Influência de parâmetros de soldagem dos eletrodos E 10 UM 60 G e E 10 UM 65 G

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS CURSO DE ENGENHARIA METALÚRGICA

GUSTAVO SABOIA SILVEIRA

INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS DE SOLDAGEM DOS ELETRODOS E 10 UM 60 G E E 10 UM 65 G

FORTALEZA 2018

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GUSTAVO SABOIA SILVEIRA

INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS DE SOLDAGEM DOS ELETRODOS E 10 UM 60 G E E 10 UM 65 G

Trabalho de conclusão de curso apresentado em 2018.2 à banca da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de bacharel em Engenharia Metalúrgica. Orientador: Prof. Dr. Hélio Cordeiro de Miranda.

FORTALEZA 2018

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___________________________________________________________________________

S588i Silveira, Gustavo.

Influência de parâmetros de soldagem dos eletrodos E 10 UM 60 G e E 10 UM 65 G / Gustavo Silveira. – 2018.

100 f. : il. color.

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Metalúrgica, Fortaleza, 2018.

Orientação: Prof. Dr. Hélio Cordeiro de Miranda.

1. Soldagem. 2. Revestimentos. 3. E 10 UM 60 G. 4. E 10 UM 65 G. I. Título.

CDD 669 ___________________________________________________________________________

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GUSTAVO SABOIA SILVEIRA

INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS DE SOLDAGEM DOS ELETRODOS E 10 UM 60 G E E 10 UM65G

Trabalho de conclusão de curso apresentado em 2018.1 à banca da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de bacharel em administração.

Aprovada em: ___/___/______.

BANCA EXAMINADORA

________________________________________ Prof. Dr. Hélio Cordeiro de Miranda (Orientador)

Universidade Federal do Ceará (UFC)

_________________________________________ Prof. Dr Marcelo Ferreira Mota

Universidade federal do Ceará (UFC)

_________________________________________ Prof. Dr Willys Machado Aguiar

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A Deus. Aos meus pais, Célio e Nilda. Aos meus Avos Ailce e José. Ao meu

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AGRADECIMENTOS

A Deus, pelo dom da vida.

Aos meus pais, Célio e Nilda, por todo o apoio, amor incondicional e conselhos que me possibilitaram estudar e enfrentar os meus desafios por mais grandes que possam ser. Agradeço, por todo o apoio nas minhas decisões durante a minha vida de enfrentar os meus desafios cotidianos.

Aos meus avós José e Ailce pelo exemplo de vida, sabedoria, gentileza e batalha constante durante a vida para proporcionar o melhor para os seus filhos e netos.

Ao meu irmão Guilherme, por me ajudar nos momentos difíceis, pelo respeito e companheirismo ao longo de toda a minha jornada

Ao Prof. Dr. Hélio Cordeiro de Miranda pela orientação e a oportunidade de trabalhar em conjunto na realização deste trabalho de conclusão de curso.

Aos professores, Cleiton, Elineudo, Marcelo Motta, Marcelo José, Ricardo, Hamilton, Willys e Francisco Ribeiro pela contribuição intelectual e disponibilidade.

Aos soldadores David e Ismael Junior que me ajudaram na realização deste trabalho na etapa da soldagem definitiva através da prestatividade e profissionalismo

Aos meus amigos que me acompanham desde o Colégio Christus Davi, Iago, Haikel, Rodrigo, Henrique, Guilherme e Ricardo por todos esses anos de companheirismo e amizade.

A minha amiga Ana Luiza, pela ajuda nas normas e formatação deste trabalho.

Aos meus amigos que entraram comigo no curso de engenharia metalúrgica, Anazildo, Guilherme, Bruno, Diego, Igor, Stayne, Jamil, Gabriel, Ronaldo, Lucas e Narain, Raphaella, Luiza e Amanda pelas horas estudadas e trabalho em conjunto.

Aos meus amigos que fiz durante o curso, Alexandre, Bruno, Isaac, Emerson, Fabiano, Luís, Davi, Rogério, Vinicius, Felipe, Paulo Victor, Yuri e Rubson pelo companheirismo e apoio durante o curso.

Ao meu amigo João Victor da empresa júnior metal soluções por toda a experiência, paciência e conselhos durante o nosso projeto da Thermomecanica.

Aos meus amigos do LPTS Aglailton, Bruno, Rafaella, Davi, Renato, Pedro, Lênin, Dyego, Larissa, Marília, Marcela, Edileusa, Francisca, Salvador, Karine, Katia e Wendrio.

Aos meus Amigos do Ciência Sem Fronteiras que compartilharam comigo um ano e meio em outro país, Anaira, Ana, Amanda, Larissa, Tiago, Robinson, Mariana, Leonardo, João, Guilherme e Matheus.

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RESUMO

Este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito dos parâmetros de soldagens dos eletrodos E 10 UM 60 G e E 10 UM 65 G para deposito de revestimento duro considerando as alterações metalúrgicas, a geometria da solda, os perfis de dureza dos depósitos e contribuir para o desenvolvimento e eficiência desta técnica. Para isso, foram realizadas soldagens com alteração de tensão e velocidade de soldagem em uma chapa de aço baixa dureza (ASTM 36) com o objetivo de avaliar quais são os parâmetros mais relevantes e como os parâmetros afetaram a geometria dos cordões de solda. Em seguida, foram feitas soldagens de revestimento em chapas metálicas de aço ASTM 36, adotando na sua sobreposição de 50% de diluição entre os cordões em uma camada de revestimento, com alteração apenas da velocidade de soldagem durante os revestimentos. Após a etapa de soldagem definitiva, as amostras foram retiradas para a análise do perfil geométrico, dureza rockwell e microestrutura. Os eletrodos tiveram comportamentos diferentes em relação a dureza, perfil geométrico e microestrutura. O eletrodo E 10 UM 60 demonstrou maiores taxas de deposição causando menor diluição, maior reforço e maior largura que o eletrodo E 10 UM 65 G. O eletrodo E 10 UM 60 G não teve diferenças significantes em relação à dureza devido a alteração da energia de soldagem, enquanto o eletrodo E 10 UM 65 G teve diferenças de dureza com a alteração da energia de soldagem. Comportamento semelhante foi observado na microestrutura, pois o eletrodo E 10 UM 60 G acarretou em poucas alterações significativas como aumento dos carbonetos e menor formação de trincas devido à energia de soldagem maior. Por sua vez o eletrodo E 10 UM 65 G mostrou uma estrutura dendritica com pouca precipitação para baixa energia de soldagem e uma estrutura com mais precipitados em uma matriz homogênea utilizando alta energia de soldagem.

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ABSTRACT

This work aims to evaluate the effect of the welding parameters of the electrodes E 10 UM 60 G and E 10 UM 65 G in the hard coating process and contribute to the development and efficiency of this technique. For this purpose, the welding process had two parameters of control voltage and welding speed in a low hardness plate (ASTM 36) in order to evaluate the most relevant parameters and how the parameters affected the weld geometry. Thereafter, SMAW process was done on sheet metal of ASTM 36, the coating was being made with 50% dilution of the above weld bead and a coating layer made. For this step, the tension was fixed and only the welding speed was changed in two speed velocity parameters and consequently with two different heat inputs. After the final welding step, the samples were cut and analyzed for the geometric profile, rockwell hardness and microstructure. The electrodes had different behaviors in relation to hardness, geometric profile and microstructure. The E 10 UM 60 electrode showed higher deposition rates causing lower dilution, higher reinforcement and greater width than the electrode E 10 UM 65 G. The electrode E 10 UM 60 G did not have significant differences in relation to the hardness due to the energy change of welding, while the electrode E 10 UM 65 G had differences in hardness with the same change in heat input. The same was observed, in the microstructure, since the electrode E 10 UM 60 G had few significant alterations such as increase of the carbides and less formation of cracks due to greater welding energy, while the electrode E 10 UM 65 G showed a dendritic structure with little precipitation for low welding energy and a structure with more precipitates in a homogeneous matrix using high welding energy.

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Influência da tensão pela diluição do E 10 UM 60 G... 50

Gráfico 2 - Influência da tensão pela largura do E 10 UM 60 G... 50

Gráfico 3 - _{Influência da tensão pelo reforço do E 10 UM 60} G... 51 Gráfico 4 - Influência da velocidade pela diluição do E 10 UM 60 G... 52 Gráfico 5 - Influência da velocidade pela largura do E 10 UM 60 G... 52

Gráfico 6 - Influência da velocidade pelo reforço do E 10 UM 60 G... 53

Gráfico 7 - Influência da tensão pela diluição do E 10 UM 65 G... 57

Gráfico 8 - Influência da tensão pela largura do E 10 UM 65 G... 58

Gráfico 9 - Influência da tensão pelo reforço do E 10 UM 65 G... 58

Gráfico 10 - Influência da velocidade pela diluição do E 10 UM 65 G... 59 Gráfico 11 - Influência da velocidade pela largura do E 10 UM 65 G... 60

Gráfico 12 - Influência da velocidade pelo reforço do E 10 UM 65 G... 60

Gráfico 13 - Intervalos de reforço versus velocidade de soldagem no revestimento - E 10 UM 60 G... 70 Gráfico 14 - Intervalos da penetração versus velocidade de soldagem no revestimento - E 10 UM 60 G... 71 Gráfico 15 - Intervalos da diluição versus velocidade de soldagem no revestimento - E 10 UM 60 G... 71 Gráfico 16 - Intervalos de reforço versus velocidade de soldagem no revestimento - E 10 UM 65 G... 72 Gráfico 17 - Intervalos da penetração versus velocidade de soldagem no revestimento - E 10 UM 65 G... 73 Gráfico 18 - Intervalos da diluição versus velocidade de soldagem no revestimento - E 10 UM 65 G... 73 Gráfico 19 - Intervalos de Dureza versus Energia – E 10 UM 60 G... 76

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Gráfico 21 - Diagrama de fases do eletrodo E 10 UM 60 G gerado pelo Thermo-Calc...

78

Gráfico 22 - Diagrama de fases do eletrodo E 10 UM 65 G gerado pelo Thermo-Calc...

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Processo de soldagem por eletrodo revestido... 18

Figura 2 - Equipamentos de soldagem por eletrodo revestido... 19

Figura 3 - Classificação dos eletrodos revestidos... 20

Figura 4 - Armazenamento dos eletrodos Básicos... 21

Figura 5 - Relação entre o tipo de polarização com penetração a) CC+ com alta penetração, b) CC- com baixa penetração, c) CA com penetração intermediaria... 25

Figura 6 - Execução do ensaio de dureza Rockwell... 27

Figura 7 - Estufa de armazenamento de eletrodos... 33

Figura 8 - Bancada de soldagem automatizada por eletrodo revestido... 34

Figura 9 - Procedimento de soldagem manual... 35

Figura 10 - Equipamentos utilizados na etapa da soldagem definitiva a) equipamento de ataque eletrolítico na estufa, b) Medidor de dureza Rockwell, c) Tártilope com o trilho de deslocamento, d) Máquina de corte (Cut-off), e) Microscópio ótico... 36

Figura 11 - Fluxograma da metodologia... 37

Figura 12 - Cordão de solda com escória do eletrodo E 10 UM 65 G... 41

Figura 13 - Cordão de solda sem escória... 41

Figura 14 - esquematização dos passes de revestimento... 42

Figura 15 - Impressões de dureza... 45

Figura 16 - Cordão A6 com 34 volts e 7,5 cm/min de velocidade... 48

Figura 20 - Cordão B6 com 34 volts de tensão e 7,4 cm/min de velocidade... 55

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Figura 25 - Chapa revestida com E 10 UM 60 G com velocidade de 8 cm/min... 65

Figura 29 - Fotos das trincas nos revestimentos a) chapa 2 utilizando E 10 UM 60 G com velocidade de 12 cm/min b) chapa 3 utilizando E 10 UM 65 G com velocidade de 8 cm/min e c) chapa 4 utilizando E 10 UM 65 G com velocidade de 12 cm/min... 68

Figura 30 - Fotos das amostras da chapa 1 (a) e chapa 2 b) com E 10 UM 60 G... 74

Figura 31 - Fotos das amostras da chapa 3 (a) e chapa 4 (b) com E 10 UM 65 G... 74

Figura 32 - Microestrutura do metal de Base com magnificação de 200x – Ataque Nital 2%... 80

Figura 33 - Microestrutura da ZAC com magnificação de 500x – Ataque Nital 2%... 81

Figura 34 - Microestrutura da ZF do revestimento da Chapa 1 utilizando o eletrodo E 10 UM 60 G na velocidade de 8 cm/min (2,8kJ) com a magnificação de 500x no MO... 82

Figura 35 - Microestrutura da ZF do revestimento da Chapa 1 utilizando o eletrodo E 10 UM 60 G, onde carbonetos primários com forma de faixes paralelos na velocidade de 8 cm/min (2,8kJ) com magnificação de 500x no MO... 82

Figura 36 - Microestrutura da ZF do revestimento da Chapa 2 utilizando o eletrodo E 10 UM 60 G na velocidade de 12 cm/min (1,9kJ) com a magnificação de 500x no MO... 83

Figura 37 - Microestrutura da ZF do eletrodo E 10 UM 60 G, onde carbonetos primários com forma de faixes paralelos na velocidade de 12 cm/min (1,9kJ) com magnificação de 500x no MO... 83

Figura 38 - Crescimento dos carbonetos devido ao ciclo térmico na microstrutura da ZF do revestimento da Chapa 2 utilizando o eletrodo E 10 UM 60 G soldada na velocidade de 12 cm/min (1,9kJ)... 85

Figura 39 - Trinca na microestrutura do revestimento da Chapa 1 soldada com velocidade de 8cm/min (2,8kJ ) ampliada em 50x no MO... 86

Figura 40 - Trinca na microestrutura do revestimento da Chapa 2 soldada com a velocidade de 12 cm/min (1,9kJ) ampliada em 100x no MO... 86

Figura 41 - Trinca na microestrutura Chapa 1 soldada com o eletrodo E 10 UM 60 G na de velocidade de 8 cm/min (2,8 kJ) ampliada em 500x no MO... 87

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Figura 42 - Trinca na microestrutura da Chapa 2 soldada com a velocidade de soldagem de 8 cm/min(2,8kJ) ampliada no microscópio ótico com ampliação de 500x... 88 Figura 43 - Microestrutura da ZF do revestimento da Chapa 4 utilizando o eletrodo E 10

UM 65 G com a velocidade 12 cm/min (2,1kJ) aumento de 200x no MO... 89 Figura 44 - Microestrutura da ZF do revestimento da Chapa 3 utilizando o eletrodo E 10

UM 65 G na velocidade de 8 cm/min(2,8kJ) com aumento de 500x no MO... 89 Figura 45 - Microestrutura da ZF do revestimento da Chapa 3 utilizando o eletrodo E 10

UM 65 G na velocidade de 8 cm/min (2,8kJ) com aumento de 500x MO... 90 Figura 46 - Trinca na ZF do revestimento da Chapa 3 utilizando o eletrodo E 10 UM 65 G

com a velocidade de 8 cm/min ampliada em 20x no MO... 91 Figura 47 - Trinca na ZF do revestimento da Chapa 3 utilizando o eletrodo E 10 UM 65 G

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - – Relação bitola com a corrente e tensão de soldagem dos eletrodos E 6010 e

E 7018... 24

Tabela 2 - Escalas de dureza Rockwell... 28

Tabela 3 - Composição química do eletrodo depositado E 10 UM 60 G... 31

Tabela 4 - Composição química do eletrodo E 10 UM 65 G... 32

Tabela 5 - Composição química do aço ASTM 35... 32

Tabela 6 - Armazenamento e ressecagem... 33

Tabela 7 - - Parâmetros de ajuste... 38

Tabela 8 - Parâmetros utilizados no ensaio preliminar variando a tensão e velocidade do E 10 UM 60 G... 40

Tabela 9 - - Parâmetros utilizados no ensaio preliminar variando a tensão e velocidade do E 10 UM 65 G... 40

Tabela 10 - Medição do peso das chapas metálicas... 42

Tabela 11 - Parâmetros utilizados no revestimento da chapa 1 utilizando o eletrodo E 10 UM 60 G... 43

Tabela 15 - Parâmetros utilizados no ataque eletroquímico com uma solução de ácido crômico 10%... 44

Tabela 16 - Condições de ensaio de dureza Rockwell C no revestimento... 45

Tabela 17 - Condições de ensaio de dureza Rockwell B no metal de base... 45

Tabela 18 - Resultados da soldagem preliminar do E 10 UM 60 G... 47

(15)

Tabela 23 - Resultados da soldagem da chapa 2 - E 10 UM 60 G... 63

Tabela 26 - Peso antes e depois do revestimento... 65

Tabela 27 - Perfil geométrico dos revestimentos... 69

Tabela 28 - Resultado dos testes de hipótese dos fatores sobre o reforço, penetração e diluição para o eletrodo E 10 UM 60 G com α = 0,05... 70

Tabela 29 - Resultado dos testes de hipótese dos fatores sobre o reforço, penetração e diluição para o eletrodo E 10 UM 65 G com α = 0,05... 72

Tabela 30 - Medições de dureza na zona fundida e metal de base das chapas soldadas com o E 10 UM 60 G... 75

Tabela 31 - Medições de dureza na zona fundida e metal de base das chapas soldadas com o E 10 UM 65 G... 75

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS I Corrente Im Corrente média T Tensão Tm Tensão média V Velocidade de soldagem

Vm Velocidade de soldagem média HRC Medição de dureza em rockwell C HRB Medição de dureza em rockwell B ER Eletrodo Revestido

UFC Universidade Federal do Ceará LEM Laboratório de Ensaios Mecânicos

LACAM Laboratório de Caracterização de Materiais

LPTS Laboratório de Pesquisa e Tecnologia da Soldagem MB Metal de Base

MA Metal de Adição

ZAC Zona termicamente afetada pelo calor ZF Zona Fundida

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO... 14

2 OBJETIVOS... 16

3 REVISÃO BIBLIOGRAFICA... 17

3.1 SOLDAGEM POR ELETRODO REVESTIDO... 17

3.2 EQUIPAMENTOS DE SOLDAGEM... 17

3.3 TIPOS DE ELETRODO... 18

3.4 PARÂMETROS DE SOLDAGEM... 22

3.5 ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL... 26

3.6 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO... 29

3.7 REVESTIMENTO DURO RESISTENTE AO DESGASTE... 30

4 METODOLOGIA... 31

4.1 CONSUMIVEIS DE SOLDAGEM... 31

4.2 EQUIPAMENTOS... 33

4.3 ETAPAS DE ESTUDO... 37

4.4 ESTÁGIO 1 – PROCEDIMENTO EXPLORATÓRIO... 38

4.5 ESTÁGIO 2 – SOLDAGEM PRELIMINAR... 39

4.6 ESTÁGIO 3 – SOLDAGEM DEFINITIVA ₄₂ 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES………….. 47

5.1 SOLDAGEM PRELIMINAR DO ELETRODO E 10 UM 60 G... 47

5.2 SOLDAGEM PRELIMINAR DO ELETRODO E 10 UM 65 G... 55

5.3 SOLDAGEM DEFINITIVA………. 62

5.3.1 TRINCAS SUPERFICIAIS …………. 67

5.3.2 PERFIS GEOMETRICOS DO REVESTIMENTO………….. 68

5.3.3 MEDIÇÕES DE DUREZA ROCKWELL……… 75

5.3.4 ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA PELO THERMO-CALC... 78

5.3.5 ANÁLISE DA MICROESTRUTURA ………... 80

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7 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS………... 95

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1 INTRODUÇÃO

Cada vez mais a indústria tem a demanda para aperfeiçoar processos de manutenção de equipamentos industriais. Processo de revestimento utilizando soldagem tem a sua praticidade e eficiência devido à facilidade do procedimento de baixo custo, podendo ser feito em peças de diversas espessuras.

O desgaste abrasivo causa anualmente grandes perdas em diversos tipos de indústria como açucareira, petrolífera e mineradora. As perdas podem ser a degradação superficial e podendo até ser mais crítica levando a falha total do equipamento. O uso de revestimentos duros, que contenham maior dureza que o metal de base é uma solução utilizada para minimizar os danos causados pele desgaste de partículas abrasivas durante os processos industriais (RABINOWICZ, 1995).

Devido a maior demanda por esse tipo de procedimento, a indústria tem investido em aprimorar as técnicas de soldagem mais conhecidas como eletrodo revestido, MIG, MAG, TIG e arco submerso, a fim de melhorar a qualidade e eficiência desses processos.

Processo de soldagem por eletrodo revestido é um dos primeiros métodos de soldagem a arco elétrico e ainda é bastante utilizado devido a sua praticidade e baixo custo operacional. Por ser um processo unicamente manual, a habilidade do soldador é de extrema importância para que os parâmetros de velocidade de soldagem e tensão sejam estabelecidos no procedimento de soldagem.

O procedimento foi ganhando mais eficácia quando foi possibilitada a produção em larga escala de eletrodos pelo método de extrusão. Desde então, é um dos processos mais utilizados na área da soldagem com largas aplicações na indústria. (FORTES, 2007).

Neste trabalho, a velocidade de soldagem que afeta a energia de soldagem, é um dos fatores primordiais em revestimentos duros. A velocidade de soldagem utilizada pelo soldador é capaz de mudar toda a microestrutura e, no pior dos casos, produzir cordões de solda que não contenham a dureza esperada. A velocidade de soldagem afeta diretamente o ciclo térmico de soldagem, quanto menor for à velocidade de soldagem maior será a energia de soldagem e consequentemente o material passará mais tempo em faixas de precipitação de carbonetos. Acrescentando-se ainda que a alteração da velocidade de soldagem possa afetar a diluição, o qual é o parâmetro fundamental obtenção de bons revestimentos.

Os metais de adição utilizados neste trabalho são os eletrodos revestidos E 10 UM 60 G e E 10 UM 65 G eficientes em aplicações que exigem grande resistência ao desgaste como brocas de perfuração de solo, martela nas usinas de açúcar e outros equipamentos nas

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15 indústrias siderúrgicas, mineração e cimento. Esses eletrodos utilizados em revestimentos possuem a característica de serem difíceis de soldar na parte operacional, necessitando assim que o soldador tenha experiência e treinamento adequado para a realização desse procedimento de reparo utilizando a soldagem. Usados em técnicas de manutenção do revestimento nesses equipamentos, este trabalho tem como objetivo a utilização desses eletrodos em parâmetros definidos, a fim de analisar e compreender as melhores escolhas de parâmetros de soldagem utilizadas nesses revestimentos.

Com o avanço dos estudos em revestimentos por métodos de soldagem, é possível escolher os melhores parâmetros de soldagem que possibilitem maior produtividade e qualidade do revestimento fixando e aperfeiçoando as técnicas utilizadas. Portanto, este trabalho propõe a analise de alguns parâmetros operacionais, analisando o aspecto geométrico, a dureza e a microestrutura do cordão de solda seguida pela comparação dos dois eletrodos, a fim de se analisar o processo com melhor produtividade e qualidade do revestimento.

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16 2 - OBJETIVOS GERAIS

A presente pesquisa tem como principal objetivo avaliar e comparar os efeitos dos parâmetros de tensão e velocidade de soldagem nas características metalúrgicas do metal de solda depositado pelos eletrodos E 10 UM 65 G e E 10 UM 60 G em processo de revestimento duro no processo de soldagem por eletrodo revestido. Contribuir para desenvolvimento de novos trabalhos do LPTS em técnicas de revestimento duro.

2.1 Objetivos específicos

a) Analisar os efeitos dos parâmetros de tensão e velocidade de soldagem sobre as características geométricas do cordão de solda.

b) Avaliar o perfil de dureza da zona fundida dos eletrodos.

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17

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Soldagem por eletrodo revestido

“O processo de soldagem por eletrodos revestidos é definido como um processo de soldagem com arco, onde a união é produzida pelo calor do arco criado entre o eletrodo revestido e a junta a ser soldada” (WAINER, 2004, p 31).

A soldagem a arco elétrico através do eletrodo se tornou um dos mecanismos mais importantes de fabricação industrial depois da sua descoberta em 1907 por Oscar Kjelberg. Trata-se de um processo estritamente manual, no qual a soldagem é iniciada através de um curto circuito entre o eletrodo e o metal de base. Ao realizar o toque o eletrodo é imediatamente afastado e tem início a abertura do arco elétrico (MACHADO, 1996).

O processo de soldagem por eletrodo revestido possui uma série de vantagens como baixo custo operacional, equipamento simples e versátil, não necessita de fluxos ou gases, facilidade de soldar em áreas de difícil acesso, entretanto esse método também possui algumas limitações como baixa produtividade, requer cuidados no manuseio e armazenamento, presença de escoria e requer habilidade do soldador (WAINER, 2004).

O revestimento tem vital importância na manutenção e abertura do arco elétrico durante a soldagem, além de ajustar a composição química do cordão, oferecer gases para a proteção da poça fundida e conferir qualidades mecânicas e metalúrgicas ao eletrodo (VILLANI, 2011).

Durante o processo de soldagem, o cordão de solda formado é protegido da atmosfera (Contendo O2 e N2) através da escoria e pelos gases gerados durante o processo. Portanto, o metal líquido é transferido da alma do eletrodo para a peça sendo protegida pelos gases e o banho da escoria, que são gerados pela queima e a combustão do revestimento (MONDENESI, 2012).

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18

Figura 1 – Processo de soldagem por eletrodo revestido

Fonte: (WAINER; BRANDI; DE MELLO, 1992)

3.2 Equipamentos de soldagem

Os equipamentos utilizados na soldagem de eletrodo revestido são bastantes simples se comparado a outros processos de soldagem. O equipamento consiste em fonte de energia, porta eletrodo, cabos de interligação, pinças de contato, equipamentos de proteção individual e ferramentas de limpeza (WAINER, 2004).

A tensão neste processo de soldagem é ajustada manualmente pelo próprio soldador através do comprimento do arco elétrico. É possível variações de tensão durante o a formação do cordão, por isso para o processo eletrodo revestido são usadas fontes de corrente constante (VILLANI, 2011).

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Figura 2 – Equipamentos de soldagem por eletrodo revestido

Fonte: MONDENESI, 2012

As fontes podem operar em dois tipos de corrente sendo estas: corrente continua e corrente alternada. Dependendo do tipo de corrente, o resultado final será influenciado pela mudança dos parâmetros de soldagem. A corrente continua possui duas polaridades, uma positiva e outra negativa. Na polaridade negativa os elétrons se chocam com o eletrodo proporcionando maior aquecimento do mesmo, facilitando assim a taxa de fusão do eletrodo e consequentemente menor penetração no metal de base.

Para a polaridade positiva, os elétrons irão chocar diretamente com o metal de base fornecendo maior aquecimento, assim para esta polaridade terá maior penetração no metal de base e menor taxa de fusão do eletrodo.

3.3 Tipos de Eletrodos

Existem diversos tipos de eletrodos no mercado. Eles são classificados segundo a American Welding Society – AWS e para cada tipo de eletrodo tem a sua numeração correspondente para a sua aplicação em campo. Cada numeração do eletrodo indica as suas características de revestimento, posição de soldagem e propriedades mecânicas. Os revestimentos são de 4 tipos distintos: rutilico, básico, celulósico e ácido (Villani, 2011).

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20

O eletrodo revestido é constituído por uma vareta metálica, a alma, com diâmetro entre 1,5 e 8 mm e comprimento entre 23 e 45 cm, recoberta por uma camada de fluxo, o revestimento. Eletrodos para soldagem por gravidade têm comprimento entre 55 e 70 cm. A composição do revestimento determina as características operacionais dos eletrodos e pode influenciar a composição química e a as propriedades mecânicas da solda efetuada. (MODENESI; MARQUES; BRACARENSE, 2011, p 186)

Figura 3 – Classificação dos eletrodos revestidos

Fonte: MONDENSI, 2012

Segundo MODENESI, MARQUES, & BRACARENSE, 2011 as classificações dos tipos de revestimentos são divididas em 5 (cinco) tipos distintos.

 Revestimento Rutílico

Possui em sua composição dióxido de titânio (TiO2), são eletrodos de fácil manipulação pelo soldador operando em tanto em corrente continua (CC) como corrente alternada (CA) em qualquer posição de soldagem. Produz uma escória de fácil destacabilidade, densa e abundante com um cordão de ótimo aspecto e baixa penetração.

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21  Revestimento Básico

Contém carbonato de cálcio e fluorita em sua composição que forma uma escória básica que em união com o dióxido de carbono (CO2) protege a solda do contato com a atmosfera. A escória produzida tem como função dessulfurar a poça de fusão e reduzir a possibilidade de trincas de solidificação. O eletrodo é altamente higroscópico e deve ser armazenado e manuseado corretamente. Quando armazenado corretamente, esse eletrodo pode produzir soldas com baixo teor de hidrogênio, minimizando assim a formação de trincas por hidrogênio. A penetração do cordão é media e produz soldas de excelente tenacidade. É usado com frequência em aplicações de alta responsabilidade, soldagens de grandes espessuras e estruturas rígidas.

Figura 4 – Armazenamento dos eletrodos básicos

Fonte: MONDENESI, 2012

 Revestimento Celulósico

Possui em sua composição elevada quantidade de matéria orgânica, no caso a celulose que a decompõe no arco elétrico gerando grande quantidade de gases que protegem a poça de fusão da atmosfera. Produz pouca quantidade de escória e o arco elétrico tem a característica de ser violento, causando assim grande quantidade de respingos e alta penetração se comparado a outros tipos de revestimento. O aspecto do cordão não é bom, pois apresenta

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22 escamas irregulares no cordão de solda. Possui boas características mecânicas, entretanto pode produzir soldas com alto teor de hidrogênio possibilitando trincas a frio por hidrogênio. É usado para soldas de passe de raiz e na circunferência de tubulações, devido a sua alta penetração e a formação de respingos, esse eletrodo não é recomendado para o enchimento de chanfros.

 Revestimento Ácido

O eletrodo é composto de óxido de ferro e manganês e sílica, produzindo escória ácida, porosa, abundante e de fácil remoção. Este tipo de eletrodo pode operado tanto em corrente continua (CC) como corrente alternada (CA), possui penetração média e alta taxa de fusão do eletrodo, gerando uma poça de fusão volumosa. Pela formação da poça volumosa, esse eletrodo se limita a soldar somente nas posições plana e horizontal. Possui baixa resistência a trincas de solidificação, mas as propriedades mecânicas das soldas são consideradas boas para diferentes aplicações.

 Revestimento Oxidante

Composto de óxido de ferro e manganês, forma uma escória oxidante, abundante e de fácil destacamento do cordão de solda. Este tipo de eletrodo pode ser utilizado tanto em corrente continua (CC) como em corrente alternada (CA) com baixa penetração. O cordão de solda possui baixo teor de carbono e não devem ser utilizados em aplicações de alta responsabilidade devido as suas propriedades. O cordão de solda possui boa aparência e este tipo de revestimento é muito pouco utilizado atualmente.

3.4 Parâmetros de soldagem

Na soldagem por eletrodo revestido existem vários parâmetros operacionais importantes para a boa qualidade do cordão de solda. É extremamente importante a técnica e habilidade do soldador já que ele controla o comprimento do arco e a velocidade de soldagem utilizada no procedimento.

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23 3.4.1 Tensão de soldagem

A tensão de soldagem no processo de soldagem por eletrodo revestido é mantida através do comprimento do arco elétrico. A tensão neste tipo de procedimento pode variar de 17 até 36 V e pode aumentar dependendo do diâmetro do eletrodo, corrente de soldagem e comprimento do arco elétrico. O comprimento do arco elétrico é de responsabilidade do soldador manter durante o procedimento, a manutenção do arco é necessária para produzir soldas de boa qualidade (MODENESI; MARQUES; BRACARENSE, 2011).

Caso o arco elétrico esteja em um comprimento muito pequeno forma um arco intermitente, causando interrupções frequentes podendo extinguir o arco e grudando no metal de base. Cordões com arco mais curto também tende a ser mais estreitos e gerar certa concavidade. Em contrapartida, para arcos maiores o cordão de solda produzido terá maior largura do que em arcos com menores comprimentos. Arcos maiores também causam arco sem direção e concentração, mais respingos e deficiência na proteção causando a formação de porosidades no cordão de solda (MODENESI; MARQUES; BRACARENSE, 2011).

3.4.2 Velocidade de soldagem

É um dos principais parâmetros na soldagem por eletrodo revestido. O seu controle é impreciso devido as operações manuais que dificultam a sua exatidão. A largura do cordão de solda varia inversamente com a velocidade de soldagem. A energia de soldagem pode ser mantida, mesmo com a utilização de altas correntes devido a maior velocidade de avanço do eletrodo (WAINER; BRANDI; DE MELLO, 1992).

Com altas correntes e altas velocidades, podem-se realizar altas taxas de deposição com microestruturas mais refinadas tanto na zona fundida como na zona termicamente afetada, melhorando a produtividade de fabricação (WAINER; BRANDI; DE MELLO, 1992).

O uso de velocidades de soldagem muito altas pode causar deformidades no cordão de solda como cordões estreitos, baixa penetração, mordeduras e escória de difícil remoção. Velocidades baixas causam um cordão mais largo com reforço excessivo (MODENESI, MARQUES; BRACARENSE, 2011).

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24 3.4.3 Diâmetro do eletrodo

Os diâmetros dos eletrodos utilizados na indústria variam de 1 a 8 mm e comprimento 350 a 470 mm, sendo estes limites ditados pela habilidade do soldador e a sua posição de soldagem. O diâmetro do eletrodo é um dos fatores limitantes da faixa de corrente utilizada durante o processo de soldagem (WAINER: BRANDI; DE MELLO, 1992).

A faixa de corrente utilizada depende do diâmetro da alma eletrodo e do seu revestimento. Para cada tipo de eletrodo, existe uma corrente recomendável. Usando correntes inferiores as recomendadas podem causar instabilidade do arco, aquecimento e fusão insuficiente (MODENESI; MARQUES; BRACARENSE, 2011).

O maior comprimento do eletrodo tem como função de aumentar o tempo em que o arco elétrico está funcionando sem outros efeitos sobre a característica dos depósitos. Para aumentar a produtividade escolhe-se o maior diâmetro de eletrodo, a fim de aumentar a taxa de deposição (WAINER; BRANDI; DE MELLO, 1992). A tabela 1 indica a relação do diâmetro da alma do eletrodo em relação aos parâmetros de corrente e tensão de soldagem para os eletrodos E 6010 e E 7018.

Tabela 1 – Relação bitola com a corrente e tensão de soldagem dos eletrodos E 6010 e E 7018

Eletrodo AWS E 6010 AWS E 7018

Bitola (mm) Corrente (A) Tensão (A) Corrente (A) Tensão (V)

2,0 50 – 70 18 - 28 50 - 90 20 – 30 2,5 60 – 100 65 – 105 3,25 90 – 150 110 – 150 4 105 – 205 140 - 195 5 155 – 300 185 - 270 6 195 – 350 225 - 355

Fonte: (MODENESI, MARQUES, & BRACARENSE, 2011)

3.4.4 Ângulo de soldagem

O ângulo de soldagem tem fator importante na diluição no cordão de solda. O ângulo de soldagem ajusta o fluxo térmico, controlar a poça de solda e o formato do cordão. A angulação também trabalha o sentido de soldagem puxando ou empurrando a poça de fusão. Na soldagem puxando com angulação o arco elétrico está voltado para a parte com maior aporte térmico, aumentando assim a diluição e a penetração. Quando a soldagem é realizada

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25 empurrando, o arco elétrico está voltado para a região de menor aporte térmico, gerando assim menor diluição e menor penetração (EMILIO WAINER, SÉRGIO BRANDI, FÁBIO DÉCOURT HOMEM DE MELLO, 1992).

3.4.4 Corrente de soldagem

A corrente de soldagem é um dos parâmetros mais importantes do processo. Através da corrente é possível saber as taxas de deposição do eletrodo, penetração da solda e velocidade de resfriamento. Esses parâmetros alteram fortemente a qualidade da solda, entretanto deve-se ficar atento em obedecer aos parâmetros recomendados pelos fabricantes do eletrodo. A corrente também é o efeito controlador da largura e do reforço do cordão (WAINER, 2004).

Os tipos de corrente e a sua polaridade também são parâmetros que devem ser levados em consideração. A corrente e a polaridade afetam as dimensões da poça de fusão, estabilidade do arco elétrico e a transferência do metal de adição. A corrente de continua de polaridade inversa (CC+) produz alta penetração e a polaridade direta (CC-) consume o eletrodo mais rapidamente elevando a sua taxa de fusão. Em relação a corrente alternada (CA), os valores são intermediários e ocorre a minimização do sopro magnético. A Figura 5 exemplifica as diferenças entre os tipos de corrente (MONDENESI, 2012).

Figura 5: Relação entre o tipo de polarização com a penetração a) CC+ com alta penetração, b) CC- com baixa penetração, c) CA com penetração intermediaria.

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26 4.6.1 Energia de soldagem

A energia de soldagem é o parâmetro mais importante na formação dos precipitados de carbono. A quantidade de energia de soldagem influenciará alterações mecânicas e metalúrgicas nos cordões de solda. A dureza do revestimento de cada chapa metálica é alterada em relação a energia de soldagem através da formação desses diversos precipitados presentes na microestrutura(WAINER, 2004).

A energia de soldagem bruta é obtida através da equação 1, enquanto a energia líquida de soldagem é dada pela equação 2. Foi adotado que o rendimento térmico (Ƞ) para o processo de soldagem por eletrodo revestido de 0,7.

𝐸𝑏 =𝐼.𝑇_𝑣 (1)

𝐸𝑙 = 𝐸𝑏. Ƞ (2) Legenda:

Eb = Energia Bruta de soldagem El = Energia Líquida de soldagem Ƞ = Rendimento Térmico

I = Corrente de Soldagem T = Tensão de Soldagem V = Velocidade de soldagem

3.5 Ensaio de dureza Rockwell

Este ensaio se baseia na medição da profundidade de penetração de um penetrador na amostra metálica. No cálculo é subtraída a recuperação elástica da carga final e a profundidade causada pela carga inicial. Os penetradores utilizados neste tipo de ensaio podem ser do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120°). Para a realização do ensaio é necessário que a amostra esteja plana e lixada, a fim de não ocorrer erros na medição devido a diferentes relevos nas amostras (FBTS, 2018)

(32)

27 O ensaio é realizado em 3 etapas:

1°) O corpo de prova é submetido a uma pré-carga com o objetivo de garantir o contato do penetrador com o corpo de prova avaliado.

2°). Aplica-se a carga final, que somada com a pré-carga, resulta na carga total utilizado no ensaio, e espera até o ponteiro parar.

3°) Esperar de 5 a 10 segundos para aliviar a carga e fazer a leitura no ponteiro.

A Figura 6 mostra como é feito o passo a passo da execução do ensaio de dureza Rockwell

Figura 6: Execução do ensaio de dureza Rockwell.

Fonte: FBTS (Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem)

O ensaio de dureza Rockwell é dividido em Rockwell normal e Rockwell superficial. Alem desses dois grupos existem várias escalas que utilizam diferentes cargas e diferentes penetradores para a realização do ensaio. A escolha da escala deve ser através do tipo de material, tratamento térmico, espessura e porosidades. A Tabela 2 indica as escalas mais usuais de dureza Rockwell normal e Rockwell superficial (FBTS, 2018)

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28 Tabela 2: Escalas de dureza Rockwell

Símbolo da Escala Maior carga (kgf) Penetrador Campo de

Aplicação

Rockwell A 60 Cone de diamante,

120° de conicidade

Aço cementado ou temperado

Rockwell C 150

Rockwell D 100

Rockwell B 100 Esfera de aço, 1,588

mm de diâmetro

Aço, ferro, bronze, latão, ect até 240

Brinell

Rockwell F 60

Rockwell G 150

Rockwell E 100 Esfera de aço, 3,175

mm de diâmetro

Rockwell H 60

Rockwell K 150

Rockwell L 60 Esfera de aço, 6,350

mm de diâmetro

Material plástico

Rockwell M 100

Rockwell P 150

Rockwell R 60 Esfera de aço, 12,70

mm de diâmetro

Rockwell S 100

Rockwell V 150

Rockwell superficial – pré-carga – 3kgf

15N 15 Cone de diamante, 120° de conicidade Aços com tratamento térmico superficial, como cementação, nitretação, etc 30N 30 45N 45 15T 15 Esfera de aço, 1,588 mm de diâmetro

Aço, ferro e outros metais até 240 Brinell, chapa e etc

30T 30

40T 45

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29 3.6 Endurecimento por precipitação de carbonetos

“A resistência e a dureza de algumas ligas metálicas podem ser melhoradas pela formação de partículas extremamente pequenas e uniformemente dispersas de uma segunda fase dentro da matriz da fase original; isso deve ser obtido através de transformações de fase que são induzidas por tratamentos térmicos adequados. Esse processo é chamado de endurecimento por precipitação, pois pequenas partículas da nova fase são denominadas “precipitados” (Callister Jr, p 292)

A etapa de precipitação tem como objetivo, partir de uma solução monofásica supersaturada, a formação da segunda fase na geração de partículas finas dispersas e homogeneizadas no interior dos grãos cristalinos e não mais concentrada nos contornos de grãos. A temperatura escolhida deve ser de tal forma que a velocidade de nucleação dos precipitados seja maior que a velocidade de crescimento, entretanto deverá ser baixa para dificultar a difusão de longo alcance, assim dificultando o deslocamento de átomos do soluto para os contornos de grão (REZENDE, 2006).

Segundo REZENDE, esses precipitados distribuídos homogeneamente no interior dos grãos atuam como barreiras no deslocamento das discordâncias e esses precipitados podem ter estrutura cristalina e composições, que podem ser coerentes, semicoerentes incoerentes com a matriz metálica da liga. Em uma situação ideal, esses precipitados são formados de maneira homogênea no interior dos grãos na matriz metálica da liga, gerando um aumento na resistência mecânica significativo.

Quanto maior for à proximidade entre os precipitados, maior será o aumento da resistência mecânica, pois a dificuldade das discordâncias de contornarem maior quantidade de precipitados aumenta, em contrapartida quando ocorre o superenvelhecimento alguns precipitados aumentam de tamanho com a junção de outros precipitados aumentando a distância entre si ocasionando em uma queda na resistência mecânica.

REZENDE ainda enfatiza o efeito do campo de tensão gerado pelos precipitados na rede cristalina. Os precipitados são constituídos por zonas ou fases que de certa forma possuem coerência com a matriz, entretanto na sua formação criam tensões internas na rede cristalina. Quando uma discordância atravessa uma rede cristalina ele deve vencer as tensões acarretando em um aumento da tensão aplica ocasionando aumento da resistência mecânica do material. Os carbonetos formados têm conhecida influência sobre as propriedades do aço em se tratando da quantidade gerada de carbonetos na microestrutura. Esses carbonetos são

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30 geralmente encontrados em aços frágeis e duros, entretanto propriedades especiais podem ser adquiridas nas ligas metálicas devido a diversidade de carbonetos existentes. Os elementos conhecidos como formadores de carboneto somente poucos são aceitos na matriz de cementita ou pelos cristais de Fe3C, gerando assim carbonetos complexos como (FeCr)3C, contendo 15% de cromo, (CrFe)7C3, contendo 36% de cromo, (FeMo)6C, (FeW)6C, (VFe)4C3 e etc (CHIAVERINI, 2008)

3.7 Revestimento duro resistente ao desgaste

Desgaste é um fenômeno que ocorre em mecanismos como eixos, pistões, válvulas e cilindros, maquinário agrícola, escavadeira e misturadores. É um fenômeno superficial em que pelo menos uma das peças, em movimento que resulta na deformação ou na modificação das espessuras das peças. Com a susceptível redução, as peças perdem as suas funções mecânicas e alterações de sua ajustagem, gerando assim a formação de trincas por uma pequena sobrecarga por fadiga ou qualquer outro esforço dinâmico (CHIAVERINI, 2008).

O desgaste ocorre de maneira prática pelo o arrancamento de partículas metálicas devido ao contato de uma superfície metálica por outra superfície metálica, superfície metálica com uma superfície não metálica ou uma superfície metálica contra gases e líquidos em movimento, sendo assim os três tipos de desgaste que são o metálico, abrasivo e erosivo respectivamente (CHIAVERINI, 2008).

O revestimento duro tem como objetivo diminuir o desgaste da superfície metálica pela aplicação de um revestimento que propriedades diferentes do metal de base. Os principais elementos que aumentam a dureza são cobalto, níquel e ligas ferrosas contendo manganês e cromo. A resistência ao desgaste é dada pela formação de carbonetos que possuem uma elevada dureza na microestrutura e pela presença de carbonetos de Tungstênio. O método de revestimento duro através da aplicação do eletrodo revestido produz altas taxas de deposição e uma diluição intermediaria. Entretanto, é possível a aparição de algumas trincas ou porosidades, essas descontinuidades, geralmente, são aceitáveis caso não ocorra algum comprometimento da peça revestida. Para este processo de soldagem por eletrodo revestido é necessário a aplicação de várias camadas para se atingir a dureza ou a propriedade necessária (ASM INTERNATIONAL, 2008).

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31

4 METODOLOGIA

Este capitulo tem o intuito de apresentar os materiais de consumo, os equipamentos e a metodologia utilizada na realização deste trabalho. Todos os procedimentos da metodologia foram realizados no LPTS/UFC

4.1 Consumíveis de soldagem

Os eletrodos utilizados na pesquisa têm como o intuito de produzir soldas com grande resistência ao desgaste. Os eletrodos foram adquiridos pelo Laboratório de Pesquisa e Tecnologia da Soldagem para a realização deste trabalho acadêmico.

4.1.1 E 10 UM 60 G

O eletrodo E 10 UM 60 G é utilizado em revestimentos nos quais é necessário o aumento da dureza em operações em que se deseja a resistência ao desgaste. O eletrodo tem como objetivo a formação de precipitados de carbonetos de cromo como principal modo de aumento da resistência ao desgaste. O eletrodo utilizado possui 4 mm de diâmetro da alma. A composição química desse eletrodo será apresentada na Tabela 3.

Tabela 3 – Composição química do eletrodo depositado E 10 UM 60 G.

10 UM 60 G

Carbono (%) Silício (%) Cromo (%)

4,5 4,3 32,50

Fonte: Fabricante weld inox.

Com isso, percebem-se altas quantidades de carbono e cromo, elementos fundamentais na dureza do cordão de solda. Em relação à dureza, o fabricante informou um intervalo de 57 HRC até 62 HRC que pode ser obtido segundo os parâmetros de soldagem que são a corrente, tensão e velocidade de soldagem.

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32 4.1.2 E 10 UM 65 G

O eletrodo E 10 UM 65 G também é utilizado em revestimentos os quais se necessita que tenha alta resistência ao desgaste. A composição química do eletrodo E 10 UM 65 G será representado na Tabela 4.

Tabela 4 - Composição química do eletrodo depositado E 10 UM 65 G.

10 UM 65 G Carbono

(%)

Silício (%) Cromo (%) Molibdênio (%)

Tungstênio (%)

Nióbio (%)

3 2,6 18,30 5,10 4,10 5,70

Fonte: Fabricante weld inox

A formação de carbonetos de Cr, Mo, W e Nb é altamente desejada para revestimentos duros sujeitos a extrema abrasão, pela composição química da Tabela 4, percebe-se que esse eletrodo é altamente eficaz no aumento da resistência ao desgaste. É informado pelo fabricante que o eletrodo produz cordões de solda com um intervalo de dureza de 62 HRC até 67 HRC.

4.1.3 Metal de Base

O metal de base utilizado no procedimento foram às chapas de aço ASTM 36 oferecidas pelo laboratório. A Tabela 5 indica a análise química das chapas metálicas.

Tabela 5 - Composição química do aço ASTM 36.

A36

Carbono (%) Cobre (%) Fosforo (%) Enxofre (%)

0,26 0,20 Máx 0,40% Máx 0,50%

Fonte: Autor

Antes de iniciar a soldagem é necessário realizar a ressecagem, seguida da manutenção em estufa. A Tabela 6 indica os parâmetros adotados para a manutenção e armazenamento dos eletrodos.

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33 Tabela 6 – Armazenamento e ressecagem.

Ressecagem Manutenção Estufa

275°C ± 25°C TEMPO 90 Min. ± 30 Min 125°C ± 10°C 100°C ± 10°C

Fonte: Fabricante weld inox

Figura 7 – Estufa de armazenamento de eletrodos.

Fonte: Autoria própria

4.2 Equipamentos

Foram utilizados os equipamentos do Laboratório de Pesquisa e Tecnologia da Soldagem (LPTS). A soldagem por eletrodo revestido foi feita de forma manual através da habilidade de um soldador, entretanto, para níveis de pesquisa e trabalhos acadêmicos foi desenvolvida no laboratório uma bancada automatizada para realizar as soldagens de eletrodo revestido sem a necessidade de um soldador habilitado. A bancada possui uma fonte no modo corrente constante, a tensão é controlada através do comprimento do arco elétrico e a velocidade de soldagem é controlada pela angulação do equipamento ajustada pelo operador antes de iniciar o processo de soldagem. A bancada automatizada é mostrada pela Figura 8 enquanto a bancada utilizada no procedimento manual é mostrada na Figura 9.

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34 4.2.1 Equipamentos utilizados na soldagem automatizada

 Motor para deslocamento do eletrodo conforme a tensão  Fonte de soldagem

 Programa para a aquisição de dados  Exaustor

 Controle de partida

Figura 8 – Bancada de soldagem automatizada por eletrodo revestido

Fonte: Autoria própria

4.2.2 Equipamentos utilizados na soldagem manual

 Tartilope com trilho  Fonte de soldagem

 Programa para a aquisição de dados

 Alicate para soldagem de eletrodo revestido  Exaustor

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35 Figura 9: Procedimento de soldagem manual

Fonte: Autor

4.2.3 Preparação e caracterização das amostras

 Esmerilhadeira  Serra fita

 Máquina para corte metalográfico (Cut-Off)  Politriz

 Máquina fotográfica  Microscópio Ótico  Durômetro

Os equipamentos utilizados para a realização do ataque eletrolítico, medição de dureza Rockwell e o carrinho com sistema de movimentação automática utilizado no estágio da soldagem definitiva estão ilustrados na Figura 10.

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36

Figura 10: Equipamentos utilizados na etapa da soldagem definitiva a) equipamento de ataque eletrolítico na estufa, b) Medidor de dureza Rockwell, c) Tártilope com o trilho de deslocamento, d) Máquina de corte (Cut-off), e) Microscópio ótico

a) b)

c)

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37 4.3 Etapas do estudo

A metodologia do trabalho foi dividida em três etapas: exploratório, preliminar e definitiva para facilitar a organização e compreensão dos resultados. O fluxograma da metodologia é apresentado na Figura 11.

Figura 11 – Fluxograma da metodologia.

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38 4.4 Estágio 1 - Procedimentos exploratório

Esta etapa se caracteriza pelo reconhecimento, regulagem do equipamento e correção de problemas para fornecer as condições necessárias de funcionamento das etapas seguintes.

a) Exploração e estudo do equipamento

O estudo do equipamento se deu através dos manuais e ao acompanhamento de soldagens realizadas em outros trabalhos no Laboratório de Pesquisa e Tecnologia da Soldagem.

As soldagens iniciais tiveram muitos problemas para iniciar a abertura do arco, logo que o eletrodo tocava o metal de adição o arco elétrico não abria e em consequência disso o eletrodo colava no metal de base. Para resolver este problema foi sugerido pelo professor usar uma corrente média de soldagem de 165 A, sendo as correntes de curto circuito e abertura de arco aumentada em 50% e 60%, respectivamente, a mais em relação à corrente média de soldagem. Os parâmetros estão inseridos na Tabela 7.

Tabela 7 - Parâmetros de ajuste.

Corrente média de soldagem (A) Corrente de curto circuito (A) Corrente de abertura de arco (A) Tensão de curto circuito (V) 165 247 264 12 Fonte: Autor b) Ajuste do equipamento

Tendo em vista que o eletrodo é consumido toda vez que ocorre a operação de soldagem, o ajuste da posição de soldagem a fim de executar é fundamental para a abertura do arco e para melhor utilização do eletrodo. Com a fabricação da bancada foi possível produzir mais cordões com o mesmo eletrodo devido a maior ajuste de posição do metal de base em relação ao eletrodo.

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39 4.5 Estágio 2 – Soldagem preliminar

Nesta etapa, foram definidos quais os parâmetros de controle e como cada parâmetro deve ser ajustado na etapa posterior do trabalho na etapa definitiva. Foram feitos estudos estatísticos mostrando a relevância da variável de controle na variável de resposta.

Os parâmetros devem ser ajustados e fatores de controle que foram utilizados na etapa definitiva com base em uma observação qualitativa de relevância para cada fator relacionado com as variáveis-respostas.

a) Preparação dos corpos de prova

Os corpos de provas foram preparados no laboratório com aço ASTM 36, com auxílio de uma serra fita foi possível cortar as chapas em um tamanho que coubesse no equipamento de soldagem automatizada.

Após o corte na serra fita, as chapas foram esmerilhadas para remover todo o oxido contido na superfície, deixando assim a chapa metálica com aspecto brilhante sem a presença de óxidos em sua superfície.

b) Soldagem dos corpos de prova

Para a soldagem preliminar dos dois eletrodos foram utilizados 1 nível de corrente, 3 níveis de tensão e 2 níveis de velocidade de soldagem para a realização dos cordões de solda, totalizando assim 6 cordões e 12 amostras. Após a soldagem foram tiradas 2 amostras de cada cordão de solda, uma amostra do início e outra do final do cordão para fazer as medições de largura, reforço e diluição.

A avaliação de parâmetros nesta etapa tem como objetivo a comparação dos eletrodos E 10 UM 60 G e E 10 UM 65 G e como eles se comportam em relação aos parâmetros utilizados.

O parâmetro que foi mantido fixo para cada eletrodo foi a corrente de soldagem de curto circuito e abertura de arco. A corrente usada em todos os processos foi de 165 A, seguido também da corrente de curto circuito e da abertura de arco que são 247 A e 265 A respectivamente. Os valores utilizados na etapa da soldagem preliminar estão nas Tabelas 8 e 9.

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40 Tabela 8 – Parâmetros utilizados no ensaio preliminar variando a tensão e velocidade do E 10 UM 60 G.

E 10 UM 60 G Cordão Tensão (V) Velocidade (cm/min) A1 26 8 A2 26 12 A3 30 8 A4 30 12 A5 34 8 A6 34 12 Fonte: Autor

Tabela 9 - Parâmetros utilizados no ensaio preliminar variando a tensão e velocidade do E 10 UM 65 G.

E 10 UM 65 G

Cordão Tensão (V) Velocidade

(cm/min) B1 26 8 B2 26 12 B3 30 8 B4 30 12 B5 34 8 B6 34 12 Fonte: Autor

Ao término da soldagem, foi esperado que o cordão reduzisse a temperatura para começar a remoção da escória através de uma esmerilhadeira. As Figuras 12 e 13 mostram um cordão com escória e outro cordão sem escória. A escória se mostrou de difícil remoção para ambos os eletrodos, sendo só possível a sua remoção através de uma esmerilhadeira com uma escova de aço. As duas escórias tiveram aspectos semelhantes no formato e nenhuma variação perceptível.

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41

Figura 12 – Cordão de solda com escória do eletrodo E 10 UM 65 G.

Fonte: Autor

Figura 13: Cordão de solda sem escória do eletrodo E 10 UM 65 G.

Fonte: Autor

Cada amostra obtida foi lixada até a granulação de 1200 com auxílio de uma lixadeira, após a etapa de lixamento as amostras foram atacadas com uma solução de NITAL 2%. As fotos para as medições e para a obtenção das macrografias foram realizadas através de uma câmera profissional (Nikkon 3500).

A medição dos perfis geométricos de todas as amostras foram determinadas através do software Imagepro. As características geométricas analisadas foram largura, reforço e diluição.

Foram utilizadas 2 variáveis de controle a velocidade de soldagem e de tensão. As variáveis respostas analisadas foram o reforço, diluição e largura do cordão. Os gráficos gerados foram feitos pelo programa de estatística utilizando a tecnica “ANOVA” para indicar o índice de variância de cada variável de controle nas variáveis respostas, que informara qual variável de controle é mais significativa do ponto de vista estatístico para o processo.

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42 4.6 Estágio 3 - Soldagem definitiva

Nesta etapa, as soldagens foram manuais através de um soldador habilitado ao invés do equipamento automatizado de soldagem por eletrodo revestido utilizado nas etapas anteriores. As soldagens de revestimento foram realizadas fixando a tensão e a corrente, com alteração somente da velocidade de soldagem como variável de controle. Os cordões foram feitos com sobreposição de 50% do cordão do passe anterior.

Foram soldadas quatro amostras, para estudo do perfil geométrico, da dureza e da microestrutura. A Figura 14 ilustra o processo de revestimento com ilustração esquemática da sobreposição adotada.

Figura 14 – Esquematização dos passes de revestimento.

Fonte: Autor

Todas as chapas metálicas foram cortadas na serra fita com as mesmas medidas de 12 mm x 75 mm x 120 mm e pesadas antes de serem soldadas através de um balança disponível no laboratório. A Tabela 10 demonstra o peso em gramas de cada chapa metálica.

Tabela 10 – Medição do peso das chapas metálicas.

Chapa metálica Peso (gramas)

Chapa 1 1033,9

Chapa 2 1035,5

Chapa 3 1041,7

Chapa 4 1043,4

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43 Foram utilizadas quatro chapas metálicas, duas soldadas com o eletrodo E 10 UM 60 G e outras duas chapas soldadas com o eletrodo E 10 UM 65. As tabelas 11, 12, 13 e 14 indicam os parâmetros de soldagem utilizados em cada cordão do revestimento das chapas metálicas.

A corrente de soldagem foi mantida em 165 A e os mesmos parâmetros de corrente de curto circuito e corrente de abertura de arco utilizada na etapa de soldagem preliminar. A tensão de referência escolhida foi de 26 V, entretanto o valor da tensão média poderá variar devido ao controle do arco ser feito pelo soldador durante a execução da solda.

Tabela 11 – Parâmetros utilizados no revestimento da chapa 1 utilizando o eletrodo E 10 UM 60 G.

Chapa 1 (E 10 UM 60 G)

Cordão Tensão (V) de referência Velocidade de soldagem

(cm/min) Cordão 1 26 8 Cordão 2 8 Cordão 3 8 Cordão 4 8 Fonte: Autor

Chapa 2 (E 10 UM 60 G)

Chapa 3 (E 10 UM 65 G)

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44 Tabela 14 – Parâmetros utilizados no revestimento da chapa 4 utilizando o eletrodo E 10 UM 65 G.

Chapa 4 (E 10 UM 65 G)

(cm/min) Cordão 1 26 12 Cordão 2 12 Cordão 3 12 Cordão 4 12 Fonte: Autor 4.6.2 Preparação metalográfica

O procedimento metalográfico foi realizado seguindo os mesmos procedimentos da etapa de soldagem preliminar. Todas as amostras foram lixadas até a granulação de 1200 mesh e polidas até 1 µ com pasta de diamante. Para a visualização do perfil geométrico as amostras foram atacadas com NITAL 2% durante 15 segundos. Na obtenção da microestrutura, foi utilizada uma solução de Ácido Crômico com concentração de 10% durante 12 segundos. A Tabela 15 informa os parâmetros utilizados no ataque eletroquímico.

Tabela 15 – Parâmetros utilizados no ataque eletroquímico com uma solução de ácido crômico 10%.

Tensão (V) Corrente (A) Tempo (s)

0,2 0,02 20 s

Fonte: Autor

4.6.3 Ensaio de dureza

Foram realizados ensaios de dureza na zona fundida, zona termicamente afetada e metal de base. O ensaio de dureza foi realizado no LEM/UFC através do método de dureza Rockwell com três medições de dureza em cada área mencionada anteriormente.

Utilizou-se a média dos valores de dureza de cada região a fim de realizar analises estatísticas para a realização dos resultados. A Figura 15 demonstra as regiões e as impressões realizadas nas amostras. As Tabelas 16 e 17 informam os níveis de pré-carga e de carga utilizados no ensaio de dureza Rockwell.

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45

Figura 15 – Impressões de dureza.

Fonte: Autor

Tabela 16 – Condições de ensaio de dureza Rockwell C no revestimento.

Pré-carga (Kgf) Carga (Kgf)

10 150

Fonte: Autor

Tabela 17 – Condições de ensaio de dureza Rockwell B no metal de base.

Pré-carga (Kgf) Carga (Kgf)

10 100

Fonte: Autor

5.3.4 Analise da composição química pelo Thermo-Calc

Foram gerados dois gráficos de simulação das fases existentes nos eletrodos E 10 UM 60 G e E 10 UM 65 G. Os gráficos foram feitos sem contar com a diluição da zona fundida e em condições de equilíbrio termodinâmico, o que é diferente do processo de soldagem no qual a velocidade de aquecimento e resfriamento ocorre de maneira extremamente rápida. Entretanto, para estudos, os gráficos podem ajudar na identificação das fases existentes facilitando a próxima etapa de análise da microestrutura.

Os gráficos foram gerados a partir da temperatura no eixo y e a composição de carbono no eixo x. A linha da composição do eletrodo é em relação à % de carbono nos

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46 eletrodos, sendo assim 4,5% de carbono para o eletrodo E 10 UM 60 G e 3% de carbono para o eletrodo E 10 UM 65 G.

4.6.4 Analise da microestrutura

Com o objetivo de verificar a microestrutura formada no revestimento das chapas metálicas após os procedimentos de dureza e preparação metalográfica, utilizou-se um microscópio ótico para as visualizações das fases presentes na zona fundida, zona termicamente afetada e metal de base.

Foram utilizadas as magnificações de lentes disponíveis no laboratório para a realização das fotos com a revelação das fases existente em diferentes ampliações. Com o auxílio de um programa computacional, foi possível unir varias fotos em diferentes focos em uma única imagem de excelente qualidade.