Avaliação da influência do teor de polímero sobre as propriedades do metal de solda produzido com eletrodos impermeáveis
Gustavo Hugo Santiago1,Claudio Turani Vaz2,Alexandre Queiroz Bracarense3
1UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil,gustavohugo@gmail.com.
2 UFMG/PPGMEC, IFMG/Campus Congonhas, Minas Gerais, Brasil, claudioturani@gmail.com.
3UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, bracarense@ufmg.br.
Resumo
Estudos realizados anteriormente comprovaram a viabilidade técnica dos eletrodos impermeáveis onde os silicatos foram substituídos por polímeros. Verificou-se também que o metal de solda obtido apresenta baixíssimos teores de hidrogênio difusível e a microestrutura possui considerável fração volumétrica de ferrita acicular. Nesse trabalho foram realizados experimentos com o objetivo de avaliar a influência do teor de polímero utilizado sobre algumas propriedades do metal de solda. Os eletrodos utilizados foram fabricados em laboratório utilizando uma prensa piloto. O metal de solda depositado pelos eletrodos com 7, 10 e 13% de polímero tiveram sua composição química, microestrutura, dureza e teor de hidrogênio difusível avaliados. Nas condições estudadas, não foram verificadas diferenças significativas quanto à composição química, microestrutura e dureza do metal de solda. A redução no teor do polímero não propiciou aumento no teor de hidrogênio difusível. Esses resultados forneceram subsídios para realização de ajustes durante a fabricação em escala industrial e para esclarecer a real influência dos polímeros durante o processo de soldagem.
Palavras-chave: Eletrodo revestido, eletrodo impermeável, hidrogênio difusível, ferrita acicular.
Abstract: Previously papers confirmed the technical viability of covered electrodes where the silicates were changed by polymers. It was possible to confirm the very low diffusible hydrogen content and high acicular ferrite content of weld metal obtained with its electrodes. In this paper was evaluated the influence of polymer content on the weld metal properties. Impermeable covered electrodes made at laboratory with 7, 10 and 13% of polymer. The weld metal chemical composition, microstructure, hardness and diffusible hydrogen were evaluated. Under the test conditions weren’t observed significantly differences on the chemical composition, microstructure and hardness. The polymer content reduction didn’t promote diffusible hydrogen improvement.
These results provided information to make industrial production adjustments and to elucidate the polymer influence during the welding.
Key-words: Covered electrode, impermeable electrode, diffusible hydrogen, acicular ferrite.
1. Introdução
A soldagem com eletrodos revestidos (SMAW) é um dos processos ao arco elétrico mais antigos. Este fato, associado à possibilidade de se utilizar processos mais produtivos, justifica o reduzido interesse no desenvolvimento de novas tecnologias. Fichel et al[1], na contramão dessa tendência, realizaram um estudo onde polímeros foram empregados para substituir os silicatos durante a aglomeração do revestimento em eletrodos classe AWS E6013 destinados à soldagem subaquática molhada. Os principais ganhos obtidos foram a redução do custo de fabricação do eletrodo, a obtenção de um consumível com elevada resistência à absorção de água e, principalmente, um metal de solda com considerável fração volumétrica de ferrita acicular (figura 1). Fato que pode ser considerado, no mínimo, como surpreendente.
Figura1. Detalhe da microestrutura do metal de solda depositado na soldagem subaquática molhada utilizando eletrodos revestidos aglomerados com polímero. Fonte: Fichel et al[1].
Seguindo essa linha de pesquisa e motivados pelos resultados obtidos, Vaz et al[2] produziram, em laboratório, eletrodos com revestimento básico (classe E7018) aglomerados com polímeros. Esses eletrodos foram denominados, pelos autores, como sendo “impermeáveis”. O principal ganho esperado com essa nova tecnologia seria a possibilidade de se obter eletrodos extremamente resistentes à umidade com metal de solda contendo baixíssimos teores de hidrogênio. Além de confirmar essas hipóteses foi possível verificar que o eletrodo apresenta operacionabilidade aceitável e também que o metal de solda obtido pelo mesmo apresenta, quando comparado ao produzido por eletrodos E7018, maior fração volumétrica de ferrita acicular. Estudos complementares realizados por Vaz et al[3] com eletrodos “impermeáveis” produzidos em escala industrial confirmaram, também em comparação a eletrodos E7018, composição química e propriedades mecânicas compatíveis, maior fração volumétrica de ferrita acicular no metal de solda (Figura 2) e baixíssimos teores de hidrogênio difusível mesmo sob condições adversas, ou seja, após exposição do eletrodo ao ar por trinta dias (Figura 3).
Figura 2. Fração volumétrica de ferrita acicular no metal de solda depositado por eletrodos E7018 e impermeáveis. Fonte: Vaz et al[3].
Figura3. Teor de hidrogênio difusível do metal de solda depositado por eletrodos impermeáveis e E7018. Fonte:
Vaz et al[3].
A análise comparativa da escória obtida pela soldagem com eletrodos E7018 e impermeáveis, por Difração de Raio-X, realizada nesse estudo (Figura 4) também lançou luz sobre a presença de fenômenos ainda não explicados.
Figura 4. Difratograma da escória produzida pelos eletrodos E7018 e impermeável. Fonte: Vaz et al[3].
Assim, em paralelo aos ajustes finais do processo de fabricação desses eletrodos em escala industrial, é justificável a necessidade de estudos que esclareçam e expliquem a atuação dos novos fenômenos presentes.
Esse trabalho tem, como objetivo principal, avaliar o efeito do teor de polímero utilizado durante a aglomeração do eletrodo sobre algumas das propriedades do metal de solda como composição química, microestrutura, dureza e teor hidrogênio difusível.
2. Materiais e Métodos
Com o intuito de avaliar o efeito do teor de polímero sobre as propriedades do metal de solda foram produzidos, em laboratório, eletrodos revestidos com 7, 10 e 13% de polímero. Na escolha desses valores foi considerada a “extrudabilidade” do eletrodo, ou seja, procurou-se trabalhar com valores que permitissem a produção desses eletrodos em escala industrial. Para ter um melhor controle sob as variáveis, os eletrodos testados foram fabricados em laboratório utilizando a prensa hidráulica e dispositivo ilustrados na Figura 5. Os eletrodos produzidos são ilustrados na Figura 6.
Figura 5. Prensa hidráulica utilizada na produção dos eletrodos(a), dispositivo (b) e eletrodo obtido (c).
Figura 6. Eletrodos revestidos produzidos.
Para cada teor de polímero avaliado foram fabricados eletrodos em quantidade suficiente para realização dos testes propostos. Na deposição do metal de solda foi empregada uma fonte inversora do tipo corrente constante CA/CC marca Kemppi modelo Mastertig 2500 com fator de trabalho de 100% a 200A. Durante a soldagem foi empregada corrente contínua polaridade inversa (CC+) com intensidade de 100A.
Para analise da microestrutura do metal de solda cordões foram depositados sobre chapa e as amostras foram preparadas a partir de corpos de prova retirados conforme ilustrado na Figura 7. As amostras foram embutidas em baquelite, lixadas (lixas grão 180, 280, 400, 600 e 1200), polidas (em alumina com grão 1μm) e atacadas utilizando Nital 2%. Após análise metalográfica foram realizadas medições de dureza Vickers com carga de 200gf em um durômetro marca Shimadzu modelo HMV-2.
A análise química do metal de solda foi realizada por Espectrofotometria de Emissão Ótica. Para isso foram depositados cordões de solda sobre chapa de tal maneira que o efeito da diluição fosse eliminado. O teor de hidrogênio difusível do metal de solda foi determinado por cromatografia gasosa em um equipamento marca Oerlinkon Yanaco (Figura 8) conforme especificação AWS A4.3 [4].
Figura 7. Posição de retirada das amostras para análise metalográfica.
Figura 8. Cromatógrafo utilizado na determinação do teor de hidrogênio difusível do metal de solda.
3. Resultados e Discussão
A microestrutura típica do metal de solda depositado com os eletrodos avaliados é apresentada na figura 9.
Verifica-se que os constituintes e morfologia são típicos dos obtidos em estudos anteriores para metais de solda depositados com eletrodos revestidos impermeáveis. Não foram obsevadas diferenças na microestrutura em função da variação do teor de polímero. Apesar de não terem sido feitas medidas das frações volumétricas dos constituintes observa-se uma predominância de ferrita acicular em comparação aos demais presentes.
Figura 9. Microestrutura típica encontrada no metal de solda depositado com os eletrodos revestidos com 7(a), 10(b) e 13%9(c) de polímero. Ampliação: 200x.
Medidas de dureza Vickers foram realizadas no metal de solda depositado pelos eletrodos. Na Tabela 1 são apresentados os valores individuais e médios obtidos para cada um dos eletrodos avaliados. Analisando esses resultados verifica-se que os mesmos são compatíveis com valores indicados por outros autores (283HV) [5,6]
como sendo típicos de ferrita acicular.
Tabela 1. Dureza do metal de solda depositado pelos eletrodos impermeáveis.
Eletrodo Amostra Dureza (HV carga 200gf)
Valores individuais Média
7%
1 267 288 285 284 276 280
2 268 266 265 247 268 263
3 261 291 273 277 289 278
10%
1 297 290 267 291 287 286
2 320 323 261 319 304 305
3 273 264 247 256 272 262
13%
1 292 300 270 294 307 293
2 273 310 268 287 305 289
3 305 279 271 252 271 276
Análise química da chapa e do metal de solda depositado com os eletrodos encontra-se listada na Tabela 2.
Nas Figuras 10, 11 e 12 são apresentados os gráficos que correlacionam o teor de polímero com os teores de carbono, silício e manganês do metal de solda.
Tabela 2. Análise química da chapa e do metal de solda depositado com os eletrodos impermeáveis.
Elementos Teores médios (%)
Chapa 7% 9% 13%
Carbono (C) 0,19 0,11 0,11 0,14
Silício (Si) 0,20 0,70 0,70 0,66
Manganês (Mn) 1,04 1,28 1,29 1,27
Fósforo (P) 0,027 0,028 0,029 0,028
Enxofre (S) 0,011 0,014 0,014 0,014
Cromo (Cr) 0,020 0,032 0,031 0,034
Molibdênio (Mo) 0,005 0,006 0,006 0,006
Níquel (Ni) 0,010 0,014 0,014 0,014
Vanádio (V) 0,006 0,010 0,010 0,010
Figura 10. Variação do teor de carbono do metal de solda em função do teor de polímero.
0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15
7 10 13
Teor de carbono (%)
Teor de polímero (%)
Figura 11. Variação do teor de silício do metal de solda em função do teor de polímero.
Figura12. Variação do teor de manganês do metal de solda em função do teor de polímero.
Analisando os gráficos apresentados acima nota-se que, entre os elementos avaliados, apenas o carbono apresenta uma tendência de aumento em função do aumento do teor de polímero. Todavia, a incerteza observada não nos permite afirmar que o aumento de 7 para 10% de polímero promove um aumento do teor de carbono do metal de solda. As variações observadas nos teores de silício e manganês do metal de solda não nos permitem tirar conclusões a respeito da influência do teor polímero sobre esses elementos.
A figura 13 apresenta a relação entre os teores de silício e manganês do metal de solda. Nesse gráfico verifica-se a existência, para as condições avaliadas, de uma relação entre os teores desses elementos, ou seja, o aumento no teor de um deles implica no aumento do outro independente do teor de polímero empregado na fabricação do eletrodo.
Figura 13. Relação entre os teores de Si e Mn no metal de solda.
As medidas do teor de hidrogênio difusível do metal de solda obtido com os eletrodos são apresentadas na Figura 14. Observa-se que, para a faixa avaliada, não é possível confirmar a existência de uma relação entre o teor de polímero empregado e o hidrogênio difusível do metal de solda. Para ser determinado o teor mínimo de
0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72
7 10 13
Teor de silício (%)
Teor de polímero (%)
1,25 1,26 1,27 1,28 1,29 1,30 1,31
7 10 13
Teor de manganês (%)
Teor de polímero (%)
polímero necessário a manutenção de um baixo teor de hidrogênio difusível devem ser realizados testes complementares.
Figura 14. Teor de hidrogênio difusível do metal de solda em função do teor de polímero.
4 . Conclusões
Os resultados obtidos nesse estudo permitem afirmar que:
A variação no teor de polímero, para as condições de teste, não proporcionou alterações perceptíveis quanto a morfologia e constituintes microestruturais do metal de solda obtido;
Nas condições testadas somente foi possível observar a existência uma possível relação entre os teores de polímero e carbono no metal de solda;
Não se nota a existência de relação entre o teor de polímero empregado e os teores de silício e manganês do metal de solda;
O teor de hidrogênio difusível do metal de solda não foi, a princípio, influenciado pela variação do teor de polímero;
Para ser estabelecido, de maneira segura, um teor mínimo de polímero necessário a obtenção de um metal de solda com baixos teores de hidrogênio difusível, é necessária a realização de testes ampliando a faixa avaliada.
5. Agradecimentos
Os autores agradecem ao Laboratório de Robótica Soldagem e Simulação da UFMG, a ELBRAS Eletrodos do Brasil e ao CNPq.
6. Referências Bibliográficas
[1] FICHEL, I., DALLA, A., ROS, D.A., FELIZARDO, I, TURANI, C., GONZÁLEZ, L.P., PÉREZ, M.R., PUCHOL, R.Q., PESSOA, E.C.P., BRACARENSE, A.Q. Desenvolvimento de Eletrodos Revestidos Impermeáveis. In: XXXV Congresso Nacional de Soldagem, Piracicaba, SP, 2009.
[2] VAZ, CLAUDIO TURANI; BRACARENSE, ALEXANDRE QUEIROZ; BERNARDINA, AURECYL DALLA; PESSOA, EZEQUIEL C. P.; FELIZARDO, IVANILZA. Desenvolvimento de Eletrodos Revestidos do Tipo Baixo Hidrogênio Impermeáveis. In: XXXVI CONSOLDA, 2010, Recife. Anais... São Paulo: Associação Brasileira de Soldagem, 2010.
[3] VAZ, CLAUDIO TURANI; FELIZARDO, IVANILZA; BRACARENSE, ALEXANDRE QUEIROZ;
PESSOA, EZEQUIEL C. P. Impermeable low hydrogen covered electrodes: the weld metal diffusible hydrogen, microstructure and mechanical properties. In: JOM-16/ICEW-7, 2011, Tisvildeleje: Denmark. Anais... Gilleleje:
Institute for the Joining of Materials, 2011.
[4] AWS A4.3-93. Standard Methods for Determination of the Diffusible Hydrogen Content of Martensitic, Bainitic, and Ferritic Steel Weld Metal Produced by Arc Welding, 2006.
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