2.3 Aspectos Metalúrgicos
2.3.2 O processo de Refusão
A refusão é um meio para a fragmentação dendrítica, levando a formação de uma estrutura de solidificação colunar – equiaxial (RETTENMAYR, 2009). Pode acontecer naturalmente, como no caso em que durante a solidificação de um metal, a convecção do líquido faz a refusão de braços dendríticos secundários, acarretando seu destacamento para o meio líquido. Isto poderá ocasionar nucleação de novos grãos, refinando a estrutura do material. Ou pode ser forçada, fazendo a fonte de calor passar sobre um metal já previamente fundido e solidificado. Em soldagem, pode acontecer os dois casos.
Durante a soldagem, a estrutura de solidificação dendrítica pode ser formada e, com alguma agitação da poça de fusão (convecção), o metal líquido molha o metal em solidificação refundindo-o, provocando a quebra de dendritas ou o destacamento de grãos da zona parcialmente fundida. Uma das maneiras de promover a agitação da poça de fusão é através da oscilação do arco. Esta oscilação pode ser realizada de forma eletromagnética ou ainda de forma mecânica, ou seja, vibrando a tocha de soldagem. Davies e Garland (apud KOU, 2003) produziram o refinamento de grãos do metal de solda na soldagem TIG da liga Al-2,5%Mg a partir da vibração da tocha. A resistência a propagação de trincas de solidificação foi aumentada nesta liga durante a sua soldagem. A fragmentação dendrítica foi proposta como o mecanismo para o refinamento da microestrutura da zona fundida. A Figura 2.44 mostra o efeito da amplitude de vibração da tocha sobre o tamanho dos grãos obtidos nas soldagens realizadas por Davies e Garland com o processo TIG. Nota-se através desta figura que o aumento da amplitude de vibração da tocha, longitudinalmente ou
transversalmente à direção de soldagem, promoveu a redução no tamanho dos grãos, refinando a estrutura de solidificação formada.
Figura 2.44 – Efeito da amplitude de vibração do arco sobre o tamanho dos grãos do metal de solda da liga Al-2,5Mg (KOU, 2003)
O processo de refusão pode ocorrer na soldagem com a utilização de corrente pulsada (SURESH et al., 2004
)
. A frequência de pulsação afeta a distribuição de temperatura na poça de fusão. As variações cíclicas de temperatura que ocorre na frente de solidificação devido à corrente pulsada podem causar a refusão e quebrar o crescimento das dendritas, favorecendo ao refino do metal de solda. Isto é auxiliado pela ação mecânica da turbulência da poça de fusão, trazendo fragmentos de dendritas a frente da interface os quais tornam sítios de nucleação heterogênea, a qual eventualmente quebra o crescimento colunar.Outros benefícios que o processo de refusão pode trazer para a solda está relacionado com a possibilidade de tratar termicamente uma região próxima à região que foi refundida. Isto é o que ocorre na soldagem multipasses, onde um passe refunde o anterior e promove uma recristalização dos grãos em função do seu aquecimento acima da temperatura de transformação do material por um determinado período (Figura 2.45). Furuya et al., avaliaram a tenacidade de soldas de aço produzidas com o processo MAG com gás de proteção CO2. Soldagens em simples passe e multipasses foram realizadas com os mesmos
níveis de energia de soldagem (2 kJ/mm e 4 kJ/mm). Como resultado, os autores verificaram que a tenacidade das soldas produzidas (utilizando a técnica multipasses) não sofreu mudança significativa em comparação à tenacidade do metal de base, mesmo aumentando a energia de soldagem. O mesmo não ocorreu para as soldagens em simples passe, pois a tenacidade foi fortemente reduzida. Eles justificaram o melhor resultado obtido na soldagem multipasses pela recristalização ocorrida no metal de solda devido ao
reaquecimento da região fundida. Outros trabalhos (por exemplo, ALBUQUERQUE et al., 2003) têm mostrado resultados similares, ou seja, apontam a importância da aplicação da técnica multipasse durante a soldagem para melhorar a tenacidade do metal de solda, através do processo de recristalização de grãos.
Figura 2.45 – Efeito da soldagem multipasses sobre a microestrutura do metal de solda (AWS, 1992)
Silva, et al. (2001) investigaram a aplicação de uma técnica variante da técnica de dupla camada na soldagem de tubulações de aço 5%Cr e 0,5% Mo. Esta técnica consistiu na refusão da última camada do metal de solda depositado com o processo Eletrodo Revestido (soldagem multipasses), a partir da soldagem TIG autógeno. A finalidade foi reduzir a extensão da ZTA com grãos grosseiros (ZTA-GG) observada sempre na última camada e, ainda, reduzir o nível de dureza nesta região. Inicialmente, soldagens com o processo TIG autógeno foram realizadas com diferentes correntes (160 A à 230 A) sobre cordões depositados com o processo Eletrodo Revestido. Por macrografia, foram medidas as extensões da ZTA com grãos finos (ZTA-GF) para as diferentes correntes. Os autores escolheram as correntes de 190 A e 200 A para realizar o passe de revenimento na junta soldada da tubulação, por acreditarem que a ZTA-GF (obtida com refusão pelo processo TIG) poderia revenir totalmente a ZTA-GG do último passe. Nesta técnica, a ideia foi aplicar o passe de revenimento com energia de soldagem de forma decrescente. Por isso, aplicou- se primeiro o passe TIG com 200 A e, em seguida, com 190 A. Os autores conseguiram reduzir a dureza da ZTA-GG para valores abaixo de 330 Vickers (a máxima recomendada era de 350 Vickers), menor do que os 400 Vickers, geralmente obtidos quando não se aplica a refusão na última camada.
A refusão também pode ser utilizada para conseguir um endurecimento da superfície do material, deixando-o mais resistente ao desgaste (ADAMIAK, 2007; ADAMIAK, 2009 e
BOCHNOWSKI, 2009). Adamiak (2009), em seu trabalho, utilizou o processo de soldagem TIG para refundir a superfície de placas de aço (C15, C45, C90U). Durante os ensaios, ele variou a corrente e a velocidade de soldagem (a corrente foi variada em 50 A, 100 A, 200 A e 300 A e a velocidade de soldagem em 20 cm/min, 40 cm/min, 60 cm/min e 80 cm/min). Após as soldagens, amostras retiradas das placas foram submetidas ao ensaio de desgaste. Ele observou que todas as amostras que sofreram refusão com o processo TIG apresentaram uma maior resistência ao desgaste em relação aquelas que não foram submetidas ao processo de refusão. Isto porque com a refusão a arco elétrico TIG, o resfriamento da poça de fusão é rápido e, desse modo, a superfície obtida é mais dura. Observou ainda que este aumento da dureza está ligado com a melhor combinação das variáveis estudadas, ou seja, da seleção correta da corrente e velocidade de soldagem. Os melhores resultados foram conseguidos para uma corrente de 100 A.
Bochnowski (2010), também utilizou a soldagem TIG para realizar a refusão de placas de teste de aço ferramenta com 1,18% de carbono (C120U). Durante os testes, ele também procurou variar a corrente de soldagem em vários níveis (60 A, 80A, 100 A e 110 A). Foi verificado que o aumento da corrente propiciou em uma maior profundidade da área refundida, porém, houve uma redução da dureza superficial. De acordo com o autor isto ocorreu em função da redução da taxa de esfriamento. Os maiores níveis de dureza superficial foram obtidos quando foram utilizadas as correntes de 60 A e 80 A. Isto foi justificado pela presença da martensita, em função da maior taxa de esfriamento. Os menores níveis de dureza foram encontrados com as correntes de 100 A e 110 A. Neste caso, foi observado a presença da bainita inferior, que tem menor dureza em relação a martensita.
Sun et al. (2003) avaliaram o efeito da refusão na soldagem de aços duplex (40% ferrita e 60% austenita). Eles utilizaram a combinação entre os processos de soldagem Plasma e TIG. A tocha a arco plasma iniciava a soldagem. Logo em seguida, o cordão produzido por arco plasma era imediatamente refundido por outro arco elétrico, de uma tocha TIG. A distância entre as duas tochas foi modificada durante os experimentos (25 mm, 30 mm e 35 mm). A corrente utilizada na soldagem TIG também foi alterada (60 A, 90 A e 120 A). Os efeitos destas variáveis sobre a microestrutura e a resistência a corrosão do metal de solda foram observados. Os resultados mostraram, inicialmente, que a refusão realizada pelo arco TIG permitiu melhorar a geometria dos cordões produzidos com o arco Plasma (sem a utilização do arco TIG houve o surgimento de mordeduras no cordão, e com a utilização do arco TIG, ou seja, refusão do metal solidificado, este defeito foi eliminado). Em seguida, eles observaram que a taxa de corrosão dos cordões refundidos foi aumentada após a soldagem em relação ao metal de base. Porém, houve condições em que esta taxa aumentou pouco,
sem afetar a integridade da solda. Os melhores resultados foram encontrados para um comprimento entre tochas de 25 mm e correntes de 80 A e 120 A. A tendência desta taxa foi aumentar com o aumento da distância entre as tochas e diminuir com o aumento da corrente. Eles justificaram tal resultado com a taxa de esfriamento dos cordões refundidos. Para menores distâncias entre tocha e maiores correntes, a taxa de esfriamento foi reduzida. Assim, houve um tempo maior para a transformação da ferrita de primeira fase para austenita, garantindo um balanço aproximado de 40% ferrita e 60% austenita na região refundida.