Quando um processo de soldagem deve ser robotizado

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Quando um processo de soldagem deve ser robotizado, automatizado, ou mesmo mecanizado? Será que todo processo automatizado é robotizado? Qual a diferença entre esses métodos de soldagem? 
Sabe-se que o uso de robôs na indústria aumenta a produtividade e a qualidade. Atualmente, a robotização se mostra como uma técnica alternativa de produção, aumentando qualitativa e quantitativamente a competência das empresas. Destaca-se, porém, que procedimentos inadequados na implementação de robôs (tempo excessivo de adaptação com a nova tecnologia, imaginar que trata-se de uma simples substituição do soldador humano pelo robô-soldador, falta de preocupação com perda de material, retrabalho e adequação de todo o processo fabril na produção do produto soldado agora de maneira robotizada) estão provocando resultados não muito satisfatórios.
Um problema muito grave detectado no mercado atualmente é o número, ainda muito reduzido, de especialistas em soldagem “e” robótica. Existem algumas empresas investindo em robôs sem qualquer planejamento ou orientação, imaginando que o robô resol- verá todos os seus problemas. Os especialistas em robótica entendem profundamente de robôs, porém, muitos não têm nenhuma experiência em soldagem. Não sabem, por exemplo, que diversos aspectos físicos e metalúrgicos devem ser considerados quando um procedimento de soldagem robotizado está sendo implementado. É comum ver bons procedimentos de soldagem manual serem utilizados na soldagem robotizada com resultados desastrosos.
Hoje, cerca de 8 mil robôs estão instalados nas indústrias brasileiras. O setor que mais utiliza robôs na sua linha de produção é o automotivo. Inicialmente, as empresas investiram buscando tornarem-se mais competitivas, e ao mesmo tempo se viram mais capazes de atender as demandas internas, aumentando também a qualidade de seus produtos em relação aos produtos internacionais. Destaca-se que o principal setor de aplicação de robôs no chão de fábrica é a soldagem, principalmente com arco elétrico. Porém, é importante ressaltar que a participação do soldador na implementação de um robô é de fundamental importância para o sucesso da aplicação.
O paradigma
Desde o surgimento dos processos de soldagem que a sua execução depende muito da habilidade do soldador. Tanto depende que a classificação, de acordo com os métodos de execução, é baseada na variação do grau de controle das atividades relacionadas à soldagem que dependem da interferência humana. Esses métodos de execução são classificados, de acordo com a American Welding Society – AWS:
Manual: é definida, de acordo com a American National Standard, como “soldagem com tocha (ou porta-eletrodo) segura e manipulada pelas mãos do humano”. Todas as tarefas, relacionadas com a execução e controle contínuo da soldagem, são feitas através das mãos do operador e sob sua responsabilidade;
Semi-automatizada: é definida como “soldagem manual com equipamento que controla automaticamente uma ou mais condições de soldagem”. O soldador manipula a tocha de soldagem para criar a solda, enquanto que o arame/eletrodo é automaticamente alimentado pela máquina;
Mecanizada: é definida como “soldagem com equipamento que requer ajustes manuais no controle do equipamento em resposta à observação visual da soldagem, com tocha ou porta-eletrodo segura por um dispositivo mecânico”. A intervenção do soldador consiste em ajustar os controles do equipamento em função de sua observação visual da operação;
Automatizada: é definida como “soldagem com equipamento que requer somente observação ocasional ou nenhuma observação da solda, e nenhum ajuste manual nos controles do equipamento”. O envolvimento do soldador é limitado a ativar a máquina para iniciar o ciclo de soldagem e observar a solda sob uma base intermitente;
Robotizada: é definida como “soldagem que é executada e controlada por um equipamento robótico”. Tanto na soldagem robotizada quanto na automatizada, o operador tem um papel ativo no controle da qualidade da solda por meio da identificação de descontinuidades na solda. Quando essas são encontradas, providências em manutenção e programação são tomadas para corrigir tais problemas;
Soldagem com controle adaptativo: é definida como “soldagem com equipamento que possui um sistema de controle que automaticamente determina mudanças nas condições de soldagem e atua sobre o equipamento para que a ação apropriada seja executada”. Nesse processo, sensores são utilizados para detectar problemas e o controle realiza as mudanças necessárias nos parâmetros de soldagem, em tempo real, para produzir soldas de qualidade. Assim, a soldagem é executada e controlada sem a intervenção ou supervisão do operador.
De acordo com a classificação apresentada, o processo de soldagem com eletrodo revestido é manual, (figura 1), visto que o soldador é responsável pela execução de todas as atividades. Já o processo de soldagem com proteção gasosa e eletrodo consumível, comumente conhecido por MIG/MAG ou GMAW, é semi-automático (figura 2).
Essa classificação deve-se ao fato da abertura e manutenção do arco elétrico e a alimentação do arame serem executadas pela máquina, enquanto que o deslocamento da tocha de soldagem fica sob responsabilidade do soldador. Quando esse deslocamento é realizado por um dispositivo mecânico, o processo passa a ser classificado como mecanizado. Isso é estranho, pois ao classificar um processo como semi-automatizado, imagina-se imediatamente que este está próximo de ser automático e não mecanizado, como acontece com a atual classificação dos processos de soldagem.
Uma mudança gradual na classificação dos processos de soldagem entre manual e automatizado pode ser: manual, semi-mecanizada, mecanizada, semi-automatizada e automatizada. Assim, dizer que um processo é semi-automatizado significa que algo está faltando algo para que o processo se torne automatizado e não mecanizado.
Conforme comentado, desde o surgimento dos processos de soldagem que sua execução depende muito da habilidade do soldador. Com o desenvolvimento tecnológico adquirido nas últimas décadas, observa-se uma mudança gradual, não somente na soldagem, como em todo e qualquer processo fabril, da operação manual para a mecanizada e dessa para a automatizada, agregando ganhos qualitativos e quantitativos ao processo. Porém, nas operações de soldagem ainda não está bem definida a fronteira entre manual, mecanizado e automatizado. A questão então é: quando um processo de soldagem é manual, mecanizado ou automatizado?
  
Soldagem Robotizada 
Por definição, automação significa: “operação de controle de um equipamento, processo ou de um sistema, por meios mecânicos ou eletrônicos, substituindo a observação, os esforços e a decisão humana”.
Em manufatura, o termo automação significa que algumas (ou todas) as funções ou passos de uma operação são executadas e controladas, em seqüência, por meios mecânicos e/ou eletrônicos. Podendo ser parcial, com certas funções ou passos executados manualmente (automação parcial), ou total, significando que todas as funções ou passos são executados pelo equipamento, numa certa seqüência, sem qualquer ajuste feito pelo operador (automação total). Ainda tem-se que um equipamento automatizado pode ser projetado e programado para realizar uma única tarefa (automação fixa), ou pode ser flexível que, mediante reprogramação, permita a realização de tarefas distintas de acordo com o produto a ser manufaturado (automação flexível).
Com base nesses conceitos, uma maneira de estabelecer o grau de automação de um processo é definindo-se as atividades relacionadas a ele. A partir disso, defini-se quais são executadas e controladas, “em seqüência”, por meios mecânicos e/ou eletrônicos e esse ponto é chave da automação.
Das atividades relacionadas ao ciclo de soldagem, pode-se citar: abertura, manutenção e interrupção do arco elétrico; alimentação do arame eletrodo e deslocamento da tocha porta-eletrodo. Dessas, a última, além de englobar todo o movimento do arco ao longo da junta,inclusive determinando o aporte térmico utilizado durante o processo de soldagem, é uma tarefa que define uma certa seqüência ao processo.
Há uma diferença muito significativa quando o deslocamento da tocha porta-eletrodo é executado pelo soldador ou quando esse deslocamento é realizado por um dispositivo mecânico. Inclusive, pode-se estabelecer que a fronteira entre a soldagem manual a mecanizada está no responsável pelo deslocamento da tocha porta-eletrodo durante o processo. Isto independentemente do nível de sofisticação do equipamento de soldagem utilizado, se esse deslocamento é executado pelo soldador, o método de execução é manual: durante a soldagem, a tocha porta-eletrodo é segura e manipulada de forma manual.
Entretanto, quando o deslocamento é feito por um dispositivo mecânico, condições extras devem ser consideradas para determinar se o método de execução é mecanizado ou automatizado. Além disso, o método de execução ainda pode ser semi-mecanizado ou semi-automatizado, considerando-se uma mudança gradual entre manual e automatizado.
Na soldagem com eletrodo revestido, o dispositivo mecânico utilizado para deslocar o porta-eletrodo, propicia a realização do método conhecido como soldagem por gravidade (figura 3). Conforme apresentado nessa figura, o porta-eletrodo (a) se desloca por uma barra-guia (b), devido à ação da gravidade, à medida que o eletrodo (c) é consumido. Para realizar essa soldagem, após a etapa de preparação, a interferência humana ocorre somente para iniciar e finalizar o ciclo de soldagem.
É importante ressaltar que pelo fato da temperatura do eletrodo revestido aumentar durante a soldagem, aumentando assim sua taxa de fusão, é necessário aumentar a velocidade de avanço e/ou de mergulho do eletrodo durante o processo (e é em função da variação dessas velocidades que a velocidade de soldagem a ser usada é definida). Na soldagem por gravidade com eletrodo revestido, o agente controlador da velocidade de deslocamento do porta-eletrodo é a própria gravidade, não há nenhum dispositivo mecânico responsável por esse controle.
Com o processo GMAW, duas concepções de dispositivo mecânico podem ser empregadas para deslocar a tocha de soldagem: com controle manual ou com controle mecânico (figura 4), da velocidade de deslocamento do dispositivo. Na primeira concepção é necessário que o operador empurre o dispositivo para que o deslocamento da tocha seja realizado. Nesse caso, o agente executor do deslocamento da tocha é a máquina, porém o controle de velocidade de soldagem é feita de forma manual. Na segunda concepção, visto que a velocidade de deslocamento do dispositivo é determinada mecanicamente (figura 4), tanto o agente executor do deslocamento quanto o controlador da velocidade de soldagem são desempenhados pela máquina.
De acordo com o exposto, é necessário que o deslocamento da tocha porta-eletrodo seja executado por dispositivo mecânico, porém, não é o suficiente para classificar um processo como mecanizado. Deve-se considerar quem é o agente controlador da velocidade de deslocamento desse dispositivo, que na verdade consistea na velocidade de soldagem: controle manual ou pela gravidade (processo semi- mecanizado) ou controle mecânico e/ou eletrônico (processo mecanizado).
De maneira análoga, o fato do deslocamento da tocha porta-eletrodo ser executado por dispositivo mecânico e possuir controle mecânico e/ou eletrônico da velocidade de soldagem é condição necessária para a soldagem ser considerada automatizada, porém não suficiente.
Nesse caso, a maneira mais fácil de diferenciar um sistema de soldagem mecanizado de um automatizado é basear-se no conceito de equipamento automatizado. Sendo assim, para o processo ser automatizado, a soldagem deve ser executada por um equipamento que permita ser programado uma única vez (automação fixa) ou inúmeras vezes (automação flexível) por meios mecânicos e/ou eletrônicos.
Um robô industrial é um exemplo típico de um sistema automático flexível. Segundo a RIA (Robotic Industries Association), “um robô é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas e dispositivos especializados através de movimentos programáveis variáveis a fim de desempenhar uma variedade de tarefas”. A condição primordial para um equipamento de soldagem ser robótico é que ele seja reprogramável. Os robôs industriais mais utilizados na soldagem são os antropomórficos de seis graus de liberdade (figura 5). Esses são reprogramáveis e multifuncionais. Isto significa que esses robôs podem ser usados para a soldagem de diversas peças, necessitando apenas que o usuário trabalhe em sua programação em função da peça a ser soldada.
Porém, destaca-se que existem robôs definidos como “robôs para tarefas específicas”, que não são multifuncionais. Um caso típico desse tipo de robô empregada na soldagem é o projetado para executar um único tipo de solda (Exemplo: projeto de robôs para soldagem orbital de tubulações, onde o deslocamento do robô é limitado a movimentos ao redor do tubo, conforme figura 6). Nesse caso, o sistema de controle do robô pode ser reprogramado em função do diâmetro do tubo, porém somente tubos podem ser soldados.
Qualquer sistema robotizado é automático, porém nem todo sistema automático é robótico. Conforme comentado, para o sistema ser robótico ele precisa ser reprogramável. Um sistema automático não é robótico quando esse é projetado para a realização de uma única tarefa e programado uma única vez. Por exemplo, um sistema automático especialmente projetado para a soldagem de uma determinada peça (ou uma família de peças). Com esse sistema, não é possível soldar peças diferentes das especificadas. As modificações necessárias ao sistema não se limitam a simples troca de ferramentas, além desse sistema não aceitar reprogramação. Trata-se de um “equipamento dedicado”.
Destaca-se que diferenciar um sistema automático de um semi-automático é uma tarefa árdua, visto que a automação pode ser parcial ou total, e principalmente, ainda não se tem nenhum processo fabril que seja totalmente automatizado, isto é, que seja 100% autônomo. No caso de sistemas de soldagem automáticos, o que se pode diferenciar é se a soldagem será realizada por um sistema flexível (dedicado ou não) ou fixo.
As figuras 1 e 2 apresentam exemplos da soldagem manual; figura 3, semi-mecanizada; (figura 4), mecanizada; figura 5, automatizada utilizando robô flexível; e figura 6, automatizada utilizando robô dedicado.
Sem dúvida, soldas de altíssima qualidade podem ser obtidas pelo método manual, desde que essas sejam realizadas por soldadores qualificados. O grande problema das soldas manuais é a não repetibilidade dos resultados. Esse mesmo problema é observado no método mecanizado, visto que os equipamentos não são programáveis e todos os ajustes necessários para se iniciar o ciclo de soldagem são feitos em função da observação particular de cada soldador. Nesse sentido, uma das principais vantagens do método de execução ser automatizado, robotizado ou não, em relação aos demais é a repetibilidade dos resultados.
Soldas de qualidade são obtidas independentemente do método de execução do processo. Porém, se uma solda executada por um sistema automatizado é de qualidade, isto implica que todas as outras serão, visto a garantia da repetibilidade.
Soldagem robotizada
Muitos dos procedimentos (parâmetros e seqüência de soldagem) e consumíveis (arame/eletrodo e gás de proteção) utilizados na soldagem robotizada são adaptações dos procedimentos idealizados para a soldagem manual. Esse procedimento sempre será um bom ponto de partida, porém deve ser revisto. Uma das grandes vantagens da soldagem robotizada é a possibilidade de se trabalhar com seqüências de soldagem mais elaboradas, aproveitando toda a capacidade de programação de um robô.
Para isso, é fundamental que a pessoa responsável pela programação do robô entenda muito bem de soldagem. Alguns ditos populares sobre soldagem resumem muito bem esse sentimento:“é muito mais fácil ensinar um soldador a mergulhar que um mergulhador a soldar” ou “é muito mais fácil ensinar um soldador a programar um robô que um robotista a soldar”.
Em outras palavras, isso significa que se uma empresa pretende colocar um robô em sua linha de produção, a pessoa que deve ser preparada para trabalhar junto ao robô é o soldador, e de preferência, o mais qualificado que a empresa tiver. Assim, esse profissional, após se familiarizar com a nova tecnologia, conseguirá aproveitar todos os recursos em prol da qualidade da solda.
Há muitos fatores que devem ser considerados quando se pensa em robotizar o processo de soldagem. Primeiramente, se uma empresa e seu segmento realmente são “robotizáveis”. Depois, como robotizar e finalmente, se há pessoas suficientementecapacitadas para o serviço.
Relativo à empresa e seu segmento, dois fatores são importantes: primeiro, o tipo, o tamanho e a quantidade de peças a serem soldadas. Segundo, a quantidade de soldas por peça. Se uma empresa produz poucas peças (pouca quantidade e pouca variedade) com poucas solda, a robotização não é necessária. Talvez, no máximo, algum tipo (grau) de mecanização.
Se a empresa produz poucas peças diferentes (pouca quantidade e/ou pouca variedade) com muitas soldas, pode-se pensar em robotização, porém, com cautela. Em muitos casos, uma boa mecanização pode ajudar. Quando a variedade de peças é pequena, porém a quantidade é grande pode-se pensar em mesas posicionadoras com adaptações para as diferentes peças e mecanizar o movimento da tocha de soldagem, por exemplo. Quando a variedade de peças é grande, esse procedimento poderá tornar-se economicamente inviável. Principalmente, quando a quantidade de peças for grande, o mais indicado pode ser então a robotização.
Se a empresa produz muitas peças semelhantes com poucas solda, a robotização pode ser a solução, porém sem descartar a mecanização. Deve-se avaliar, nesse caso, o posicionamento e complexidade para executar os cordões de solda.
Finalmente, se a empresa produz muitas peças com muitas soldas, a robotização é a solução (exemplos: segmento automotivos, fabricantes de peças de grande porte, etc).
Tendo em mente o tipo de empresa, o foco passa a ser como realizar a robotização ou até mesmo a mecanização da soldagem. Há muitos pontos a serem analisados: qual o processo de soldagem a ser usado tendo em vista que o processo originalmente aplicado pode ser alterado ou trocado por outro mais eficiente; o procedimento pode ser otimizado lembrando que esse, sem dúvida deve ser alterado. Destaca-se que a posição plana sempre deve ser privilegiada, como comentado, e poder trabalhar na melhor seqüência de soldagem, o que é uma das principais vantagens com a utilização de robôs. Eles se deslocam muito rapidamente de um lado para o outro.
Atenção especial deve ser dada ao tipo e dimensões do material a ser soldado, em especial, a sua espessura. Se a robotização está substituindo a soldagem manual, essa atenção deve ser maior ainda. Há uma diferença muito significativa entre os parâmetros da soldagem manual para a automatizada. O soldador vê o que está sendo soldado, enquanto o robô não. Diferenças dimensionais entre peças podem ser insignificantes no procedimento manual, porém desastrosas no procedimento automatizado. Outro ponto a considerar é a programação: o robô imita, se muito bem programado, os movimentos do soldador, porém, novamente o robô não enxerga o que está soldando.
Um soldador experiente sabe quando a velocidade de soldagem, por exemplo, deve ser aumentar ou reduzida, durante a soldagem de uma determinada peça. Se é ele o responsável em programar o robô, ele irá se preocupar em passar esse sentimento ao robô: ele vai programá-lo para isso. Se o programador não tem experiência em soldagem, normalmente, ele procura colocar a máxima velocidade de soldagem permitida para o processo. Este é um dos grandes erros vistos na indústria atualmente.
Deve-se ter em mente que o ganho na produtividade em soldas robotizadas está muito mais no ganho na velocidade de deslocamento da tocha com arco fechado (sem solda) que com arco aberto (com solda). Na soldagem robotizada, é possível ter um “perfeito” controle dos parâmetros de soldagem, podendo inclusive soldar peças de menor espessura, antes não soldadas pelo método manual. Algo que é essencial para o sucesso da robotização é a garantia da repetibilidade do posicionamento da peças.
Relativo ao tipo de junta, deve-se ressaltar que robôs não gostam de cantos e o acesso à junta deve ser facilitado. Muitas vezes, a preparação das peças a serem soldadas deve ser repensada. Freqüentemente o tempo gasto para vencer essas dificuldades é tão grande que soluções não muito recomendadas são impostas, pelo simples fato das pessoas envolvidas no processo desconhecerem as reais necessidades para um sistema automatizado funcionar corretamente.
Afinal, qual o robô a ser escolhido? Esse, ponto é fundamental para o sucesso da implementação do processo robotizado e todos da empresa devem participar. Existem inúmeros fabricantes de robôs, em geral, eles são muito parecidos (porém, não iguais). É essencial verificar se a empresa é idônea e de renome no mercado. Além disso, é fundamental o apoio de especialistas em “soldagem e robótica” para o sucesso da implementação da robótica no processo de fabricação.
Comentários finais
Como regra geral, um processo automatizado é mais produtivo que um mecanizado, que, por sua vez, é mais produtivo que um manual. Na soldagem, o ganho na produtividade, muitas vezes, se reflete devido às reduções dos tempos de retrabalho.
Por outro lado, também como regra geral, o custo inicial de um processo automatizado é maior que um mecanizado que é maior que um manual. A grande desvantagem dos sistemas automatizados é o seu custo inicial. Porém, estudos detalhados sobre a viabilidade econômica desses sistemas vêm mostrando que o seu custo-benefício é bastante satisfatório.
Em geral, se um processo de soldagem pode ser mecanizado, conseqüentemente esse pode ser automatizado. A questão é: quando o processo deve ser mecanizado, e quando deve ser automatizado? Além disso, se essa automação deve ser empregado robôs ou não, isto é, se a automação deve ser fixa ou flexível?
Reforçamos que todos esses fatores devem ser considerados, além de todas as vantagens e desvantagens de cada método. Porém, a maneira mais confiável para definir qual é o método de execução mais apropriado para a produção de uma determinada peça é por meio da realização de estudos de viabilidade econômica do processo, visto que nesse estudo todos os fatores citados podem ser considerados.
Com sistemas automatizados também é possível o armazenamento de todo o histórico das condições de soldagem das peças. Esse fato, adicionado ao da repetibilidade dos resultados, está abrindo o campo para a rastreabilidade de peças soldadas.
Alexandre Queiroz Bracarense é professor no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais
Eng. Ivanilza Felizardo é engenheira e diretora técnica da Rotech Tecnologia Robótica
*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 6 - Edição 35 - Ago/Set/07 
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