4.5 Correlação dos resultados encontrados com a temperatura sob o cordão
4.5.3 Análise de múltiplas reversões
Nas soldas anteriores, a análise da estrutura de solidificação foi realizada com uma única reversão. Entretanto, na soldagem switchback existem múltiplas reversões. Assim, para avaliar os resultados de uma forma mais próxima da situação real de soldagem, novos
20 mm
Transição colunar-equiaxial
Crescimento de grãos
Recristalização
Estado bruto de fusão
experimentos foram propostos, agora com mais de uma reversão. Inicialmente, foi realizada uma soldagem switchback com apenas um ciclo de reversão da tocha. Adota-se aqui um ciclo de reversão como sendo dois avanços consecutivos que a tocha realiza e interligados por uma única reversão, como indicado na Figura 4.34. Para manter constante a velocidade equivalente de 25 cm/min a velocidade empregada na tocha durante as fases de avanço e recuo foi de 32 cm/min. Em seguida, outra solda foi produzida com a técnica; agora com dois ciclos de reversão da tocha. Para manter constante a velocidade equivalente de 25 cm/min a velocidade empregada na tocha durante as fases de avanço e recuo foi de 39 cm/min. Para analisar a estrutura de solidificação dos cordões produzidos foram obtidas imagens (macro e micrografias) das seções (longitudinal) previamente polidas e atacadas com Nital 2%.
Figura 4.34 – Ilustração dos ciclos de reversão utilizados. (A) Ciclo de avanço-reversão- avanço (100-20-60) = real. (B) Ciclo de avanço-reversão-avanço-reversão-avanço (100-20- 30-20-60)
A Figura 4.35 apresenta o aspecto superficial do cordão obtido com um ciclo de reversão. Nota-se nessa figura que devido a este ciclo, houve a deposição de uma maior quantidade de material metálico. Pode ser observado ainda que durante a etapa de recuo da tocha o metal, ainda líquido, avançou cerca de 15 mm sobre o metal depositado anteriormente. O jato de plasma certamente atuou sobre esta maior massa líquida, empurrando-a para os lados e, devido ao recuo, impulsionando o metal líquido mais intensamente para traz.
A
Figura 4.35 – Aspecto superficial do cordão obtido com uma reversão: Vtocha = 32 cm/min (no
avanço e na reversão); Vequiv= 25 cm/min(ciclo de avanço-reversão-avanço (100-20-60) =
real)
A macroestrutura da seção longitudinal do metal de solda acima, no trecho de 65 mm a 100 mm, está apresentada na Figura 4.36. Com o auxílio dessa figura é possível observar duas diferentes regiões do metal de solda, uma (região 1) onde a tocha passa uma vez e a outra (região 2) onde a tocha passa 3 vezes. Na região 1, verifica-se a ocorrência da refusão do material depositado anteriormente durante o avanço da tocha. Apesar da tocha não atingir esta região durante o seu recuo, a poça líquida formada sobrepõe aquele material já solidificado, refundindo-o até, aproximadamente, 15 mm do ponto de parada de recuo. Nesta extensão (15 mm), entretanto, a refusão ocorre totalmente por um comprimento aproximado de 10 mm. É evidente à linha de fusão que separa os grãos colunares solidificados na etapa de avanço da tocha (a) dos grãos colunares solidificados no recuo da tocha (b). O tempo total que a tocha levou para avançar de 70 mm até 100 mm e depois recuar até 80 mm foi de 9,4 s. Este tempo foi suficiente para que o material depositado na região I durante o avanço da tocha solidificasse antes de ser refundido. Ainda nesta região I, pode-se notar que, próximo à linha de fusão, formou-se uma estrutura de solidificação com grãos equiaxiais (c) e (d), sendo com maior tamanho na região de maior penetração, indicando um superaquecimento do cordão. A Figura 4.37 apresenta as micrografias obtidas para a estrutura de solidificação localizada próxima à linha de fusão.
Figura 4.36 – Aspecto macrográfico da região do cordão sob uma reversão da tocha (ciclo de avanço-reversão-avanço (100-20-60) = real)
Figura 4.37 – Microestruturas do metal de solda sob um ciclo de reversão: (A) região indicada pela letra c da Figura 4.36; (B) região indicada pela letra d da Figura 4.36; (C) e (D) regiões indicadas em 1 e 2 na figura 4.37(B)
Por comparação com imagens de microestruturas obtidas, através microscopia óptica para a soldagem de aço carbono (LINEART, 2000), foi possível definir alguns microconstituintes. Na realidade, os grãos observados na Figura 4.37 são compostos por ferrita acicular (AF), ferrita poligonal (PF) e ferrita de contorno de grão (GF) que se formaram pela transformação dos grãos da austenita com o resfriamento contínuo do cordão. Apesar de estar em pouca quantidade, a presença de ferrita poligonal é um indicativo do superaquecimento do cordão, pois é observada em condições de baixa taxa de esfriamento. Foi muito importante observar a presença de ferrita acicular, pois ela garante boa tenacidade para a solda.
Estrutura similar àquelas apresentadas na Figura 4.37 (B) foi apresentada por Samuels (1992, pg. 170) na soldagem multipasses de aço carbono pelo processo TIG. Esta estrutura de solidificação com grãos recristalizados foi visualizada no último passe de preenchimento do chanfro e especificamente próximo à linha de fusão. A dureza desta microestrutura foi de 210 HV enquanto a microestrutura mais afastada da linha de fusão, com característica fortemente colunar, apresentou dureza de 200 HV. Ilka (2006), em seu trabalho sobre a influência da microestrutura no comportamento mecânico de juntas soldadas de aço estrutural, também observou uma estrutura de solidificação similar, na soldagem por arco submerso. Na condição como soldado, a estrutura de solidificação apresentou-se colunar. Porém, após tratamento térmico de têmpera, a microestrutura foi observada e apresentou os mesmos constituintes apresentados na Figura 4.37 (AF, PF e GF). Durante o tratamento térmico, as soldas foram aquecidas até 1225 oC e, em seguida, resfriadas em água. Ela
verificou que a dureza desta microestrutura obtida com o tratamento foi de 192 HV, enquanto para o metal de solda, na condição como soldado, foi de 185 HV. A energia de impacto das amostras retiradas das soldas tratadas termicamente foi de 43 J, superior àquela obtida de amostras retiradas na condição como soldado que foi de 36 J.
Voltando-se à Figura 4.36, observa-se na região II estruturas similares próximas à linha de fusão. Porém, aparentemente, estão com maior tamanho (ver ponto e) em função do superaquecimento do metal de solda pelo arco elétrico ter passado 3 vezes nesta região. Acredita-se que esta região também foi refundida. O tempo total que levou a tocha para avançar da posição de 80 mm até 100 mm e depois recuar até 90 mm foi de 5,7 s. Neste tempo, acredita-se que o metal depositado entre o trecho de 80 mm até 90 mm já havia solidificado. O mesmo raciocínio pode-se ter para o trecho de 90 mm a 100 mm, ou seja, também teve um tempo de 5,7 s para solidificar. Aproveitando ainda a Figura 4.36, observa- se que a superfície do cordão no ponto da mudança de recuo para avanço da tocha (80 mm do comprimento do cordão) apresentou uma depressão. Isto caracteriza uma falta de material metálico no momento em que o arco elétrico sai repentinamente deste ponto.
Procurou-se verificar, então, se estes resultados poderiam repetir para uma condição de dois ciclos de reversão. Os resultados são apresentados a seguir. A Figura 4.38 ilustra o aspecto superficial do cordão obtido com dois ciclos de reversão. Pode ser observado nesta Figura que durante o recuo da tocha no 1o ciclo, o metal, ainda líquido, avançou cerca de 18
mm sobre o metal depositado anteriormente.
Figura 4.38 – Aspecto superficial do cordão obtido com duas reversões (Vtocha = 39 cm/min
no avanço e na reversão), com ciclo de avanço-reversão-avanço-reversão-avanço (100-20- 30-20-60)
No seguinte recuo referente ao 2o ciclo, o metal avançou aproximadamente 21 mm.
Estes maiores avanços da poça de fusão sobre o metal já solidificado podem ter ocorrido em função da maior velocidade de soldagem empregada na tocha, 39 cm/min, permitindo que o jato de plasma empurrasse o metal líquido ainda mais longe. A macroestrutura da seção longitudinal do metal de solda acima, no trecho de 62 mm a 100 mm, está apresentada na Figura 4.39. Essa figura mostra que o material depositado durante o primeiro ciclo da reversão da tocha foi parcialmente fundido pela poça de fusão formada durante o segundo ciclo. Isto fez com que a região I discutida anteriormente fosse menor neste caso. Já a região II do primeiro ciclo de reversão foi totalmente fundida. Isto mostra que na soldagem Switchback a estrutura de solidificação observada no metal de solda é aquela que surge na região I mencionada (região de interesse), a cada ciclo de reversão. A região I do primeiro ciclo apresentou uma estrutura de solidificação semelhante ao mostrado anteriormente. As microestruturas do metal de solda nesta região próximo à linha de fusão e a da ZTA são apresentadas na Figura 4.40. Percebe-se o formato equiaxial dos grãos do metal de solda e a estrutura grosseira obtida na ZTA. De acordo com Lineart (2000), esta estrutura de grãos grosseiros obtida para a ZTA surge quando o material de base, imediatamente adjacente ao metal de solda, é aquecido a uma temperatura próxima de 1350oC. Este severo aquecimento da ZTA causa o crescimento de grãos durante a fase de
austenitização e produz constituintes grosseiros com o contínuo resfriamento até a temperatura ambiente. A tenacidade desta região da ZTA é em geral muito pobre.
Figura 4.39 – Aspecto macrográfico da região do cordão sob dois ciclos de reversão idem Ciclo de avanço-reversão-avanço-reversão-avanço (100-20-30-20-60)
Figura 4.40 – Efeito do superaquecimento na soldagem: (a) e (b) microestruturas observadas, respectivamente, em a (metal de solda) e b (ZTA) indicados na Figura 4.39; (c) e (d) são as mesmas imagens ampliadas
a
b
c
Com relação ao segundo ciclo de reversão, novamente foi observado uma estrutura de solidificação com grãos equiaxiais próximo à linha de fusão, tanto na região em que a tocha passa três vezes (região I do segundo ciclo) quanto naquela outra em que a tocha passa cinco vezes (região II do segundo ciclo). Porém, nesta última, os grãos tenderam a crescer demasiadamente, como o observado entre o trecho de 90 mm a 100 mm do cordão. Esperava-se que aqueles grãos próximos à linha de fusão, onde o arco refunde por três vezes o metal de solda, também aumentassem de tamanho. Entretanto, talvez isto não tenha ocorrido em função da maior velocidade da tocha de soldagem (39 cm/min). Os resultados obtidos nestes experimentos indicam que, para uma mesma velocidade equivalente de soldagem, o emprego da técnica promove um maior aquecimento do metal de solda. Assim, tanto o metal de solda quanto o metal de base podem ser submetidos a maiores níveis de temperatura e maior tempo de esfriamento. Estas condições de temperatura e tempo favorecem a um tratamento térmico no cordão próximo à linha de fusão e, ao mesmo tempo, a um crescimento de grão da ZTA.
CAPÍTULO V
Otimização das Variáveis da Técnica Switchback para Controlar a Poça de
Fusão Visando Confecção Robusta de Passes de Raiz
5.1 Metodologia adotada para avaliar o potencial da técnica quanto à robustez da