Instituto de Soldagem e Mecatrônica

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DESENVOLVIMENTO DE UM CABEÇOTE ORBITAL PARA SOLDAGEM TIG DE TUBOS

Jarbas Renato Bortolini, graduando em Engenharia Mecânica / UFSC
Eng. Carlos Eduardo Broering, mestrando em Engenharia Mecânica / UFSC
Co-Orientador: Dr. Eng. Raul Gohr Junior
Orientador: Jair Carlos Dutra


   Os sistemas de soldagem orbital são utilizados na automatização da união por soldagem de tubos que não podem ser rotacionados. Eles são requeridos em situações que a qualidade da solda deve estar em conjunto com a produtividade, visto sua capacidade de produzir com elevado grau de reprodutividade e rapidez de execução, soldas de excelente aspecto visual e livres de defeitos. Dentre os diversos setores que os mesmos são empregados, pode-se citar: a indústria de extração e refino de petróleo, bem como transporte de seus derivados, a indústria aeroespacial, farmacêutica, nuclear e naval.

   A soldagem orbital foi primeiramente utilizada nos anos 60 quando a indústria aeroespacial precisava de uma nova técnica para a soldagem de tubos utilizados em aeronaves. Esta técnica de soldagem só veio a ser utilizada em maior escala na década de 80, com o desenvolvimento de fontes de soldagem e sistemas de controle mais modernos. Os sistemas de soldagem orbital usados nos dias de hoje, utilizam sistemas de controle digitais e são capazes de armazenar os valores dos parâmetros e variáveis de soldagem para posterior utilização, garantindo repetitividade e um menor número de defeitos. No entanto, o Brasil não detém a tecnologia de fabricação de dispositivos de soldagem orbital, tendo que importar tais equipamentos. Por isso os estudos sobre esta tecnologia são fundamentais para que se obtenha a autonomia necessária.

   Na soldagem orbital existem dois tipos fundamentais de cabeçotes, os de câmara fechada(fig. 1) que são destinados a tubos de pequenos diâmetros, na faixa de 3 até cerca de 170 mm e os abertos(fig. 2) que têm aplicação em tubos de maiores diâmetros.

   O primeiro passo do Laboratório de Soldagem – LABSOLDA neste campo de atividade se refere ao modelo de câmara fechada. O cabeçote de soldagem orbital é do tipo em que a solda se localiza no interior de uma câmara, formada por um posicionador que fica ao redor do tubo. Esta câmara é preenchida com um gás inerte, antes do início da soldagem, para proteger o exterior do tubo e o eletrodo de tungstênio da ação destrutiva do oxigênio. Quando estiver implementado o cabeçote orbital terá condições de soldar tubos com diâmetros de 6 a 77 mm com espessuras de 0,5 a 4 mm.

Figura 1 - Cabeçote Orbital com Câmara Fechada

Figura 2 - Cabeçote Orbital aberto

   O processo de soldagem utilizado será o TIG pulsado, devido as seguintes características:

· Efeito térmico sobre a poça fundida causado pelo baixo valor da corrente de base;

· Nível elevado da corrente de pulso que auxilia a penetração, formando o chamado “cordão duplo”;

· A ação pulsante ajuda na inclusão de materiais metálicos e não metálicos.

   Atualmente os trabalhos de desenvolvimento do projeto envolvem duas frentes de pesquisa, a parte de fabricação dos componentes mecânicos do equipamento e a parte de controle do sistema.

   Os trabalhos de desenvolvimento do projeto e fabricação dos componentes mecânicos, iniciadas pelo Eng. Gilson Arima, competem ao bolsista de iniciação científica Jarbas Renato Bortolini e envolvem sucintamente:

  • Etapa 1: Conclusão do projeto, em ambiente CAD, dos componentes de sujeição e alinhamento dos tubos, na identificação de possíveis soluções, requisitos de projeto, até sua concepção final;
  • Etapa 2: Produção dos desenhos técnicos e especificação para aquisição dos materiais;
  • Etapa 3: Acompanhamento e fabricação das peças do componente de sujeição e alinhamento;
  • Etapa 4: Montagem dos componentes mecânicos do equipamento;
  • Etapa 5: Integração de componentes eletro-eletrônicos (motor, foto-sensor de posição, componentes de condução de energia) ao equipamento, em parceria com os bolsistas de Engenharia Elétrica que atuam no projeto;
  • Etapa 6: Testes de avaliação de desempenho do equipamento;
  • Etapa 7: Proposição de correções no projeto, com base nos resultados obtidos dos testes de desempenho.

   Durante os estudos iniciais, identificou-se a concepção que melhor atendeu aos objetivos do projeto, tanto em termos de funcionamento na faixa de operação alvo (Tab. 1), quanto capacidade de fabricação. Para visualização tridimensional do conjunto de engrenagens, eixos e rolamentos, foi gerado um modelo em ambiente CAD (Fig. 3) com o objetivo de verificar possíveis falhas e permitir a otimização do conjunto.

Diâmetro Externo dos Tubos [mm]

Mínimo

 

Máximo

3

 

26

6

 

77

25

 

130

Tabela 1: Faixas de Operação

Figura 3: Modelo gerado em ambiente CAD

   O resultado destes estudos direcionaram o desenvolvimento do cabeçote orbital a trabalhar com diâmetro externo de tubo até 77 mm, visto também, devido as maiores aplicações na indústria de extração e refino de petróleo, tanto na montagem de equipamentos, quanto de linhas de transporte em plantas industriais.

   No desenvolvimento da forma final, foram modeladas diversas concepções na busca pela máxima redução das suas dimensões. Porque, além do desempenho na soldagem, nos cabeçotes orbitais o tamanho final do equipamento reflete o grau de avanço da tecnologia empregada. Todos os componentes foram desenhados em ambiente CAD com o objetivo de verificar possíveis falhas e permitir uma otimização do conjunto (Figura 2-A e B).

Figura 4: (A) – Concepção baseada no princípio de cartucho. (B) – Detalhe do posicionador de tubos.

   Hoje, os trabalhos se encontram na conclusão da etapa 1, 2 e 3. E já em andamento a etapa 5. Para a completa montagem do protótipo, é necessário a usinagem do sistema de posicionamento (Figura 2-B), que atualmente se encontra em fabricação, visto que o corpo principal (Figura 3), que compreende a estrutura e o conjunto de acionamento dinâmico do eletrodo, já se encontra devidamente montado e em testes.

        

Figura 5: Fotos do Corpo Principal do Cabeçote TIG Orbital.

   O trabalho de desenvolvimento do controle do sistema de soldagem orbital, corresponde à dissertação de mestrado do Eng. Carlos Eduardo Broering, e está em fase de estudo e planejamento dos blocos que deverão estar contidos no sistema. Uma descrição resumida deste estudo é mostrada abaixo.

   Na soldagem orbital o tubo é dividido em seções e em cada seção, variáveis de soldagem como corrente de pulso, tempo de pulso, velocidade de pulso, corrente de base, tempo de base e velocidade de base devem ser modificadas a fim de manter a qualidade da solda. Além das variáveis citadas existe ainda uma série de parâmetros que devem ser ajustados antes do início da soldagem.

   O controle do sistema de soldagem orbital pode ser implementado de três formas:

1. Com o controlador Principal incluído na fonte de soldagem (figura 6);

Figura 6: controlador localizado na fonte de soldagem.

 

2. Com o controlador principal incluído no cabeçote orbital (figura 7);

Figura 7: controlador localizado no cabeçote orbital

3. Unidade de controle principal, em separado, gerenciando a fonte de soldagem e o cabeçote (figura 8).

Figura 8: configuração com sistema de controle remoto.

   Analisando-se as três configurações a mais flexível seria a configuração 3, com um sistema de controle remoto. Por isso, esta será utilizada na primeira fase de testes do cabeçote orbital. Entretanto, como o sistema de soldagem orbital deve ser transportável, a inclusão de um terceiro componente torna-se inconveniente, pois é mais um equipamento a ser transportado e, além disso, tem-se um maior número de conexões e cablagem.

   Um sistema de soldagem orbital é composto fundamentalmente por uma fonte de soldagem e por um cabeçote orbital. A opção com a fonte de soldagem controlando o sistema, é a mais interessante para o Laboratório de Soldagem por já possuir uma fonte de soldagem adequada para esta situação, a Tiger 160, leve, compacta, fácil de transportar e por possuir uma entrada de dados analógica necessária para o controle de corrente do sistema, conforme figura 9. No entanto, o cabeçote orbital fica preso a fonte de soldagem específica, apesar de esta ser a configuração mais encontrada em dispositivos similares produzidos no exterior.

   Por fim, a opção com o cabeçote controlando o sistema pode ser considerada a mais genérica, pois o mesmo pode conectar-se a diferentes fontes de soldagem. Por outro lado tem-se a falta de padronização dos sinais recebidos pelas fontes, fazendo com que o hardware e o software pelo menos contemplem as formas mais comuns de comunicação existentes.

   Independente do local da unidade de controle, ela deverá indicar o valor da corrente e da velocidade de soldagem, dependendo da posição do eletrodo no interior da câmara de soldagem, como indicado no diagrama de blocos mostrado na figura 9:


Figura 9: diagrama de blocos geral do Sistema de Soldagem Orbital.

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:: Publicada no Boletim Técnico da Petrobrás
:: Animação do Cabeçote TIG Orbital em operação
:: Video de um Cabeçote TIG Orbital em operação da Arc Machines
:: Acompanhe um Ensaio

AGRADECIMENTOS

   Os autores agradecem à PETROBRAS, à FINEP , à IMC e à ANP pelo apoio financeiro concedido para o desenvolvimento do projeto.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] PURNELL, STEVE. Orbital Welding Developments. Revista Tube & Pipe Tecnology, Estados Unidos, Setembro de 2002.

[2] Wuertz, William J. Orbital Welding, New Documentation Methods Simplify Validation of Stainless Steell Systems. Revista Contract Pharma, Estados Unidos, março de 2001.

[3] MANNION, BERNARD. The Fundamentals of Orbital Welding. Revista Gases & Welding Distributor, Estados Unidos, janeiro e fevereiro de 2000.

[4] HEINZMAN, JACK, MANNION BERNARD. Obital Tube Welding. Revista Flow Control, Estados Unidos, dezembro de 1999.

[5] AMES, N., HOLMQUIST M., JOHNSON M. Q. Orbital Welding of Small-Bore Super Duplex Tube Using GTAW Flux. Anais da Conferência e Exposição Duplex América 2000, Houston, Estados Unidos, 29 de fevereiro a 1 de março de 2000.

[6] AMI ARC MACHINES, INC. Orbital Welding of Stainless Steel Tubing for Biopharmaceutical, Food and Dairy Applications. Anais do Oitavo Congresso Argentino de Farmácia e Bioquímica Industrial, Buenos Aries, Argentina, junho de 1999.

[7] SHIGLEY, J.E., Elementos de Máquinas, vol. 1 e 2. Rio de Janeiro: LTC Editora. 1984.

[8] POPOV, E.P., Introduction to Mechanics of Solids, New Jersey -EUA, Prentice-Hall INC. EUA.1968.

[9] NSK, Catálogo de Rolamentos.

[10] Minimotor SA, Catálogos de Minimotores e Redutores.

[11] MAXON Motors AG, Guide of DC Motor, gear and encoder.

[12] Quality Transmission Components, Catálogo de Engrenagens.

 

 
 

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