BRPI1003092A2 - processo de soldagem tig/gtaw autógeno para união de metais e compressor - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE SOLDAGEM TIG/GTAW AUTÈGENO PARA UNIãO DE METAIS E COMPRESSOR. Descreve-se um processo de soldagem TIG/GTAW para união de metais, utilizando um equipamento que compreende (a) uma fonte de soldagem (5'), (b) uma tocha (7') e (c) um gás de proteção (8'); a tocha (7') compreendendo um eletrodo (71) e recebendo energia da fonte de soldagem (5') e um fluxo do gás de proteção (8'); o processo alcançando velocidades de soldagem superiores a 1,0m/min.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO DE SOLDAGEM TIG/GTAW AUTÓGENO PARA UNIÃO DE METAIS E COMPRESSOR"

A presente invenção refere-se a um processo de soldagem TIG/GTAW autógeno para união de peças metálicas de compressores her- méticos, que utiliza uma fonte de soldagem, um gás de proteção especial e parâmetros de soldagem específicos.

Descrição do estado da técnica

Dentre os processos de fabricação, a soldagem ocupa um lugar de destaque na indústria dada a sua versatilidade e gama aplicação, seja na união de materiais similares ou não. No que diz respeito a processos de sol- dagem, existe uma grande variedade bastante de opções, cada qual com suas características peculiares que conferem resultados de acordo com o objetivo em questão. Dentre os processos de soldagem mais usuais, pode- se destacar a soldagem a arco, por atrito, a laser, por ultrasom, por resistên- cia, entre outros.

Um desses processos é a soldagem a arco que se baseia no uso do calor, gerado a partir de uma corrente elétrica conduzida por um gás ionizado (o arco voltaico), com o intuito de promover a fusão das partes a serem soldadas. No âmbito da soldagem a arco, existem diferentes proces- sos, tais como, TIG, MIG1 plasma, eletrodo revestido e os processos híbri- dos que são uma junção de ambos. De modo geral os processos de solda- gem a arco podem ser classificados em dois grupos: i) processos com ele- trodos consumíveis e ii) processos com eletrodos permanentes, ou não consumíveis.

A soldagem que utiliza eletrodo consumível engloba os proces- sos de soldagem MIG/MAG (MIG - Metal Inert Gas e MAG - Metal Active Gas) e os processos de eletrodo revestido. Já os processos que utilizam eletrodo não consumível são conhecidos como soldagem TIG/GTAW (TIG - Tungsten Inert Gas e GTAW- Gas Tungsten Arc Welding) e plasma.

Naturalmente que a escolha de um processo de soldagem de- pende vários fatores, sendo que no âmbito da presente invenção serão tra- tados, basicamente, quatro fatores são eles:

1. O projeto da junta (tipo, posição, dentre outros);

2. A espessura do material;

3. A natureza do material a ser soldado; e

4. O custo de fabricação (produtividade, qualidade da junta, du- rabilidade do produto, entre outros).

O processo de soldagem MIG é também conhecido como GMAW (Gas Metal Arc Welding). Neste processo de soldagem o arco voltai- co é estabelecido entre a peça a ser soldada e o eletrodo, consumível, em forma de arame, sendo este alimentado continuamente por um tracionador de arame.

Nos processos de soldagem MIG/MAG utiliza-se a corrente con- tínua constante(CC), contínua pulsada e, alternada sendo que geralmente o arame é utilizado no pólo positivo (polaridade reversa). A polaridade direta é raramente utilizada, pois proporciona uma menor taxa de transferência do metal fundido do arame de solda para a peça. As correntes empregadas situam-se, geralmente, entre 50 e 600 A (ampéres), com tensões de solda- gem de 15 a 32 volts. Adicionalmente, os gases utilizados são geralmente argônio puro (MIG), ou este misturados a outros gases ativos como C02, 02, etc.

Atualmente, o processo MIG/MAG é aplicável à soldagem da maioria dos metais utilizados na indústria tais como o aço, o alumínio, aços inoxidáveis, entre outros. Como vantagens, este processo apresenta facili- dade de operação, alta produtividade e facilidade de automação. Por outro lado, o processo MIG/MAG tem como desvantagem a produção de respin- gos, fenômeno que geralmente compromete a qualidade do cordão de solda.

No campo da presente invenção, que trata da soldagem da car- caça de compressores (fechamento do corpo e tampa da carcaça), o pro- cesso de soldagem utilizado é o MIG/MAG, que geralmente faz uso de um gás de proteção que corresponde ao argônio misturado ao C02.

Uma das técnicas anteriores nesse ramo, é descrita no docu- mento de patente norte-americano US 4,596,522 que revela um compressor hermético soldado através do processo MIG/MAG, dotado de espessura de parede da carcaça reduzida em alguns pontos, com vista a evitar a defor- mação da carcaça, bem como do cilindro do compressor. O documento des- creve ainda que o método proposto alcança uma expressiva redução de temperatura, o que melhora consideravelmente a confiabilidade e as carac- terísticas operacionais do compressor.

Entretanto, esta técnica anterior norte-americana apresenta co- mo principal desvantagem a utilização do processo MIG/MAG para solda- gem da carcaça, pelo fato de:

i) impossibilitar a sua utilização na presença de corrente de ar;

ii) limitar a posição de soldagem;

iii) gerar porosidade no cordão de solda;

iv) gerar respingos na peça

v) possuir manutenção do equipamento mais trabalhosa.

O documento US 4,596,522 revela, portanto, que o processo MIG/MAG apresenta uma série de problemas, não tendo no entanto sido ainda encontrada uma alternativa válida a esse processo.

Outra técnica anterior é descrita no documento WO 2008/056371. Esse documento descreve um método para aperfeiçoamento da penetração de um cordão de solda único em chapas de aço inoxidável, através de máquinas TIG/GTAW, utilizando um fluxo pastoso.

Adicionalmente, o documento revela que para as máquinas TIG/GTAW o processo é autógeno, ou seja, não utiliza eletrodo como mate- rial de adição. Deste modo o processo permite penetrações de 3 até 12 mi- límetros em um cordão de solda único, melhorando a produtividade na sol- dagem, em aços inoxidáveis austeníticos.

Ademais, o documento revela que para alcançar uma melhor produtividade na soldagem, além da utilização do fluxo, também se faz ne- cessária uma corrente de solda entre 275 e 325 A (preferencialmente 300 A), uma voltagem entre 17 e 22 volts (preferencialmente 19 ou 20 volts), uma velocidade de soldagem entre 55 e 65 milímetros por minuto (preferi- velmente 58 milímetros por minuto) e uma vazão de gás entre 8 e 12 litros por minuto (preferivelmente 10 litros por minuto).

O método descrito no documento acima apresenta como princi- pal desvantagem a necessidade de utilização de um fluxo para melhorar a produtividade da solda TIG/GTAW, uma vez que a aplicação do fluxo deve ser feita em toda a região da junta soldada, o que aumenta consideravel- mente o custo do processo e também o tempo de soldagem, tornando-o im- produtivo.

O documento WO 2008/056371 tem especial interesse pois a- pesar de ter uma aplicação distinta daquela da presente invenção, evidencia a dificuldade em se conseguir uma maior produtividade, ou seja, uma maior velocidade de soldagem, situação essa que, embora improdutiva, foi solu- cionada com a adição de fluxo.

O documento norte-americano US 2009/0065490 descreve um método de soldagem de duas chapas metálicas sobrepostas e de espessu- ras diferentes, onde anteriormente à soldagem, é aplicado um fluxo através de uma máquina de soldagem TIG/GTAW para permitir uma maior penetra- ção da solda nas chapas

A principal desvantagem do método descrito neste documento norte-americano reside na utilização de um fluxo para aumentar a eficiência do processo, o que aumenta consideravelmente o custo do processo tor- nando-o improdutivo, tal como ocorre nas outras técnicas anteriores já des- critas.

Como já visto, os processos conhecidos até ao momento têm os seus inconvenientes. Por um lado o processo MIG/MAG gera respingos na peça e possui uma manutenção mais trabalhosa devido ao uso de arame.

Por todo o acima exposto, observa-se que ainda não foi desen- volvido um processo de soldagem de carcaças de compressores capaz de garantir elevada qualidade de produção, alta produtividade e custo reduzido.

Nesse sentido, não foi ainda encontrada uma solução para uni- ão de uma tampa e corpo de uma carcaça de compressores herméticos que faça uso de um processo J\G/GTAW que, além de superar os problemas acima mencionados, possibilite realizar a soldagem de peças metálicas sem a utilização de material de adição e com velocidades elevadas, acima de 1,0 metro por minuto.

Objetivos da invenção

A presente invenção tem por objetivo prover um processo de soldagem de uma carcaça de compressor capaz de garantir uma união isen- ta dos problemas dos estado da técnica e que possua uma velocidade de soldagem/produtividade elevada.

Nesse sentido, a presente invenção tem como objetivo prover um processo de união TIG/GTAW capaz de garantir alta qualidade do cor- dão de solda, i.e., isento de respingos, bem como uma elevada velocidade de soldagem/produtividade sem o uso de material de adição.

Os objetivos da presente invenção são ainda alcançados atra- vés da utilização de uma fonte de soldagem específica, de um gás de prote- ção adequado e de parâmetros de soldagem específicos, capazes de possi- bilitar a realização do ciclo de soldagem entre duas peças com velocidades acima de 1,0 metro por minuto e com excelente acabamento do cordão de solda,

Breve descrição da invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um pro- cesso de soldagem TIG/GTAW autógeno para união de metais, utilizando um equipamento que compreende:

(a) uma fonte de soldagem;

(b) uma tocha; e

(c) um gás de proteção;

a tocha compreendendo um eletrodo e recebendo energia da fonte de soldagem e um fluxo do gás de proteção;

o processo compreendendo etapas de:

(i) posicionar uma primeira peça e uma segunda peça a serem soldadas entre si formando uma região de borda;

(ii) regular uma corrente de solda na fonte de soldagem para uma corrente pulsada, (iii) regular uma tensão na fonte de soldagem;

(iv) regular o fluxo do gás de proteção;

(v) posicionar a tocha formando um ângulo em relação à tangen- te da borda compreendido entre 41 graus e 45 graus;

(iv) acionar a tocha abrindo um arco voltaico; e

(vii) movimentar continuamente o cordão de solda na região de borda a uma velocidade acima de 1,0 m/min.

Os objetivos da presente invenção são também alcançados a- través da provisão de um compressor cuja união da tampa e do corpo é al- cançada pelo processo acima descrito.

Descrição resumida das figuras

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des- crita com base em um exemplo de execução representado nas figuras, que mostram:

Figura 1A - uma vista lateral de um compressor hermético, sol- dado pelo processo de soldagem do estado da técnica;

Figura 1B - uma ilustração da região soldada pelo processo de soldagem do estado da técnica;

Figura 2 - uma ilustração do processo de soldagem MIG/MAG do estado da técnica;

Figura 3A - uma vista lateral de um compressor hermético, sol- dado pelo processo de soldagem da presente invenção;

Figura 3B - uma ilustração da região soldada pelo processo de soldagem da presente invenção;

Figura 4 - uma ilustração do processo de soldagem da presente invenção; e

Figura 5 -uma ilustração superior da posição de soldagem do processo da presente invenção.

Descrição detalhada das figuras

De acordo com o estado da técnica e como pode ser visto a par- tir da figura 1A, o compressor hermético 10 compreende uma carcaça dota- da de um corpo 1 e de uma tampa 2, normalmente feitos de aço e soldados pelo processo de soldagem MIG/MAG.

A figura 1B mostra um detalhe da região soldada 4 do compres- sor 10, onde os membros da carcaça, corpo 1 e tampa 2, são fabricados em aço com baixo teor de carbono (0,06 a 0,15%) e com espessuras que vari- am entre 2,65 a 3,5 milímetros, fazendo uso de um material de adição 3. Neste processo é utilizado como material de adição 3 um arame cobreado consumível de 1,2 milímetros, que após soldado agrega 0,030 Kg em aço no peso total do compressor.

Um equipamento para soldagem MIG/MAG 50 é mostrado na fi- gura 2 e compreende basicamente o material de adição 3, uma fonte de e- nergia 5 (que em alguns casos também pode ser alternada), um alimentador 6 para o material de adição consumível 3, uma tocha 7 e um gás de prote- ção 8. O gás de proteção 8 pode ser inerte para a soldagem MIG ou ativo para soldagem MAG.

O processo MIG/MAG utilizado para soldagem do compressor 10, do estado da técnica, é um processo que, tal como já enunciado, gera alguns problemas. Entre esses defeito ocorrem os respingos, fazendo com que a cada 5 ciclos de solda seja necessário limpar o bocal de solda. Ade- mais, a escória acaba se depositando nos arredores da estação de solda- gem, deixando todo o ambiente sujo, e comprometendo conseqüentemente a manutenção do equipamento.

A fim de superar os problemas encontrados no estado da técni- ca, o objeto da presente invenção se propõe a utilizar o processo TIG/GTAW, já conhecido pelo versados na técnica.

O processo TIG/GTAW será é previsto sem utilização de materi- al de adição, solução que foi encontrada através da determinação de novos parâmetros de soldagem, de nova mistura de gás de proteção, de uma bito- la específica de eletrodo, além de uma posição de soldagem específica, de modo propiciar velocidades de soldagem acima de 1,0 metro por minuto, garantindo a qualidade da junta soldada.

O processo de soldagem da presente invenção poderá ser me- lhor entendido a partir da figura 3A que ilustra um compressor 10' dotado de uma carcaça que compreende uma primeira peça ou corpo 1' e uma segun- da peça ou tampa 2', soldados de modo a formar uma região de junta ou borda 4.

A figura 3B evidencia o detalhe da região de junta ou borda 4' do compressor 10', onde foi feita a soldagem do corpo 1' e da tampa 2' sem a utilização de material de adição, através do processo TIG/GTAW autógeno, formando a junta soldada 3'.

Por usa vez, a figura 4 ilustra o equipamento 100 de soldagem TIG/GTAW, utilizado para o processo da presente invenção que compreen- de basicamente uma fonte de energia 5' (que também pode ser alternada), uma tocha T dotada de um eletrodo não consumível 71 e um gás de proteção 8'.

Conforme anteriormente mencionado, para se alcançar uma soldagem autógena de qualidade utilizando o processo TIG/GTAW, é ne- cessário a determinação de alguns parâmetros descritos a seguir:

- Corrente de solda pulsada gerada pela fonte 5' deve estar compreendida entre 260 e 630 A, com uma freqüência entre 17 e 20 hertz;

- Tensão deve estar compreendida entre 16 e 21 volts;

- Ângulo da tocha T em relação à tangente da borda 4' do com- pressor 10' deve estar compreendido entre 37 e 45 graus;

- Eletrodo não consumível de tungstênio 71 deverá possuir diâ- metro de substancialmente 6,35 milímetros;

- Gás de proteção 8' deverá ser composto de uma mistura de argônio de 85% a 95% e de hidrogênio de 5% a 15%, sendo dotado de uma vazão compreendida entre 10 e 15 litros por minuto; e

- Velocidade de soldagem superior a 1,0 metro por minuto.

Uma concretização preferencial do processo autógeno de sol- dagem TIG/GTAW da presente invenção utiliza uma corrente média de sol- da de substancialmente 560 A, uma tensão de substancialmente 18,7 volts, um ângulo de tocha de substancialmente 43 graus, um eletrodo de tungstê- nio de substancialmente 6,35 milímetros, um gás de proteção composto de substancialmente 85% de argônio e substancialmente 15% de hidrogênio com uma vazão de substancialmente 12 litros por minuto e uma velocidade média de soldagem de substancialmente 1,2 metro por segundo. Adicional- mente, vale salientar que para todas as concretizações, o processo de sol- dagem utilizado no fechamento do compressor da presente invenção é isen- to de qualquer fluxo de soldagem.

Por intermédio da figura 5 é possível verificar a tampa 2' do compressor 10' e a região de junta 4', dispostos sobre uma base de solda- gem 9'. A tocha T estando posicionada de modo a formar um ângulo com- preendido entre 37 e 45 graus (preferencialmente 43 graus) em relação à tangente da borda 4' da tampa 2' do compressor 10' movimentando-se no sentido contrário ao movimento de rotação da carcaça 72.

O processo de soldagem do compressor 10' pode ainda apre- sentar o conjunto corpo 1' e tampa 2' fixos e a tocha T sendo movimentada à velocidade acima de 1,0 metro por minuto, ou, alternativamente, o conjun- to corpo 1' e tampa 2' podem se movimentar sobre uma mesa giratória au- tomatizada a uma velocidade acima de 1,0 metro por minuto, ficando a to- cha T fixa em relação ao conjunto.

As características de soldagem de carcaça de compressor aci- ma descritas para o processo TIG/GTAW autógeno possibilitam um proces- so de alta produtividade, alcançando praticamente as mesmas velocidades de soldagem dos processos MIG/MAG. Note-se que, por via de regra, as velocidades de soldagem alcançadas pelos processos MIG/MAG encon- tram-se na ordem de 1,6m/min, razão pela qual têm preferência nos proces- so de união revelados pelo estado da técnica.

Por outro lado, o processo TIG/GTAW da presente invenção conseguiu alcançar resultados surpreendentes no respeitante à velocidade de soldagem, com velocidades superiores a 1,0m/min. Muito embora a velo- cidade do processo MIG seja cerca de 30% superior à do processo TIG, o processo da presente invenção consegue alcançar superior qualidade das soldas e do acabamento do cordão pelo fato de evitar os inconvenientes dos processos MIG/MAG além de fazer uso de um processo TIG/GTAW que não necessita de um fluxo. Adicionalmente, cumpre notar que o processo TIG não tem adição de arame, não necessitando de um tracionador para o mesmo, portanto, pode-se considerar que a maquina tem manutenção me- nos trabalhosa

A presente invenção alcançou, portanto, um processo de união mais simples, capaz de gerar elevada produtividade aliada à alta qualidade da soldagem e menor manutenção, o que naturalmente se traduzirá em ga- nhos de economia de escala.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (10)

1. Processo de soldagem TIG/GTAW autógeno para união de metais, utilizando um equipamento que compreende: (a) uma fonte de soldagem (5'); (b) uma tocha (7'); (c) um gás de proteção (8'); a tocha compreendendo um eletrodo (71) e recebendo energia da fonte de soldagem (5') e um fluxo do gás de proteção (8'); o processo sendo caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (i) posicionar uma primeira peça (1') e uma segunda peça (2') a serem soldadas entre si formando uma região de borda (4'); (ii) regular uma corrente de solda na fonte de soldagem (5') para uma corrente pulsada; (iii) regular uma tensão na fonte de soldagem (5'); (iv) regular o fluxo do gás de proteção (8'); (v) posicionar a tocha (7') formando um ângulo em relação à tangente da borda (4') compreendido entre 41 graus e 45 graus; (iv) acionar a tocha (7') abrindo um arco voltaico; e (vii) movimentar continuamente o cordão de solda na região de borda (4') a uma velocidade acima de 1,0 m/min.

2. Processo de soldagem, de acordo com a reivindicação 1 ca- racterizado pelo fato de que a corrente pulsada esta compreendida entre 330 e 530 A.

3. Processo de soldagem, de acordo com a reivindicação 1 ca- racterizado pelo fato de que a tensão na fonte de soldagem (5') é regulada para uma faixa entre 13 e 15 volts.

4. Processo de soldagem, de acordo com a reivindicação 1 ca- racterizado pelo fato de que a vazão do gás de proteção (8') é regulada para uma faixa entre 10 e 12 litros por minuto.

5. Processo de soldagem, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que antes da etapa de regulagem da fonte de sol- dagem (5'), um eletrodo (71) de tungstênio com diâmetro de substancial- mente 6,35mm é posicionado na tocha (7').

6. Processo de soldagem, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que o gás de proteção (8') é composto por uma mis- tura compreendida de 85% a 95% de argônio e 5% a 15% de hidrogênio.

7. Processo de soldagem, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que o gás de proteção (8') é composto por 90% de argônio e 10% de hidrogênio.

8. Processo de soldagem, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que a fonte de soldagem (5') é regulada para uma corrente pulsada de 430A com uma freqüência compreendida entre 17 e 20Hz.

9. Processo de soldagem, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o gás de proteção (8') é regulado para uma vazão de 12 l/min.

10. Compressor (10') caracterizado pelo fato de que compreen- de um processo de soldagem de uma tampa (2') com um corpo (1') tal como definido nas reivindicações 1 a 9.