A integridade de uma junta soldada, em aplicações críticas, é avaliada pelas suas propriedades mais relevantes, as quais dependem principalmente do metal de solda e da zona afetada pelo calor (ZAC). A morfologia do metal de solda é definida, predominantemente, pela sua taxa de resfriamento, a qual depende principalmente da eficiência na dissipação e distribuição de calor no metal base. A distribuição de temperaturas na ZAC, afetada pelo pico de temperatura e pela geometria da poça de fusão, dita o comportamento do ciclo térmico e influencia a solidificação. Por isso, uma estimativa do comportamento térmico definido pela distribuição de temperatura e pelo pico de temperatura da ZAC pode ser muito útil para o controle da soldagem e do procedimento para alcançar a qualidade desejada da junta soldada⁽¹⁾.

O comportamento do ciclo térmico pode ser determinado com base nas equações de fluxo de calor ou por meio de correlações matemáticas para casos conhecidos existentes na literatura. Entretanto, sempre haverá incertezas nos resultados vindos de soluções analíticas devido às simplificações adotadas que permitem a obtenção de um modelo. Em aplicações muito peculiares, ou que requerem maior fidelidade dos valores do campo de temperaturas e taxas de resfriamento, faz-se necessário o emprego de ensaios experimentais, demandando o uso de sensores de temperatura.

Todavia, sob o ponto de vista da instrumentação, medições de temperatura em soldagem são um problema complexo devido às condições ambientais como muito ruído e baixa amplitude do sinal que instrumentos típicos de medição de temperatura apresentam. Consequentemente algumas questões envolvendo a medição de temperatura na soldagem devem ser consideradas. Um dos aspectos mais importantes é a dinâmica da variação da temperatura que no aquecimento pode chegar a uma taxa superior a 400°C/s. Um sensor ideal é aquele em que a medição consegue acompanhar esta característica.

Termopares são transdutores usados para medir temperatura, sendo muito populares devido à ampla faixa de temperaturas que conseguem medir. Eles podem reproduzir a taxa de variação de temperatura exigida para medição da estabilidade química, e com baixo custo (2). Apesar de medir a temperatura pontualmente, o equipamento permite que as medições sejam feitas nas seções não visíveis. Com algumas unidades de termopares pode-se monitorar uma ampla região. Sendo assim, este é o método preferencial para se medir a temperatura nos processos de soldagem.

As propriedades que mais exercem influência sobre a dinâmica da resposta de um termopar são o diâmetro dos fios e a construção da junta. Quanto menor for o seu diâmetro, menor será a sua massa e, portanto, a inércia térmica (3) . O modo como é formada a junta e seu acoplamento ao metal-base serão os alvos deste estudo.

Este trabalho tem como objetivo estudar experimentalmente a influência de diferentes configurações de juntas de termopares na medição de temperatura na zona afetada pelo calor de uma junta soldada. Além disso, contribuir para o conhecimento detalhado do compor tamento dos termopares comumente utilizados neste tipo de tarefa. Pois, como a soldagem é um processo industrial complexo que requer uma detalhada avaliação antes da execução, o domínio das variáveis tanto de entrada como de saída torna-se cada vez mais rigoroso para que se possa ter um maior controle dimensional. Assim, é possível automatizar tanto quanto possível o processo de soldagem e, adicionalmente, obter produtos com mais qualidade em relação a distorções e propriedades físicas e mecânicas.

 

Metodologia

Os procedimentos práticos foram realizados no Laboratório de Soldagem e Técnicas Conexas (LS&TC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Foram realizadas soldas de topo utilizando o processo MAG com CO2 como gás de proteção. Para um melhor controle dos parâmetros de soldagem foi utilizado um braço robótico específico para esse processo, marca Yaskawa Motoman, em conjunto com uma fonte de potência Fronius TransPuls Synergic 4000. Como metal de base foram utilizadas duas chapas de aço ao carbono SAE 1020, com dimensões de 300 x 250 x 5 mm.

 

Termopares

De acordo com Machado⁽⁴⁾ , o termopar empregado para aquisição do ciclo térmico do metal de solda deve ter o seu limite superior no mínimo 200°C acima do ponto de fusão do metal de solda para que se possa fazer a medição da temperatura da poça de fusão com o termopar mergulhado nela. Para esse fim, na soldagem de aços, recomenda-se utilizar o termopar de Pt/Pt-10% Rh do tipo S que, por conter um metal raro, torna-se pouco acessível devido ao seu preço.

Neste trabalho foram empregados nove termopares de Chromel-Alumel tipo K para a aquisição do ciclo térmico de soldagem. Estes termopares são aplicáveis em temperaturas de até 1.40 0°C e não satisfazem a recomendação de Machado (4) mencionada no parágrafo anterior. Contudo, este trabalho não contempla a medição de temperatura da poça de fusão, mas sim a medição de temperaturas a uma distância definida, que é adequada a termopares do tipo K.

Fig.1 – Esquema das configurações dos termopares utilizados nos experimentos: (a) fios enrolados na ponta; (b) ponta simples; (c) extremidades dos fios soldadas individualmente na peça⁽³⁾.
 

Os termopares utilizados neste estudo foram divididos em três grupos e cada grupo teve a junta quente confeccionada de uma forma diferente, denominados como A, B e C como se pode observar na figura 1. Os tipos de junta confeccionados foram os seguintes:
a) Extremidades dos fios torcidos duas voltas, as pontas soldadas por TIG e unidos à peça por descarga capacitiva;
b) Junta simples, as pontas foram unidas com descarga capacitiva e depois unidas à peça por descarga capacitiva;
c) Pontas unidas à peça individualmente, por descarga capacitiva, com uma distância praticamente nula uma da outra.

Cada um dos termopares foi unido à chapa por meio de descarga elétrica capacitiva precedida de limpeza da chapa na área de aplicação do termopar. O procedimento de limpeza envolveu lixamento e microrretificação com o objetivo de remover a oxidação presente na chapa, proveniente do seu armazenamento.

As juntas quentes dos termopares dos tipos A e B foram confeccionadas via fundição por arco elétrico com o auxílio de equipamento para soldagem TIG antes de serem unidas à chapa. Já os termopares do tipo C tiveram sua junta quente formada durante a união com a chapa, quando cada um dos fios que formam o par foi soldado à chapa por descarga capacitiva individual.

Fig. 2 – Diagrama esquemático da (a) sequência de soldagem e (b) representação da disposição dos termopares na região central da chapa.
 

Soldagem

Foram feitos quatro cordões de solda de 300 mm em cada chapa, sendo três deles no lado oposto à superfície onde estão os termopares e um cordão no mesmo lado, como mostra a figura 2. Os termopares foram posicionados colinearmente, distanciados cerca de 5 mm uns dos outros, na linha longitudinal à chapa e no meio da sua largura de modo a ocupar a região central desta linha. A sequência e os parâmetros de soldagem usados para cada cordão estão mostrados na tabela 1. A largura do cordão de solda chegou a 10 mm. O procedimento descrito acima foi executado em duas chapas.

Os cabos de extensão foram alternados entre os termopares e os canais do sistema de aquisição no intervalo entre cada cordão de solda. Após a realização dos quatro cordões de solda na primeira chapa, os termopares foram desacoplados da chapa e suas juntas foram desfeitas para que cada termopar passasse a ter um tipo diferente de junta quente na segunda chapa. O objetivo desses dois procedimentos é o de eliminar a influência das incertezas dos sinais gerados pelos termopares e extensões de termopar.

Com os nove termopares soldados à chapa, a leitura dos sinais foi feita por um sistema de aquisição de dados constituído por amplificador, conversor analógico/digital, junta fria para referência de temperatura e um computador. Os sinais gerados pelos termopares foram convertidos em temperatura por meio das correlações feitas pelo sistema de aquisição.

 

Avaliação analítica da temperatura

Para a avaliação comparativa das temperaturas medidas com termopares, será calculada de forma analítica a temperatura máxima a que chega o mesmo ponto medido em cada uma das soldagens.

Muitos trabalhos têm sido desenvolvidos no sentido de obter o gradiente de temperatura de soldagem, morfologia da poça de fusão e alterações metalúrgicas, dentre outras características de uma união soldada. Segundo Machado⁽⁴⁾, a partir da década de 40, Rosenthal apresentou propostas para solução analítica do problema térmico envolvendo a soldagem derivando a equação de fluxo de calor.

Devido às dimensões da chapa e do cordão de solda resultante, o regime de extração do calor nas chapas soldadas neste trabalho tem características intermediárias entre os regimes bidimensional (2D) e tridimensional (3D), por isso ele é chamado regime de extração de calor intermediária ou 2,5D. Assim, segundo Rykalin (5) , o aumento de temperatura em um determinado ponto na chapa é dado pela equação (1).

onde q é a potência da fonte, k a condutividade térmica do metal de solda (K /mm), para facilitar a resolução λ =1/2α, sendo α a difusividade do material (m2/s) e v a velocidade de soldagem (mm/s), R é a distância do ponto onde a temperatura está sendo aferida até o cordão de solda e w= (x-v.t). Para aplicação desta equação algumas considerações tiveram de ser adotadas para simplificar o modelo matemático. Foi considerado que o fluxo de calor é estacionário, a fonte de calor é pontual, é desprezado o calor utilizado em mudanças de estado, as propriedades térmicas não variam com a temperatura e não há perda de calor na superfície da chapa.

 

Resultados e discussão

Confecção das juntas quentes

Os termopares têm como uma de suas características o fato de poderem ser utilizados diversas vezes. Suas juntas quentes podem ser refeitas inúmeras vezes, dependendo da aplicação. Desta forma, foi possível que todos os nove termopares fossem utilizados de três formas diferentes.

Os termopares utilizados neste trabalho foram unidos à chapa por descarga capacitiva precedida de limpeza. Observou-se que quando esse procedimento de limpeza não era aplicado, eventualmente algum termopar se desprendia da chapa. Isso se deve ao fato de que os aços de baixo carbono têm baixa resistência à oxidação e em poucos dias é possível observar a formação de filmes de óxidos sobre a superfície da chapa, dependendo das condições do ambiente.

Fig. 3 – Exemplos de juntas de termopares produzidas neste trabalho. (a) Junta tipo A, as setas indicam onde são formadas as juntas neste tipo de configuração. (b) Junta do tipo B, fios unidos à peça individualmente. (c) Junta do tipo C.
 

Na figura 3 são mostrados os três diferentes tipos de juntas quentes produzidas já unidas à chapa. As juntas do tipo C apresentaram maior dificuldade na fixação do que os outros dois tipos. Como o método utilizado neste trabalho foi manual, no momento da fixação de um termopar do tipo C, cada um de seus dois fios foi fixado individualmente a uma distância aproximadamente zero um do outro. Ao fixar o segundo fio do mesmo termopar, há a possibilidade de o calor gerado na descarga elétrica voltar a fundir a união do primeiro fio, desprendendo-o por completo. Assim, uma nova tentativa de soldar este termopar é necessária.

Nos termopares do tipo A e B, o tempo empregado para a união com a chapa é significativamente menor. Uma vez que a junta já está previamente preparada, basta apenas aplicar uma única descarga elétrica para que haja uma boa fixação do termopar.

 

Medições de temperatura

Foram realizados quatro cordões de solda em duas chapas de aço de baixo carbono, como já mencionado, a fim de avaliar a eficiência de três tipos diferentes de juntas quentes de termopares.

Os dados fornecidos por nove termopares foram adquiridos e tratados por um sistema de aquisição e com eles foram geradas curvas que mostram o ciclo térmico obtido em cada grupo de termopar. As curvas obtidas mostram os valores médios de temperatura para cada grupo de termopar a partir de cada um dos termopares que compõem os respectivos grupos do tipo A, B e C.

 

Primeira chapa

Na figura 4 podemos ver o resultado do ciclo térmico dos cordões 1, 2, 3 e 4 respectivamente, dispostos conforme esquema apresentado na figura 2. O tempo entre um passe de solda e outro foi de aproximadamente cinco minutos, tempo suficiente para que a temperatura da chapa chegasse a um valor próximo à temperatura ambiente.

Fig. 4 – Ciclo térmico na primeira chapa. (a) Cordão 1, (b) Cordão 2, (c) Cordão 3, (d) Cordão 4.
 

Percebe-se nas curvas da figura 4 que há uma tendência de que os termopares do tipo C, os quais têm os fios soldados individualmente na peça, tenham uma maior dinâmica quanto à mudança de temperatura ocorrida na chapa em função da fonte de calor da soldagem, em comparação aos outros tipos de juntas. Assim, estes termopares alcançam uma maior temperatura de pico. Os termopares que possuem a junta quente do tipo B, que são fios simplesmente unidos e posteriormente soldados à peça, apresentam um pequeno atraso ao medir o aquecimento e consequentemente os picos de temperatura alcançados, ficando sempre abaixo dos termopares do grupo C. Isso se deve à massa acumulada na junta deste termopar no momento da fusão dos fios. Esta massa acaba por aumentar ligeiramente a inércia térmica do sensor. Já no termopar com junta quente do tipo C a massa é praticamente inexistente, como pode ser visto na figura 3c.

Os termopares do tipo A apresentam grande retardamento com relação aos outros dois tipos de junta. A isto se deve o enrolamento dos fios, que acaba formando outros pontos de contato anteriores ao ponto colado na chapa e, portanto, o sensor mistura os sinais devido à temperatura da chapa e ao ar que é aquecido pelo calor dissipado pela chapa. As juntas formadas nos termopares do tipo A estão exemplificadas na figura 3a.

No cordão 4, em que a solda e os termopares estão no mesmo lado da chapa, houve forte interferência do arco elétrico sobre os termopares que possuíam união do tipo A, o que causou instabilidade do sinal, conforme visto na figura 4d. Isto ocorreu porque o arco elétrico passou muito próximo aos termopares, aquecendo todos os pontos de contato e fazendo com que os pontos que não estavam soldados à chapa acabassem dispersando menos calor gerado pelo arco elétrico. Assim, o sinal gerado pelo termopar não reflete a temperatura da chapa, mas sim alguma combinação dos sinais vindos da chapa e dos pontos de contato anteriores à junta quente colada na chapa. Por isso, não é possível utilizar os dados do grupo de termopares com junta do tipo A quando o arco elétrico passa próximo deste sensor.

Os picos de temperatura calculados, de acordo com a equação (1) para o caso de extração de calor bidimensional, para cada cordão de solda, estão anotados nas tabelas 2 a 5, respectivamente. Também estão anotadas nas tabelas as diferenças percentuais do valor medido para o calculado de cada grupo de termopar e os desvios-padrão calculados a partir dos valores de pico dos termopares de cada grupo de tipo de junta.

De acordo com os dados das tabelas 2 a 5, podemos ver que a diferença máxima entre o valor teórico e o valor medido com o termopar, usando a junta do tipo C, é de 9,0% e na média a diferença é de 5,5%. Já para o termopar com junta do tipo B é de 15,0%. A diferença média de temperatura encontrada entre os termopares com junta do tipo B e C é de 10,9%.

Os desvios-padrão mostrados nas tabelas de 2 a 5 mostram que o termopar com junta do tipo C apresenta menor dispersão dos valores medidos. Isso pode ser explicado pelo fato de que ao se usar descarga capacitiva para soldar os sensores na chapa, este termopar é que funde a menor quantidade de metal. E também porque a seção transversal do metal soldado é praticamente a mesma dos fios do termopar.

 

Segunda chapa

Na figura 5 estão dispostos os ciclos térmicos obtidos nos experimentos com a segunda chapa. Neste procedimento os termopares tiveram suas pontas desfeitas e foram rearranjados, de forma aleatória, nos grupos de acordo com o tipo de junta. Os cabos de compensação e os canais do sistema de aquisição também foram trocados aleatoriamente a fim de evitar qualquer tendência por causa de um eventual erro em algum dos dispositivos utilizados nos experimentos aqui expostos.

Fig. 5 – Ciclo térmico da segunda chapa: (a) Cordão 1, (b) Cordão 2, (c) Cordão 3 e (d) Cordão 4.
 

A figura 5a está mostrando, neste caso peculiar, as curvas de cada um dos termopares ao invés das médias por grupo de tipos de junta para evidenciar a importância do aterramento da mesa de soldagem no intuito de evitar a interferência do arco elétrico no sinal dos sensores. É possível observar que no momento da abertura do arco elétrico os sinais dos termopares divergem de forma grosseira, além de apresentar um forte ruído.

Esta mesma figura reforça a tendência evidenciada na figura 4 de que os termopares com junta do tipo C alcançam valores de pico de temperatura maiores do que os do tipo B.

Os picos de temperatura calculados, de acordo com a equação (1) para o caso de extração de calor bidimensional, para cada cordão de solda estão anotados nas tabelas 6 a 8, respectivamente. Também estão anotadas nas tabelas as diferenças percentuais do valor medido para o calculado do pico de temperatura de cada grupo de termopar e os desvios-padrão, calculados a partir dos valores máximos dos termopares de cada grupo de tipo de junta.

De acordo com os dados das tabelas 6 e 7 podemos ver que a diferença máxima entre o valor teórico e o valor medido com o termopar usando a junta do tipo C é de 25,8% e na média a diferença é de 19,3%. Já para o termopar com junta do tipo B, a diferença média é de 24,8%. A diferença média de temperatura do termopar com junta do tipo B para o tipo C é de 11,9%.

 

Conclusões

O presente trabalho apresenta uma contribuição no campo da instrumentação para medições de temperatura de soldagem e traz considerações importantes a respeito do uso de termopares para a medição de temperatura durante o processo de soldagem MAG. Três configurações de junta para termopares do tipo K (Cromel-Alumel) foram analisadas: com os fios enrolados na ponta, ponta simples e com os fios soldados individualmente à peça. Com a aquisição dos ciclos térmicos foi possível comparar as temperaturas atingidas pelos sensores e confrontá-las com valores calculados.

Com base nos resultados experimentais e matemáticos conclui-se que:

1. Os resultados foram obtidos com bom nível de exatidão, mesmo estando sob condições de elevada interferência. Portanto, boas condições de aterramento são necessárias ao serem utilizados termopares em processos de soldagem por arco elétrico.
2. A forma como a junta quente é formada influencia a sua capacidade de medir corretamente os níveis de temperaturas de soldagem.
3. Quanto menor a massa do termopar, menor o seu tempo de resposta e consequentemente maior a temperatura de pico medida.
4. O termopar que possui a junta do tipo C é o que apresenta melhor resultado em termos de temperatura de pico, alcançando sempre os maiores valores, e ainda apresenta resultado mais próximo ao calculado pela equação analítica apresentada.
5. Em relação às juntas termopares, o do tipo C com as extremidades dos fios soldadas individualmente na peça mostram maior repetibilidade nos resultados da união do sensor na chapa. Este tipo de junta, ao contrário dos outros tipos, devido à menor massa fundida a cada operação com descarga capacitiva, sofre menos variação com relação à geometria da junta quente formada.

 

Referências

1. Ghosh, P. K., Gupta, S. R., Randhawa, H. S. Analytical studies on characteristics of vertical up bead on plate weld deposition using pulsed current GMAW. International Journal of the Joining of Materials, vol 12, 76-85, 2000.
2. S lania , J., Mikno, Z., Wojcik, M. Temperature Measurement Problems in Welding Processes. Welding International, vol 21, 589-592, 2007.
3. Araújo, D. B. Estudos de Distorções em Soldagem com Uso de Técnicas Numéricas e de Otimização. Programa de Pós-Graduação, Universidade Federal de Uberlândia, Tese (Doutorado), Uberlândia, 2012.
4. Machado, I. G. Condução do Calor na Soldagem: Fundamentos & Aplicações. Porto Alegre, Imprensa Livre, 2000.
5. Rykalin, N. N. Calculation of Heat Flux in Welding, Moscou, 1951.