Influência da corrente e velocidade de soldagem nos defeitos

Esta etapa teve como objetivo avaliar qual a melhor faixa de energia para soldagem dos cordões com deposição de aço inoxidável superduplex, visando aplicações de revestimento. A aquisição de dados (tensão e corrente) foi realizada em todos os ensaios para verificar o aporte térmico para cada condição soldada. A tensão média do processo foi de 23 ±1,3 V, com pouca variação entre os cordões soldados. Na Figura 41 é mostrado o gráfico da tensão e corrente em relação ao tempo de soldagem em uma das condições soldadas.

Figura 41 - Oscilograma de tensão e corrente de soldagem para a condição Ens 02 (E = 16 kJ/cm). 3,00 3,02 3,04 3,06 3,08 3,10 3,12 3,14 3,16 3,18 3,20 70 80 90 100 110 120 130 140 3,00 3,02 3,04 3,06 3,08 3,10 3,12 3,14 3,16 3,18 3,20 20 22 24 26 28 30 C o rr en te ( A ) Tempo (s) T en sã o ( V )

Fonte: Próprio autor.

De acordo com as aquisições de sinais realizadas foi verificado que houve alteração significativa da tensão do arco elétrico de acordo com a variação da corrente de

soldagem. Na Tabela 15 são mostrados os principais parâmetros de soldagem utilizados, além das tensões médias e energia reais obtidas.

Tabela 15 – Parâmetros de soldagem para as condições soldadas em simples depósito.

Ensaio Velocidade (cm/min) Corrente (A) Tensão (V) Energia (kJ/cm) 01 9 75 23,5 12,0 02 9 100 23,6 16,0 03 9 150 25,3 25,7 04 6 100 23,7 24,3 05 12 100 24,1 12,2 06 7 85 21,1 15,8 07 7 110 21,9 20,9 08 7 155 24,0 32,3 09 5 110 21,6 32,2 10 9 110 22,4 16,8 11 8 80 21,0 13,0 12 8 120 22,4 20,5 13 8 160 23,9 28,9 14 6 120 22,8 27,8 15 12 120 22,8 13,9 16 8 80 21,5 13,3 17 8 110 21,7 18,2 18 8 143 25,5 27,8 19 6 110 23,8 26,6 20 11 110 24,1 14,7

Fonte: Próprio autor.

Um dos critérios de avaliação desta etapa foi o acabamento superficial dos corpos de prova soldados. Foi verificado que todos os cordões de solda apresentaram partículas não fundidas em maior abundância no final do cordão de solda em relação ao início, sendo uma característica nesta etapa do trabalho devido aos parâmetros utilizados (Figura 41). Isto ocorreu porque em alguns casos houve demora da abertura do arco principal, de modo que a saída de pó do bocal ocorre antes da abertura do arco principal, havendo um pouco de desperdício, não ocorrendo a fusão, pois estes não ficam localizados na região do arco. Este fenômeno ocorreu devido à oxidação interna do tubo. Outra justificativa é que quando a

interrupção da soldagem (arco principal) ocorre, o pó continua saindo dos orifícios de forma contínua, havendo um delay até cessar totalmente o fluxo de pó. Díaz et al. (2010) também observaram em muitos casos ao final da operação do revestimento, partículas de pó não fundidas aderidas nas laterais do revestimento.

Outra observação realizada foi que o aumento da energia de soldagem pela alteração da corrente de soldagem proporcionou aumento da oxidação (Figura 42). A oxidação está relacionada com a maior temperatura proveniente possivelmente da energia transferida à peça. Bond et al. (2005) também verificaram que valores de corrente do arco principal demasiadamente altas (cerca de 250 A) causaram maior oxidação sobre o cordão

Uma vez que o AISD possui tamanho de partículas pequeno, deve haver um limite em relação à faixa granulométrica, pois soldagens realizadas com elevada corrente acarretaram em cordões com elevada oxidação. A região oxidada pode vir a prejudicar passes posteriores, configurar um ambiente mais insalubre, gerar mais resíduos e contaminar a tocha e outros elementos do sistema, comprometendo o funcionamento e vida útil (SILVA, 2010).

Figura 42 - Partículas não fundidas no final do cordão de solda e oxidação na condição 13 (E = 28 kJ/cm, I = 160 A, Vs = 8 cm/min).

Fonte: Próprio autor.

Em relação ao acabamento superficial, Ribeiro (2007) também verificou em seu trabalho que para valores de corrente muito baixos, o calor gerado não é suficiente para fundir todo o pó injetado, ocorrendo partículas não fundidas. No entanto, os pós eram triturados, não sendo especiais para Plasma pó. Além disso, as partículas não fundidas eram internas ao cordão. O autor para eliminar tais partículas não fundidas dos depósitos preliminares, incrementou a energia de soldagem através do aumento da corrente de 100A para 160 A (mesmo patamar utilizado no presente trabalho), porém o aumento da energia não foi o suficiente para eliminar totalmente as partículas não fundidas, mas reduziu em média aproximadamente 65% a sua quantidade. Santos et al. (2003) também verificaram que o

oxidação

aumento da corrente de soldagem não foi suficiente para garantir fusão completa do pó e deve ser alvo de refinamento dos parâmetros de soldagem, sendo independente da boa ligação com o substrato. Balasubramanian et al (2009) verificaram que níveis de corrente abaixo de 150 A proporcionaram incompleta fusão do pó e falta de penetração na deposição de aço inoxidável 316L em aço carbono. Lakshminarayanan et al. (2008) verificaram na soldagem de deposição de liga de cobalto que níveis de corrente menores que 150 A apresentaram fusão incompleta do pó, situação similar ao que foi observado no presente trabalho.

Na Figura 43 é mostrada a foto superior e lateral do cordão de solda de uma condição soldada com 110 A, de modo que foi verificada uma quantidade relativamente alta de pós não fundidos ou semi fundidos no topo do cordão de solda. O aumento da corrente de soldagem para 155 A proporcionou uma redução significativa dos pós não fundidos, de modo que foi verificado uma relação importante entre a taxa de alimentação de pó e a intensidade de corrente (Figura 44). Os fatores determinantes para o comportamento térmico do pó em relação à fusão completa seriam, portanto, o tempo de permanência no arco, a trajetória do pó e as condições de troca de calor na poça metálica.

Figura 43 - Aspecto superficial do cordão para condição 7 (E = 22 kJ/cm, I = 110 A, Vs = 7 cm/min). a) Vista superior; b) Vista lateral; c) Vista lateral ampliada.

Fonte: Próprio autor.

a)

b)

Figura 44 - Aspecto superficial do cordão para condição 8 (E = 31 kJ/cm, I = 155 A, Vs = 7 cm/min). a) Vista superior; b) Vista lateral; c) Vista lateral ampliada.

Fonte: Próprio autor.

Outro aspecto que deve ser analisado é o ângulo de convergência elevado do bico constritor que é de 80° em relação à DBP utilizada que foi de 12 mm, sendo maior em relação aos bicos mais utilizados comercialmente (30 e 60 graus). Devido à esta característica, no arco voltaico é muito reduzido o tempo de contato, sendo portanto necessário absorver mais calor da massa líquida para a fusão completa do pó injetado. Ribeiro (2007) utilizou em seu trabalho bico constritor com ângulo de convergência de 30°, de modo que este não apresentou partículas não fundidas. Tal fato se explica em função do local de chegada das partículas. Nesse bocal, elas incidem praticamente no início do arco plasma e devido às altas temperaturas desenvolvidas pelo mesmo tendem a chegar fundida na poça de fusão. Quando o canal de convergência é de 30°, as partículas permanecem mais tempo no arco e chegam à poça mais quentes. Se o pó é direcionado diretamente na poça de fusão, esse apresenta menor temperatura e, assim retira mais calor da poça de fusão, podendo propiciar menor espessura da ZAC.

No entanto, existem trabalhos que relacionam resultados diferentes. Díaz et al. (2009) verificaram que o bico constritor de 30º permite a entrada de pó no arco plasma bem

a)

b)

próximo da face externa do bico constritor. Por outro lado, o bico constritor de 60º permite a entrada de pó diretamente na poça fundida, quando é utilizada uma DBP de 10 mm. O critério principal na avaliação do ângulo de convergência do bico constritor é a qualidade de depósito. Os corpos de prova soldados com ângulo de 30º resultaram em menor qualidade dos depósitos com presença de pós aderidos nas laterais dos cordões depositados, sendo um fator bastante dependente da eficiência de deposição. Vale salientar que Díaz utilizou bico constritor com 2 orifícios que altera a geometria do arco.

Apesar da observação de maior quantidade de partículas de pós não fundidos na utilização de bicos constritores de maior ângulo de convergência, isto não implica em maior eficiência de deposição, pois há outros fatores que influenciam neste aspecto. Díaz (2005) verificou que o processo apresentou uma eficiência de deposição na ordem do 87%, para o bico constritor de 30º e 97% para o bico constritor de 60º, sendo que os maiores rendimentos foram obtidos com elevadas correntes (180 A), independente da taxa de deposição. Lin (1999) observou que o processo Plasma pó apresentou uma eficiência de deposição na ordem de 87%, quando utilizado um bico constritor de 30º, de modo que as perdas ocorreram principalmente devido à vaporização das partículas e também à dispersão das partículas depois do choque com o substrato.

Vale salientar que não se pode sempre afirmar que o aumento da corrente de soldagem proporciona menor quantidade de pós não fundidos. O aumento da corrente pode resultar também em redução do tempo em que o pó fica no arco, recebendo calor deste (SILVA, 2010). A velocidade do pó é menor para maiores correntes ao longo do eixo do arco, e para a periferia isso se inverte (XIBAO et al., 2006). Maiores correntes resultariam em menor viscosidade (e menor velocidade das partículas) no centro do jato plasma, permitindo que o pó o atravessasse sem ser arrastado à poça. Ou seja, a magnitude do efeito compensatório pode depender também do projeto da tocha, quanto ao tipo e ângulo de injeção de pó, granulometria e velocidade de injeção das partículas (SILVA, 2010).

No presente estudo, foi verificado que as condições de soldagem do grupo I proporcionaram os melhores resultados em relação ao acabamento superficial dos cordões de solda, pois apresentaram boa homogeneidade e pouca quantidade de pó não fundido na superfície do metal de solda e nas laterais do cordão. As condições soldadas obtidas do grupo IV resultaram nos piores resultados em relação ao acabamento superficial, sendo que a condição mais crítica foi a de mais baixa energia com utilização da menor corrente de soldagem.

Dentre as alternativas para minimizar a quantidade de pó não fundido tem-se a redução da taxa de alimentação do pó ou variação da DBP que pode modificar o local de incidência do pó no arco plasma em regiões de mais elevada temperatura. O bico constritor utilizado neste trabalho proporciona ponto focal de 8,8 mm, sendo esta é a distância de encontro das partículas do pó em relação à face externa do bico constritor. Desta forma, a utilização de DBP maior que 8,8 mm acarretariam na injeção de pó acima da poça de fusão.

Na Figura 45 são mostrados os aspectos superficiais da pior condição soldada do grupo I.

Figura 45 - Aspecto superficial do cordão para condição 1 (E = 11,7 kJ/cm, I = 75 A, Vs = 9 cm/min). a) Vista superior; b) Vista lateral; c) Vista lateral ampliada.

Fonte: Próprio autor.

Na Figura 46 são mostradas fotos do aspecto superficial do cordão soldado na pior condição do grupo IV, cabe destacar que os cordões de solda deste grupo apresentaram os piores resultados em relação ao acabamento superficial. É observada grande quantidade de pó não fundido ao longo de todo cordão de solda e maior variação da geometria do cordão de solda. Também foram verificadas irregularidades, principalmente na largura e mordeduras ao longo do cordão de solda, sendo que as condições mais críticas ocorreram para menores valores de corrente e de velocidade de soldagem. Também são observadas escamas na

superfície, característica associada a uma maior turbulência na poça de fusão durante a solidificação do revestimento (MODENESI, 1985). As escamas são formadas quando a velocidade de solidificação não é suficiente para acompanhar a fonte de calor, ocorrendo a solidificação de uma porção mais afastada da poça de fusão. Com a ocorrência sucessiva deste fenômeno, formam-se ondulações denominadas escamas.

Os principais fatores que influenciam na velocidade de solidificação, para um dado material do substrato e espessura, são o modo e intensidade de corrente e a velocidade de soldagem, sendo que quanto maior a intensidade de corrente, menor a tendência à formação de escamas e quanto maior a velocidade de soldagem, maior esta tendência, devido à variação do aporte térmico, proporcionando mudança na viscosidade e fluidez (SANTOS, 2003). A condição 16 (E = 14 kJ/cm, I = 80 A e Vs = 8 cm/min) pode ter contribuído para maior rugosidade da superfície do cordão de solda devido à baixa corrente de soldagem. Ressalta-se que também foram observadas deflexões do arco durante a soldagem e uma maior variação de geometria ao longo do cordão (Figura 46). Díaz (2005) em seu trabalho verificou que a redução da velocidade de soldagem (10 cm/min) acarretou em severo desvio da linearidade do cordão, sendo resultado do sopro magnético. Há um limite inferior de velocidade de soldagem, para determinadas dimensões de peça e tipo de bico constritor, abaixo da qual acontece desvios no cordão de solda por sopro magnético (DÍAZ, 2005).

Figura 46 - Aspecto superficial do cordão para condição 16 (E = 14 kJ/cm, I = 80 A, Vs = 8 cm/min).

Em todas as condições de soldagem do grupo I foi observada a presença de falta de fusão e porosidades internas nos cordões de solda, com exceção da condição 3 (E = 23,5 kJ/cm, I = 150 A e Vs = 9 cm/min), soldada com a maior corrente de soldagem utilizada. Na condição de mais baixa energia, com menor nível de corrente foi observada falta de fusão nas laterais do cordão e ao longo da linha de fusão. Nas outras condições, a falta de fusão foi presente nas laterais do cordão de solda. Na Figura 47 são mostrados alguns defeitos existentes no grupo I, sendo este grupo o que possui os níveis mais baixos de energia, não sendo suficientes para eliminar tais defeitos.

Díaz (2005) verificou em seu trabalho que velocidades elevadas proporcionaram falta de fusão nas laterais do revestimento, o mesmo observado neste trabalho, já que o grupo I representa as condições com emprego de maiores velocidades de soldagem em relação aos outros grupos soldados. Velocidades de deslocamento da tocha muito elevadas causam defeitos no revestimento, principalmente trincas, porosidade e irregularidade superficial (TRIGUINHO, 2005). Balasubramanian et al. (2009) verificaram que soldagens com velocidades superiores a 21cm/min apresentaram falta de penetração.

Figura 47 - Defeitos na interface dos cordões de solda do grupo I. a) Condição 2 (E = 15,6 kJ/cm, I = 100 A, Vs = 9 cm/min; b) Condição 5 (E = 11, 7 kJ/cm, I = 100 A, Vs = 12 cm/min).

Fonte: Próprio autor.

Os grupos II e III apresentaram defeitos nas interfaces na condição de mais baixa energia com menor intensidade de corrente (Figura 48). A ocorrência de porosidade indica que esta intensidade de corrente foi suficiente somente para ocasionar fusão parcial do pó depositado.

Figura 48 - Defeitos na interface dos cordões de solda do grupo II e III. a) Condição 6 (E = 17 kJ/cm, I = 85 A, Vs = 7 cm/min) com falta de fusão; b) Condição 6 com presença de porosidade.

Fonte: Próprio autor.

Nos cordões de solda do grupo IV foram identificados defeitos nas condições de mais baixa energia (14 kJ/cm), ocasionados pela redução da corrente de soldagem ou pelo aumento da velocidade de soldagem, de modo que os defeitos foram mais preponderantes na condição de mais baixa corrente de soldagem (Figura 49). O processo Plasma pó, na maioria dos casos, possui como característica soldagens com baixas velocidades de soldagem, sendo que dependendo dos parâmetros pode contribuir para a maior quantidade de defeitos em relação à falta de fusão, pois acarreta em maior quantidade de material depositado por unidade de comprimento, ocasionando elevado reforço e largura e contribuindo para que maior parte da energia realize a fusão do pó.

Figura 49 -Defeitos na interface dos cordões de solda do grupo IV. a) Condição 16 (E = 14, I = 80 A, Vs = 8 cm/min) com falta de fusão nas laterais; b) Condição 20 (E = 14 I = 110 A, Vs = 11 cm/min) com porosidade.