Diagnóstico em linha permite a eliminação de defeitos durante a soldagem a arco

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A qualidade da junta confeccionada pelo processo automatizado de soldagem a arco depende essencialmente do domínio das variações das condições de contorno do processo, cujas principais causas para a variação dessas condições resultam preponderantemente das alterações geométricas na região da união soldada. Isso ocorre devido à ocorrência de irregularidades no posicionamento dos componentes que estão sendo soldados, às tolerâncias de fabricação associadas à preparação para o cordão de solda e em razão da dilatação térmica do componente durante a soldagem propriamente dita ⁽¹⁾.

U. Reisgen, M. Purrio, K. Willms, G. Buchholz, J. Schein e S. Kirner

Data: 10/08/2016

Edição: CCM Agosto 2016 - Ano XII - N^o 136

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Uma possibilidade para controlar a ocorrência de desvios está no uso de dispositivos caros e tecnicamente complexos. A alternativa mais flexível consiste em utilizar sensores para a monitoração e adaptar os processos de soldagem conforme a variação das condições de contorno da manufatura ⁽²⁾ . De fato, hoje são geralmente usados sensores posicionados à frente (pré) ou após (pós) a tocha de soldagem ⁽³⁾ . Atualmente não se encontram disponíveis no mercado sensores que, de forma similar ao soldador humano, podem observar diretamente o local onde está ocorrendo o processo de soldagem e disponibilizar informações sobre o formato e localização da poça de fusão. Para resolver esses problemas foi proposto um projeto de pesquisa cooperativa entre o Instituto para Tecnologia de Soldagem e União da Escola Superior Técnica de Aachen (Institut für Schweisstechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen, ISF) e o Laboratório para Tecnologia de Plasma (Labor für Plasmatechnik, LPT) do Instituto para Tecnologia e Matemática do Plasma da Faculdade de Eletrotécnica e Tecnologia da Informação da Universidade Militar de Munique (Institut für Plasmatechnik und Mathematik der Facultat für Elektrotechnik der Universität der Bundeswher München), visando desenvolver um sistema para o diagnóstico da poça de fusão que conseguisse obter informações diretamente do local onde está ocorrendo o processo de soldagem. Dentro desse projeto, as atividades do Instituto para Tecnologia de Soldagem e União se concentraram no processo de soldagem a arco sob gás de proteção, enquanto o Laboratório para Tecnologia de Plasma manteve seu foco nos processos de soldagem sob gás iner te com eletrodo de tungstênio (TIG) e de plasma.

Construção e arranjo do sistema para diagnóstico da poça de fusão

Foram usados dois sistemas diferentes de câmeras para obter informações sobre o local e a forma da poça de fusão. No caso do diagnóstico em linha da poça de fusão para a soldagem TIG e a plasma foi usada uma câmera “inteligente”, a qual dispõe de um processador interno para a execução da avaliação da imagem. Com a ajuda dessa câmera é possível determinar as características geométricas da poça de fusão e, com base nos resultados obtidos, classificar a qualidade da junta soldada. A câmera CCD (charged coupled device ou dispositivo de carga acoplada) modelo VC4458, fabricada pela empresa “Vision Components”, caracteriza-se por apresentar alta taxa de imagens, igual a 242 qps (quadros por segundo), sob resolução de 640 x 480 pixels. Ela dispõe de um processador interno (1 GHz) que pode efetuar todo o processamento da imagem, dispensando a demorada transferência até o computador de controle. Além disso, a câmera dispõe de diversas interfaces (RS232, Ethernet, entrada/ saída digital), de forma que todo o controle de processo como, por exemplo, ajustes da intensidade de corrente e da velocidade de soldagem, podem ser executados pela câmera.

Como se pode observar na configuração experimental mostrada na figura 1, a câmera está disposta num ângulo de aproximadamente 25o em relação ao eixo da tocha. Dessa forma, a direção de soldagem é selecionada de forma tal que a câmera possa observar o “rastro” fluido da poça de fusão. A posição da câmera foi determinada experimentalmente. Ela deve minimizar a influência perturbadora da irradiação do arco e, entre outros fatores, permitir a observação do metal líquido para cada combinação de parâmetros de processo. O sistema óptico usado no arranjo experimental era constituído por uma objetiva com distância focal fixa de 5 mm e um filtro de interferência (comprimenArranjo da câmera para a soldagem a arco sob gásda poça de fusão durante a operação de soldagemto de onda de 656 nm, largura de faixa de 10 nm) para suprimir a irradiação do arco.

No caso da soldagem a arco com gás de proteção, o Instituto para Tecnologia de Soldagem e União (ISF) efetuou o diagnóstico da poça de fusão usando uma câmera CMOS, modelo MC1310, fabricada pela empresa Microton. Devido a suas características dinâmicas e sensibilidade espectral, essa câmera, em combinação com um filtro que atua na região do infravermelho próximo (cerca de 830 nm), possibilita uma amortização efetiva da irradiação do arco sob condições ótimas de captação da poça de fusão. Além disso, seu tamanho compacto, com dimensões de 63 mm x 63 mm x 47 mm, permite integração nas imediações diretas da tocha de soldagem, sem que haja restrição de acesso até o cordão de solda. A câmera ainda permite, por meio de parametrização, adequar a seção da imagem a ser observada, o tempo de iluminação e a frequência dos quadros, conforme os requisitos específicos associados à captação da poça de fusão. Contudo, a avaliação das imagens captadas pela câmera precisa ser feita num microcomputador pessoal, o que, por sua vez, oferece a vantagem de não impor nenhuma restrição à complexidade dos algoritmos usados na avaliação. A figura 2 (pág. 15) mostra o arranjo da câmera sobre a tocha de soldagem e os resultados dos diagnósticos feitos sobre a poça de fusão durante a execução do processo de soldagem. A câmera encontra-se posicionada na direção da soldagem, antes da tocha, permitindo a captação tanto da poça de fusão como da junta ainda não soldada no mesmo quadro captado. Dessa forma é possível detectar tanto falhas no posicionamento da tocha de solidificação, como características da qualidade como, por exemplo, a largura da poça de fusão. O suporte construído dentro das atividades deste projeto permite o posicionamento da câmera sob uma distância definida em relação à poça de fusão sob diversos ângulos de observação. Foi construído um sistema óptico para a captação da poça de fusão, cujo projeto considerou os requisitos específicos da soldagem a arco sob gás de proteção. Dessa forma, esse sistema incluía, além do filtro óptico, uma lente intercambiável para proteção dos componentes ópticos contra os salpicos gerados pela soldagem. A distância da câmera até a poça de fusão foi igual a 95 mm e o ângulo com a tocha de soldagem foi igual a 45°.

Processamento das imagens captadas da poça de fusão

Há diversos algoritmos de processamento de imagem para determinar a geometria da poça de fusão no caso de processos isolados de soldagem a arco. No caso da soldagem a plasma, as primeiras etapas de processamento de imagem consistem em marcar e separar as regiões relevantes para reduzir a quantidade de dados brutos. As regiões destacadas são suavizadas usando filtro de Gauss e binarizadas usando um filtro passa-banda. Uma vez que na soldagem a plasma a poça de fusão se apresenta claramente mais elevada do que as regiões adjacentes, após a binarização ela se mostra continuamente na forma de uma superfície branca. Na próxima etapa é determinado o perímetro da poça de fusão, com ajuda de um algoritmo para busca de contornos. Uma vez que a determinação do formato geométrico requer apenas o contorno externo da poça de fusão, é necessário dispor apenas dos pontos de contorno com os valores máximos de coordenada “x” para o processamento posterior das imagens.

O resultado do processamento de imagens precedente é uma série de “N” pontos medidos (x_i e y_i) que descreve a geometria da poça de fusão. Para poder efetuar uma análise quantitativa sobre a qualidade do rastro gerado pela poça de fusão, o contorno característico é aproximado por um polinômio do segundo grau:

Foi empregado o método dos mínimos quadrados para determinar os coeficientes “a”, “b” e “c”. Agora, com auxílio da equação (2) e dos “N” pontos medidos, pode-se determinar a soma dos quadrados dos erros:

Na próxima etapa foi imposto que as derivadas parciais de “E” fossem iguais a zero para minimizar o erro:

Essas três equações constituem um sistema de equações lineares,

o qual pode ser resolvido, por exemplo, pelo processo de eliminação gaussiana. Os três coeficientes calculados, “a”, “b” e “c”, descrevem o formato geométrico da poça de fusão e podem ser empregados na classificação da qualidade do cordão de solda. A figura 3 mostra as diferentes etapas de processamento da imagem efetuadas durante a soldagem a plasma.

As primeiras etapas de tratamento de imagem para a soldagem TIG são, como ocorre na soldagem a plasma, a marcação e separação das regiões relevantes, para reduzir a quantidade de dados brutos. As regiões recortadas, por sua vez, são suavizadas usando um filtro de Gauss e binarizadas com um filtro passa-banda. Uma vez que a poça de fusão não mais permanece como sendo uma superfície contínua após a binarização, é calculado o centro de gravidade de cada célula para determinar o contorno característico da poça de fusão. Este contorno, da mesma forma como ocorre na soldagem a plasma, pode ser aproximado com auxílio das equações de (1) a (4) por meio de um polinômio do segundo grau.

Contudo, as investigações mostraram que, no caso da soldagem TIG, a aproximação do contorno característico da poça de fusão por meio de um polinômio de segundo grau não fornece informações suficientes para determinar o nível de qualidade. Dessa forma, o algoritmo de processamento da imagem incorporou um componente para determinar a largura da poça de fusão. Neste caso, foi novamente extraída, a partir dos dados brutos, uma região relevante menor, a qual foi suavizada com um filtro de Gauss e então binarizada usando um filtro passa-banda. Na próxima etapa foram procurados dentro da imagem binarizada o pixel branco com valor mínimo da coordenada “y” ou seja, y min e o pixel com valor máximo de “y” ou seja, y max , sendo a seguir calculada a largura:

Na figura 4 é mostrada uma figura típica da poça de fusão para a soldagem TIG, com o polinômio aproximado e a largura detectada.

O objetivo da avaliação da imagem no caso da soldagem a arco sob gás de proteção foi disponibilizar informações sobre a localização, tanto da poça de fusão como do arco, em relação à junta, e sobre a largura da poça de fusão. Com essas informações surge então a possibilidade de efetuar correções automáticas da posição da tocha e adaptações dos parâmetros de soldagem no caso de desvios eventuais. Além disso, a partir do alinhamento do arco, é possível detectar se este está queimando apenas sobre o flanco do cordão de solda. Foram aqui considerados diversos tipos de processo de soldagem a arco sob gás de proteção, tais como de arco curto, pulsante e aspergido, bem como formatos de juntas soldadas, sendo então analisados em termos dos requisitos específicos para os algoritmos usados na avaliação das imagens.

Na figura 5 s ão mos trados exemplos dos resultados obtidos nas avaliações das imagens da poça de fusão para diversos formatos de cordão e para diferentes processos de soldagem. A avaliação da imagem para o diagnóstico da poça de fusão foi feita usando o programa computacional LabVIEW. Com relação à detecção do arco é necessária apenas uma binarização da imagem, uma vez que o arco se encontra na região de saturação dos valores de luminosidade. Foi assumido como ponto de referência para o alinhamento da poça de fusão o ponto focal da região de saturação (ponto verde na figura 5, pág. 18). O nível de complexidade para a detecção da periferia da poça de fusão para determinar sua largura e a posição da junta foi diferente conforme os tipos de cordão de solda. O maior problema aqui é causado pelas diferentes reflexões do flanco do cordão nas aplicações envolvendo cordões de solda inclinados.

Na figura 6 são mostrados os métodos de avaliação para a determinação da posição da junta e da largura da poça de fusão num cordão de solda inclinado ao utilizar o arco aspergido. Para detectar a posição da junta foi determinado, dentro da região relevante abaixo da poça de fusão, e coluna a coluna, o valor médio do nível de cinza e, em seguida, feita uma análise similar com varredura de linha. Na parte superior da figura 6 é mostrada a varredura de linha do valor médio, tanto na forma da imagem registrada da poça de fusão (caixa vermelha), como na forma de gráfico externo. A posição da junta é determinada na avaliação da imagem com base nas características dos pontos mínimos locais com os pontos máximos locais vizinhos em ambos os lados. Para determinar a largura da poça de fusão, primeiramente foi detectado o ponto inferior do arame. Uma varredura de linha é executada abaixo desse ponto (figura 6, parte inferior). A região de saturação delimita o arco, enquanto a periferia da poça de fusão encontra-se caracterizada por um máximo local e pouco prenunciado (marcas vermelhas) nos flancos decrescentes da evolução dos níveis de cinza. Para viabilizar uma avaliação confiável, são realizadas múltiplas avaliações da imagem para verificar a plausibilidade do resultado, quando é feita uma comparação entre as posições encontradas da periferia da poça de fusão com as posições detectadas na imagem anterior. Este procedimento fornece bons resultados e foi também usado posteriormente para detectar a união. No processo de soldagem com arco pulsante também é necessário efetuar sincronização com as respectivas fases do processo, em função dos níveis de irradiação extremamente diferentes do arco que ocorrem entre as fases básica e de pulso. Dessa forma é possível detectar a largura da poça de fusão na fase básica e a posição da junta e do arco durante a fase do pulso.

Os algoritmos para a avaliação de imagem aqui utilizados permitem, conforme a complexidade da situação, captar e avaliar de vinte a cinquenta imagens por segundo. Dessa forma é possível, para uma velocidade normal de soldagem igual a 0,6 m/min, que o sistema de diagnóstico da poça de fusão forneça os correspondentes dados de avaliação sob intervalos de 0,2 até 0,5 mm, o que garante a capacidade de operação em linha para a maioria dos casos de aplicação de soldagem (4).

Desenvolvimento de um modelo para monitoração da qualidade

Para poder estabelecer uma relação entre a geometria da poça de fusão e a qualidade do cordão de solda foram executados abrangentes ensaios de soldagem, tanto para o processo a plasma, como também para o processo TIG. Para definir as faixas de parâmetros foram variadas apenas a intensidade de corrente e a velocidade de soldagem, mantendo as demais condições de contorno constantes. A avaliação do cordão de solda foi feita por meio de exame visual, análise metalográfica e radiografias. A figura 7 mostra um exemplo do campo de parâmetros para a soldagem a plasma. Paralelamente à soldagem foram feitas captações de imagem usando a câmera “inteligente”, as quais subsequentemente foram avaliadas usando os algoritmos já mencionados. Os resultados da avaliação de imagens foram correlacionados com os resultados do processo de soldagem, estabelecendo-se assim um modelo para a avaliação do nível de qualidade.

Foi realizado um procedimento similar para o estabelecimento de modelos de qualidade a serem usados também para os processos de soldagem a arco sob gás de proteção. Por exemplo, foram executados testes de soldagem para o caso de cordões inclinados confeccionados pelo processo com arco aspergido, aplicando diferentes parâmetros de processo e posições da tocha de soldagem. Paralelamente à avaliação da poça de fusão, foram registradas nesses ensaios as evoluções dos valores transientes de intensidade e tensão de soldagem. A geometria do cordão de solda e a profundidade de penetração foram determinadas posteriormente a partir de macrografias. Além disso, com auxílio de micrografias, foi determinada a razão dos flancos do cordão para a junta inclinada, calculando o quociente entre ambos os comprimentos dos flancos do cordão, o qual foi correlacionado com a posição da tocha de soldagem. Na parte superior direita da figura 8 (pág. 21) encontra-se delimitada, na região marcada em vermelho, a faixa de valores permissíveis da razão entre os flancos do cordão em correspondência com os requisitos sobre o cordão de solda. Esta informação permite efetuar a monitoração do processo, a qual informa quantitativamente até que ponto a razão requerida entre flancos do cordão está sendo observada e a partir de que ponto a posição da tocha de soldagem precisa ser corrigida.

Além disso, o modelo disponibiliza informações sobre a geometria do cordão de solda a partir dos resultados do diagnóstico sobre a poça de fusão, em combinação com as informações sobre os transientes dos sinais de intensidade e tensão. Durante o desenvolvimento do modelo foram usados métodos para o modelamento análogo, onde as grandezas transientes e os resultados da avaliação das imagens constituíam os parâmetros de entrada e a geometria do cordão de solda, bem como a profundidade de soldagem, eram os parâmetros de saída. Os modelos análogos assim obtidos (gráfico inferior da figura 8, mostrando como exemplo a altura do cordão) permitem prever a geometria a ser obtida no cordão de solda durante a execução desse processo de união.

Regulação dos parâmetros de soldagem com auxílio do diagnóstico da poça de fusão

Para comprovar que a velocidade do sistema em linha para diagnóstico da poça de fusão era suficiente para detectar, no momento correto, defeitos fundamentais no cordão de solda, como o rompimento da poça de fusão e escorrimento de metal líquido por baixo do cordão durante a soldagem a plasma, foi construído um dispositivo simples para regulação dos processos de soldagem TIG e a plasma. A figura 9 mostra o princípio de funcionamento dessa regulação de processo, no qual a câmera “inteligente” registra continuamente imagensda poça de fusão e determina coeficientes como a largura “B” da poça de fusão. Subsequentemente é determinado o estado atual do cordão de solda, enquanto os valores obtidos são comparados com os calculados pelo modelo. Na ocorrência de soldagem com penetração irregular, a intensidade de corrente é elevada em aproximadamente 10 A, enquanto, no caso de soldagem com penetração completa, ela é reduzida em aproximadamente 10 A. Caso o cordão mantenha boa qualidade, o valor de intensidade de corrente é mantido constante (figura 9). A alteração dos valores de corrente de soldagem ocorre por meio da interface serial da fonte de corrente.

O diagrama e as fotos da figura 10 mostram os resultados da regulação da soldagem a plasma, onde a corrente inicial foi igual a 230 A. O estreito campo de parâmetros delimitado na figura 7 (pág. 20) não é suficiente para conseguir uma soldagem com penetração plena sob baixos valores de intensidade de corrente de soldagem, como já era esperado. O sistema de diagnóstico detecta essa situação a partir dos valores do coeficiente “b”, elevando então a intensidade de corrente até que sejam detectados bons resultados no cordão de solda. Isto pode ser feito aumentando a intensidade de corrente além de seu limite máximo permissível, o qual, por sua vez, leva a um maior arqueamento do cordão de solda. Em consequência desse fato, o sistema de regulação reduz a intensidade da corrente até que o coeficiente “b” fique novamente dentro da região correspondente a um bom cordão de solda.

Os resultados obtidos mostram que o sistema de diagnóstico da poça de fusão pode ser utilizado tanto para a monitoração como para a regulação de um processo de soldagem.

Conclusões

As atividades futuras deste trabalho se concentrarão no aperfeiçoamento do sistema para diagnóstico da poça de fusão do ponto de vista da aplicação prática para que se possa dispor, num futuro próximo, de um protótipo para a automação do processo de soldagem a arco.

Agradecimentos

O projeto IGF 16.95 4 N / DVS Nummer 03.051, desenvolvido pela Associação de Pesquisa em Soldagem e Processos Aplicados da Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados (Foschungsvereinigung Schweissen und verwandte Verfahren des Deutscher Verband für Schweissen und verwandt Verfahren – D.V.S.), com sede na Aachener Strasse 172, 40223, Düsseldor f, Alemanha, foi apoiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, A.i.F.), através da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento (Industrielle Gemeinschaftsforschung, I.G.F.) do Ministério Federal Alemão para Economia e Tecnologia (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BWT) com base numa resolução do Parlamento Alemão.

Além disso, o Instituto para Tecnologia de Soldagem e União e o Laboratório para Tecnologia de Plasma do Instituto para Tecnologia e Matemática do Plasma agradecem pelo apoio concedido pelas empresas participantes do grupo de trabalho que acompanhou este projeto.

Referências

1. Tessmar , V., u. S chauder , V. : Automatisierte Qualitätssicherung für das Schutzgasschweissen. Tagungsbd., Dresdener Fügetechnisches Kolloquium (2009): Schweisstechnik Faszination in der Forschung und Fertitung, TU Dresden, ISBN 978-3-86780-115-7, 2009.
2. Queren -L ieth , W.: Sensoren für die Schweiβautomatisierung Sensoren zum Schweissen mit offenem Lichtbogen. Schw. Schn 54 , H. 4, S. 214 /16, 2002.
3. Christ, J.: Neue Roboteranwendungen durch verbesserte Online-Sensorik. Schw. Schn. 60, H. 2, S. 72/73, 2008.
4. Reisgen , U., u.a.: Machine vision system for online weld pool observation of gas metal arc welding processes. IIW-Dok. XII-2126-13.