INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE SOLDAGEM NO DESGASTE
ABRASIVO DE REVESTIMENTOS DUROS APLICADOS PELO
PROCESSO FCAW
Luciano Vensão Peruchi [Bolsista CNPq] 1, Ossimar Maranho [Orientador] 2, Fernando Henrique Gruber Colaço [Colaborador] 3
1
Bolsista do Programa de Iniciação Científica 2
Departamento de Engenharia Mecânica 3
Mestrando do Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais Campus Curitiba
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Avenida Sete de Setembro, 3165 – Rebouças CEP 80230-901 – Curitiba – Paraná lucianoperuchi@gmail.com, maranho@utfpr.edu.br, fernandogruber@ifsc.edu.br
Resumo – Como alternativa à substituição de peças desgastadas na indústria, a aplicação de um revestimento
duro por soldagem, resistente ao desgaste, apresenta uma boa relação entre custo-benefício. Neste trabalho, estudamos a influência da energia de soldagem em um revestimento aplicado através do processo FCAW (Flux Cored Arc Welding), sendo o consumível um arame tubular autoprotegido de FeCrC (+Ti). A análise de resistência ao desgaste foi feita em um abrasômetro do tipo roda de borracha. Os resultados mostraram que a energia de soldagem não alterou a resistência ao desgaste, mas alterando-se o número de camadas depositadas temos uma maior resistência ao desgaste, devido a menor influência do metal de base. A largura do cordão de solda foi muito maior para a condição de alta energia de soldagem.
Palavras-chave: Revestimento Duro; Soldagem; FCAW; Desgaste Abrasivo.
Abstract - As an alternative to replacement of worn parts in the industry, the application of a hardfacing by
welding, wear resistant, shows good cost-benefit ratio. We studied the influence of welding energy in a coating applied through the process FCAW (Flux Cored Arc Welding), with self-shielded tubular wire FeCrC (+Ti). The analysis of wear resistance was performed on an apparatus Rubber Wheel. The results showed that the welding energy did not change the wear resistance, but, changing the number of layers deposited, we have a higher wear resistance due to lower influence of the base metal. The width of the weld was much larger for the condition of high energy welding.
Keywords: Hardfacing; Welding; FCAW; Abrasive Wear.
INTRODUÇÃO
O desgaste de componentes mecânicos ocorre em todos os campos da indústria. Uma alternativa a substituição da peça desgastada é a aplicação de revestimentos que prolongam sua vida útil e proporcionam uma redução de custo. O desgaste, definido como a perda progressiva de material devido ao movimento relativo de superfícies, é um fenômeno essencialmente superficial. Também é comum a aplicação de revestimentos duros, resistentes
ao desgaste, em uma matriz dúctil de um metal menos nobre e consequentemente mais barato, obtendo assim um componente com boa resistência ao desgaste a um menor custo.
Os processos de soldagem mais utilizados para a aplicação de revestimentos são aqueles que aliam uma alta taxa de deposição de material a uma pequena diluição no metal base. É desejada a menor diluição possível, para que o metal base tenha a menor influência possível na superfície revestida, não alterando sua composição química e propriedades.
O processo de soldagem com arame tubular (FCAW – Flux Cored Arc Welding) é um dos que atende esses requisitos. Ele utiliza um eletrodo metálico tubular e a proteção do arco e do cordão é feita através de um fluxo dentro do eletrodo e pode ou não ser suplementada por um fluxo de gás fornecido por uma fonte externa. Além da proteção, o fluxo tem as funções de desoxidar e refinar o metal de solda, adicionar elementos de liga e fornecer elementos que estabilizam o arco elétrico. Algumas variáveis do processo FCAW serão brevemente discutidas abaixo.
Energia de soldagem. Também chamada de aporte térmico ou aporte de calor, é a quantidade
de calor aplicada no material por unidade de comprimento linear (J/mm). Ela leva em conta a tensão no arco elétrico (V), em Volts; a corrente de soldagem (I), em Amperes; a velocidade de soldagem (s) em milímetros por segundo e a eficiência térmica do processo (η). Ela é dada pela equação (1).
(1)
Diluição dos Cordões de Solda. É definida como o percentual do metal base que entra na
composição do metal de adição, indicados na figura 1, e podendos ser calculados pela equação 2. Também podemos observar o reforço (R), penetração (P) e largura (L) do cordão de solda.
(2)
Figura 1. Largura, penetração e reforço no cordão de solda.
Um dos fatores que influenciam na diluição é a técnica de soldagem. Na técnica puxando a tocha, a alimentação do arame se dá no sentido oposto ao de soldagem, enquanto na técnica empurrando ele é alimentado no mesmo sentido. A diferença das técnicas consiste que, enquanto na técnica puxando o arame é adicionado no metal de solda já depositado, na
técnica empurrando ele é adicionado diretamente ao metal de base, levando a um cordão com maior largura e com menor penetração.
Para que a alteração na composição química e nas propriedades do revestimento sejam mínimas, é desejado um percentual de diluição baixo, visto que o revestimento possui maior resistência ao desgaste do que o metal de base.
Número de camadas de revestimento. Após sucessivos cordões de solda, depositados lado a
lado na peça, obtemos uma camada de revestimento. Como já discutido, o metal de base influencia a resistência ao desgaste do revestimento e, visando minimizar isto, são aplicadas camadas sobrepostas de revestimento. Quanto maior o número de camadas de revestimento forem aplicadas, menor será a concentração do metal de base nela, até que não haja mais diluição do metal de base.
METODOLOGIA
Para este estudo, aplicamos através da soldagem o arame tubular autoprotegido, de liga FeCrC, com 1,6 mm de diâmetro, conforme a tabela 1. Os cordões de solda foram aplicados em chapas de aço AISI 1020 de espessura 6,5mm, largura de 100mm e comprimento de 200mm.
Tabela 1. Composição química e dureza nominal do arame tubular. Tipo de arame Dureza típica (HRC) Composição Química (%) C Si Mn Cr Mo Ti FeCrC+Ti 53 (3ª camada) 2,06 0,53 1,14 7,2 1,05 6,84
Foi usada a fonte de soldagem INVERSAL 450 com o sistema de deslocamento da tocha TARTÍLOPE V1, permitindo assim o controle da velocidade de soldagem. Paralelamente, também foi utilizado um sistema de aquisição de dados denominado SAP – V 4.01, que permite aferir com precisão os parâmetros envolvidos.
Na deposição do material, foi utilizado o sentido positivo de soldagem (empurrando), com angulação da tocha de 75º. A velocidade de soldagem e a distância entre o bico de contato e a chapa foram mantidas contates em 5mm/s e 20mm, respectivamente. A variação da energia de soldagem foi feita variando a tensão de soldagem, utilizando a máxima e a mínima tensão recomendada pelo fabricante e alterando a velocidade de alimentação do arame. Os parâmetros de soldagem são apresentados na tabela 2, abaixo:
Tabela 2. Parâmetros de soldagem.
Condições de Energia Tensão Corrente Valimentação Vsoldagem stick out Soldagem (J/mm) (V) (A) (mm/s) (mm/s) (mm) Alta Energia 1500 28 265 117
5 20
Baixa Energia 800 25 165 50
Para determinação prévia de alguns dados como largura (L), penetração (P), reforço (R), diluição (D) e dureza do cordão, foi aplicado um único cordão de solda no centro da chapa para análise. Tal avaliação foi feita com uma câmera LG CCD. Foi utilizado o durômetro EMCOTEST M4C 025 G3M para a medição das durezas.
Para a aplicação do revestimento, foram aplicados sucessivos cordões de solda na chapa, lado a lado, até que fosse possível retirar um corpo de prova com 25,4mm de largura e 76,2mm de comprimento, conforme a figura 3.
Figura 3. Representação do corpo de prova.
O corpo de prova foi fresado na FRESADORA TOS FA 3A-V e a superfície do revestimento foi preparada para o ensaio na RETIFICADORA FERDIMAT T104.
O ensaio de desgaste foi realizado em um abrasômetro do tipo roda de borracha, de acordo com a norma ASTM G65-00e1. Antes e depois do ensaio, foi feita a limpeza do corpo de prova na máquina de limpeza por ultrassom STRUERS METASON 60T para que assim fosse determinada a perda de massa, realizada em uma balança eletrônica SHIMADZU AUY220 com resolução de 0,1mg.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A tabela 3 apresenta os valores de largura, reforço, penetração e diluição do cordão de solda depositado inicialmente. Nas figuras 5 e 6, temos a seção transversal dos cordões depositados com alta e baixa energia, respectivamente.
Tabela 3. Morfologia do cordão de solda.
Condição de soldagem L [mm] R [mm] P [mm] A [mm²] B [mm²] Diluição [%]
Alta energia 14,37 3,28 3,24 35,66 29,25 45,06
Baixa energia 7,19 2,65 3,2 15,19 15,97 51,25
Figura 5. Alta energia de soldagem.
Figura 6. Baixa energia de soldagem.
Observando a tabela 3, notamos que a dimensão que mais sofreu alteração foi a largura do cordão. Enquanto no cordão de baixa energia obtivemos uma largura de 7,19 mm, no de alta energia a largura foi de 14,37 mm. Se analisarmos a relação entre a largura e a altura (reforço mais penetração) do cordão, no de baixa energia essa relação é de 1,23 e no de alta energia é 2,20 (79% maior). Já na diluição, não houve uma grande alteração.
Na tabela 4 temos os valores da dureza superficial dos revestimentos, medidos em Rockwell C. Denominamos por “A” e “B” os corpos de prova de alta e baixa energia de soldagem, respectivamente. O segundo dígito corresponde ao número de camadas depositadas (1 ou 4).
Tabela 4. Dureza superficial do revestimento. Dureza do revestimento
Condição de soldagem Dureza Desvio padrão
A1 56,9 0,3
B1 57,7 0,8
A4 57,5 0,0
B4 57,4 1,1
Analisando os valores de dureza, vemos que não houve uma alteração significativa em seus valores, independente do número de camadas. A diluição não foi grande o suficiente para alterar a dureza nem da primeira camada do revestimento.
Na tabela 5, temos o resultado do desgaste abrasivo e sua comparação, na figura 7. Tabela 5. Perda de massa dos revestimentos.
CP média (mg) desvio padrão (mg) A1 216,2 13,1 B1 205,6 4,6 A4 178,0 2,4 B4 169,6 10,8
Figura 7. Comparativo entre a perda de massa dos revestimentos.
Considerando o desvio padrão das amostras, não podemos dizer que houve alteração na perda de massa quando consideradas as energias de soldagem. Já quando alteramos o número de camadas do revestimento, observa-se que com quatro camadas a perda de massa foi inferior ao revestimento de uma camada. Isso evidencia a influencia do material base sobre qual o revestimento foi depositado. Com quatro camadas, essa influencia é inexistente.
CONCLUSÕES
• Aumentando a energia de soldagem obtivemos cordões de solda muito mais largos, com uma relação entre a largura e a altura do cordão 79% maior.
• A diluição não foi suficiente para reduzir a dureza do revestimento de uma camada, obtendo assim a mesma dureza para uma e quatro camadas.
• A energia de soldagem não foi determinante para modificar a resistência ao desgaste, porém aumentando-se o número de camadas temos uma maior resistência ao desgaste, visto que a influência do metal de base é mínima.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq, à Universidade Tecnológica Federal do Paraná, ao Instituto Federal de Santa Catarina, às Indústrias ESAB/AS, ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas e a Fundação Araucária.
REFERÊNCIAS
[1] THE JAMES F. LINCOLN ARC WELDING FOUNDATION. The Procedure Handbook Of Arc Welding. Cleveland, 1994.
[2] WAINER, E.; BRANDI, S. D.; MELLO, F. D. H. Soldagem: Processos e Metalurgia. Editora Edgard Blücher Ltda, 2002.
[3] MARQUES, P. V. Tecnologia da Soldagem. Editora O Lutador. Belo Horizinte: ESAB, 1991.
[4] HUTCHINGS, I. M. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. Reimpressão: Butterworth-Heinemann, 2001.
[5] LIMA, A. C.; FERRARESI, V. A. Análise da Resistência ao Desgaste de Revestimento Duro Aplicado por Soldagem em Facas Picadoras de Cana-de-Acúcar. Soldagem & Inspeção, v 15 (2), Abril/Junho 2010.
