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Soldagem & Inspeção - A methodology for parameterization of the AC MIG/MAG process

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Soldagem & Inspeção

Print version ISSN 0104-9224

Soldag. insp. vol.17 no.3 São Paulo July/Sept. 2012

http://dx.doi.org/10.1590/S0104-92242012000300011 

ARTIGOS TECNICOS

 

Uma metodologia para parametrização do processo MIG/MAG CA

 

A methodology for parameterization of the AC MIG/MAG process

 

 

Américo ScottiI; Lindbergh Souza MonteiroII

ICentro para Pesquisa e Desenvolvimento de Processos de Soldagem (Laprosolda), Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, MG, Brasil (ascotti@ufu.br)
IIInstituto Federal de Educação Tecnológica do Maranhão (IFMA), São Luis, MA, Brasil (lindbergh.sm@gmail.com)

 

 


RESUMO

O processo MIG/MAG CA tem um potencial muito grande de aplicação, por permitir unir as características da soldagem MIG/MAG convencional (corrente contínua, com o eletrodo no positivo) com as de se usar corrente negativa na soldagem MIG/MAG. Entretanto, o formato de onda de corrente (alternada, pulsada no positivo e constante no negativo) demanda uma seleção criteriosa de seus inúmeros parâmetros de regulagem, o que vem limitando o estudo e aplicação desta versão de processo MIG/MAG. O objetivo deste trabalho foi propor e avaliar uma metodologia capaz de estimar os parâmetros de regulagem do processo MIG/MAG CA, de tal forma a se obter soldas com estabilidade de comprimento de arco e cordões com geometria adequada. É feita uma descrição passo a passo da definição dos parâmetros de entrada e da forma de se obter experimentalmente alguns valores de parâmetros necessários para estimação de outros valores de regulagem. As equações de estimação são apresentadas e discutidas. É feita uma demonstração da aplicação da metodologia, com a validação dos resultados pela comparação entre valores estimados e reais.

Palavras-chave: MIG/MAG, Corrente Alternada, polaridade negativa, seleção de parâmetros.


ABSTRACT

The AC MIG/MAG process presents remarkable application potential, since it allows join the characteristics of the conventional MIG/MAG process (direct current, electrode positive) with the ones obtained when negative current is applied in MIG/MAG welding. However, the current wave shape (alternate, pulsed in positive and constant in negative polarities) demands a criterions selection of its innumerous setting parameters, fact that limits the development and application of this process version. The objective of this work was to propose and assess a methodology able to estimate the setting parameters of the CA MIG/MAG welding process, in such a way to result in welds with arc length stability and adequate bead geometry. A step-a-step description of the input parameter definitions and of the way to experimentally obtain some parameter values needed to estimate other setting parameters. The estimation equations are presented and discussed. A demonstration of the methodology application is carried out, with validation through actual welds.

Key-words: MIG/MAG, Alternate Current, negative polarity, parameter selection


 

 

1. Introdução

O processo de soldagem MIG/MAG é dos mais importantes processos de união de metais na atualidade. Isto se deve à sua alta capacidade de produção, característica constantemente cobiçada pelas indústrias em seus processos de fabricação. O Processo de soldagem MIG/MAG CA é uma variante do Processo MIG/MAG, no qual se procura combinar as vantagens típicas da soldagem MIG/MAG convencional (eletrodo atuando na polaridade Positiva, CC+) com o aumento da taxa de deposição e redução do aporte térmico que ocorre quando o processo MIG/MAG é operado com o Eletrodo na Polaridade Negativa (CC-). Em CC+, há ainda a possibilidade de soldar com diferentes modos de transferência metálica (curto-circuito, pulsado, goticular). Uma aplicação de destaque para este processo é a soldagem de chapas finas [1].

Um dos principais benefícios de se soldar em CC- seria o balanço reverso do calor produzido no arco. De acordo com Talkington [2], na soldagem MIG/MAG em CC+ usando como gás proteção uma mistura de Argônio e menos de 5% de O2 ou CO2, aproximadamente 30% do calor gerado no arco fica concentrado no eletrodo e o restante na peça (aproximadamente 70%). Na soldagem emeste processo é contrário, cerca de 30% do calor gerado pelo arco é transferido para o metal de base e cerca de 70% para o eletrodo. Souza et al. [3] e Farias et al [4] confirmaram que há uma maior taxa de fusão em CC-, mas os resultados indicam que esta se deva mais à escalada do arco pelas paredes da ponta do arame em procura por óxidos (para emissão por campo), aumentando a eficiência térmica, do que por um maior calor gerado na conexão catódica. Entretanto, Talkington [2] aponta que a soldagem em CC- é limitada, geralmente, ao tipo de transferência globular, sendo pouco usado na prática, por registrar grande instabilidade do arco e quantidade indesejável de respingos produzidos. Estes resultados estão parcialmente em desacordo com Souza et al. [3], os quais demonstram que o modo de transferência metálica em CC- é dependente do tipo de gás de proteção utilizado e que é possível se obter transferência sem gotas repulsivas (globular e goticular) nesta polaridade.

Existem alguns tipos de ondas usadas nessa versão do processo MIG/MAG, sendo a pulsada CC+ combinada com corrente constante CC-, representada na Figura 1, a mais aceita. Este formato de onda foi estudado por alguns autores, como Harwig et al [5] e Nascimento et al [6], para os quais o período inicia no polo negativo para formar a gota e após a reversão de corrente, existe um período de corrente de base no polo positivo (pré-pulso) para estabilizar a gota antes do pulso, etapa na qual a gota é lançada. Antes da nova reversão, após o destacamento da gota, existe mais um período de base no polo positivo.

Existem diversas outras formas de onda de corrente que podem ser utilizadas para o processo MIG/MAG CA, não estando claro ainda, quais os benefícios de cada uma. Mas o que há de comum entre elas é o grande número de variáveis da onda a ser regulada. Alia-se a esta limitação a necessidade de se tentar manter o comprimento do arco o mais constante possível entre as inversões, fato que se consegue regulando a corrente no polo negativo para dar a mesma taxa de fusão do que no polo positivo. Assim, a mesma regulagem da velocidade de alimentação é usada nas duas polaridades. Como se vê, o número de parâmetros a regular é maior do que no MIG pulsado convencional (Quintino e Allum [7] e Vilarinho e Scotti [8]) e até de que o MIG/MAG duplo pulso [9]. Este fato é um fator desmotivante para o uso deste processo. Assim, o objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia para selecionar os parâmetros para soldagem com o processo MIG/MAG CA.

 

2. Metodologia para Definir Parâmetros para Soldagem com MIG/MAG CA

Neste processo, há uma transição periódica de polaridade, mas deve-se garantir que haja transferência metálica somente na polaridade positiva, através de um pulso. Assim, a estabilidade da transferência metálica está condicionada ao destacamento de uma única gota, com diâmetro próximo ao do arame-eletrodo, durante o tempo de pulso (UGPP). Além disso, deve-se procurar a manutenção de um mesmo comprimento do arco em ambas polaridades, para se garantir cordões regulares em dimensões e forma. Entretanto, na polaridade negativa há um aumento da taxa de fusão. Desta forma, para se manter uma mesma velocidade de alimentação em ambas as polaridades, uma opção é a diferenciação da corrente média para cada polaridade, a fim de se manter um mesmo comprimento de arco.

Foi, então, desenvolvida uma metodologia para encontrar parâmetros para soldagem em MIG CA que resultassem em boa estabilidade de transferência e em cordões com boa aparência e características geométricas dentro dos padrões de aceitabilidade. A aplicação dessa metodologia inicia-se com o formato de onda de corrente, por exemplo, como o da figura 1 (base-pulso-base). Em seguida devem ser definidos os parâmetros de entrada da regulagem para se soldar em MIG CA, ou sejam, os seguintes valores desejados:

• A corrente média no polo positivo desejada (Im+);

• O valor de percentual de eletrodo no negativo (%EN);

• O gás de Proteção;

• Composição e diâmetro do arame.

É importante ressaltar que não é possível ter como entrada diretamente a corrente média global desejada (Img), isto por que ela é uma variável dependente de variáveis a determinar. Por isto, a entrada deve ser pela corrente média desejada na polaridade positiva (Im+). Esta corrente vai ser próxima da corrente média final, mas, através de cálculos recursivos, pode-se chegar a corrente média global desejada. A corrente média na polaridade positiva a ser regulada deve ser típica para corrente média pulsada para a dada condição (material de base, tipo e diâmetro de eletrodo, gás de proteção e DBCP). Por exemplo, para o aço carbono, eletrodo AWS70S-6 com diâmetro de 1,2 mm e como gás de proteção uma mistura de Ar + 2% O2, os valores de corrente média devem variar entre 90 e 210 A.

O percentual do eletrodo no negativo é descrito como a razão entre o tempo em que o eletrodo opera na polaridade negativa ( e o período. O período, por sua vez, corresponde ao tempo total despendido nas duas polaridades, ou seja: tempo no negativo ( mais o tempo no positivo (), conforme mostrado na equação 1.

onde %EN = percentual do eletrodo no negativo, = tempo que o eletrodo opera na polaridade negativa e = tempo que o eletrodo opera na polaridade positiva.

A escolha do tipo de gás de proteção depende do tipo de arame-eletrodo, que por sua vez depende do material a ser soldado. No caso da soldagem de aços estruturais, deve-se privilegiar um gás com baixo teor de CO2 ou de O2 em mistura com argônio, por facilitar a transferência metálica goticular durante os pulsos. Neste caso, o diâmetro do arame eletrodo mais usado é o de 1,2 mm.

Como saída, espera-se um arco de comprimento em torno de 5 mm, de forma constante, e a condição de Uma Gota Por Pulso (UGPP) na polaridade positiva, sem transferência metálica na polaridade negativa, com valores médios de corrente (Im), que poderá ser um pouco diferente do Im+ estipulado, e de %EN próximos dos valores desejados. Para se alcançar essas condições, algumas definições precisam ser tomadas, a saber:

a) Definição de valores para parâmetros que são invariáveis para uma dada condição:

• Corrente de pulso (Ip);

• Corrente de base 1 (Ib1) e corrente de base 2 (Ib2);

• Distancia Bico de Contato Peça (DBCP);

• Comprimento livre do arame energizado (L);

• As constantes da equação do consumo α e β nas duas polaridades.

A corrente de pulso (Ip) é definida de acordo com a sua aplicação. Se o objetivo for maior penetração, deve-se adotar o seu valor muito maior que a corrente de transição estabelecido em tabelas ou determinar experimentalmente para o gás e arame escolhidos, ou seja: (Ip) >> (Itransição). No caso de se querer fazer revestimento, deve-se escolher um valor de (Ip) um pouco maior do que (Itransição). A corrente de base (Ib), na pratica (Ib1) ou (Ib2), deve ser escolhida também de acordo a corrente média desejada. O valor da corrente de base recomendada deve estar acima de 40 e 60 A. Para a DBCP, procura-se privilegiar o que normalmente é praticado para o MIG Pulsado; deve-se tentar o maior valor para se conseguir alta taxa de alimentação usando valores baixos de corrente média (abaixo da corrente de transição), aceitando-se um limite de 25 mm para arame-eletrodo de 1,2 mm de diâmetro, por questões de rigidez da extremidade livre do arame. O comprimento livre do eletrodo é normamente a DBCP subtraída do comprimento do arco, que na pratica adota-se para este caso 5 mm. Finalmente, as constantes da equação geral do consumo, são determinadas experimentalmente para o conjunto gás-arame-polaridade. Caso o usuário não as tenha tabelado, deve procurar determiná-las ou solicitar a um laboratório especializado esta determinação, conforme procedimentos descritos no item 2.1.

b) Definição pelo usuário de valores para demais parâmetros:

• Tempo de pulso (tp);

• Tempo de base (tb);

• Corrente RMS na polaridade positiva (IRMS);

• Corrente no negativo (In);

• Tempo no negativo (tn);

• Corrente média global

O tempo de pulso (tp) é calculado pela curva de interpolação Im+ x tp para a condição de UGPP, levantada experimentalmente para as condições em MIG Pulsado (caso o usuário não tenha esta curva, deve procurar determiná-la ou solicitar a um laboratório especializado esta determinação, conforme procedimentos descritos no item 2.2). O tempo de base (tb) é calculado pela equação da corrente média exponencial para MIG Pulsado, ou seja, isolando-se o tempo de base na equação 2 e entrando-se com os valores dos demais parâmetros, onde Im+ é um valor de entrada e são as constantes exponenciais de tempo do formato de onda exponencial (Figura 2), escolhidos devido às características da fonte utilizada. Para tal, é utilizado um programa usando-se a ferramenta MATLAB para encontrar a solução da equação.

 

 

A corrente RMS (IRMS+) é calculada pela equação 3, a partir do formato de onda exponencial, na condição de UGPP;

A corrente no negativo (In) é calculada igualando-se os valores da taxa de fusão nas duas polaridades, expressas pelas equações 4 e 5.

onde é um parâmetro de entrada (corrente média desejada no polo positivo), IRMS+ calculado de acordo com equação 3, IRMS- é por definição (In), uma vez que no negativo a corrente é constante, e culados experimentalmente.

Igualando-se o consumo nas duas polaridades, tem-se:

Substituindo-se a equação 4 e 5 em 6, tem-se:

que reordenada apresenta-se na forma da equação 8

Assim, o valor da corrente no negativo é calculado pela solução da equação 8. Já o valor do tempo no negativo é calculado a partir da equação 9:

onde tn = tempo em que o eletrodo opera na polaridade negativa e = tempo total na polaridade positiva.

Finalmente, a corrente média global (Img), que corresponde à média ponderada das correntes nas diversas fases do pulso, é definida pela equação 10;

Onde,

Ip = Corrente de pulso (Ip);

Ib = Corrente de base; (Ib1) ou (Ib2);

tp = tempo de pulso;

tb = tempo de base;

In = corrente no negativo;

tn = tempo no negativo

No caso da corrente média global (Img) não alcançar após os cálculos o valor desejado, de forma recursiva pode-se aumentar ou diminuir a corrente média no polo positivo (Im+) e reiniciar os cálculos até a convergência do valor de Img.ao desejado.

2.1. Determinação experimental das constantes da equação do consumo na soldagem em polaridade negativa e em polaridade positiva (CC+)

O consumo nas polaridades positiva e negativa foram expressos pelas Equações 4 e 5, respectivamente. Para determinar as constantes α+ e β+, α- e β- dessas equações, uma série de experimentos tem de ser feita, varrendo-se uma faixa de corrente aplicável para o dado arame e gás de proteção (a rigor, esta varredura também deveria se dar para a distância bico de contato-peça, mas pode-se assumir um valor médio de 20 mm como representativo para a faixa a ser utilizada nesta técnica, a saber, de 15 a 25 mm). Durante as soldagens, tentar manter o arco em torno de 5 mm, comprimento mais utilizado para este tipo de processo. Isto é possível caso o equipamento tenha o controle adaptativo de comprimento do arco, ajustando-se a tensão de referência até que se alcance o comprimento de arco desejado. Caso não tenha, a velocidade de alimentação deve ser ajustada para mais e para menos até que se alcance o valor desejado.

Para o caso da polaridade positiva, deve-se regular a fonte de soldagem no modo corrente constante, com pulsação. Caso a fonte tenha um controle sinérgico para corrente pulsada, usá-lo para cada corrente média desejada, em função do gás de proteção e arame escolhidos. Caso contrário, deve-se regular todos os parâmetros de pulsação, tomando-se como base os valores de correntes de pulso e tempo de pulso que serão utilizados no trabalho. De qualquer forma, é importante garantir a condição de destacamento de uma gota por pulso para cada nível de corrente desejada, por exemplo, utilizando-se de monitores ópticos [10] ou filmagem de alta velocidade [11]. Para o caso da polaridade negativa, deve-se regular a fonte de soldagem no modo corrente constante, sem pulsação (caso a fonte não permita, colocar no modo pulsado, mas fazendo Ip = Ib).

Durante as soldagens, monitorar a velocidade de alimentação (Valim+ ou Valim-) e a corrente e determinar para cada experimento os valores de Im+ e Irms+ ou Im- e Irms-. Assim, através de análise de regressão, disponível em programas computacionais comerciais, é possível determinas as constantes, tomando como base a Equação 4 ou a 5.

2.2. Determinação experimental dos tempos de pulso (tp) em polaridade positiva (CC+)

O procedimento experimental para determinar o tempo de pulso (tp) para uma dada corrente de pulso (Ip) consiste em fazer vários cordões de solda, variando-se escalonadamente o tempo de pulso (tp) para cada corrente média para qual esse parâmetro será regulado (varrer a corrente média dentro da faixa de aplicabilidade). A velocidade de alimentação (Valim) deve ser condizente com cada corrente média, procurando-se um arco de aproximadamente 5 mm (iniciava-se a soldagem com um valor alto da Valim e abaixa-se progressivamente essa regulagem até se conseguir abrir o arco e mantê-lo no comprimento desejado). O valor de Ib deve ser previamente escolhido, de forma similar ao Ip. Assim, para cada regulagem do tempo de pulso (tp), será necessário ajustar o tempo de base (tb), mantendo-se a corrente média, como indicado pela equação 11. Também haverá necessidade de se ajustar o comprimento do arco, através da velocidade de alimentação.

Existirá uma faixa de tempos de pulso em que se alcançará a condição de uma gota por pulso para cada nível de corrente média desejada, para uma dada corrente pulso-arame-gás de proteção. Para medir se estaria havendo a condição de uma gota por pulso, pode-se usar, por exemplo, monitores ópticos [10] ou filmagem de alta velocidade [11]. Assim, a partir dos valores regulados e dos valores monitorados é construído um gráfico da relação corrente média e tempo de pulso médio da faixa em que se tem a condição de uma gota por pulso, como ilustra a Figura 3.

 

 

3. Aplicação da Metodologia

Para exemplificar a aplicação da metodologia descrita, o metal de base utilizado foi o aço estrutural ao carbono, sem liga. Assim, como material de deposição foi especificado o eletrodo da classe AWS ER70S-6, com diâmetro de 1,2 mm, mantendo-se uma DBCP de 25 mm. Uma mistura de Argônio + 2% de Oxigênio foi usada, visando uma condição de 50%EN.

Inicialmente foram fixados os seguintes valores dos parâmetros de entrada de corrente média na polaridade positiva (Im+) = 90 A; 120 A; 150 A; 165 A; 180 A e 210 A. Foram também definidos os outros parâmetros de entrada que são invariáveis, ou seja:

• Ip = 250 A;

• Corrente de base 1 (Ib1) ou corrente de base 2 (Ib2) = 40 A;

• DBCP = 25 mm, e uma Larco = 5 mm;

• Valores das constantes da equação do consumo nas duas polaridades (levantadas experimentalmente):

Na polaridade negativa:

Na polaridade positiva:

Em seguida foi definido o conjunto dos parâmetros estimados, a saber:

• Os valores de tempo de pulso (tp), calculados pela curva de interpolação Im+ x tp levantada experimentalmente para todas as correntes médias no polo positivo, já definidos;

• O tempo de base (tb); isolando-se o tempo de base na equação 2 e entrando-se com os valores dos demais parâmetros (Im+, Ip, Ib, tp, λ1 e λ2, esses últimos assumidos como 2 e 3 respectivamente, em função do equipamento de soldagem);

• Os valores de velocidade de alimentação na polaridade positiva, para cada valor de corrente média de entrada, calculados pela equação 4;

• Os valores de velocidade de alimentação na polaridade negativa, para cada valor de corrente média de entrada, calculado pela equação 5;

• Os valores de corrente no negativo (In), para cada valor de corrente média de entrada, calculado utilizando-se a equação 8;

• Os valores do tempo no negativo (tn), calculados fazendo uso da equação 9;

• Finalmente, os valores de corrente média global (Img), através da equação 10.

A Tabela 1 expressa os valores de entrada e estimados pela metodologia proposta para a faixa de corrente de 90 a 210 A e um EN = 50%. Pode-se perceber que a corrente média global foi uma pouco menor do que a corrente média no polo positivo. Assim, caso fosse desejo um aumento deste valor, seria apenas necessário por tentativa e erro corrigir o valor de entrada para a corrente média no polo positivo (Im+). Usando-se os valores de entrada (Ip, Ib1 e Ib2) e os valores estimados (tp, tb1, tb2, Valim, In e tn) da Tabela 1 para regular os equipamentos, soldagens foram feitas para validar a metodologia. A Tabela 2 mostra o parâmetro de validação, no caso a corrente média global (Img), uma vez que este foi estimado e pode ser monitorado. Pode-se perceber o bom desempenho da metodologia.

A Figura 4 ilustra a seção transversal de um cordão sobre chapa realizado com o processo MIG/MAG CA e regulagem dos parâmetros com valores estimados pela metodologia proposta, evidenciando a qualidade geométrica do cordão produzido.

 

 

4. Conclusões

Com a metodologia proposta é possível calcular com grande precisão os valores a serem usados na regulagem de um equipamento para soldagem com MIG/MAG CA, superando uma das limitações desta versão do processo MIG/MAG. Apesar de demandar levantamento experimental de alguns parâmetros, a confecção de um banco de dados ao longo do tempo vai tornando mais fácil e popular a aplicação do processo pela maior facilidade de seleção dos seu parâmetros de regulagem.

 

5. Agradecimentos

Os autores deste trabalho gostariam de agradecer à CAPES, através do Programa Dinter IFMA-UFU, pela oportunidade para um dos autores desenvolver seu projeto de pesquisa no Grupo Centro para Pesquisa e Desenvolvimento de Processos de soldagem da UFU. Também agradecem ao CNPq, através do processo 302091/2011-4, pela bolsa de pesquisa de um dos autores, e à Fapemig, através do projeto RDP-00140-10, pelo suporte financeiro laboratorial.

 

6. Referências Bibliográficas

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(Convidado em 15/05/2012; Texto final em 02/09/2012)