Na soldagem a arco sob gás de proteção com eletrodo de tungstênio, o arco e a poça de fusão são protegidos por um gás contra a influência de gases atmosféricos. A contaminação desse gás leva, entre outras coisas, à instabilidade do arco, oxidação, porosidade e salpicos. Além disso, gases atmosféricos como oxigênio, dióxido de carbono ou nitrogênio afetam as características do plasma e influenciam os pontos do arco no catodo e anodo. Portanto, um objetivo importante no desenvolvimento das tochas de soldagem consiste em gerar um fluxo de gás otimizado para, por meio delas, garantir uma cobertura estável e protetora do gás. Para conseguir isso, é preciso evitar a separação e turbulência do fluxo no bocal do gás de proteção. Para reduzir o esforço experimental decorrente da execução de numerosos experimentos de soldagem que são necessários, pode ser usada a dinâmica computacional dos fluidos e os diagnósticos sobre o fluxo de gases.

Num trabalho anterior foram feitas tentativas para seguir esta rota. Conforme descrito nas referências 1 e 2, foi usada a técnica da dinâmica computacional de fluidos para otimizar a exaustão dos fumos de soldagem. Contudo, nessas simulações, o arco ou foi desprezado ou significativamente simplificado a partir do seu modelamento como uma fonte de energia térmica com momento pré-ajustado. Nas referências 3 e 4 o programa computacional comercial ANSYS CFX foi usado com um módulo de arco contido para calcular o fluxo e a difusão do gás de proteção. Contudo, os modelos foram baseados em hipóteses e muitas simplificações. Além disso, frequentemente a geometria da tocha foi simplificada para reduzir o tamanho da malha numérica. Portanto, é necessário efetuar verificações experimentais para aferir e calibrar esses modelos.

Para analisar os campos de fluxo de gás podem ser usados métodos baseados em partículas, como a anemometria por laser Doppler ou a velocimetria por imagem de partículas. Conforme Zschetzsche(5), a aplicabilidade de ambos os métodos para a medição de fluxo de gás na soldagem a arco foi testada e o método de velocimetria de imagem por partículas foi adaptado para efetuar medições em diferentes processos de soldagem. Esses métodos possibilitaram uma detecção não-intrusiva e com resolução temporal de um campo de fluxo de gás bidimensional na soldagem a arco sob gás de proteção com e sem eletrodo de tungstênio. Contudo, as medições feitas por anemometria por laser Doppler ou velocimetria por imagem de partículas são extremamente caras e requerem grande esforço. Uma forma mais fácil de visualizar os fluxos de gás é a técnica de fotografia Schlieren, conhecida desde o século XVII(6, 7, 8, 9, 10). As aplicações típicas onde o método de medição por fotografia Schlieren já foi usado são os estudos aerodinâmicos de aviões, balística e tecnologia de ventilação(11).

Os estudos por fotografia Schlieren sobre descargas elétricas (arcos) foram iniciados por Toepler(6). No campo da tecnologia de corte, análises sobre oxicorte usando o método foram feitas na década de 1930(12). Estudos sobre fluxo de gases em arcos usando fotografia Schlieren foram feitos especialmente no caso de processos de corte a plasma e aspersão térmica(11). A visualização do fluxo de gás nos arcos de corte a plasma e a interação do arco com a peça sob processamento foram temas das investigações de Settles(13). Esses estudos também podem ser estendidos à geração de imagem do fluxo de gás e turbulências abaixo da peça sob processamento. Para detectar instabilidades no processo de corte a plasma, Heberlein(14) usou a fotografia Schlieren em combinação com medições de intensidade e potencial de corrente, bem como registros acústicos. Uma explicação da relação entre o projeto do bocal e a qualidade do corte foi derivada com base nas imagens geradas pela fotografia Schlieren.

Por outro lado, as medições por fotografia Schlieren nos processos de soldagem não são tão comuns. No caso da soldagem a arco de plasma com corrente alternada, McClure e Garcia(15) constataram a necessidade de uma análise do fluxo de gás. Contudo, seu trabalho não continha os resultados correspondentes ou imagens de fotografia Schlieren. Allemand e Schroeder(16) usaram o método de estrioscopia(11) para visualizar a transferência de gotas durante a soldagem a arco sob gás de proteção. Foi usado um laser de hélioneon como fonte de iluminação. Contudo, as fotografias ficaram super-expostas devido à presença do arco e ficou difícil observar a transferência das gotas.

Este trabalho descreve uma tentativa de usar a técnica de fotografia Schlieren para visualizar o fluxo de gás de proteção em diferentes processos de soldagem a arco. Foram aqui descritos o princípio de operação e o arranjo experimental da técnica Schlieren, bem como os ajustes mais importantes e a sua influência sobre a qualidade das imagens geradas por fotografia Schlieren da soldagem a arco sob gás de proteção com eletrodo de tungstênio, de forma que agora podem ser especificados a faixa de aplicação e os limites da fotografia Schlieren. Foram apresentados os resultados da análise de fluxo de gás para a soldagem a arco com gás de proteção com e sem eletrodo de tungstênio, bem como soldagem a arco de plasma, onde são mostradas as influências dos típicos parâmetros de soldagem sobre o fluxo de gás.

Procedimento experimental

Princípio físico e sistema de medição

Com o auxílio da fotografia Schlieren é possível visualizar, em meio transparente, diferenças de densidade que causam alterações no índice de refração ‘n’, na velocidade de propagação ‘c’ e na direção da propagação da luz. O ângulo de reflexão está correlacionado com o ângulo incidente α:

sina/sinb = c2/c1 = n2/n1 (1)

Portanto, cada alteração na densidade do meio causa uma alteração na direção da propagação da luz (figura 1).

Fig. 1 – A lei de refração: fundamento da fotografia Schlieren

As diferenças na densidade observadas durante o processo de soldagem são causadas, de acordo com a equação dos gases ideais, por diferenças de pressão, temperatura e concentração.

Para tornar visíveis as diferenças de densidade em meio transparente, também podem ser usados os métodos de interferência e estrioscopia em conjunto com a fotografia Schlieren.

No método de interferência, duas ondas luminosas são sobrepostas de forma a gerar um padrão. A imagem de interferência permite a reconstrução do local e a intensidade da refração da luz, bem como a velocidade, densidade e temperatura do fluxo de gás. Contudo, este método requer alta precisão no ajuste do equipamento de medição.

No método de estrioscopia, a deflexão da luz pode ser visível devido à intensidade gerada pela dispersão de iluminação ‘E’, a qual é proporcional à segunda derivada da densidade ao longo do trajeto ‘y’, conforme mostra a equação (2):

DE ~ ∂²r/∂²y (2)

Este método permite que se tirem conclusões acerca do gradiente de velocidade, mas não sobre a direção. Em comparação com o método de interferência, ele proporciona menor resolução e sensibilidade(11).

Devido a um recurso marginal (a integração de uma fenda), é possível separar a luz defletida da original para aumentar a resolução e sensibilidade. Além disso, com a fotografia Schlieren, é possível determinar a direção do gradiente de densidade medido. A alteração na intensidade de iluminação causada pela deflexão da luz é proporcional à primeira derivada da densidade de acordo com a posição:

DE ~ ∂r/∂y (3)

Ao contrário do que ocorre com o método de interferência, a fotografia Schlieren é um sistema de fenda ou, alternativamente, por pares de filtros coloridos, os quais induzem sombras e interferências coloridas (figura 3).

Ao contrário do que ocorre com o método de interferência, a fotografia Schlieren é um sistema de medição simples e robusto. Contudo, não é possível uma identificação exata das características do fluxo de gás.

O arranjo experimental adotado foi o conjunto Z-Schlieren concebido por Toepler, com dois espelhos côncavos, como mostra a figura 2. Esse conjunto é compacto e evita erros devido à aberração cromática causada pelas lentes ópticas.

Os espelhos côncavos são axialmente parabólicos, com diâmetro de 150 mm e comprimento focal de 1.200 mm. O diâmetro encontra-se na área recomendada, com ‘D’ variando desde f/6 até f/12(11). Na região entre ambos os espelhos ocorre a geração de um feixe de luz paralelo. Neste trajeto óptico são inseridos diferentes arcos de soldagem (estrias), influenciando a propagação da luz paralela. Foi introduzida uma abertura no foco do primeiro espelho para produzir uma fonte pontual de luz, possibilitando a produção de um feixe paralelo pelo espelho 1.

A fenda é posicionada no foco do espelho 2. Ela é usada para melhorar o contraste pelo bloqueio da luz refletida. As imagens da fotografia Schlieren são geradas por uma câmera de alta velocidade com uma objetiva de 200 mm e uma macro-lente. A posição exata onde ocorre o arranjo Schlieren entre os dois espelhos não influi no desempenho da medição. O nível de deflexão da luz ‘a’ na abertura Schlieren depende apenas do ângulo de deflexão e do comprimento focal ‘f’ do espelho:

Da = e . f (4)

Fig. 2 – Arranjo Z-Schlieren proposto por Toepler

 

Requisitos da fotografia Schlieren para a análise dos arcos de soldagem

Juntamente com os requisitos básicos já descritos, tais como o posicionamento dos espelhos, a qualidade das imagens geradas pela fotografia Schlieren dos processos a arco é determinada, acima de tudo, pela fonte de luz e pela fenda ou, alternativamente, por pares de filtros coloridos, os quais induzem sombras e interferências coloridas (figura 3).

Fig. 3 – Imagens geradas pela técnica Schlieren; pares de filtros usados: azul/amarelo (à esquerda) e vermelho/verde (à direita) com fluxo de argônio usado como gás de proteção sob vazão de 30 l/min.

A fenda ou o filtro afeta a sensibilidade do aparato Schlieren, enquanto a magnitude da luz defletida pode ter sua cor alterada pelo uso de filtros coloridos. Foi investigada a aplicabilidade das aberturas com fendas horizontais, verticais e uma íris, bem como com filtros com duas e quatro cores. Em todos os experimentos, a área aberta das fendas foi igual e a orientação da iluminação e a fenda Schlieren foram sempre idênticas.

Foram usados filtros bicolores (azul/amarelo e vermelho/verde), bem como de quatro cores. Os melhores resultados foram obtidos usando os filtros bicolores, através dos quais as turbulências podiam ser visualizadas com contraste muito intenso (figura 3). Em comparação, ao ser usado o filtro com quatro cores, somente podiam ser reconhecidas nuances marginais de cores. Contudo, a intensidade da luz foi reduzida quando foram utilizados filmes coloridos. Portanto, o tempo de exposição tinha de ser estendido quando ocorria um forte efeito de transição (“cross-fading”* (NT) ) devido à radiação do arco.

As análises sobre a influência da geometria e a orientação das fendas deixaram claro que podem ser conseguidos bons resultados com fendas orientadas perpendicularmente à peça que está sendo soldada (figura 4).

Fig. 4 – Imagem gerada pela técnica Schlieren de um arco de tungstênio de 100 A sob gás de proteção com aberturas vertical (foto superior), horizontal (foto intermediária) e uma Iris (foto inferior).

O gás aquecido acima da peça sob processamento foi visualizado usando aberturas com uma fenda, as quais foram orientadas em paralelo com a peça. A íris pode ser usada para visualizar o fluxo de gás em todas as direções, mas as imagens se caracterizaram por apresentar menor brilho.

A redução da largura da fenda diminuiu a quantidade de luz difratada e, consequentemente, puderam ser visualizadas menores diferenças de densidade(11). Ao mesmo tempo, ocorreu redução da influência da radiação do arco. Contudo, menos luz proveniente da fonte passa através da fenda, especialmente se sua largura for menor que o diâmetro focal. O objetivo da variação da fenda é possibilitar a visualização da turbulência e dos gradientes de densidade do fluxo de gás de proteção no jato livre do gás usado no processo, bem como nas proximidades do arco. Foi constatado que, a despeito da pequena largura da fenda, a variação de densidade produzida pelo arco é dominante (figura 5).

Fig. 5 – Imagens geradas por arranjos Schlieren com fenda para foco de 3 x 6 mm e aberturas em fenda Schlieren de 2 x 6 mm (à esquerda), 3 x 6 mm (no meio) e 5 x 6 mm (à direita).

Ao usar espelhos côncavos com geometria idêntica à descrita acima, é recomendado que o formato das fontes de luz seja equivalente ao formato da abertura da fenda. Portanto, foram usadas fontes de luz com formato retangular alongado.

Inicialmente foi testada a aplicabilidade de lâmpadas comuns. Mas somente o uso de fontes de luz com alta luminosidade permitiu reduzir a abertura da fenda, bem como o tempo de exposição da câmera. Dessa forma:

1) Foi iluminada a área completa do fluxo de gás.

2) Pôde ser evitada a super-exposição das imagens devido à radiação do arco.

3) Diferenças pequenas de densidade puderam ser visualizadas no jato livre de gás.

Além da potência, a fonte de luz precisava gerar alta luminosidade na fenda. O fluxo de gás na regiãolimite do jato livre de gás usado no processo pôde ser bem visualizado ao usar lâmpadas de halogênio.

Contudo, com as fontes de luz descritas na figura 6 (lâmpadas de 150 W com filamento espiral de tungstênio), a área do arco não pôde ser investigada em detalhe devido ao seu forte brilho. Portanto, foram usadas fontes de luz alternativas nas análises posteriores, tais como arco de plasma e feixe de laser.

Fig. 6 – Imagens Schlieren feitas usando lâmpada para farol automotivo com 50 W de potência (foto superior à esquerda), lâmpada de filamento espiral de tungstênio com 150 W de potência (foto superior à direita), lâmpada de filamento espiral de tungstênio com 250 W de potência (foto inferior à esquerda) e lâmpada de halogênio com 150 W de potência (foto inferior à direita).

A energia da radiação de um arco de plasma é aproximadamente 10 a 20% da potência total. Portanto, a emissão de radiação de um arco de plasma com corrente de intensidade de 250 A e voltagem de 30 V é de, aproximadamente, 1.000 W. O uso desse tipo de arco é ainda mais vantajoso, uma vez que a projeção da fonte de luz é retangular, da mesma forma como é o formato da fenda. Considerando o ângulo sólido de emissão, apenas 1% da radiação alcança o espelho. Apesar disso, mesmo essa quantidade de luz é suficiente para obter uma imagem detalhada do fluxo numa área que não havia sido reconhecida anteriormente (figura 7).

O uso de uma fonte de laser com onda contínua, potência de 20 mW e comprimento de onda de 532 nm, em combinação com um filtro cinza neutro com transmitância de 1%, permitiu eliminar totalmente a radiação do arco (figura 7). Contudo, com o uso do laser (fonte pontual de luz), consegue-se uma imagem Schlieren “digital” sem gradações de intensidade.

Fig. 7 – Imagens Schlieren feitas usando arco de plasma de 250 A (à esquerda) e laser de onda contínua com 20 mW de potência (comprimento de onda l igual a 532 nm) (à direita).

Resultados e discussão

Para analisar o fluxo de gás na região de contorno do jato livre de gás usado no processo, a despeito da intensa radiação do arco, foi usado como fonte de luz um arco gerado pelo processo de soldagem a arco com gás de proteção e eletrodo de tungstênio. A orientação da fonte de luz, bem como a da fenda Schlieren, estava alinhada verticalmente à superfície da peça sob soldagem.

A técnica Schlieren foi usada para gerar imagens de alta velocidade dos processos de soldagem a arco sob gás de proteção com e sem eletrodo de tungstênio, e da soldagem com arco a plasma.

 

Soldagem a arco sob gás de proteção e com eletrodo de tungstênio

O processo de soldagem a arco com gás de proteção e eletrodo de tungstênio foi analisado, considerando o uso de diferentes gases de proteção, vazões e intensidades de corrente (figura 8).

A transição desde o jato livre de gás usado no processo até a atmosfera foi especialmente boa para ser visualizada quando foi usada a mistura de argônio com apreciável teor de hélio (50%) como gás de proteção. Contudo, deve-se assumir que o hélio possui influência essencial sobre a geometria do arco e, sobretudo, sobre o fluxo de gás.

A corrente de arco influencia a sua temperatura e a temperatura do gás efluente. Pôde ser observado claramente, a partir das imagens Schlieren, que o arco se move para longe sobre o catodo de tungstênio, que o núcleo do arco é mais brilhante e que há um fluxo mais forte de gás aquecido acima da peça sob soldagem. A despeito do forte brilho, as bordas do arco puderam ser claramente detectadas.

O método de medição por fotografia Schlieren pôde ser usado para detectar a transição do fluxo livre de gás usado no processo, de laminar para turbulento, na soldagem a arco sob gás de proteção com eletrodo de tungstênio. As turbulências ao redor do arco e no gás efluente aquecido puderam ser detectadas claramente sob vazões de gás de proteção da ordem de 30 l/min ou superiores.

Fig. 8 – Imagens Schlieren de soldagem a arco sob gás de proteção e eletrodo de tungstênio em função da corrente, gás de proteção e vazão.

Soldagem a arco de plasma

A investigação sobre a soldagem capilar com arco de plasma foi efetuada em juntas do tipo cordão-sobre-placa (chapas grossas de aço-carbono com 6 mm de espessura). Para efetuar a ignição do arco principal entre o catodo de tungstênio e a peça sob soldagem era preciso inicializar um arco piloto entre o catodo e o bocal de cobre (anodo). O arco piloto serve como pré-ionização da abertura do arco entre o eletrodo e a peça sob soldagem (figura 9). O método de fotografia Schlieren é bastante adequado para gerar imagens do fluxo de gás no arco piloto. Uma vantagem é a baixa emissão de radiação do jato de plasma.

Fig. 9 – Imagem Schlieren de um arco piloto (vazão de gás de plasma igual a 3 l/min), onde o jato de plasma aquecido pode ser observado de forma nítida. O gás aquecido em contato com a peça e o gás aquecido efluente sobre a superfície da peça são visíveis na forma de um patamar escuro. As estagnações na periferia foram detectadas através de redemoinhos.

As imagens Schlieren obtidas a partir dos testes reais de soldagem capilar foram correlacionadas com osrespectivosresultados obtidos nas juntas soldadas (figura 10).

Ficou claramente visível que, ao empregar baixas vazões de gás de proteção, o fluxo acima da junta soldada aquecida (à esquerda da tocha) é dominado pela força ascencional térmica. Por sua vez, acima da chapa de aço fria (à direita da tocha), pode ser observado um fluxo para fora igual e laminar. Sob maiores vazões de gás de proteção, as diferenças entre os fluxos de gás acima da chapa de aço aquecida e fria ficaram menos pronunciadas. Pode-se assumir que o alto fluxo de gás de proteção contrabalança a força ascensional térmica, bem como faz com que o fluxo de gás para o exterior se desvie da condição laminar. O uso de baixas vazões de gás de proteção determinou a formação de considerável quantidade de óxidos em decorrência da contaminação da cobertura protetiva. Pode-se concluir que a formação de um fluxo turbulento de gás de proteção (vazão igual a 15 l/ min) nem sempre leva à formação de má cobertura de proteção sobre a poça de fusão. É necessário um fluxo suficiente de gás para contrabalançar a força ascensional térmica existente sobre a peça aquecida que está sendo soldada.

Fig. 10 – Imagens Schlieren da soldagem a arco de plasma (aço S235; chapa com espessura de 6 mm; velocidade de soldagem, 20 cm/min; vazão de gás para plasma, 3 l/min; bocal para plasma de gás com três orifícios, 3 mm; distância da tocha, 5 mm; vazão de gás para proteção, 5 l/min (parte superior) e 15 l/min (parte inferior).

Soldagem a arco sob gás de proteção

O processo de soldagem a arco sob gás de proteção se caracteriza por apresentar alta emissão de radiação a partir do plasma de vapor metálico. Portanto, é especialmente difícil gerar imagens Schlieren dos processos de soldagem a arco com gás de proteção sob altos valores de corrente elétrica. Como parte desta investigação, foram geradas imagens Schlieren de um arco curto (figura 11). Nessas imagens, as separações do fluxo de gás de proteção em seu bocal e a ponta de contato são claramente visíveis, ao contrário do que ocorreu na soldagem a arco sob gás de proteção com eletrodo de tungstênio. Uma razão para essa constatação é o fato de que a ponta de contato alta e muito aquecida localizada no interior do bocal de gás para proteção promoveu o aquecimento desse gás.

No caso da análise de um arco pulsante ou aspergido é necessário usar fontes de luz poderosas ou atenuar, através do uso de filtros, os comprimentos de onda correspondentes a emissões de radiação especialmente intensas pelo arco.

nos processos de soldagem. As principais conclusões obtidas estão listadas a seguir:

  1. A configuração Z-Schlieren proposta por Toepler possibilitou uma análise econômica e resolvida ao longo do tempo do fluxo de gás.
  2. Foi constatado que uma lâmpada poderosa com filamento de tungstênio e seus arcossão especialmente apropriados para uso como fontes de luz. Por sua vez, foram obtidasimagensinferiores com feixes de laser ampliados.
  3. É possível detectar a transição desde o regime laminar para turbulento no jato livre de gás para proteção na soldagem a arco com eletrodo de tungstênio quando é aumentado o fluxo de gás de proteção de 10 para 30 l/min.
  4. Pelo método Schlieren foi possível visualizar, de maneira excelente, o fluxo de gás num arco piloto sem transferência. Foi demonstrado, durante estudos efetuados num processo de soldagem capilar a arco de plasma, que altas vazões de gás para proteção, a despeito da presença de intensas turbulências, proporcionam melhor proteção ao processo e neutralizam os efeitos de difusão.

A primeira investigação sobre os processos de soldagem a arco sob gás de proteção mostrou que o uso de tochas com alta temperatura facilita a análise por fotografia Schlieren dos jatos livres de gás de processo. Devido à alta emissão por radiação pelo arco, é necessário o uso de fontes de luz poderosas em combinação com filtros ópticos, especialmente na análise de arcos aspergidos e pulsantes.

Fig. 11 – Adaptador Schlieren para arco curto (velocidade de avanço do arame igual a 3 m/min).

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