Abstract Numerous GMAW processes have appeared for one-pass welding of medium to high thickness. This concept originated in the 1980s with the T.I.M.E. technique and the 1990s and 2000s saw the emergence of Rapid Arc, Rapid Melt and Buried Arc techniques. These processes did not include any special control features, but rather parameter combinations to improve bead geometry. A new interpretation of the factors that are critical to achieving high performance GMAW (penetration) is presented herein. Tests with a voltage controlled power source with inductance control and the Rapid Arc process were conducted on bead-on-plate for high speed videography. Later, validation tests were conducted on butt joints, with the technique developed, with and without groove on AISI 1020, 3/8” thick steel plates. The power source may be of voltage control but has to provide a dynamic response able to sustain a metastable equilibrium of the molten pool applying the semi-keyhole technique. The technique developed was able to weld, in a single pass, 3/8” thick butt joint steel plates. The results showed that a power source, to achieve the GMAW buried arc condition, only needs to provide dynamic characteristics able to maintain the molten pool in a metastable equilibrium.

Abstract: Recent profusion of advanced GMAW process variants impairs understanding of the nature of each one, with the arc rotation technique among them. This paper’s objective is investigating influences of wire-electrode rotation over metal transfer mode and melting rate. A bead on plate experimental matrix was performed and electrical signals acquired in synchronicity with high speed videography. Impacts of electrode rotation were observed on welding voltage and current, whereby rotation speed exerts marked influence. Droplet short-circuiting frequency was affected, culminating in free-flight transfer mode for higher rotation speeds. Increase of melting rate was observed for lower electrical power, indicating efficiency enhancement of the process. Moreover, arc rotation proved to expand controllability of the thermal development of the workpiece. Results are supported by videothermography.

Abstract: The GTAW process is recognized as a process of high metallurgical quality, being widely used in the pipelines welding, mainly in the root pass. The relative independence between the heat delivered to the melting pool and the amount of material added helps to control the melting of the material and to avoid the appearance of welding discontinuities such as lack of fusion and lack ok penetration. When orbital welding is carried out, mainly in the overhead position, there is a tendency of electrode contamination by the melted wire, reducing process productivity and quality. In this scenario, there are some strands of the GTAW process that aim for increased productivity, reconciled with the already present high metallurgical quality. These includes low and high frequency dynamic wire feeding, preheating wire and tangential wire insertion. The present work deals with the contribution of the high frequency dynamic wire feeding for the increase of robustness in the GTAW process, evidencing through voltage monitoring and high speed filming the formation of regular and uniform drops for the process stability.

Resumo Atualmente, no cenário brasileiro de óleo e gás a execução dos processos de soldagem para aços inoxidáveis consiste em sua grande maioria de aplicações manuais, dificultando qualquer aumento de produtividade e repetibilidade dos processos. Portanto, a automação desta etapa permite grandes avanços com resultados mais confiáveis, menores custos relacionados à mão-de-obra e condições de saúde mais favoráveis para os soldadores. Com o objetivo de automatizar a soldagem GTAW em aplicações orbitais, testes experimentais foram realizados em tubos de aço inoxidável 304 L, posicionados na posição 5G de soldagem. As amostras foram soldadas pelo processo GTAW com alimentação dinâmica de arame, utilizando um manipulador robótico em 2 etapas de 180º na progressão vertical descendente. Os parâmetros de soldagem e a condição estável de soldagem obtidos foram discutidos e o comportamento da poça durante a soldagem do passe de raiz foi monitorado por videografia em HDR. Foi possível se alcançar alta velocidade de soldagem no passe de raiz, 50 cm/min com o modo keyhole. O movimento dinâmico do arame contribuiu para alcançar-se grande estabilidade do processo e robustez na soldagem de todos os passes, da raiz ao acabamento. As macrografias e ensaios de raio-x realizados na junta não indicaram a presença de descontinuidades como poros e falta de fusão.

Abstract Currently, in the Brazilian Oil and Gas scenario the execution of welding processes for stainless steel consists mostly of manual applications, rendering hard any increase in productivity and repeatability. Therefore, the automation of this step allows several advances such as more reliable results, lower costs and healthier condition for welders. With the aim of developing automation for GTAW welding of these applications, experimental tests were carried out in a 304L stainless steel pipe laid out at 5G position. The samples were orbitally welded by GTAW with dynamic wire feeding process, using a robotic manipulator in two steps of 180º in vertical down progression. The welding parameters and the stable condition obtained are discussed and the weld pool behavior during the root pass was online monitored by HDR (High Dynamic Range) videography. It was possible to reach high welding speed in the root pass, 50 cm/min in a keyhole mode. The wire dynamic movement contributed to reach great process stability and robustness for all joint passes, from root to finishing. The macrographs and x-ray analysis did not indicate discontinuities as porosity nor lack of fusion.

Resumo O presente trabalho visa obter o conhecimento detalhado de diferentes versões do processo MIG/MAG por transferência em curto-circuito com controle de corrente e sua aplicabilidade na soldagem de raiz em chanfro V sem a utilização de anteparo da poça (backing). Embora muitos trabalhos na área de soldagem de tubos descrevam realizar o procedimento inteiramente mecanizado através de sistemas orbitais, informações mais detalhadas sobre como este foi realizado acabam não sendo divulgadas. Além disso, diferentes condições de aplicação impõem conhecimento mais aprofundado, para devida adaptação / parametrização específica. Nesse contexto, a soldagem de raiz com manipulador orbital mecanizado foi realizada em tubos utilizados na indústria do petróleo e gás, verificando as condições de operação de três versões comerciais do processo MIG/MAG em curto-circuito com controle de corrente, sendo duas com controle eletrônico e uma com controle eletromecânico da transferência metálica. As três versões possuem níveis controlados de energia, bom controle de estabilidade na transferência metálica e baixo índice de respingos, diferenciais na aplicação de raiz. Nos ensaios, feitos em tubos da classe API 5L grau B, foi possível a realização da soldagem orbital em situações nas quais a junta dos tubos apresentava geometria favorável, sem a presença de desnivelamento (high-low) e em condições estreitas dos valores de tolerância para abertura de raiz (gap). Quanto ao perfil geométrico de fusão no chanfro, os ensaios com as versões eletrônicas apresentaram bons resultados sem defeitos que pudessem comprometer a integridade da junta. No entanto, dentro das faixas abordadas, com a utilização da versão eletromecânica, verificou-se a presença de defeitos de falta de fusão, o que gerou hipóteses quanto a diferentes faixas de parâmetros para esta versão na aplicação de raiz em tubos com chanfro V.

Abstract The present work aims to obtain the detailed knowledge of different versions of the MIG/MAG process by short-circuit transfer with current control and its applicability in V-groove root welding without the use of backing. Although many pipe welding researches describe performing the fully machined procedure through orbital systems, more detailed information on how this was accomplished ends up not being disclosed. In addition, different application conditions require in-depth knowledge for proper adaptation/specific parameterization. In this context, root welding with a mechanized orbital manipulator was performed in tubes used in the oil and gas industry, by verifying the operating conditions of three commercial versions of the MIG/MAG process in short circuit with current control, two of which with electronic control and one with electromechanical control of metal transfer. The three versions have controlled levels of energy, good stability control on the metal transfer and low spatter index, differentials in root application. In the tests, which were carried out on API 5L grade B pipes, it was possible to perform orbital welding in situations in which the pipe joint presented favorable geometry, without the presence of unevenness (high-low) and narrow conditions of tolerance values for gap opening. As for the geometric profile of fusion on the groove, the tests with the electronic versions presented good results without defects that could compromise the integrity of the joint. However, within the ranges covered, with the use of the electromechanical version, it was verified the presence of lack of fusion defects, which generated hypotheses regarding different parameter ranges for this version in the root application in V-groove tubes.

Resumo A medição da geometria da junta é tarefa fundamental para a automação da soldagem. Dentre os sensores utilizados para tal finalidade, os Sensores de Triangulação Laser para soldagem (STL) estão entre as tecnologias que melhor caracterizam a geometria da junta durante a soldagem. A medição da abertura de raiz (gap) é especialmente importante para o sucesso na deposição automatizada do passe de raiz, com benefícios de produtividade e qualidade em diferentes aplicações, como a construção de dutos para o setor de Petróleo e Gás. A medição desta característica é sensível aos ruídos gerados pela soldagem e à reflexividade da superfície da junta. Os algoritmos de processamento de imagem para medição do gap apresentados na literatura não têm as características desejadas de erro de medição e flexibilidade para medição em chanfros de diferentes dimensões. Este artigo apresenta um novo algoritmo para a medição do gap em juntas de chanfro “V” empregando a técnica de ajuste linear. O algoritmo de medição desenvolvido foi avaliado a partir dos erros de medição do gap encontrados em imagens capturadas antes e durante o procedimento de soldagem de raiz de um corpo de prova padrão. As mesmas imagens foram processadas com os algoritmos de correlação de padrões e algoritmo de derivadas, ambos apresentados por trabalhos acadêmicos. O algoritmo proposto apresentou os melhores resultados de erro de medição, robustez e flexibilidade.

Abstract Joint geometry measurement is a key task for welding automation. Among the sensors used for this purpose, the Laser Triangulation Sensors for welding (LTS) are the ones that best characterize the joint geometry. Root gap measurement is especially important for success in the automated root pass deposition, with production and quality benefits in different applications, such as pipeline construction for the Oil & Gas industry. The measurement of this feature is sensitive to noises generated by welding and joint surface reflexivity. The image processing algorithms for gap measurement available in literature do not have the desired characteristics of measurement error and flexibility for dimensional variability of welding joints. This paper presents a new algorithm for root gap measurement of “V” type joints using a linear adjustment technique. This developed algorithm was evaluated from measurement errors found in images captured before and during orbital welding procedure of a standard test piece. The same images were processed with pattern correlation algorithm and derivative algorithm, both presented in academic papers. The proposed algorithm presented the best results of measurement error, robustness and flexibility.

O processo TIG, em configurações tradicionais, apresenta problemas quando utilizado de maneira autógena com elevadas corrente e velocidade de soldagem. Nessa condição, normalmente ocorrem defeitos no cordão, principalmente descontinuidades denominadas humping. Em estudo realizado no LABSOLDA, foram obtidas soldas de excelente qualidade com o processo TIG atingindo velocidades de 1,5 m/min. Este procedimento, utilizando na proteção misturas argônio-hidrogênio, possibilitou velocidade semelhante ao processo MIG/MAG convencional, com a vantagem de ser realizada sem material de adição. O presente trabalho tem o objetivo de fornecer subsídios para uma nova análise da formação dos defeitos na soldagem TIG de elevada produtividade, já que a teoria baseada na pressão do arco não contempla totalmente o que tem sido observado na prática. Foram realizados ensaios com diferentes correntes utilizando argônio, hélio e misturas argônio-hidrogênio no gás de proteção. Os resultados mostram que para a mesma corrente média, à medida que o teor de H2 foi aumentado, ocorreram também gradativos aumentos da área fundida e eficiência de fusão. Foi possível mostrar indícios de que o mecanismo de formação de defeitos não depende somente da pressão do arco, mas sim do balanço entre pressão do arco e quantidade de metal fundido, que é dependente da eficiência de fusão proporcionada pelo gás utilizado.

Under usual configurations, the TIG process presents problems when used autogenously with high current and welding speed. In this condition defects in the weld bead usually occur, especially discontinuities called humping. In a study conducted at LABSOLDA, welds with excellent quality were obtained using the TIG process reaching speeds of 1.5 m/min. Under argon-hydrogen shielding gas mixtures welding speed similar to the conventional MIG/MAG process was allowed, with the advantage of being performed without filler material. The objective of this paper is to provide support for a new analysis of the defects formation in high productivity TIG welding, since the theory based on the arc pressure does not fully contemplate what has been being observed in practice. In this work, tests were performed with different current levels using argon, helium and argon-hydrogen mixtures as shielding gas. The results show that, for the same average current, as the H2 content was increased, there were also gradual increases of melted area and melting efficiency. It was possible to show evidences that the mechanism of defects formation depends not only on the arc pressure, but on the balance between arc pressure and the quantity of molten metal, which depend on the melting efficiency provided by the used gas.