(Evaluation of a GMAW Welding Process Using Zinc-Coated Solid Wire)
Mário Bittencourt Q. de Almeida1; Luís Felipe G. de Souza2, Ivaní de S. Bott3 1SENAI-RJ, CETEC de Solda, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, mbalmeida@firjam.org.br.
2CEFET/RJ, Dep. Eng. Mecânica, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, lfelipe@cefet-rj.br.
3PUC-Rio, Dep.Ciência dos Materiais e Metalurgia, Rio de Janeiro-RJ – Brasil, bott@dcmm.puc-rio.br.
Resumo
O presente trabalho realiza um estudo comparativo da soldagem pelo processo GMAW utilizando arames revestidos com cobre e com zinco e três tipos de gás de proteção (100%CO2, 80%Ar + 20%CO2 e 92%Ar + 8%CO2). As características operacionais das combinações arame/gás, foram observadas e as soldas obtidas foram avaliadas conforme a norma ASME Seção IX, contemplando ensaios de tração, dobramento e ensaios não destrutivos. Adicionalmente foram realizados ensaios metalográficos (macrografia). Os resultados obtidos, revelaram que a utilização do arame revestido com zinco apresenta boas características de soldabilidade para todas as misturas utilizadas, sendo que o melhor resultado ocorreu para 92%Ar + 8%CO2. A utilização do arame revestido com zinco exigiu um ajuste diferenciado dos parâmetros de soldagem (tensão e corrente) em relação aos utilizados para o arame com cobre, a fim de se obter de uma soldagem com nível de respingos aceitável e sem porosidade. Verificou-se ainda, que o arame revestido com zinco atende aos requisitos de composição química e propriedades mecânicas requeridas pela norma AWS A5.18/93. Adicionalmente, foi observado que as vazões de gás proteção se mantiveram no mesmo nível das vazões necessárias para o arame revestido com cobre.
Palavras Chave: revestimento com zinco, arame sólido, gás de proteção, GMAW.
Abstract: This work presents a comparative GMAW welding study, evaluating zinc-coated and copper-coated wires and
using three different protection gases (100%CO2, 80%Ar + 20%CO2 and 92%Ar + 8%CO2). The operational characteristics of the wire-gas couples were observed and the welds produced were evaluated according to ASME Section IX Standard including tension test, bend test and non-destructive testing. Additionally, macrographic tests were performed. The result revealed that the use of zinc-coated wires promoted good weldability for all combinations of gases the best result being for the 92%Ar + 8%CO2 mixture. The use of zinc-coated wires demanded a different adjustment of welding set parameters (current and voltage) in relation to the copper-coated ones in order to obtain a weld metal without porosity and with an acceptable spattering level. It was verified that the zinc-coated wires attend the requirements of chemical composition and mechanical properties according to AWS A5.18/93 Standard. Additionally it was also observed that the flow rates of protection gases were kept at the same level as those for the cooper-coated wires.
Key-Words: zinc-coated, solid wire, protection gas, GMAW.
1. Introdução
Na soldagem pelo processo “Gas Metal Arc Welding” -GMAW, os arames eletrodos para soldagem com proteção gasosa de dióxido de carbono (99,9% CO2) normalmente possuem um teor mais elevado de desoxidantes, tais como manganês e silício, tendo em vista a característica ativa do gás de proteção (MAG – “Metal Active Gas”), menos intensa na soldagem com misturas e não existente na soldagem com proteção de gás inerte (MIG – “Metal Inert Gas”). Assim, é de se esperar um comportamento mecânico diferente de soldas feitas com diferentes gases de proteção.
Segundo GALANTINE et al. [1], o revestimento superficial com uma camada de cobre em arames de aço para soldagem GMAW tem como funções proteger a superfície do arame contra oxidação e melhorar o contato elétrico entre o arame e o bico de contato. Estudos [1-7] têm sido realizados para avaliação deste tipo de revestimento, e a utilização de uma camada de zinco em substituição ao cobre está em desenvolvimento. Segundo LUCAS [8], a influência dos gases de proteção na soldagem GMAW de chapas de aço carbono, utilizando arame eletrodo revestido com cobre, explicam principalmente a formação de respingos e queima de elementos de liga, que comprometem a qualidade da junta soldada. Esses estudos têm apontado uma direção quanto aos procedimentos de soldagem aplicáveis em função do tipo de gás de proteção [8-15].
(Recebido em 10/12/2004; Texto Final em 30/05/2005)
Trabalho baseado em versão apresentada no XXX CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem de 13 à 16 de setembro de 2004.
64 Soldagem Insp., Vol. 10, No. 2, Abr/Jun 2005 A soldagem GMAW é um processo com diversas
variáveis inter-relacionadas, que influenciam nas características da junta soldada. Por exemplo, uma mudança de quaisquer dos consumíveis utilizados neste processo, como o tipo de gás ou arame, implica na necessidade de novas avaliações devido a mudanças no comportamento do processo e propriedades da junta soldada. A possibilidade da utilização do zinco como revestimento nos arames, implica ainda, na necessidade de avaliação sobre a composição dos fumos metálicos gerados, a composição química do metal depositado, a influência dos gases no processo de transferência da gota fundida para a poça de fusão, em função da alteração do revestimento do arame e sua interação com os gases de proteção.
O processo GMAW utiliza o sistema de contato elétrico deslizante, indicando que a mudança do revestimento deste arame poderá influenciar o contato elétrico entre a superfície do arame e o bico de contato, alterando possivelmente os valores de tensão e corrente necessários a abertura e estabilidade do arco elétrico. Os gases de proteção apresentam diferentes propriedades [13-15] que influenciam os valores de tensão e corrente, acarretando diferentes propriedades dos cordões de solda. Portanto, torna-se necessário a avaliação da influência do tipo de revestimento combinado com o gás de proteção utilizado.
Este trabalho tem por objetivo avaliar a soldagem de chapas de aço carbono comum, utilizando o processo de soldagem ao arco elétrico com proteção gasosa - GMAW, com transferência do metal através do arco por curto circuito, a partir de seis combinações considerando dois tipos de arame da classe AWS E 70 S 6 e três tipos de gás de proteção. O primeiro arame eletrodo com revestimento de cobre e o segundo com revestimento de zinco. Foram utilizados como gases de proteção o dióxido de carbono na concentração de 99,9% CO2, e duas misturas de argônio com dióxido de carbono, nos percentuais de 80% Ar + 20% CO2 e 92% Ar + 8% CO2. As características operacionais das diversas combinações arame / gás foram observadas e as soldas obtidas foram avaliadas através da inspeção visual dos cordões de solda produzidos, quanto à presença de defeitos, porosidade, respingos e outros. Adicionalmente foram realizados ensaios mecânicos e macrográficos para caracterização geral das juntas soldadas.
2. Materiais e Métodos
2.1 Materiais Utilizados
2.1.1 - Material de base
Utilizou-se como material de base chapas de aço carbono tipo ASTM A36 nas dimensões de 250mm x 150mm x 6mm, preparadas conforme descrito no item 2.2.1.
2.1.2 - Arames eletrodo
Foram utilizados arames com diâmetros de 1,20mm classificados como AWS ER 70 S6, sendo um dos arames revestido com cobre e o outro, em análise, revestido com zinco. A Tabela 1 mostra como estes arames foram identificados.
Tabela 1 - Identificação dos arames utilizados.
2.1.3 - – Gases de proteção
Os gases de proteção utilizados foram o dióxido de carbono na concentração de 99,9% e misturas de argônio com dióxido de carbono, na proporção de 80% de argônio e 20% de dióxido de carbono e 92% de argônio e 8% de dióxido de carbono. A Tabela 2 mostra como estes gases foram identificados.
Tabela 2 - Identificação dos gases utilizados.
2.2 - Procedimento Experimental 2.2.1 – Preparação das chapas
A partir de chapas de aço C-Mn comum tipo ASTM A36 nas dimensões citadas em 2.1.1 foram preparadas peças de teste conforme a norma ASME Seção IX [17].
2.2.2 – Condições de soldagem
Realizou-se a soldagem das juntas pela técnica multipasse utilizando-se uma fonte de energia convencional de tensão constante e corrente contínua, na polaridade inversa, e alimentador de arame de velocidade constante (regulável entre 0-20m/min) do tipo “push” com um rolete de tração e um de encosto. Para a avaliação da influência dos gases de proteção em função do tipo de revestimento do arame eletrodo no processo GMAW, peças de teste foram soldadas considerando o objetivo de avaliar a influência dos gases de proteção na soldabilidade com arame eletrodo revestido com zinco.
Os gases foram supridos por cilindros de 25kg para o dióxido de carbono e 10m³ para as misturas a base de argônio, dotados de regulador de pressão e rotâmetro acoplado ao cilindro de gás. As vazões foram medidas através de bebímetro no bocal da tocha. Na fonte de energia, ajustaram-se valores de indutância, taxa de alimentação do arame, tensão e corrente. O primeiro foi fixado em cinco, em uma
1,5mm, com cobre-junta, na posição plana e multipasse. Dessas peças de teste, foram obtidos corpos-de-prova para: macrografia, tração e dobramento, conforme os requisitos do Código ASME, Seção IX [17]. As Tabelas 4 a 9, apresentam os parâmetros da soldagem das peças de teste (PT). Cabe observar que foi necessário um maior número de peças teste para as combinações B1, B2 e B3. Isto se deve ao fato de que, para o arame revestido com cobre, já existe um amplo conhecimento difundido em relação aos ajustes para tensão e corrente, possibilitando obter condições de estabilidade de arco adequadas, enquanto que o mesmo não se verifica para o arame revestido com zinco, o que exigiu um maior número de testes ajustando tensão, corrente e velocidade de alimentação de arame, para obtenção de condições de soldagem adequadas considerando a estabilidade de arco como ponto base.
escala existente de zero a dez, que corresponde a 50% de indutância, e os demais variaram conforme o tipo de cordão depositado, raiz ou enchimento, o gás de proteção e o modo de transferência empregado. As características operacionais da soldagem foram observadas segundo as combinações apresentadas na Tabela 3.
2.2.3 – Soldagem
Foram realizadas soldas pelo processo GMAW mecanizado, através da fixação de uma tocha em uma máquina de corte portátil, possibilitando o controle da distância do bico de contato com a chapa, bem como a velocidade de deslocamento da tocha (velocidade de soldagem). Peças de teste com 250mm X 150mm X 6mm, foram soldadas de topo, com chanfro em “V” a 60º, nariz de 1,5mm e abertura de
Tabela 3 – Combinação arame eletrodo – gás de proteção.
66 Soldagem Insp., Vol. 10, No. 2, Abr/Jun 2005 Tabela 5 - Parâmetros utilizados (combinação B1).
Tabela 7 - Parâmetros utilizados (combinação B2).
Tabela 8 - Parâmetros utilizados (combinação A3).
68 Soldagem Insp., Vol. 10, No. 2, Abr/Jun 2005
3. Resultados
3.1. – Inspeção Visual
Os corpos-de-prova não apresentaram porosidade, mordeduras e respingos excessivos. As peças soldadas com CO2 apresentaram maior quantidade de respingos em relação às produzidas com misturas, independentemente do tipo de revestimento do arame.
3.2 – Ensaio de tração
A Tabela 10 mostra os resultados dos ensaios de tração dos cordões de solda produzidos, segundo as diversas combinações arame/gás de proteção. Observa-se que os resultados de todas as combinações arame eletrodo/gás de proteção obtiveram os resultados esperados, com a localização das fraturas fora do metal de solda, ou seja, no metal de base. A única exceção ocorreu para o cordão de solda produzido com a combinação arame eletrodo revestido com cobre e dióxido de carbono (A1), que apresentou a fratura localizada no metal de solda. Cabe destacar, entretanto, que o resultado nominal obtido para o limite de resistência com a combinação arame eletrodo revestido com cobre e o CO2 foi superior ao resultado obtido com o arame revestido com zinco e o mesmo gás de proteção (B1).
Tabela 10 – Resultado dos ensaios de tração para as diversas combinações arame/gás de proteção.
3.3 – Ensaio de dobramento
A Tabela 11 mostra os resultados dos ensaios de dobramento transversal tendo sido utilizados dois corpos-de-prova para face e dois para raiz para cada peça teste ensaiada. Foram utilizados corpos-de-prova nas dimensões de 38 mm de largura e 6,35 mm de espessura e cutelo de 22 mm. Ainda na Tabela 11, a coluna indicação, se refere às descontinuidades que surgem no ensaio de dobramento, que dependendo de suas dimensões e posição, podem ser consideradas como uma descontinuidade ou não. Observa-se que o melhor resultado foi obtido com a combinação arame eletrodo revestido com zinco e CO2 (B1). Cabe destacar
que os resultados apresentados com arame eletrodo revestido com cobre e CO2 (A1) atenderam aos requisitos da Norma ASME Seção IX [17].
A junta soldada com mistura de 80%Ar+20%CO2 apresentou o melhor resultado com o arame revestido com cobre apenas para o dobramento transversal da face. Os dobramentos de raiz para as combinações A2 e B2 apresentaram indicações que não atendem aos requisitos do ASME Seção IX [17], tais requisitos especificam que no teste de dobramento, não devem existir defeitos no cordão de solda e na ZTA maiores do que 1/8 in ou 3,2 mm.A mistura de 92%Ar + 8%CO2, apresentou o melhor resultado com o arame eletrodo revestido com zinco (B3). Para a combinação A3, foram observadas indicações para o dobramento de raiz que não atenderam aos requisitos exigidos pela Norma ASME Seção IX [17].
Tabela 11 – Resultado do ensaio de dobramento transversal (face e raiz).
3.4 – Ensaio macrográfico
A Figura 1, apresenta as macrografias, em seção transversal, nas quais se observa o aspecto geral das juntas soldadas para as combinações arame/gás utilizadas. A inspeção visual da seção macrográfica não revelou a ocorrência de trincas, porosidade, inclusões de escória ou qualquer outro tipo de descontinuidade.
001/04-A1
Revestimento: Cobre. Gás: CO2.
001/04-A2
Revestimento: Cobre. Gás: 80%Ar + 20% CO2.
001/04-A3
Revestimento: Cobre. Gás: 92%Ar + 8% CO2.
4. DISCUSSÃO
4.1 – Soldabilidade
A perspectiva inicial da utilização de arames para a soldagem MAG com revestimento de zinco, estaria associada a benefícios gerais no processo. De um modo geral, em processos de soldagem, as modificações de insumos, procedimentos e variáveis de processo entre outras, tem uma relação direta com a soldabilidade. No presente caso, utilizando-se uma fonte de energia convencional, verificou-se que a utilização do arame revestido com zinco implicou em alterações do comportamento do arco elétrico exigindo um novo ajuste de parâmetros em relação ao arame tradicional com o objetivo de superar a ocorrência de respingos e instabilidade de arco. Verificou-se que ajuste similar não foi possível com a utilização de uma fonte de energia do tipo sinérgica, não sendo obtido um arco elétrico estável. Isto de justifica uma vez que o equipamento sinérgico utilizado tem características pré programadas pelo fabricante para arames revestidos com cobre, de modo que, os ajustes permitidos não foram suficientes para permitir uma soldabilidade adequada. Por esta razão, o presente trabalho foi conduzido utilizando-se uma fonte de energia convencional.
4.2 – Gases de proteção e diferentes revestimentos do arame eletrodo
A característica de transferência metálica no arco elétrico do processo GMAW, implica em que a qualidade das juntas soldadas, bem como a produtividade, sejam influenciadas pela escolha adequada do tipo de transferência metálica do processo [12-15]. Os fabricantes de gases desenvolvem, cada vez mais, diferentes misturas, buscando a perfeita interação entre os fenômenos de ionização e dissociação que ocorrem no arco elétrico, bem como as características metalúrgicas da poça de fusão.
Poder-se-ia esperar que, com a realização de mudanças no revestimento do arame eletrodo, o comportamento das variáveis de soldagem, relacionadas diretamente com as características do arco elétrico, fossem alteradas pelas diferenças de contato elétrico produzidas entre o arame eletrodo revestido com cobre e com zinco, no bico de contato. No presente trabalho, não foram observadas variações significativas nos parâmetros de soldagem, que pudessem ser atribuídas ao tipo de revestimento do arame eletrodo. Entretanto, foi possível notar uma variação significativa no ajuste dos valores de tensão e corrente, para os diferentes tipos de gases de proteção utilizados. A Tabela 12 apresenta os valores médios de intensidade de corrente utilizados em
001/04-B1
Revestimento: Zinco. Gás: CO2.
001/04-B2
Revestimento: Zinco. Gás: 80%Ar + 20% CO2.
001/04-B3
Revestimento: Zinco. Gás: 92%Ar + 8% CO2.
70 Soldagem Insp., Vol. 10, No. 2, Abr/Jun 2005 cada passe para as peças de teste dos ensaios (05, 13, 14,
11, 18 e 21). Considerando a estabilidade do arco elétrico como condição principal para avaliação do revestimento de zinco em relação ao revestimento tradicional, observa-se uma tendência para níveis de corrente mais elevados, com a redução da porcentagem de CO2. Na Figura 2 pode-se observar que há uma pequena variação na variação na regulagem da corrente de soldagem para o mesmo gás proteção.
Tabela 12 – Efeito do Gás de Proteção e Tipo de Revestimento na Corrente de Soldagem por Passe.
Figura 2 – Efeito do Tipo de Gás de Proteção na Corrente de Soldagem Por Passe.
Na análise das macrografias, foi possível evidenciar os diferentes formatos de penetração, pertinentes aos diferentes tipos de gases de proteção utilizados. O formato em forma de concha e dedicular, característicos do CO2 e das misturas de argônio, respectivamente, foram semelhantes, independente do tipo de revestimento superficial do arame eletrodo. Em relação aos respingos, observou-se que, com a utilização do CO2, os respingos produzidos foram típicos deste tipo de gás de proteção, e com a utilização das misturas a base de argônio, a redução de respingos ocorreu de forma semelhante para os dois arames. Não foram evidenciadas
diferenças significativas na quantidade de respingos que pudessem ser atribuídas ao tipo de revestimento do arame. 4.3 – Influência dos gases de proteção nas propriedades das juntas soldadas
Utilizou-se a Norma ASME Seção IX [17], que trata da qualificação de procedimentos de soldagem, para avaliar-se a influência dos gases de proteção nas propriedades das juntas soldadas, para os dois tipos de revestimento dos arames eletrodo. Não foram observadas variações significativas na resistência mecânica das juntas soldadas, que pudessem ser atribuídas aos diferentes gases de proteção, ou ao tipo do revestimento do arame. O cordão de solda produzido com a combinação arame eletrodo revestido com cobre e dióxido de carbono, apresentou a fratura localizada no metal de solda, entretanto este resultado pode ser atribuído a resistência mecânica do metal de base, uma vez que os valores nominais obtidos para o limite de resistência com esta combinação, foram superiores aos resultados obtidos com as demais combinações arame e gás de proteção.
Quanto aos ensaios de dobramento, foram obtidos resultados positivos com CO2 para ambos os arames. Os resultados obtidos com as misturas a base de argônio não apresentaram convergência. Estas misturas apresentaram resultados aceitáveis para a combinação dos arames revestidos com cobre e zinco e a mistura 92%Ar + 8%CO2. Com a mistura 80%Ar+20%CO2, associada aos dois tipos de revestimentos, os ensaios apresentaram indicações que não atenderam a norma utilizada.
Os melhores resultados obtidos no ensaio de dobramento
com a proteção de CO2, independente do revestimento do
arame utilizado, pode ser atribuído às características de transferência metálica e ao formato de penetração obtidas com este gás de proteção. Por possuir maior condutividade térmica o CO2 propicia a condução de calor na direção radial ao arco elétrico, resultando em uma penetração em forma de concha. Para os gases com baixa condutividade térmica, como as misturas à base de argônio, o calor não se propaga radialmente no arco, resultando em uma penetração com formato dedicular [8-15].
4.4 – Vazão do gás de proteção
Investigou-se a possibilidade de reduzir a vazão do gás de proteção com a utilização do arame revestido com zinco, considerando que a volatilização do zinco no arco elétrico, proveniente do revestimento do arame, ocasionaria uma proteção gasosa adicional, permitindo a redução das vazões usualmente utilizadas no processo GMAW. Com vazões de gás de proteção na faixa de 5 l/min, para os dois tipos de revestimento (cobre e zinco), e bocal da tocha com diâmetro de 10mm, não foi observado nenhum problema de porosidade. Entretanto, não ficou evidenciado neste trabalho, que o arame revestido com zinco possa utilizar
vazões inferiores as usuais, pois o arame com revestido com cobre permitiu a utilização uma vazão relativamente baixa (5 l/min), e para valores inferiores, ocorreu porosidade para ambos os arames utilizados.
5. Conclusões
Dos resultados obtidos no presente trabalho, pode-se concluir:
a) O revestimento de zinco do arame eletrodo não prejudica a soldabilidade para os gases de proteção CO2, 80%Ar + 20%CO2 e 92%Ar + 8%CO2;
b) Para a utilização de arame eletrodo revestido com zinco, em fontes de energia sinérgica com parâmetros pré-programados pelo fabricante, deverão ser realizados alterações dos valores de tensão e corrente, compatíveis com o revestimento de zinco;
c) A utilização de misturas à base de argônio melhora a estabilidade do arco elétrico e a produtividade do processo GMAW, independente do tipo de revestimento do arame e;. d) A queima da camada de zinco não foi suficiente para reduzir a vazão do gás de proteção.
6. Agradecimentos
Os autores agradecem às Instituições pelo apoio prestado na execução do presente trabalho: SENAI/RJ-CETEC de Solda, CAPES, CNPq, FINEP e Belgo Bekaert Arames S.A.
7. Referências
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