Desenvolvimento de tecnologia GMAW e SAW assistida por indução eletromagnética no pré-aquecimento do arame

Abstract

Os processos de soldagem Arco Submerso (SAW) e MIG/MAG (GMAW) são caracterizados pelos elevados índices de produtividade decorrentes das elevadas taxas de fusão do arame-eletrodo. Entretanto, o controle do aporte térmico de ambos os processos encontra limitações devido a que as variáveis como corrente de soldagem, comprimento livre do eletrodo (stickout) e velocidade de alimentação de arame estão intrinsecamente correlacionadas não permitindo, portanto, o ajuste independente. Nesse contexto, diversas técnicas vêm sendo desenvolvidas visando diminuir essas relações de dependência através do pré-aquecimento do arame-eletrodo. O aquecimento através de um arco TIG auxiliar, um feixe de laser ou através da passagem de uma corrente elétrica utilizando uma fonte auxiliar, são algumas das técnicas empregadas nos processos de soldagem supracitados. Com essas técnicas é possível obter diferentes correntes médias de soldagem empregando a mesma velocidade de alimentação de arame ao alterar a magnitude do pré-aquecimento adicional. Contudo, as técnicas propostas apresentam desafios tecnológicos e operacionais como aquecimento excessivo do bico de contato, necessidade de desenvolvimento de tochas de soldagem especiais, além de problemas de alimentação do arame-eletrodo. Além disso, as técnicas propostas na literatura utilizam o efeito Joule no pré-aquecimento do arame-eletrodo em um local anterior ao de saída do mesmo pelo bico de contato. Diante disso, vislumbra-se potencial do aquecimento por indução eletromagnética demonstrado em trabalhos anteriores do grupo de pesquisa da presente autora. Neste contexto, propõem o estudo e desenvolvimento de técnica inéditas que contemplam o aquecimento por indução eletromagnética do arame-eletrodo após o bico de contato, ao longo do comprimento do stickout, nos processos SAW e GMAW. Para isso, foi realizado o projeto e desenvolvimento de tochas de soldagem SAW e GMAW, concebidas como protótipos capazes de implementar o aquecimento por indução eletromagnética simultaneamente ao aquecimento característico por efeito Joule devido à condução da corrente de soldagem. Com a infraestrutura adequada, foram conduzidos ensaios de soldagem para avaliar os efeitos da corrente e frequência de indução eletromagnética na corrente média de soldagem, na ampliação da taxa de fusão e na morfologia dos cordões de solda. Para ambos os processos, a técnica de aquecimento por indução eletromagnética do arame (induction heated wire - IHW) demonstrou a capacidade de reduzir em até 30% a corrente média de soldagem. No caso da técnica IHW-SAW, observou-se uma diminuição da diluição de 38% para 22%, juntamente com uma redução de mais de 60% na penetração dos cordões de solda. Resultados ainda mais significativos foram alcançados com o emprego do modo de transferência por curto-circuito na técnica IHW-GMAW, evidenciando uma redução de 75% na penetração, além da produção de cordões de solda com diluições bastante baixas, próximas a 4%. No que diz respeito à capacidade de ampliação da taxa de fusão, ao empregar o modo de transferência goticular, a técnica IHW-GMAW registrou incrementos de até 19% na velocidade de alimentação de arame, mantendo a mesma corrente média de soldagem. Esses resultados atestam que a técnica proposta tem a capacidade de dissociar a relação intrínseca entre a corrente de soldagem e a velocidade de alimentação de arame, que é característica inerente dos modos convencionais dos processos estudados, o que permite a expansão da faixa operacional desses processos, bem como abre portas para novas aplicações que mitiguem os problemas e limitações das técnicas já estabelecidas.

Abstract: The Submerged Arc Welding (SAW) and Gas Metal Arc Welding (GMAW) processes are known for their high productivity due to the high melting rates of the wire electrode. However, controlling the heat input in both processes is limited because variables such as welding current, electrode stickout length, and wire feed speed are inherently correlated, thus preventing independent adjustment. To address this issue, various techniques have been developed to reduce these dependency relationships by preheating the wire electrode. Methods such as preheating through an auxiliary TIG arc, a laser beam, or by passing an electric current using an auxiliary power source are some of the techniques employed in these welding processes. These techniques allow for different average welding currents while using the same wire feed speed by adjusting the level of additional preheating. However, they present technological and operational challenges such as excessive heating of the contact tip, the need for the development of specialized welding torches, and problems with wire electrode feeding. Additionally, techniques proposed in the literature typically use the Joule effect to preheat the wire electrode before it exits the contact tip. Given this, there is potential for using electromagnetic induction heating, as demonstrated in previous works by the author's research group. In this context, the study and development of innovative techniques involving electromagnetic induction heating of the wire electrode after the contact tip, along the stickout length, in SAW and GMAW processes are proposed. Prototypes of welding torches for SAW and GMAW were designed and developed to implement electromagnetic induction heating simultaneously with the characteristic Joule heating due to welding current conduction. With the appropriate infrastructure, welding tests were conducted to evaluate the effects of induction current and frequency on the average welding current, fusion rate increase, and weld bead morphology. For both processes, the Induction Heated Wire (IHW) technique demonstrated the ability to reduce the average welding current by up to 30%. In the case of the IHW-SAW technique, a decrease in dilution from 38% to 22% was observed, along with a reduction of over 60% in weld bead penetration. Even more significant results were achieved using the short-circuit transfer mode in the IHW-GMAW technique, showing a 75% reduction in penetration and the production of weld beads with very low dilutions, close to 4%. Regarding the fusion rate increase capacity, when employing the spray transfer mode, the IHW-GMAW technique recorded increases of up to 19% in wire feed speed while maintaining the same average welding current. These results attest to the proposed technique's ability to dissociate the intrinsic relationship between welding current and wire feed speed, a characteristic inherent in the conventional modes of the studied processes. This advancement allows for the expansion of the operational range of these processes and permits new applications that mitigate the problems and limitations of established techniques.