UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE ENGENHARIA CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA
HENRIQUE MIGUEL CUNHA
CARACTERIZAÇÃO DE JUNTAS SOLDADAS DE AÇOS CARBONO E AÇOS INOXIDÁVEIS UTILIZANDO ARAME AWS E309L T1-1.
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
HENRIQUE MIGUEL CUNHA
CARACTERIZAÇÃO DE JUNTAS SOLDADAS DE AÇOS CARBONO
E AÇOS INOXIDÁVEIS UTILIZANDO ARAME AWS E309L T1-1.
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira – UNESP como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Especialidade: Materiais e Processos de Fabricação.
Nome do orientador
Prof. Dr. Vicente Afonso Ventrella
Dedico este trabalho aos meus pais e familiares, colegas e amigos, pela compreensão,
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Prof. Dr. Vicente Afonso Ventrella, pela orientação, ensinamentos, dedicação e paciência ao longo da execução deste trabalho.
Ao técnico Marino Teixeira Caetano, Darci Alves Ribeiro e Diego de Alcântara pela atenção e auxílio nos serviços prestados durante a parte prática deste trabalho.
À empresa “VOITH HYDROPOWER” pela doação dos materiais inoxidáveis
martensíticos, utilizados neste trabalho.
À empresa “WELDING - inspeções, engenharia e análise de materiais” pela liberação da utilização das dependências dos laboratórios da empresa, para executar análises laboratoriais.
“A persistência é o menor caminho do êxito”.
RESUMO
A aplicação do Arame Tubular E309L, nos processos de fabricação, apresenta grandes vantagens entre os consumíveis. Além de proporcionar propriedades mecânicas favoráveis à união por soldagem, esse consumível pode ser utilizado em aços carbono, aços inoxidáveis e dissimilares. Por essas razões, constantemente encontramos esse arame especificado nos procedimentos de soldagem nos setores fabris. Esse arame é também o mais utilizado na fabricação das novas turbinas de usinas hidrelétricas, como é o caso das turbinas Francis que estão sendo instaladas na Usina de Belo Monte localizado no rio Xingu em Altamira/PA. Este trabalho visou caracterizar o aço inoxidável Martensítico ASTM A743 CA6NM utilizado nas pás das turbinas hidráulicas, o aço inoxidável austenítico SA 316 e aço carbono A-36, ambos utilizados em equipamentos fabris em geral. Dessa forma, analisou-se o comportamento desses diferentes metais de base quando submetidos ao processo de união por soldagem utilizando o Arame Tubular E309L e proteção gasosa com a mistura C-25 (25% CO2 + 75% Argônio). Utilizou-se chapas dissimilares (Aço Carbono e Aço Inoxidável Austenítico) com 10 mm de espessura e chapas de aços
inoxidáveis martensíticos com espessura de 6 mm, chanfros em “V”, ângulo de bisel de 30o, nariz e abertura de raiz de 3,0 mm. Foram estudados tanto o metal de solda quanto a zona termicamente afetada através de análises metalográficas, ensaios de tração, ensaios de impacto charpy e ensaios de dureza Vickers, nos quais foram possíveis verificar que a utilização do arame E309L T1-1 nas condições citadas foram satisfatórias, apresentando cordão de solda e ZTA com elevada resistência à tração, presença de microconstituintes como Bainita e ferrita delta, promovendo a ocorrência de elevada tenacidade nessas regiões.
ABSTRACT
Application of Shield Bright E309L in manufacturing processes, has high advantages among consumables. Besides providing mechanical properties favorable to joining by welding, the consumable can be used in carbon steels, stainless steels and dissimilar steels. For these reasons, constantly we find the E309L specified in the welding procedures used in industry today. This Shield Bright is also the most used in the manufacture of new turbines of hydroelectric power plants, as is the case of Francis turbine being installed in the Belo Monte Dam on the Xingu River located in Altamira / PA - Brazil. This study aimed to characterize the martensitic stainless steel ASTM A743 CA6NM used in the blades of hydraulic turbines, the austenitic stainless steel SA 316 and carbon steel A-36, both used in industrial equipment in general. Thus, we analyzed the behavior of these different base metals when subjected to the joining process by welding using the Shield Bright E309L and using a shielding gas of C-25 mixture (25% CO2 + 75% Argon). It was used dissimilar plates (carbon steel and austenitic stainless steel) with 10 mm steel thickness and martensitic stainless plates with a thickness of 6 mm, bevel groove “V” with angle of 30°, root face and root gap of 3,0 mm. We analyzed all regions of the metal plate through metallographic analysis, tensile tests, Charpy impact tests and Vickers hardness tests, in which they were possible to verify that the use of the Shield Bright E309L were satisfactory in the regions, featuring high tensile strength, presence of microconstituents (bainite and ferrite delta), providing high tenacity in these regions.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Aplicação do A-36 na indústria naval ... 27
Figura 2. Diagrama Ferro-Cementita ... 29
Figura 3. Aplicação do aço A743 CA6NM na fabricação de turbinas hidráulicas ... 32
Figura 4. Diagrama de Schaeffler ... 35
Figura 5. Principais aços inoxidáveis austeníticos ... 36
Figura 6. Gráfico Tensão x Temperatura - SA 240 316. ... 38
Figura 7. Perfis de temperatura em diferentes pontos de uma junta soldada. ... 39
Figura 8. Representação da ZTA de acordo com a distribuição de temperatura. ... 41
Figura 9. Diagrama TTT genérico. ... 42
Figura 10. Diagrama ITT para um aço Eutetoide (C = 0,8%) ... 42
Figura 11. Diagrama de Schaeffler em materiais dissimilares... 46
Figura 12. Processo de soldagem à arco por Arame Tubular ... 48
Figura 13. Classificação AWS 5.22 ... 52
Figura 14. Consumível E309L . ... 53
Figura 15. Arame Tubular E309L utilizado na fabricação de Turbinas Hidráulicas. .. 54
Figura 16. Junta MM - Martensítico/Martensítico. ... 56
Figura 17. Junta AC – Inoxidável/Carbono. ... 56
Figura 18. Disposição do chanfro para o procedimento de soldagem. ... 57
Figura 19. Usinagem dos chanfros nos metais de base. ... 58
Figura 20. Dimensões requeridas para o reforço de solda. ... 59
Figura 21. Aço Martensítico A743 CA6NM soldado com arame tubular E309L ... 59
Figura 22. Chapa A-36 e SA 316 soldadas com o Arame Tubular E309L ... 60
Figura 23. Arame Tubular AWS E309L-T1 ... 60
Figura 24. Fonte Trifásica Powertec “LINCOLN ELETRIC” ... 61
Figura 25. Estereomicroscópio ZEISS, modelo DISCOVERY V.8 ... 62
Figura 26. Macrografia da secção transversal da junta da amostra AC. ... 62
Figura 27. Micrografia da secção transversal das juntas das amostras MM e AC. .. 63
Figura 28. Esquema representativo das medidas de microdreza. ... 64
Figura 29. Ultramicrodurômetro digital Shimadzu, modelo DUH 211S. ... 64
Figura 30. Corpo de Prova – Ensaio de Tração ... 65
Figura 32. Máquina de ensaio de tração ... 66
Figura 33. Corpo de Prova padrão - Ensaio de Impacto Charpy. ... 66
Figura 34. Confecção do entalhe para ensaio de impacto Charpy ... 67
Figura 35. Orientação do entalhe dos CP`s ... 67
Figura 36. Equipamento para Ensaio Mecânico Charpy ... 68
Figura 37. Corpo de Prova Charpy - Entalhe na região da solda. ... 68
Figura 38.Corpo de Prova Charpy - Entalhe na região da ZTA. ... 69
Figura 39. Corpo de Prova Charpy - Entalhe na região do Metal de Base. ... 69
Figura 40. Layout de Impressões de Dureza... 70
Figura 41. Ultramicrodurômetro digital Shimadzu - DUH 211S ... 71
Figura 42. Amostra MM ... 71
Figura 43. Amostra AC ... 71
Figura 44. Gráfico representativo das durezas - Amostra MM ... 73
Figura 45. Gráfico representativo das durezas - Amostra AC – Linha Superior ... 74
Figura 46. Gráfico representativo das durezas - Amostra AC – Linha Inferior ... 74
Figura 47. Sobreposição dos Gráficos de Dureza - Amostra AC ... 75
Figura 48. Gráfico dos dados do Ensaio de Tração da Amostra MM. ... 77
Figura 49.Gráfico dos dados do Ensaio de Tração da Amostra AC. ... 78
Figura 50. Gráfico do ensaio de Impacto Charpy - Amostra MM. ... 81
Figura 51. Gráfico do ensaio de Impacto Charpy - Amostra AC. ... 82
Figura 52. Imagens do Ensaio Macrográfico - Amostra MM... 84
Figura 53. Imagens Micrográficas do Metal Base A743 CA6NM ... 85
Figura 54. Imagens Micrográficas do Metal de Adição E309L T1-1 ... 85
Figura 55. Imagens Micrográficas da ZTA (A743 CA6NM x E309L T1-1) ... 86
Figura 56. Imagens do Ensaio Macrográfico - Amostra AC. ... 87
Figura 57. Imagens Micrográficas do Metal Base A-36 ... 88
Figura 58. Imagens Micrográficas da ZTA (SA 36 x E309L T1-1) ... 88
Figura 59. Imagens Micrográficas do Metal de Adição E309L T1-1 ... 89
Figura 60. Imagens Micrográficas da ZTA (E309L T1-1 x AISI 316) ... 89
Figura 61. Imagens Micrográficas do Metal Base AISI - 316 ... 90
Figura 62. Microscópio Eletrônico de Varredura - ZEISS ... 91
Figura 63. Amostra MM – M.B. ASTM A743 CA6NM. Espectro EDS gerado. ... 91
Figura 64. Amostra MM – ZTA. Espectro EDS gerado. ... 91
Figura 66. Amostra AC – M.B. ASTM A 36. Espectro EDS gerado. ... 93
Figura 67. Amostra AC – ZTA (A-36/E309L T1-1). Espectro EDS gerado. ... 93
Figura 68. Amostra AC – M.A. E309L T1-1. Espectro EDS gerado. ... 94
Figura 69. Amostra AC – ZTA (E309L T1-1/A-316). Espectro EDS gerado. ... 94
Figura 70. Amostra AC – M.B. AISI 316. Espectro EDS gerado. ... 95
Figura 71. Medição de dureza Vickers no Metal Base ASTM A743 CA6NM ... 105
Figura 72. Medição de dureza Vickers na ZTA (ASTM A743 CA6NM) ... 105
Figura 73. Medição de dureza Vickers no M.A. E309L T1-1 ... 105
Figura 74. Medição de dureza Vickers no Metal Base ASTM A-36 ... 106
Figura 75. Medição de dureza Vickers na ZTA (A-36 x E309L T1-1) ... 107
Figura 76. Medição de dureza Vickers no M.A. E309L T1-1 ... 107
Figura 77. Medição de dureza Vickers na ZTA (A-316 x E309L T1-1) ... 108
Figura 78. Medição de dureza Vickers no M.B. AISI 316 ... 108
Figura 79. Corpos de Prova Amostra MM - Após ruptura por tração ... 109
Figura 80. Corpos de Prova Amostra MM - Após ruptura por tração ... 109
Figura 81. Detalhe ampliado de Falha de Fabricação detectado - Amostra MM. .... 110
Figura 82. Corpos de Prova Amostra AC - Após ruptura por tração ... 110
Figura 83. Corpos de Prova da Amostra AC após ensaio de Tração ... 110
Figura 84. Detalhe Ampliado da região da Fratura - Amostra AC. ... 111
Figura 85. ASTM A743 CA6NM - ZTA's ... 112
Figura 86. ASTM A743 CA6NM - MB (Metal Base) ... 112
Figura 87. ASTM A743 CA6NM - Cordão de Solda (MA - E309L T1-1) ... 113
Figura 88. SA 316 / A36 - Cordão de Solda (MA- E309L T1-1)... 113
Figura 89. SA 316 / A36 - ZTA ( Região do SA 316). ... 114
Figura 90. SA 316 / A36 - ZTA (Região do A 36). ... 114
Figura 91. SA 316 - MB (Metal Base) ... 115
Figura 92. A 36 - MB (Metal Base) ... 115
Figura 93. Imagem Micrográfica A – MB - A743 CA6NM ... 116
Figura 94. Imagem Micrográfica B - MB - A743 CA6NM ... 117
Figura 95. Imagem Micrográfica A - MA - E309L T1-1 ... 117
Figura 96. Imagem Micrográfica B - MA - E309L T1-1 ... 117
Figura 97. Imagem Micrográfica - ZTA - A743 CA6NM x E309L T1-1 ... 118
Figura 98.Imagem Micrográfica A - MB - A- 36 ... 119
Figura 100. Imagem Micrográfica - ZTA - A-36 x E309L T1-1 ... 120
Figura 101. Imagem Micrográfica A- ZTA – AISI 316 x E309L T1-1 ... 121
Figura 102. Imagem Micrográfica B- ZTA – AISI 316 x E309L T1-1 ... 121
Figura 103. Imagem Micrográfica A - MB - AISI-316 ... 122
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Composição Química do A-36 ... 27
Tabela 2. Propriedades de Tração do A-36 ... 27
Tabela 3. Característica dos Materiais de acordo com o ASME – SA 36. ... 28
Tabela 4. Máximas tensões admissíveis de acordo com o ASME. ... 29
Tabela 5. Composição Química do A743 CA6NM ... 33
Tabela 6: Propriedades Mecânicas do ASTM A743 CA6NM. ... 33
Tabela 7: Composição Química do AISI 316 ... 37
Tabela 8: Características dos Materiais de acordo com o ASME - AISI 316. ... 37
Tabela 9. Máximas tensões admissíveis de acordo com o ASME - AISI 316. ... 38
Tabela 10. Propriedades Mecânicas do AISI 316 (UNS S31600). ... 38
Tabela 11. Grau de soldabilidade de alguns metais ... 44
Tabela 12. Classificação da soldabilidade em relação ao Carbono Equivalente... 45
Tabela 13. Especificação das juntas. ... 55
Tabela 14 - Perfis de Solda ... 58
Tabela 15. Ensaio de Microdureza Vickers Amostra MM ... 72
Tabela 16. Ensaio de Microdureza Vickers Amostra AC ... 73
Tabela 19. Dados do Ensaio de Impacto Charpy - Amostra MM. ... 80
Tabela 20. Dados do Ensaio de Impacto Charpy - Amostra AC. ... 82
Tabela 21. Dados do ensaio Macrográfico - Amostra MM. ... 84
Tabela 22. Dados do ensaio Micrográfico - Amostra MM. ... 84
Tabela 23. Dados do ensaio Macrográfico - Amostra AC. ... 86
Tabela 24. Dados do ensaio Micrográfico - Amostra AC. ... 87
Tabela 25. Composição Química dos elementos de liga para a Amostra MM ... 91
LISTA DE QUADROS
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACI Alloy Casting Institute
ASME American Society of Mechanical Engineers ASTM American Standards of Testing and Materials AWS American Welding Society
CCC Cúbica de Corpo Centrado
CE Carbono Equivalente
CFC Cúbica de Face Centrada EDS Sistema de Energia Dispersiva ERT Estaleiro Rio Tietê
FCAW Flux-cored arc welding GMAW Gas Metal Arc Welding
HB Dureza Brinell
HV Dureza Vickers
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia IIW International Institute of Welding
MA Metal de Adição
MAG Metal Active Gas
MB Metal de Base
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura MIG Metal Inert Gas
OAC Organismo de Avaliação de Conformidade OCP Organismo Certificador de Produtos
SBAC Sistema Brasileiro de Avaliação de Conformidade TCC Tetragonal de Corpo Centrado
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 19
2 OBJETIVOS ... 21
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22
3.1 Histórico ... 22
3.2 Soldagem ... 23
3.3 Metais e Ligas Metálicas ... 24
3.4 Aço Carbono ... 25
3.4.1 Aço Carbono ASTM - A36 ... 26
3.4.2 Diagrama Fe-C ... 29
3.5 Aço Inoxidável ... 30
3.5.1 Aço Inoxidável Martensítico ... 31
3.5.2 Aço Inoxidável Austenítico ... 33
3.6 Ciclo Térmico e Microestrutura das regiões soldadas ... 39
3.7 Diagrama TTT ... 41
3.8 Soldabilidade ... 43
3.9 Soldagem em Materiais Dissimilares ... 45
3.10 Soldagem por Arame Tubular (FCAW) ... 47
3.10.1 Arames Tubulares tipo “Metal Cored”... 49
3.10.2Arames Tubulares tipo Rutílico ... 49
3.11 Consumíveis de Soldagem ... 50
3.11.1 Arame Tubular E 309L T 1-1 ... 52
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 55
4.1 Materiais ... 55
4.2 Soldagem das amostras ... 60
4.3 Confecção dos corpos de prova ... 61
4.3.1 Ensaios Metalográficos ... 61
4.3.2 Ensaio mecânico de Dureza Vickers ... 63
4.3.3 Ensaio Mecânico de Tração ... 64
4.3.4 Ensaio Mecânico de Impacto Charpy ... 66
5 RESULTADOS ... 70
5.1.1 Amostra MM ... 72
5.1.2 Amostra AC ... 73
5.2 Tração ... 76
5.2.1 Amostra MM ... 76
5.2.2 Amostra AC ... 78
5.3 Impacto Charpy ... 79
5.3.1 Amostra MM ... 80
5.3.2 Amostra AC ... 82
5.4 Metalografia ... 83
5.4.1 Amostra MM ... 84
5.4.2 Amostra AC ... 86
5.5 Ensaio EDS - Sistema de Energia Dispersiva ... 90
5.1.1 Amostra MM ... 91
5.1.2 Amostra AC ... 92
6 CONCLUSÃO ... 96
REFERENCIAS ... 99
APÊNDICE A – Indentações de Microdureza Vickers nos CP’s ... 105
APÊNDICE B – Corpos de Prova Tracionados. ... 109
APÊNDICE C – Corpos de Prova do Ensaio de Impacto Charpy. ... 112
1 INTRODUÇÃO
Os sistemas de produção continuamente vêm sendo desenvolvidos e aperfeiçoados de forma a atender as demandas dos mercados consumidores. Oliveira, Vieira e Luna (2014).
A retração da economia, aumentos nos impostos, corte de subsídios, necessidade de ampliação de mercado e evolução tecnológica, concorrência, entre outros, tem motivado empresas a buscar maneiras de baratear os custos finais de produção espontaneamente ou compulsoriamente, no entanto, sem afetar a qualidade final dos produtos. Alguns fatores como: Investimentos em automação, minimização de custos, alterações de portfólio, minimização de estoques e substituição de materiais, são técnicas eficientes de uma boa administração a fim de superar uma economia enfraquecida. (INSTITUTO DE ESTUDOS FINANCEIROS - IEF, 2016).
Falhas em componentes mecânicos, afeta diretamente a produção industrial, proporcionando a redução ou até mesmo a interrupção da cadeia produtiva, diminuindo lucros e aumentando custos. Dessa forma, conforme cita Costa (2013), torna-se necessário o desenvolvimento de estudos de projeto dos equipamentos, atrelado às atividades de manutenção de maneira eficaz ao processo produtivo.
Equipamentos como turbinas de hidrelétricas, caldeiras e geradores, quando ocorrem falhas, além de aumentar os gastos com atividades de manutenções, reduzem o lucro devido à parada e consequentemente diminuição de geração de energia (DORJI; GHOMASHCHI, 2014). Outros componentes são merecedores de destaque, devido suas importâncias na economia do país, tais como:
- Industria Naval: Segundo Oliveira, Vieira e Luna (2014), cerca de 96% do total de exportações e 88% das importações feitas no país são através de navios (nacionais e internacionais);
- Setores Sucroenergético: Segundo a Federação das Indústrias do Estado de São Paulo – FIESP (2016), representa em torno de 58% do PIB agrícola do país;
Diante desse fato surgiu o interesse de estudos apresentado neste trabalho, no qual serão analisados componentes soldados utilizados em turbinas de hidrelétricas e componentes soldados em veículos da indústria naval e equipamentos utilizados no ramo Sucroalcooleiro.
O foco principal de estudos será o Arame Tubular E309L, o qual vem sendo utilizado de forma substancial nos setores fabris como consumível de soldagem.
Esse consumível permite a realização da soldagem em todas as posições, possibilidade de soldar aços inoxidáveis de diversos tipos (austeníticos e martensíticos) como também soldar aços carbono e dissimilares, além de propiciar propriedades mecânicas favoráveis, resistência à corrosão e ao desgaste no cordão de solda. (ESAB, 2013)
O produto final da soldagem com esse consumível apresenta boas características mecânicas, que na maioria das vezes dispensa o processo de tratamento térmico de alívio de tensões pós-soldagem, minimizando ainda mais o custo final do produto, pois dessa forma, dispensa a utilização de fornos e de meios logísticos para deslocamento do produto até o forno.
Encontra-se, atualmente, poucas bibliografias referente à utilização do Arame E309 L T1-1, algumas restritas às condições específicas. Este trabalho visou levantar dados gerais, necessários para analisar o processo de união de chapas de aços distintos e com isso estudar o comportamento da solda e a influência nas demais regiões dos metais base.
O desenvolvimento deste trabalho obteve informações referentes ao processo de união por soldagem utilizando o Arame Tubular E309L, em dois tipos de aplicação distinta:
- O primeiro aplicado em metais de base ASTM A743 CA6NM (aço inoxidável martensítico) utilizado em pás, rotores e componentes de turbinas hidrelétricas ;
2 OBJETIVOS
Caracterizar as diversas regiões das chapas metálicas de Aço Carbono Estrutural A-36, Aço Inoxidável Martensítico A743 CA6NM e Aço Inoxidável Austenítico AISI-316, soldadas com o Arame Tubular E309L. Foram realizados, para tal finalidade, ensaios de dureza, impacto charpy, tração, análises metalográficas e ensaio de espectroscopia por energia dispersiva. Com isso, determinou-se as propriedades resultantes da união no cordão de Solda, nas Zonas Termicamente
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Histórico
Não há um documento histórico que confirme a data e o local exato em que os primeiros processos de fabricação por soldagem foram utilizados, contudo, estima-se que por volta de 3000 a.C os Egípcios utilizaram-se da técnica para confecção de jóias em ouro, da mesma forma, existe por exemplo, no Museu do Louvre, um pingente de ouro com indicações de ter sido soldado e que foi fabricado na Pérsia, por volta de 4000 a.C, (MODENESI; MARQUES, 2006). Segundo Bracarense, Modenesi e Marques (2009), a próxima época que se tem dados sobre o processo de soldagem é entre os séculos V a XV, no qual surgiram os operários
especializados na técnica de forjamento com martelo, conhecidos como “ferreiros”.
Os métodos perduraram até o início do século XIX, no qual em 1887, Nicolas Bernardos na Inglaterra, desenvolveu e patenteou o processo de soldagem a arco elétrico entre o metal-base e um eletrodo de carvão, utilizando-se de um metal de adição em forma de vareta (TUDO SOBRE SOLDA, 2015). Após esse período, em 1900, A. P. Strohmenger introduziu pela primeira vez o eletrodo metálico revestido, a utilização da cal como revestimento permitiu maior estabilidade do arco, tornando o processo bastante popular durante esse período (BRACARENSE; MODENES; MARQUES, 2009).
Na idade média, a soldagem foi utilizada na fabricação de armas e outros instrumentos cortantes, uma vez que o ferro era obtido por redução direta e usufruía de uma baixa quantidade de carbono em sua composição, inviabilizando o seu endurecimento por tempera, o aço com um teor elevado de carbono era incorporado através tiras com o processo de soldagem às ferramentas, na região de corte, e endurecidas por têmpera (MODENESI; MARQUES, 2006).
Com o fim da Primeira Guerra Mundial e o advento da corrente alternada, diversos métodos de soldagem foram desenvolvidos, contudo basicamente utilizaram-se dois processos no início da industrialização: o processo a arco elétrico com eletrodo revestido (solda elétrica) e o processo oxigás (solda oxiacetilênica).
Atualmente, mais de 50 processos são usados industrialmente, incluindo os desenvolvimentos mais recentes como o processo de solda à laser, de acordo com a American Welding Society (AWS).
3.2 Soldagem
Um dos métodos, de processos de fabricação, usualmente encontrado em grande escala nas indústrias consiste no processo de Soldagem. O mesmo pode ser considerado o método mais importante no processo de união de metais em escala atômica, como também, no processo de recuperação de peças metálicas (peças desgastadas ou com necessidade de inclusão de revestimento com características especiais) ou até mesmo no processo de corte de materiais metálicos, de acordo comBracarense, Modenesi e Marques (2009).
A soldagem tem sua aplicação em vários ramos industriais. Diante da enorme relevância do assunto, entender os processos de soldagem e os fatores que influenciam esses, tem importância impar na qualidade do produto final e custo do mesmo.
Os processos de soldagem são classificados em três grupos, de acordo com Okumura e Taniguchi (1982):
- Por fusão (fase líquida-líquida) no qual a energia é aplicada com a finalidade de produzir calor e fundir o material de base. Ex: Arame tubular, laser, eletrodos e outros;
- Brasagem (fase sólida-líquida). Embora alguns autores considerem a soldagem por brasagem um subitem da soldagem por fusão, esse processo, diferentemente da soldagem por fusão, não funde o metal-base. O processo tem a finalidade de liquefazer o metal de adição, que irá aderir aos materiais a serem unidos. O processo de brasagem é obtido exclusivamente pelo processo de capilaridade, no qual o metal de adição irá preencher os vazios entre as superfícies a serem brasadas.
3.3 Metais e Ligas Metálicas
Os metais são oriundos de reservas naturais de minérios encontrados na crosta terrestre. Há dois tipos de minérios, segundo Marques, Modenesi e Bracarense (2005), os ferrosos e os não ferrosos. O metal com alto teor de Ferro em sua composição química é denominado ferroso, da mesma forma, a recíproca é verdadeira denominando os não-ferrosos. Devido a grande quantidade de Ferro encontrado na natureza, esse elemento constitui uma grande importância e grande empregabilidade nos processos de fabricação.
Os Metais são divididos em 2 grupos:
Aço Carbono
Ferrosos Aço-liga
Aço Inoxidável
Ferro Fundido
Alumínio
Bronze
Não ferrosos Latão Cobre
Antimônio
O trabalho em questão tem como principal material os ferrosos, com isso, trataremos com maior ênfase esses.
3.4 Aço Carbono
De acordo com Weiss (2010), o aço carbono é resultante da combinação de ferro e carbono. A porcentagem de cada elemento na composição final definirá as propriedades do material.
O minério de ferro contido na composição do aço carbono, na maioria das vezes é constituído, através dos alto-fornos. A utilização desses fornos permite a redução do óxido de ferro para ferro metálico e remove as impurezas do metal. Os elementos reduzidos incorporam a massa de ferro e os elementos oxidados dissolvem-se na escória. O metal proveniente do alto forno denomina-se ferro gusa, este é submetido a reduções subsequentes nos elementos para a produção do aço. A sequência se prossegue com o refino do aço e purificação nas lingoteiras em ferro fundido (FORTES, 2005).
Segundo, Telles (1979) os aços carbonos podem ser distinguidos basicamente pelas suas características e aplicabilidade:
- Aços Baixo Carbono (até 0,20 % C). Ex: A 285 Gr.A, A 106 Gr. A, A 178 (tubos para caldeiras);
- Aços Médio Carbono para temperaturas elevadas (até 0,35 % C). Ex: A 515 Gr 60 ou 70, A 106 Gr. B ou C;
- Aços Médio Carbono para baixas temperaturas (aprox. 0,23% C). Ex: A 516 Gr 60 ou 70;
- Aços estruturais, destinados à construção de estruturas metálicas. Ex: A36, A131 (estrutural para Navios), A-283 Gr.C;
- Aços-carbono de alta resistência.
A melhor combinação de resistência e tenacidade em relação à microestrutura desses aços é a martensita revenida. Essa combinação garantida através do emprego de tratamentos de têmpera seguido do revenimento.
3.4.1 Aço Carbono ASTM - A36
Colpaert (2008) relata que a especificação ASTM A36 é a manifestação mais clássica dos aços estruturais. Estes aços são classificados como aços de médio a baixo carbono (C<0,25%) ligados ao manganês, com teores de fósforo e enxofre controlados. Possuem as seguintes propriedades:
- Tensão de escoamento elevada;
- Elevada Tenacidade;
- Boa Soldabilidade;
- Ductilidade e Homogeneidade;
- Baixo Custo
Figura 1 - Aplicação do A-36 na indústria naval
Fonte: Próprio Autor.
A tabela 1 descreve as porcentagens dos elementos químicos requeridos para o material A-36 de acordo com a geometria do mesmo e a tabela 2 descreve as propriedades mecânicas do material, ambas segundo Norma ASME (American Society of Mechanical Engineers).
Tabela 1 - Composição Química do A-36
Carbono [%] Manganês [%] Fósforo [%] Enxofre [%] Silício
[%] Cobre [%]
0,25 0,80 – 1,20 0,04 0,05 0,40 0,20
Fonte: ASME II (2003)
Tabela 2 - Propriedades de Tração do A-36 Resistência à Tração [MPa] 400 – 550
Tensão de Escoamento [MPa] 250
Alongamento em 50 mm [%] 20
De acordo com o código ASME – Seção II, a tabela 3, ilustra as informações classificatórias do A-36, quanto ao tipo, UNS (Unified Numbering System), P-number e G-number.
Tabela 3 - Característica dos Materiais de acordo com o ASME – SA 36.
Composição Nominal
Forma do
Produto
Spec. no UNS no P no G no
Aço Carbono Chapas ASTM A-36 K02600 1 1
Fonte: ASME II (2013)
Seguindo o mesmo código, a tabela 4 ilustra as máximas tensões admissíveis para o material A-36, variando-se a temperatura.
Algumas entidades utilizam uma classificação de materiais conhecida como números P e G, tabela 3. O código ASME, por exemplo, utiliza essa nomenclatura para definir materiais de acordo com suas características químicas e mecânicas. É extremamente utilizada, na determinação dos consumíveis de soldagem, detalhados no ASME Section IX, permitindo reduzir a quantidade de procedimentos de soldagem para materiais de base distintos, porém com características químicas e mecânicas semelhantes.
O termo P-number, refere-se segundo o ASME, a variação da composição química do material. Por exemplo:
- P nº1: Metais Carbono – Manganês (SA-106, SA-285, SA-178);
- P nº4: Metais 1 ¼ Cromo – ½ Molibdênio (SA-335 P11, SA-213 T11);
- P nº5A: 2 ½ Cromo – 1 Molibdênio (SA-335 P22, SA-213 T22);
- P nº8: Metais Austeniticos (SA-240 304, SA-240 316);
Tabela 4 - Máximas tensões admissíveis de acordo com o ASME. Tensões Máximas Admissíveis [MPa] versus Temperatura do Metal [oC] [oC] 40 65 100 125 150 200 300 350 375 400
[MPa] 114 114 114 114 114 114 114 114 105 - Fonte: ASME II (2013). Modificado
3.4.2 Diagrama Fe-C
As fases de equilíbrio de um aço carbono à temperatura ambiente são o Ferro (Fe) e a grafita (C). No entanto, durante a produção do aço, a solidificação e o resfriamento são muito rápidos para que o equilíbrio termodinâmico seja alcançado, formando-se uma fase metaestável chamada cementita no lugar da grafita (SILVA e MEI, 2013).A figura 2ilustra o diagrama de fase Carbono-Cementita.
Figura 2 - Diagrama Ferro-Cementita
As fases constituintes são:
Ferrita (α): Estrutura CCC (Cúbica de Corpo Centrado), existente até 912 oC, com solubilidade de Carbono de no máximo 0,02 % à 727 oC;
Austenita (γ): Estrutura CFC (Cúbica de face Centrada), existente entre 727 e 1495 oC, solubilidade de Carbono de no máximo 2,11% a 1148 oC;
Ferrita (δ): Estrutura CCC, existente entre 1394 e 1538 oC em sua forma estável, com solubilidade de Carbono de no máximo 0,09 % a 1495 oC;
Cementita (Fe3C): Estrutura Ortorrômbica de alta dureza, existe até 1147 oC
3.5 Aço Inoxidável
Segundo Colpaert (2008), aços com teores de Cromo (Cr) superiores à 12%, apresentam grande resistência à oxidação e corrosão e são comumente designados como aços inoxidáveis. Possuem também propriedades mecânicas favoráveis à temperaturas elevadas e boa tenacidade.
O Cr é o principal elemento responsável pela resistência à corrosão nos aços inoxidáveis, fato esse devido ao elemento ser menos nobre que o Fe nas séries eletroquímicas. A maior afinidade entre o Oxigênio e Cromo, permite a formação de uma camada apassivadora de Óxido de Cromo, atuando como uma proteção invisível, contínua, impermeável e aderente (CRESPO, 2014).
Os aços inoxidáveis são agrupados em cinco categorias, de acordo com Colpaert (2008).
- Martensíticos;
- Ferríticos;
- Austeníticos;
- Dúplex (ferríticos-austeníticos);
3.5.1 Aço Inoxidável Martensítico
Em sua essência são ligas Fe-Cr-C com teores de Cromo entre 10,5 a 18%, com capacidade de transformar a Austenita em Martensita em praticamente quase todas velocidades de resfriamento. A estrutura cristalina originada na condição endurecida (Martensita) é tetragonal de corpo centrado (TCC). (PEREIRA, 2000).
Crespo (2014) define que o elevado teor de liga nesses aços propicia uma elevada temperabilidade nos mesmos. Define ainda, que a resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico tende a ser inferior quando comparada aos outros tipos, remetendo uma moderada resistência à corrosão e uma elevada resistência mecânica a esses aços.
A adição de Níquel aumenta a tenacidade dos aços martensíticos, esse estabiliza a austenita podendo resultar em aços martensítico-ferríticos ou martensítico-austeníticos. A adição de Molibdênio aumenta a resistência à corrosão (SILVA; MEI, 2013).
As aplicabilidades desses aços são comumente em: Indústrias alimentícias, químicas, petroquímicas, de máquinas, geração de energia e outras.
3.5.1.1 Aço Inoxidável Martensítico ASTM A743 CA 6NM
Com mera semelhança ao aço S41500, o ASTM A743 é o aço inoxidável fundido com teor de carbono de 0,06% e Cromo de 12%. A adição de níquel e molibdênio reduz a ocorrência de defeitos como: trincas a quente, inclusões, segregação e microrechupes. (MARTINS, 2015).
Os aços inoxidáveis fundidos são classificados pela Alloy Casting Institute (ACI). O termo CA 6NM segundo esta classificação refere-se:
- A primeira letra (“C”) indica resistência à corrosão;
- A segunda letra indica o valor nominal de níquel (variando de A à Z);
- As últimas letras indicam a presença de elementos de liga, neste caso níquel (N) e molibdênio (M)
O aumento da porcentagem do teor de Carbono confere ao aço maior dureza, contudo sacrifica a tenacidade e soldabilidade do mesmo.
O ASTM A 743 CA6NM, possui aplicações típicas em Palhetas e Coroas para turbinas hidráulicas, componentes da indústria petroquímica e outros (MARTINS, 2015).
A Figura 3 ilustra uma aplicação do aço A 743 CA6NM na fabricação de turbinas hidráulicas.
Figura 3 - Aplicação do aço A743 CA6NM na fabricação de turbinas hidráulicas
A tabela 5 representa as porcentagens dos elementos químicos presentes na composição do aço e a tabela 6 representa as propriedades mecânicas do aço.
Tabela 5 - Composição Química do A743 CA6NM Carbono
[%] Manganês [%] Fósforo [%] Enxofre [%] Silício [%] Cromo [%] Molibdênio [%] Níquel [%] 0,06 1,00 0,04 0,03 1,00 11,5 – 14,0 0,40 – 1,00 3,50
Fonte: ASTM A743 (2006).
Tabela 6 - Propriedades Mecânicas do ASTM A743 CA6NM.
Resistência à Tração [MPa] 750
Tensão de Escoamento [MPa] 550
Alongamento em 50 mm [%] 15
Fonte: ASTM A743 (2006).
Esta Norma define ainda que, para a classe CA6NM dos aços A743, a dureza é em torno de 285 HB. Cita também, que para essa classe de aços, a utilização de pré-aquecimento nos processos de soldagem não é requerida, contudo se acordado entre o fabricante e o comprador, em certas aplicações pode-se utilizar da técnica.
3.5.2 Aço Inoxidável Austenítico
São, de acordo com Colpaert (2008), os aços inoxidáveis mais comuns entre todos os tipos. Caracterizados por elevada resistência à corrosão, tenacidade, boa soldabilidade e não-magnetização. Por serem austeníticos, outra característica importante é o não endurecimento por tratamentos térmicos. A adição de Níquel e outros estabilizadores, como o manganês, permite à estrutura austenítica (CFC) a estabilidade a temperatura ambiente.
Alguns aços austeníticos, apresentam em sua composição micro estrutural a presença de ferrita delta, tornando neste caso, o componente fracamente magnético, ao invés de não magnética conforme informado nas características acima citadas para aço inoxidável austenítico.
introdução do níquel melhora consideravelmente as resistências à corrosão e a oxidação a altas temperaturas, formando a camada de óxido que protege o aço espontaneamente. Devido a menor disponibilidade de níquel (elevado custo), uma certa quantidade (cerca de 4%) do Níquel na composição química é substituída por outros elementos com tendência austenitizantes, como o Manganês e o Nitrogênio (CHIAVERINI, 1996).
Alguns elementos de ligas são incorporados à composição química do aço, como por exemplo: A adição de Silício tem a finalidade de favorecer a resistência a corrosão; A adição de Molibidênio (acima de 2%) aumenta a resistência a corrosão por pites. Além disso, a redução do teor de Carbono (Low Carbon), por exemplo os aços 304L e 316L, diminui a susceptibilidade à corrosão intergranular. (PADILHA; GUEDES, 1996).
Segundo Colpaert (2008), o tratamento térmico normalmente utilizado nos aços inoxidáveis austeníticos é o de solubilização, para dissolver carbonetos nocivos à resistência à corrosão. A disposição e o tamanho dos grãos austeníticos não são afetados por esse tratamento, a não ser que o material tenha sido submetido a trabalho a frio.
Figura 4 - Diagrama de Schaeffler. Regiões de composição química das diferentes famílias indicadas. Constituíntes A=Austenita, M= Martensita e F=Ferrita
Fonte: Andrade (2006)
De acordo com diagrama, observa-se que é possível ter composições dentro da região em que alguma ferrita está presente, implicando a presença de uma fração de ferrita delta na microestrutura.
As determinações do Cromo e Níquel equivalentes são através das equações 1 e 2 (SILVA; MEI, 2013).
����= %�� + , %�� + % (1)
��� = % � + 3 %� + % + , % + %�� + %� (2)
O diagrama permite ainda, prever a microestrutura da Zona fundida no processo de soldagem.
Outro problema no processo de solidificação de aços inoxidáveis austeníticos, segundo Shankar (2003), são as trincas a quente, oriundas de segregação de elementos, como Enxofre, Boro, Fósforo e Silício, presentes na estrutura cristalina, com baixo ponto de fusão, fazendo com que essa impureza seja arrastada no processo de solidificação até a última região à se solidificar, podendo promover a possível fissura do material devido a relação de tensões e resistência mecânica do mesmo. A figura 5 ilustra os principais aços inoxidáveis austeníticos.
Figura 5 - Principais aços inoxidáveis austeníticos derivados do AISI 302
3.5.2.1 Aço Inoxidável Austenítico AISI 316
O AISI 316, segundo Silva e Mei (2013), contém até 0,08% de Carbono, uma quantidade de Cromo em torno de 17%, de Níquel em 12% e Molibdênio em 2,5% em sua composição química diretriz. Possui como aplicações específicas: Componentes de tubulações, equipamentos hospitalares, trocadores de calor, equipamentos de indústria química, petroquímica, farmacêuticas, alimentícias e celulose, além de peças para construção mecânica. Essas aplicações são equivalentes para o aço AISI 304, contudo se restringe ao AISI 316, peças para construção Naval, devido a sua maior resistência a corrosão.
A composição química definida pelo ASME, para esse aço austenítico, demonstra pequenas variações nas composições, tabela 7.
Tabela 7 - Composição Química do AISI 316 Carbono
[%] Manganês [%] Fósforo [%] Enxofre [%] Silício [%] Cromo [%] Molibdênio [%] Níquel [%] 0,08 2,00 0,04 0,03 0,75 16,0 – 18,0 2,00 – 3,00 10,0 – 14,0
Fonte: ASME II (2003)
De acordo com o código ASME – Seção II, a tabela 8, ilustra as informações classificatórias do AISI-316, quanto ao tipo, UNS, P-Number e G-Number.
Tabela 8 - Características dos Materiais de acordo com o ASME - SA 240 316 (AISI 316).
Nominal Composition
Product
Form Spec. n
o Type UNS no P no G no
16 Cr-12Ni-2Mo Plate SA-240 316 S31600 8 1
Fonte: ASME II (2013)
Tabela 9 - Máximas tensões admissíveis de acordo com o ASME – SA 240 316 (AISI 316).
Tensões Máximas Admissíveis [MPa] versus Temperatura do Metal [oC]
[oC] 40 65 100 125 150 200 300 350 375 400 450 600 650 [MPa] 138 128 118 112 107 99.2 88.1 84.1 82.9 82 80.6 75.4 -
Fonte: ASME II (2013)
Figura 6 - Gráfico Tensão x Temperatura - SA 240 316.
Fonte: ASME II (2013)
As Propriedades Mecânicas do AISI 316, de acordo com o ASME II (2003), são descritas na tabela 10.
Tabela 10 - Propriedades Mecânicas do AISI 316 (UNS S31600).
Resistência à Tração [MPa] 515
Tensão de Escoamento [MPa] 205
Alongamento em 50 mm [%] 40
Fonte: ASME II (2013)
3.6 Ciclo Térmico e Microestrutura das regiões soldadas
O deslocamento de uma fonte de calor ao longo de um material gera variações de temperatura com o tempo, em cada ponto da peça (COLPAERT, 2008). O primeiro modelo matemático para solucionar esse problema, foi proposto por Rosenthal, nesse modelo o campo de temperaturas em torno da fonte se mantém constante, com isso, obtêm-se perfis de temperatura em função do tempo para cada ponto do material, figura 7 (VELICHKO et al., 2008, citado por COLPAERT, 2008).
Figura 7 - Perfis de temperatura em diferentes pontos de uma junta soldada.
Fonte: COLPAERT (2008).
� =
η. V. I
�
(3)Onde:
E = energia de soldagem;
η = eficiência térmica do processo;
V = tensão do arco (Volts);
I = corrente elétrica (Amperes);
ϑ = velocidade de soldagem (mm/s)
De acordo com Pinto (2009), uma elevada energia de soldagem, tende a favorecer a precipitação de austenita, devido ao fato da taxa de resfriamento tender a ser menor. Pode também favorecer a precipitação de fases intermetálicas e o crescimento de grão. Já uma baixa energia de soldagem, dificulta a precipitação da austenita, pelo fato da taxa de resfriamento ser maior, podendo neste caso produzir uma certa quantidade de ferrita na composição.
Figura 8 - Representação da zona termicamente afetada (ZTA) de acordo com a distribuição de temperatura.
Fonte: COLPAERT (2008). 3.7 Diagrama TTT
No processo de resfriamento de um aço, submetido à temperatura de astenitização, esse apresentará à temperatura ambiente uma ou mais fases em sua composição (Ferrita, Perlita e Cementita). Porém quando o resfriamento ocorrer de forma intensiva, ou seja, um resfriamento acelerado a partir do campo austenítico, constituintes metaestáveis poderão formar-se como a Bainita e a Martensita. (SILVA e MEI, 2013).
No diagrama Fe-C, ilustrado na figura 2, a formação da Bainita e Martensita não são previstos, com isso para essa finalidade utiliza-se as curvas TTT (temperatura, tempo e transformação), figura 9.
Figura 9 - Diagrama TTT genérico.
Fonte: Adaptado de Callister (2002)
A partir de um campo austenítico, ao resfriar uma amostra, há transformações de fase da mesma. Durante esse processo de transformação, há uma variação progressiva de volume, detectada pelo dilatômetro. Quando a transformação cessa, o comprimento da amostra mantem-se estável, não sofrendo variações. Registrando os dados obtidos para essa variação térmica, repete-se o procedimento para outra temperatura de resfriamento e assim é levantado um banco de dados sobre aquela amostra. Lembrando que, neste caso de levantamento das curvas TTT, a temperatura de resfriamento é mantida em um valor constante, chamada de Isothermal Time Transformation (ITT), figura 10. (SILVA; MEI, 2013)
Figura 10 - Diagrama ITT para um aço Eutetoide (C = 0,8%)
Fonte: Silva e Mei (2013).
irreversíveis. Com isso, a martensita só é formada se houver austenita disponível. A transformação da martensita inicia-se na linha Mi e tem sua reação completada quando a temperatura for inferior à linha Mf. Os patamares das linhas Mi e Mf são influenciados pelo teor de carbono na composição do material, quanto maior o teor de carbono, menor é a temperatura de início da formação de martensita. (SILVA; MEI, 2013).
Analogamente ao processo isotérmico de transformação, nos processos industriais, costuma-se utilizar com frequência um resfriamento contínuo não isotérmico. Esse processo denominado Continuous Cooling Transformation (CCT) utiliza-se também o dilatômetro. A amostra austenitizada é submetida a uma taxa de resfriamento em oC por minuto e então é analisado a inclinação da curva do comprimento obtida. Na medida que essa inclinação sofre variações, representa a transformação na amostra, até que a mesma não sofra mais variações, indicando que a transformação se cessou (SILVA; MEI, 2013).
3.8 Soldabilidade
AWS D1.1/D1.1M (2010), define soldabilidade como a capacidade de um material a ser soldado, baseando-se em normas e códigos de fabricação, garantindo um desempenho satisfatório ao serviço pretendido.
Propriedades de fabricação como a soldabilidade devem ser consideradas importantes na seleção de materiais metálicos, pois a escolha do material influenciará na viabilidade técnica e econômica, adequação do processo e adequação do material base e de adição no projeto de engenharia.
Tabela 11 - Grau de soldabilidade de alguns metais
Material Grau de Soldabilidade
Excelente Boa Regular Ruim
Aço baixo teor de carbono
Aço médio carbono
Aço alto carbono
Aço Inoxidável
Aços-liga
Ferro fundido cinzento
Ferro fundido maleável e
nodular
Ferro fundido branco
Ligas de alumínio
Ligas de Cobre
Fonte: Weiss (2010).
A soldabilidade de um aço pode ser estimada por um índice chamado de Carbono Equivalente (CE), que relaciona a composição química do aço com a tendência de apresentar estruturas frágeis quando submetido ao processo de soldagem. A ABNT – NBR 7007 ressalta ainda, que a soldabilidade dos aços não depende somente da composição química do material, mas também de condições de soldagem, projeto, forma e medidas.
O cálculo do Carbono Equivalente, além da soldabilidade, permite avaliar a temperabilidade do aço, pois quanto maior o CE, maior a ocorrência de martensita e, portanto, maior temperabilidade.
pelo International Institute of Welding (IIW), também utilizada pela norma brasileira ABNT – NBR 7007 e pela norma Petrobras N-0133.
���= %� +% +%�� + % + %�+% + %�� (4)
A classificação do grau de soldabilidade é expressa pela tabela 12.
Tabela 12 - Classificação da soldabilidade em relação ao Carbono Equivalente
��� Soldabilidade
< 0,40 Boa
0,40 ≤ ��� ≤ 0,60 Médiana
��� > 0,60 Ruim
Fonte: Fortes (2005)
3.9 Soldagem em Materiais Dissimilares
O termo dissimilar tem como conceito, segundo Michaelis (2008), algo com diferente gênero ou espécie, algo heterogêneo. Materiais dissimilares, analogamente, são caracterizados como materiais diferentes, com composições químicas distintas.
Denver (2015) descreve que as soldas nesses materiais dissimilares, são amplamente utilizadas em juntas envolvendo carbono, aços inoxidáveis e ligas metálicas em ambientes com temperaturas elevadas, indústrias químicas e petroquímicas, plantas de geração de energia nuclear ou de combustíveis fósseis, entre outras. A utilização de metais diferentes permite minimizar custos e adquirir propriedades mecânicas favoráveis.
O principal método de soldagem em materiais dissimilares é pelo processo de fusão, porém pode-se unir os metais por pressão, difusão, explosão, fricção e brasagem.
O metal de adição neste processo de soldagem deve-se ser escolhido de tal forma que a composição química do mesmo resulte em uma microestrutura do metal de solda diluído favorável. O diagrama de Schaeffler, figura 4, permite prever a microestrutura da zona fundida.
Quando tratamos de um processo que apresenta dois materiais de base distintos devemos inserir os respectivos pontos de ambos no diagrama de Schaeffler. Traça-se uma reta interligando tais pontos. Nesse segmento de reta determinamos o ponto médio, que representa um grau de fusão equivalente para ambos os metais de base.
A figura 12 ilustra um exemplo representativo do processo de soldagem de materiais dissimilares: Um aço macio (baixo teor de carbono) e um aço inoxidável austenítico SA 304 como materiais de base e um consumível do tipo E309 com um grau de diluição em 25%.
Figura 11 - Diagrama de Schaeffler em materiais dissimilares.
O diagrama permite determinar aproximadamente um total de 4% de ferrita no metal de solda diluído.
3.10 Soldagem por Arame Tubular (FCAW)
O processo de soldagem por arame tubular a arco elétrico utiliza o calor gerado no arco para a fusão do metal e do eletrodo, este se apresenta de forma contínua como metal de adição. Nesse processo de soldagem é utilizada uma proteção por meio de um fluxo interno ao arame, podendo usufruir ou não de uma proteção adicional de gás externo. (AWS D1-1/D1.1M, 2010).
O fluxo interno ao arame tem a finalidade de proteger o arco elétrico de contaminação atmosférica e pode atuar como desoxidante através da escória formada no processo, também podendo acrescentar elementos de liga ao metal de solda e estabilizar o arco (MAINARDI, 2013).
Segundo a AWS D1-1/D1.1M (2010), há dois tipos de soldagem por arame tubular: O auto protegido (FCAW-S) e o com proteção gasosa (FCAW-G). No auto protegido a proteção do metal fundido é exclusivamente feita pelo fluxo contido no interior do arame. No com proteção gasosa, a proteção é realizada com o fornecimento externo de um gás ou de uma mistura de gases em adição à ação do fluxo do eletrodo. Esse gás pode ser constituído de forma inerte (Argônio, Hélio) ou ativo (dióxido de carbono) ou uma mistura de ambos.
Figura 12 - Processo de soldagem à arco por Arame Tubular com proteção gasosa.
Fonte: Fortes (2004).
O processo de soldagem por arame tubular assemelha-se ao processo GMAW (MIG/MAG) quanto à utilização dos equipamentos e princípios de funcionamento, diferenciando pelo eletrodo que consiste em um tubo metálico preenchido pelo fluxo.
As altas taxas de deposição atingidas por esse processo é uma das principais vantagens quando comparadas ao processo GMAW e processo SMAW (eletrodos revestidos) (HÖHN, 2010).
Marques, Modenesi e Bracarense (2005), define as principais vantagens e limitações do processo de soldagem por arame tubular.
Vantagens:
- Elevada produtividade e eficiência;
- Soldagem em todas as posições;
- Alta taxa de deposição;
Limitações:
- Equipamento relativamente caro;
- Pode gerar elevada quantidade de fumos;
- Necessidade de limpeza após a soldagem.
Ventrella (2004) reforça ainda, que uma grande vantagem na utilização do arame tubular ao invés de eletrodo revestido na indústria naval, consiste na sua baixa susceptibilidade à falta de fusão.
Uma das características importantes dos arames tubulares é a possibilidade da utilização de eletrodos com grandes extensões (distância entre o bico de contato da tocha e a peça), entre 19 a 95 mm. Esse aumento na extensão propicia um aumento na resistência ao calor do arame, podendo reduzir a corrente de soldagem, diminuindo então o calor no processo de fusão do metal base, produzindo uma solda estreita e rasa (AWS D1.1/D1.1M, 2010).
3.10.1 Arames Tubulares tipo “Metal Cored”
Barbedo (2011) citando Bauné e Bonnet (2000) descreve que esses, são arames com um fluxo metálico interno, possuem a finalidade de unir o metal de solda com os elementos no interior do eletrodo e com isso aumentar a interação do material depositado na solda e também atuar como componente desoxidante.
A velocidade de fusão do arame tubular tipo Metal Cored apresenta valores próximos à de arames maciços (STARLING; MODENESI; BORBA, 2011).
3.10.2 Arames Tubulares tipo Rutílico
O nome é dado a esses arames, pois os fluxos utilizados nos mesmos contêm grandes quantidades de óxido de titânio (rutila) e alguns silicatos. Fluxos básicos contêm quantidades significativas de carbonato de cálcio (calcário) e fluoreto de cálcio (fluorita).
3.11 Consumíveis de Soldagem
No processo de fabricação por soldagem, os consumíveis são todos os elementos adicionados, utilizados na deposição ou proteção do cordão de solda. Escolhidos de forma a obter a melhor qualidade no cordão de solda, destacando-se alguns fatores a ser analisado no processo de seleção dos mesmos, tais como: energia de soldagem, geometria do metal-base e chanfros, espessura do cordão de solda, qualificação do soldador e a posição de soldagem, grau de proteção necessária e outros (WEISS, 2010).
Os principais consumíveis são:
Eletrodos;
Varetas;
Anéis consumíveis;
Gases;
Fluxos;
Segundo a norma Petrobras N-1859 (2005), os consumíveis aplicados no Brasil devem ser certificados pelo Organismo Certificador de Produtos (OCP) como Organismo de Avaliação de Conformidade (OAC) acreditado pelo INMETRO no âmbito do Sistema Brasileiro de Avaliação de Conformidade (SBAC). Em casos de consumíveis não certificados há a necessidade da requalificação do procedimento de soldagem.
A norma Petrobras N-0133 (2000) cita que eletrodos revestidos, eletrodos nus, eletrodos tubulares, varetas e fluxos na embalagem original devem ser armazenados em prateleiras em estufas com as seguintes condições:
- Temperatura acima de 10oC acima da temperatura ambiente (limite mínimo igual de 20oC e limite máximo de 40oC);
- Umidade relativa do ar equivalente a no máximo 50%;
- Quando o próprio fabricante indica uma temperatura e umidade relativa para armazenamento desses consumíveis, essas informações do fabricante devem ser respeitadas.
Na operação de soldagem em campo, utiliza-se de estufas portáteis no
armazenamento dos consumíveis, chamada de “Cochicho”. Em eletrodos de
revestimento básico, segundo a norma Petrobras N-0133 (2000), devem ser mantidos entre 80oC e 150oC
As normas AWS são amplamente utilizadas para especificar os consumíveis de soldagem. Na classificação dos eletrodos revestidos, por exemplo, essas normas utilizam uma série de números e letras que representam diversas informações sobre o eletrodo. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005).
No processo de soldagem com arame maciço, não há produção de escória e a produção da poça de fusão é dependente do gás de proteção. Já no processo de soldagem por arame tubular, o fluxo interno ao arame contém elementos desoxidantes que auxiliam na proteção e estabilidade do arco, podendo conter elementos de liga em sua composição (BARBEDO, 2011). No entanto, vale ressaltar que essa proteção com o fluxo pode não produzir o volume necessário de gases para a proteção total da poça de fusão, necessitando da utilização de gás adicional de proteção.
De acordo com Joaquim (2015), a classificação dos tipos de arames tubulares, são baseadas na norma AWS e distintas em três categorias:
- AWS A 5.20 (para aços carbono-manganês);
- AWS A 5.22 (refere-se a aços inoxidáveis).
Figura 13. Classificação AWS 5.22
Fonte: ESAB - Catálogo de Consumíveis (2015).
3.11.1 Arame Tubular E 309L T 1-1
Figura 14 - Consumível E309L para soldagem em arame tubular com gás de proteção.
Fonte: Adaptado de ESAB (2015)
Figura 15 - Arame Tubular E309L utilizado na fabricação de Turbinas Hidráulicas.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
A seguir estão descritos os materiais utilizados no presente trabalho, bem como os métodos utilizados na confecção dos corpos de provas e os ensaios mecânicos aplicados.
4.1 Materiais
Os metais de base (MB) utilizados para a confecção das juntas soldadas foram chapas de aço carbono ASTM A-36 e chapas de aço inoxidável austenítico AISI-316, ambas com 10 mm de espessura e chapas de aço inoxidável martensítico ASTM A743 CA6NM, com 6 mm de espessura.
Como metal de adição foi utilizado o Arame Tubular AWS E309L T1-1, com dimensão de bitola de 1,2 mm, produzido pela empresa EUTECTIC BRASIL LTDA.
Como gás de proteção utilizou-se a mistura C-25 da White Martins, 25% de CO2 (Gás Ativo) e 75% de argônio (Gás inerte), com vazão de 15 l/min.
O processo de união utilizado foi a Soldagem por Arame Tubular – FCAW, através de uma fonte Trifásica Powertec, da empresa “LINCOLN ELETRIC”, figura
24.
As juntas foram dispostas conforme a tabela 13. As figuras 16 e 17 ilustram, respectivamente, a junta martensítico/martensítico, denominada MM e a junta aço inoxidável/aço carbono, denominada AC.
Tabela 13 - Especificação das juntas.
Amostra Metal de Base Metal de adição Metal de Base
MM A743 CA6NM E-309L T1-1 A743 CA6NM
AC AISI-316 E-309L T1-1 A-36
Figura 16 - Junta MM - Martensítico/Martensítico.
Fonte: Próprio autor.
Figura 17 - Junta AC – Inoxidável/Carbono.
Fonte: Próprio autor.
Quadro 1 - Detalhes de Junta de Solda em Chanfro pré-qualificado de CJP. (Dimensões em polegadas).
Fonte: AWS D1.1 (2010)
Segundo essa Norma, no processo de soldagem com Arame Tubular (FCAW), as dimensões recomendadas quanto ao tamanho da abertura de raiz variam de 0 a 3 mm, altura da face de raiz (nariz) variando de 0 a 3 mm e o chanfro em V um ângulo de bisel de 30o, totalizando um ângulo de chanfro de 60o, conforme a figura 18.
Figura 18 - Disposição do chanfro para o procedimento de soldagem.
A figura 19 ilustra o método de usinagem utilizado na confecção dos chanfros citados.
Figura 19 - Usinagem dos chanfros nos metais de base.
Fonte: Próprio autor.
Segundo a Norma AWS D1.1 (2010), durante a soldagem, cada passe do processo deverá apresentar fusão completa com o metal de base adjacente de tal forma que não ocorra depressões ou mordeduras na extremidade da solda. Concavidades excessivas de passes iniciais devem ser evitadas para prevenir trincas nas raízes de juntas. A tabela 14 define os perfis de solda e programas estabelecidos pela norma AWS D1.1/D1.1M.
Tabela 14 - Perfis de Solda
De acordo com o perfil de solda e a espessura do metal de base utilizados neste experimento, temos um Rmáx = 3 mm, figura 20.
Figura 20 - Dimensões requeridas para o reforço de solda.
Fonte AWS D1.1 (2010)
Amostra MM
A amostra MM é oriunda do processo de união de chapas de aço inoxidável martensítico ASTM A743 CA6NM com 6,0 mm de espessura, soldada com uma chapa do mesmo aço inoxidável martensítico e com a mesma espessura, utilizando o arame tubular E309L T1-1 como consumível de soldagem e mistura C-25 como gás de proteção, conforme figura 21.
Figura 21 - Aço Martensítico A743 CA6NM soldado com arame tubular E309L
Fonte: Próprio autor. Amostra AC
inoxidável austenítico AISI 316 de mesma espessura, utilizando o arame tubular E309L T1-1 como consumível de soldagem, figura 22.
Figura 22 - Chapa A-36 e AISI 316 soldadas com o Arame Tubular E309L
Fonte: Próprio autor.
4.2 Soldagem das amostras
Como citado anteriormente, o consumível utilizado na confecção das amostras MM e AC foi o arame tubular AWS E309L-T1, com dimensão de bitola de 1,2 mm, produzido pela empresa EUTECTIC BRASIL LTDA, conforme mostra a figura 23.
Figura 23 - Arame Tubular AWS E309L-T1
Fonte: Próprio autor.
A figura 24 mostra a Fonte de Soldagem Trifásica Powertec da empresa
Figura 24 - Fonte Trifásica Powertec “LINCOLN ELETRIC”
Fonte: Próprio autor.
4.3 Confecção dos corpos de prova
Os corpos de prova foram confeccionados de acordo com cada norma representativa do ensaio realizado. As análises realizadas neste procedimento experimental foram:
- Metalografia - Dureza; - Tração;
- Impacto Charpy.
- Espectroscopia por Dispersão de Energia (EDS).
Com a finalidade de se obter certa repetibilidade nos dados, para a maioria dos experimentos, confeccionou-se 3 corpos de prova, para então confrontar os dados coletados.
4.3.1 Ensaios Metalográficos
Macrografia
As amostras foram lixadas e preparadas por métodos convencionais, iniciando em lixa de grana 120 até 1500, e em seguida polidas em pasta de alumina
nas granulometrias de 1 μm e 0,3 μm. Banhos ultrassônicos foram aplicados às
sobre a superfície atacada. As imagens macrográficas utilizadas para a verificação da geometria do cordão de solda e presença de descontinuidades foram feitas em um estereomicroscópio da marca ZEISS, modelo DISCOVERY V.8, acoplado a uma câmera AXIOCAM ERC5S. Ver Figuras 25 e 26.
Figura 25 - Estereomicroscópio ZEISS, modelo DISCOVERY V.8
Fonte: Próprio autor.
Figura 26 - Macrografia da secção transversal da junta da amostra AC.
Fonte: Próprio autor.
Micrografia
Neophot 21, pertencente ao Laboratório de Microscopia Ótica da FEIS/UNESP. A figura 27 ilustra micrografias representativas das juntas soldadas MM e AC.
Figura 27 - Micrografia da secção transversal das juntas das amostras MM e AC.
Amostra MM Amostra AC
Fonte: Próprio autor.
4.3.2 Ensaio mecânico de Dureza Vickers
Figura 28 - Esquema representativo das medidas de microdreza.
Fonte: PETROBRÁS N-0133 (2000).
Figura 29 - Ultramicrodurômetro digital Shimadzu, modelo DUH 211S.
Fonte: Próprio autor.
4.3.3 Ensaio Mecânico de Tração
Figura 30 - Corpo de Prova – Ensaio de Tração
Fonte: ASME IX (2013). Onde:
W (largura da espécime) = 19 mm; y = espessura da espécime;
x = espessura da espécime acrescido de reforço;
A Norma ASME IX (2013), define que para chapas com espessuras até 25 mm (1 in), a espessura total da espécime deve ser utilizada para cada ensaio de tração requerido.
A figura 31 mostra os corpos de prova usinados para os ensaios de tração.
Figura 31 - Corpos de Prova para ensaio mecânico de Tração
Fonte: Próprio autor.
Na obtenção dos resultados foi utilizado o equipamento de ensaio de
capacidade de 100kN, situada no Laboratório de Engenharia Mecânica da UNESP – Campus de Ilha Solteira, figura 32.
Figura 32 - Máquina de ensaio de tração
Fonte: Próprio autor.
4.3.4 Ensaio Mecânico de Impacto Charpy
Foram realizados ensaios de impacto Charpy com corpo de prova reduzido, com 55 mm de comprimento e seção retangular com 5 x 10 mm, conforme previsto nas Normas ASTM E23 (2003) e ABNT ISSO 148 (2013). O Ao centro do
comprimento foi usinado um entalhe na forma de “V”. Ver figura 33.
Figura 33 - Corpo de Prova padrão - Ensaio de Impacto Charpy.
Os entalhes dos CP’s foram confeccionados utilizando uma fresa própria para elaboração de entalhes com o raio de curvatura de 0,25 mm rad estipulado pela norma. Ver figura 34.
Figura 34 - Confecção do entalhe para ensaio de impacto Charpy
Fonte: Próprio autor.
Os entalhes foram ainda confeccionados seguindo o mesmo sentido do processo de soldagem, pois segundo Pereira e Bracarense (2000), a energia absorvida com os entalhes nesta posição é de 10% a menos do que a energia absorvida com o entalhe na posição contrária ao sentido de soldagem. Ver figura 35. .
Figura 35 - Orientação do entalhe dos CP`s
A figura 36 ilustra o equipamento de Ensaio Mecânico de Impacto Charpy HECKERT - René Graf, situado no laboratório de ensaios mecânicos da UNESP – campus de Ilha Solteira e ilustra também, o posicionamento do CP no equipamento.
Figura 36 - Equipamento para Ensaio Mecânico Charpy (Esquerda). Disposição do CP no equipamento (Direita)
Fonte: Próprio autor.
Seguindo as dimensões regulamentadas pelas normas citadas, os corpos de prova para os ensaios de impacto charpy foram confeccionados de tal forma que apenas o posicionamento do entalhe foi modificado, estudando dessa forma todas as regiões do corpo de prova, figuras 37, 38 e 39.
Figura 37 - Corpo de Prova Charpy - Entalhe na região da solda.
Figura 38 -Corpo de Prova Charpy - Entalhe na região da ZTA.
Aço carbono Aço inoxidável Fonte: Próprio autor.
Figura 39 - Corpo de Prova Charpy - Entalhe na região do Metal de Base.
