Introdução
A soldagem subaquática molhada, ou simplesmente soldagem molhada é um processo que ocorre debaixo d’água e em contato com o meio aquoso, diferentemente da soldagem subaquática hiperbárica ou a seco que necessita de habitat (Figura 1). No presente trabalho adotou-se o processo de soldagem molhada por eletrodo revestido, um dos processos utilizados no reparo de estruturas submersas, devido à sua simplicidade e facilidade de mobilização. Entretanto, a qualidade das soldas depositadas por esta técnica é prejudicada pelo fato do arco elétrico estar em contato com o meio aquoso. Pensando nisso, realiza-se testes exigidos pela norma AWS D3.6M para classificar a solda, dentre os quais o ensaio de dobramento.
Porém, o alto índice de reprovação neste ensaio gerou muitas dúvidas e questionamentos. Com o propósito de responder a algumas dessas perguntas, surgiu o interesse de estudar o comportamento da solda e de regiões adjacentes ao longo do ensaio. Para isso, utilizou-se a técnica de Correlação de Imagens Digitais (Digital Image Correlation, DIC). O DIC é uma técnica óptica-numérica que consiste na análise de imagens da superfície do espécime antes e durante a aplicação de um carregamento, para obtenção dos campos de deslocamentos e/ou deformações nele gerados.
Além disso, como em qualquer solda, existem três regiões com propriedades distintas: metal de base (MB), zona afetada pelo calor (ZAC) e metal de solda (MS). O MB é a região mais afastada da solda e que não foi afetada pela soldagem, ou seja, as propriedades mecânicas foram preservadas. A ZAC é a região não fundida do material e que teve a sua microestrutura e/ou propriedades mecânicas modificadas pelo aquecimento do material. O MS é a região fundida pela soldagem e que se solidificou.
Por fim, com a finalidade de medir os campos de deformação ao longo da seção transversal do corpo de prova durante o ensaio de dobramento e com o auxílio do DIC, optou-se, na primeira análioptou-se, pelo ensaio de tração por ser um ensaio mais simples de ser executado e filmado. Dessa forma, com algumas adaptações pode-se, em um futuro próximo, aplicar a técnica em um ensaio de dobramento semi-guiado e/ou guiado.
Objetivo
O presente trabalho tem como objetivo medir os campos de deformação nas três regiões de interesse (MB, MS e ZAC) de um corpo de prova de tração com auxílio da técnica Digital Image Correlation (DIC).
Soldagem Molhada
Atualmente, com o elevado número de estruturas sendo operadas (navios e plataformas semi-submersíveis) e dificuldades econômicas na docagem, tem sido cada vez mais importante o desenvolvimento de técnicas de soldagem molhada. Nesse sentido, os esforços em pesquisas para a melhoria das propriedades mecânicas do metal de solda enfrentam alguns problemas ainda não resolvidos, que dificultam a obtenção de soldas com qualidade estrutural igual ou pelo menos semelhante à qualidade alcançada em soldas feitas sob condições atmosféricas.
Ao longo do tempo, os processos de soldagem molhada por eletrodos revestidos foram qualificados como classe B, de acordo com a norma internacional de soldagem subaquática AWS D3.6M (Tabela 1). Em virtude disso, tal técnica é utilizada apenas em reparos não estruturais ou em situações emergenciais. Um dos entraves para a obtenção de soldas de classe A está relacionado com as características do revestimento do eletrodo utilizado.
Os eletrodos do tipo rutílico são largamente utilizados em soldagem molhada devido à boa estabilidade do arco elétrico e à facilidade de operação e manuseio. Entretanto, apresentam defeitos como porosidade e trincas que afetam a resistência e a ductilidade do metal de solda.
Existem também os eletrodos do tipo oxidante, menos utilizados devido à baixa estabilidade do arco elétrico, dificuldades de operação e manuseio. Estes eletrodos também não alcançam os requisitos exigidos para classe A, em virtude dos baixos valores de limite de resistência e o surgimento de defeitos como inclusões e poros.
Para a pesquisa, adotou-se um eletrodo do tipo oxi-rutílico, que mescla as propriedades do tipo oxidante com as do tipo rutílico de acordo com as porcentagens de hematita (Fe2O3) e rutilo (TiO2).
Tabela 1: Classes de solda. Normas AWS D3.6M:1999 e PETROBRAS N-2036 b. Classe A Qualidade estrutural. Atende requisitos de tenacidade.
Classe B Qualidade estrutural limitada.
Classe C Fixação de elementos não estruturais a membros estruturais. O principal objetivo é não provocar trincas no membro estrutural. Classe P Exclusiva na norma PETROBRAS – Fixação de elementos não
estruturais a membros ou componentes não estruturais.
Figura 1- Esquerda: Soldagem a seco. Necessita de um habitat. Soldas de melhor qualidade. Direita: Soldagem molhada. Soldagem diretamente no meio aquoso. Soldas de menor
qualidade. Adaptado de [5].
DIC
O DIC foi desenvolvido na Universidade da Carolina do Sul no início de 1980. Desde de então a técnica evoluiu com o avanço de softwares e métodos de análise numérica. O DIC é uma técnica não destrutiva, ou seja, ela pode ser aplicada sem causar danos no material analisado. Além disso, ela não necessita ter contato direto com o corpo de prova, consegue se adequar a diversas condições experimentais pois só precisa basicamente de uma ou/e duas câmeras e pode fazer medições em escalas micro e macro.
O procedimento básico da técnica consiste na captura de imagens da superfície da amostra, que contém pontos de referência espaçados de forma aleatória, antes (imagem de referência) e durante um carregamento (imagem deformada). Antes de capturar as imagens deformadas, são definidos na imagem de referência pequenos elementos chamados de subsets ou janelas de correlação (Figura 2). Em seguida, um algoritmo numérico busca, através de uma
Figura 2 - Princípio da técnica DIC. Adaptado de [6].
Por fim, as componentes de deformação são calculadas pela diferenciação de cada u e v e com isso se obtém os campos de deformação. Ao longo deste processo os dados normalmente são corrompidos por ruído. Para suavizar este ruído é utilizado um filtro passa-baixa que tem os parâmetros controlados pelo analista. A filtragem influencia os resultados da medição, principalmente nas regiões de altos gradientes de deformação como acontece no MS (será discutido mais adiante). A Figura 3 ilustra o cálculo das deformações no VIC-3D (software utilizado) com a aplicação de um filtro Gaussiano.
Materiais e Métodos
O espécime (Código 3Y6K) analisado no presente trabalho foi uma solda subaquática molhada soldada a 10 metros de profundidade (propriedades do metal de solda e composição do metal de base nas tabelas 2 e 3, respectivamente) por um eletrodo do tipo oxi-rutílico. O espécime foi retificado e cortado tomando a forma de um corpo de prova de tração. Em seguida, sua superfície foi lixada, polida e atacada com o reagente químico Nital 4.
Tabela 2: Algumas propriedades do metal de Solda. Dados a serem publicados. Limite de Escoamento (MPa) Limite de Resistência (MPa) Alongamento (%) Estricção (%) 441 490 12,8 19
Tabela 3: Composição do metal de base (%), Aço USI SAC 350. Dados a serem publicados.
C Si P S Mn Cu Al Nb Ni Cr C.E. Porosidade
0,12 1,015 0,033 0,007 1,1 0,085 0,03 0,001 0,012 0,222 0,350 0,67
Com o objetivo de conhecer as propriedades das três regiões (MB, ZAC e MS) mediu-se a dureza Vickers ao longo de uma face da amostra em 23 pontos com o auxílio do microdurômetro (Figura 3). A força utilizada no ensaio foi de 1 kgf, equivalente a 9,8 N. Adotou-se um sistema de coordenadas com o intuito de localizar os pontos cujas durezas foram medidas. Fixou-se a origem em um determinado ponto da solda, entre o MS e a ZAC, como pode-se visualizar na Figura 4.
Figura 4 - ilustração das regiões de interesse.
Como pode-se visualizar na Figura 5, a ZAC apresenta maior dureza e o MS possui uma dureza menor comparada com as outras duas regiões. Por último, os valores de dureza do MB ficaram entre os medidos no MS e na ZAC e pode-se inferir uma deformação intermediária no MB. A explicação para o fato da ZAC apresentar uma maior dureza está diretamente ligada ao resfriamento rápido desta região no processo de soldagem molhada.
ZAC METAL DE SOLDA METAL DE BASE
Figura 5 - Mapa de dureza das regiões de interesse.
Em seguida, capturou-se macros da amostra nas duas faces, para se ter uma referência visual do corpo de prova antes e depois de ser pintado e preparado para aplicação da técnica DIC. Analisando as Figuras 5 e 6 é possível identificar as regiões de interesse.
169 HV1 168 HV1 170 HV1 179 HV1 172 HV1 170 HV1 165 HV1 167 HV1 225 HV1 248 HV1 261 HV1 241 HV1 175 HV1 207 HV1 230 HV1194 HV1 188 HV1 205 HV1 238 HV1 177 HV1 240 HV1 174 HV1 223 HV1 0 1 2 3 4 5 6 7 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 Y (mm ) X (mm)
AMOSTRA 3Y6K
Figura 6 - Macro da face que foi submetida ao ensaio de microdureza.
Figura 7 - Face oposta.
A partir das Figuras 6 e 7, é possível visualizar uma quantidade considerável de poros na superfície da amostra. Tais defeitos se devem ao fato da junta ser soldada a 10 metros de profundidade e com um eletrodo do tipo oxi-rutílico (características oxidantes predominantes). A técnica DIC necessita de pontos de referência que, utilizando a técnica de correlação, permitem obter os deslocamentos entre a imagem original (sem carregamento) e a imagem deformada como mencionado anteriormente, em cada região da amostra. Para isso, o corpo de prova foi pintado nas regiões de interesse (MB, MS e ZAC) com spray e air brush, com fundo branco e pontos pretos (Figuras 8 e 9).
Figura 8 - Amostra sendo pintada.
Figura 9 - Amostra pintada.
Em seguida, a configuração experimental da técnica DIC e do ensaio de tração foi montada (Figura 10).
Figura 10 - Equipamentos básicos utilizados nas medições com a técnica DIC.
1. Aparato computacional: o software utilizado foi o VIC-3D da empresa Correlated Solutions (Columbia, SC, EUA).
2. Sistema estereoscópico composto de duas câmeras CCD de 5MP (Point Grey GRAS-50S5M, 2448x2048 pixel) e de lentes de alta resolução (Tamron A031 AF28-200mm F/3.8-5.6).
3. Fonte de luz.
4. Junta soldada.
Em seguida, foi realizada a calibração do sistema de correlação de imagem para análise 3D. Ela é feita utilizando uma placa com dimensões semelhantes às da área de interesse. A placa deve ser posicionada em frente às câmeras onde será colocado o espécime. A placa é rotacionada e são obtidas imagens em diferentes ângulos (Figura 11).
Figura 11 - Calibração do sistema DIC.
Resultados
Por ser um ensaio mais simples de ser executado e filmado, optou-se, em primeira análise, pelo ensaio de tração transversal. O ensaio de tração transversal consiste na aplicação de tensões axiais nas extremidades do corpo de prova. Todo o ensaio de tração, exceto o descarregamento, foi filmado. Dividiu-se o ensaio em duas etapas: na primeira etapa carregou-se o espécime até uma carga limite de 100 MPa, ainda dentro do regime elástico da amostra, e descarregou-se após atingir este valor. O objetivo desta etapa foi analisar os efeitos da região elástica do material. Na segunda etapa o corpo de prova foi carregado até a sua ruptura.
Tabela 4: Dados do ensaio de tração. Velocidade Tempo do primeiro
carregamento
Tempo do segundo carregamento
Tensão máxima
0,5 mm/min 2 min e 3 s 11 min e 10 s 386 Mpa
Posteriormente, as imagens capturadas ao longo do ensaio foram correlacionadas com a imagem original, ponto a ponto, resultando em um deslocamento de cada ponto. O software VIC-3D da empresa Correlated Solution (Columbia, SC, EUA) possui um algoritmo avançado que consegue transformar os deslocamentos em um campo de deformações. Na análise DIC utilizou-se os seguintes parâmetros: subset=35 pixels; step=7 pixels; filtro=15;1 pixel=15,5 µm. Na Figura 12 consegue-se visualizar, através de uma AL (área de inspeção ou janela de visualização) escolhido manualmente, o campo de deformações longitudinais por meio de uma tabela de cores na escala microstrain (µε). Os campos mais próximos do vermelho são aqueles que sofreram maiores deformações e os mais próximos do azul as menores deformações. A técnica DIC não conseguiu analisar algumas regiões onde há poros e tais regiões não estão representadas na imagem abaixo por cores.
Figura 12 - Campos de deformação do espécime imediatamente antes da ruptura. Na Figura 13, consegue-se identificar o que é MB, MS e ZAC, comparando uma macro do corpo de prova depois do ensaio, sem a tinta e atacada, com uma imagem imediatamente antes da ruptura. As duas imagens não estão na mesma escala, mas é possível localizar com uma boa exatidão as regiões de interesse na imagem da direita através das medidas da imagem da esquerda. Observou-se que a região mais deformada foi o MS, a ZAC sofreu pequenas deformações e o MB experimentou uma deformação intermediária na faixa do verde/amarelo. Além disso, observou-se durante o ensaio que a fratura se deu da direita para a esquerda. Uma hipótese plausível é de que a trinca que causou a ruptura do espécime surgiu a partir de um defeito interno da amostra, pois o metal de base apresenta uma porcentagem alta de porosidade (Tabela 3) e a solda foi realizada a 10 m de profundidade.
Figura 13 - Imagem da esquerda: macro do corpo de prova depois do ensaio sem a tinta e atacada; Imagem da direita: imagem imediatamente antes da ruptura.
Com o objetivo de analisar a deformação nas três regiões de interesse, escolheu-se seis pontos do subset para acompanhar o desenvolvimento da deformação durante o ensaio. Optou-se por dois no MB (P1 e P6), dois na ZAC (P2 e P5) e dois no MS (P3 e P4). Em Optou-seguida, plotou-se a curva tensão x deformação para os seis pontos.
Pode-se extrair muitas informações da Figura 14. Percebe-se que a fase elástica é aproximadamente a mesma para os seis pontos. Isso já era esperado, pois tratou-se de dois materiais com os módulos de Young parecidos. A pequena diferença dos módulos de Young vem do fato de que o MS possui uma composição um pouco diferente do MB e da ZAC e isso acaba refletindo no regime elástico. Além disso, o limite de escoamento e o limite de resistência do MS (Tabela 2) não são os mesmos em P3 e P4, pois analisou-se pontos aleatórios do MS e nesta região não há uma uniformidade bem definida de propriedades.
Figura 14 - Curva tensão X deformação dos seis pontos escolhidos.
Analisando o ponto P1, pode-se inferir que ele está no MB e que ele possui, juntamente com o P6, o menor limite de escoamento. Ele começa a escoar com uma tensão de aproximadamente 300 MPa e a partir desse ponto começam a surgir deformações plásticas. Desde o início, sabia-se que o MB é um metal de alta resistência e de ductilidade baixa e tais previsões foram confirmadas após a plotagem dos resultados, apresentando um limite de resistência de 386 MPa e uma deformação de 1,24%. Nota-se que o P6 também está localizado no MB entretanto, ele apresenta uma maior deformação comparado ao P1. Pois o P1 está mais próximo da região que foi fundida na soldagem e, com isso, sofreu alguma influência do calor gerado no processo, resultando em uma pequena perda de ductilidade ou de resistência mecânica.
Os pontos P2 e P5 encontram-se na ZAC, têm comportamentos muito parecidos e, juntamente com os demais pontos, apresentam a mesma região elástica. Porém, P2 e P5 deformaram pouco, uma vez que estão em zonas com elevada dureza e maior resistência ao escoamento (Figura 5) resultantes do resfriamento rápido. Nestes pontos a deformação foi de 0,2% e 0,6%, respectivamente, e atingiu-se aproximadamente o mesmo limite de resistência de 386 Mpa (comparando as Figuras 15 e 16).
Por fim, pode-se concluir através da Figura 13 que o P3 está no MS. Ele possui um limite de escoamento de aproximadamente 360 MPa que, por sinal, é o mesmo dos P2, P4 e P5. Analisando a Figura 5, é de se esperar uma ductilidade apreciável em P3 já que o MS possui a menor dureza. E, realmente, P3 foi o ponto que deformou mais e é o ponto mais próximo da fratura, alcançando um limite de resistência de 385 MPa e uma deformação de 7%. O ponto P4 também é MS, mas deformou menos, pois está próximo da ZAC e afastado do local da fratura. Ressaltando a discrepância entre as deformações obtidas no ensaio, o P3 sofreu 7% e o P2 0,2% na mesma seção transversal. Lembrando que a deformação máxima não é de 7%, espera-se deformações maiores nas proximidades da fratura.
Figura 15 - Curva tensão X deformação dos P1, P2 e P3.
Figura 16 - Curva tensão X deformação dos P4, P5 e P6.
Analisando os campos de deformação ao longo da seção transversal do corpo de prova (Figura 17) durante o ensaio de tração, notou-se uma distribuição de deformação com uma certa uniformidade nas regiões de interesse até um carregamento de aproximadamente 250 MPa. Tal intervalo corresponde ao regime elástico do material. A partir desse valor, observa-se regiões heterogêneas, em termos de deformação, até 386 MPa. A fim de saber a distribuição de deformação nas três regiões de interesse, delimitou-se a ZAC (região entre as linhas brancas). Há também uma certa simetria de deformações em relação a um eixo horizontal no meio do MS depois de 380 MPa. 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Te n são (MPa) Deformação (%)
Tensão X Deformação
P1 P2 P3 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Te n são (MPa) Deformação (%)Tensão X Deformação
P4 P5 P6Figura 17 - Campos de deformação para diferentes carregamentos
Como já mencionado anteriormente, por meio de observações ao longo do ensaio de tração e dados conhecidos da fabricação da solda, é possível inferir que a fratura se deu a partir de um defeito interno do MS. Nesse sentido, pode-se visualizar na Figura 17 o surgimento de trincas e a sua propagação. A trinca responsável pela fratura iniciou-se no canto direito do MS com uma tensão de 380 MPa e se propagou para esquerda até a ruptura completa da amostra. Além disso, os poros localizados na superfície da amostra serviram como pontos de referência na identificação das regiões de interesse (MS, ZAC e MB) durante o desenvolvimento de deformações, comparando a Figura 6 com a 17. Por fim, pode-se visualizar a deformação residual do espécime (Figura 18), chegando a ter 10% de deformação permanente no MS e 0,2% na ZAC.
Com o objetivo de identificar os efeitos de bordas e saber se eles influenciam na mediação das deformações, escolheu-se dois subsets e dois carregamentos (350 MPa e 370 MPa) para acompanhar o desenvolvimento dos campos de deformação ao longo de um eixo vertical (Figura 19). O subset SS41px (nomenclatura adotada pelo software utilizado para um subset quadrado com aresta com comprimento igual a 41 pixels) é maior que o SS35px (subset quadrado com aresta com comprimento igual a 35 pixels). Analisando o gráfico Y (mm) x Strain (%) da Figura 19, percebe-se o mesmo comportamento nas bordas para as duas janelas de visualização em ambas as tensões. Ou seja, os efeitos de bordas são desprezíveis para a presente análise.
Figura 19 - Imagem da direita: campos de deformação para tensões de 350 MPa e 375 MPa; Imagem da esquerda: gráfico Y (mm) x Strain (%) em dois subsets (SS35px e SS41px) para
tensões de 350 MPa e 370 MPa.
O passo seguinte foi construir uma distribuição de deformação, com diferentes carregamentos, ao longo de uma linha vertical passando pelas regiões de interesse. A imagem da esquerda na Figura 20, ilustra o instante em que o corpo de prova é submetido a uma tensão de 380 MPa. Na imagem da direita, pode-se comparar as deformações na seção transversal da amostra em diferentes momentos do ensaio de tração. Para tensões menores que 250 MPa (fase elástica), a deformação é praticamente a mesma para todos pontos da linha. O mais interessante é que para carregamentos entre 300 MPa e 370 MPa (início e meio da fase plástica), o MB é a região que deforma mais e a ZAC experimenta pequenas deformações. Para tensões maiores que 370 MPa o MS sofreu grandes deformações em um curto intervalo de tempo, sendo a região mais deformada do corpo de prova ao término do ensaio.
Figura 20 - Imagem da direita: campos de deformação para tensões de 350 Mpa. Imagem da esquerda: gráfico Y (mm) x Strain (%) para tensões de 150, 250, 350, 370, 380 386 MPa.
Conclusão
Pode-se concluir que o MS foi a região que experimentou as maiores deformações plásticas, a ZAC deformou pouco e o MB deformou apreciavelmente. Confirmou-se a uniformidade de deformações, nas três regiões, durante o regime elástico. Em seguida, notou-se uma certa diferença entre os limites de escoamento dos pontos notou-selecionados na Figura 13, o que confirma os efeitos causados pelo processo de soldagem debaixo d’água nas propriedades mecânicas do material ensaiado.
Além disso, algumas regiões do MB deformaram mais do que o MS. Tal efeito é mais expressivo para tensões menores que 370 MPa. Em contrapartida, regiões no MS, nas proximidades da fratura, sofreram deformações acentuadas comparadas com outras regiões da seção transversal analisada, chegando a ter 10% no MS e 0,2% na ZAC.
Por fim, a técnica DIC mostrou-se ser eficiente na análise de deformações elásticas e plásticas no espécime tracionado com o intuito de diferenciar os comportamentos mecânicos das diferentes regiões do material soldado.
Agradecimentos
Agradeço ao Giancarlo Gonzáles, pesquisador pós-doutor no Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-RIO, por toda assistência nos experimentos e pelo conhecimento compartilhado. Sem ele o projeto não sairia do papel.
Referências
1- Rodrigues, Leonardo Dantas. Aplicação da técnica DIC a espécimes com diferentes
formas, materiais e gradientes de deformação. Tese de Doutorado, PUC-RIO,2014.
2- Sutton M.A., Orteu J.J., Schreier H. Image correlation for shape, motion and
deformation measurements: basic concepts, theory and applications. Springer Science &
Business Media, 2009.
3- VIC-3D®Software, Correlated Solutions Inc.http://www.correlatedsolutions.com/
4- CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.
5- Dos Santos, Valter Rocha. Apostila de Introdução a soldagem Subaquática.
6- Giancarlo L. G. Gonzáles, Julián A. O. González, Jaime T. P. Castro, José L. F. Freire –
Medição do Fechamento de Trincas de Fadiga Utilizando a Correlação de Imagens Digitais. COTEQ2017.
