Modeling and simulation of metal transfer in the GMAW-S process in orbital welding

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2013.A procura por processos de soldagem versáteis e de alta produtividade é uma necessidade contínua, em especial na união de dutos que representam o cerne no escoamento dos mais diferentes fluidos na área de petróleo e gás. A soldagem orbital refere-se ao processo de união de dutos e tubulações. A soldagem fora da posição plana e a própria geometria da peça de trabalho tornam o processo complicado, devido à variação contínua da posição de soldagem, o que constitui uma constante mudança no comportamento das forças que atuam sobre a gota de metal fundido e altera a dinâmica da transferência de metal. Este evento faz com que a solda apresente problemas de qualidade, pelo escoamento da poça de fusão e a instabilidade na transferência metálica. O presente trabalho propõe o desenvolvimento e implementação de um modelo híbrido que representa o processo GMAW na soldagem orbital, construído sob a aplicação de um tratamento físico e matemático específico para a modelagem dos períodos de formação, crescimento e transferência da gota, que compõem o modo de transferência por curto circuito, a fim de compreender os fenômenos físicos e dinâmicos envolvidos no processo. As respostas obtidas pelo modelo foram complementadas com o estudo da estabilidade da transferência de metal em experimentos reais, para ter uma visão global que combine o conhecimento obtido pela análise de experiências reais conduzidas, com os resultados gerados por ferramentas computacionais. Após a análise das respostas obtidas, os procedimentos desenvolvidos nesta pesquisa foram expostos a uma regra de regulação de parâmetros, para mitigar os efeitos da variação da posição de soldagem e melhorar a estabilidade da transferência metálica. Os resultados apresentados foram satisfatórios e se refletem na melhoria da aparência e qualidade do cordão de solda. Destaca-se que o modelo pode ser utilizado para o estudo do controle da transferência de metal, bem como para o estudo da escolha de parâmetros adequados para soldagem, com o objetivo de alcançar um elevado nível de qualidade da junta soldada em diferentes condições. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTDemand for welding versatile processes and high productivity is an ongoing need, particularly in the union of ducts that represent the core in the flow of the different fluids in in the field of oil and gas. The orbital welding refers to the process of union of ducts and pipes. The welding outside the plane position and the own geometry of the work piece make the process complicated, due to the continuously variation in the welding position, which is a constant change in the behavior of the forces acting on the molten metal droplet, and changes the dynamics of metal transfer. This event causes the solder present quality problems by runoff of the molten pool and the instability in metal transfer. This paper proposes the development and implementation of a hybrid model that represents the GMAW process in the orbital welding, built under the application of specific physical and mathematical treatment for the modeling of periods of formation, growth and transfer of the drop, which compose mode transfer by short circuit, in order to understand the physical and dynamical phenomena involved. The responses obtained by the model were complemented with the study of stability of metal transfer in real experiments, to have a global vision that combines the knowledge gained by analyzing real experiments with the results generated by computational tools. After the analysis of responses, the procedures developed in this study were exposed to a regulation rule of parameters, in order to mitigate the effects of the variation of welding position and improve the stability of metal transfer. The results were satisfactory and were reflected in the improvement of the appearance and quality of the weld. It is noteworthy that the model can be used to study the control of metal transfer, as well as to study the choice of appropriate parameters for welding, in order to achieve a high level of quality of the welded joint in different conditions