study, research and development for the national industry.