ic2008-0416 - aplicação do sensor de luminosidade na soldagem

CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPEMIG/UFU
Universidade Federal de Uberlândia
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
DIRETORIA DE PESQUISA
COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA
2008 – UFU 30 anos
APLICAÇÃO DO SENSOR DE LUMINOSIDADE NA SOLDAGEM TIG DE
AÇO E ALUMÍNIO
Victor Hugo Santos Lima1
FEMEC, Campus Santa Mônica, Bloco M, Caixa Postal 593, CEP 38.400-902, Uberlândia-MG.
[email protected]
Valtair Antonio Ferraresi2
[email protected]
Resumo: Na busca por processos industriais totalmente autônomos, visando aumento da qualidade
dos produtos, maior eficiência e menores custos, surge a necessidade de um monitoramento
apropriado de algum parâmetro deste processo. Na soldagem a arco este fato não é diferente. Na
soldagem TIG é de suma importância que a Distância Eletrodo Peça (DEP) e, conseqüentemente o
comprimento do arco, permaneça constante durante todo o procedimento de soldagem para se
obter uma boa qualidade do cordão de solda. Usualmente, o controle do DEP é realizado através
de sensores de tensão. Entretanto, estudos utilizando sensores ópticos apresentam como resultado,
a viabilidade no monitoramento da luz do arco para se fazer um ajuste automático dos parâmetros
de soldagem que ficam sujeitos a possíveis alterações durante a soldagem, como é o caso do DEP.
A proposta deste trabalho é desenvolver um sistema de controle em malha fechada junto à fonte de
soldagem, de forma a controlar em tempo real a distância eletrodo peça através do monitoramento
da luminosidade do arco, aumentando com isto a produtividade soldagem pelo processo TIG.
Palavras-chave sistema de controle, processo TIG , sensor de luminosidade, arco.
1. INTRODUÇÃO
A implementação de uma técnica de controle automático de qualquer processo industrial
leva a um aumento de sua eficiência, melhorando a qualidade e baixando os custos envolvidos. No
entanto, o sistema de controle a ser empregado deve atuar com base em um monitoramento
apropriado de algum parâmetro do processo.
Em processos de soldagem a arco, como é o caso da soldagem TIG (Tungsten Inert Gas),
isso não é diferente, onde o objetivo é atingir as características desejadas da solda com alta
produtividade. Estas características podem ser resumidas principalmente na geometria de solda
adequada, nas propriedades mecânicas exigidas e na presença de descontinuidade e defeitos dentro
dos limites estabelecidos. Para que se atinjam estas características, o controle deve ser realizado de
forma dinâmica e não estática, de acordo com as prováveis instabilidades inerentes ao arco e
interferências que possam surgir durante a soldagem. Esta constatação reforça a necessidade da
observação de algum fenômeno associado ao arco e da atuação sistemática dos parâmetros de
soldagem em função das possíveis variações ocorridas [1].
Neste sentido citam-se como exemplos de sensores utilizados no monitoramento do arco e,
conseqüentemente, da qualidade da solda: os sinais de tensão e de corrente do próprio arco, os
sensores acústicos e os sensores ópticos. Acrescenta-se ainda que os sensores baseados no som e a
técnica de análise dos sinais de tensão e de corrente de soldagem são métodos indiretos, que
1
2
Acadêmico do curso de Engenharia Elétrica da FEELT/UFU, Universidade Federal de Uberlândia – UFU.
Orientador; Engº; M.Sc.; Dr; Professor Titular do Curso de Engenharia Mecânica e Professor Permanente da PósGraduação em Engenharia Mecânica da FEMEC/UFU. Universidade Federal de Uberlândia – UFU.
utilizam técnicas estatísticas e numéricas para realizar essa classificação, o que implica em um
maior tempo de processamento e maior complexidade de análise [1].
O sensor de luminosidade vem sendo utilizado no Laprosolda/UFU com muito êxito na
soldagem MIG Pulsada, e destina-se a determinar variações de intensidade luminosa emitida por um
arco de soldagem, sendo utilizado mais especificamente para monitorar e auxiliar no ajuste correto
de parâmetros de pulsação durante soldagem MIG pulsada.
A intensidade luminosa emitida pelo arco de soldagem pode ser alterada de diversas
maneiras durante a soldagem, em função de diferentes fatores, dentre os quais se pode citar a
modificação: da corrente de soldagem, do comprimento do arco, da tensão e do raio de plasma. A
alteração da corrente de soldagem, independente de ser proposital ou não, pode ser facilmente
detectada pela aquisição dos sinais elétricos por meio de uma placa de aquisição. Normalmente
quanto maiores a corrente de soldagem e o comprimento do arco, maior será a intensidade luminosa
gerada pelo arco. É neste principio que se baseia a utilização de sensores ópticos (Miranda, 2002).
Acreditando que a identificação de intensidade luminosa, para qualquer tipo de soldagem a
arco, pudesse fornecer informações relevantes sobre perturbações que venham ocorrer no arco
elétrico durante a soldagem, foi construído e validado um dispositivo eletrônico, capaz de adquirir e
tratar os sinais de luminosidade (através de um sensor de luminosidade) emitidos pelo arco do
processo TIG, de forma a monitorar no futuro o comportamento do arco durante a soldagem de aço.
O dispositivo foi testado com variação na intensidade de corrente, velocidade de soldagem e
Distância Eletrodo Peça (DEP) para aço carbono em corrente contínua. Maiores detalhes deste
dispositivo pode ser encontrado no artigo de Campos et al, [2].
A identificação de intensidade luminosa na Soldagem TIG em aço por meio de sensores
ópticos mostrou-se até o momento ser bastante viável para desenvolver um controle da distância
eletrodo peça (DEP) [2]. Isto pôde ser possível em virtude da boa sensibilidade às variações
luminosas desse sensor, da facilidade de análise e do baixo custo do dispositivo.
O processo de soldagem TIG requer um controle em tempo real do DEP de forma a se
manter constante o comprimento do arco e conseqüentemente a tensão. Este controle usualmente é
feito através do monitoramento da tensão do arco durante a soldagem e do reposicionamento da
tocha em relação à peça [3].
Levando em consideração o que foi exposto acima, a proposta deste trabalho é desenvolver
um sistema de controle em malha fechada junto à fonte de soldagem, de forma a controlar em
tempo real a distância eletrodo peça através do monitoramento da luminosidade do arco,
aumentando com isto a qualidade e produtividade do cordão de solda do processo TIG.
2. METODOLOGIA
2.1. Projeto do Sistema de Controle
Nesta seção estão descritos todos os detalhes do projeto e construção do sistema de controle
automático do DEP através do monitoramento da luminosidade do arco.
O sistema foi assim definido após a construção de um protótipo onde foi possível estudar os
requisitos do sistema.
Os principais requisitos especificados foram:
• O sistema de controle deve ser do tipo malha fechada (ver Figura 1), ou seja, um sistema em
que o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle [5]. Sendo este sinal de saída
a luminosidade do arco.
• O transdutor de entrada e de saída do sistema é um sensor capaz de captar sinais de luz
emitidos pelo arco e transformar este sinal em um sinal de tensão;
• O sistema deverá ser capaz de comparar os sinais de saída e entrada de forma a direcionar a
atuação correta de um controlador;
• O controlador do sistema deve ajustar a posição da tocha de soldagem controlando do DEP.
2
Figura 1: Esquema do sistema de controle em malha fechada.
2.2. O sensor
Foi proposta neste trabalho a utilização de um fotodiodo atuando como sensor. Estando o
fotodiodo polarizado reversamente, a luminosidade do arco de solda recebida pelo sensor fará com
que ocorra um aumento na sua corrente reversa. Desta forma quanto maior a incidência de luz,
maior a corrente no fotodiodo reversamente polarizado.
O fotodiodo escolhido possui a especificação TIL78 (Figura 2). O TIL78 é um fotodiodo de
silício rápido que apresenta as seguintes especificações técnicas:
• Comprimento de onda da luz para ganho máximo: 890 nm;
• Corrente máxima causada pela luz: 28,5µA;
• Corrente mínima (ausência de luz): igual a 60 nA;
• Tempo de resposta de 5 ns;
• Potência máxima dissipada: 100 mW;
• Ângulo de aceitação de luz: ±60º;
• Temperatura de operação: -40ºC a +100ºC.
Figura 2: Fotodiodo (TIL78).
O sistema de controle desenvolvido é composto por amplificadores, conversor analógico
digital, micro controlador e circuito de acionamento do motor.
Os amplificadores são necessários para aumentar o sinal provido do sensor de luminosidade.
O Conversor Analógico Digital tem a função de converter o sinal de saída do AGV, que é
analógico, em um sinal digital que será utilizado como sinal de entrada para o micro controlador. O
conversor trata-se do ADS7806 do fabricante Texas Instruments.
O micro controlador é a parte responsável por controlar a conversão analógico-digital,
receber os dados do conversor analógico digital, processar estes dados e controlar o circuito de
acionamento do motor. O micro controlador utilizado neste trabalho foi o PIC16F877. O micro
controlador ao receber os dados do conversor, compara estes dados com uma faixa de valores
tomada como referência, a qual estará armazenada em sua memória. Esta faixa será armazenada nos
primeiros instantes de soldagem, a mesma corresponde ao máximo e mínimo valor adquiridos
nestes instantes. Se o dado que chega do conversor estiver fora da faixa o micro controlador
comunica ao circuito de acionamento do motor, para que suba a tocha se o valor recebido estiver
abaixo da faixa de referência ou para que desça a tocha caso o valor estiver acima da faixa de
referência.
O sistema construído faz todo este processamento a uma taxa de 38 kHz e uma resolução de
12 bits.
3
O circuito de acionamento do motor nada mais é do que um amplificador de corrente. O
mesmo é construído utilizando o transistor TIP120, o qual tem sua base excitada por um sinal que
chega do micro controlador fechando assim a malha da bobina do motor que está ligada ao seu
coletor.
A figura 3 apresenta um diagrama esquemático do circuito eletrônico desenvolvido.
Figura 3: Diagrama de bloco da interface eletrônica.
Na figura 4 segue-se o layout da placa utilizada para fazer o circuito eletrônico.
Figura 4: Layout do circuito
Na figura 5 está mostrado o sistema de controle desenvolvido para aplicação do sensor de
luminosidade na soldagem.
Figura 5: Sistema desenvolvido.
2.3. O Sistema de Movimentação da Tocha de Soldagem
O sistema de movimentação da tocha de soldagem foi desenvolvido aproveitando-se uma
mesa de soldagem automática existente no laboratório (Figura 6). Esta mesa é capaz de movimentar
a tocha nos eixos x, y e z. Tal movimento é feito pelo acionamento de motores de passo. Desta
forma, o sistema desenvolvido neste trabalho faz o controle de posição da tocha através do
acionamento do motor (ver Figura 7) que garante o movimento da mesa no eixo z. As
características deste motor são:
• Passo de 7,5º
• A impedância de cada bobina é de 5 ohm.
4
Figura 6: Mesa de soldagem XYZ.
Figura 7: Motor Z da mesa de soldagem.
A forma de acionamento do motor foi do tipo passo completo onde duas bobinas são
energizadas para produzir um passo, obtendo-se assim maior torque, porém maior consumo de
energia.
3. TESTE E ANÁLISE DE RESULTADOS
3.1. Teste 1
O Teste 1 foi realizado utilizando uma chapa como mostrado na Figura 8 onde foi feito o
controle automático do DEP. Desta forma, apesar da geometria da chapa, o DEP deverá permanecer
constante.
Figura 8: Resultado do Teste 1 (Vermelho – Luz; Verde – Tensão).
5
O gráfico da Figura 9 mostra o sinal de luminosidade e tensão durante a soldagem. É fácil
observar onde ocorre alteração do DEP, região que chamamos de transição.
Observa-se na Figura 9 que o sistema atua a fim de manter a luminosidade e
conseqüentemente a tensão em seus valores de início da soldagem, onde o DEP havia sido
ajustado.
Comparando os sinais de tensão e luminosidade, e observando a região de transição, pode-se
concluir que o sistema de controle apresenta certo atraso na atuação. Esse fato é atribuído à
defasagem entre a tensão e a luminosidade devido à presença de um filtro no sistema de
aquisição da luz. Este fato pode ser compensado ou minimizado através de formas
alternativas de eliminação de ruídos.
Figura 9 – Resultado do Teste 1 (Vermelho – Luz; Verde – Tensão)
Visualizando a figura 9 pode-se notar:
• No período de tempo entre 3 e 4 segundos, o sinal de tensão aumenta onde há o aumento
do DEP.
• Entre 4 e 6 segundos, o sistema atuou a fim que a tensão retornasse ao seu valor inicial.
• Entre 6 e 7,5 segundos, o sinal de tensão diminui onde há a diminuição do DEP.
• Após 7,5 segundos, o sistema atua e a tensão se ajusta ao valor inicial.
Os sinais de Tensão e de Luminosidade se mostraram muito instáveis, porém esse fato pode
ser explicado devido à grande presença de óxido na chapa. A quantidade do óxido era bem
menor nas ranhuras da chapa. O sinal de luz poderia estar muito instável no momento em
que foi adquirida a referência para o controle.
Tanto o sinal de tensão e o sinal de luz se comportaram de forma aceitável para que esses
parâmetros possam ser utilizados em um sistema de controle do DEP. A vantagem
encontrada até o momento para a utilização da luminosidade é que o sistema que adquire
este sinal não está ligado à fonte de soldagem.
3.2. Teste 2:
Aqui se repetiu o teste em aço carbono com inclinação de 5º de forma que a soldagem foi
realizada de cima para baixo e com o controle automático da DEP, porém, foi coletado um dado a
mais como pode ser visto na Figura 10. A curva em azul representa o acionamento do motor, ou
seja, toda vez que este sinal aparece significa que o controle está atuando sobre o DEP.
6
Observa-se que o controle atuou durante quase todo o tempo não permitindo que o DEP
aumentasse e conseqüentemente a tensão . O DEP foi medido no início e no fim da soldagem e
apresentou o mesmo valor de 3 mm para as duas medições.
Figura 10 – Resultado do Teste 2 (Vermelho – Luz; Verde – Tensão; Azul – Acionamento do
motor)
Entretanto, observa-se que algumas variações ocorridas na luz não foram percebidas pelo
sistema, como a variação que ocorre em torno do tempo 2,75 segundos. Para explicar esse fato
deve-se adquirir o sinal durante a aquisição da referência, o que será feito no teste 12.
3.3. Teste 3:
Este teste é a repetição do Teste 2, porém com um aumento no tempo de aquisição a fim de
adquirir o sinal desde o início da soldagem.
Como pede ser visto na Figura 11 o sistema atuou, mas deve ser feito algumas considerações
tais como:
Figura 11 – Resultado do Teste 3 (Vermelho – Luz; Verde – Tensão)
A referência foi adquirida entre o período de tempo de 1 a 5 segundos. Neste intervalo de
tempos a luz se comporta sempre da forma como é vista (lembrar que a tocha está parada).
A partir de 5 segundos a tocha começa a se mover e o sistema atua para que a luz não
ultrapasse a referência.
O sistema ainda está lento na atuação o que permite pequenas variações de tensão.
Algumas variações, como a que ocorre em torno do instante de 18 e 24 segundos, não são
percebidas pelo sistema o que pode ser entendido observando o sinal de referência. Esse fato
leva a questionar se a faixa de valores tomados como referência é aceitável para que o
sistema atue bem. Talvez a faixa deverá ser reduzida para mais próximo do valor médio.
7
3. AGRADECIMENTOS
Esse trabalho é dedicado a toda equipe LAPROSOLDA-UFU que sempre consegue realizar
projetos interessantes, ao orientador professor Dr. Valtair, ao ex-aluno de iniciação científica Tiago
Veríssimo que deu inicio a esse projeto juntamente com o professor Dr. Valtair e ao apoio do CNPq
com seu incentivo a pesquisa.
4. REFERÊNCIAS
[1] Miranda, H. C. 2002, “Reconhecimento e controle da transferência metálica no processo
MIG/MAG pulsado”, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia-MG.
[2] American Welding Society (AWS), 1991, “Welding Processes”, Welding Handbook, Vol 2,
8.ed.
[3] CAMPOS, T. V.; FRANCO, V. L. D. S. e FERRARESI, V. A. 2006. Utilização de um sensor
de luminosidade na soldagem automática do processo TIG para Aço. IV CONEM Congresso
Nacional de Engenharia Mecânica, Anais em CD do IV CONEM, Recife, 22 a 25 de agosto.
[4] ALCAN, 1993. Manual de soldagem, ALCAN Alumínio do Brasil S/A, 1a Edição.
[5] NISE, NORMAN S. 2002. Engenharia de Sistemas de Controle. 3ª Edição.
APPLICATION OF THE BRIGHTNESS SENSOR IN TIG WELDING OF
STEEL AND ALUMINUM
Victor Hugo Santos Lima
FEMEC, Campus Santa Mônica, Bloco M, Caixa Postal 593, CEP 38.400-902, Uberlândia-MG.
[email protected]
Valtair Antonio Ferraresi
[email protected]
Abstract: In the search for industrial processes fully autonomous, aiming at increasing product
quality, greater efficiency and lower costs, comes the need for appropriate monitoring of any
parameter of this process. In the arc welding this fact is no different. In TIG welding is of
paramount importance that the Distance Electrode Part (DEP) and therefore the length of the arc,
remains constant throughout the process of welding to get a good quality of the cord of solder.
Usually, the control of the DEP is met through sensors of tension. Meanwhile, studies using optical
sensors have as a result the feasibility of tracking the light of the arc to make an automatic
adjustment of the parameters of bonding that are subject to possible changes during welding, such
as the DEP. Taking into account the above facts, the proposal of this work is to develop a control
system in closed loop near the source of bonding in order to monitor in real time the distance
electrode piece by tracking the brightness of the arc, increasing the productivity with this by TIG
welding process.
Keywords: Welding; TIG process; Photo sensor; Electric arc.
8