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.

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.

De todos os processos de soldagem a arco, o MIG/MAG é o que recebe maior número de inventivas, originando uma quantidade enorme de novas versões. Em virtude disto, surge uma grande dificuldade dos usuários em manterem-se atualizados no estado da arte e de tomarem as devidas decisões, seja na seleção de novos equipamentos, seja na seleção da correta modalidade e respectiva regulagem dentro de um equipamento já disponível. Muitas das novidades vêm ao mercado com uma roupagem tecnológica que nem sempre está muito próxima da verdade científica. Assim, este artigo se propõe a dar uma contribuição a esta questão, abordando a versão CMT (Cold Metal Transfer). É apresentado um estudo das características de fusão, comparando-o com o MIG convencional no caso particular da soldagem com arame de alumínio naval 5183. Os resultados revelam que a aparente baixa potência elétrica desta versão transparecida pelos baixos valores de tensão e corrente média, não é correta. Realmente, para as condições ensaiadas, ela é uma versão de processo MIG com maior potência do que o MIG convencional, quando os procedimentos de cálculo são os corretos. Apesar disso, o CMT se revela uma boa solução para a soldagem de raiz de alumínio devido à adequada cadência e repetitividade da transferência de gotas. A cadência da corrente e da tensão revela uma grande similitude com uma corrente pulsada de onda retangular, mas dentro da faixa de transferência por curto-circuito.

Among all arc welding processes, MIG/MAG is the one experiencing most of the innovations, originating an enormous quantity of new versions. Due to this fact, end users are faced with a great difficulty in keeping up to date with the state of the art and taking due decisions, whether in the selection of new equipment or in the selection of the correct welding mode and respective adjusting of an already available equipment. Many of the novelties come on the market with a technological appeal that not always correspond to scientific truths. Thus, this paper aims at giving a contribution to this question, addressing the CMT (Cold Metal Transfer). A study of melting characteristics is presented, providing comparisons with the conventional short-circuiting MIG/MAG process for the particular case of naval aluminum 5183. Results reveal that the apparent low electrical power of the CMT, suggested by the low average voltage and current, is not correct. Indeed for the adopted conditions it is a variant of the MIG/MAG process with more power than conventional MIG/MAG, when correct power calculation procedures are made. Nevertheless CMT proves itself as good solution for aluminum root pass welds due to the adequate cadence and droplet transfer repeatability. The current and voltage cadence shows a great similarity with a rectangular pulsed wave, but inside a short-circuiting transfer range.

Na sua essência, o objetivo fundamental da utilização da corrente pulsada em soldagem é aumentar a relação potência do processo/velocidade do arame, já que a mesma é muito baixa na transferência por curto circuito. Ocorrem, por isso, soldas com baixa qualidade, principalmente em alumínio e suas ligas e em aços inoxidáveis. Com a corrente pulsada, evitando-se os curtos-circuitos, a relação potência/velocidade do arame aumenta, pois a tensão nunca atinge valores abaixo de 15 V. Então, a lógica de controle é tão somente evitar o curto circuito, sendo, portanto, ilógico a conjectura de sistemas com mais de uma gota por período. O que é vital para a técnica da pulsação é o arranjo físico das variáveis da onda. Por isso, este artigo analisa vários conjuntos de corrente de pulso e tempo de pulso, constituindo diferentes parâmetros de destacamento, e também diferentes diâmetros de gota. É analisado o relacionamento entre as referidas variáveis, considerando o expoente da corrente de pulso igual a 2,3, segundo o pesquisador Amin, e o expoente 2,0, segundo a maioria das adoções da literatura. Foi encontrado, entretanto, o valor de 1,83 como o melhor ajuste para o arame ER4043. Foi demonstrado também que a melhor condição de destacamento é quando esta ocorre logo depois da fase de pulso. Além disso, foi comprovado que o coeficiente de estabilidade (φ) proposto por Gosh não atende aos objetivos propostos.

In essence, the fundamental purpose of the use of pulsed current welding is to increase the relationship power of the process / wire speed, since it is very low in the short circuit transfer. Therefore, welds result in poor quality, especially on aluminum and its alloys and stainless steels. With the pulsed current, avoiding the short circuiting, the relation power / wire speed increases because the voltage never reaches values lower than 15 V. Then, the logic of control is just to avoid short circuits, hence yielding system configuration with more than one drop per period illogical. What is vital for the pulse technique is the physical arrangement of the wave variables. So, this article examines several sets of pulse current and pulse time, constituting different detachment parameters, and also different droplet diameters. The relationship between those variables is examined, considering the exponent of the current pulse equal to 2.3, according to researcher Amin, and the exponent 2.0, according to most adoptions in the literature. However, the value of 1.83 was found as the best fit for the wire ER4043. It was also shown that the best condition of detachment is when it occurs immediately after the pulse phase. Furthermore, it was shown that the stability coefficient (φ) proposed by Gosh does not meet the proposed objectives.