UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
DANIEL GALEAZZI
ANÁLISE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UMA JUNTA
SOLDADA DE AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO AISI 410
Panambi 2016
DANIEL GALEAZZI
ANÁLISE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UMA JUNTA
SOLDADA DE AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO AISI 410
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Me Felipe Tusset
Panambi 2016
DANIEL GALEAZZI
ANÁLISE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS DE UMA JUNTA
SOLDADA DE AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO AISI 410
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA MECÂNICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Panambi, Novembro de 2016
Prof. Felipe Tusset Mestre pela Universidade de Passo Fundo – Orientador
BANCA EXAMINADORA
Prof. Cristiano Lopes Mestre pela Universidade de Passo Fundo
AGRADECIMENTOS
A minha mãe Marli Amaral Galeazzi e ao meu pai Gilson Daniel Galeazzi pelo apoio emocional e financeiro ao longo da graduação.
Ao meu irmão Eduardo Galeazzi e aos demais familiares pelo carinho.
A minha tia Enedir Borges Corrêa, ao meu tio Ivo Borges, junto do tio Antão Amaral Correa, à tia Zelda Terezinha Corrêa e a Dona Juraci Bueno Aguirres, por serem meus fiadores no empréstimo estudantil FIES.
Ao meu Orientador Felipe Tusset pela orientação e auxílio pratico ao longo deste trabalho.
“Há uma força motriz mais poderosa que o vapor, a eletricidade e a energia atômica: a vontade. ”
RESUMO
A presente pesquisa objetiva o desenvolvimento de uma metodologia cientifica eficaz para a soldagem de aços inoxidáveis martensíticos classe AISI 410, pois este é um material de baixa soldabilidade. Dentre as causas que contribuem para a mesma, tem-se a formação de trincas a frio, provocadas pela presença de hidrogênio associada à alta dureza, junto ao metal de solda. Está elevada dureza é resultante do ciclo térmico de aquecimento e rápido resfriamento que ocorre durante a soldagem, equivalente ao de um tratamento térmico de têmpera. Para comprovação da eficácia do método, desenvolveu-se um experimento pratico aplicando parâmetros definidos através pesquisas, aplicado segundo normas técnicas de qualificação, e procedimento operacional. Foram feitos ensaios mecânicos, para validação do procedimento adotado. Através dos testes notou-se um aumento significativo em algumas propriedades mecânicas, e melhora satisfatória na resistência a trincas. Este trabalho promoveu o desenvolvimento de um método eficiente para soldar os aços inoxidáveis martensíticos classe AISI 410, pois após analisar os dados obtidos e julga-los segundo a norma de qualificação AWS D1.1, verificou-se a qualidade do método, e sua viabilidade na aplicação industrial pela eficiência do mesmo.
ABSTRACT
This research aims to develop an effective scientific method for welding stainless steels martensitic grade AISI 410, as this is a low weldability material. Among the causes that contribute to the same, there is the formation of cold cracks caused by the presence of hydrogen associated with high hardness, with the weld metal. This high hardness is a result of the heat cycle of rapid heating and cooling that occurs during welding, equivalent to a tempering heat treatment. To prove the method's effectiveness, has developed a practical experiment by applying parameters defined through research, applied according to technical qualification standards, and operational procedures. Mechanical tests were performed to validate the procedure adopted. Through testing it was noted a significant increase in some mechanical properties, and satisfactory improvement in crack resistance. This work has promoted the development of an efficient method for welding stainless martensitic steel grade AISI 410, because after analyzing the data and judges them according to the qualification standard AWS D1.1, The quality of the method was verified, and its viability in the industrial application by the efficiency of the same.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Gráfico de consumo de produtos em aço inoxidável de 2010 até 2015. ... 13
Figura 2 – Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles... 16
Figura 3 – Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças. ... 16
Figura 4 – Soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido ... 18
Figura 5 – Efeito da concentricidade do revestimento ... 19
Figura 6 – Esquema do processo de soldagem. ... 20
Figura 7 – Tipos de Junta ... 21
Figura 8 – Generalidades dos tipos de chanfro... 21
Figura 9 – Elementos de um chanfro ... 22
Figura 10 – Composição de uma junta soldada ... 22
Figura 11 – Posições de soldagem ... 23
Figura 12 – Regiões de uma junta soldada ... 23
Figura 13 – Fissuração no centro do cordão em um passe único de alta penetração ... 25
Figura 14 – Trincas por hidrogênio na zona termicamente afetada numa junta em ângulo feita com um eletrodo rutílico... 28
Figura 15 - Caminhos do fluxo de calor em juntas de topo e em ângulo ... 28
Figura 16 – Decoesão lamelar na ZTA de uma junta de topo multipasse ... 30
Figura 17 – Princípios de (a) almofadamento e (b) almofadamento durante a própria soldagem para reduzir o risco de decoesão lamela ... 30
Figura 18 – Símbolo de soldagem e alguns de seus componentes e símbolos suplementares . 32 Figura 19 – Símbolos mais usuais na soldagem ... 33
Figura 20 – Exemplo de um símbolo para uma solda em chanfro de ½ V com dimensões ... 33
Figura 21 – Dimensões dos corpos de prova de tração e dobramento segundo a norma AWS D1.1 e ABNT NBR ISO 6892-1:2015 ... 35
Figura 22 – Representação esquemática da máquina de ensaio de tração... 37
Figura 23 – Esquema Ensaio de dobramento semi-guiado... 38
Figura 24 – Esquema geral de um ensaio de dureza. ... 38
Figura 25 – Diagrama de fase pseudo-binário Fe-C com 12%Cr... 40
Figura 26 – Diagrama transformação tempo-temperatura (TTT) para aço inoxidável 410 ... 41
Figura 27 - Influencia do C sobre a dureza da ZAC temperada e da solda para aços martensíticos com 12%Cr ... 42
Figura 28 – Efeito da temperatura de revenido sobre as propriedades do aço AISI 410 ... 43
Figura 29 - Efeito da temperatura de revenido sobre a resistência ao impacto do aço inoxidável Fe-12% Cr ... 43
Figura 30 – Organograma da Metodologia Experimental ... 45
Figura 31 – Junta B-U2 ... 47
Figura 32 – Detalhamento parcial das dimensões da junta B-U2 ... 47
Figura 38 – Forno Metalúrgico Brasimet K250 ... 50
Figura 39 – Posicionamento da junta ... 50
Figura 40 – Detalhe posição e fixação da junta na mesa ... 51
Figura 33 – Esboço da forma de retirada dos provetes da placa ... 53
Figura 34 – Disco de corte fino para aço inox ... 53
Figura 35 – Máquina universal de ensaios. ... 54
Figura 36 – Diagrama de disposição dos pontos de coleta de dureza ... 55
Figura 37 – Durômetro Analógico... 55
Figura 44 – Corpo de prova de tração conforme a norma AWS D1.1 e ABNT NBR ISO 6892-1 ... 56
Figura 45 – Corpo de prova preparado para ensaio com delimitação de comprimento útil ... 56
Figura 46 – Corpos de prova de tração após ensaio ... 57
Figura 41 – Análise do dobramento dos corpos de prova 01, 02 e 05 ... 58
Figura 42 – Analise da fratura dos corpos de prova de dobramento ... 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Normas de qualificação requeridas pelas normas de projeto e fabricação ... 35
Tabela 2 – Composição química dos materiais utilizados ... 47
Tabela 3 – Tabela de parâmetros de soldagem ... 49
Tabela 5 – Resultados dos ensaios de tração ... 57
Tabela 4 – Resultados ensaio de dobramento de face ... 58
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 JUSTIFICATIVA ... 14 1.2 OBJETIVO GERAL... 14 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 14 2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA ... 15
2.1 UNIÃO DOS METAIS ... 15
2.2 FORMAÇÃO DE UMA JUNTA SOLDADA ... 15
2.3 PROCESSO DE SOLDAGEM ... 16
2.4 SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM ELETRODO REVESTIVO ... 16
2.4.1 Definição ... 18
2.4.2 Funções dos revestimentos dos eletrodos ... 18
2.5 TERMINOLOGIA DE SOLDAGEM ... 19
2.6 A ZONA TERMICAMENTE AFETADA (ZTA) ... 23
2.7 DEFEITOS NO PROCESSO DE SOLDAGEM... 24
2.7.1 Trincas de solidificação ... 24
2.7.2 Trincas induzidas por hidrogênio ... 25
2.7.3 Porosidade ... 26
2.7.4 Inclusões ... 26
2.7.5 Defeitos de cratera ... 26
2.7.6 Falta de fusão e perfil do cordão desfavorável ... 27
2.7.7 Defeitos na ZTA ... 27 2.8 SÍMBOLOGIA DE SOLDAGEM ... 32 2.9 METODOLOGIA DE SOLDAGEM ... 34 2.10 ENSAIOS MECÂNICOS ... 36 2.10.1 Ensaio de tração... 36 2.10.2 Ensaio de Dobramento ... 37 2.10.3 Ensaio de Dureza ... 38 2.11 AÇO INOXIDÁVEL ... 39
2.11.1 Aço inoxidável ASTM AISI 410 ... 39
2.11.2 Soldabilidade do Aço Inoxidável Martensítico AISI 410 ... 41
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 45
3.2 METODOLOGIA PRÁTICA ... 50
4 RESULTADOS ... 56
4.1 ENSAIO DE TRAÇÃO... 56
4.2 ENSAIO DE DOBRAMENTO ... 58
4.3 ENSAIO DE DUREZA BRINELL ... 60
5 CONCLUSÃO ... 61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 62
ANEXO A ... 64
1 INTRODUÇÃO
O processo de soldagem é a união de dois ou mais corpos metálicos utilizando a fusão destes ou a fusão de um metal de adição em conjunto, este processo difundiu-se durante a II guerra mundial, devido a fabricação de navios e aviões soldados, apesar do arco elétrico ter sido desenvolvido no século XIX. Até hoje a soldagem é um dos processos mais utilizados na indústria, com a intensificação industrial, novos processos de soldagem foram inventados, visando aumentar a eficiência e a qualidade do processo, possibilitando a fabricação de peças cada vez mais complexas.
O conceito de soldabilidade abrange muitos detalhes. São consideradas principalmente as dificuldades encontradas durante a soldagem, bem como o comportamento do material soldado. Materiais que possuem boa soldabilidade, asseguram características mecânicas iguais ou até melhores que do material de base, sem a necessidade de providências especiais, porém em alguns materiais, como o aço inox martensítico apresentam dificuldade no processo de soldagem, para isto necessita-se de alguns processos de pré e pós soldagem, elevando o tempo de fabricação de peças soldadas com este material.
Em 1912, Harry Brearley desenvolveu um material resistente ao desgaste, porém devido ao alto teor de cromo que podem variar dos 10,5 aos 18% de cromo torna-se também um material resistente a corrosão, estes receberam o nome de aços inoxidáveis. A classificação destes aços se dá devido a sua microestrutura dividindo-se em aços inoxidáveis ferríticos, austeníticos e martensíticos, endurecíveis por precipitação e duplex que são aços com 2 tipos de microestrutura.
Dados divulgados pelo Fórum Internacional de Aço Inox ISSF (International Stainless
Steel Forum em 2016) a produção mundial de aço inoxidável foi de 140 milhões de toneladas,
em 2015, o que ilustra um aumento de aproximadamente 30% do consumo em relação a 2010, e prevê-se um aumento de 4% até 2017, como ilustra o gráfico na Figura 1 abaixo.
Os aços inoxidáveis martensíticos são essencialmente ligas Fe-Cr-C, com teores de cromo nominalmente na faixa de 10,5 a 18%, e de carbono até 1,2%, com capacidade em transformar de austeníta para martensita dentro de quase todas velocidades de resfriamento de acordo com ASM Handbook, Stainless Steels (1996).
Figura 1 – Gráfico de consumo de produtos em aço inoxidável de 2010 até 2015.
Fonte: ISSF, 2016.
Os aços inoxidáveis martensíticos mantém-se nos dias atuais como importantes ligas de aplicação na engenharia, possuindo uma ampla faixa de utilização em diversos meio ambientes. Os aços martensíticos convencionais são especificados para aplicações onde se requer boa resistência à tração, resistência à fluência e fadiga, em combinação com moderada resistência à corrosão e ao calor até aproximadamente 600°C. Por exemplo, o tipo AISI 410 (com 12% Cr) é utilizado na fabricação de peças para energia nuclear, turbinas a vapor, turbinas a gás, motores a jato e na indústria de petróleo.
Por ser um material de com alta taxa de cromo o aço martensítico, quando aquecido a temperatura acima de sua zona crítica, ou seja 815 a 900 ºC sofre autenitização parcial, gerando como produto ferrita e martensita, endurecendo mesmo sendo resfriado ao ar (300 K), sendo assim, um aço que gera dificuldade quando submetido ao processo de soldagem.
Para garantir a qualidade do processo de soldagem, para a execução desta pesquisa adotou-se a norma AWS D 1.1, esta regulamenta o processo de soldagem desde a construção da junta, até a dimensões padrões dos corpos de prova para os ensaios posteriormente.
1.1 JUSTIFICATIVA
A aplicação do aço inox martensítico é especifica quanto a lugares que exigem alta resistência a corrosão, temperatura e ao desgaste, abrangendo um campo especifico da engenharia, geralmente em locais de difícil acesso, como por exemplo, oleodutos, pás de turbinas tanto de jatos quanto de hidroelétricas, termoelétricas e etc. São locais extremos comparados com os ambientes cotidianos de fábricas, pois nestes encontram-se altos valores de pressão, temperatura e taxas elevadas de corrosão. Sendo assim exige-se um grau elevado de qualidade quanto a produção destas peças, e deve-se fazer de adequadamente a fim de garantir que o produto final possa atender as necessidades exigidas pelo seu ambiente de trabalho.
Um dos problemas do processo de soldagem do aço inox martensítico AISI 410, que através de pesquisa em algumas empresas da região do noroeste do estado que utilizam este material, é quanto a sua resistência a testes de dobra de juntas soldadas, apresentando trincas na região dobrada (maiores de 3 mm conforme a norma) que vem reprovando processos de soldagem nesta fase do teste, sendo que os testes são feitos segundo a norma AWS D1.1. Para solução deste problema pesquisou-se procedimentos de solda, dentre alguns pesquisados, destacou-se informações e parâmetros que pretendesse abordar em um experimento prático. 1.2 OBJETIVO GERAL
Analisar e executar um processo de soldagem com eletrodo revestido, para união de uma junta de aço inoxidável martensítico AISI 410, segundo a norma AWS D1.1.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para o alcance do objetivo principal anteriormente descrito será necessário o cumprimento dos objetivos específicos abaixo:
Definir um método eficiente para a soldagem da junta proposta;
Definir os parâmetros e posição de soldagem adequados;
Aplicar ensaios mecânicos de dureza, tração e dobramento para avaliar as condições da junta produzida.
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA
Apresenta neste capitulo uma revisão bibliográfica, apresentando-se uma pesquisa teórica de dados e conceitos sobre os principais fundamentos envolvidos no trabalho.
2.1 UNIÃO DOS METAIS
Para unir duas ou mais peças metálicas tem-se uma vasta gama de opções sendo elas parafusagem, rebitagem, colagem, conformação, soldagem e etc.
Os métodos de união dos metais podem ser divididos em duas categorias principais, isto é, aqueles baseados na ação de forças macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas – interatômicas e intermoleculares. No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem e a rebitagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo, a união é conseguida pela aproximação dos átomos ou moléculas das peças a serem unidas, ou destes e de um material intermediário adicionado à junta, até distancias suficientemente pequenas para a formação de ligações químicas, particularmente ligações metálicas e de Van der Waals. Como por exemplo desta categoria citam-se a brasagem, a soldagem e a colagem.
A soldagem é o mais importante processo de união de metais utilizado industrialmente. Este método de união, considerado em conjunto com a brasagem, tem importante aplicação desde a indústria microeletrônica até a fabricação de navios e outras estruturas com centenas de milhares de toneladas de peso. A soldagem é utilizada na fabricação de estruturas simples, como de grades de portões, assim como em componentes encontrados em aplicações com elevado grau de responsabilidade, como na indústria química, petrolífera e nuclear, e também na criação de peças de artesanato, joias e de outros objetos de arte.
(MODENESI E MARQUES, 2014) 2.2 FORMAÇÃO DE UMA JUNTA SOLDADA
Um objeto metálico é formado por um estrutura atômica denominada estrutura cristalina, esse arranjo define a microestrutura que cada material metálico apresentará.
De uma forma simplificada, uma peça metálica é formada por um grande número de átomos dispostos em um arranjo espacial característico (estrutura cristalina). Átomos localizados no interior desta estrutura são cercados por um número de vizinhos mais próximos, posicionados a uma distância r0, na qual a energia do sistema é mínima, conforme a Figura 2. Nesta situação, cada átomo está em sua condição de energia mínima, não tendendo a se ligar com nenhum átomo extra.
(MODENESI E MARQUES, 2014)
Na superfície de um metal, os átomos estão realizando menos ligações atômicas, sendo que a maior parte da energia está entre os átomos do seu interior, característica das ligações metálicas. Segundo Modenesi e Marques (2014), esta energia pode ser reduzida quando os átomos superficiais se ligam a outros. A formação de uma junta solda acontece pela aproximação duas peças metálicas a uma distância suficientemente para a formação de uma
ligação permanente, uma solda entre as peças seria formad, as vezes é necessário a utilização de uma energia externa para que haja essa ligação, como ilustrado na Figura 3.
Figura 2 – Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles.
Fonte: Modenesi e Marques, 2014.
Figura 3 – Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças.
Fonte: Modenesi e Marques, 2014. 2.3 PROCESSO DE SOLDAGEM
Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em subgrupos, por exemplo, de acordo com o tipo de fonte de energia usada para fundir as peças. Dentre estes, os processos de soldagem a arco (fonte de energia: arco elétrico) são os de maior importância industrial na atualidade. Devido à tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos de soldagem por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar estas reações, o trabalho irá concentrar-se no processo de solda por eletrodo revestido.
2.4 SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM ELETRODO REVESTIVO
Segundo a apostila de soldagem da ESAB (2000), após muitas experiências com a novidade tecnológica da época, um inglês chamado Wilde obteve a primeira patente de soldagem por arco elétrico em 1865. Ele uniu com sucesso duas pequenas peças de ferro
passando uma corrente elétrica através de ambas as peças e produzindo uma solda por fusão. Aproximadamente vinte anos depois, na Inglaterra, Nikolas Bernardos e Stanislav Olszewsky registraram a primeira patente de um processo de soldagem, baseado em um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada, fundindo os metais à medida que o arco era manualmente passado sobre a junta a ser soldada.
Em 1890, N.G. Slavianoff (Rússia) e Charles Coffin (EUA) desenvolveram, independentemente, a soldagem com eletrodo metálico nu. Dessa forma, durante os anos seguintes, a soldagem por arco foi realizada com eletrodos nus, que eram consumidos na poça de fusão e tornavam-se parte do metal de solda. As soldas eram de baixa qualidade devido ao nitrogênio e ao oxigênio na atmosfera formando óxidos e nitretos prejudiciais no metal de solda. No início do século XX, a importância da proteção ao arco contra os agentes atmosféricos foi percebida. Revestir o eletrodo com um material que se decompunha sob o calor do arco para formar uma proteção gasosa pareceu ser o melhor método para atingir esse objetivo. Como resultado, vários métodos de revestir os eletrodos, tais como acondicionamento e imersão, foram tentados.
Em 1904, Oscar Kjellberg, um engenheiro sueco, tinha um problema: ele precisava melhorar a qualidade dos trabalhos de reparo em navios e caldeiras em Gothenburg, o que resultou na invenção do primeiro eletrodo revestido, onde o revestimento era constituído, originalmente, de uma camada de material argiloso (cal), cuja função era facilitar a abertura do arco e aumentar sua estabilidade. Logo após, Oscar Kjellberg fundou a ESAB. Em 1907, Oscar Kjellberg patenteou o processo de soldagem a arco com eletrodo revestido.
Esses esforços culminaram no eletrodo revestido extrudado em meados dos anos 1920, melhorando muito a qualidade do metal de solda e proporcionando aquilo que muitos consideram o mais significativo avanço na soldagem por arco elétrico.
A busca contínua do aumento da produtividade propiciou o desenvolvimento de novos processos de soldagem.
No entanto, ainda nos dias de hoje, é um processo muito empregado graças à sua grande versatilidade, ao baixo custo de operação, à simplicidade dos equipamentos necessários e à possibilidade de uso em locais de difícil acesso ou sujeitos a ventos.
As desvantagens do processo são a baixa produtividade, os cuidados especiais que são necessários no tratamento e manuseio dos eletrodos revestidos e o grande volume de gases e fumos gerados durante a soldagem.
Mesmo assim, ainda continua a ser um processo de soldagem empregado na fabricação e montagem de equipamentos, na área de manutenção e reparos, em construções no campo, na
soldagem por gravidade em estaleiros e de modo mais abrangente, na soldagem em geral de chapas de espessura variando de 3 mm a 40 mm, conforme a apostila da ESAB (2005).
2.4.1 Definição
Soldagem é o processo de união de materiais usados para obter a coalescência (união) localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição, segundo a AWS D1.1 (2015).
A soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido (Shielded Metal Arc Welding – SMAW), também conhecida como soldagem manual a arco elétrico, é o mais largamente empregado dos vários processos de soldagem. A soldagem é realizada com o calor de um arco elétrico mantido entre a extremidade de um eletrodo metálico revestido e a peça de trabalho de acordo com a Figura 4. O calor produzido pelo arco funde o metal de base, a alma do eletrodo e o revestimento. Quando as gotas de metal fundido são transferidas através do arco para a poça de fusão, são protegidas da atmosfera pelos gases produzidos durante a decomposição do revestimento. A escória líquida flutua em direção à superfície da poça de fusão, onde protege o metal de solda da atmosfera durante a solidificação. Outras funções do revestimento são proporcionar estabilidade ao arco e controlar a forma do cordão de solda, conforme apostila ESAB (2005).
Figura 4 – Soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido
Fonte: ESAB, p. 5, 2000.
2.4.2 Funções dos revestimentos dos eletrodos
Segundo ESAB (2005) a concentração e a direção do fluxo do arco é conseguida obtendo-se uma cratera no revestimento algo parecida com o bico de uma mangueira d'água, dirigindo o fluxo do metal de solda. Quando o revestimento não estiver concêntrico com a alma
metálica, pode causar a condição B da Figura 5. A má direção do arco ocasiona cordões de solda inconsistentes, proteção deficiente e falta de penetração. O eletrodo queima de modo irregular, deixando uma projeção no lado onde o revestimento é mais espesso. Essa condição é conhecida como unha.
Figura 5 – Efeito da concentricidade do revestimento
Fonte: ESAB, p. 6, 2000.
Segundo ESAB (2005), os ingredientes que são usualmente empregados nos revestimentos podem ser classificados fisicamente, grosso modo, como líquidos e sólidos. Os líquidos são geralmente o silicato de sódio e o silicato de potássio. Os sólidos são pós ou materiais granulados que podem ser encontrados livres na natureza, e necessitam apenas de concentração e redução de tamanho até o tamanho de partícula adequado. Outros materiais sólidos empregados são produzidos como resultado de reações químicas, tais como ligas ou outros compostos sintéticos complexos. O tamanho da partícula do material sólido é um fator importante. A estrutura física dos ingredientes do revestimento pode ser classificada como cristalina, fibrosa ou amorfa (não-cristalina). Materiais cristalinos como rutilo, quartzo e mica são comumente utilizados. O rutilo é a ocorrência natural do mineral dióxido de titânio (TiO2), e é largamente empregado no revestimento dos eletrodos.
2.5 TERMINOLOGIA DE SOLDAGEM
Conforme Modenesi e Marques (2014), a soldagem é um dos mais importantes processos de união de metais usado industrialmente. Apresentando aplicações em uma vasta gama de objetos, desde os mais simples até os mais complexos onde exige-se um grau elevado de segurança tanto ambiental como a vida humana. Em muitas destas aplicações, a soldagem pode complementar ou competir com outros processos de união.
Segundo Modenesi (2008) cita em sua apostila, que a soldagem possui um conjunto de termos muito próprios, porém estes termos muitas vezes são utilizados de forma erronia.
Este parte do texto apresentará, alguns destes termos e suas definições, além de ressaltar alguns aspectos importantes destes termos. Modenisi (2008) deixa claro, que existem variações destes nas diferentes regiões do Brasil e, possivelmente, entre empresas vizinhas.
Soldagem (Welding): É definido com um processo de união de materias, a Solda (weld) é o resultado deste processo. É similar, por exemplo, a Fundição e Fundido (ou peça fundida) e Laminação e Produto laminado (por exemplo, uma chapa), conforme Modenesi (2008).
Metal Base (base metal): É o material da peça que passa pelo processo de soldagem.
Metal de Adição (filler metal): Material adicionado, no estado líquido, durante a soldagem por fusão (ou a brasagem). O metal de adição deve ser selecionado de acordo com o metal base, as características e a aplicação da junta a ser soldada.
Poça de Fusão (weld pool): Região em fusão, onde está concentrado o metal de adição e o metal de base no estado liquido, conforme ilustra a Figura 6 no digrama a seguir.
Penetração (penetration): Distância entre a superfície do metal base e o ponto final da poça de fusão como ilustra a Figura 6 a seguir.
Figura 6 – Esquema do processo de soldagem.
Fonte: Modenesi e Marques, 2014.
Junta (joint): Região entre duas ou mais peças que serão unidas
Tipos de Junta (Joint Type): Os tipos mais usuais de junta são: de topo (butt), de ângulo (tee), de canto (corner), sobreposta (lap) e de aresta (edge), conforme Figura 7.
Figura 7 – Tipos de Junta
Fonte: Modenesi e Marques, 2014.
Chanfro (groove): É um corte efetuado na junta que possibilita a soldagem com as características desejadas como ilustra a Figura 8, é adotado quando tem-se espessuras elevadas o que impede a utilização correta do processo de soldagem, conforme Modenesi (2008)
Chanfro é um corte efetuado na junta para possibilitar/facilitar a obtenção de uma solda com a penetração desejada. É usado quando a espessura dos componentes da junta impede a obtenção da penetração desejada sem o chanfro. O uso de um chanfro diferente do tipo I, implica na necessidade de se usar metal de adição. A escolha do tipo de chanfro e suas dimensões dependem de muitos fatores como a material base, sua espessura, o tipo de junta, o processo de soldagem, a possibilidade de se acessar os dois lados da junta, a posição de soldagem e as características desejadas para a junta.
(MODENESI, 2008).
Figura 8 – Generalidades dos tipos de chanfro
Fonte: Modenesi e Marques, 2014.
Modenesi (2008) diz que soldas em juntas de topo e ângulo podem ser de penetração total (penetração em toda a espessura de um dos componentes da junta) ou parcial. Sendo que solda de penetração total apresentam um melhor comportamento mecânico, porém de apresentam difícil execução. Portanto quando não há necessidade de soldas de penetração total adota-se as soldas de penetração parcial, ou seja, que não preenchem toda a espessura da peça. Os chanfros que compõem uma junta devem atender padrões e necessidades, sendo dimensionados em função do tipo de material, para que ocorra o processo adequando, portanto dividem-se de forma geral em encosto de nariz (S) que é a parte não chanfrada da junta, abertura ou folga (f) sendo a menor distância entre as peças a serem soldadas, ângulo de abertura da junta (α) e ângulo de chanfro (β), de acordo com a Figura 9.
Figura 9 – Elementos de um chanfro
Fonte: Modenesi e Marques, 2014.
Os elementos de um chanfro são escolhidos de forma a permitir um fácil acesso até o fundo da junta, mas, idealmente, com a menor necessidade possível de metal de adição.
Segundo Modenesi (2008), uma junta soldada é composta por algumas regiões, sendo as principais, raiz que é a região mais profunda do cordão de solda, a face que é a região oposta a raiz, o passe sendo este local onde é depositado o metal de adição e formasse a poça de fusão, em uma junta pode-se fazer um passe ou multi passes dependendo da espessura da junta, e a margem, sendo uma linha de encontro entre a face da solda e a superfície do metal de base, a Figura 10 ilustra a composição de uma junta soldada.
Figura 10 – Composição de uma junta soldada
Fonte: Modenesi e Marques, 2014
Para realizar o processo de soldagem além da escolha do tipo de chanfro que compõem a junta, deve-se estabelecer o tipo de posição de soldagem, existem diferentes posições para realizar-se a soldagem, sendo dividas em plana sendo que a soldagem é feita no lado superior de uma junta e a face da solda é aproximadamente horizontal. Posição horizontal onde o eixo da solda é aproximadamente horizontal, mas a sua face é inclinada. Sobrecabeça sendo feita do lado inferior de uma solda de eixo aproximadamente horizontal. Vertical onde o eixo da solda é aproximadamente vertical. A soldagem pode ser “para cima” ou “para baixo”. A Figura 11 demonstra de forma mais clara as diferentes posições. (Modensi, 2008).
Figura 11 – Posições de soldagem
Fonte: Modenesi e Marques, 2014
Segundo Modenesi (2008), uma junta soldada é formada por diferentes regiões, pode-se considerar que esta é formada de forma generalizada por três elementos, pode-sendo estes, o metal de base que é o material que compões a junta, zona termicamente afetada (ZTA) que é o local do metal base aquecida durante a soldagem a temperaturas capazes de causarem mudanças na microestrutura e propriedades do material. Tende a ser a região mais crítica de uma junta soldada. Zona fundida (ZF) que é a região que, em algum momento durante a soldagem, esteve no estado líquido. Como mostra a Figura 12 a seguir.
Figura 12 – Regiões de uma junta soldada
Fonte: Modenesi e Marques, 2014. 2.6 A ZONA TERMICAMENTE AFETADA (ZTA)
Segundo a apostila ESAB (2005), as soldas por fusão podem ser realizadas sem acumular um gradiente térmico no metal de base. A dispersão de calor para o metal soldado é direramento influenciado pela temperatura da possa de fusão e pela velocidade de operação. Aumentando a energia no processo de soldagem junto da velocidade pode-se reduzir o gradiente térmico.
Num ponto da ZTA logo além da borda da poça de fusão a temperatura aumenta rapidamente a um nível próximo do da poça de fusão e diminui rapidamente produzindo um efeito como o de têmpera. Em aços essa região torna-se austenítica
durante o aquecimento e pode conter o constituinte duro conhecido como martensita quando se resfria. Essa região desenvolve grãos grosseiros (região de crescimento de grão), porém um pouco mais além, onde a temperatura não foi tão alta, entrando na faixa acima da temperatura de transformação, mas não atingindo a região austenítica, o tamanho de grão é menor (região de refino de grão). Mais além ainda, não há alteração no tamanho de grão, mas o calor é suficiente para reduzir a dureza dessa região e eliminar até certo ponto os efeitos de qualquer encruamento (região intercrítica). Efeitos metalúrgicos similares são também observados na ZTA após cortes com aporte térmico. Em materiais endurecíveis por solução sólida como ligas de alumínio, por exemplo, a região próxima à poça de fusão torna-se efetivamente solubilizada por tratamento térmico e terá sua dureza aumentada com o tempo ou com um tratamento térmico subsequente a baixas temperaturas, causando endurecimento por precipitação. Em materiais que não sofrem transformação, como os aços, nem endurecem por solução sólida, como ligas de alumínio tratáveis termicamente, os efeitos do calor são mais simples, sendo aplicados principalmente para reduzir a dureza e para a eliminação completa ou parcial do encruamento.
(APOSTILA DE SOLDAGEM ESAB, 2005)
ESAB (2005), afirma que nem sempre a condição de soldagem é tão simples como foi descrita na citação acima pois os metais de base são frequentemente imperfeitos, sendo também possível para a poça de fusão introduzir hidrogênio na zona termicamente afetada. Portanto, uma região potencial de defeitos e seu comportamento em um material qualquer é um aspecto importante da consideração de soldabilidade. A Soldabilidade é uma propriedade do material que não pode ser definida facilmente, pois varia com o processo empregado e com a maneira como o processo é utilizado. Materiais com baixa soldabilidade podem ser unidos por solda de forma eficiente desde que sejam tomados cuidado na seleção do metal de adição, no controle da soldagem e na inspeção final.
2.7 DEFEITOS NO PROCESSO DE SOLDAGEM
Quando um processo de solda não é dimensionado adequadamente, ou aplicado corretamente pode-se ter como resultado uma solda de má qualidade e com diversas divergências conhecidas como defeitos de solda, que comprometem a integridade mecânica da peça, tornando-a impropria para sua aplicação desejada, devido à falta de algumas propriedades mecânicas que atendam os padrões necessários para a aplicação segura da mesma na indústria.
2.7.1 Trincas de solidificação
Segundo a apostila da ESAB (2013), a maioria dos aços pode ser soldada com um metal de solda de composição similar à do metal de base. Muitos aços com alto teor de liga e a maioria das ligas não ferrosas requerem eletrodos ou metal de adição diferentes do metal de base porque possuem uma faixa de temperatura de solidificação maior do que outras ligas. Isso torna essas ligas suscetíveis à fissuração de solidificação ou a quente, que pode ser evitada mediante a escolha de consumíveis especiais que proporcionam a adição de elementos que
reduzem a faixa de temperatura de solidificação. A fissuração a quente também é fortemente influenciada pela direção de solidificação dos grãos na solda de acordo com a Figura 13. Quando grãos de lados opostos crescem juntos numa forma colunar, impurezas e constituintes de baixo ponto de fusão podem ser empurrados na frente de solidificação para formar uma linha fraca no centro da solda. Soldas em aços de baixo carbono que porventura possam conter alto teor de enxofre podem se comportar dessa forma, de modo que pode ocorrer fissuração no centro da solda. Mesmo com teores normais de enxofre pode ainda existir a linha fraca no centro da solda que pode se romper sob as deformações de soldagem, sendo por este motivo que cordões de penetração muito profunda são normalmente evitados, conforme a apostila da ESAB (2013).
Figura 13 – Fissuração no centro do cordão em um passe único de alta penetração
Fonte: Apostila metalurgia da solda, ESAB, 2005.
2.7.2 Trincas induzidas por hidrogênio
Segundo a apostila da ESAB (2013), esse modo de fissuração acontece a temperaturas próximas do ambiente, sendo mais comumente observada na zona termicamente afetada. O hidrogênio é introduzido na poça de fusão através da umidade ou do hidrogênio contidos nos compostos dos fluxos ou nas superfícies dos arames ou do metal de base, resultando em que a poça de fusão e o cordão de solda já solidificado tornam-se um reservatório de hidrogênio dissolvido. Numa poça de fusão de aço o hidrogênio se difunde do cordão de solda para as regiões adjacentes da zona termicamente afetada que foram reaquecidas suficientemente para formar austeníta. À medida que a solda se resfria a austeníta se transforma e dificulta a difusão posterior do hidrogênio. O hidrogênio retido nessa região adjacente ao cordão de solda pode causar fissuração.
2.7.3 Porosidade
A porosidade pode ocorrer de três modos. Primeiro, como resultado de reações químicas na poça de fusão, isto é, se uma poça de fusão de aço for inadequadamente desoxidada, os óxidos de ferro poderão reagir com o carbono presente para liberar monóxido de carbono (CO). A porosidade pode ocorrer no início do cordão de solda na soldagem manual com eletrodo revestido porque nesse ponto a proteção não é totalmente efetiva. Segundo, pela expulsão de gás de solução à medida que a solda solidifica, como acontece na soldagem de ligas de alumínio quando o hidrogênio originado da umidade é absorvido pela poça e mais tarde liberado. Terceiro, pelo aprisionamento de gases na base de poças de fusão turbulentas na soldagem com gás de proteção, ou o gás evoluído durante a soldagem do outro lado de uma junta em "T" numa chapa com tinta de fundo. A maioria desses efeitos pode ser facilmente evitada, embora a porosidade não seja um defeito excessivamente danoso às propriedades mecânicas, exceto quando aflora à superfície. Quando isso acontece, pode favorecer a formação de entalhes que poderão causar falha prematura por fadiga, por exemplo. De acordo com a apostila da ESAB (2013).
2.7.4 Inclusões
ESAB (2013) cita que inclusões são elementos adjacentes ao processo de solda que aderem ao cordão de solda em formação, tornando-o defeituoso em uma composição. É mais provável de as inclusões ocorrerem entre passes subsequentes ou entre o metal de solda e o chanfro do metal de base. A causa mais comum é a limpeza inadequada entre passes agravada por uma técnica de soldagem ruim, com cordões de solda sem concordância entre si ou com o metal de base. Assim como na porosidade, inclusões isoladas não são muito danosas às propriedades mecânicas, porém inclusões alinhadas em certas posições críticas como, por exemplo, na direção transversal à tensão aplicada, podem iniciar o processo de fratura. Há outras formas de inclusões que são mais comuns em soldas de ligas não ferrosas ou de aços inoxidáveis do que em aços estruturais. Inclusões de óxidos podem ser encontradas em soldas com gás de proteção onde o gás foi inadequadamente escolhido ou inclusões de tungstênio na soldagem GTAW (TIG) com correntes muito altas para o diâmetro do eletrodo de tungstênio ou quando este toca a peça de trabalho.
2.7.5 Defeitos de cratera
Segundo ESAB (2013) a granulação no metal de solda é geralmente colunar. Esses grãos tendem a crescer a partir dos grãos presentes nos contornos de fusão e crescem
afastando-se da interface entre o metal líquido e o metal de baafastando-se na direção oposta ao escoamento de calor. Um ponto fundido estacionário teria naturalmente um contorno aproximado no formato circular, porém o movimento da fonte de calor produz um contorno em forma de lágrima com a cauda na direção oposta ao movimento. Quanto maior for a velocidade de soldagem, mais alongado será o formato da cauda. Se a fonte de calor for repentinamente removida, a poça fundida solidifica com um vazio que é denominado cratera. A cratera está sujeita a conter trincas de solidificação na forma de estrela. As técnicas de soldagem ao final do cordão de solda são desenvolvidas para corrigir esse fenômeno voltando o arco por alguns momentos para preencher a poça de fusão ou até mesmo reduzindo gradualmente a corrente enquanto se mantém o arco estático.
2.7.6 Falta de fusão e perfil do cordão desfavorável
São defeitos comuns fáceis de se evitar, causados pela utilização inadequada dos parâmetros de soldagem, conforme a apostila de soldagem ESAB (2013).
2.7.7 Defeitos na ZTA
Segundo ESAB (2005) A ZTA, é a região mais fragilizada pelo processo de soldagem e cita alguns dos defeitos que podem ocorrer na mesma, sendo eles:
Fissuração por hidrogênio (designada também por fissuração sob cordão);
Decoesão lamelar;
Trincas de reaquecimento;
Fissuração por corrosão sob tensão;
Trincas de liquação ou microfissuração.
2.7.7.1 Fissuração da ZTA por hidrogênio
Conforme ESAB (2005) esse tipo de fissuração pode ocorrer nos aços e resulta da presença de hidrogênio numa microestrutura temperada suscetível à fissuração como a martensita, aliada à tensão aplicada. Normalmente pouco pode ser feito sobre a tensão, embora seja conhecido que juntas com aberturas excessivas sejam mais suscetíveis à fissuração. As medidas práticas para evitar a fissuração dependem de reduzir o hidrogênio na poça de fusão e evitar uma ZTA endurecida.
Quando a região próxima à solda se resfria a mobilidade do hidrogênio diminui e ele tende a permanecer onde puder causar fissuração de acordo com a Figura 14. O nível de hidrogênio é controlado por um tipo adequado de consumível de soldagem e pela garantia de
que ele esteja seco. Eletrodos rutílicos depositam metal de solda com teor de hidrogênio maior que eletrodos básicos, que são os preferidos para a soldagem de aços de alta resistência e também para juntas com espessura superior a 25 mm. Quando se soldam aços altamente sensíveis ao hidrogênio difusível pode ser empregado um eletrodo inoxidável austenítico já que esse metal de solda não sofre transformação metalúrgica e resulta em um bom recipiente para o hidrogênio de acordo com ESAB (2005).
Para qualquer aço a dureza atingida na ZTA depende diretamente da taxa de resfriamento e quanto maior a taxa de resfriamento mais facilmente a estrutura pode trincar. Um importante fator influenciando a taxa de resfriamento é a massa de material sendo soldada: quanto maior a espessura da junta, maior a velocidade de resfriamento.
(APOSTILA ESAB, 2005).
Figura 14 – Trincas por hidrogênio na zona termicamente afetada numa junta em ângulo feita com um eletrodo rutílico
Fonte: Apostila metalurgia da solda, ESAB, 2005.
O tipo de junta também afeta a taxa de resfriamento pelo número de caminhos ao longo dos quais o calor pode fluir. Numa junta de topo há dois caminhos. Por outro lado, numa junta em ângulo há três caminhos, de tal modo que um cordão de solda de mesmo tamanho nessa junta resfria-se mais rapidamente, segundo a Figura 15.
Figura 15 - Caminhos do fluxo de calor em juntas de topo e em ângulo
ESAB (2005) apresenta duas formas de controle da microestrutura. O primeiro, escolhendo um aço que tenha uma temperabilidade adequada sendo que a temperabilidade de um aço é determinada por seu teor de carbono e de outros elementos de liga como manganês, cromo, molibdênio e vanádio. Portanto reduzindo-se a taxa de resfriamento que, para qualquer tipo de junta, pode ser conseguido de duas maneiras:
Elevando o aporte térmico pelo aumento do tamanho do cordão de solda e/ou reduzindo a velocidade de soldagem. Em termos de soldagem ao arco elétrico, isso significa empregar eletrodos de diâmetro maior;
Empregando pré-aquecimento. A fissuração induzida por hidrogênio ocorre apenas temperaturas em torno da temperatura ambiente, de modo que, se for realizado um pós-aquecimento (manutenção da temperatura após a soldagem) por um tempo dependente da espessura do aço, haverá a difusão do hidrogênio para fora da região da solda antes que a fissuração possa acontecer.
ESAB (2005) afirma que se tomando cuidado, a fissuração na ZTA pode ser evitada, mas é um defeito difícil de ser notado, particularmente em juntas em ângulo, onde pode aparecer na garganta da junta, que é uma área sujeita a concentração de tensões. Como uma alta taxa de resfriamento é um grande agente contribuinte para a fissuração por hidrogênio, pequenos cordões de solda como pontos de solda (ou mesmo aberturas involuntárias de arco) são sítios potenciais para a ocorrência desse fenômeno, devendo ser tratados com o mesmo cuidado que a solda principal ou definitiva.
2.7.7.2 Decoesão lamelar
Segundo ESAB (2005) este defeito ocorre em chapas grossas como resultado de imperfeições no metal de base acentuadas pelas deformações de soldagem e projeto de junta inadequado. As chapas são afetadas devido as suas pobres propriedades ao longo da espessura provenientes de regiões finas de inclusões não metálicas dispostas em camadas paralelas à superfície. Essas são abertas pelas deformações de soldagem, formam trincas próximas à ZTA e se propagam na forma de degraus conforme a Figura 16.
Agrava-se esta condição pela presença de até mesmo pequenas quantidades de hidrogênio. Se existir a suspeita de que o aço possa ser suscetível à decoesão lamelar, as juntas devem ser projetadas para evitar ao máximo a contração que ocorre na direção da espessura, isto é, evitando juntas cruciformes ou cordões espessos junto do empregando eletrodos básicos adequadamente ressecados de acordo com o que é explicado pela apostila da ESAB (2005).
ESAB (2005) sugere almofadar a região com multi passes, para proteger áreas sensíveis é útil antes da solda definitiva ou durante a própria soldagem que seria, na realidade, uma sequência de passes controlada de acordo com a Figura 17. É melhor, contudo, estimar o risco de decoesão lamelar antes que a solda comece e, se necessário, pedir a chapa de aço com propriedades apropriadas na direção da espessura.
Figura 16 – Decoesão lamelar na ZTA de uma junta de topo multipasse
Fonte: Apostila metalurgia da solda, ESAB, 2005.
Figura 17 – Princípios de (a) almofadamento e (b) almofadamento durante a própria soldagem para reduzir o risco de decoesão lamela
Fonte: Apostila metalurgia da solda, ESAB, 2005.
2.7.7.3 Trincas de reaquecimento
Esse fenômeno segundo ESAB (2005) pode acontecer em alguns aços de baixa liga nos contornos de grão, normalmente na região de granulação grosseira da ZTA, após a solda ter entrado em serviço a altas temperaturas ou ter sido tratada termicamente. As causas reais para esse fenômeno são complexas e não estão completamente entendidas, mas o mecanismo pode envolver endurecimento no interior dos grãos pelos formadores de carbonetos como cromo, molibdênio e vanádio, concentrando a deformação nos contornos de grão que, se contiverem impurezas como enxofre, fósforo, estanho, antimônio e arsênio, poderá haver colapso nessas regiões.
2.7.7.4 Fissuração por corrosão sob tensão
ESAB (2005), define que a fissuração por corrosão pode ocorrer em muitos materiais e está usualmente associada à presença de um meio corrosivo como, por exemplo, sulfeto de hidrogênio (H2S), podendo atacar a região endurecida da ZTA em tubulações de aço. Por isso é especificada muitas vezes uma dureza máxima. Precauções gerais contra a corrosão sob tensão incluem a seleção cuidadosa do metal de base e de um tratamento pós-soldagem adequado para reduzir as tensões e colocar a ZTA em sua condição microestrutural mais adequada.
2.7.7.5 Trincas de liquação
Outros possíveis defeitos na ZTA segundo ESAB (2005) incluem trincas de liquação causadas pela fusão de constituintes de baixo ponto de fusão presentes nos contornos de grão, resultando em micro trincas que podem posteriormente formar sítios de propagação de trincas maiores.
2.8 SÍMBOLOGIA DE SOLDAGEM
Símbolos padronizados são usados para indicar a localização, detalhes do chanfro e outras informações de operações de soldagem em desenhos de engenharia. Existem sistemas de símbolos de soldagem desenvolvidos em normas de diferentes países.
No Brasil, o sistema mais usado é o da American Welding Society, através de sua norma AWS A2.4, Symbols for Welding and Nondestructive Testing. Contudo, símbolos baseados em normas de outros países são, também, usados.
Como estes símbolos são similares aos da AWS, mas apresentam diferenças em detalhes, isto pode levar à interpretação errada de desenhos, a Figura 18 demonstra o símbolo de soldagem e alguns de seus componentes e símbolos suplementares, que são essências para a compreensão do processo e das variáveis que devem ser levadas em consideração na execução.
Um símbolo completo de soldagem consiste dos seguintes elementos:
Linha de referência (sempre horizontal);
Seta;
Símbolo básico da solda;
Dimensões e outros dados;
Símbolos suplementares;
Símbolos de acabamento;
Cauda;
Especificação de procedimento, processo ou outra referência.
A aplicação correta da simbologia e das informações contidas no detalhamento da solda é fundamental para a eficiência do processo, a Figura 20 ilustra um exemplo de aplicação de simbologia de solda em uma junta com solda em chanfro de ½ V com dimensões.
Figura 18 – Símbolo de soldagem e alguns de seus componentes e símbolos suplementares
Figura 19 – Símbolos mais usuais na soldagem
Fonte: AWS A2.4, 2010.
Figura 20 – Exemplo de um símbolo para uma solda em chanfro de ½ V com dimensões
2.9 METODOLOGIA DE SOLDAGEM
Conforme FBTS (2016), os materiais utilizados na fabricação dos equipamentos possuem propriedades mecânicas conhecidas. O projeto dos equipamentos é feito com base nestas propriedades. Quando à fabricação dos equipamentos é feita pela soldagem de dois ou mais materiais, é necessário garantir que esta união resista da mesma forma que os materiais empregados. Para tanto, o projetista necessita conhecer, quais as propriedades que a junta soldada terá.
Na soldagem, em razão dos efeitos da temperatura, não é suficiente conhecer somente as propriedades do metal de base e do metal de solda, individualmente. É necessário também, conhecer as propriedades mecânicas de toda a junta soldada, ou seja: do metal de base, da zona afetada termicamente e do metal de solda, em conjunto. Isto é feito, através da qualificação do procedimento de soldagem, segundo FBTS (2016).
A qualificação de procedimentos de soldagem, segundo FBTS (2016) é um procedimento particular onde prova-se ser adequado para produzir juntas soldadas de qualidade satisfatória através de testes. A qualificação é feita pela soldagem de peças de teste, de acordo com o procedimento previamente estabelecido, e pela avaliação dos resultados dos ensaios em corpos de prova extraídos da peça de teste. A avaliação dos resultados é feita em comparação com o critério de aceitação, estabelecido pela norma de qualificação aplicável.
Os requisitos para a qualificação dos procedimentos de soldagem variam largamente de uma norma para outra. Uma qualificação feita segundo uma norma, geralmente não tem validade para outra norma. É necessário, portanto, que o inspetor de soldagem esteja consciente de que os requisitos da norma aplicável estejam sendo seguidos, na qualificação dos procedimentos, conforme FBTS (2016).
A Tabela 1 mostra as normas mais usuais, de projeto e fabricação de equipamentos, e as respectivas normas de qualificação especificadas, que abrangem a maior parte das industrias atualmente.
Para a pesquisa realizada adotou-se como norma a AWS D1.1, pois esta atende as faixas de domínio da posição de soldagem para os testes de qualificação de procedimento de soldagem que pretendesse fazer na junta a ser testada, e o operador que realizará o procedimento de soldagem é inspetor de solda qualificado segundo a mesma, este sendo CWI (Certified
Welding Inspector).
A norma apresenta requisitos mínimos para aprovação de um procedimento de solda, como testes de tração e dobramento em 3 ou 5 corpos de prova fabricados conforme os
requisitos ou dimensões apresentadas na norma, como ilustra a Figura 21, também foram feitas medições de dureza nas principais regiões da junta sendo estas, metal de base, ZTA, zona fundida, foram feitas 5 impressões em cada região, totalizando 25 impressões de dureza ao longo da junta.
Tabela 1 – Normas de qualificação requeridas pelas normas de projeto e fabricação
Códigos de Qualificação Norma
ASME I ASME IX
ASME III ASME IX
ASME VIII Div. 1/ Div. 2 ASME IX
ANSI B31.1 ASME IX
ANSI B31.3 ASME IX
ANSI B31.4 ASME IX e API 1104
ANSI B31.8 ASME IX e API 1104
API 620 ASME IX
API 650 ASME IX
AWS D1.1 AWS D1.1
Fonte: Autor, 2016.
A AWS D1.1 também apresenta requisitos mínimos de local e ambiente, sendo solicitado temperatura ambiente de 27º C ± 5 ºC (300 K) e umidade relativa do ar de 60%, local limpo e iluminado adequadamente, junto de uma bancada de trabalho adequada ao processo, com ferramentas e equipamentos inspecionados e calibrados, para estes requisitos utilizou-se para inspeção do local de trabalho a norma ISO/IEC 17025, que trata dos requisitos mínimos para competência de testes de calibração em laboratórios. Adota-se estes requisitos para obter-se um padrão que possa obter-ser reproduzido novamente quando necessário, ou obter-seja, um padrão de repitibilidade.
Figura 21 – Dimensões dos corpos de prova de tração e dobramento segundo a norma AWS D1.1 e ABNT NBR ISO 6892-1:2015
2.10 ENSAIOS MECÂNICOS
Na engenharia, seja para o projeto e manufatura de pequenos ou grandes componentes, é fundamental o conhecimento do comportamento do material com que se trabalha, isto é, suas propriedades mecânicas em várias condições de uso. As condições de uso envolvem: temperaturas, tipo de cargas e sua frequência de aplicação, desgaste, deformabilidade, etc.
Para a realização dos testes do processo de soldagem da junta foram utilizadas 3 metodologias de ensaios mecânicos destrutivos sendo eles:
Dureza;
Dobramento;
Tração
2.10.1 Ensaio de tração
Segundo Callister (2014) o ensaio de tração consiste na aplicação de uma forma uniaxial ao eixo vertical da máquina de ensaio, afim de puxar uma das pontas de um corpo de prova padrão até sua ruptura, obtendo dados de força de escoamento que é a mudança de estado de elástica para plástico, força máxima, força de ruptura, que posteriormente são transformados em tensão de escoamento, tensão máxima e tensão ruptura, dividindo a força encontrada pela sua área inicial, e alongamento máximo.
Nos corpos de provas normalmente a seção reta é circular, porém corpos de provas planos também são usados, onde sua seção transversal é um retângulo. Durante os ensaios, a deformação fica confinada à região central, mais estreita do corpo de prova. As dimensões dos provetes são definidas por normas, em função do tamanho da matriz que será retirada o corpo de prova, conforme Callister (2014).
O corpo de prova é preso pelas extremidades nas garras de fixação do dispositivo de testes. A máquina de ensaio de tração é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, além de medir contínua e simultaneamente a carga instantânea aplicada e os alongamentos resultantes, isso com o auxílio de extensômetro, de acordo com a Figura 22. (Callister, 2014).
Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico, este ilustra relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ciclo, a partir deste pode-se determinar algumas propriedades mecânicas do material. A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da secção
do corpo de prova, no caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na região mais estreita do material, a menos que um defeito interno no material, fora dessa região, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece.
Figura 22 – Representação esquemática da máquina de ensaio de tração.
Fonte: Callister, 2014.
2.10.2 Ensaio de Dobramento
O ensaio de dobramento consiste em submeter um corpo de prova a uma deformação plástica por flexão. O corpo de prova, assentado sobre dois apoios afastados a uma distância especificada, é dobrado por intermédio de um cutelo, que aplica um esforço de flexão no centro do corpo, até que seja atingido o ângulo de dobramento especificado, para dimensionar a distância de assentamento e tamanho de cutelo utiliza-se as equações descritas conforme a Figura 23, geralmente o cutelo é de 3 a 5 vezes a espessura do corpo de prova, ou conforme requisito especifico, a partir disto analisa-se visualmente a região dobrada a fim de verificar a existência de trincas, segundo a AWS D1.1 e ABNT NBR ISO 7438 de 2016 o ensaio deve ser feito com penetração total, ou seja 180°, para aprovar-se um corpo de prova neste ensaio as trincas não podem ultrapassar 3 mm de comprimento ou largura, e se houver em um mesmo corpo de prova mais de uma trinca a soma de todas elas independentemente do tamanho deve ser menos que 10 mm.
Figura 23 – Esquema Ensaio de dobramento semi-guiado.
Fonte: ABNT NBR ISO 7438:2016.
2.10.3 Ensaio de Dureza
A dureza é a resistência que um material apresenta ao risco ou a formação de uma marca permanente, quando pressionado por outro material ou marcadores padronizados.
Os métodos mais aplicados em engenharia utilizam penetradores com formatos padronizados e que são pressionados na superfície do material sob condições específicas de pré-carga e carga, causando inicialmente deformação elástica e em seguida deformação plástica. A Figura 24 descreve de forma geral um padrão na medição dureza. Para medição de dureza existem alguns métodos, dentre eles os principais são:
Hardness Brinell (HB)
Hardness Rockwell A, B ,C, D (HR)
Hardness Vickers (HV)
Figura 24 – Esquema geral de um ensaio de dureza.
2.11 AÇO INOXIDÁVEL
Segundo Wilcox (1985) um aço inoxidável é uma liga de ferro e cromo, podendo conter também níquel, molibdénio e outros elementos, que apresenta propriedades físico-químicas superiores aos aços comuns, sendo a alta resistência à oxidação atmosférica a sua principal característica. As principais famílias de aços inoxidáveis, classificados segundo a sua microestrutura, são: ferríticos, austeníticos, martensíticos, endurecíveis por precipitação e duplex que são aços que apresentam duas microestruturas.
Estes elementos de liga, em particular o cromo, conferem uma excelente resistência à corrosão quando comparados com os aços carbono. Eles são na realidade, aços oxidáveis. Isto é, o cromo presente na liga oxida-se em contato com o oxigênio do ar, formando uma película, muito fina e estável, de óxido de cromo - Cr2O3 - que se forma na superfície exposta ao meio.
Ela é denominada camada passiva e tem como função proteger a superfície do aço contra processos corrosivos. Para isto é necessária uma quantidade mínima de cromo de cerca de 10,5% em massa. Esta película é aderente e impermeável, isolando o metal abaixo dela do meio agressivo. Assim, deve-se ter cuidado para não reduzir localmente o teor de crómio dos aços inoxidáveis durante o processamento. Este processo é conhecido na metalurgia como passivação, conforme Ortega (1985).
Por ser muito fina – cerca de 100 angstrons – a película tem pouca interação com a luz e permite que o material continue a apresentar o seu brilho característico.
2.11.1 Aço inoxidável ASTM AISI 410
Segundo John e Kotecki (2005) os aços AISI 410 são classificados como aços inoxidáveis, porque contém um teor de cromo suficiente (12% de Cr) para desenvolver um filme de óxido passivante que garante a resistência à corrosão. O efeito da adição de 12% de Cr sobre o diagrama pseudo-binário Fe-C é ilustrado na Figura 25. A adição de cromo restringe o campo austenítico, diminui a solubilidade do carbono na austeníta (para 0,7% C), diminui a composição do eutetóide (para 0,35%C) e aumenta a temperatura do eutetóide.
Conforme Welding Handbook (vol.4, 1998) os aços inoxidáveis martensíticos são capazes de serem endurecidos por têmpera de maneira similar aos aços ao carbono e aos aços baixa liga.
Uma diferença significativa é que os aços inoxidáveis martensíticos possuem um teor de Cromo suficiente para garantir endurecimento ao ar, mesmo para grandes espessuras. A Figura 26 mostra o diagrama transformação em função da temperatura e tempo (TTT) para o
aço inoxidável do tipo 410, ilustrando sua fácil temperabilidade, de acordo com John e Kotecki (2005).
Figura 25 – Diagrama de fase pseudo-binário Fe-C com 12%Cr
Fonte: Welding Handbook, vol.4, 1998.
Dentro dos limites de cromo e carbono John e Kotecki (2005) afirma que os aços inoxidáveis martensíticos transformam-se totalmente em austeníta em temperaturas próximas a 1000°C. O resfriamento a partir destas, resulta na obtenção de uma estrutura totalmente martensítica de elevada dureza. Por outro lado, quando aquecidos na faixa de 815°C a 950°C ocorre uma austenitização parcial, resultando no resfriamento uma microestrutura mista de ferrita e martensita.
A dureza do aço AISI 410 está relacionada principalmente com o teor de carbono atingindo um máximo para 0,6% C. Maiores teores de carbono não resultam em aumento significativo da dureza promovendo apenas a formação de carbonetos primários, os quais proporcionarão aumento da resistência à abrasão, de acordo com John e Kotecki (2005).
Figura 26 – Diagrama transformação tempo-temperatura (TTT) para aço inoxidável 410
Fonte: John e Kotecki, 2005, p61.
2.11.2 Soldabilidade do Aço Inoxidável Martensítico AISI 410
A maior dificuldade encontrada para a utilização dos aços inoxidáveis martensíticos é sua baixa soldabilidade.
Dentre as causas que contribuem para a mesma, tem-se a formação de trincas a frio, provocadas pela presença de hidrogênio associada à alta dureza junto ao metal de solda e na ZAC (Zona afetada pelo calor). Está elevada dureza é resultante do ciclo térmico de aquecimento e rápido resfriamento que ocorre na ZAC durante a soldagem, equivalente ao de um tratamento térmico de têmpera. Entretanto, tomadas as devidas precauções, os aços inoxidáveis martensíticos AISI 410 podem ser soldados sob várias condições: como recozido; semi-endurecido; endurecido; temperado e revenido, conforme
(WELDING HANDBOOK, vol.4, 1998).
A dureza na ZAC depende do teor de Carbono do aço e com seu aumento a soldabilidade diminui, aumentando a suscetibilidade à trinca por hidrogênio e diminuindo a tenacidade, de acordo com Rodriguez (1987).
A Figura 27 retirada de Marshall e Farrar (1998) mostra a dureza da martensita produzida numa ZAC temperada para o aço martensítico com 12% Cr, em função do teor de carbono.
Na condição como soldada, as propriedades mecânicas na ZAC destes aços não são satisfatórias. Em geral, na junta soldada de um aço inoxidável martensítico deve ser executado tratamento térmico pós-soldagem (TTPS), com o objetivo de melhorar suas propriedades mecânicas e, principalmente, sua tenacidade.
Figura 27 - Influencia do C sobre a dureza da ZAC temperada e da solda para aços martensíticos com 12%Cr
Fonte: Marshall e Farrar, 1998.
A Figura 28 mostra o efeito da temperatura de revenido sobre as propriedades mecânicas de um aço AISI 410 com 12% Cr e 0,15% C.
A Figura 29 mostra o efeito da temperatura de revenido sobre a resistência ao impacto do aço inoxidável Fe - 12% Cr, para vários teores de carbono. Os maiores valores de tenacidade ao impacto são obtidos nas temperaturas de revenido ao redor de 260°C, e acima de 600°C. A tenacidade resultante do revenido na faixa de temperaturas entre 450 a 550°C é muito baixa, devido ao endurecimento secundário, que ocorre pela precipitação de carboneto nessa faixa de temperatura segundo Smith (1993), porém como mostra a Figura 28 há aumento da maioria das propriedades mecânicas nesta faixa de temperatura de revenimento.
A aplicação de um pré-aquecimento e um controle da temperatura entre passes de solda são necessários para evitar as trincas por hidrogênio na soldagem dos aços inoxidáveis martensíticos. O pré-aquecimento é aplicado para abaixar a taxa de resfriamento, permitindo mais tempo para o hidrogênio difundir.
A temperatura recomendada para o pré-aquecimento fica na faixa de 200 a 300°C conforme Wilcox (1975), ou seja, abaixo da temperatura inicial da transformação martensítica (Ms), que se situa em torno de 330°C.
A razão para a escolha da temperatura de pré-aquecimento abaixo da Ms, é assegurar que ocorra a máxima transformação martensítica pois, do contrário, o tratamento térmico após a soldagem (TTPS) será ineficiente.
Figura 28 – Efeito da temperatura de revenido sobre as propriedades do aço AISI 410
Fonte: Smith, 1993.
Figura 29 - Efeito da temperatura de revenido sobre a resistência ao impacto do aço inoxidável Fe-12% Cr
Ocorre por duas razões: primeiro, a estrutura parcialmente austenítica reterá hidrogênio e, quando resfriado até a temperatura ambiente, esse hidrogênio pode conduzir a trinca; segundo, pode ocorrer durante o tratamento térmico uma transformação da austeníta em martensita, de forma que esta será dura e não revenida, de acordo com ASM Handbook
Stainless Steels (1996).
Segundo o ASM Handbook Stainless Steels (1996). Outro fator que influencia o pré-aquecimento é a espessura do material a ser soldado uma vez que o nível de restrição imposto pela espessura do material controla a trinca induzida por hidrogênio de uma junta soldada. Se o metal de base ou a ZAC forem fragilizados pela presença do hidrogênio, então o nível elevado de restrição da junta pode determinar a ocorrência da trinca.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capitulo estão descritos os equipamentos, e os métodos empregados para a realização do experimento prático, apresentando como sucedeu-se o mesmo.
3.1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL
A metodologia experimental empregada neste trabalho dividiu-se me três etapas. Na primeira definiu-se a preparação e o tipo de junta, posição utilizada no procedimento e os demais parâmetros de soldagem.
A segunda etapa, foi a parte pratica do trabalho, onde realizou-se a soldagem da junta, e sua posterior segmentação da mesma, para extração dos provetes, e fabricação através de usinagem, de acordo com a norma técnica adota, junto da realização dos ensaios mecânicos definidos para o experimento.
Na terceira etapa, fez-se o tratamento e discussão dos dados obtidos nos testes, realizados nos provetes devidamente padronizados, de acordo com a organograma ilustrado na Figura 30.
Figura 30 – Organograma da Metodologia Experimental