MICROESTRUTURA DO METAL DE SOLDA DO AÇO ASTM-A36 OBTIDA POR SOLDAGEM AO ARCO SUBMERSO

Otavio Villar da Silva Neto1

Ruis Camargo Tokimatsu2

Vicente Afonso Ventrella3 1,2,3Universidade Estadual Paulista/Unesp, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecânica, Área de Materiais e Processos de Fabricação. Avenida Brasil, 56, Cx.P.31, CEP-15.385-000, Ilha Solteira, SP, Brasil. ✈ (018)763-8138 Fax: (018)762-2992. E-mail: villar@dem.feis.unesp.br Resumo O efeito do insumo de calor utilizado em soldagem sobre a microestrutura do metal de solda é de grande importância do ponto de vista metalúrgico. Em alguns processos de soldagem, especialmente no arco submerso, é empregada uma alta taxa de energia, influenciando drasticamente na microestrutura resultante do metal de solda. No presente trabalho avaliou-se a microestrutura do metal de solda do aço ASTM-A36 obtido por soldagem a arco submerso com passe único de um perfil “T”, variando-se o insumo de calor entre 1,27kJ/mm e 1,73kJ/mm, estabelecendo uma relação entre energia de soldagem e microestrutura para estas condições. As microestruturas resultantes foram caracterizadas por microscopia óptica. Para verificar variações nas propriedades as amostras foram submetidas ao ensaio de microdureza. Os resultados revelaram que a variação do insumo de calor resultou em uma alteração dos constituintes microestruturais do metal de solda, principalmente a ferrita acicular. Palavras-chave: Arco submerso, Ferrita acicular, Insumo de calor, Metal de solda ferrítico,

Soldagem.

1. INTRODUÇÃO

As propriedades mecânicas apresentadas por uma junta soldada são tão importantes quanto sua soldabilidade, portanto é de grande relevância dominar estas características inerentes ao aço estrutural utilizado na confecção de estruturas metálicas. Por estar ligada diretamente ao comportamento mecânico de um componente, a microestrutura do material torna-se primordial para obtenção de estruturas confiáveis do ponto de vista estrutural.

Um fator que influência diretamente na microestrutura do metal de solda é o insumo de calor, ou aporte térmico, utilizado durante a soldagem. Em alguns processos, em especial o arco submerso, é empregada uma alta taxa de energia, exercendo uma forte influência sobre a microestrutura resultante do metal de solda. Este trabalho tem a pretensão de evidenciar a influência do aporte térmico sobre a microestrutura do metal de solda ferrítico.

Por possibilitar a utilização de elevadas correntes e tensões associadas ao alto rendimento, 9,0=η , apresentado pela soldagem a arco submerso, as soldas realizadas por este processo podem ser executadas com elevados insumos de calor. Porém, existe um fator que reduz a taxa de energia utilizada no arco submerso automatizado; são as altas velocidades de soldagem, estes efeitos podem ser visualizados na equação 1.

60v

VIE η= (1)

Uma maior resistência e tenacidade são alcançadas quando o metal de solda apresenta uma microestrutura predominante de ferrita acicular (AF), [Ferrante, 1989].

Os aportes térmicos empregados durante a soldagem dos corpos de prova utilizados neste trabalho variam de 1,27 kJ/mm a 1,73 kJ/mm, variação esta que proporciona aos corpos soldados diferentes taxas de resfriamento, originando, dessa forma, diferentes microestruturas do metal resultante da poça de fusão, como será visto mais afrente. O valores de insumo de calor utilizados nesse trabalho foram muito próximos, este pequeno intervalo foi respeitado por tratar de um caso real, as juntas soldadas foram produzidas em condições fabris.

1.1. Microestrutura do Metal de Solda O metal de adição não necessita ter exatamente a mesma composição química que o

metal de base, isto porque é mais importante que o metal de solda seja mais resistênte e tenha melhores propriedades que o metal de base. Estas propriedades são governadas pela microestrutura, por isso torna-se tão importante o conhecimento sobre a influência de diferentes fatores na transformação de fases no metal de solda, [Vishnu, 1995].

A transformação da austenita depende de alguns fatores principais, tais como da taxa de resfriamento, dos elementos de liga e das impurezas. Devido às altas taxas de resfriamento envolvidas em soldagem, as transformações de fase no estado sólido em metais de solda não ocorrem em condições de equilíbrio. Os vários microconstituintes resultantes no metal de solda são conseqüência da taxa de nucleação, da taxa de crescimento de fases, da densidade e dispersão de pontos de nucleação, dentre outros fatos. Portanto, o tipo, o tamanho e número de inclusões não metálicas influenciam na taxa de nucleação, tendo uma contribuição direta na estrutura final do metal fundido, [Ortega,1999].

A microestrutura dos aços ferríticos muda de acordo com a velocidade de resfriamento após austenitizados, logo, suas propriedades podem ser alteradas por meios de variações bruscas de temperatura. O diagrama de transformação com resfriamento contínuo, diagramas CCT, mostra a mudança da microestrutura ocorrida no aço durante seu resfriamento, conforme pode-se observar na figura 1.

Figura 1- Diagrama esquemático CCT.

No metal de solda ferrítico ocorrem transformações que são melhor entendidas

considerando inicialmente que a ferrita é nucleada heterogeneamente, assim pode-se considerar somente o comportamento da nucleação competitiva nos contornos de grão e nas inclusões. Esse comportamento da transformação de fases dos aços baixo carbono pode ser explicado por alguns fatos significantes. Primeiro, um tempo considerável transcorre durante o início da transformação na temperatura de transformação perlítica, por volta de 704 a 593 oC. Este tempo transcorrido assegura que a alta temperatura a transformação não deverá ocorrer a menos que a velocidade de resfriamento seja muito lenta, produzindo assim uma estrutura indesejável [Welding Handbook, 1972]. Um período de tempo transcorrido antes do início de transformação em ferrita, permite o resfriamento brusco de chapas espessas e finas sem que ocorra a transformação em ferrita neste intervalo. Este resfriamento brusco deve ser evitado com a finalidade de que não seja transformada em martensita ou mesmo ferrita de segunda fase alinhada à medida que o resfriamento prossiga até a temperatura ambiente.

Com o aumento da velocidade de resfriamento, desde a zona austenítica, ocorrem variações na estrutura do material, podendo resultar em diferentes microconstituintes. As microestruturas típicas esperadas para aços de baixo carbono são compostas de: (1) ferrita e perlita; (2) bainita grossa; (3) bainita fina e (4) martensita pura, [Okumura, 1982].

Um metal de solda com elevada tenacidade confere maior confiabilidade à junta soldada, esta propriedade é magnificada à medida que se tem um aumento de AF em sua microestrutura, [Ortega, 1999]. A AF pode ser definida como pequenos grãos de ferrita não alinhados encontrados no interior dos grãos de austenita pré-existente, [Dolby, 1986] e [Alé, 1993]. Uma região de AF normalmente tem a morfologia de uma estrutura de Widmanstätten, forma emaranhada e com grãos se entrecrusando, mas também pode incluir ripas isoladas de alta razão de aspecto [Dolby, 1986]. A elevada tenacidade apresentada pela AF provem do seu tamanho de grão, de 1 a 3 micra, conciliado à orientação aleatória de seus grãos.

Elevados teores de AF em metais de solda, são provenientes de grãos austeníticos grosseiros e um grande número de inclusões maiores que 0,2 µm, [Ortega, 1999]. A formação da AF ocorre durante o resfriamento em temperaturas intermediárias, entre 650 e 500 oC, sua forma é resultado de ripas de ferrita que crescem em diferentes direções em relação a inclusões e ripas já nucleadas, [Vishnu, 1995]. Este microconstituinte apresenta uma proporção de largura/comprimento, fator de forma, entre 1:2 e 1:5. Sua nucleação ocorre geralmente de forma intragranular e na interface de micro-inclusões de escória, [Brandi, 1997].

1.2. Aporte Térmico A região de solda é composta por três zonas distintas: zona de fusão, zona afetada

termicamente (ZAT) e metal de base. Neste trabalho, a região de interesse é aquela onde realmente ocorre a fusão e subsequente solidificação do metal de solda, ou seja, a zona de fusão. O contorno que separa a zona de fusão da ZAT é denominado linha de fusão ou linha de transição. Nesta linha, os grãos grosseiros são parcialmente fundidos pelo calor gerado no arco elétrico e, durante a solidificação, os grãos do metal depositado também crescem segundo a mesma orientação cristalográfica, [Okumura, 1982].

O fluxo de calor durante a soldagem é afetado pela eficiência do processo e pela distribuição de densidade de energia da fonte de calor. Como no processo de soldagem a arco submerso trabalha-se com altas densidade de corrente e força da fonte de calor, estes parâmetros podem influenciar na convecção na poça de fusão, [Kou, 1987].

A resistência e tenacidade de soldas em aços temperados é muito influenciada pelo aporte térmico imposto à junta durante a soldagem. Para se obter adequadas resistência e tenacidade na ZAT das soldas nestes aços, depende de uma rápida dissipação de calor de soldagem. O calor é dissipado mais rapidamente em seções mais espessas que em seções mais finas e desta forma, pode-se utilizar altos aportes térmicos na soldagem de chapas espessas, [Welding Handbook, 1972].

Existem dois conceitos de grande interesse quando o assunto abordado é o ciclo térmico de soldagem, trata-se de chapas finas e chapas grossas. Pois devido ao aquecimento localizado que ocorre durante a soldagem, as chapas grossas resfriam com uma velocidade maior que as chapas finas, influenciando nas transformações de fase ocorridas na zona de fusão e na ZAT, [Brandi, 1997]. As chapas finas são aquelas onde escoamento de calor é bidimensional, ou seja, as isotermas ao longo da espessura da chapa são linhas retas paralelas e perpendiculares à superfície da chapa. Já as chapas grossas apresentam isotermas tridimensionais; em forma de círculos concêntricos originados a partir da fonte de calor. Este conceitos mostram que quanto maior forem as possibilidades do calor difundir-se, maior será a velocidade de resfriamento da chapa.

2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais

Abaixo encontram-se relacionados os materiais utilizados neste trabalho:

♦ Metal de base: aço ASTM-A36, em forma de chapas laminadas de 1” e de ½”, as respectivas composições químicas são mostradas na tabela 1;

♦ Metal de adição: arame cobreado AWS A5.17/89-A5.23/90-EL12 de 2,38 mm de diâmetro, sua composição química encontra-se na tabela 2;

♦ Fluxo: F7AO EL12, F7AO EM12K, AWS A%.17-8.

Tabela 1 – Composição química do aço ASTM-A36, utilizado como metal de base.

Chapa Composição Química % C Si Mn P S Al Cu Nb V Ti Cr Ni Mo B

1” 0,13 0,20 0,94 0,023 0,012 0,03 0,01 0,001 0,003 0,002 0,02 0,02 0,01 - ½” 0,15 0,23 0,82 0,017 0,009 0,042 - - 0,003 0,003 0,01 0,02 - 2ppm

Tabela 2- Composição química do metal de adição.

Composição Química % C Si Mn P S Al Cu Cr Ni Mo

0,039 0,15 0,479 0,010 0,007 0,003 0,024 0,021 0,016 0,004 2.2. Métodos Soldagem

Foi utilizado o processo de soldagem arco submerso para realização das soldas nas juntas

de ângulo, na posição plana – utilizando os parâmetros apresentados na tabela 3. As chapas a serem soldadas foram preparadas com uma limpeza adequada nas regiões da união, sem a prévia realização de chanfros. Os diferentes valores de insumo de calor utilizados durante a soldagem, foram originados a partir de diferentes correntes: 700A, 850A e 950A.

Tabela 3- Parâmetros utilizados para confecção dos corpos de prova.

Parâmetros Fixos Eletrodo Belgo Mineira EL12 (2,38mm)

Tensão 27V Polaridade reversa

Ângulo de trabalho 45º Arco gêmeo Twin-Arc

Ângulo de deslocamento 90o Fluxo ESAB classificação F7AO

Altura do eletrodo (Stckout) 25mm Velocidade de soldagem 800m/min

Ensaios Para realização dos ensaios propostos foram soldados corpos de prova (cdp), em forma de

junta em ângulo, “T”. Foram utilizadas chapas de 1” e ½” de espessuras, para aba e para alma respectivamente, apresentando as seguintes medidas: 8-½” x 17”. As juntas soldadas foram esmerilhadas na região a receber a poça de solda, sem que tenha sido realizado pré-aquecimento das chapas.

Figura 2 – Corpo de prova preparado para ensaio metalográfico.

As medidas de dureza das amostras foram obtidas a partir do ensaio Microdureza

Vickers, com carga de 65gf, realizado em bancada metalográfica Neophot 21. Para caracterizar a microestrutura do metal de solda foi utilizado microscópio ótico

Neophot 21. A identificação dos microconstituintes foi realizada segundo as definições do International Institute of Welding (IIW), [Dolby, 1986] e [Alé, 1993] . Fez-se uso do método dos nós para quantificar a AF no metal de solda. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Existem divergências em relação ao teor máximo de ferrita acicular que garanta uma alta tenacidade à junta soldada, segundo [Svensson, 1990] uma microestrutura com mais de 70% de AF pode comprometer a tenacidade do metal de solda, enquanto [Farrar,1987] assume que somente valores acima de 85% de AF podem comprometer a tenacidade do metal de solda.

Utilizando um insumo de calor de 1.27 kJ/mm, obteve-se uma microestrutura mais diversificada; com presença de ferrita de contorno de grão PF(G), ferrita poligonal intragranular PF(I), ferrita de segunda fase alinhada FS(A), ferrita de segunda fase não-alinhada FS(NA) e uma pequena quantidade de ferrita acicular AF. Os cdp soldados com 1,55 kJ/mm, apresentaram um alto teor de AF, sendo sua ME composta predominantemente por este constituinte, também verificou-se a presença de PF(G). Aumentando o insumo de calor para 1,73 kJ/mm, teve uma queda na porcentagem de AF e um aumento na quantidade de PF(G). A porcentagem de AF em função do insumo de calor está representada na figura 3.

0

25

50

75

100

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Insumo de Calor [kJ/mm]

% F

errit

a A

cicu

lar

Figura 3 – Avaliação do metal de solda, considerando a porcentagem de AF e o insumo de

calor utilizado, em uma junta soldada com aço baixo carbono. Com uma elevada taxa de resfriamento, baixo aporte térmico, o metal de solda apresentou

uma maior dureza, [Maciel, 1994]. Estes valores de dureza encontrados nos cdp soldados com aportes mais baixos, são provenientes de uma maior quantidade de FS(A) presente em sua estrutura. Por outro lado, com menores taxas de resfriamento, maior aporte térmico, a dureza do metal de solda foi reduzida devido a presença de constituintes menos duros, tal como a PF(G), presente em grande quantidade nas juntas soldadas com 1,73 kJ/mm. A figura 4 mostra os valores de microdureza em função do insumo de calor.

150

180

210

240

270

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Insumo de Calor [kJ/mm]

Mic

rodu

reza

Vic

kers

(65

gf)

Figura 4 – Avaliação do metal de solda, considerando sua dureza e o insumo de calor

utilizado, em uma junta soldada com aço baixo carbono. Nas figuras 5 e 6 encontram-se fotomicrografias representativas dos diferentes metais de

solda obtidos a partir dos diferentes valores de energia de soldagem utilizados. Pode verificar também que houve uma menor quantidade de inclusões presentes nos cdp soldados com 850A, cerca de 50% menos que os cdp soldados com 950A.

(a) (b)

(c)

Figura 5 – Fotomicrografias do metal de solda ferrítico mostrando os constituintes microestruturais (classificação IIW).

(a) (b)

(c)

Figura 6 – Fotomicrografias ótica mostrando microconstituintes presentes no metal de solda.

(a) 1,27 kJ/mm: predominância de FS(A) ao

centro;

(b) 1,55 kJ/mm: grande quantidade de AF e

presença PF(G);

(c) 1,73 kJ/mm: alta porcentagem de inclusões (I), presença de AF e PF(G).

- Aumento de 500x (ataque com Nital a 3%)

(a) 1,27 kJ/mm: FS(A), PF(G), PF(I),

FS(NA), AF, inclusões;

(b) 1,55 kJ/mm: destaque pela alta

quantidade de FA e poucas inclusões;

(c) 1,73 kJ/mm: Inclusões e PF(G)

mescladas a AF.

- Aumento de 200x (ataque com Nital a 3%)

AF

AF

FS(A) PF(G)

I

PF(G)

AF

PF(G)

I

AF

FS(A)

PF(G)

I

AF

PF(I) FS(NA)

4. CONCLUSÕES

A alta tenacidade proporcionada à junta soldada pela AF está ligada às condições de soldagem, dessa forma o conhecimento do mecanismo de formação da microestrutura torna-se de grande importância para que se possa utilizar parâmetros adequados com a finalidade de obter determinada variação microestrutural.

Com a utilização de uma menor taxa de energia, 1,27 kJ/mm, maior taxa de resfriamento, obteve-se um cordão de solda mais duro, 245 HV, proveniente do aumento de FS(A), no entanto, sua microestrutura apresentou-se com a menor taxa de AF, 30%, dentre as condições estudadas.

O maior insumo de calor, 1,73 kJ/mm, provocou uma queda na quantidade de AF e um aumento de PF(G), devido a baixa taxa de resfriamento imposta por este nível de energia de soldagem.

A maior quantidade de AF obtida, 80%, foi no caso em que utilizou-se um insumo de calor intermediário, 1,55 kJ/mm, para as condições impostas ao processo.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS • Alé, R.M., Jorge, J.C.F. e Rebello, J.M.A., 1993, “Constituintes Microestruturais de

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Mecmillan Press, London.