INFLUÊNCIA DO FLUXO UTILIZADO NO PROCESSO ARCO SUBMERSO NA GEOMETRIA DO CORDÃO DE SOLDA
M. A. Michels, D. S. Siewerdt, F.H. Lafratta, D. Bond1
Campus Universitário Prof. Avelino Marcante Rua Paulo Malschitzki, s/n, Bairro Zona Industrial Norte
Joinville, SC, Brasil, CEP: 89219-710
danielle.bond@udesc.br1
Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC
RESUMO
Soldagem a arco submerso é utilizada principalmente para unir chapas de grandes espessuras e o arco elétrico fica completamente encoberto por uma camada de fluxo que possui entre suas funções estabilizar o arco elétrico, proteger o metal da contaminação atmosférica e introduzir elementos de liga na poça de fusão. Os parâmetros do processo que influenciam a geometria do cordão de solda são: corrente, tensão e velocidade de soldagem. Porém neste caso o fluxo também pode interferir, pois altera a estabilidade e confinamento do arco elétrico. Neste contexto este trabalho tem como objetivo analisar a influência do fluxo na largura, reforço e penetração do cordão de solda. Foram depositados cordões em chapas de aço ASTM SA516 Gr70 variando o tipo de fluxo (neutro e ativo), granulometria e vazão. Resultados mostram que a largura é influenciada pelo tipo de fluxo, o reforço tanto pela granulometria como pela vazão e a penetração pela granulometria.
INTRODUÇÃO
No processo de soldagem por arco submerso (SAW) o arco elétrico se forma entre o metal de base e o arame. Este arco é completamente encoberto por uma camada de fluxo granular que elimina respingos, forma uma camada de escória que elimina as impurezas da poça de fusão, protege o metal da contaminação atmosférica e adiciona elementos de liga e melhoram as propriedades mecânicas da solda(1).Este
processo é utilizado principalmente para unir chapas de grandes espessuras e pode ser aplicado na fabricação de vasos de pressão e tubulações(4)(5)(6). Quando utilizado
em aços como ASTM A36(7) e ASTM A516(8), alterações microestruturais são
esperadas e consequentemente interferem na propriedade mecânica como relata De Paris et al.(7), onde um aumento de ferrita acicular no cordão de solda melhora sua
tenacidade sem diminuir a resistência mecânica. Vários estudos têm sido realizados a respeito do fluxo utilizado neste processo de soldagem(16)(17)(18)(19). Zhdanov et al.(13)
propõe um método para estabelecer o processo de dissociação térmica de óxidos na fase gasosa, pois esta fase pode influenciar na composição química final da solda e cada óxido presente no fluxo se comporta de maneira diferente. Outras pesquisas abordam a reutilização do fluxo(20)(21) e da escória na construção civil(11)(12), evitando
seu descarte e promovendo assim o aumento da sustentabilidade do processo.
A fim de evitar descontinuidades como fusão incompleta ou excessiva, mordedura, porosidade, penetração incompleta na junta soldada e trincas no metal de solda a determinação da geometria do cordão (largura, reforço e penetração) torna-se estorna-sencial. Assim, para obter a geometria detorna-sejada vários cordões são depositados com diferentes parâmetros de soldagem (tensão, corrente e velocidade)(9). Estudos
têm sido realizados para correlacionar estes parâmetros com as dimensões do cordão tais como na soldagem MIG/MAG(22)(23) e arco submerso(9)(10)(24). Kumar(24) analisou
na soldagem SAW o efeito da tensão, corrente e velocidade de soldagem na largura, penetração e reforço do cordão de solda. Segundo o autor o aumento da tensão aumenta a largura e reduz penetração e reforço, pois o arco se espalha e ocorre maior fusão da peça de trabalho ao invés de penetrar; o aumento da corrente proporciona um aumento da largura, reforço e principalmente, da penetração, pois o calor transferido ao metal base aumenta resultando numa quantidade maior de material
reforço, pois a energia térmica transmitida ao material de base reduz, diminuindo a quantidade de material depositado no cordão de solda.
Além dos parâmetros de soldagem a geometria do cordão também pode ser influenciada pelas características do fluxo, pois este tem capacidade de interferir na estabilidade e confinamento do arco, na dissipação de gases e geometria da poça de
fusão dependendo da sua viscosidade(2). A estabilidade do arco elétrico está
diretamente ligada com o potencial de ionização criado na atmosfera gasosa do arco.
Alguns elementos que possuem potencial de ionização mais baixo são adicionados na composição do fluxo de forma a facilitar a abertura do arco, melhorar a estabilidade, reduzir a tensão de operação, o que pode modificar a largura do cordão(3)(14).Além
disso, quanto mais profunda a camada de fluxo, mais material será fundido e o reforço do cordão pode aumentar. A viscosidade dessa camada varia de acordo com a temperatura, assim quanto maior a temperatura menor será a viscosidade e o fluxo se tornará mais fluído. É importante que o fluxo seja suficientemente fluído de forma que possua um bom escoamento, mas é importante que seja viscoso para proteger a poça de fusão da atmosfera(1).Fluxos com alta viscosidade tendem a confinar a poça de
fusão, aumentando o aporte de calor numa pequena área e podendo resultar em penetração maior(3).
Neste contexto este trabalho tem como objetivo verificar a influência do fluxo na geometria do cordão de solda no processo de soldagem a arco submerso.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram soldados pelo processo a arco submerso corpos de prova em chapas de aço ASTM AS516 Grau F com dimensões de 200x150x8mm e junta de topo, chanfro em V com 75º. Os parâmetros de soldagem foram mantidos constantes utilizando-se corrente de 480A, tensão de 32V e velocidade de soldagem de 400mm/min.
Para a soldagem foram utilizados arame EM12K de Ø2,38mm e fluxos F7A0-EM12K tipo aglomerado, neutro e ativo. A utilização deste tipo de arame e fluxo deve resultar na composição química conforme a Tab. 1.
Tabela 1 – Composição química do material de base e consumíveis
Composição Química (% Peso)
C Si Mn P S Cu
Material de Base
ASTM AS 516 Gr.70 0,25 0,248 1,09 0,018 0,005 0,02
Arame e Fluxo F7A0-EM12K
Fluxo Neutro Fluxo Ativo 0,080 0,067 0,173 1,040 0,41 1,80 0,029 0,020 0,025 0,014 0,005 0,010
Para este estudo foi realizado um planejamento experimental e analisados três fatores com dois níveis. Os fatores considerados no planejamento foram:
● Quantidade de fluxo (1,225 e 2,450kg/min): O nível 2,450kg/min foi escolhido por ser aproximadamente o recomendado para a obtenção de cordões íntegros. Mesmo correndo o risco de ocorrer respingos, foi selecionado o nível de 1,225kg/min para a obtenção de diferença significativa.
● Tipo de fluxo (neutro e ativo): O fluxo ativo foi escolhido, pois possui grandes quantidades de manganês e silício. Já os fluxos neutros possuem quantidades menores destes elementos.
● Granulometria (600 e 850µm): O nível de 600µm foi escolhido por ser o recomendado para obtenção de cordões íntegros. Com o objetivo de obter reais diferenças, foi escolhido o nível de 850µm, mesmo podendo ser considerada uma faixa de granulometria elevada para corrente utilizada.
Como variável de resposta ao experimento, foi realizada através de ensaio macrográfico a medição da geometria do cordão de solda (largura, reforço e penetração). Além disso, uma análise da distribuição granulométrica dos fluxos foi realizada. O fluxo de 600µm apresentou distribuição mais heterogênea com as faixas de 600µm (41,86%), 850µm (16,12%), 425µm (20,36%), 300µm (16,18%), 212µm (4,38%), 150µm (0,82%), 106µm (0,18%) e 75µm (0,10%). Já a distribuição do fluxo de 850 µm foi mais homogênea com as faixas de 850µm (81,04%), 1700µm (1,80%), 600µm (11,50%), 425µm (3,94%), 300µm (1,46%), 212µm (0,14%) e 150µm (0,12%).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os diferentes cordões foram medidos e a Tab. 2 mostra a largura, a penetração e reforço para cada experimento.
Tabela 2 – Valores obtidos para a geometria do cordão dos experimentos
Tipo Vazão (kg/min) Granulometria (µm) Largura (mm) Reforço (mm) Penetração (mm) Neutro 2,450 850 16,53 2,52 7,71 600 16,62 2,59 7,45 1,225 850 16,60 2,36 7,73 600 16,65 1,99 7,34 Ativo 2,450 850 16,53 3,11 6,99 600 16,44 1,53 7,48 1,225 850 16,39 2,59 7,48 600 16,41 1,67 7,45
Para facilitar a análise dos resultados da influência do tipo, vazão e granulometria do fluxo nos valores de largura, reforço e penetração foram traçados os gráficos Fig. 1, 2 e 3 respectivamente.
Figura 1 – Influência do tipo (a), granulometria (b) e vazão (c) na largura.
(c) (b)
Figura 2 – Influência do tipo (a), granulometria (b) e vazão (c) no reforço.
Figura 3 – Influência do tipo (a), granulometria (b) e vazão (c) na penetração.
Fluxos ativos apresentaram tendência de larguras menores que fluxos neutros (Fig. 1a). O fluxo pode afetar a estabilidade do arco devido aos elementos presentes em sua composição química que formam vapores metálicos com diferentes potenciais de ionização, quanto menor o valor deste potencial maior a facilidade dos elétrons para se ionizarem e, portanto, mais estável será o arco(1). Fluxos ativos possuem uma
quantidade maior de manganês (Mn) que fluxos neutros e produzem uma quantidade maior de óxido de manganês (MnO). Conforme Ferrera e Olson (15) o acréscimo de
MnO auxilia na estabilidade do arco, ou seja, quanto maior a quantidade de MnO produzido mais estável será o arco. Assim, com o arco elétrico mais estável, menor é o potencial de ionização na atmosfera do arco, menor a tensão necessária(14) e,
portanto, menores larguras podem ser obtidas.
A vazão de 2,450kg/min apresentou tendência de reforço maior que 1,225kg/min (Fig. 2c). Se a camada de fluxo for muito densa, ou seja, com vazão maior (2,450kg/min), uma quantidade maior de fluxo será fundida e o cordão obtido poderá possuir reforço maior(1).
Fluxos de granulometria de 600µm apresentaram tendência de menores
(a) (b) (c)
(c)
pois preenchem melhor os interstícios. Fluxos com alta densidade possuem alta viscosidade, confinando a poça de fusão numa área mais estreita aumentando o reforço do cordão(24), além disso, ocorre uma concentração do aporte térmico,
podendo resultar em um cordão com penetração maior(3).Sendo assim sugere-se que
a granulometria tenha um comportamento diferenciado quando utilizado com tipos de fluxo diferentes.
CONCLUSÃO
Para as condições de soldagem por arco submerso testadas neste trabalho pode-se concluir que a utilização de fluxo neutro pode produzir soldas com maior largura devido a quantidade menor de MnO produzido, assim para aplicações de revestimento por arco submerso sugere-se a utilização destes fluxos; a utilização de menor vazão de fluxo pode produzir soldas com menor reforço pois diminui a quantidade de material depositado sobre a solda e reduz a quantidade de fluxo fundido, tornando o processo menos custoso e mais sustentável; e a utilização de fluxo com partículas de granulometria maior aumentou a penetração, porém recomenda-se analisar com mais profundidade a influência do tipo de fluxo pois esse fator pode ser preponderante sobre a granulometria.
REFERÊNCIAS
1. OLSON, D.L.; LIU, S.; FROST, R.H.; EDWARDS, G.R.; FLEMING, D.A. Nature and Behaviour of Fluxes Used for Welding: Welding, Brazing and Soldering, Metals Handbook, 10ª ed. Ohio: ASM International, Metals Park, v.6, 1993.
2. NATALIE, C.A.; OLSON, D.L.; BLANDER, M. Physical and Chemical Behavior of Welding Fluxes. Annual Reviews of Materials Science, v.16, p. 389-413, 1986.
3. SCHWEMMER, D.D.; OLSON, D.L.; WILLIAMSON, D.L. The Relationship of Weld Penetration to the Welding Flux. Welding Journal Research Supplement, v. 59, p. 153-160, 1979.
4. ALVAREZ, T.R.; PAVARINO, M.R.C.; SOUZA, G.C.; PARDAL, J.M.; TAVARES, S.S.M.; FERREIRA, M.L.R.; FILHO, I.C. Influência da Temperatura Interpasse nas
Propriedades do Aço Inoxidável Duplex Durante a Soldagem pelo Processo a Arco Submerso. Soldagem e Inspeção, v. 19, p. 114-124, 2014.
5. PARDAL, J.M.; SOUZA, G.C.; TAVARES, S.S.M.; FONSECA, M.P.C.; FERREIRA, M.L.R.; MARTINS, L.M.; SAMRA FILHO, O.A.S. Caracterização e Avaliação da Resistência à Corrosão na Soldagem de Tubulação de Aço Inoxidável Duplex UNS S31803 pelo Processo a Arco Submerso. Soldagem e Inspeção, v. 16, p. 310-321, 2011.
6. JESUS, A.M.P.; RIBEIRO, A.S.; FERNANDES A.A. Influence of the Submerged Arc Welding on the Mechanical Behaviour of the P355NL1 Steel. Part I: Analysis of the Cyclic Elastoplastic Behaviour. Soldagem e Inspeção, v. 11, p. 310-321, 2006.
7. DE PARIS, A.F.; MULAZZANI, F.; DE PARIS, J.M. Estudo Microestrutural de Aço Carbono Soldado com o Processo Arco Submerso e Adições de Fe-Ti. Soldagem e
Inspeção, v. 17, p. 058-064, 2012.
8. FIGUEIREDO, K.M.; GOMES, S.I.N. Aplicação de Eletrodo Tubular na Soldagem a Arco Submerso e sua Influência na Microestrutura. Soldagem e Inspeção, v. 9, p. 166-172, 2004.
9. LIMA, E.J.; CASTRO, C.A.C.; BRACARENSE, A.Q.; CAMPOS, M.F.M. Determinação da Relação Entre Parâmetros de Soldagem, Largura da Poça e Aspectos do Cordão de Solda Utilizando Câmera de Alta Velocidade. Soldagem e
Inspeção, v. 10, p. 182-189, 2005.
10. SHEN, S.; OGUOCHA, I.N.A.; YANNACOPOULOS, S. Effect of Heat Input on Weld Bead Geometry of Submerged Arc Welded ASTM A709 Grade 50 Steel Joints.
Journal of Materials Processing Technology, v. 212, p. 286-294, 2012.
11. VIANA, C.E.; DIAS, D.P.; HOLANDA, J.N.F.; PARANHOS, R.P.R. The Use of Submerged-Arc Welding Flux Slag as Raw Material for the Fabrication of Multiple-Use Mortars and Bricks. Soldagem e Inspeção, v. 14, p. 257-262, 2009.
12. VIANA, C.E.; DIAS, D.P.; HOLANDA, J.N.F.; PARANHOS, R.P.R. Reciclagem de Escória de Fluxo de Soldagem para a Fabricação de Argamassa de Múltiplo Uso para a Construção Civil. Soldagem e Inspeção, v. 12, p. 38-45, 2007.
14. SCOTTI, A.; PONOMAREV, V. Soldagem Mig Mag. São Paulo: Artliber Editora, 2008.
15. FERRERA, K.P.; OLSON D.L. Performance of the Mno-SiO2-CaO System as a
Welding Flux. Welding Journal Research Supplement, p. 211-215, 1975.
16. KANJILAL, P.; PAL, T.K.; MAJUMDAR, S.K. Combined Effect of Flux and Welding Parameters on Chemical Composition and Mechanical Properties of
Submerged Arc Weld Metal. Journal of Materials Processing Technology, v.171, p. 223-231, 2006.
17. PANDEY, N.D.; BHARTI, A. Effect of Submerged Arc Welding Parameters and Fluxes on Element Transfer Behaviour and Weld-Metal Chemistry. Journal of
Materials Processing Technology, v.40, p. 195-211, 1994.
18. MERCADO, A.M.P.; HIRATA, V.M.L.; MUNOZ, M.L.S. Influence of the Chemical Composition of Flux on the Microstructure and Tensile Properties of Submerged-Arc Welds. Journal of Materials Processing Technology, v.169, p. 346-351, 2005.
19. MICHELS, M.A.; SIEWERDT, D.S; LAFRATTA, F.H.; BOND, D. Análise da
Influência do Fluxo de Soldagem na Porosidade da Solda Obtida por Arco
Submerso.In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS
MATERIAIS, 21., 2014, Cuiabá. Anais eletrônicos... Cuiabá: MT, 1996. Disponível em: http://www.metallum.com.br/21cbecimat/CD/PDF/305-013.pdf. Acesso em: 15 de agosto de 2018.
20. DATTA, S.; BANDYOPADHYAY, A.; PAL, P.K. Modeling and Optimization of Features of Bead Geometry Including Percentage Dilution in Submerged Arc
Welding Using Mixture of Fresh Flux And Fused Slag. The International Journal of
Advanced Manufacturing Technology, v. 36, p. 1080-1090, 2008.
21. SINGH, K.; PANDEY, S. Recycling of slag to act as a flux in submerged arc welding. Resources, Conservation and Recycling, v. 53, p. 552–558, 2009.
22. GROETELAARS, P.J.; MORAIS, C.O.; SCOTTI, A. Influência do Comprimento do Arco sobre a Transferência Metálica no Processo MIG/MAG Duplo-Arame com Potencial Único. Soldagem e Inspeção, v. 12, p. 276-284, 2007.
23. HUANG, H.Y. Effects of Activating Flux on the Welded Joint Characteristics in Gas Metal Arc Welding. Materials and Design, v. 31, p. 2488-2495, 2010.
24. KUMAR, V. Modeling of Weld Bead Geometry and Shape Relationships in Submerged Arc Welding using Developed Fluxes. Jordan Journal of Mechanical
and Industrial Engineering, v.5, p. 461-470, 2011.
25. PATCHETT, B.M. Some Effects of Flux Physical Properties on Weld-Bead Formation in the SAW Process. Journal of Materials for Energy Systems, v. 5, p. 165-166, 1983.
INFLUENCE OF THE WELDING FLUX USED IN THE PROCESS OF SUBMERGED ARC WELDING ON WELD BEAD GEOMETRY
ABSTRACT
Submerged arc welding is mainly used to join large thick steels and the arc is under a blanket of flux that stabilizes the arc, protects it from atmospheric contamination and introduces alloy elements in the weld pool. In addition, current, voltage and welding speed are the welding parameters that most affect the weld bead geometry, but the flux can also influence it because the flux alters the arc stability and its viscosity. In this context this paper has attempted to analyze the influence of the welding flux on width, penetration and reinforcement of the weld. Weld deposits were placed on ASTM SA516 Gr 70 steel sheets varying flux type (neutral and active), granulometry and flux layer depth. Results show that the width was influenced by flux type, the penetration was influenced by granulometry and reinforcement was influenced by granulometry and flux layer depth.
