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IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica 22 a 25 de Agosto 2006, Recife-PE

INFLUÊNCIA DOS PARAMETROS OPERACIONAIS DO PROCESSO MIG

SOBRE A MICROESTRUTURA E PERFIL DE DUREZA NA SOLDAGEM

DE ALUMINIO NAVAL

Código do trabalho: 06-688

Thiago da Silva Barrozo 1

Carlos Benedito Abreu da Silva Filho 1 Cláudio Alves de Siqueira Filho 1 Carlos Alberto Mendes da Mota1 Eduardo de Magalhães Braga1 thbarrozo@gmail.com

abreufh@yahoo.com.br siqueira@ufpa.br

cmota@ufpa.br edbraga@ufpa.br

1_{Universidade Federal do Pará – Campus Universitário do Guamá, Rua Augusto Côrrea, 01 CEP} 66075-110 - Caixa postal 479. FONE (91) 32017956 PABX +55 91 3183-2121 - Belém - Pará – Brasil.

Resumo. O processo de soldagem MIG Duplamente Pulsado utiliza dois pacotes de corrente

pulsada alternadamente em um mesmo procedimento de soldagem, isso gera benefícios similares ao encontrado com o processo TIG pulsado com baixa freqüência, dentre tais benefícios destacamos neste trabalho, o refinamento de grãos decorrente de transformações nas condições de solidificação do metal de solda e no estado sólido, causado por variações nos níveis da potência térmica na soldagem. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho é comparar o perfil de dureza, objetivando a confirmação da influência do insumo de calor, através da variação das velocidades de alimentação, sobre as dimensões e o refinamento nas regiões que compõem o cordão solda, assim como as microestruturas das soldas depositadas. Para isso foram realizados soldagens com o processo MIG Pulsado e duplamente pulsado utilizando-se três níveis de velocidade de alimentação do arame de 7, 7,5 e 8 m/min para o modo pulsado e 10-6, 9-6 e 8-6 m/min para o modo duplamente pulsado. Os corpos de prova foram confeccionados nas dimensões 200 mm X 50 mm X 7,2 mm, a partir de chapas laminadas da liga Al-Mg 5083. O consumível utilizado foi o arame ER 5356 com 1,2 mm de diâmetro e gás argônio com vazão de 20 l/min. Os resultados encontrados mostraram que o processo MIG duplamente pulsado e MIG Pulsado apresentaram duas regiões diferenciadas, uma de grãos refinados próxima ao centro do cordão e outra com formação de grãos grosseiros, próximo ao metal de base. Assim como perfil de dureza bem semelhante entre os dois processos.

Palavras-chave: MIG Pulsado, MIG Duplamente Pulsado, Parâmetros Operacionais, Morfologia,

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1. INTRODUÇÃO

O processo MIG Duplamente pulsado é uma vertente do processo MIG Pulsado Convencional, na qual duas condições de pulso são estabelecidas, uma de maior corrente média, denominada pulso térmico (Pt), é utilizada alternadamente com outra condição de menor corrente média, denominada base térmica (Bt). Nestas condições, a poça metálica fundida é submetida a uma influência térmica causada pela variação imposta à potência do arco, onde a freqüência de oscilação entre as duas condições de pulso situa-se na faixa de 0,5 a 50 Hz (Yamamoto, 1992; Dutra,1995). A forma de onda de corrente duplamente pulsada é apresentada na figura 1.

Figura 1 – Forma da onda duplamente pulsada.

Para cada condição de base térmica ou de pulso térmico, existe uma correspondente velocidade de alimentação do arame eletrodo, que atende o respectivo nível de corrente média previamente estabelecida, observando-se todas as premissas da pulsação convencional.

O principal objetivo na utilização da soldagem MIG Duplamente Pulsado é obter benefícios similares aos encontrados na soldagem TIG pulsada com baixa freqüência, entre os quais se destacam: a redução da zona afetada pelo calor, o controle no gotejamento na raiz da solda e, principalmente, o refinamento de grãos decorrente de transformações nas condições de solidificação do metal de solda e no estado sólido, causadas por variações nos níveis da potência térmica na soldagem (Vishnu, 1995).

Neste sentido, este trabalho faz uma avaliação do potencial da pulsação térmica, tomando com variáveis de respostas às propriedades mecânicas (dureza) e a morfologia do metal de solda. Os resultados obtidos permitiram comprovar a influência da dupla pulsação sobre a melhoria das propriedades mecânicas e a redução na suscetibilidade a defeitos de soldagem e estruturas de solidificação.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 2.1 Metodologia Experimental

Para a avaliação do potencial de aplicação da dupla pulsação foram utilizados pacotes operacionais de corrente pulsada com velocidades de alimentação representados na tabela 1, estes foram combinados na forma de dupla pulsação. A velocidade de alimentação do arame de 6 m/min permaneceu constante na forma de base térmica (WfBt), por ter menor nível de corrente média, com o pulso térmico (WfPt), foram assumidos os valores de velocidade de 7, 9 e 10 m/min, alternadamente. A freqüência de pulsação foi constante e igual a 1 Hz, com tempos de permanência no pulso e na base iguais a 0,5 segundos. Os valores de corrente de pico (ip) e tempo de pico (tp) foram constantes e estão indicados na tabela 1.

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I V C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 2 2 a 2 5 d e A g o s t o 2 0 0 6 , R e c i f e - P E

Tabela 1 - Valores operacionais de corrente pulsada.

Wf (m/min) Período (ms) tp (ms) ip (A) tb (ms) ib (A) Im (A) Potência (W) 6 8.00 2 347 6.00 20 100 2932 6.5 7.38 2 347 5.38 21 109 3093 7 6.85 2 347 4.85 31 123 3466 7,5 6.40 2 347 4.40 40 136 3767 8 6.00 2 347 4.00 60 156 4218 9 5.33 2 347 3.33 54 164 4656 10 4.80 2 347 2.80 61 180 4953

Onde: Wf – Velocidade de alimentação de arame; tp – Tempo de pico; tb – Tempo de base; ip – Corrente de pico; ib – Corrente de base; Im – Corrente média.

Para efeito de comparação, foram realizadas soldagens adicionais de referência no processo MIG Pulsado Convencional, com as velocidades de alimentação iguais a 6,5; 7,5 e 8 m/min, também foi estabelecido um aporte térmico de referência igual a 1009 J/mm, mantido constante em todas as condições de soldagem. Os fatores estudos neste trabalho tanto para o processo MIG-DP e MIG-P, estão representados na tabela 2.

Tabela 2 - Codificação dos experimentos, fatores e níveis da soldagem MIG em dupla pulsação e pulsação convencional. Codificação do experimento Pulso térmico WfPt TPt (m/min) (s) Base térmica WfBt TBt (m/min) (s) CP1 (CP1 – réplica) 10 0,5 6 0,5 CP2 (CP2 – réplica) MIG-P convencional (8m/min.) CP3 (CP3 – réplica) 9 0,5 6 0,5 CP4 (CP4 – réplica) MIG-P convencional (7,5m/min.) CP5 (CP5 – réplica) 7 0,5 6 0,5 CP6 (CP6 – réplica) MIG-P convencional (6,5m/min.)

As soldas foram depositadas no modo automático em simples deposição, na condição empurrando, com a tocha inclinada de 15° em relação a normal aos corpos de prova. A distância bocal peça foi mantida constante em 15 mm.

2.2 Materiais

O metal de adição utilizado foi o arame eletrodo ER 5356 de 1,2 mm de diâmetro. O metal base foi à liga Al-Mg 5083-H1 com os corpos de prova apresentando as dimensões de 200 x 70 x 7,2 mm. Como gás de proteção foi utilizado argônio comercialmente puro com vazão de 20 l/min. Foi utilizado uma fonte eletrônica multi-processos com cabeçote de alimentação de arame eletrodo equipado com rampa de aceleração e desaceleração de velocidade.

A Tabela 3 e 4 apresentam as análises químicas do metal de base e do arame eletrodo utilizado no trabalho, estas análises foram realizadas no Laboratório de Geoquímica da UFPa, pelo

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método de espectrometria de absorção atômica. Os valores do teor de magnésio encontrados estão de acordo com os valores padrões internacionais.

Tabela 3 – Análise química do metal de base da liga Al-Mg 5083 e do consumível ER 5356. Laboratório de Geoquímica da UFPA. (% em peso)

Constituinte ⇒ Manganês Magnésio Cobre Alumínio

Metal de base 0,55 4,93 0,04 restante

Consumível - 5,00 - restante

2.3 Ensaio de Dureza

Na análise das características mecânicas foram feitos ensaios de dureza na seção transversal ao cordão, nos pontos especificados na figura 2. O equipamento utilizado foi uma máquina de microdureza vickers, com carga de 1,9 N. Foram feitos três perfis de dureza como representado na figura 2, com repetição nas réplicas, sendo usado no trabalho como resultado final a média dos valores encontrados. Através do perfil de dureza encontrado, poderemos saber qual dos processos irá proporcionar melhor propriedade mecânica aos cordões. Saber também se a zona de transição metal de base/metal adição, apresenta satisfatória propriedades mecânicas, tendo em vista que a interface deve apresentar resistência mecânica superior ou igual ao do metal de base (ALCAN, 1993).

Metal de solda

Perfil de dureza Metal de Base

Figura 2 – Região do ensaio de dureza.

2.4 Microestrutura

A avaliação das diferenças morfológicas foi realizada na secção transversal ao cordão, composta da preparação de amostras com dimensões de 25 X 15 X 10 mm, que posteriormente passaram por etapas de lixamento (lixas de 100 a 1200 mesh), polimento (alumina 1µm) e ataque químico. O reagente utilizado para revelação metalográfica foi o “Tucker” (45ml HCl concentrado, 15 ml HNO3 concentrado, 15 ml HF à 48% e 25 ml H2O), sendo as amostras imersas no referido reagente por um tempo de 8s. A avaliação metalográfica nas superfícies obtidas foi realizada utilizando-se um conjunto analisador de imagem óptico computadorizado.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

As análises de dureza e microestrutura revelaram a presença de duas regiões distintas, uma região de aspecto de granulométria grosseira no metal de solda, localizando-se próximo ao metal de base. Outra região de grãos refinados, presente na maior parte do cordão (metal de adição). Este fato já havia sido observado por Abreu (2004). As presenças destas regiões foram observadas para os modos de soldagem duplamente pulsado e pulsado convencional, porém em níveis diferentes de granulométria. Isto é verificado através das imagens das figuras 3 e 4. Por intermédio destas figuras é possível perceber o aparecimento de poros na região grosseira da solda, não sendo observado estes defeitos na região de solda refinada. A ocorrência deste fenômeno foi relacionada com a velocidade

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de soldagem e as particularidades de cada processo, ou seja, o uso de dupla pulsação de corrente e pulsação simplesmente convencional.

Figura 3 e 4 – Micrografias MIG D-P e MIG-P, respectivamente. Aumento 50X.

Os resultados de microestrutura foram comparados com os perfis de dureza encontrados, para cada nível de velocidade estudado. Assim no processo MIG-DP os valores 7-6, 8-6 e 10-6 m/min, foram comparados com os valores de 6,5; 7,5 e 8 m/min do processo MIG-P, respectivamente.

Para os menores valores de velocidade de arame no processo MIG-DP (7-6 m/min) e MIG-C (6,5 m/min), foi observado que não houve grandes alterações microestruturais nas regiões delimitadas, ou seja, a morfologia não apresentou variações entre um processo e outro, para as regiões de metal de base, metal de solda grosseiro e metal de metal de solda refinado. Quanto ao aspecto de dureza não foi verificado grandes diferenças entre os perfis de dureza dos cordões depositados pelo processo MIG-DP e MIG-P, mesmo na região de transição não foi verificado diferença significativa, corroborando com as morfologias encontradas, isto pode ser observado através da figura 5, que explicita o perfil de dureza com as imagens relativas de cada região do cordão nesta ordem: metal de base Metal de solda grosseiro → região de transição → metal de solda refinado, relacionado ao eixo da abscissa.

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Os valores mínimos encontrados correspondem a 66 ± 2 HV e máximos iguais a 83 ± 2 HV para ambos os processos.

A figura 6 representa o perfil de dureza e as suas microestruturas, correspondentes a velocidade de alimentação de arame igual a 9-6 m/min para o MIG-DP e 7,5 m/min para o MIG-P. Através da figura 6 é possível notar que na soldagem MIG-P há uma região mais escura, com aspecto grosseiro e com presença de poros, o que não aparece na morfologia encontrado no processo MIG-DP. Através do perfil de dureza é possível comprovar que no processo MIG-P a região de transição apresentou um perfil de dureza com valores menores que a do MIG-DP, isto se relaciona diretamente com a microestrutura encontrado, ficando evidente a relação de Hall-Petch, que relaciona morfologia da estrutura (tamanho de grão) com o limite de resistência do material. Na utilização desta faixa de velocidade foram encontrados os menores valores de perfil de dureza, para ambos os processos, na ordem de 53 ± 2 HV para o MIG-P e 57 ± 2 HV para o MIG-DP. Os valores máximos do MIG-DP foi de 81 ± 2 HV e de 75 ± 2 HV para o MIG-P. Um fato relevante surgiu na região de metal de base, que parcialmente pode ser considerada ZTA do cordão depositado, onde no processo MIG-DP foi registrado valores bem superiores que os encontrados na mesma região com relação aos outros valores estudados. A morfologia do metal de solda apresentou-se refinada para ambos os processos.

Figura 6 – Perfil de dureza e micrografias dos processos MIG-DP e MIG-P para 9-6 (7,5 m/min).

A figura 7 representa os resultados obtidos para o uso dos maiores níveis de velocidade de alimentação de arame 10-6 m/min para o MIG-DP e 8 m/min para o MIG-P. Os resultados indicam morfologia qualitativamente mais grossa no processo MIG-P na região de transição que os encontrados no MIG-DP para a mesma região e faixa de velocidade (10-6 m/min). O perfil de dureza foi maior para o MIG-DP. A morfologia e o perfil de dureza para o metal de base e região de solda não apresentaram grandes variações. Os valores máximos encontrados foram 83 ± 2 para ambos os processos e mínimos de 62 ± 2 para o processo P e de 66 ± 2 para o processo MIG-DP.

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Figura 7 – Perfil de dureza e micrografias dos processos MIG-DP e MIG-P para 10-6 (8 m/min).

4. CONCLUSÕES

As observações e os resultados obtidos neste trabalho permitiram chegar as seguintes conclusões:

• Os resultados indicam que para uma mesma relação de velocidade de arame o processo MIG-DP apresentou morfologia qualitativamente mais refinada, provavelmente devido ao efeito da dupla pulsação;

• Foi observado diferenças de morfologia e dureza na região de transição entre os processos para uma mesma relação de velocidade;

• O processo MIG-DP apresentou perfil de dureza nitidamente maior para as faixas de velocidades usados, com exceção da relação de 7-6 (6,5 m/min) na qual é nítido que o processo MIG-P apresentou-se maior em comparação ao processo MIG-DP;

• O surgimento de grãos grosseiros assim como poros concentrou-se com maior intensidade na região denominada Região de metal de solda grosseira, a maior intensidade qualitativamente foi observada para os valores do processo MIG-P;

• Com base em análises qualitativas é possível afirmar que o processo MIG-DP apresentou morfologias com aspecto mais refinado, ausência de defeitos (poros) e perfil de dureza maior que o do MIG-P, desta maneira o processo MIG-DP se mostra superior ao processo MIG-P, comparando-se mesmas faixas de velocidades.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq, pela concessão de bolsa de estudo, ao GETSOLDA/UFPA pelo apoio laboratorial e a todos que de alguma forma auxiliaram na realização deste trabalho.

6. REFERÊNCIAS

Yamamoto, H.; Harada, S.; Ueyama, T.; Ogawa, S., Study of Low Frequency pulsed MIG Welding Process, Journal of the Japan Welding Society, Vol.10 (2) : p. 25-30, 1992.

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DUTRA, J. C., OLLÉ, L. F.; JUNIOR R., O Processo MIG Pulsado com Pulsação Térmica, XXI ENTS, Caxias do Sul, p. 890 – 897, 1995.

Vishnu, P.R., Modelling Microstrutural Changes in Pulsed Weldments, Welding in The Word, Inglaterra, Vol. 5 (4),: p. 214-222, 1995.

AMIN, M., 1983, “Pulsed Current Parameters for Arc Stability and Controlled Metal Transfer in Arc Welding”, Metal Construction; pp.271-278

ALCAN, Manual de Soldagem do Alumínio e ligas, 1a_{Edição, São Paulo, Alcan S/A, 1993.} VISNHU, P. R., Modelling Microstructural Changes in Pulsed Weldments, Welding in the World, Great Britain, v. 35, n. 4, p. 214-222, 1995.

PEIXOTO, A. L., Características Geométricas da soldagem de alumínio naval utilizando o processo MIG Pulsado Térmico, XI CREEM, Nova Friburgo, 2004.

OKUMURA, T. TANIGUSHI, C.: “Engenharia de soldagem e aplicações”. Livro, Editora LTC, Rio de Janeiro, 1982.

FILHO, C. B. A. S.; ALMEIDA, H. A. L.; MOTA, C. A. M.; BRAGA, E. M., Efeitos dos Parâmetros Operacionais do Processo MIG Duplamente Pulsado Sobre a Estrutura de Solidificação Resultante na Zona Fundida da Liga Al-MG 5083, Soldagem e Inspeção, Rio de Janeiro, (3), p. 136s – 143s, Setembro, 2004.

7. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

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INFLUENCE OF OPERATIONAL PARAMETERS OF THE MIG PROCESS

ON THE MICROESTRUTURA AND PROFILE OF HARDNESS IN THE

WELDING OF NAVAL ALUMINUM

Thiago da Silva Barrozo 1

Carlos Benedito Abreu da Silva Filho 1 Cláudio Alves de Siqueira Filho 1 Carlos Alberto Mendes da Mota1 Eduardo de Magalhães Braga1 thbarrozo@gmail.com

abreufh@yahoo.com.br siqueira@ufpa.br

cmota@ufpa.br edbraga@ufpa.br

1_{Universidade Federal do Pará – Campus Universitário do Guamá, Rua Augusto Côrrea, 01 CEP} 66075-110 - Caixa postal 479. FONE (91) 32017956 PABX +55 91 3183-2121 - Belém - Pará – Brasil.

Abstract. The welding MIG Doubly Pulsed process uses two current packages pulsed alternately in

a same welding procedure, that generates similar benefits to the found with the process TIG pulsed with low frequency, among such benefits we highlighted in this work, the refinement of grains due to transformations in the conditions of solidification of the solder metal and in the solid state, caused by variations in the levels of the thermal potency in the welding. This way, the main objective of this work is to compare the profile of hardness, aiming at the confirmation of the influence of the input of heat, through the variation of the feeding speeds, on the dimensions and the refinement in the areas that compose the string welds, as well as the microstructuras of the deposited solders. For that weldings were accomplished with the MIG process Pulsed and double pulsed being used three levels of speed of feeding of the wire of 7, 7,5 and 8 m/min for the pressed way and 10-6, 9-6 and 8-6 m/min for the way doubly pulsed. The proof bodies were made in the dimensions 200 mm X 50 mm X 7,2 mm, starting from laminated foils of the league Al-Mg 5083. The consumable used it was the wire ER 5356 with 1,2 diameter mm and gas argon with flow of 20 l/min. The found results showed that the MIG double pulsed process and MIG Pulsed presented two differentiated areas, one of close refined grains to the center of the string and other with formation of rude grains, close to the base metal. As well as profile of very similar hardness among the two processes.