Etapa 2 Soldagem por simples deposição

Esta etapa consistiu na soldagem dos corpos de prova e sua posterior caracterização microestrutural e geométrica. Sendo dividida em treze atividades:

a) Planejamento do experimento: Escolha dos fatores de controle e de seus níveis;

b) Seleção da matriz ortogonal; c) Seleção das variáveis respostas; d) Preparação dos corpos de prova; e) Realização das soldagens;

f) Análise macrográfica dos cordões de solda; g) Preparação metalográfica;

h) Medição das características geométricas; i) Identificação da microestrutura;

j) Quantificação da fração de ferrita; k) Quantificação da fração das inclusões;

l) Microdureza Vickers;

m) Influência do percentual de CO2 no gás de proteção sobre a composição

química da ZF.

Planejamento do experimento

Esta atividade consistiu em planejar o número de ensaios a serem realizados, na qual optou-se pelo uso do método Taguchi (APÊNDICE A) neste trabalho para reduzir a quantidade de ensaios em relação ao fatorial completo, comumente utilizado na realização de experimentos.

Então, com base na revisão da literatura foram identificados os fatores de controle e seus níveis mais influentes para obtenção da transferência metálica desejada, bem como os fatores capazes de influenciar de forma significativa as características geométricas e microestruturais dos cordões de solda. Na Tabela 9 são apresentados os fatores de controle e seus respectivos níveis, os quais serão descritos a seguir.

Tabela 9 - Fatores de controle e seus níveis para a matriz L16.

Fatores de Controle Nível

1 2

Liga 2205 2507

Gás 96%Ar + 4%CO2 75%Ar + 25%CO2

DBCP (mm) 15 25

T.T Puxando Empurrando

Tecimento Sem tecimento (ST) Triangular (TT)

T.E Tipo I Tipo V

Energia (kJ/mm) 0,7 2,0

4.3.2.1.1 Material de adição (Liga)

O material de adição foi escolhido como fator de controle para verificar a influência do consumível sobre as variáveis respostas. Assim, foram utilizados dois arames eletrodos para este fator de controle: AWS E2209T0-1 ou 2205 e o OK Tubrod 14.28 ou 2507, que são os Níveis 1 e 2 mostrados na Tabela 9.

4.3.2.1.2 Gás de proteção (Gás)

Este parâmetro foi adotado como fator de controle, pois segundo a literatura, possui uma forte influência sobre a transferência metálica, sobre as características geométricas e sobre a microestrutura dos cordões de solda. Assim foram adotados neste trabalho dois gases de proteção diferentes: 96% Ar + 4% CO2 e 75% Ar + 25%

CO2, que correspondem aos Níveis 1 e 2, como pode ser visto na Tabela 9.

4.3.2.1.3 Energia de soldagem (Energia)

Este parâmetro foi selecionado como fator de controle, pois segundo a literatura afeta fortemente as características geométricas dos cordões de solda e o balanço microestrutural dos AIDs. Assim, para esse fator de controle foram escolhidos dois níveis de energia de soldagem: 0,7 kJ/mm (Nível 1) e 2,0 kJ/mm (Nível 2), como mostrado na Tabela 9.

4.3.2.1.4 Técnica de energia (T.E)

Este parâmetro foi escolhido, pois uma mesma energia de soldagem (E) pode ser obtida através de diversas combinações de tensão (U), corrente (I) e velocidade de soldagem (Vs) (Equação 8). Por isso, buscou-se avaliar a influência da energia com o efeito individual da velocidade de soldagem e da corrente sobre as variáveis resposta. Desta forma definiu-se a técnica de energia Tipo I (Nível 1) como sendo aquela na qual a corrente varia e a velocidade de soldagem é constante e a técnica de energia Tipo V (Nível 2), como sendo aquela em que a velocidade de soldagem varia e a corrente é constante. Assim como mostra a Tabela 10, cada nível de energia pode ser obtido pela combinação de dois valores de corrente e velocidade de

soldagem distintos. Ressalta-se, que as técnicas de energia Tipo I e Tipo V apresentaram a mesma combinação dos valores de corrente e velocidade de soldagem para a energia de 2,0 kJ/mm.

= × � Equação 8

Tabela 10 - Tabela demonstrativa das combinações de corrente e velocidade de soldagem para os dois níveis de energia E1 e E2.

Técnica de Energia Níveis de energia

E1 E2

Tipo I I1/V1 I2/V1

Tipo V I2/V2 I2/V1

Fonte: Elaborada pelo próprio autor.

Nota: E1= 0,7 kJ/mm, I1= 100 A e V1= 22 cm/min e E2 = 2,0 kJ/mm, I2=200A e V2 = 62 cm/min 4.3.2.1.5 Tipo de tecimento (Tecimento)

O tipo de tecimento foi escolhido por afetar significativamente o formato do perfil geométrico do cordão de solda (AGUIAR, 2010; PESSOA, 2009). Assim, foram adotados dois níveis: soldagem sem tecimento (ST) e soldagem com tecimento triangular (TT) que são os Níveis 1 e 2 respectivamente (Tabela 9). No tecimento triangular foi utilizada uma amplitude de 2 mm e um comprimento de 2 mm, como ilustra a Figura 38.

Figura 38 - Representação esquemática do tecimento triangular.

4.3.2.1.6 Técnica da Tocha (T.T)

Este parâmetro foi escolhido como fator de controle devido a sua influência significativa sobre o perfil geométrico do cordão de solda. Assim, foram adotados dois níveis (Tabela 9), no qual o Nível 1 é tocha com inclinação de 15º puxando, e o Nível 2 é tocha com inclinação de 15º empurrando. A Figura 39 ilustra estas duas posições descritas anteriormente.

Figura 39 - Posições da tocha.

Fonte: Elaborada pelo próprio autor.

4.3.2.1.7 Distancia bico de contato peça (DBCP)

Este parâmetro foi escolhido como fator de controle devido à sua influência significativa sobre a taxa de fusão do arame e consequentemente sobre o perfil geométrico do cordão de solda (GOMES, 2006). Desta forma, foram escolhidos dois valores de DBCP: 15 mm (Nível 1) e 25 mm (Nível 2), mostrados na Tabela 9.

Seleção da matriz ortogonal

Assim, com base no número de fatores de controle e no número de seus níveis, para realização dos ensaios nesta etapa, foi selecionada uma matriz L16 a qual é capaz de avaliar até 15 fatores de controle com 2 níveis em cada um deles. Contudo, nesta etapa do trabalho utilizou-se apenas 7 fatores de controle, fazendo com que haja uma duplicidade nos ensaios (combinação dos níveis dos fatores de controle) entre as linhas impares e as linhas pares como mostra a Tabela 11. Essa duplicidade das linhas não é prejudicial para a análise do método Taguchi, pois segundo PHADKE (1989) atua como uma repetição do ensaio, reduzindo os erros associados à medição e à previsão dos valores das variáveis reposta.

1 2

Tabela 11 - Ensaios realizados com a matriz L16

Ensaio Liga Gás _(kJ/mm) Energia Técnica de Energia

Tipo de

tecimento Técnica da Tocha DBCP (mm)

01 2 (2507) 2 (75%Ar +25%CO2) 1 (0,7) 2 (Tipo V) 1 ( ST) 1 (Puxando) 2 (25)

02 2 (2507) 2 (75%Ar +25%CO2) 1 (0,7) 2 (Tipo V) 1 ( ST) 1 (Puxando) 2 (25)

03 2 (2507) 2 (75%Ar +25%CO2) 1 (0,7) 1 (Tipo I) 2 (TT) 2 (Empurrando) 1 (15)

04 2 (2507) 2 (75%Ar +25%CO2) 1 (0,7) 1 (Tipo I) 2 (TT) 2 (Empurrando) 1 (15)

05 2 (2507) 1 (96%Ar + 4%CO2) 2 (2,0) 2 (Tipo V) 1 ( ST) 2 (Empurrando) 1 (15)

06 2 (2507) 1 (96%Ar + 4%CO2) 2 (2,0) 2 (Tipo V) 1 ( ST) 2 (Empurrando) 1 (15)

07 2 (2507) 1 (96%Ar + 4%CO2) 2 (2,0) 1 (Tipo I) 2 (TT) 1 (Puxando) 2 (25)

08 2 (2507) 1 (96%Ar + 4%CO2) 2 (2,0) 1 (Tipo I) 2 (TT) 1 (Puxando) 2 (25)

09 1 (2205) 2 (75%Ar +25%CO2) 2 (2,0) 2 (Tipo V) 2 (TT) 1 (Puxando) 1 (15)

10 1 (2205) 2 (75%Ar +25%CO2) 2 (2,0) 2 (Tipo V) 2 (TT) 1 (Puxando) 1 (15)

11 1 (2205) 2 (75%Ar +25%CO2) 2 (2,0) 1 (Tipo I) 1 ( ST) 2 (Empurrando) 2 (25)

12 1 (2205) 2 (75%Ar +25%CO2) 2 (2,0) 1 (Tipo I) 1 ( ST) 2 (Empurrando) 2 (25)

13 1 (2205) 1 (96%Ar + 4%CO2) 1 (0,7) 2 (Tipo V) 2 (TT) 2 (Empurrando) 2 (25)

14 1 (2205) 1 (96%Ar + 4%CO2) 1 (0,7) 2 (Tipo V) 2 (TT) 2 (Empurrando) 2 (25)

15 1 (2205) 1 (96%Ar + 4%CO2) 1 (0,7) 1 (Tipo I) 1 ( ST) 1 (Puxando) 1 (15)

16 1 (2205) 1 (96%Ar + 4%CO2) 1 (0,7) 1 (Tipo I) 1 ( ST) 1 (Puxando) 1 (15)

Fonte: Elaborada pelo próprio autor.

Seleção das variáveis respostas

Nos experimentos realizados na matriz L16, as variáveis respostas adotadas como critério de qualidade, para julgar se a combinação dos níveis dos fatores de controle é aceitável, são fundamentais para uma adequada soldagem multipasse de juntas e serão justificadas a seguir.

4.3.2.3.1 A razão entre o reforço e a largura (R/L)

A razão R/L do cordão de solda representa a convexidade do cordão de solda. Onde altos valores da razão R/L podem ocasionar defeitos como: concentrações de tensão no “pé” do cordão de solda, a falta de fusão e vazios entre os passes, os quais são indesejáveis nas soldagens multipasse de juntas. Por isso, este critério é do tipo “menor é melhor”.

4.3.2.3.2 Penetração

Nas soldagens multipasse de juntas, é necessário garantir que não haja defeitos como falta de fusão e falta de penetração. Portanto, a penetração do cordão de solda foi avaliada como sendo um problema do tipo “maior é melhor”.

4.3.2.3.3 Fração de ferrita

As excelentes propriedades mecânicas e de resistência à corrosão dos AIDs estão associadas a uma microestrutura balanceada. Porém, o rápido resfriamento durante a soldagem inibi ou dificulta a precipitação da austenita, favorecendo uma alta fração de ferrita. Deste modo, a fração de ferrita é um critério do tipo “menor é melhor” dentro da faixa de valores encontrada nesta etapa (Tabela 28).

4.3.2.3.4 Fração das inclusões

As inclusões não-metálicas afetam de forma significativa a tenacidade da ZF, pois uma maior quantidade de inclusões tende a reduzir a tenacidade da ZF. Consequentemente a fração das inclusões foi avaliada como um problema do tipo “menor é melhor”.

Preparação dos corpos de prova

Nesta atividade, os corpos de prova foram confeccionados e preparados para a soldagem descrita na atividade posterior. Os corpos de prova foram extraídos da direção de laminação das chapas do material de base como recebido e foram cortados utilizando a serra de fita nas seguintes dimensões 150x50x22 mm. Após a confecção, as amostras passaram por uma remoção da camada de óxido por esmerilhamento e uma posterior limpeza da superfície da amostra com acetona.

Realização das soldagens

Após a realização da atividade descrita anteriormente, procedeu-se as soldagens dos corpos de prova com processo arame tubular, as quais foram

realizadas na posição plana por simples deposição sobre chapas do AISD UNS S32750, com a fonte operando no modo de corrente constante e o eletrodo na polaridade positiva. A vazão do gás de proteção foi mantida constante em 20 l/min. O comprimento do arco também foi mantido constante em torno de 5 mm, através do uso do anteparo com fresta (Figura 33).

Análise macrográfica dos cordões de solda

Após as soldagens, as amostras foram escovadas para remoção da escória e em seguida fotografadas para registro e posterior análise do aspecto superficial e da seção transversal dos cordões de solda.

Preparação metalográfica

Nesta atividade retirou-se duas amostras com 10 mm de largura do centro de cada um dos cordões de solda, as quais foram utilizadas em todas as atividades posteriores realizadas nesta etapa. Já o procedimento de preparação foi idêntico ao descrito na seção 4.3.1.2.

Medição das características geométricas

Para revelação do perfil geométrico do cordão de solda foi feito um ataque eletrolítico utilizando uma solução aquosa de 40%HNO3 comuma tensão 1,1 V e uma

corrente de 1,0 A aplicados nas amostras durante de 20 segundos. Em seguida, as amostras foram fotografadas e tiveram a largura, o reforço e a penetração medidos através de um programa de análise de imagens.

Caracterização microestrutural

Procedimento idêntico ao descrito na seção 4.3.1.3.

Quantificação da fração de ferrita

Quantificação da fração das inclusões

Esta atividade consistiu na medição do percentual de inclusões de óxidos presentes nas ZFs nos ensaios da matriz L16. A preparação da superfície foi feita segundo a norma ASTM E768-99 e consistiu em um lixamento com lixas de 80 a 800 e um posterior polimento utilizando as pastas de diamante de 6, 3 e 1 µm. Por fim, as amostras não devem ser atacadas para obtenção das micrografias (ASTM, 1999). Já a quantificação e apresentação dos resultados foi feita com base na norma ASTM E1245-03 e de forma semelhante a relatada na seção 4.3.1.6. (ASTM, 2008).

Microdureza Vickers

Nesta etapa a avaliação da influência dos fatores de controle sobre as propriedades mecânicas dos cordões de solda foi realizada através de ensaios de microdureza Vickers feitas na ZF e na ZAC, cujos cordões foram previamente submetidos ao mesmo ataque químico descrito na identificação da microestrutura realizado na Etapa 1. A medição da microdureza foi realizada ao longo de uma linha vertical no centro do cordão de solda, partindo do topo do cordão de solda conforme mostra a Figura 40. Conforme recomendação da norma ASTM E384-11, os parâmetros utilizados para realizar as impressões foram: força de 0.98 N, tempo de impressão de 15 s e passo de 0,2 mm, (ASTM, 2011b).

Figura 40 - Representação esquemática da medição das microdurezas.

Influência do percentual de CO2 no gás de proteção sobre a

composição química da ZF

Devido aos elevados percentuais de CO2 nos gases de proteção e a

possibilidade de perda de elementos de liga por oxidação e adição de C na composição química da ZF dos cordões de solda, foram realizadas medidas de composição química através do espectrômetro de emissão ótica em dois ensaios soldados utilizando 96% Ar + 4% CO2 e 75% Ar + 25% CO2 como gases de proteção,

enquanto os demais fatores de controle foram mantidos constantes.