XVII CONGRESSO NACIONAL DE
ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL
ANÁLISE E LEVANTAMENTO DOS PARÂMETROS DE SOLDAGEM PARA UM EIXO RECUPERADO POR SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO
Heytell Whitney de Souza Silverio (1) (h.whitney15@hotmail.com), Pedro Henrique Barzotto Wirti (1) (Pedro.barzott@hotmail.com), Alessandra Góis Luciano de Azevedo (1) (alessandragois@gmail.com)
(1) Universidade Federal de Sergipe (UFS); Departamento de Engenharia Mecânica
RESUMO: Durante o processo de soldagem, o metal de base sofre mudanças microestruturais que podem
acarretar alterações nas suas propriedades mecânicas. Uma seleção inadequada dos parâmetros de soldagem pode provocar falta de preenchimento, ocasionando concentradores de tensões e propagação de trinca. É muito comum na indústria se utilizar o procedimento de soldagem de manutenção para recuperação de eixos e estruturas. O presente estudo visa determinar os parâmetros de soldagem adequados para a recuperação de eixos cilíndricos do aço AISI/SAE 4340, analisando e caracterizando a microestrutura da Zona Afetada pelo Calor(ZAC), da Zona Fundida(ZF) e do Metal de Base(MB). Para as devidas análises, foi necessário realizar o processo de recuperação em um eixo cilíndrico usinado, fazendo o levantamento dos parâmetros de soldagem adequados e posterior preparação do corpo de prova para as análises metalográficas. Para isto, fazendo um corte transversal, passando por um processo de lixamento, polimento e ataque químico com 2% de nital para revelação da microestrutura. Sendo assim, foi possível verificar a mudança no constituinte da ZAC, dividindo esta zona em duas regiões, ZAC grosseira e ZAC refinada, alterando sua tenacidade e ductilidade. Observou-se também que na ZF obteve a microestrutura esperada para este tipo de aço.
PALAVRAS-CHAVE: Parâmetros de Soldagem, Eixos, Soldagem de Manutenção.
ANALYSIS AND SURVEY OF WELDING PARAMETERS FOR A COATED ELECTRODE WELDING RECOVERED AXLE
ABSTRACT: During a welding process, the base metal suffers microstructural changes that can cause
alterations in its mechanical properties. An inadequate selection of welding parameters can cause lack of fusion, producing stress concentrators and propagating cracks. It is usual in the industry to use maintenance welding to recover axles and structures. The present work seeks to determine the adequate welding parameters for the recovery of cylindrical axles of steel AISI/SAE 4340, analyzing and characterizing the microstructure of the Heat Affected Zone (HAZ), Fusion Zone (FZ), and Base Metal (BM). To do so, it was necessary to do the recovery process of an axle by welding, making the welding parameters survey and posterior preparation of the workpiece for the metallographic analysis. The work piece was cut longitudinally, sanded, polished and chemically attacked with 2% natal for microstructure reveal. It was possible verify the changes in the HAZ constituent, splitting this zone in two distinct regions, coarse HAZ and fine HAZ, altering its tenacity and ductility. It was observed that the FZ had the expected microstructure for the SAE 4340.
1. INTRODUÇÃO
Um processo muito utilizado para a recuperação de eixos, é o de soldagem com eletrodo revestido, sendo o E7018 o consumível principal para esse tipo de aplicação, pois permite a soldagem em todas as posições, podendo ser aplicado em qualquer tipo de aço de construção e soldagens em locais de difícil acesso. Nesse processo há a possibilidade e controle de alguns parâmetros, assim como, da corrente e voltagem, todavia não há como se controlar a velocidade de soldagem e manter um comprimento de arco padrão em toda a peça (Modenesi, 2006).
Ao ser realizado o procedimento de soldagem, algumas regiões da peça sofrem influência térmica devido ao intenso calor que é gerado no processo. Sendo assim, após o término do processo, tem-se uma peça com três regiões distintas: Zona Fundida, Zona Afetada pelo Calor e o Metal de Base. Estas regiões devem ter características específicas para que o elemento final cumpra requisito de resistência mecânica e não venha a falhar. Para que as características desejadas sejam obtidas, é necessário fazer o levantamento de parâmetros de soldagem ideais bem como a seleção adequada do metal de adição, baseada na composição química do metal de base. Algumas vezes, este levantamento adequado dos parâmetros não é realizado, resultando em uma soldagem inadequada, deixando o componente recuperado com baixa resistência e alta probabilidade de voltar a falhar.
O procedimento de recuperação de eixos por soldagem, uma forma de soldagem de manutenção para prolongar a vida útil do componente, é comumente utilizado na indústria como um procedimento para revestir áreas críticas de peças, aplicando materiais de maior resistência ao desgaste do que o material de base, ou ainda recuperando trincas ou fraturas, possibilitando o retorno da peça para operação. Porém, para realiza-la, primeiramente é necessário fazer a seleção do procedimento de soldagem mais adequado para sua determinada aplicação (Marques, 2009).
O presente trabalho tem como objetivo realizar o levantamento dos parâmetros adequados para o procedimento de soldagem com eletrodo revestido E7018 para a recuperação de um eixo, visando adquirir propriedades mecânicas específica para sua aplicação. Para isto, usinou-se uma junta em duplo V em um eixo de aço AISI/SAE 4340 realizando, posteriormente o preenchimento por soldagem, simulando um processo de recuperação, segundo a norma American Welding Society - AWS. Ao final do procedimento de recuperação por soldagem foi realizado um procedimento de usinagem do eixo, para fazer o acabamento superficial e adequação das dimensões do projeto.
A principal motivação desse trabalho foi a realização do estudo dos parâmetros ideais de soldagem, de maneira a oferecer uma base teórica e prática para a realização de procedimentos semelhantes. Para isto, após o procedimento de soldagem foi realizado a análise metalúrgica da ZAC e do metal de base. Por meio destas análises, foi possível aferir qualitativa e quantitativamente o
impacto da utilização dos parâmetros de soldagem adequados nas propriedades mecânicas do eixo recuperado, provando assim a importância do levantamento desses parâmetros.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Material do corpo de prova
O material dos corpos de prova foi o aço SAE 4340, um aço largamente utilizado na fabricação de eixos, segundo a literatura. A composição química do material adquirido foi comprovada através de uma análise feita com um espectrofotometro de emissão ótica. A Tabela 1 mostra a composição do material.
TABELA 1. Composição química do metal estudado
2.2 Processo de confecção da junta
A junta para soldagem foi confeccionada de acordo com a junta proposta para a recuperação de elementos mecânicos como mostra a Figura 1.
Composição Química do Material
Fe C Si Mn P máx S máx Cr Mo Ni Cu
Utilizando as dimensões determinadas realizou-se o processo de usinagem em torno mecânico convencional NARDINI ECO 25, como mostra a Figura 2.
FIGURA 2. Junta do Corpo de Prova Usinada para Posterior Soldagem
2.3 Procedimento de Soldagem
Para dar início à prática de soldagem, primeiramente foi escolhido o consumível E7018 com diâmetro de 3,25 mm e com uma composição química de 0,07% de C, 0,41% de Si, 1,10% de Mn, 0,022% de P e 0,009% de S. Este tipo de eletrodo tem o revestimento básico, que geralmente apresenta as melhores propriedades mecânico metalúrgicas entre todos os eletrodos, destacando-se a tenacidade. Esdestacando-se consumível contém elevados teores de carbonato de cálcio e fluorita, gerando um metal de solda altamente desoxidado e com baixíssimo nível de inclusões complexas de sulfetos e fosfetos (ESAB, 2005).
Para realizar o procedimento de soldagem foi feito um levantamento dos parâmetros adequado. O eletrodo revestido tem sua faixa de corrente e tensão a partir do seu revestimento e diâmetro.
Como o processo de soldagem com eletrodo revestido é um procedimento manual, para encontrar a velocidade de soldagem, que é um parâmetro importante para nosso estudo, durante o procedimento de soldagem a cada cordão de solda feito, foi cronometrado o tempo gasto e posteriormente foi medido o comprimento do cordão, desta forma foi possível determinar a velocidade de soldagem, considerando como sendo a velocidade de soldagem média de cada cordão, determinada pela Equação 1. A partir da velocidade de soldagem foi calculada a energia imposta durante a soldagem.
𝑣𝑠 = 𝐶𝑐
Onde: 𝑣𝑠 é a velocidade de soldagem; 𝐶𝑐 o comprimento do cordão de solda; e t o tempo que cada cordão de solda levou para ser concluído.
Para garantir que a energia de soldagem seja uniformemente distribuída no eixo soldado, deve-se realizar uma soldagem circunferencial, para isto foi feito um suporte para apoiar o corpo de prova facilitando a soldagem, respeitando assim as normas regulamentadoras. Na Figura 3, pode-se ver o eixo posicionado para a realização da soldagem.
FIGURA 3. Preparação do Corpo de Prova para Soldagem
A Figura 4 mostra a ordem dos passes durante o procedimento de soldagem. Foram depositadas cinco camadas, totalizando doze passes.
FIGURA 4. Disposição dos Passes na Soldagem
FIGURA 5. Corpos de Prova após o Procedimento de Soldagem
2.4 Usinagem do corpo de prova
Após a soldagem de manutenção os corpos de prova foram usinados em forma de eixo com as seguintes dimensões: 46 mm de diâmetro por 90 mm de comprimento. A usinagem dos corpos de prova, foi realizada na L.M. Tornearia utilizando o “Torno Convencional CDL350B”, com faixas de rotação de 70 a 1255 rpm. No procedimento de torneamento foi utilizada a ferramenta TNMG 332L-K, própria para usinagem de aços carbono e aços liga. A Figura 6 mostra o corpo de prova durante e após a usinagem.
FIGURA 6. (a) Corpo de Prova Durante o procedimento de Usinagem; (b) Corpo de Prova após a
2.5 Preparação do corpo de prova para análise metalográfica
Após a etapa de usinagem, um dos corpos de prova foi cortado para futura análise metalográfica, o corte foi realizado em uma serra fita. A amostra foi lixada com lixas com granulometria 80 até a 1200, e posteriormente polidas com pasta de diamantes até 1 μm. As fotos das etapas descritas estão presentes na Figura 7.
FIGURA 7. (a) Corte Transversal do Corpo de Prova; (b) Corpo de Prova após o Lixamento; (c)
Corpo de Prova após o Polimento.
Finalizado o polimento, a amostra foi levada para o laboratório do Departamento de Engenharia de Materiais, da Universidade Federal de Sergipe, onde foi feito o ataque químico com a superfície do corpo de prova mergulhada no reagente composto de 2% de Nital numa cuba com uma duração de 5 segundos para revelação da microestrutura. Foi utilizado o Microscópio Óptico, para análise da micrografia. A Figura 8 (b) mostra o equipamento onde foram feitas tais análises e a Figura 8 (a) evidencia a amostra após o ataque químico.
FIGURA 8. (a) Corpo de prova após ataque químico; (b) Microscópio Óptico
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 Determinação dos parâmetros de Soldagem
Alguns parâmetros de soldagem foram definidos de acordo com a especificação do fabricante, tais como: corrente, tensão e a eficiência do processo, como pode ser visto na Tabela 2:
TABELA 2. Parâmetros de Soldagem
Corrente (I) Tensão (U) Eficiência η 100 A 25 V 0,75
Fonte: Catálogo de Eletrodos Revestidos ESAB, 2005
O tempo para se concluir cada cordão foi cronometrado, e posteriormente foi medido o seu comprimento para a determinação da velocidade de soldagem como pode ser visto na Tabela 3.
TABELA 3. Dados Obtidos a partir do Procedimento de Soldagem
Através destes parâmetros, de tensão, corrente e velocidade de soldagem, definimos a energia de soldagem. Porém, como visto no Capítulo 3, item 3.4.2, somente uma parte da energia é transferida para a peça soldada, sendo assim, com a eficiência do processo, foi possível determinar a Energia Imposta de Soldagem, Energia Líquida ou aporte térmico (HL), que é a quantidade de energia gerada pela fonte de calor por unidade de comprimento da junta. A Tabela 4 mostra a Energia de Soldagem e o Aporte Térmico calculado para cada cordão.
A velocidade de soldagem influencia diretamente o aporte térmico. Sendo assim, quanto maior a velocidade de soldagem, menor será a energia imposta durante o procedimento de soldagem. Quanto mais alto for o aporte térmico, maior será a energia calorífica transferida à peça, o que aumentará a poça de fusão alargando mais a ZAC, diminuindo o gradiente térmico entre a solda e o metal de base. O Gráfico 1 mostra este comportamento.
GRÁFICO 1. Influência da Velocidade de Soldagem no Aporte Térmico.
O aquecimento mais intenso na região fundida da junta, pode promover o crescimento de grão na ZAC, afetando tanto as propriedades mecânicas, como resistência à tração e a tenacidade ao impacto da junta soldada. A quantidade de calor ou energia térmica inserida em uma junta soldada é um dos principais fatores a ser controlado visando reduzir a possibilidade de ocorrência de defeitos na soldagem, desta forma, a partir da energia imposta na soldagem analisamos a morfologia da solda e observamos sua influência na microestrutura formada no Metal de Solda e na Zona Termicamente Afetada. (Modenesi, 2012)
3.2 Diagrama de Schaeffler
A partir dos consumíveis de Cromo e Níquel equivalente, junto com o diagrama de Schaeffler, é possível prever o tipo de microestrutura formada no metal de solda e os possíveis problemas aparentes. Calculamos o Creq e do Nieq a partir da composição química do metal de base e metal de adição. O cromo equivalente como visto anteriormente é obtido através da somatória dos elementos alfagênos, já o Níquel equivalente é determinado através da somatória dos elementos gamagênos.
00 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1.60 1.64 1.83 2.04 2.05 2.17 2.30 2.36 2.71 2.83 2.85 2.90 Ap o rte T érm ico (J /m m ) Velocidade de Soldagem (mm/s)
Aporte Témico x Velocidade de
Soldagem
Sendo assim, os equivalentes de cromo e níquel para a composição química do metal de base e metal de adição são: Metal Base 𝐶𝑟𝑒𝑞= 0,777 + 0,237 + 1,5 ∗ 0,271 + 0,5 ∗ 0 = 1,42 𝑁𝑖𝑒𝑞 = 1,72 + 30 ∗ 0,435 + 0,5 ∗ 0,650 = 15,1 Metal de Adição 𝐶𝑟𝑒𝑞= 0 + 0 + 1,5 ∗ 0,41 + 0,5 ∗ 0 = 0,615 𝑁𝑖𝑒𝑞 = 0 + 30 ∗ 0,07 + 0,5 ∗ 1,10 = 2,65
Através de um sistema de coordenadas onde os eixos representam o efeito dos elementos alfagêneos e gamagêneos, traçou-se os pontos encontrados com os valores de cromo e níquel equivalentes encontrados para o metal de base e o metal de adição. Foi encontrada a zona fundida sobre o seguimento de reta entre esses dois pontos a partir da diluição. Sendo assim, a Figura 9 mostra exatamente a marcação de cada ponto citado anteriormente, junto com o segmento de reta e a microestrutura prevista para o metal de solda.
FIGURA 9. Marcação da Zona Fundida no Diagrama de Shaeffler
Observou-se que o ponto referente ao metal de solda se situou na região onde compreende a Ferrita + Martensita (F+M). Segundo Modenesi, esta seria uma das regiões ideais para a zona fundida, por situar-se fora das áreas problemáticas dentro do diagrama de Schaeffler.
Vale ressaltar que esta foi uma análise teórica, apenas uma previsão da microestrutura que poderia se formar na zona fundida. Estes resultados serão posteriormente comparados com os resultados obtidos na análise microscópica.
3.3 Análise metalográfica 3.3.1 Análise da macrografia
Para iniciar as análises metalográficas do corpo de prova, primeiramente foi realizado analise macroscópica, para observar o comportamento da soldagem realizada sobre a extensão da ZAC, o formato do cordão de solda e a diferença entre as regiões. Observou-se nas Figuras 10, 11 e 12 as regiões distintas que compõem a junta soldada, onde ilustram as macrografias do corpo de prova, com a indicação das diferentes regiões presentes no material.
FIGURA 10. Macrografia da Lateral Direita do Corpo de Prova
FIGURA 12. Macrografia do Pino Guia do Corpo de Prova
Para melhor entendimento das figuras acima, foram numeradas as regiões de 1 a 4 definindo-as da seguinte forma: Região (1) – Zona Fundida (ZF) ou Metal de Solda (MS); Região (2) – Zona Afetada pelo Calor (ZAC) (Grãos grosseiros); Região (3) – ZAC (Grãos refinados); Região (4) – Metal de Base (MB). Observou-se a partir das macrografias que a ZAC apresentou duas regiões distintas, com grãos grosseiros próximos a ZF (região mais escura), onde a influência térmica é consideravelmente alta, e grãos mais finos próximos ao metal de base (região mais clara) onde a intensidade do calor aportado foi menor. Constatou-se que a extensão da ZAC grosseira, que é a região mais crítica na junta soldada, foi relativamente pequena, isso ocorreu devido à baixa energia imposta durante o procedimento de soldagem, validando assim o levantamento dos parâmetros de soldagem. O MB não sofreu alteração microestrutural, uma vez que não houve influência térmica. Na Figura 33 pode-se observar a região do pino guia, que foi utilizado para auxiliar no alinhamento da junta durante a soldagem. Percebe-se que houve influência térmica nessa região, provocando uma alteração na microestrutura, que será analisada mais à frente.
3.3.2 Análise da micrografia
Para os aços com baixo teor de carbono e baixa liga, a poça de fusão solidifica-se inicialmente como ferrita, podendo sofrer uma reação peritética com a formação de austenita. Durante o resfriamento, a ferrita remanescente transforma-se em austenita. Esta, em função das elevadas temperaturas, sofre um grande crescimento de grão, tendendo a apresentar uma estrutura de grãos
A partir da Figura 13 observou-se a microestrutura da zona fundida através da análise realizada, caracterizando o constituinte formado no metal de solda como Ferrita de Contorno de Grão PF (G), que, segundo Modenesi (2012), é o primeiro constituinte que se forma a partir da decomposição da austenita e consiste de cristais de ferrita que nuclearam nos contornos de grão austeníticos, em elevadas temperaturas de transformação. Esta moforlogia da ferrita apresenta um tamanho de grão relativamente grande e tende, nas regiões inalteradas da zona fundida, a formar veios ao longo dos contornos dos grãos colunares austeníticos. Também foi possível visualizar grãos de Ferrita Acicular (AF), que corresponde ao tipo mais frequente de ferrita nucleada no interior dos grãos austeníticos. A nucleação da ferrita acicular ocorre de forma heterogênea, no interior dos grãos de austenita, em sítios como inclusões (Cochrane, 1982). Segundo Modenesi (2012), a formação da ferrita acicular é favorecida pela presença de precipitados e, particularmente, de numerosas inclusões resultantes da presença de oxigênio, em geral, em teores superiores aos do MB. Inclusões compostos de titânio, parecem ser as mais efetivas para promover a nucleação da ferrita acicular.
FIGURA 13. Microestrutura na ZF
Observando a região da ZAC, constatou-se que esta região teve duas zonas, a ZAC grosseira, situada logo após a ZF, e a ZAC refinada, a região mais distante do metal de solda. Na análise microestrutural, observou-se que na região de grãos finos, formou-se o constituinte de martensita fina. Segundo Stein et al. (2005), a martensita fina se dá devido ao pequeno crescimento de grãos austeníticos. À medida que fomos em direção do metal de solda houve um aumento no tamanho do grão, caracterizando esta região de grãos grosseiros de martensita, onde a influência térmica foi muito maior, sofrendo uma mudança parecido com a têmpera, onde o material é aquecido a uma alta temperatura e com um resfriamento brusco, como era esperado e previsto pela literatura. A Figura 14 evidenciam estes resultados.
FIGURA 14. (A) Microestrutura na ZAC Refinada; (B) Microestrutura na ZAC Grosseira
Ainda analisando a ZAC refinada, observou-se a presença de uma segregação, que segundo Miranda e Lopes (1993), esta segregação é denominada segregação menor ou dendrítica, e está relacionada com a rejeição para os limites de grão de elementos como o fósforo e o enxofre que têm uma solubilidade muito pequena no ferro. A combinação deste elemento com outros origina a formação de compostos que dispondo-se ao longo dos limites de grão originam uma fragilização do material, uma vez que dificultam a deformação por escorregamento ao longo dos limites de grão. A Figura 15 mostra claramente este fenômeno.
FIGURA 15. Segregação dendrítica na região da ZAC Refinada
Ao analisar o pino guia, observou-se que o mesmo também sofreu influência térmica, mas não o suficiente para fundir o material. Sendo assim, constatou-se uma região de ZAC refinada. As agulhas em desordem evidenciam a presença de martensita. Os grãos finos de martensita são mostrados na Figura 16.
FIGURA 16. Microestrutura da ZAC no Pino Guia
Por fim, a microestrutura do metal de base mostrou um comportamento que usualmente é encontrado na literatura para este tipo de aço. A Figura 17 mostra a microestrutura esperada para o aço AISI 4340 da literatura e a encontrada no corpo de prova estudado neste trabalho.
FIGURA 17. Microestrutura do MB do aço AISI/SAE 4340
Pelo fato do Aço AISI/SAE 4340 se tratar de um aço hipoeutetóide (C < 0,77%), logo, segundo o diagrama Fe-C, a microestrutura esperada é Ferrita e Perlita, como mostra a Figura 41. Entretanto, durante o ensaio de soldagem, a região de metal de base não sofreu maiores influências ou alterações metalúrgicas, pois a sua temperatura ficou estável ou quase estável.
4. CONCLUSÃO
Neste trabalho comprovou-se a importância e o impacto do levantamento dos parâmetros de soldagem para um eixo recuperado por solda. Mesmo sabendo-se que o processo de soldagem com eletrodo revestido apresenta relativamente poucos parâmetros com possibilidade de regulagem, a
escolha da corrente e tensão ideal de acordo com a junta a ser soldade foi fundamental para o controle do volume da poça de fusão e da penetração no metal de base. A velocidade de soldagem por sua vez, influenciou diretamente no aporte térmico. Observando-se que foi possível ter um controle maior da ZAC já que quanto maior a velocidade menor é a energia imposta, reduzindo assim a extensão desta região.
O diagrama de Schaeffler previu que a morfologia da ZF seria ideal para o MS. Isso se deu ao fato de haver uma baixa diluição e uma composição química do MS adequada. A baixa diluição deve-se ao fato da corrente de soldagem ter sido deve-selecionada corretamente. O levantamento dos parâmetros ideias assim como a escolha ideal do MA influenciou na composição química do MS. Este resultado é uma comprovação preliminar de que os parâmetros de soldagem levantados foram bastante promissores. E assim mostra o quanto o levantamento dos parâmetros ideais de soldagem tem o impacto extremamente positivo no resultado de um eixo recuperado por soldagem. As morfologias encontradas durante a análise microestrutural foram condizentes com a literatura, obtendo-se a microestrutura esperada nas regiões estudadas.
Em vista das análises do projeto, o trabalho cumpriu os seus objetivos e fornece uma base para melhor levantamento dos parâmetros de soldagem para a recuperação de um eixo, mostrando que é de suma importância fazer os levantamentos ideais para obtenção de melhores resultados, buscando melhores propriedades mecânica para os componentes recuperados pelo processo de soldagem.
REFERÊNCIAS
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