Esse artigo científico é uma obra em conjunto do Mestre em Engenharia Mecânica Alexandre Jusis Blanco com o Professor Willy Ank Morais, sobre o processo de soldagem de metais e estudo das propriedades mecânicas e alterações das microestrutura do material.
Abaixo veremos o artigo na integra (postado com autorização prévia do próprio Mestre Alexandre).
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| Professor Mestre Alexandre Jusis Blanco |
Microestrutura e Propriedades Mecânicas de uma junta Soldada obtida por Processo de Soldagem Manual Gas Metal Arc Welding.
Resumo: Para se determinar as propriedades mecânicas de uma junta soldada torna-se necessário conhecer
as propriedades mecânicas do metal de adição decorrente de um processo de soldagem. O objetivo desse
trabalho foi verificar as propriedades mecânicas de uma solda MAG elaborando e qualificando um
procedimento de soldagem. Para isso foi utilizado quatro ensaios mecânicos: tração, macrográfia,
micrografia e dureza. Foi estipulado o limite de escoamento, de ruptura, o alongamento e a estricção;
macrográfico, determinou-se, a olho nu, a zona fundida, a zona de ligação, a zona termicamente afetada e o
metal de base; micrográfico, tração, definiu-se os componentes microestruturais da solda e do metal de base;
dureza e foi estabelecida a tenacidade da solda e do metal de base.
Palavras chave: Soldagem; Metalografia; Dureza; Ensaio; Aço.
1. Introdução
A soldagem é uma técnica de construção, feita de
várias formas e aplicando vários métodos. Visa obter
peças contínuas de metais e/ou ligas(1) é o mais importante
processo industrial de fabricação de peças metálicas.
Processos de soldagem e processos afins são também
utilizados na recuperação de peças desgastadas, para
a aplicação de revestimentos de características especiais
sobre superfícies metálicas e para corte.
O sucesso da soldagem está associado a diversos
fatores e, em particular, com a sua relativa simplicidade e
flexibilidade operacional. Por outro lado, apesar desta
simplicidade, não se pode esquecer que a soldagem pode
ser muitas vezes um processo “traumático” para o material,
envolvendo, em geral, a aplicação de uma elevada densidade de energia em um pequeno volume do material,
o que pode levar a importantes alterações estruturais e
de propriedades dentro e próximo da região da solda.
O desconhecimento ou a simples desconsideração
das implicações desta característica fundamental pode
resultar em problemas inesperados e, em alguns casos,
graves. Estes problemas podem se refletir tanto em atrasos
na fabricação ou em gastos inesperados, quando o
problema é prontamente detectado, ou mesmo em perdas
materiais e, eventualmente, de vidas, quando o problema
é levado às suas últimas consequências.
Para se determinar as propriedades mecânicas de
uma junta soldada, se torna necessário conhecer as propriedades
mecânicas do metal de adição decorrente de
um processo de soldagem. Todo o processo de união de
metais, através de componentes mecânico ou componentes
estruturais através do processo de soldagem tem que
ser avaliado para a verificação e comprovação da integridade
do novo componente.
2. Materiais e Métodos
2.1. Método de soldagem
0 método de soldagem utilizado foi GMAW (Gas
Metal Arc. Welding) ou MAG (Metal Active Gas), que
realiza a união de materiais metálicos pelo seu aquecimento
e fusão localizados através de um arco elétrico
estabelecido entre um eletrodo metálico não revestido e
maciço na forma de fio(6), conforme ilustrado na Figura
1.
Para o procedimento de soldagem foi utilizada a
pistola para soldagem GMAW que possui um contato
elétrico deslizante (bico de contato) para transmitir a
corrente ao arame, orifícios para a passagem de gás de
proteção e bocal para dirigir o fluxo de gás à região do
arco e da poça de fusão. Para a soldagem semiautomática,
ela ainda possui um interruptor para o acionamento
da corrente de soldagem, da alimentação de arame e do
fluxo de gás de proteção.
2.2. Sistema de alimentação
O sistema de alimentação é composto de um motor,
um sistema de controle de sua velocidade e um conjunto
de roletes responsável pela impulsão do arame. Em
comparação com a soldagem com eletrodos revestidos, a
soldagem GMAW é relativamente mais simples quanto à
sua técnica de execução pois a alimentação de metal de
adição é feita pelo equipamento e a quantidade de escória
gerada é mínima. Por outro lado, este processo é mais
complicado em termos da seleção e ajuste de seus parâmetros,
devido ao seu maior número de variáveis e a
forte inter-relação entre elas.
A fonte de energia mais usada é do tipo tensão
constante regulável com alimentação de arame a velocidade
constante. Este tipo de sistema permite o controle
automático do controle do arco diretamente através de
variações da corrente de soldagem. Sistemas alternativos,
com fontes com saída de corrente constante, necessitam
de sistemas especiais para controlar o comprimento do
arco.
2.3. Confecção dos corpos de prova
O material empregado nos corpos de prova (CPs)
foi o aço SAE J403 1020. Os CPs para o ensaio de tração
foram usinados em fresadora horizontal conforme as
dimensões ilustradas na Figura 2. Estes corpos de prova
foram seccionados em três partes (A, B e C) para serem
analisados por metalografia e para terem suas durezas
medidas.
2.4. Parâmetros de soldagem
Os parâmetros de soldagem dos corpos de prova pelo
processo MAG (GMAW) em ambos os corpos de prova
foram: tensão de 22V e corrente contínua de 140A com
polaridade inversa. O gás empregado foi o “Arcal 21”
(21% CO2 +79% Ar, vazão de 20 lpm (3). Como metal de
adição empregou-se o arame AWS A 5.18. ER70S-6,
diâmetro 1,2 mm (micro-arame)(6). Os materiais dos
corpos de prova são confeccionados com o Aço SAE
J403 1020. A composição química típica dos materiais
envolvidos é:
- consumível: 0,06 a 0,15%C; 0,80 a 1,15%Si; 1,40 a 1,85%Mn.
- metal base: 0,20%C; 0,45%Mn; 0,20%Si; P<=0,030% e S<=0,050%.
A pistola para soldagem GMAW possui um
contato elétrico deslizante (bico de contato) para
transmitir a corrente ao arame, orifícios para a passagem
de gás de proteção e bocal para dirigir o fluxo de gás à
região do arco e da poça de fusão. Para a soldagem
semi-automática, ela ainda possui um interruptor para o
acionamento da corrente de soldagem, da alimentação de
arame e do fluxo de gás de proteção. O sistema de
alimentação do consumível (arame) é composto de um
motor, um sistema de controle de sua velocidade e um
conjunto de roletes responsável pela impulsão do arame.
2.5. Procedimento de soldagem
Efetuou-se a soldagem dos corpos de prova e a
elaboração do procedimento de soldagem, atendendo-se
os requisitos da Norma ASME SEÇÃO IX (anexo 01).
Antes da soldagem, os corpos de prova foram preparados
com thinner para limpeza.
A seqüência realizada foi a seguinte: 1º lado
(superior): um passe de raiz, um passe de enchimento e
um de acabamento. 2º lado (inferior): um passe de
acabamento, conforme ilustrado pela Figura 3.
2.6. Ensaio de tração
Foi adotada a norma ASTM E8M(8) para realizar
os ensaios mecânicos de tração, porém com as dimensões
dos CPs conforme ASME.
O ensaio foi realizado a temperatura ambiente e foram determinados o limite de escoamento, o limite de ruptura, o alongamento e a estricção do material. Empregou-se uma máquina universal hidráulica com capacidade de carga de 100 toneladas.
2.7. Ensaios metalográficos e macrográficos
A metalografia visa analisar e registrar a condição
microestrutural de um material metálico através da preparação
adequadas de amostras a serem observadas.
Neste trabalho foi empregada esta técnica, na qual as
amostras tiveram suas superfícies devidamente polidas e
atacadas com um reagente específico.
O exame metalográfico encara o metal sobe o
ponto de vista de sua estrutura, procurando relaciona-las
às propriedades físicas, composição, processo de fabricação,
etc (2).
A Técnica do preparo de um dos corpo de prova
de macrografia abrange as seguintes etapas,escolha e
localização da seção a ser estudada, preparação de uma
superfície plana e polida e ataque dessa superfície por
um reagente químico adequado(2)
.
Iniciando o lixamento nas lixas de 80, 100, 220,
320, 400 e 600. polimento em politrizes com feltro de
alumina 0,5μm e posterior ataque com reagente Nital a
5% para análise macrográfica e Nital a 2% para análise
metalográfica.
As análises foram feitas a nível macroscópico (a
olho nú) e microscópico, com auxílio de um microscópio
metalográfico da marca Olympus.
Empregaram-se ampliações óticas de 50 a
1000X neste último caso.
2.8. Ensaios de dureza
Pode-se considerar dureza como a resistência que
um material oferece à penetração de outro em sua superfície.
O ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas,
deixando apenas uma pequena marca, às vezes quase
imperceptível.
No trabalho foram empregados os ensaios de dureza
na escala Rockwell B (HRB), de acordo com a norma
ASTM E 18, utilizando penetrador de esfera de aço
temperado com 1/16” de diâmetro e 100 kgf de carga.
A Figura 5 ilustra o equipamento da UNISANTA
e as posições de medição de dureza realizados na junta
soldada.
3. Resultados e Discussões
Após a soldagem observou-se que não houve deformação,
que caracteriza bom procedimento e execução.
Porém os resultados das demais avaliações devem ser
considerados para caracterizar mais fidedignamente o
desempenho de junta.
3.1. Ensaio de tração
Os dados obtidos nos ensaios de tração foram:
comprimento inicial L0 = 36,0mm; comprimento final
LF = 43,0mm; espessura inicial t0 = 12,5mm; espessura
final (na região de ruptura) tf = 11,0mm; largura inicial
B0 = 38,0mm; largura final (na região de ruptura)
BF = 35,5 mm (Eq. 4); área inicial A0 = 475,0mm2
; área
final Af = 390,5 mm2
; força de escoamento
FE = 10280kgf; força de ruptura FR = 20460 kgf.
Estes dois últimos valores foram registrados pelo
controle eletrônico da máquina, conforme ilustrado na
Figura 6. A Figura 7 ilustra o aspecto do CP de tração
(vide Figura 1), rompido o ensaio de tração.
Os resultados numéricos, calculados a partir dos
dados obtidos nos ensaios de tração, foram:
Limite de Escoamento (SLE)
Limite de Ruptura (SLR)
Alongamento (%Along.)
Estricção ou Redução de Área (%RA)
As superfícies de fratura obtidas nos ensaios de
tração foram avaliadas para determinar a existência de
irregularidades, descontinuidades e/ou defeitos.
A foto da Figura 8 apresenta regiões de falta de
fusão ocorridas entre os passes de solda executados (vide
Figura 3).
3.2. Macrografia e Micrografia
Apresentou uma estrutura bem homogênea, conforme
ilustrado pela Figura 9, podendo definir o metal de
adição, o metal base, e verificado a presença da zona
termicamente afetada (ZTA). Verificou-se também que
não foi verificada uma falta de fusão na solda deste corpo
de solda na região cortada, ao contrário do percebido
na superfície de fratura do CP de tração.
Através da metalografia, pode-se observar alinhamento
da perlita (bandeamento) na região do metal
base conforme ilustrado na Figura 10.
Este bandeamento é típico de chapas de aço obtidas
por laminação a quente. Já a Figura 11 apresenta a
estrutura do metal de solda, com o aspecto típico para o
consumível empregado (AWS A 5.18. ER70S-6).
3.3. Dureza
Os ensaios de dureza foram executados nas regiões
planejadas (vide Figura 5) conforme ilustrado na
Figura 12. Os resultados obtidos estão apresentados no
gráfico da Figura 13.
Valores mais elevados de dureza registrados na
região da solda, tanto no metal de solda quanto na ZTA,
não são favoráveis para o desempenho mecânico da junta.
Entretanto, os valores obtidos desse ensaio, apesar de
mais elevados no metal de solda, ainda estão dentro de
um nível satisfatório.
4. Conclusões
A soldagem é um método de união localizada de
materiais, cujo objetivo básico é manter a continuidade
das características da união com o restante do componente.
Através do trabalho aqui apresentado, podemos
concluir que o processo propriamente dito de soldagem,
material adequado, temperatura não é o suficiente para
garantir uma junção de qualidade, justificando, portanto,
a qualificação de soldador e do procedimento de soldagem,
fazendo-se necessário o treinamento de todo o pessoal
de execução e planejamento do trabalho. Os resultados
do ensaio de tração comprovam que a inabilidade
do soldador influenciou significativamente para a sanidade
da solda e que se esta fosse exposta há uma solicitação
real, correria o risco de comprometer o objetivo da
soldagem. As avaliação visual da junta soldada, as análises
metalográfica e por dureza não indicaram maiores
irregularidades. Os ensaios mecânicos destrutivos, no
caso o ensaio de tração, são mais indicados para uma
avaliação mais precisa de uma junta soldada pois defeitos
não perceptíveis por outras técnicas podem manifestar-se
na superfície de fratura final obtida.
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