Estudo da influência de parâmetros do processo MIG/MAG na dureza e microestrutura de juntas soldadas de aço SAE 1020

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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CAMPUS SÃO MATEUS

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TALLES FELIPE GOMES MACIEL

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS DO PROCESSO MIG/MAG NA DUREZA E MICROESTRUTURA DE JUNTAS SOLDADAS DE AÇO SAE 1020

SÃO MATEUS-ES 2023

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TALLES FELIPE GOMES MACIEL

Monografia apresentada à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo, Campus São Mateus, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Me. Renan Valter Magnol.

SÃO MATEUS-ES 2023

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Dados internacionais de catalogação na publicação (CIP)

M152e Maciel, Talles Felipe Gomes, 1999-

Estudo da influência de parâmetro do processo MIG/MAG na dureza e microestrutura de juntas soldadas de aço SAE 1020 / Talles Felipe Gomes Maciel.-- 2023.

63 f. : il. ; 30 cm.

Orientador : Renan Valter Magnol.

Monografia (graduação) - Instituto Federal do Espírito Santo, Campus São Mateus, Coordenadoria de Curso Superior de Engenharia Mecânica, 2023.

1. Aço – Metalografia. 2. Solda e soldagem. 3. Processos de fabricação. I. Magnol, Renan Valter. II. Instituto Federal do Espírito Santo. Campus São Mateus. III. Título.

CDD 22 – 620.11 Bibliotecária responsável Sheila Guimarães Martins CRB6/ES 671

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CAMPUS SÃO MATEUS

Rodovia BR 101-Norte – Km 58 – Bairro Litorâneo – 29932-540 – São Mateus – ES 27 3771-1262

COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TALLES FELIPE GOMES MACIEL

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo, Campus São Mateus, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Aprovado em 27 de janeiro de 2023.

COMISSÃO EXAMINADORA

Prof. M.Sc. Renan Valter Magnol Instituto Federal do Espírito Santo

Orientador

Prof. M.Sc. Erijanio Nonato da Silva Instituto Federal do Espírito Santo

Prof. M.Sc. Alcides Luiz dos Anjos Hora Instituto Federal do Espírito Santo

Examinador interno

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, pelo cuidado que teve com a minha vida, me dando força e sabedoria nos momentos difíceis, e me guiando a tomar as decisões e caminhos corretos.

Estou feliz pelas conquistas alcançadas ao longo dos últimos anos, tanto em relação ao curso técnico quanto à graduação. Sem dúvidas tais realizações merecem reconhecimento da minha família, que esteve ao meu lado durante toda minha trajetória acadêmica, me incentivando e apoiando a alcançar meus sonhos e objetivos.

Assim, sou imensamente grato ao meu pai, Edvado Maciel, minha mãe, Maria Neuza, e minhas irmãs, Nária Cris e Patrícia Gomes. Ademais, agradeço à minha avó, Ivanilde Silva, e meu primo, Thiago Silva, pelo apoio prestado.

Agradeço ao professor Renato Siqueira, por ter sido meu orientador de iniciação científica, e aos professores Felipe Coutinho e Renan Magnol, pela confiança, disponibilidade e ensinamentos, que contribuíram para o desenvolvimento desse trabalho. Agradeço a todo corpo docente do IFES – campus São Mateus, pelos conhecimentos compartilhados, e aos demais colaboradores, pelo comprometimento e serviço prestado em prol da educação.

Agradeço a todos os meus amigos de graduação, pelo companheirismo e aprendizados, em especial aos da turma Eng.Mec.2017/1: Airque Assis, Arthur Farias, Italo Andrade, Jéssica Santos, João Victor, Kaio Fábio, Otivo Júnior, Lucas Baldow, Lucas Fernandes, Renan Coswosk, Samuel Inácio, Thales Bond e Wictor Amorim.

Enfim, sou grato a todos que contribuíram para meu crescimento, tanto pessoal quanto profissional.

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RESUMO

O processo de soldagem tem uma grande importância industrial, tendo em vista sua utilização na fabricação de componentes e recuperação de peças danificadas ou desgastadas. No entanto, a soldagem a arco elétrico é caracterizada pela aplicação concentrada de calor, gerando gradientes de temperatura ao longo da peça que podem acarretar em mudanças consideráveis na microestrutura e propriedades da zona fundida (ZF) e zona termicamente afetada (ZTA). A soldagem MIG (Metal Inert Gas) / MAG (Metal Active Gas), por sua vez, apesar da versatilidade, facilidade de operação, taxas elevadas de deposição e possibilidade de automatização, necessita de um ajuste mais rigoroso dos parâmetros elétricos de operação (tensão, corrente), caso contrário descontinuidades e distorções poderão aparecer no cordão de solda, diminuindo a confiabilidade do sistema e acarretando em falha prematura. O presente trabalho, portanto, tem como objetivo avaliar a influência da variação da tensão de soldagem sobre a microestrutura final e dureza da ZF e ZTA de cinco amostras de aço SAE 1020, soldadas em junta de topo com chanfro meio V na posição plana, com diferentes tensões (20V, 23V, 26V, 29V e 32V). Para tal finalidade, utilizou-se como método operacional o processo MAG, com corrente contínua, polaridade inversa e técnica “puxada”. Ademais, foi utilizado o CO2 puro como gás de proteção, regulado em uma vazão constante de 10 L/min, e o arame cobreado AWS A5.18 ER70S-6, de 0,8 mm de diâmetro, como metal de adição. Como resultado, pela análise metalográfica foram identificados diversos microconstituintes na ZF, tais como: ferrita de contorno de grão, ferrita poligonal intragranular, ferrita acicular, ferrita com segunda fase alinhada e perlita. Ademais, foi identificado o aumento da quantidade de ferrita acicular na zona fundida, atrelado à diminuição da taxa de resfriamento, proveniente da elevação da tensão e energia de soldagem. A ZTA, por sua vez, apresentou uma região que teve sua microestrutura refinada pelo aumento da tensão. Por fim, pela análise do perfil de dureza das amostras soldadas, pode-se notar que em todas as amostras a dureza cresceu a partir do metal base até a zona fundida, onde atingiu seu valor máximo.

Palavras-chave: Soldagem. MAG. Ciclo térmico de soldagem. Aço SAE 1020. Tensão.

Microestrutura. Dureza. ZTA. ZF.

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ABSTRACT

The welding process has a great industrial importance, in view of its use in the manufacture of components and recovery of damaged or worn parts. However, electric arc welding is characterized by the concentrated application of heat, generating temperature gradients along the piece that can lead to considerable changes in the microstructure and properties of the weld zone (WZ) and heat affected zone (HAZ).

MIG (Metal Inert Gas) / MAG (Metal Active Gas) welding, in turn, despite its versatility, ease of operation, high deposition rates and the possibility of automation, it requires a more rigorous adjustment of the electrical operating parameters (voltage, current), otherwise discontinuities and distortions may appear in the weld bead, decreasing system reliability and leading to premature failure. The present work, therefore, aims to evaluate the influence of the variation of the welding voltage on the final microstructure and hardness of the WZ and HAZ of five SAE 1020 steel samples, welded in a butt joint with a half V chamfer in the flat position, with different voltages (20V, 23V, 26V, 29V and 32V). For this purpose, the MAG process was used as an operational method, with direct current, reverse polarity and “pull” technique. In addition, pure CO2 was used as a shielding gas, regulated at a constant flow rate of 10 L/min, and copper wire AWS A5.18 ER70S-6, 0.8 mm in diameter, as filler metal.

As a result, the metallographic analysis identified several microconstituents in the WZ, such as: grain boundary ferrite, intragranular polygonal ferrite, acicular ferrite, ferrite with second phase aligned and pearlite. Furthermore, an increase in the amount of acicular ferrite in the molten zone was identified, linked to the decrease in the cooling rate, resulting from the increase in voltage and welding energy. The HAZ, in turn, presented a region that had its microstructure refined by the increase in voltage.

Finally, by analyzing the hardness profile of the welded samples, it can be noted that in all samples the hardness increased from the base metal to the molten zone, where it reached its maximum value.

Keywords: Welding. MAG. Welding thermal cycle. SAE 1020 steel. Voltage.

Microstructure. Hardness. HAZ. WZ.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Diagrama de equilíbrio metaestável Fe-Fe3C ... 16

Figura 2 - Transformação do aço baixo carbono resfriado lentamente ... 17

Figura 3 - Distribuição esquemática do potencial em um arco e suas regiões: (a) Zona de queda catódica; (b) Coluna do arco; (c) Zona de queda anódica ... 19

Figura 4 - Extensão do eletrodo ... 20

Figura 5 - Curva de temperatura em diferentes pontos de uma junta soldada ... 21

Figura 6 - Macroestrutura esquemática da seção transversal de uma junta soldada e sua relação com as temperaturas de pico. (A – Zona fundida; B – Zona termicamente afetada; C – Metal base; Tp – Temperatura de pico; Tf – temperatura de fusão; Tc – Temperatura crítica) ... 22

Figura 7 - Desenho esquemático do fenômeno de crescimento competitivo ... 23

Figura 8 - Micrografias do metal de solda mostrando diferentes constituintes microestruturais ... 25

Figura 9 - Representação esquemática da distribuição de temperatura na ZTA ... 27

Figura 10 - Crescimento epitaxial e colunar próximo à linha de fusão de uma junta soldada ... 28

Figura 11 - Processo de soldagem GMAW ... 29

Figura 12 - Esquema dos equipamentos para soldagem GMAW ... 30

Figura 13 - Tocha de soldagem do processo GMAW ... 31

Figura 14 - Detalhe da junta de topo com chanfro em meio V ... 39

Figura 15 - Máquina Miller: Modelo Deltaweld 408 ... 40

Figura 16 - Desenho esquemático do ângulo de inclinação da tocha, indicando a técnica “puxada” de soldagem ... 40

Figura 17 - Lixadeira e politriz da Fortel: Modelo PLF ... 42

Figura 18 - Microscópio óptico da marca Olympus BX51M ... 43

Figura 19 - Durômetro de bancada para medição da dureza Rockwell ... 44

Figura 20 - Esquema para medição de dureza Rockwell ... 45

Figura 21 - Micrografia do metal base ampliada 500X ... 47

Figura 22 - Micrografia da zona fundida ampliada 500X: Amostra 1 ... 48

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Figura 27 - Teor de ferrita acicular em função do equivalente de oxigênio do gás de proteção ... 51

Figura 28 - Micrografia da ZTA ampliada 500X: Amostra 1 ... 52

Figura 33 - Perfil de dureza: Amostra 1 ... 55

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composição química do aço SAE 1020 ... 38 Tabela 2 - Parâmetros utilizados no processo de soldagem MAG ... 41 Tabela 3 - Dureza média das regiões das amostras soldadas ... 58

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LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS

AF Ferrita acicular

ARBL Aço de Alta Resistência e Baixa Liga ASTM American Society for Testing and Materials AWS American Welding Society

CCC Cúbica de Corpo Centrado CFC Cúbica de Face Centrada FC (P) Agregado de ferrita com perlita FC Agregado de ferrita com carboneto

FS (A) Ferrita com alinhamento da segunda fase FS (LB) Bainita inferior

FS (NA) Ferrita com segunda fase não-alinhada FS (UB) Bainita superior

FS Ferrita com segunda fase GMAW Gas Metal Arc Welding GTAW Gas Tungsten Arc Welding HRB Dureza Rockweel, na escala B IIW International Institute of Welding M (L) Martensita laminar

M (T) Martensita maclada

M Martensita

MAG Metal Active Gas MB Metal de base MIG Metal Inert Gas NBR Norma Brasileira

PF (G) Ferrita no contorno de grão PF (I) Ferrita poligonal intragranular PF Ferrita primária

ZAC Zona Afetada pelo Calor ZAC Zona Afetada pelo Calor

ZF Zona Fundida

ZTA Zona Termicamente Afetada

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 12

1.1 JUSTIFICATIVA ... 13

1.2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 13

1.3 OBJETIVOS ... 14

1.3.1 Objetivo geral ... 14

1.3.2 Objetivos específicos ... 14

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 15

2.1 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ... 15

2.1.1 Aço SAE 1020 ... 17

2.2 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM ... 18

2.2.1 Características elétricas do arco ... 18

2.3 FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM ... 21

2.3.1 Fluxo de calor ... 21

2.3.2 Zona fundida ... 22

2.3.2.1 Microconstituintes presentes na zona de fusão ... 24

2.3.3 Zonta termicamente afetada ... 26

2.3.4 Zona de ligação ... 28

2.4 PROCESSO DE SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO GMAW ... 28

2.4.1 Equipamentos empregados no processo GMAW... 29

2.4.2 Transferência metálica na soldagem GMAW ... 31

2.4.2.1 Transferência por curto-circuito ... 32

2.4.2.2 Transferência globular ... 32

2.4.2.3 Transferência aerosol (spray) ... 32

2.4.2.4 Transferência com arco pulsado ... 32

2.4.3 Consumíveis ... 33

2.4.3.1 Eletrodo metálico nu ... 33

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2.4.3.2 Gás de proteção ... 33

2.5 DUREZA ... 34

2.6 ANÁLISE METALOGRÁFICA ... 34

2.6.1 Macrografia ... 35

2.6.2 Micrografia ... 35

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 36

4 METODOLOGIA ... 38

4.1 MATERIAIS ... 38

4.1.1 Metal base ... 38

4.2 CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO DE SOLDAGEM ... 38

4.3 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE SOLDAGEM ... 39

4.4 DESCRIÇÃO DA ANÁLISE METALOGRÁFICA ... 41

4.4.1 Caracterização microestrutural ... 42

4.5 DESCRIÇÃO DO ENSAIO DE DUREZA ... 44

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 46

5.1 MICROESTRUTURAS ENCONTRADAS NAS REGIÕES DA SOLDA ... 46

5.1.1 Metal base ... 46

5.1.2 Zona fundida (ZF) ... 47

5.1.3 Zona termicamente afetada (ZTA) ... 52

5.2 ANÁLISE DA DUREZA ... 55

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 59

REFERÊNCIAS ... 60

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1 INTRODUÇÃO

A soldagem, segundo Marques, Modenesi e Bracarense (2009), é o principal meio de união permanente entre os materiais metálicos, permitindo o desenvolvimento de tal atividade de maneira rápida, segura e econômica. Esse processo tem alta relevância no setor industrial, por apresentar grande versatilidade, tanto em relação ao tipo de material quanto à espessura e geometria das peças a serem unidas. Ademais, sua utilização varia entre a confecção ou reparo de produtos simples, até componentes presentes em aplicações que exigem alto grau de confiabilidade.

De acordo com a AWS - American Welding Society (Associação Americana de Soldagem), a soldagem é um “processo de união de materiais usado 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 Modenesi e Marques (2000), existem dois métodos principais que compõe o processo de soldagem: por pressão ou por fusão. A soldagem por pressão consiste na deformação local das superfícies a serem unidas, o que contribui na aproximação dos átomos suficientemente para formação de ligações metálicas e de Van Der Waals, possibilitando a coalescência entre os corpos. Já a soldagem por fusão baseia-se na aplicação localizada de calor na região da junta de solda, acarretando na fusão do metal base e do metal de adição, quando houver. Assim, após o resfriamento e solidificação dos materiais fundidos, a solda será formada.

A soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding), também conhecida pela nomenclatura MIG (Metal Inert Gas) ou MAG (Metal Active Gas), é um processo bastante utilizado devido a sua versatilidade, facilidade de operação, taxas elevadas de deposição do arame de solda, proteção da poça de fusão através de gases e possibilidade de automatização (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

No entanto, o processo MIG/MAG apresenta algumas limitações, como maior sensibilidade à variação dos parâmetros elétricos de operação (tensão, corrente) e

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necessidade de um ajuste mais rigoroso desses parâmetros. Assim, para que se possa obter um cordão de solda com qualidade e sem descontinuidades, devem-se levar em consideração algumas variáveis, que têm relação direta com o processo escolhido. No caso da soldagem MIG/MAG, podem ser destacadas a tensão de soldagem, a corrente de soldagem e velocidade de soldagem, que são denominadas como variáveis ajustáveis primárias. Ademais, outras variáveis tais como técnica de soldagem, tipo de gás, composição e diâmetro do arame eletrodo também devem ser consideradas para que o processo seja executado adequadamente (MACHADO, 1996).

A seleção incorreta desses parâmetros resulta em uma soldagem com baixa performance, tanto no aspecto operacional (dificuldade em controlar o arco elétrico) quanto morfológico (solda defeituosa, com descontinuidades e distorções), que pode gerar fissuração e propagação de trincas na junta soldada, diminuindo a confiabilidade do sistema e acarretando em falha prematura. O presente trabalho, portanto, consisti em analisar a influência da tensão de soldagem em relação à dureza e microestrutura da zona fundida (ZF) e zona termicamente afetada (ZTA) de amostras soldadas de aço SAE 1020 pelo processo MAG, com proteção gasosa composta por CO2 puro.

1.1 JUSTIFICATIVA

A importância em se avaliar a influência da variação da tensão de soldagem, de acordo com Marques, Modenesi e Bracarense (2009) e Wainer, Brandi e Mello (2004), é que tal parâmetro afeta diretamente o comprimento do arco, energia de soldagem, largura da poça de fusão, modo de transferência metálica e qualidade do cordão de solda. Ademais, as propriedades finais da junta soldada podem ser alteradas, tendo em vista que estão ligadas diretamente com o ciclo térmico de soldagem, que por sua vez é influenciado pelo aporte térmico e parâmetros elétricos de soldagem, como a tensão.

1.2 PROBLEMATIZAÇÃO

O processo de soldagem MIG/MAG apresenta maior sensibilidade à variação dos

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parâmetros elétricos de operação. Assim, há necessidade de um ajuste mais rigoroso desses parâmetros, caso contrário, descontinuidades tais como trincas ou porosidades podem aparecer na solda. Atrelando tais fatores aos efeitos mecânicos, como aparecimento de distorções e tensões residuais, e efeitos metalúrgicos, como mudanças na microestrutura e alterações nas propriedades da peça, provenientes da energia térmica e mecânica do processo de soldagem, há possibilidade de o desempenho dos componentes soldados serem afetados, gerando falhas prematuras (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo geral

Analisar a influência da tensão de soldagem sobre a microestrutura e dureza da ZF e ZTA de amostras de aço SAE 1020, soldadas em juntas de topo na posição plana pelo processo MAG (CO2 puro).

1.3.2 Objetivos específicos

1. Comparar os efeitos da tensão de soldagem sobre a microestrutura e dureza da ZF e ZTA de cinco amostras de aço SAE 1020, soldadas em juntas de topo na posição plana pelo processo MAG (CO2 puro), com as respectivas tensões aplicadas em cada amostra: 20V, 23V, 26V, 29V e 32V;

2. Identificar os tipos de microconstituintes formados na ZF e ZTA (ferrita primária, ferrita acicular, ferrita com segunda fase e perlita) em decorrência do ciclo térmico submetido por cada parâmetro de soldagem utilizado;

3. Analisar a influência da tensão de soldagem em relação à quantidade de ferrita acicular formada na zona fundida;

4. Analisar a influência da tensão de soldagem em relação ao tamanho dos grãos da ZTA;

5. Comparar o perfil de dureza da seção transversal das amostras soldadas, bem como analisar o efeito da variação da tensão sobre essa propriedade mecânica.

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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Nesse capítulo serão abordados subsídios teóricos referentes à soldagem MIG/MAG, que servirão de embasamento científico para sustentação dos objetivos abordados no capítulo anterior e uma referência para validação dos resultados obtidos, que serão abordados no capítulo 5.

2.1 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS

Os aços são ligas ferrosas cujo teor de carbono pode variar até no máximo 2,11%.

Aços com teor de carbono abaixo de 0,25% são caracterizados por baixa resistência e baixa dureza, no entanto consideráveis tenacidade e ductilidade. Aços com teor de carbono entre 0,25% e 0,60% são caracterizados por baixa endurecibilidade, podendo atingir considerável resistência mecânica e ductilidade quando submetidos ao tratamento térmico de normalização, por exemplo. Aços com percentual de carbono entre 0,6% e 1,4%, por sua vez, são caracterizados por alta dureza e alta resistência mecânica (CALLISTER, 2008; CHIAVERINE, 1986).

A forma com que os aços são fabricados, bem como os tipos e percentuais de seus elementos de ligas, influenciam diretamente nas propriedades desses materiais. O diagrama Fe-Fe3C, representado pela Figura 1, é uma forma simplificada de ilustrar esquematicamente as transformações de fases do aço em condições de aquecimento e resfriamento lento (CALLISTER, 2008).

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Figura 1 - Diagrama de equilíbrio metaestável Fe-Fe3C

Fonte: Callister (2008).

Em temperatura ambiente o percentual máximo de carbono no aço é de 0,008%, tratando-se, portanto, de um ferro comercialmente puro. À temperatura de 912°C o aço é caracterizado por uma fase de baixo teor de carbono, denominada ferrita (α), cujos átomos estão arranjados em estrutura CCC (Cúbica de Corpo Centrado) (CALLISTER, 2008; CHIAVERINE, 1986).

Entre 912°C e 1493°C o aço é caracterizado pela fase austenítica (ˠ), cujos átomos estão arranjados em uma estrutura CFC (Cúbica de Face Centrada), podendo atingir o percentual máximo de solubilização do carbono no aço, com cerca de 2,14%, à 1147°C. Ao atingir a temperatura acima de 1394°C, o arranjo dos átomos do aço retorna à estrutura CCC, no entanto em uma fase ferrítica (δ) (CALLISTER, 2008;

CHIAVERINE, 1986).

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2.1.1 Aço SAE 1020

O aço SAE 1020 é um aço baixa liga com teor de carbono em torno de 0,20%, cuja microestrutura é composta basicamente por fases ferríticas e perlíticas. Ademais, é um aço de grande utilidade na indústria, devido seu custo relativamente baixo, versatilidade de aplicação, alta soldabilidade e plasticidade (CALLISTER, 2008;

CHIAVERINE, 1986).

Por se tratar de um aço com baixo percentual de carbono, a ferrita do aço SAE 1020 é denominada de ferrita proeutetóide, pelo fato de ser formada antes do ponto eutetóide (0,77%C e 727°C), conforme ilustrado pela Figura 2. A ferrita é nucleada preferencialmente nos contornos de grãos da austenita, no entanto, com aumento da taxa de resfriamento, a fase também passa a nuclear-se no interior do grão da austenita (SILVA; MEI, 2010).

Figura 2 - Transformação do aço baixo carbono resfriado lentamente

Fonte: Adaptado de Kosinski (2021).

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O ponto “A” representa a zona austenítica. Assim, ao ser resfriado lentamente, a ferrita do aço começa a nuclear nos contornos da austenita (ponto B), e vai crescendo conforme a temperatura do material decresce (ponto C). Ao ultrapassar a temperatura da reação eutetóide, a fase austenítica remanescente se transforma em perlita (ponto D), fase essa formada por lamelas alternadas de ferrita e cementita (Fe3C). A cementita, por sua vez, é formada quando o limite de solubilidade da ferrita é ultrapassado (SILVA; MEI, 2010).

2.2 ARCO ELÉTRICO DE SOLDAGEM

De acordo com Wainer, Brandi e Mello (2004), o arco elétrico de soldagem é uma descarga elétrica desenvolvida em um meio gasoso ionizado em alta temperatura (plasma), que irá fornecer energia suficiente para fusão e união dos materiais.

Um arco elétrico estável, além de possibilitar uma transferência de metal e elétrons de maneira fácil e uniforme, possui comprimento constante, fazendo com que o processo de soldagem seja desenvolvido de forma eficiente e eficaz. Um arco instável, no entanto, além de proporcionar um cordão de solda irregular, com descontinuidades, requer maior habilidade por parte do soldador para poder controlar o processo (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

Segundo Marques, Modenesi e Bracarense (2009), existem duas formas de igualar a velocidade de consumo ou fusão do eletrodo à velocidade de alimentação, formando um comprimento de arco relativamente constante. A primeira forma é utilizando uma fonte de corrente constante, em que o equipamento irá controlar a velocidade de alimentação, de modo a igualar à velocidade de fusão. A segunda forma é utilizando uma fonte de tensão constante, fazendo com que a velocidade de alimentação também se mantenha constante. Assim, parâmetros de soldagem poderão ser alterados, como a corrente, de forma a manter o arco estável.

2.2.1 Características elétricas do arco

Segundo Modenesi (2012), o arco de soldagem pode ser caracterizado pela diferença

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de potencial entre suas extremidades e pela corrente elétrica que circula por ele. Na Figura 3 são ilustradas as três regiões que representam a queda de potencial ao longo do arco elétrico.

Figura 3 - Distribuição esquemática do potencial em um arco e suas regiões: (a) Zona de queda catódica; (b) Coluna do arco; (c) Zona de queda anódica

Fonte: Modenesi (2012).

As regiões de queda anódica e catódica são caracterizadas por elevados gradientes térmicos e elétricos, e a soma das quedas de potenciais nessas regiões são praticamente constantes (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

A diferença de potencial entre as extremidades do arco, necessária para manter a descarga elétrica, pode variar em relação à forma, tamanho e material dos eletrodos, composição e pressão do gás na coluna do plasma, e corrente que atravessa o plasma (MODENESI, 2012).

De acordo com Wainer, Brandi e Mello (2004), a tensão de soldagem é um parâmetro significativo em relação à morfologia do cordão de solda, tendo em vista que está ligada diretamente tanto ao modo de transferência metálica quanto ao comprimento do arco. Tensões elevadas tendem a formar um cordão de solda mais largo, no entanto tendem a gerar maior quantidade de respingos, mordeduras e porosidades.

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Tensões baixas, no entanto, tendem a instabilizar o arco, propiciar porosidade, baixa fusão e cordão estreito (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

A corrente de soldagem, por sua vez, tende a aumentar com elevada velocidade de alimentação, devido ao aquecimento exercido pela resistência à passagem dos elétrons pela extensão do eletrodo (stick-out), propiciando assim maior taxa de fusão e penetração (WAINER; BRANDI; MELLO, 2004).

De acordo com Wainer, Brandi e Mello (2004), a extensão do eletrodo pode ser caracterizada como a distância entre o último ponto do contato elétrico, normalmente a extremidade do bico de contato, e a peça de trabalho. A Figura 4 ilustra esquematicamente a extensão do eletrodo.

Figura 4 - Extensão do eletrodo

Fonte: Wainer, Brandi e Mello (2004).

Dentro de certos limites, o aumento do stick-out pode ser utilizado para aumentar a taxa de deposição do metal de adição. Ademais, tal parâmetro afeta diretamente a corrente de soldagem necessária para fundir o arame a uma determinada velocidade de alimentação. Grandes extensões de eletrodo resultam em excesso de metal de adição sendo depositado em baixa corrente, acarretando baixo calor do arco e podendo causar baixa penetração (RODRIGUES, 2005).

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2.3 FUNDAMENTOS DA METALURGIA DA SOLDAGEM

2.3.1 Fluxo de calor

Para que a poça de fusão seja gerada na soldagem a arco elétrico há necessidade de que o material seja aquecido até uma temperatura adequada, a ponto de que o calor deslocado ao longo da junta possibilite a formação do cordão de solda pela fusão, resfriamento e solidificação dos materiais envolvidos. Um parâmetro, no entanto, que deve ser levado em consideração é a velocidade de resfriamento, pois as fases finais decorrentes da transformação da austenita dependem fortemente desse fator (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

A Figura 5 ilustra o ciclo térmico de soldagem, no qual relaciona a variação de temperatura com o tempo, descrevendo as condições de resfriamento do material.

Figura 5 - Curva de temperatura em diferentes pontos de uma junta soldada

Fonte: Colpaert (2008).

Tanto a energia de soldagem quanto a temperatura inicial da peça são parâmetros determinantes sobre a microestrutura e propriedades finais do material soldado, já que

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o controle de tais parâmetros interfere diretamente na velocidade de resfriamento da peça. Assim, quando as taxas de resfriamento associadas aos ciclos térmicos de soldagem não são levadas em consideração, há possibilidade do desenvolvimento de microestruturas que são propícias à fratura frágil (WAINER; BRANDI; MELLO, 2004).

À medida que se afasta do eixo central da solda, a temperatura máxima atingida pelo material decresce, conforme ilustrado na Figura 6.

Figura 6 - Macroestrutura esquemática da seção transversal de uma junta soldada e sua relação com as temperaturas de pico. (A – Zona fundida; B – Zona termicamente afetada; C – Metal base; Tp – Temperatura de pico; Tf – temperatura de fusão; Tc – Temperatura crítica)

Fonte: Modenesi, Marques e Santos (2012).

Em materiais soldados por fusão, de acordo com Modenesi, Marques e Santos (2012), existem três regiões principais que devem ser levadas em consideração: Metal base (MB), Zona fundida (ZF) e Zona termicamente afetada (ZTA) ou Zona afetada pelo calor (ZAC).

2.3.2 Zona fundida

(25)

A zona fundida é a região na qual a temperatura de pico ultrapassa a temperatura de fusão do metal base e a temperatura crítica. Assim, é a região onde ocorre a diluição entre o metal de base e o metal de adição, e onde sua microestrutura é alterada em decorrência do ciclo térmico de soldagem (MODENESI; MARQUES; SANTOS, 2012).

De acordo com Campos (2005), existem direções que facilitam o crescimento dos grãos durante a solidificação. Assim, os grãos que apresentam direções de crescimento orientadas com essas direções, crescem preferencialmente na direção do gradiente máximo de temperatura, em que o calor é extraído, e impedem o crescimento dos outros grãos. Esse fenômeno é denominado de crescimento competitivo de grãos ou crescimento epitaxial, no qual é ilustrado pela Figura 7.

Figura 7 - Desenho esquemático do fenômeno de crescimento competitivo

Fonte: Campos (2005).

Segundo Modenesi (2004), para aços com baixo teor de carbono, a poça de fusão é solidificada inicialmente com fases ferríticas, que são caracterizadas por grãos grosseiros e colunares, podendo conter também uma elevada quantidade de finas inclusões. No entanto, quando a composição química e estrutura cristalina dos consumíveis se diferem do metal base na temperatura de solidificação, o crescimento epitaxial pode ser inibido e a solidificação pode iniciar pela nucleação de novos grãos, caracterizando uma nucleação heterogenia (NELSON; LIPPOLD; MILLS, 1999).

(26)

2.3.2.1 Microconstituintes presentes na zona de fusão

A microestrutura final da zona fundida pode variar de acordo com a concentração, composição química, volumes de inclusões não-metálicas, teor de elementos de liga, ciclo térmico de soldagem, repartição térmica e tamanho do grão da austenita (MODENESI; MARQUES; SANTOS, 2012).

De acordo com Colpaert (2008) e Modenesi (2004), os constituintes mais comuns nos quais são encontrados na zona fundida de aços ferríticos, segundo o esquema de classificação da International Institute of Welding – IIW (Instituto Internacional de soldagem), serão apresentados a seguir, com suas respectivas características.

Ferrita primária (PF):

a. Ferrita no contorno de grão [PF (G)]: Grãos poligonais de ferrita que crescem nos contornos de grãos da austenita primária, em elevadas temperaturas de transformação (800 – 850°C).

b. Ferrita poligonal intragranular [PF (I)]: Grãos poligonais de ferrita que crescem dentro dos grãos da austenita primária. Ademais, são em torno de três vezes maiores quando comparados aos grãos adjacentes de ferrita acicular.

Ferrita acicular (AF): Pequenos grãos de ferrita não alinhada, nos quais são nucleados no interior dos grãos da austenita primária.

Ferrita com segunda fase (FS):

a. Com alinhamento da segunda fase [FS (A)]: Duas ou mais placas paralelas de ferrita, que nucleiam nos contornos de grãos da austenita e crescem dentro desses grãos. Ademais, podem ser classificadas em ferrita de Widmastätten, bainita superior [FS (UB)] ou bainita inferior [FS (LB)].

b. Com a segunda fase não alinhada [FS (NA)]: Ferrita envolvida em microfibras aproximadamente equiaxiais distribuídas aleatoriamente, ou em lâminas isoladas de ferrita acicular (AF).

(27)

c. Agregado de ferrita com carboneto (FC): Estrutura fina de ferrita com carboneto, podendo incluir perlita [FC (P)].

Martensita (M): Colônia de martensita maior que as ripas de ferrita adjacentes.

Podendo ser classificada em martensita laminar [M (L)] ou maclada [M (T)].

A Figura 8 ilustra micrografias representando as características morfológicas dos diferentes constituintes dissertados anteriormente.

Figura 8 - Micrografias do metal de solda mostrando diferentes constituintes microestruturais

(28)

Fonte: Modenesi (2004).

2.3.3 Zonta termicamente afetada

A zona termicamente afetada (ZTA) ou zona afetada pelo calor (ZAC) é a região na qual a temperatura de pico é superior à temperatura crítica do material e inferior à temperatura de fusão. Assim, a ZTA corresponde a área do metal base que não foi fundida, mas que foi afetada pelo ciclo térmico do processo de soldagem, acarretando na alteração tanto de sua microestrutura quanto de suas propriedades mecânicas (MODENESI; MARQUES; SANTOS, 2012).

A Figura 9 ilustra à esquerda a representação esquemática da distribuição de temperatura na ZTA, e à direita o diagrama Fe-Fe3C, correlacionando os dois sistemas. Assim, é mostrado o efeito da temperatura máxima de soldagem e seu gradiente no resfriamento sobre as fases de equilíbrio e possíveis efeitos sobre a microestrutura da ZTA.

(29)

Figura 9 - Representação esquemática da distribuição de temperatura na ZTA

Fonte: Colpaert (2008).

Segundo Marques, Modenesi e Bracarense (2009) e Modenesi (2004), a região transformada de granulação grosseira ocorre em uma temperatura em torno de 1200

°C, fazendo com que a estrutura austenítica sofra um grande crescimento de grãos.

A granulação grosseira da austenita, por sua vez, acaba dificultando sua transformação em ferrita durante o resfriamento, aumentando assim sua temperabilidade. Ademais, de maneira geral, tal região é caracterizada por ferrita apresentando morfologia em placas e bainita.

A região transformada de granulação fina é submetida a uma faixa de temperatura entre 900 °C e 1200 °C. Assim, em comparação à região de granulação grosseira, a temperatura menor e resfriamento mais rápido dificultam o crescimento dos grãos austeníticos, resultando em uma estrutura fina de perlita e ferrita (MARQUES;

MODENESI; BRACARENSE, 2009; MODENESI, 2004).

(30)

A região parcialmente transformada e a região revenida ou esferiodizada, por estarem mais afastadas da zona fundida, são submetidas a uma temperatura menor, na faixa entre 700 °C e 950 °C, podendo a austenita ser decomposta em perlita, bainita ou martensita maclada, a depender da velocidade de resfriamento (MARQUES;

MODENESI; BRACARENSE, 2009; MODENESI, 2004).

2.3.4 Zona de ligação

De acordo com Campos (2005), a zona de ligação é a região da fronteira entre a zona fundida e a zona termicamente afetada. A partir da mesma é iniciada a solidificação e o crescimento dos grãos em direção à linha central do cordão de solda, conforme ilustrado pela Figura 10.

Figura 10 - Crescimento epitaxial e colunar próximo à linha de fusão de uma junta soldada

Fonte: Rodrigues (2010).

2.4 PROCESSO DE SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO GMAW

(31)

GMAW (Gas Metal Arc Welding) é um processo de soldagem no qual utiliza-se como fonte de calor o arco elétrico, estabelecido entre um eletrodo metálico nu consumível (metal de adição) e a peça de trabalho (metal base), como ilustrado pela Figura 11.

Ademais, com objetivo de proteger o arco elétrico e a poça de fusão contra contaminações causadas por agentes externos, utiliza-se um fluxo gasoso (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

Figura 11 - Processo de soldagem GMAW

Fonte: Marques, Modenesi e Bracarense (2009).

O processo pode ser dividido em MIG, quando utiliza-se gás inerte ou uma mistura rica de gases inertes, ou MAG, quando utiliza-se gás ativo ou uma mistura rica de gases ativos. A soldagem MAG é destinada para materiais ferrosos. Já a soldagem MIG é destinada para materiais tanto ferrosos quanto não ferrosos, como alumínio, cobre, magnésio, níquel e suas ligas (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

2.4.1 Equipamentos empregados no processo GMAW

A Figura 12 ilustra os principais equipamentos utilizados no processo de soldagem GMAW.

(32)

Figura 12 - Esquema dos equipamentos para soldagem GMAW

Fonte: Wainer, Brandi e Mello (2004).

O sistema ilustrado pela Figura 12 é formado basicamente por uma fonte de energia, na qual pode ser de corrente constante ou tensão constante, sendo essa última a mais utilizada. Ademais, o maquinário também é composto por um sistema de alimentação do arame, tocha de soldagem, sistema de fornecimento de gás e um sistema de refrigeração da tocha. O alimentador do eletrodo é ligado à fonte de energia, de forma que a velocidade de alimentação possa ser controlada (WAINER; BRANDI; MELLO, 2004).

A tocha de soldagem conduz automaticamente o eletrodo, a energia elétrica e o gás de proteção, a fim de formar o arco de soldagem. Na Figura 13 são ilustradas as partes principais de uma tocha seca típica, na qual é refrigerada pelo próprio gás de proteção.

(33)

Figura 13 - Tocha de soldagem do processo GMAW

Fonte: Fortes (2005).

Segundo Fortes (2005), o bico de contato é fabricado de cobre e é responsável tanto pela energização do arame quanto pelo seu direcionamento até a peça. O bocal é feito de cobre ou material cerâmico, e tem como função direcionar o fluxo de gás de proteção. O conduíte, por sua vez, é conectado entre a tocha e a roldana de alimentação, para direcionar o arame até o bico de contato.

2.4.2 Transferência metálica na soldagem GMAW

Na soldagem MIG/MAG existem quatro formas básicas de transferência do metal de adição para a poça de fusão: curto-circuito, globular, aerosol (spray) e arco pulsado.

O estudo desses métodos torna-se importante tendo em vista a influência causada pelos mesmos na estabilidade do arco, taxa de fusão, quantidade de gases absorvidos pela poça de fusão, posicionamento da operação de soldagem, formato do cordão e no nível de respingos que ocorrerão durante o processo (MARQUES; MODENESI;

BRACARENSE, 2009).

Os tópicos seguintes descrevem cada tipo de transferência metálica na soldagem MIG/MAG, de acordo com Marques, Modenesi e Bracarense (2009) e Wainer, Brandi e Mello (2004).

(34)

2.4.2.1 Transferência por curto-circuito

A transferência por curto-circuito ocorre em baixos valores de tensão e corrente, e para pequenos comprimentos de arco. Nesse método, uma gota de metal vai aumentado de tamanho até tocar a poça de fusão, sendo assim atraída pela ação da tensão superficial da poça. Esse método é recomendado para soldagem em todas as posições e para união de peças de pequenas espessuras.

2.4.2.2 Transferência globular

Na transferência globular o arco é mais estável comparado ao curto-circuito. Nesse método, a gota formada de metal fundido apresenta diâmetro maior que o diâmetro do eletrodo, movendo-se em direção à poça de fusão por ação da gravidade. Assim, esse tipo de transferência fica limitada à soldagem em topo.

2.4.2.3 Transferência aerosol (spray)

Para um dado diâmetro do arame o modo de transferência é alterado de globular para aerossol, à medida em que a corrente aumenta e atinge a denominada “corrente de transição”. Devido ao aumento da corrente, a força eletromagnética começa agir sobre a gota com maior intensidade, formando gotas menores que são desprendidas rapidamente. Assim, nesse método a taxa de deposição é alta, o que indica sua aplicação em chapas de espessuras maiores que 2,4 mm e em posição plana, devido o difícil controle da poça de fusão em decorrência da alta deposição.

2.4.2.4 Transferência com arco pulsado

Perturbações controladas na corrente de soldagem e/ou na alimentação do arame podem ser aplicadas com objetivo de obter uma transferência controlada do metal de adição, mas com nível de corrente mais baixa, para que soldagem em chapas finas e em todas as posições possa ser realizada. A transferência com arco pulsado é caracterizada pela pulsação da corrente em duas faixas, uma maior e outra menor, em comparação à corrente de transição. Assim, quando a corrente é baixa, a gota se

(35)

forma e cresce na ponta do arame, sendo a mesma transferida para a poça de fusão quando a corrente aumenta.

2.4.3 Consumíveis

2.4.3.1 Eletrodo metálico nu

Os arames de soldagem são compostos quimicamente por metais ou ligas metálicas, revestidos tradicionalmente por cobre, para protegê-los contra corrosão e aumentar o contato elétrico com o bico de contato da tocha de soldagem. Ademais, sua seleção torna-se importante, pois em conjunto com o gás de proteção será produzido o depósito químico que irá influenciar diretamente nas propriedades físicas e mecânica da solda (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2009).

Existe um padrão de classificação dos arames, representado por ERXXY-X, em que o termo “XX” se refere ao limite de ruptura em ksi, o termo “Y” indica se o eletrodo é sólido ou composto, e o último termo “X” indica a faixa de composição química (RAZENTE, 2018).

2.4.3.2 Gás de proteção

O fluxo de gás tem a função de proteger a poça de fusão contra agentes externos, tais como nitrogênio, oxigênio e vapor d’água, que podem resultar em juntas soldadas defeituosas, com inclusões e/ou porosidades, por exemplo. Ademais, o gás de proteção exerce influência sobre a morfologia e propriedades do cordão, propriedades do arco elétrico e modo de transferência metálica (RODRIGUES, 2005).

O dióxido de carbono (CO2) apresenta uma alta condutividade térmica, se comparada à condutividade do argônio, por exemplo, propiciando maior transferência de calor à solda, alta fusão e alta penetração. No entanto, quanto maior for a condutividade térmica do gás, maior será a tensão de soldagem requerida para sustentar e manter o arco elétrico estável. Assim, o CO2 tende a propiciar maior quantidade de respingos na solda (RODRIGUES, 2005).

(36)

Ademais, é requerido que o eletrodo metálico nu apresente agentes desoxidantes para compensar a natureza reativa do gás carbônico, pois a superfície do cordão de solda, resultante da proteção com CO2 puro, é altamente oxidada (MACHADO, 1996).

2.5 DUREZA

A dureza é uma propriedade mecânica que mede a resistência que o material possui à deformação plástica localizada ou ao risco, causada por marcadores padronizados ou pressão de um outro material (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2010).

De acordo com Santos Neto (2003), ao aumentar a energia de soldagem, a taxa de resfriamento do material tende a diminuir, favorecendo a formação de microconstituintes finais de menor dureza.

O ensaio de dureza Rockwell (HR), segundo Chiaverine (1986), é o processo mais comumente utilizado para se determinar a dureza do material, devido sua rapidez, facilidade de execução e exatidão. Ademais, as impressões obtidas apresentam pequenas dimensões, de modo que não causam danos significativos à superfície do material.

O método, de acordo com Souza (1982), baseia-se no emprego de penetradores com formatos padronizados, esféricos de aço endurecido ou cônicos de diamante, que são pressionados na superfície do material sob condições específicas de pré-carga e carga, causando inicialmente deformação elástica e em seguida deformação plástica localizada. Assim, a profundidade de penetração é medida e correlacionada com um valor numérico, no qual indicará a dureza do material. Ademais, vale ressaltar que a tensão aplicada é baseada na tensão na qual o penetrador necessita para vencer a resistência à penetração da superfície do material.

2.6 ANÁLISE METALOGRÁFICA

Os materiais apresentam diferentes morfologias, dependendo da sua composição

(37)

química e dos tratamentos térmicos, mecânicos, processos de fabricação, entre outros procedimentos nos quais lhe forem empregados. Ademais, de acordo com Colpaert (2008), tendo em vista a microestrutura ter uma forte influência sobre as propriedades mecânicas dos materiais, seu estudo se torna importante. Assim, surge um ramo da área da ciência dos materiais, a metalografia, na qual estuda a morfologia e estrutura dos materiais de forma mais detalhada, através de técnicas de visualização que são divididas em macrografia e micrografia.

A metalografia é considerada uma análise de grande importância para garantir a qualidade dos materiais no processo de fabricação e para realização de estudos na formação de novas ligas de materiais (ROHDE, 2010).

Para análise metalográfica, a peça deve ser cortada axialmente com refrigeração adequada, para evitar aquecimento e possíveis alterações na estrutura do material. O corte, por sua vez, pode ser feito por intermédio de um cortador de disco ou uma serra (COLPAERT, 2008).

2.6.1 Macrografia

A macrografia é realizada a olho nu ou com auxílio de uma lupa, e tem como objetivo avaliar a macroestrutura presente na peça. Primeiramente, a região de análise do corpo de prova deve ser lixada e atacada quimicamente, para melhor visualização. O ataque químico, por sua vez, pode ser realizado por intermédio do reagente de iodo (COLPAERT, 2008).

2.6.2 Micrografia

A micrografia é realizada por intermédio de um microscópio. No entanto, antes da análise, a peça necessita ser lixada, polida e atacada químicamente. O lixamento é feito por meio de uma série de lixas, de diferentes granulometrias. Para o polimento, é utilizado pasta de diamante ou alumina. Posteriormente, a região escolhida para análise é atacada quimicamente, geralmente por nital ou picral, para que as estruturas presentes na composição do material possam ser reveladas (COLPAERT, 2008).

(38)

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Diversos trabalhos científicos e acadêmicos abordam sobre a soldagem a arco elétrico em aços e os efeitos causados pelo ciclo térmico de soldagem, tanto sobre a microestrutura quanto às propriedades desses materiais. Assim, nesse capítulo serão abordados alguns estudos realizados, baseados na análise de alguns parâmetros do processo de soldagem, que deram suporte para o desenvolvimento do presente trabalho.

Em uma análise realizada por Souza et al. (2011), utilizando a soldagem MIG/MAG de simples deposição por curto-circuito, foi constatado que a tensão regulada do processo tem forte influência sobre a estabilidade e regularidade da transferência metálica.

De acordo com estudos realizados por Fonseca, Silva e Brant (2017), o aporte térmico influencia diretamente nas características finais do cordão de solda, alterando o tamanho da ZTA e a microestrutura da zona fundida.

Analisando os experimentos realizados por Borges (2019), em que foi utilizado como processo de união dos metais a soldagem TIG autógena, com diferentes correntes e energias de soldagem, foram encontradas morfologias distintas dos grãos para cada energia aplicada. Na amostra na qual foi utilizada a corrente de 100 A, foi observada uma região colunar em conjunto com grãos equiaxiais. Já na amostra de 150 A, além das fases encontradas anteriormente, foi constatado um pouco de crescimento epitaxial dos grãos.

Em um trabalho realizado por Paula, Modenesi e Trindade (2018), foram avaliadas as características microestruturais e mecânicas de juntas soldadas de tubos sem costura de aço API 5L X70QS pelo processo GTAW (raiz) e GMAW (preenchimento). Pela análise foi constatado que o aumento do aporte térmico influencia diretamente no tamanho final dos grãos da microestrutura formada. Isso se deve à relação direta entre a energia de soldagem e a velocidade de soldagem e de resfriamento do material.

(39)

Rodrigues (2010) também avaliou a influência de parâmetros do processo de soldagem nas características finais da junta soldada, por intermédio do processo com arame tubular com proteção gasosa em aço ASTM-A36. Assim, foi constatado que a morfologia do cordão e taxa de deposição foram influenciadas pela velocidade de alimentação do arame, seguida pela tensão de soldagem e pela distância entre o bico de contato e a peça.

(40)

4 METODOLOGIA

Nesse capítulo serão abordadas todas as etapas utilizadas para realização dos experimentos, detalhando tanto o material de base quanto os consumíveis utilizados.

Ademais, será apresentada a metodologia utilizada para confecção das amostras pelo processo MAG, bem como os ensaios aplicados para análise da microestrutura e dureza da junta soldada.

4.1 MATERIAIS

4.1.1 Metal base

A análise da influência da tensão do processo de soldagem, em relação à dureza e microestrutura do material, obteve-se por meio de corpos de prova de aço SAE 1020, adquiridos através da fornecedora de metais Formetal, situada em Vitória - ES. A composição química do aço SAE 1020 é apresentada na Tabela 1.

Tabela 1 - Composição química do aço SAE 1020

Carbono Manganês Fósforo Enxofre

0,18 – 0,23 % 0,30 – 0,60 % ≤ 0,040 % ≤ 0,050 %

Fonte: ArcelorMittal (2019).

4.2 CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO DE SOLDAGEM

A soldagem foi realizada pelo processo MAG, utilizando-se corrente contínua com polaridade inversa, em que o polo positivo é conectado à tocha, enquanto o polo negativo é conectado à peça. Tal arranjo possibilita maior estabilidade do arco, maior penetração e melhor transferência do metal fundido do arame de solda para a peça.

Ademais, foi utilizado como gás de proteção o CO2, regulado em uma vazão constante de 10 L/min. Já o metal de adição utilizado no processo foi o arame cobreado AWS A5.18 ER70S-6, de 0.8 mm de diâmetro, com controle automatizado de alimentação.

(41)

Foram utilizadas 10 barras chatas de aço SAE 1020, com espessuras de 12,7 mm, cortadas nas dimensões de 100 x 100 [mm]. 5 dessas barras foram chanfradas com ângulo de bisel de 45º e face da raiz com 2 mm, para que os cordões de solda fossem realizados em juntas de topo com chanfro em meio V na posição plana, conforme ilustrado pela Figura 14.

Figura 14 - Detalhe da junta de topo com chanfro em meio V

Fonte: Elaborado pelo autor.

O chanfro em meio V foi utilizado devido a facilidade de confecção e possibilidade em obter uma solda com boa penetração para chapas com espessuras consideráveis.

4.3 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE SOLDAGEM

A soldagem foi realizada no laboratório de soldagem do IFES - campus São Mateus, por intermédio de uma máquina Miller, modelo Deltaweld 408

,

conforme ilustrada pela Figura 15.

45°

2 mm

1 mm

(42)

Figura 15 - Máquina Miller: Modelo Deltaweld 408

A técnica aplicada foi a “puxada", em que o arame é puxado no sentido oposto ao deslocamento do arco, apontando para o cordão já formado, conforme ilustrado pela Figura 16. A técnica “puxada”, de acordo com Rodrigues (2005), propicia um arco mais estável, maior penetração, menor quantidade de respingos e cordão mais estreito.

Figura 16 - Desenho esquemático do ângulo de inclinação da tocha, indicando a técnica “puxada” de soldagem

Fonte: Rodrigues (2010).

(43)

Antes da operação de soldagem, o metal base foi limpo, eliminando qualquer tipo de ferrugem, carepa ou outras impurezas. Posteriormente, para início do processo, a tocha foi aproximada à peça e o gatilho de disparo foi acionado, dando início à alimentação do arame e do gás de proteção, além da energização do circuito e abertura do arco elétrico. Assim que a poça de fusão começou a crescer, a tocha foi movimentada manualmente, de maneira uniforme ao longo da junta. Por fim, o gatilho foi solto para finalizar o processo.

Assim, 5 experimentos foram realizados, variando a tensão para cada um deles, conforme detalhado na Tabela 2.

Tabela 2 - Parâmetros utilizados no processo de soldagem MAG

Amostra Tensão [V]

Velocidade de alimentação do arame [pol/min]

Vazão do gás de proteção [L/min]

1 20 113 10

2 23 170 10

3 26 240 10

4 29 390 10

5 32 650 10

Ao variar crescentemente a tensão de soldagem, a velocidade de alimentação do arame também foi aumentada, impedindo sua fusão precoce sobre o bico de contato, em decorrência do aumento da energia de soldagem. Assim, foi garantido que o metal de adição fosse depositado sobre a poça de fusão adequadamente.

Após o resfriamento em temperatura ambiente das amostras soldadas, foi utilizada uma escova de aço para remoção de possíveis impurezas superficiais, para realização do ensaio de dureza e análise metalográfica.

4.4 DESCRIÇÃO DA ANÁLISE METALOGRÁFICA

(44)

Para realização do ensaio de dureza e análise metalográfica foi realizado um corte perpendicular ao comprimento da solda no plano superior da chapa, transversalmente à mesma. O corte foi realizado com auxílio de um equipamento policorte, no qual possui um pequeno disco abrasivo e método de refrigeração à água/óleo. Ademais, durante a operação foi realizado um corte não contínuo, com velocidade moderada, evitando assim um superaquecimento por falta de penetração do refrigerante.

4.4.1 Caracterização microestrutural

Para análise da microestrutura as amostras foram submetidas ao lixamento, operação que tem por objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície da amostra. Esse processo foi realizado por intermédio de uma lixadeira e politriz da Fortel, modelo PLF, ilustrada pela Figura 17, pertencente ao laboratório de química dos IFES - campus São Mateus. Para operação foram utilizadas sete lixas de granulometria diferentes: 120, 220, 320, 400, 600, 800 e 1200 μm. Ademais, em cada troca de lixa a amostra foi rotacionada em 90°, com objetivo de manter maior regularidade da região de análise.

Figura 17 - Lixadeira e politriz da Fortel: Modelo PLF

(45)

Após o lixamento foi realizado o polimento, com objetivo de reduzir ainda mais a rugosidade superficial das regiões de análise. Tal procedimento foi executado com panos especiais colados sobre pratos giratórios, onde foram depositadas pequenas quantidades de pasta abrasiva de alumina em suspensão aquosa, com granulometria de 1μm.

Após o polimento as amostras foram limpas e secas com auxílio de um soprador térmico, para em seguida serem atacadas quimicamente com Nital 2% durante 10 segundos de imersão, para garantir que os microconstituintes fossem revelados.

Por fim, as amostras foram analisadas por intermédio do microscópio óptico da marca Olympus BX51M, ilustrado pela Figura 18, localizado no laboratório de ensaios do IFES - campus São Mateus. Para isso, foram utilizadas lentes de ampliação de 100X, 200X, 500X e 1000X, com o objetivo de identificar os microconstituintes das juntas soldadas.

Figura 18 - Microscópio óptico da marca Olympus BX51M

(46)

4.5 DESCRIÇÃO DO ENSAIO DE DUREZA

Para a avaliação da dureza foi utilizado o ensaio Rockwell (HR), na escala B, através de um durômetro da marca Importecnica, modelo MSM, ilustrado pela Figura 19, pertencente ao laboratório de ensaios do IFES - campus São Mateus.

Figura 19 - Durômetro de bancada para medição da dureza Rockwell

Baseada na norma brasileira NBR-6671 e na norma internacional ASTM E18-94, para realização do ensaio de dureza Rockwell, de acordo com Garcia, Spim e Santos (2010), a distância mínima exigida entre as impressões vizinhas deve ser aproximadamente 3 vezes o diâmetro da impressão. Ademais, é necessário que seja mantida uma distância da marca de impressão, em relação à borda do corpo de prova, de no mínimo 2,5 vezes o diâmetro da impressão.

A medição foi realizada na seção transversal da solda, em diferentes pontos, possibilitando a obtenção de um perfil de dureza ao longo cordão de solda, conforme ilustrado pela Figura 20.

(47)

Figura 20 - Esquema para medição de dureza Rockwell

Metal base (MB)

Zona de ligação (ZL)

Zona fundida (ZF)

Zona termicamente afetada (ZTA)

(48)

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesse capítulo serão apresentados os resultados obtidos pela análise metalográfica e ensaio de dureza das amostras, avaliando a influência da tensão de soldagem.

Ademais, serão discutidos tais resultados, levando em consideração a fundamentação teórica e revisão bibliográfica apresentadas nos capítulos 2 e 3.

5.1 MICROESTRUTURAS ENCONTRADAS NAS REGIÕES DA SOLDA

Na soldagem multipasse, de acordo com Santos Neto (2003) e Modenesi (2004), ocorre uma interação entre os cordões de solda, sendo as regiões do passe anterior reaustenitizadas pelo passe subsequente, que promove por meio da temperatura interpasse um tratamento térmico no passe anterior. Assim, as zonas que haviam sido formadas pelo passe anterior são alteradas pelo ciclo térmico proveniente do novo cordão de solda, induzindo a formação de regiões mistas. Ademais, a natureza dos microconstituintes formados, assim como a dureza dessa região, depende de sua velocidade de resfriamento.

5.1.1 Metal base

O metal base, de acordo com Marques, Modenesi e Bracarense (2009), corresponde a região da amostra na qual a temperatura de pico não ultrapassa a temperatura de fusão nem a temperatura crítica. Assim, tal região além de não sofrer fusão, sua microestrutura não é afetada pelo ciclo térmico de soldagem.

Por se tratar de um aço com baixo percentual de carbono, o aço SAE 1020 é formado basicamente por fases ferríticas e perlíticas, conforme ilustrado pela Figura 21.

(49)

Figura 21 - Micrografia do metal base ampliada 500X

Fonte: Elaborado pelo autor

5.1.2 Zona fundida (ZF)

Conforme ilustradas pelas Figuras 22, 23, 24, 25 e 26, as zonas fundidas das amostras soldadas apresentaram os seguintes microconstituintes: ferrita de contorno de grão [PF (G)], ferrita poligonal intragranular [PF (I)], ferrita acicular (AF), ferrita com segunda fase alinhada [FS (A)] e perlita.

Ferrita proeutetóide

Perlita

(50)

Figura 22 - Micrografia da zona fundida ampliada 500X: Amostra 1

Fonte: Elaborado pelo autor

PF (G)

Perlita

AF

FS (A)

PF (G)

AF

PF (I)

(51)

AF

PF (G)

Perlita

PF (G) FS (A)

AF

(52)

Ao aumentar a energia de soldagem, o calor transmitido à poça de fusão e a temperatura de pico aumentam, fazendo com que estruturas austeníticas mais grossas e homogenias sejam formadas. Em contrapartida, ao aumentar a energia de soldagem, a taxa de resfriamento diminui. Com isso, maiores taxas de difusão podem ser alcançadas, aumentando a velocidade de transformação da austenita e facilitando a nucleação e crescimento de novas fases (MODENESI; MARQUES; SANTOS, 2012).

Pela análise metalográfica realizada, é observado que conforme a tensão e a energia de soldagem aumentam, da amostra 1 à amostra 5, o teor de ferrita acicular tende a aumentar. A ferrita acicular, por sua vez, é proveniente da diminuição da taxa de resfriamento, o que justifica tal efeito. Ademais, em decorrência do seu pequeno tamanha de grão e diferença de orientação cristalográfica entre os grãos, a grande quantidade de ferrita acicular em solda de aço baixo carbono pode acarretar em altos níveis de resistência e tenacidade para o metal de solda (MODENESI, 2004).

FS (A) AF PF (G)

PF (I)

(53)

O CO2 em altas temperaturas se dissocia formando monóxido de carbono (CO) e oxigênio livre (O2). O CO, se não escapar do metal líquido antes de sua solidificação, poderá formar poros. O oxigênio, por sua vez, se combina com elementos em transferência através do arco para formar óxidos. Os óxidos insolúveis na poça, caso sejam capturados pela frente da solidificação, poderão formar inclusões (RODRIGUES, 2005).

A ferrita acicular, segundo Modenesi (2004), além de nuclear no interior dos grãos austeníticos, pode também surgir a partir de inclusões, provenientes principalmente do oxigênio. A Figura 27 demonstra graficamente a influência do oxigênio no teor médio de ferrita acicular na junta soldada.

Figura 27 - Teor de ferrita acicular em função do equivalente de oxigênio do gás de proteção

Fonte: Onsoien, Liu e Olson (1996).

Assim, devido a utilização do gás de proteção CO2 no processo MAG, atrelada à diminuição da taxa de resfriamento decorrente do aumento da tensão e energia de soldagem, foi justificada a quantidade considerável de ferrita acicular na zona fundida.

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5.1.3 Zona termicamente afetada (ZTA)

Conforme ilustradas pelas Figuras 28, 29, 30, 31 e 32, as zonas termicamente afetadas das amostras soldadas são compostas basicamente por ferrita (destacada em branco) e perlita (destacada em preto).

Figura 28 - Micrografia da ZTA ampliada 500X: Amostra 1

Perlita PF (G)

AF

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Perlita PF (G)

AF

FS (A)

AF PF (I)

(56)

Perlita

Perlita AF

AF

FS (A)