Modelagem e controle de uma fonte de solda inversora para o processo de soldagem GMAW

Abstract

O processo Gas Metal Arc Welding (GMAW) destaca-se entre os processos de soldagem a arco devido ao intenso desenvolvimento tecnológico nas últimas décadas. Apesar dos avanços promovidos pelos fabricantes, a avaliação e compreensão das funcionalidades dessas inovações são desafiadoras. O processo de soldagem a arco é caracterizado como não linear, variável no tempo, inerentemente multivariável e de forte interdependência entre parâmetros, o que dificulta a concepção e implementação de controladores eficazes. Este trabalho aborda a modelagem e o controle de uma fonte de solda inversora voltada ao processo de soldagem GMAW com enfoque em seu comportamento elétrico, com o objetivo de fundamentar o projeto de seu controle e acionamento, trazendo contribuições inéditas para o avanço tecnológico na área. A modelagem da relação tensão-corrente do processo foi desenvolvida com base em princípios físicos e matemáticos, permitindo descrever o comportamento elétrico do sistema. Os resultados obtidos demonstraram o potencial do modelo chaveado em representar com precisão as dinâmicas envolvidas no processo de soldagem. Além disso, foram formalizadas especificações para os requisitos de desempenho do comportamento da corrente nas etapas de curto-circuito e arco elé- trico do processo de soldagem, pouco explorados na academia e na indústria, que visa a otimização da qualidade e eficiência da soldagem. A partir dessas especificações, foram projetados controladores PID chaveados, testados em simulações e ensaios práticos. Os resultados obtidos através dos ensaios práticos realizados com um equipamento industrial, em soldagem manual e robotizada, demonstraram através de análises numéricas e metalográficas, a eficácia dos controladores de corrente, com desempenho robusto e consistente na regulação da corrente e adaptação às características complexas do sistema. As contribuições incluem avanços na compreensão do processo GMAW e o desenvolvimento de soluções práticas para o controle de fontes de solda inversoras, reforçando a relevância do trabalho e abrindo perspectivas para estudos futuros no aprimoramento de sistemas de soldagem, com ganhos em eficiência, qualidade e competitividade tecnológica.

The Gas Metal Arc Welding (GMAW) process stands out among arc welding methods due to significant technological advancements in recent decades. Despite the progress driven by manufacturers, evaluating and understanding the functionalities of these innovations remain challenging. Arc welding is inherently nonlinear, time-variant, multivariable, and characterized by strong interdependencies between parameters, which complicates the design and implementation of effective controllers. This study focuses on the modeling and control of an inverter-based welding power source for the GMAW process, emphasizing its electrical behavior to support the design of its control and actuation system, contributing novel insights to technological advancements in the field. The voltagecurrent relationship was modeled using physical and mathematical principles, enabling a precise representation of the system’s electrical dynamics. The results demonstrated the potential of the switching model to accurately capture the welding process dynamics. Additionally, performance specifications for current behavior during the short-circuit and arc phases were formalized, addressing aspects that are still underexplored in academia and industry, aiming to optimize welding quality and efficiency. Based on these specifications, switched PID controllers were designed, tested through simulations and practical experiments. The experimental results, obtained using an industrial-grade welding power source in both manual and robotic welding, were validated through numerical and metallographic analyses, demonstrating the effectiveness of the current controllers, with robust and consistent performance in current regulation and adaptation to the system’s complex characteristics. The contributions of this work include advancements in understanding the GMAW process and the development of practical solutions for controlling inverter-based welding power sources, reinforcing the relevance of this research and opening new perspectives for future studies aimed at improving welding systems with gains in efficiency, quality, and technological competitiveness.