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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais
Avaliação das Propriedades Mecânicas em Juntas Soldadas
do Aço ASTM A 36 pelo Processo de Eletrodo Revestido em
Diferentes Posições de Soldagem
Rio de Janeiro - RJ 2016
ii
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS
Avaliação das Propriedades Mecânicas em Juntas Soldadas
do Aço ASTM A 36 pelo Processo de Eletrodo Revestido em
Diferentes Posições de Soldagem
Jahn Lisboa Dihlmann
Rio de Janeiro 2016
iii
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS
Avaliação das Propriedades Mecânicas em Juntas Soldadas
do Aço ASTM A 36 pelo Processo de Eletrodo Revestido em
Diferentes Posições de Soldagem
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste. Área de concentração: metalurgia.
Orientado: Jahn Lisboa Dihlmann Orientador: Mauro Carlos Lopes Souza, D.Sc.
Rio de Janeiro 2016
iv
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
X000 Dihlmann, Jahn Lisboa.
Avaliação das propriedades Mecânicas em Juntas Soldadas do Aço ASTM A 36 pelo Processo de Eletrodo Revestido em Diferentes Posições de Soldagem. / Jahn Lisboa Dihlmann – 2016.
67p.
Orientador: Prof. Mauro Carlos Lopes de Souza, DSc. Dissertação (Mestrado) – Centro Universitário Estadual
da Zona Oeste – Rio de Janeiro. 1. Soldagem. 2. Eletrodo Revestido. 3. Posições de
Soldagem. 4. Aço A36. 5. Propriedades Mecânicas.
XXX 000.000
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Jahn Lisboa Dihlmann
Avaliação das propriedades Mecânicas em Juntas Soldadas do Aço ASTM A 36 pelo Processo de Eletrodo Revestido em Diferentes Posições de Soldagem
Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste. Área de concentração: metalurgia.
Aprovado em: 28 de setembro de 2016. Banca Examinadora:
_____________________________________________________ Prof. Mauro Carlos Lopes Souza, DSc (Orientador) Centro Universitário Estadual da Zona Oeste – UEZO
_____________________________________________________ Prof. Carlos Alberto Martins Ferreira, DSc Centro Universitário Estadual da Zona Oeste - UEZO
_____________________________________________________ Prof. Alisson Clay Rios da Silva, DSc
Universidade Federal do Para - UFPa
Rio de Janeiro 2016
vi
Dedicatória
À Deus, por ter me dado todas as forças e oportunidades para que eu chegasse a aqui.
Aos meus pais, Michael e Luciene, por todo o apoio, amor, carinho e educação que
me ofereceram desde o início.
À minha amada esposa Cléa, por todo o suporte durante os momentos bons e
ruins ao longo da minha trajetória.
Ao meu amado filho Lucas, por ser a minha fonte de inspiração para vencer
qualquer desafio.
Às minhas irmãs Caroline e Julye, por serem companheiras inseparáveis
em todos os momentos.
Aos meus colegas de classe e professores da UEZO por todos os
momentos bons que passamos, que foram de grande
valia para minha formação pessoal e profissional.
vii
Agradecimentos
Ao meu orientador, Prof. Dr. Mauro Carlos Lopes Souza, por seu excelente trabalho
como orientador e professor.
Aos meus amigos da Metalúrgica Ferforma, Carlos Morais, Valdir, Vanderlei e Geraldo,
pela doação e apoio na preparação dos corpos de prova para o trabalho.
À empresa EBSE e ao meu grande amigo Gilherme Dumay, por terem aberto as portas
de seu laboratório de forma incondicional, possibilitanto assim a realização deste
trabalho.
Ao meu amigo Roberto Fernandes por todo apoio no planejamento dos ensaios e ao
excelente profissional de laboratório da EBSE, Everton Mesquita Martins, que foi
fundamental para a realização dos ensaios.
Aos professores e alunos da UEZO por todos os conhecimentos trocados.
A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização do presente
trabalho.
viii
“Aqueles que se sentem satisfeitos sentam-se e nada fazem. Os insatisfeitos são os
únicos benfeitores do mundo.”
Walter S. Landor
ix
RESUMO
Com o objetivo de proporcionar meios para a comparação das soldagens de
difícil acesso usualmente encontradas em campo, normalmente de qualidade
desconhecida, neste presente trabalho foi realizada a comparação entre as
propriedades mecânicas de corpos de prova do aço A36 soldados através do
processo eletrodo revestido em diferentes posições. Os corpos de prova foram
cortados e usinados e em seguida foram realizados os ensaios visual de solda,
liquido penetrante, ensaio de tração, ensaio de dobramento, impacto Charpy,
dureza Vickers e o exame macrográfico com Nital 10% conforme procedimentos de
normas internacionais. A partir do resultado dos ensaios foi possível prever o
comportamento mecânico de cada junta soldada nas posições plana, horizontal e
sobrecabeça, três das posições de soldagem mais utilizadas pela indústria e assim,
fazer as devidas recomendações de execução das mesmas. A soldagem na
posição plana se mostrou melhor nos ensaios, sendo a posição que deve ser
procurada sempre que possível, já a soldagem na posição sobrecabeça deve ser
evitada devido a sua dificuldade de execução.
Palavras chave: Soldagem; Aço A36; Posições de Soldagem; Ensaios Mecânicos; Macrografias.
x
ABSTRACT
In order to provide means for comparing the welding of difficult access usually
found in the field, usually of unknown quality in this present study was performed to
compare the mechanical properties of the steel specimens A36 soldiers through the
electrode process coated in different positions. The specimens were cut and
machined, and then the visual tests were performed welding, liquid penetrant,
traction, bending, Charpy impact test, Vickers hardness and macrographic Nital
exam with 10% according to the procedures of international standards.
From the result of tests it was possible to predict the mechanical behavior of each
weld in the flat position, the horizontal and overhead three welding positions of the
most used by industry and thus make the proper recommendations of implementing
same. The welding in the flat position fared better in the tests, and the position
should be sought wherever possible, as welding in the overhead position should be
avoided because of its difficulty of execution.
Keywords: welding; A36 steel; welding positions; mechanical tests; macrography.
xi
LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Esquema do Processo de Sodagem por Eletrodo Revestido.........................9
Figura 2 – Esquema simplificado do processo de soldagem por eletrodo revestido......10
Figura 3 – Demonstrativo do Efeito da Concentricvidade do Revestimento...................12
Figura 4 – Especificações para Consumíveis da AWS...................................................14
Figura 5 – Principais Posições de Soldagem..................................................................15
Figura 6 – Desenho esquemático de um cp submetido à carga de tração.....................17
Figura 7 – Diagrama de Tensão x Deformação..............................................................18
Figura 8 – Ilustracao do equipamento utilizado para a realizacao do ensaio.................19
Figura 9 – Representacao dos corpos de prova utilizados no ensaio Charpy................19
Figura 10 – Equipamento utilizado para ensaios de Impacto de Charpy........................20
Figura 11 – Medição da Dureza Rockwell.......................................................................24
Figura 12 – Medição da Dureza Brinell...........................................................................25
Figura 13 – Calculo da Dureza Vickers...........................................................................26
Figura 14 – Equipamento digital para medição da Dureza Shore...................................27
Figura 15 – Penetradores utilizados para microdureza...................................................28
Figura 16 - Posicionamento do corpo de prova na posição plana..................................29
Figura 17 - Posicionamento do corpo de prova na posição horizontal............................30
Figura 18 - Posicionamento do corpo de prova na posição sobrecabeça......................30
Figura 19 - Soldagem na posição plana..........................................................................31
Figura 20 - Soldagem na posição horizontal...................................................................32
Figura 21 - Soldagem na posição sobrecabeça..............................................................33
Figura 22 – LP lado A da posição plana..........................................................................34
Figura 23 - LP lado A posição horizontal.........................................................................34
Figura 24 - LP lado A posição sobrecabeça....................................................................35
Figura 25 - LP lado B posição plana...............................................................................35
Figura 26 - LP lado B posição horizontal.........................................................................36
Figura 27 - LP lado B posição sobrecabeça....................................................................36
Figura 28 - Processo de corte.........................................................................................37
Figura 29 - Amostras cortadas........................................................................................37
xii
Figura 30 - Amostras preparadas....................................................................................38
Figura 31 - Maquina de ensaio de tração utilizada..........................................................39
Figura 32 – Ensaio de tração da amostra soldada na posição plana.............................39
Figura 33 – Gráfico do Ensaio de Tensão x Deformação Pos. Plana.............................40
Figura 34 – Ensaio de tração da amostra soldada na posição horizontal.......................41
Figura 35 – Gráfico do Ensaio de Tensão x Deformação Pos. Horizontal......................42
Figura 36 – Ensaio de tração da amostra soldada na posição sobrecabeça..................42
Figura 37 – Gráfico do Ensaio de Tensão x Deformação Pos. Sobrecabeça.................44
Figura 38 – Resfriamento das amostras para o ensaio de impacto................................45
Figura 39 – Amostras utilizadas no ensaio tipo Charpy..................................................45
Figura 40 – Inicialização do ensaio de dobramento........................................................47
Figura 41 – Ensaio de dobramento das 03 amostras......................................................48
Figura 42 – Amostra soldada na posição plana após o ensaio de dobramento.............48
Figura 43 – Amostra soldada na posição plana após o ensaio de dobramento.............49
Figura 44 – Amostra soldada na posição plana após o ensaio de dobramento.............49
Figura 45 – Pontos de medição de dureza para a amostra soldada na posição plana..50
Figura 46 – Pontos de medição de dureza para a amostra sold. na pos. horizontal......51
Figura 47–Pontos de medição de dureza para a amostra sold. na pos. sobrecabeça...52
Figura 48 – Macrografia da amostra soldada na posição plana......................................53
Figura 49 – Macrografia da amostra soldada na posição horizontal...............................53
Figura 50 – Macrografia da amostra soldada na posição sobrecabeça..........................54
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação dos Aços....................................................................................5
Tabela 2 – Exemplo de Classificação dos Aços pela ASTM.............................................6
Tabela 3 – Escala Mohs..................................................................................................26
Tabela 4 - Composição Quimica do Aço ASTM A36.......................................................28
Tabela 5 - Resultados do Ensaio de Charpy para a Sold. Feita na Pos.Plana...............46
Tabela 6 - Resultados do Ensaio de Charpy para a Sold. Feita na Pos.Horizontal........46
Tabela 7 - Resultados do Ensaio de Charpy para a Sold. Feita na Pos.Sobrecabeça...47
Tabela 8 – Comparativo dos resultados dos ensaios por posição de soldagem............54
xiv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas SMAW - Shielded Metal Arc Welding AISI - American Iron and Steel Institute SAE - Society of Automotive Engineers ASTM - American Society for Testing and Materials AWS - American Welding Society EBSE – Empresa Brasileira de Solda Elétrica
– tensão de engenharia
– deformação de engenharia A – amperes J – joules V- volts F – força L° - comprimento inicial A° - área inicial Mpa – mega pascal HV – dureza Vickers
SUMÁRIO
RESUMO......................................................................................................................... ix
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ x
LISTA DE TABELAS .................................................................................................... xiii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ..................................................................... xivv
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1
2. OBJETIVOS ................................................................................................................. 2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 3 3.1 A importância dos aços .............................................................................................. 3 3.1.1 Classificações dos aços ......................................................................................... 4 3.1.2 Aços de baixo carbono ............................................................................................ 7 3.2 Soldagem por eletrodo revestido (SMAW-Shielded Metal Arc Welding) .................... 7 3.2.1 Equipamentos ....................................................................................................... 10 3.2.2 Consumiveis .......................................................................................................... 11 3.2.2.1 Tipos de revestimento.........................................................................................12 3.2.2.2 A especificação AWS..........................................................................................14 3.2.3 Posições de soldagem .......................................................................................... 15 3.3 Ensaios mecânicos .................................................................................................. 16 3.3.1 Ensaio de Tração .................................................................................................. 16 3.3.2 Ensaio de Impacto ................................................................................................. 18 3.3.3 Ensaio de Dobramento .......................................................................................... 20 3.3.4 Ensaio de Dureza .................................................................................................. 22 3.3.4.1 Teste de Dureza Rockwell...................................................................................23 3.3.4.2 Teste de Dureza Brinell.......................................................................................24 3.3.4.3 Teste de Dureza Vickers.....................................................................................25 3.3.4.4 Teste de Dureza Mohs........................................................................................26 3.3.4.5 Teste de Dureza Shore.......................................................................................27 3.3.4.6 Teste de Microdureza Knoop/Vickers..................................................................27
4. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 28 4.1.1 Metal Base..............................................................................................................28 4.1.2 Metal de Adição......................................................................................................29 4.2. Preparação dos corpos de prova.............................................................................29 4.3 Soldagem dos corpos de prova ................................................................................ 31
4.3.1 Posição plana.........................................................................................................31
4.3.2 Posição horizontal..................................................................................................32 4.3.3 Posição sobrecabeça.............................................................................................33 4.4 Inspeção visual e por liquido penetrante das soldas.................................................33 4.5 Corte e Usinagem das Amostras...............................................................................36
5. RESULTADOS E DISCUÇÕES ................................................................................. 38 5.1.1 Ensaio de Tração da Amostra Soldada na Posição Plana.....................................38 5.1.2 Ensaio de Tração da Amostra Soldada na Posição Horizontal..............................41 5.1.3 Ensaio de Tração da Amostra Soldada na Posição Sobrecabeça.........................42 5.2 Ensaio Charpy...........................................................................................................44 5.3 Ensaio de Dobramento..............................................................................................47 5.4 Ensaio de Dureza Vickers.........................................................................................50 5.4.1 Ensaio de Dureza na Amostra Soldada na Posição Plana....................................50 5.4.2 Ensaio de Dureza na Amostra Soldada na Posição Horizontal.............................51 5.4.3 Ensaio de Dureza na Amostra Soldada na Posição Sobrecabeça........................51 5.5 Exame Macrografico..................................................................................................52
6. CONCLUSÕES .......................................................................................................... 55
7. SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS ...................................................... 56
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 57
ANEXOS ........................................................................................................................ 59
1
1. INTRODUÇÃO
Dentre os meios de união de materiais metálicos a soldagem é o mais amplamente
utilizado pela indústria. Desde pequenas uniões, como de circuitos eletrônicos, por
exemplo, até grandes obras da engenharia, como vasos de pressão, embarcações e
aeronaves. A soldagem mostra-se como uma excelente opção devido, principalmente,
ao sua grande versatilidade, resistência e ao seu relativo baixo custo (MODENESI,
1983).
Em muitos casos, devido a diferentes fatores, o posicionamento das peças para a
soldagem em posição mais favorável não é possível. Neste caso, o processo de
soldagem escolhido deve ser escolhido, de forma que ele melhor se adeque a posição
de soldagem. Alguns processos se adequam bem a variações na posição de soldagem.
Dentre eles, está o processo de eletrodo revestido – SMAW, objeto de estudo deste
trabalho. O SMAW é um processo de soldagem bem rústico, pois ele precisa de
equipamentos relativamente simples quando comparado aos outros processos e pode
atingir regiões de difícil acesso com certa facilidade (ESAB, 2000).
Porém, em muitos casos, principalmente quando o executante não possui meios de
realizar ensaios mecânicos, a qualidade das soldas pode ficar duvidosa. Sob este ponto
de vista, o presente trabalho objetiva avaliar a influência da alteração nas posições de
soldagem sobre as propriedades mecânicas das mesmas.
2
2 – Objetivos 2.1 – Objetivo Geral
Avaliar as propriedades mecânicas principais de amostras do aço carbono A36
soldadas pelo processo eletrodo revestido em diferentes posições de soldagem,
contribuindo assim para o aprimoramento do processo de soldagem da indústria e de
todos os interessados.
2.2 – Objetivos Específicos
Avaliar experimentalmente quais são as propriedades mecânicas desejáveis
conseguidas em cada posição de soldagem;
Comparar de forma objetiva três posições distintas de soldagem: posição plana,
posição horizontal e posição sobrecabeça;
Alertar sobre as precauções a serem tomadas de acordo com a posição de
soldagem escolhida;
3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 A importância dos aços
Muitas vezes confundido pelo ferro, o aço possui uma grande importância na
atualidade. O aço surgiu basicamente com a Revolução Industrial, com a invenção dos
fornos que possibilitaram a correção das impurezas do ferro e a adição de propriedades
importantes como, por exemplo, a resistência ao desgaste, à corrosão, ao impacto, etc.
Com estas vantagens aliadas ao baixo custo, o aço passou a representar cerca de 90%
de todos os metais consumidos pela indústria (MODENESI, 1983).
Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono, podendo ser de alto ou baixo
carbono. Pode também ser ligado, em geral, com Manganes, Cromo, Niquel,
Molibdênio, Tungstênio, Vanadio, Cobalto, Nióbio, Silício, etc, podendo ser de baixa liga
ou alta liga (CHIAVERINI, 1988).
O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortemente associado ao oxigênio
e à sílica. O minério de ferro é um óxido de ferro, misturado com areia fina. O carbono é
também relativamente abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas
formas. Na siderurgia, usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal
(FREIRE, 2011).
Do ponto de vista de aplicações, como o aço carbono (de baixo carbono)
geralmente não possui boa resistência mecânica, é comumente usado em grades,
portões, e guarda-corpos decorativos em que se aproveita a plasticidade do material,
trabalhando no estado líquido, permitindo a moldagem de desenhos ricamente
detalhados. Já o aço carbono de alto carbono, ou de baixa ou alta liga, é empregado
quando existe a necessidade de melhor resistência mecânica e uma maior
responsabilidade estrutural. Ele está presente, praticamente, em todas as estruturas,
nos mais variados tipos e formas para as mais variadas aplicações. Desta forma o aço
atende plenamente a necessidades especificas da atualidade, que pede aplicações
específicas quanto a suas propriedades mecânicas, na composição química e em suas
formas de geometria ou acabamento (CALLISTER, 2002).
4
3.1.1 Classificações dos aços
Os aços podem ser classificados de diferentes formas de acordo com as suas
propriedades comuns:
composição, como aços-carbono e aços-liga
processo de acabamento, com aços laminados a quente ou aços laminados a frio
forma do produto acabado, como barras, chapas grossas, chapas finas, tiras,
tubos ou prefis estruturais.
Existem ainda subdivisões desses grupos, como aços-carbono de baixo, médio
ou alto teor de carbono, já os aços-liga podem ser classificados de acordo com os
principais elementos presentes em suas ligas (REED HILL, 1973).
Dentre as classificações mais utilizadas está a da "American Iron and Steel
Institute -AISI" - e da "Society of Automotive Engineers - SAE", estas classificações
levam em consideração a composição química do aço. Nesse sistema, as letras XX ou
XXX correspondem aos teores de carbono. Assim, por exemplo, nas designações AISI-
SAE, a classe 1020 significa aço-carbono com 0,20% de carbono em média. Neste tipo
de classificação, os dois primeiros algarismos diferenciam os vários tipos de aços entre
si, pela presença ou somente de carbono como principal elemento de liga (além, é
claro, das impurezas normais silício, manganês, fósforo e enxofre), ou de outros
elementos de liga, como níquel, cromo, etc., além do carbono.
Assim, quando os dois primeiros algarismos são 10, os aços são simplesmente
ao carbono; quando são 11, os aços são de usinagem fácil com alto enxofre; quando
são 40, os aços são ao molibdênio, com 0,25% de molibdênio em média e assim em
seguida, conforme pode ser visto na tabela 1.
5
Tabela 1 – Classificação dos Aços (CHIAVERINI, 1988).
AISI-SAE
10XX Aços-carbono comuns
11XX Aços de usinagem fácil, com alto S
12XX Aços de usinagem fácil, com alto P e S
15XX Aços-Mn com manganês acima de 1%
13XX Aços-Mn com 1,75% de Mn médio
40XX Aços-Mo com 0,25% de Mo médio
41XX Aços-Cr-Mo com 0,4 a 1,1% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo
43XX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2 de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e 0,2 a 0,3% de Mo
46XX Aços-Ni-Mo com 0,7 a 2% de Ni e 0,15 a 0,3% de Mo
47XX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,2% de Mo
48XX Aços-Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,2 a 0,3% de Mo
51XX Aços-Cr com 0,7 a 1,1% de Cr
E51100 Aços-cromo (forno elétrico) com 1% de Cr
E52100 Aços-cromo (forno elétrico) com 1,45% de Cr
61XX Aços-Cr-V com 0,6 ou 0,95% de Cr e 0,1 ou 0,15% de V mín.
86XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,2% de Mo
87XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de Mo
88XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,3 a 0,4 de Mo
9260 Aços-Si com 1,8% a 2,2% de Si
50BXX Aços-Cr com 0,2 a 0,6% de Cr e 0,0005 a 0,003% de boro
51B60 Aços-Cr com 0,8% de Cr e 0,0005 a 0,003 de boro
81B45 Aços-Ni-Cr-Mo com 0,3% de Ni, 0,45% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro
94BXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,45% de Ni, 0,4% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro
Outra classificação muito utilizada é a ASTM (American Society for Testing and
Materials). A tabela 2, a seguir, lista, como exemplo, as especificações gerais para os
aços estruturais do grupo A , englobando aplicações de construção civil, construção
6
naval e ferroviária. Estas especificações (com dois e três dígitos) aplicam-se a
laminados planos, formas estruturais, chapas-perfis interconectáveis e barras.
Tabela 2 – Exemplo de Classificação dos Aços pela ASTM (CHIAVERINI,1988).
O material que foi utilizado para a confecção dos corpos de prova do presente
trabalho é o ASTM A36, devido à sua grande utilização na indústria de estruturas.
7
3.1.2 Aços de baixo carbono
Aços de baixo carbono podem ser definidos como aços cuja quantidade máxima
de carbono é de aproximadamente 0,2%. Geralmente possuem baixa resistência
mecânica, dureza e alta dutilidade e tenacidade. Esta classe de aços é facilmente
usinavel e soldável e em contrapartida apresenta um baixo custo de produção quanto
comparado com outros aços. Devido ao fato de possuírem baixa dureza, normalmente
não são tratáveis termicamente em casos de aplicações que necessitem de tal
propriedade (ASKELAND, 2015).
As ligas de aço com baixo teor de carbono oferecem muitas aplicações, entre
elas estão a grande parte dos materiais que compõem a fabricação de um automóvel,
eletrodomésticos, estruturas metálicas utilizadas na construção civil e na área
petrolífera, etc (SHAKELFORD, 2008).
A proporção de carbono no aço afeta a ductilidade do material, a força e a
resistência. As ligas de aço com altos teores de carbono são mais fortes que os aços
com menor teor de carbono, por outro lado, o aço com alto teor de carbono é menos
dúctil que o aço com baixo teor de carbono. A ductilidade, porém, resulta em uma
fabricação mais pobre. Utilizando-se velocidades de rotação mais altas em máquinas de
usinagem a produção destes aços se tornam altamente dúcteis de forma muito mais
fácil. Em geral, os aços de baixa de qualidade, são os tipos com baixo teor de carbono,
porém para que haja uma melhora, no composto pode-se incluir alta presença de
fósforo e enxofre para que desta forma, possam oferecer uma melhor maleabilidade
destas ligas de aço, os tornado mais limpos e de melhor qualidade (VAN VLACK,
1988).
3.2 Soldagem por eletrodo revestido (SMAW-Shielded Metal Arc Welding)
O processo de soldagem por eletrodo revestido é um dos processos mais antigos
dentre os utilizados na atualidade. A solda por arco elétrico foi descoberta por um inglês
chamado Wilde em 1865, na ocasião, ele uniu com sucesso duas pequenas peças de
8
ferro passando uma corrente elétrica através das mesmas, produzindo uma solda por
fusão.
Cerca de vinte anos depois, também na Inglaterra, Nikolas Bernardos e Stanislav
Olszewsky registraram a primeira patente de um processo de soldagem estabelecido
entre um eletrodo de carvão e a peça.
O processo de soldagem por eletrodos revestidos, como conhecido atualmente,
foi inventado somente em 1904, pelo engenheiro sueco Oscar Kjellberg, que buscou
uma solução para os problemas gerados pelos agentes atmosféricos nas soldas com
eletrodo metálico nu através da adição de revestimento de cal para facilitar a abertura
de arco e melhorar a sua estabilidade (ESAB,2000).
Mesmo com o surgimento de novos processos provenientes da busca contínua
por produtividade, o processo de eletrodo revestido continua sendo um dos mais
utilizados devido a sua grande versatilidade, ao baixo custo operacional, à simplicidade
dos equipamentos empregados e a possibilidade do uso em locais de difícil acesso.
O processo possui como suas principais desvantagens a baixa produtividade, os
cuidados especiais com os consumíveis e com o grande volume de gases gerados
durante a soldagem.
Geralmente o processo de soldagem por eletrodos revestidos é aplicado na
fabricação e montagem de equipamentos, na manutenção e reparos de tubulações, em
construções metálicas em geral no campo, em estaleiros, etc. As chapas soldadas pelo
processo costumam ter a espessura entre 3 mm e 40 mm (MARQUES, 2007).
A figura 1, a seguir, ilustra o principio de funcionamento deste tipo de processo
de soldagem:
9
Figura 1 – Esquema do Processo de Sodagem por Eletrodo Revestido
(ESAB,2000).
O processo se baseia na criação de um arco elétrico entre o eletrodo revestido e
a peça, gerando calor o suficiente para que o metal base, a alma metálica do eletrodo e
o revestimento se fundam. A decomposição do revestimento gera gases de proteção o
suficiente para proteger o metal fundido da atmosfera. A escória, também formada pelo
revestimento do eletrodo, flutua no metal fundido, mantendo a proteção do mesmo
durante a solidificação (LANCASTER, 1992).
10
3.2.1 Equipamentos
Os equipamentos para a soldagem por eletrodos revestidos são bastante simples
e baratos quando comparados com os de outros processos de soldagem. Consistem
basicamente em uma fonte de energia, um porta-eletrodos (também chamado de tenaz)
e cabos e conexões (ESAB,2000).
A figura 2, a seguir, exibe um descritivo simplificado acerca dos equipamentos
necessários para o processo, bem como a sua interligação:
Figura 2 – Esquema simplificado do processo de soldagem por eletrodo revestido
(ESAB,2000).
Porta-eletrodos – Sua função é conectar o cabo de solda e conduzir a corrente de
soldagem até o eletrodo. O mesmo possui um punho isolado para que o eletrodo possa
ser guiado sobre a solda. Existem diversos modelos de diferentes tamanhos e
capacidades de suportar as variadas correntes.
Terminal terra – É um componente utilizado para conectar o cabo terra ao local de
aterramento, que pode ser a própria peça ou qualquer dispositivo metálico que consiga
suportar as correntes de soldagem sem superaquecer.
11
Cabos de solda – O cabo do eletrodo e o cabo terra são de extrema importância para o
processo de soldagem. Eles precisam ser flexíveis e possuir um bom isolamento
resistente ao calor. As conexões no porta-eletrodo, o terminal terra e os terminais da
fonte de energia devem ser bem fixados para que possuam baixa resistência elétrica.
São recomendados grandes diâmetros de cabos para que se tenha uma redução na
resistência elétrica. Quanto maior for o comprimento do cabo maior deverá ser o seu
diâmetro para que a resistência seja mantida a níveis satisfatórios.
Existem também outros acessórios que são fundamentais para a execução da
soldagem por eletrodo revestido como a picadeira, a escova de aço, a escova rotativa,
a esmerilhadeira, além dos equipamentos de proteção individual necessários para a
atividade.
3.2.2 Consumiveis
Os consumíveis para eletrodo revestido são relativamente simples, eles possuem
basicamente dois elementos principais: a alma metálica, normalmente composta por um
aço de baixo carbono, e o revestimento. A alma metálica é composta por alguns
elementos residuais e teores de fosforo e enxofre controlados, pois podem gerar a
fragilização da solda. Suas principais funções são a de conduzir a corrente elétrica e a
de fornecer o metal de adição para a junta (MODENESI, 1983).
A composição dos revestimentos é bastante variada e existem centenas de tipos
diferentes para as mais variadas aplicações. Os revestimentos são removidos das
pontas dos eletrodos ainda no processo de fabricação, para que o contato elétrico
através da tenaz seja garantido em uma ponta e para facilitar a abertura de arco na
outra ponta. A espessura do revestimento e a concentricidade da alma devem ser
garantidos (MACHADO, 2000). A figura 3, a seguir, demonstra detalhes do efeito da
concentricidade do revestimento na soldagem por eletrodos revestidos.
12
Figura 3 – Demonstrativo do Efeito da Concentricvidade do Revestimento
(ESAB,2000).
3.2.2.1 Tipos de revestimento
Existe atualmente uma grande variedade de tipos de eletrodos revestidos com as
mais variadas composições de revestimentos. Conforme mostrado por Patton (1967) os
revestimentos podem ser classificados de diferentes tipos:
Celulósico – Apresenta como características principais:
- Elevada produção de gases provenientes da combustão de materiais orgânicos;
- Principais gases gerados: CO2, CO, H2, H2O (vapor);
- Não devem ser ressecados;
- A atmosfera redutora formada protege o metal fundido;
- O alto nível de hidrogênio no metal de solda depositado impossibilita o seu uso para
aplicações de responsabilidade devido à fragilização pelo hidrogênio;
- Alta penetração;
13
- Pouca escória, facilmente destacável;
- Muito utilizado em tubulações na progressão descendente;
- Operando em CC+, obtém-se transferência por spray.
Rutílico - O revestimento rutílico apresenta as seguintes características:
- Consumível de uso geral;
- Revestimento apresenta até 50% de rutilo (TiO2);
- Média penetração;
- Escória de rápida solidificação, facilmente destacável;
- O metal de solda pode apresentar um nível de hidrogênio alto (até 30 ml/100g);
- Requer ressecagem a uma temperatura relativamente baixa, para que o metal de
solda não apresente porosidades grosseiras.
Básico - O revestimento básico apresenta as seguintes características:
- Geralmente apresenta as melhores propriedades mecânicometalúrgicas entre todos
os eletrodos, destacando-se a tenacidade;
- Elevados teores de carbonato de cálcio e fluorita, gerando um metal de solda
altamente desoxidado e com muito baixo nível de inclusões complexas de sulfetos e
fosfetos;
- Não opera bem em CA, quando o teor de fluorita é muito elevado;
- Escória fluida e facilmente destacável;
- Cordão de média penetração e perfil plano ou convexo;
- Requer ressecagem a temperaturas relativamente altas;
- Após algumas horas de contato com a atmosfera, requer ressecagem por ser
altamente higroscópico;
Altíssimo rendimento - O revestimento altíssimo rendimento apresenta as seguintes
características:
- Adição de pó de ferro (rutílico/básico);
- Aumenta a taxa de deposição;
- Pode ou não ser ligado;
14
- Aumenta a fluidez da escória, devido à formação de óxido de ferro;
- Melhora a estabilidade do arco e a penetração é reduzida, principalmente com alta
intensidade de corrente, o que pode minimizar a ocorrência de mordeduras;
- Possibilidade de soldar por gravidade (arraste);
- Reduz a tenacidade do metal de solda.
3.2.2.2 A especificação AWS
A AWS (American Welding Society) possui especificação própria para
consumíveis, esta especificação é a mais largamente utilizada pela indústria mundial.
Esta especificação funciona com base nas informações como as propriedades
mecânicas do metal de solda, o tipo de revestimento, a posição de soldagem e o tipo de
corrente (Figura 4):
Figura 4 – Especificações para Consumíveis da AWS (ESAB,2000).
15
3.2.3 Posições de Soldagem
A soldagem por eletrodo revestido pode ser realizada em diferentes posições.
Em muitos casos não é possível o posicionamento da peça na posição plana, que é
conhecida por ser a posição de maior facilidade de execução e produtividade, sendo
assim faz-se necessária a solda em outras posições (MACHADO, 1996). A seguir,
estão relacionadas as principais posições de soldagem (figura 5):
Plana (flat): A soldagem é feita na parte superior da junta e a face da solda é
aproximadamente horizontal.
Horizontal (horizontal): O eixo da solda é aproximadamente horizontal, mas a sua face
é inclinada.
Sobrecabeça (overhead): A soldagem é feita na parte inferior de uma solda de eixo
aproximadamente horizontal.
Verical (vertical): O eixo da solda é aproximadamente vertical. A soldagem pode ser
“para cima” (vertical-up) ou “para baixo” (vertical-down).
Figura 5 – Principais Posições de Soldagem (MODENESI 2008).
16
3.3 Ensaios Mecânicos
Os ensaios mecânicos são fundamentais em qualquer projeto de engenharia,
pois, através deles é possível conhecer as propriedades e os comportamentos dos
materiais, viabilizando assim a sua aplicação para condição prevista em projeto. Os
mesmos podem ser classificados em função da integridade geométrica e dimensional
da peça ou da velocidade de aplicação da carga.
Quanto a integridade geométrica e dimensional os ensaios mecânicos são
classificados em ensaios destrutivos e não destrutivos. Os ensaios destrutivos
provocam a inutilização parcial ou total dos corpos de prova. São exemplos deste tipo
de ensaio o ensaio de tração, dobramento, impacto, etc. Já os ensaios não destrutivos
não comprometem a utilização do corpo de prova após o ensaio. Pode-se citar como
exemplo de ensaio não destrutivo o ensaio visual, o ensaio de liquido penetrante,
ultrassom, partículas magnéticas, etc.
A classificação em função da velocidade de aplicação da carga pode ser dividida
em ensaios de carga estática, ensaios dinâmicos e ensaios de carga constante. Nos
ensaios de carga estática a carga é aplicada de maneira bem lenta, introduzindo
sucessivos estados de equilíbrio no corpo de prova, caracterizando um processo
quase-estático. São exemplos deste tipo de ensaio o ensaio de tração, dureza,
dobramento, etc. Os ensaios dinâmicos são caracterizados pela aplicação rápida ou
cíclica da carga. Temos como exemplo deste tipo de ensaio o ensaio de fadiga e o de
impacto. Já nos ensaios de carga constante uma carga definida é aplicada por um
longo período. Um exemplo deste ensaio é o ensaio de fluência (DOWLING, 1993).
3.3.1 Ensaio de Tração
O ensaio de tração é um dos principais ensaios destrutivos da engenharia. Ele consiste
na aplicação gradativa da carga de tração em uma direção axial, através da qual é
possível analisar a tensão no material em função da deformação. Atraves deste ensaio
também é possível avaliar pontos importantes relativos ao comportamento do material
quando submetido ao esforço de tração, como, por exemplo, o limite de escoamento, o
17
modulo de elasticidade, a carga de ruptura, entre outras importantes propriedades. A
Figura 6, a seguir mostra a ilustração de um corpo de prova submetido a um ensaio de
tração:
Figura 6 – Desenho esquemático de um corpo de prova submetido à carga de tração
(CALLISTER, 2002).
Os resultados dos ensaios de tração são avaliados através do diagrama
denominado de “Diagrama Tensão X Deformação”, que registra todos os momentos do
ensaio e possui fácil interpretação, conforme mostrado na figura 7.
18
Figura 7 – Diagrama de Tensão x Deformação (CALLISTER, 2002).
3.3.2 Ensaio de Impacto
Os ensaios de impacto são extremamente importantes para se conhecer o
comportamento mecânico de um determinado material quando submetido a um impacto
a uma temperatura conhecida. Sua importância se dá principalmente ao se evitar falhas
catastróficas nos materiais dúcteis, geralmente a baixas temperaturas quando
submetidos a carregamentos de alta velocidade (DIETER, 1986).
No ensaio de impacto, a massa do martelo, a altura inicial e a aceleracao da gravidade
sao conhecidas. A unica variavel desconhecida e a altura final que o martelo adquire
após se chocar com o corpo de prova com entalhe. Esta altura final é relacionada com
a unidade de energia adotada. A figura 8, exibe uma ilustração de como ocorre o
impacto no corpo de prova:
19
Figura 8 – Ilustracao do equipamento utilizado para a realizacao do ensaio (PADILHA,
2000).
A figura 8, acima, é característica do ensaio de Charpy, que se caracteriza pelo
tipo de apoio do corpo de prova na maquina.
Os corpos de prova Charpy compreendem tres subtipos (A, B e C), de acordo
com a forma do entalhe. Os tres tipos de corpos de prova e dos respectivos entalhes
podem ser observados na Figura 9:
Figura 9 – Representacao dos corpos de prova utilizados no ensaio Charpy (PADILHA,
2000).
20
Estes diferentes tipos de forma de entalhe existem para garantir que ocorra a
ruptura dos corpos de provas mesmo nos materiais mais ducteis. E quando a queda do
martelo não provoca a ruptura do corpo de prova , o ensaio deve ser repetido com outro
tipo de corpo de prova , so que com um entalhe mais severo , fazendo com que a
ruptura ocorra (DOWLING, 1993).
O ensaio Charpy foi utilizado, no presente trabalho, para as amostras soldadas
no equipamento mostrado na figura 10.
Figura 10 – Equipamento utilizado para ensaios de Impacto de Charpy
(DOWLING, 1993).
3.3.3 Ensaio de Dobramento
O ensaio de dobramento é muito utilizado pela indústria devido a sua relativa
simplicidade de execução e aos importantes resultados com respeito as propriedades
do material. No ensaio de dobramento o corpo de prova é submetido a uma deformação
plástica por flexão. O corpo de prova é biapoiado nas extremidades e recebe uma carga
21
em seu centro por meio de uma prensa, que provoca a deformação plástica e faz com
que seja atingido o ângulo de dobramento especificado.
A severidade do ensaio aumenta com a redução do diâmetro do cutelo; geralmente
esse diâmetro é função do diâmetro do corpo de prova ou da espessura dele. Outro
parâmetro que determina a severidade do ensaio é o ângulo de dobramento que é
geralmente de 90°, 120° ou 180°.
Embora forneça apenas resultados qualitativos, o ensaio de dobramento é um
meio bastante simples e eficaz para detectar problemas metalúrgicos e de compacidade
que podem afetar o comportamento dos materiais em serviço. Devido a sua relativa
simplicidade, o ensaio de dobramento é largamente utilizado nas indústrias e
laboratórios com o objetivo de verificar a capacidade de deformação dos materiais, na
detecção de defeitos de compacidade e metalúrgicos e para obter valores comparativos
de ductilidade dos materiais. Os parâmetros do ensaio, tais como dimensões do corpo
de prova, distância dos apoios, diâmetro do cutelo, ângulo de dobramento e os critérios
de aceitação são definidos por normas ou códigos de fabricação.
No ensaio de dobramento, um lado do corpo de prova é tracionado enquanto o
lado oposto é comprimido. O corpo de prova pode ser retirado dos produtos acabados
ou pode sero próprio produto, como por exemplo, parafusos, pinos, barras que
apresentem dimensões adequadas para serem colocados na máquina de dobramento.
Para analisar o resultado do ensaio, examina-se a olho nu a zona tracionada do corpo
de prova; para ser aprovado, o corpo de prova não deve conter trincas ou
descontinuidades acima de um determinado valor especificado. O resultado do ensaio é
considerado reprovado se o corpo de prova apresentar estes defeitos ou se romper
antes de atingir o ângulo a especificado (DIETER, 1986).
O ensaio de dobramento pode ser feito segundo três métodos: dobramento livre,
dobramento semiguiado e dobramento guiado. O dobramento livre é realizado de forma
que a força aplicada atua nas extremidades do corpo de prova e não no ponto onde
ocorre o dobramento máximo. O dobramento semiguiado é realizado de tal modo que
uma das extremidades do corpo de prova fica presa e a outra sofre a aplicação de
força; a força também pode ser aplicada em outro local do corpo de prova.
22
O dobramento guiado é feito por meio de rolos de apoio e punção. Para evitar que o
corpo de prova sofra esforços indevidos de tracionamento, o que implicaria maior
severidade do ensaio, deve-se diminuir ao máximo o atrito entre o corpo de prova e os
rolos de apoio, utilizando boa lubríficação. A velocidade do ensaio não constitui um fator
de relevância, desde que o ensaio não seja realizado com uma velocidade
extremamente alta que possa enquadrá-lo em ensaios dinâmicos.
O ensaio de dobramento em corpo de prova soldado pode ser dividido em vários
tipos: dobramento lateral transversal, transversal de face, transversal de raiz,
longitudinal de face e longitudinal de raiz. Os diversos tipos de dobramento são
realizados normalmente para qualificação de soldador e qualificação do procedimento
de soldagem; os respectivos corpos de prova são previstos em normas e códigos de
construção soldada, como por exemplo o código ASME, secção IX; o método utilizado é
o dobramento guiado. Os dispositivos de dobramento utilizados podem compor uma
peça única ou peças separadas. Em ambos os casos, a distância entre os apoios é pré-
determinada em função do diâmetro do cutelo e da espessura do corpo de prova a ser
dobrado. Na execução do ensaio, o corpo de prova é centralizado entre os apoios
enquanto o cutelo é pressionado contra a peça a ser dobrada. Numa junta soldada de
pequena espessura, são retirados corpos de prova para dobramento transversal de
face e de raiz; para espessuras maiores são utilizados corpos de prova para
dobramento lateral transversal. Os dobramentos longitudinais são utilizados como
alternativa para os transversais quando os materiais de base soldados possuem
resistências mecânicas muito diferentes (DOWLING, 1993).
3.3.4 Ensaio de Dureza
Dureza é a propriedade de um material em estado sólido de resistir a ações
mecânica como deformação plástica, penetração ou risco na sua superfície. De uma
maneira geral podemos definir o conceito como sua capacidade de resistir a
deformações permanentes. Essa característica é fortemente relacionada com a força de
ligação entre os átomos de um material.
23
A dureza não é definida por unidades básica como comprimento, massa, volume.
Ela é medida através de procedimentos específicos e graduada de forma distinta em
cada um deles.
Em materiais metálicos a dureza pode ser modificada e manipulada através de
processos de tratamento térmico, deformação mecânica e combinação de materiais.
Maior atenção deve ser dada a dureza de uma junta soldada e, diversos fatores
podem influenciar a mesma, a composição química do metal de base e do metal de
adição, efeitos inerentes ao processo usado para soldagem, tramento térmico,
encruamento. A dureza das zonas afetadas pelo calor e as zonas fundidades, o metal
de base, deve ser avaliada para garantir que não houve perda de ductilidade ou que
tenha ocorrido um comprometimento da junta soldada (DOWLING, 1993).
3.3.4.1 Teste de Dureza Rockwell
Hoje é o processo mais comum e mais amplamente utilizado internacionalmente,
graças a praticidade do ensaio, sendo rápido, fácil de realizar, livre de erros de
julgamento humano, a capacidade de detectar pequenas variações de dureza e pela
marca impressa ser bem reduzida. O ensaio Rockwell utiliza a profundidade e a carga
aplicada para determinar a medida de dureza, não há relação com a área da marca
como na dureza Brinell, nem com as dimensões da marca como na dureza Vickers e
Knoop. O teste de dureza Rockewell pode ser descrito como comum ou superficial, de
acordo com o tipo de penetrador usado (cone de diamante ou esfera de aço,
simultaneamente) e a intensidade de carga e pré-carga aplicadas. O mais utilizado é o
teste comum com cone de diamante para aços temperados.
O método do teste consiste em aplicar em duas etapas, a primeira, definida
como pré carga, para garantir que o penetrador esteja em contato firme com o material
e em seguia é aplicada a carga de ensaio em si. A leitura é feita em um medidor com
mostrador, embutido no equipamento de ensaio, calibrado com uma escala
prédeterminada de acordo com a faixa de dureza aonde a amostra se enquadra. O
valor da escala Rockwell é consequente da profundidade alcançada pelo penetrador,
24
menos a recuperação elástica do material de amostragem após removida a carga maior
e a profundidade alcançada pela aplicação da pré carga.
Figura 11 – Medição da Dureza Rockwell (SOUZA, 2011).
3.3.4.2 Teste de Dureza Brinell
Este teste consiste de pressionar um esfera de aço ou carboneto de tungstênio
(para materiais mais duros) com 10 mm (5, 2,5 ou 30 mm em casos particulares) de
diâmetro com uma carga de 3 toneladas, podendo ser reduzida para 1,5 t ou 0,5 t no
caso de matérias mais macios com fim de evitar uma mossa grande/profunda demais. A
carga é aplicada por 10 a 15 segundos até 30 segundos para metais mais duros. O
ensaio é considerado destrutivo devido ao tamanho da marca que deixa (SOUZA,
2011).
A medição é feita a partir das dimensões da marca formada no material e da carga
aplicada, cujo resultado é estabelecido em duas escalas HB, quando usada a esfera de
aço, e HBw, quando usada a esfera de carboneto de tungstênio. No Brasil, utilizamos a
NBR 6394 para controlar o ensaio.
25
Figura 12 – Medição da Dureza Brinell (SOUZA, 2011).
3.3.4.3 Teste de Dureza Vickers
Ele segue a mesma lógica utilizada pelo ensaio Brinell, ao relacionar área
superficial com carga aplicada, porém o formato do penetrador se altera, nesse caso é
usado um diamente no formato piramidal de base quadrada com 136°de angulação
entre faces opostas (SOUZA, 2011).
A carga é aplicada por 10 a 15 segundos aonde as mediadas dos diâmetros
definidos pela marca do penetrador são utilizadas para realizar a medição de dureza. A
carga utilizada varia com o equipamento usado, porém é usual no ensaio de aço a uso
de 30 kgf. O importante é que a carga aplicada permita que o penetrador deixa marcas
claras para facilitar a medição.
26
Figura 13 – Calculo da Dureza Vickers (SOUZA, 2011).
3.3.4.4 Teste de Dureza Mohs
Pouco utilizado em materiais metálicos, sendo mais aplicado em minerais e
meinérios. É o mais aplicado dos ensaios por risco, possui uma escala de intervalos
não proporcionais contendo 10 minerais padrão, tendo diamante com o extremo
superior, capaz de riscar qualquer outro mineral, e no extremo inferior o silicato de
magnésio, incapaz de riscar qualquer material.
Tabela 3 – Escala Mohs
27
3.3.4.5 Teste de Dureza Shore
É um ensaio de dureza por penetração, usando como parâmetros a profundidade
alcançada, a área da marca deixada e a força aplicada. Também conhecido como teste
por rebote, é utilizado mais comumente para peças grandes, pela portabilidade do
equipamento utilizado. Embora sua utilização seja mais recomendada para ensaio de
materiais macios ele ainda pode ser usado em materiais duros, porém a precisão do
teste é inferior.
Figura 14 – Equipamento digital para medição da Dureza Shore (SOUZA, 2011).
3.3.4.6 Teste de Microdureza Knoop/Vickers
Por vezes, se faz necessário um ensaio localizado, visando avaliar a dureza de
área pontuais do material, como em casos que o material apresenta áreas de diferentes
propriedades, como se apresenta o material após tratementos térmicos, superfícies
cementadas e processos que alteram a estrutura metalográfica heterogênamente. Um
teste localizado exite um equipamente mais preciso, com penetradores muito reduzidos
e cargas mais delicadas.
Os dois testes utilizados para medir microdureza são Vickers e Knoop. No ensaio
de microdureza Vickers se realiza o teste de maneira bem semelhante ao teste de
dureza Vickers, é necessário um cuidado maior, calibrando cuidadosamente a carga
aplicada, tratando a superfície a ser ensaiada. O pentrador é análogo. Embora Knoop
seja bem parecido com Vickers, suas diferenças são imporantes para a aplicação
diferenciada do mesmo. O penetrador tem um formado de pirâmide alongada, deixando
28
um marca de formato losangular aonde uma diagonal é 7 vezes maior que a outra, isso
permite uma impressão seis vezes menor que a Vicker e com uma profundidade menor
que a metade, oque torna Knoop o ensaio ideal para materiais frágeis como vidro ou
amostras finas como películas de tinta (SOUZA, 2011).
Figura 15 – Penetradores utilizados para microdureza (SOUZA, 2011).
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1.1 Metal Base
No presente trabalho foram utilizados corpos de prova com 6,5X150X150mm do
material ASTM A 36 (aço de baixo carbono) com os chanfros em duplo V. A
composição química do aço utilizado pode ser verificada na tabela abaixo:
Tabela 4 - Composição Quimica do Aço ASTM A36
Elementos C Si P S Mn Cu
Aço A 36 0,25 0,4 0,04 0,05 0,80-
1,20
0,2
29
4.1.2 Metal de Adição
O metal de adição utilizado foi o eletrodo revestido E 7018-1 de 3,2mm de
diâmetro do fabricante ESAB e marca comercial OK AUTROD 12.51. No final da
dissertação é apresentado o Anexo 1, que é o certificado de qualidade do consumível
utilizado, com suas respectivas propriedades mecânicas e composição química.
4.2. Preparação dos corpos de prova
Os corpos de prova foram preparados na Metalúrgica Ferforma. Primeiramente
foi separada e traçada uma chapa do material ASTM A 36 com as dimensões do corpo
de prova. Em seguida as chapas foram cortadas, chanfradas em duplo V e realizado o
esmerilhamento de acabamento. As chapas acabadas foram montadas e posicionadas
para a soldagem nas posições plana, horizontal e sobrecabeça conforme mostrado nas
figuras 16, 17 e 18, respectivamente.
Figura 16 - Posicionamento do corpo de prova na posição plana.
30
Figura 17 - Posicionamento do corpo de prova na posição horizontal.
Figura 18 - Posicionamento do corpo de prova na posição sobrecabeça.
31
4.3 Soldagem dos corpos de prova
A soldagem dos corpos de prova através do processo eletrodo revestido, assim
como os ensaios mecânicos, foram realizados na EBSE. Para a execução da mesma,
além da seleção de um soldador capacitado para tal processo, foi necessário definir os
parâmetros de soldagem para o prévio ajuste da máquina de solda.
4.3.1 Posição plana
Para a soldagem na posição plana foram utilizados os seguintes parâmetros:
Amperagem (A) = 119~113
Voltagem (V) = 22~25
Velocidade (Cm/Min) = 15~17
A soldagem foi realizada em 02 passes únicos, devido ao maior preenchimento gerado
por passe nesta posição conforme mostrado na figura 19.
Figura 19 - Soldagem na posição plana.
32
4.3.2 Posição horizontal
Para a soldagem na posição horizontal foram utilizados os seguintes parâmetros:
Amperagem (A) = 119~120
Voltagem (V) = 22~25
Velocidade (Cm/Min) = 20~28
A soldagem foi realizada em 05 passes multipos para o preenchimento completo da
junta (figura 20).
Figura 20 - Soldagem na posição horizontal.
33
4.3.3 Posição sobrecabeça
Para a soldagem na posição sobrecabeça foram utilizados os seguintes
parâmetros:
Amperagem (A) = 115~119
Voltagem (V) = 23~25
Velocidade (Cm/Min) = 21~22
A soldagem foi realizada em 03 passes multipos para o preenchimento completo da
junta conforme mostrado na figura 21.
Figura 21 - Soldagem na posição sobrecabeça.
4.4 Inspeção visual e por liquido penetrante das soldas
As soldas de todos os 03 corpos de prova foram inspecionadas visualmente para
garantir que nenhum defeito visível passe despercebido, garantindo assim o
34
acabamento superficial das soldas. Todos foram aprovados sem ressalvas. O laudo do
ensaio é mostrado no Anexo 2.
Após o ensaio visual de solda, foi realizado o ensaio por liquido penetrante para
garantir a não existência de defeitos superficiais que possam impactar nos resultados
dos ensaios mecânicos. Para a realização deste ensaio foram utilizados o liquido
penetrante, o revelador e o removedor da marca Metal Check. A seguir, as figuras de
22 a 27 mostram os corpos de prova ensaiados: Amostra na posição plana, horizontal e
sobrecabeça, respectivamente para os lados A e B. Novamente todas as amostras
foram aprovadas.
Figura 22 – LP lado A da posição plana.
Figura 23 - LP lado A posição horizontal.
35
Figura 24 - LP lado A posição sobrecabeça.
Figura 25 - LP lado B posição plana.
36
Figura 26 - LP lado B posição horizontal.
Figura 27 - LP lado B posição sobrecabeça.
4.5 Corte e Usinagem das Amostras
Os corpos de prova foram cortados e usinados estrategicamente conforme as
dimensões padronizadas pelas normas internacionais ASME VII DIV I, ASME VIII DIV I,
ASME IX, ASTM A370 e ASTM E140. Tanto o corte quanto a usinagem foram
realizados com os maquinários da EBSE. As figuras 28 e 29 mostram o processo do
corte.
37
Figura 28 - Processo de corte.
Figura 29 - Amostras cortadas.
38
A figura 30, a seguir, exibe amostras e corpos de prova preparados.
Figura 30 - Amostras preparadas.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1.1 Ensaio de Tração da Amostra Soldada na Posição Plana
O ensaio de tração foi realizado seguindo o procedimento da norma ASTM A370,
a temperatura ambiente e com o corpo de prova posicionado transversalmente a solda.
A figura 31 exibe a máquina de tração, onde foram realizados os ensaios.
39
Figura 31 - Maquina de ensaio de tração utilizada.
A figura 32, a seguir, mostra um detalhe de um corpo de prova soldado na
posição plana, preso à maquina de tração, sendo ensaiado:
Figura 32 – Ensaio de tração da amostra soldada na posição plana.
40
O gráfico da figura 33, abaixo, mostra o resultado do ensaio de tração, da
amostra da figura 32 que é a curva de tensão versus
deformação.
Figura 33 – Gráfico do Ensaio de Tensão x Deformação da Amostra Sodada na Posição
Plana.
No que se refere ao resultado desse ensaio do gráfico da figura 32, é importante
destacar o limite de escoamento de 311 MPa e o limite de resistência de 515 MPa e o
alongamento de 33 %.
41
5.1.2 Ensaio de Tração da Amostra Soldada na Posição Horizontal
São apresentados, a seguir, os resultados referentes à amostra soldadas na
posição horizontal. A figura 34, exibe o detalhe do ensaio desse corpo de prova sendo ensaiado na máquina de tração.
Figura 34 – Ensaio de tração da amostra soldada na posição horizontal.
O resultado do ensaio da figura 34 é mostrado no gráfico da figura 35. O gráfico
dessa figura mostra que os limites de escoamento e a resistência, para o corpo de prova extraído da amostra soldada, na posição horizontal foi de 280 MPa e 491 MPa, respectivamente e o alongamento de 34,8 %.
42
Figura 35 – Gráfico do Ensaio de Tensão x Deformação da Amostra Sodada na Posição
Horizontal.
5.1.3 Ensaio de Tração da Amostra Soldada na Posição Sobrecabeça
Os resultados referentes à amostra soldada na posição sobrecabeça são
apresentados a seguir. A figura 36 mostra a amostra sendo ensaiada, na máquina de
tração.
43
Figura 36 – Ensaio de tração da amostra soldada na posição sobrecabeça.
O gráfico da figura 37, a seguir, mostra a curva de tensão deformação obtida do
ensaio de tração. Para a posição sobre-cabeça, surpreendentemente, os valores de
tensão do limite de escoamento e limite de resistência foram 358 MPa e 509 MPa,
respectivamente, e o alongamento foi de 52, 2 %.
44
Figura 37 – Gráfico do Ensaio de Tensão x Deformação da Amostra Sodada na Posição
Sobrecabeça.
5.2 Ensaio Charpy
Os ensaios de impacto realizados foram do tipo Charpy. Eles foram realizados
conforme a norma ASTM A370. Primeiramente as amostras foram resfriadas a
temperatura de – 33 graus celsius e em seguida foram biapoiadas e submetidas a um
impacto na posição oposta à seu entalhe. Desta forma a energia absorvida pelas
amostras foi medida em Joules (J).
45
Figura 38 – Resfriamento das amostras para o ensaio de impacto.
Figura 39 – Amostras utilizadas no ensaio tipo Charpy.
46
Os resultados dos ensaios de Charpy para os tres corpos de prova, soldados nas
posições Plana, Horizontal e Sobre-Cabeça são mostrados nas tabelas a seguir: A
tabela 5 mostra os resultados obtidos para o corpo de prova soldado na posição plana.
Tabela 5 - Resultados do Ensaio de Charpy Obtidos para a Soldagem Feita na Posição
Plana
CP ENTALHE DIMENSÃO ENERGIA ABSORVIDA
(J)
ENERGIA CONVERTIDA PARA PADRÃO CP
10X10 (J)
EXPANSÃO LATERAL
(mm)
AREA DE FRATURA
DÚCTIL (%)
1 2 3
CENTRO DA SOLDA
KV2 3,3 X 10
30 31 28
91 94 85
1,51 1,54 1,23
85% 85% 85%
Média de energia absorvida = 30 J
Média de energia absorvida convertida = 90 J
A tabela 6 mostra os resultados obtidos para o corpo de prova soldado na posição
horizontal.
Tabela 6 - Resultados do Ensaio de Charpy Obtidos para a Soldagem Feita na Posição
Horizontal.
CP ENTALHE DIMENSÃO ENERGIA ABSORVIDA
(J)
ENERGIA CONVERTIDA PARA PADRÃO CP
10X10 (J)
EXPANSÃO LATERAL
(mm)
AREA DE FRATURA
DÚCTIL (%)
1 2 3
CENTRO DA SOLDA
KV2 3,3 X 10
36 33 31
109 100 94
1,02 1,40 1,20
85% 85% 85%
Média de energia absorvida = 34 J Média de energia absorvida convertida = 101 J A tabela 7 mostra os resultados obtidos para o corpo de prova soldado na posição sobrecabeça.
47
Tabela 7 - Resultados do Ensaio de Charpy Obtidos para a Soldagem Feita na Posição Sobrecabeça.
CP ENTALHE DIMENSÃO ENERGIA ABSORVIDA
(J)
ENERGIA CONVERTIDA PARA PADRÃO CP
10X10 (J)
EXPANSÃO LATERAL
(mm)
AREA DE FRATURA
DÚCTIL (%)
1 2 3
CENTRO DA SOLDA
KV2 3,3 X 10
28 32 19
85 97 56
1,30 1,30 0,95
85% 85% 85%
Média de energia absorvida = 26 J Média de energia absorvida convertida = 79 J
5.3 Ensaio de Dobramento
Os ensaios de dobramento foram realizados conforme a norma ASTM A370,
conforme mostrado nas figuras 40 e 41. De acordo com a norma, evidenciar o
surgimento de trincas e outros defeitos, foram feitos ataques com Nital 10%, nas zonas
de interesse.
Figura 40 – Inicialização do ensaio de dobramento.
48
Figura 41 – Ensaio de dobramento das 03 amostras.
As figuras de 42 a 44 mostram as imagens das amostras, de cada uma das
posições de soldagem, após o procedimento do ensaio. Segundo a norma ASTM A370,
para que a amostra seja considerada aprovada, esta não pode apresentar trincas ou
defeitos superiores a 3,0 mm, em qualquer direção. São desconsideradas as trincas
que podem surgir nas arestas menores, que podem chegar a até, no máximo, 6,4 mm.
A figura 42 exibe a amostra submetida ao teste de dobramento, que foi soldada
na posição plana. O Laudo deu o teste como Aprovado, pois, a mesma não apresentou
descontinuidades que ultrapassam o limite de tolerância.
Figura 42 – Amostra soldada na posição plana após o ensaio de dobramento.
49
A figura 43, a seguir, mostra o corpo prova ensaiado, que foi soldado na posição
horizontal. O Laudo, dado como Aprovado, mostrou também que essa amostra não
possui descontinuidades, pois, também estas não ultrapassam o limite de tolerância.
Figura 43 – Amostra soldada na posição horizontal após o ensaio de dobramento.
A figura 44 mostra o corpo de prova ensaiado, que foi soldado na posição
SobreCabeça. Essa amostra foi reprovada pelo Laudo. Os resultados mostraram que as
descontinuidades ultrapassaram as dimensões do limite de tolerância. Vale lembrar que
a posição sobre-cabeça é uma posição difícil para ser soldada e deve ser executada
por soldador super experiente, para que esses defeitos sejam minimizados.
Figura 44 – Amostra soldada na posição sobrecabeça após o ensaio de dobramento
50
5.4 Ensaio de Dureza Vickers.
O ensaio de dureza executado foi o de Dureza Vickers, seguindo a norma ASTM
E140. Para a execução deste ensaio foi utilizado o Durômetro de Bancada da marca
WPM. As figuras de 45 a 47, a seguir, ilustram, os procedimentos, indicando os locais
das medições, para cada uma das 3 amostras soldadas.
5.4.1 Ensaio de Dureza na Amostra Soldada na Posição Plana
A figura 45, mostra que as medições foram feitas no cordão superior e inferior da
amostra soldada na posição plana. Essas medições foram feitas no metal de base, e na
zona fundida. Observar que na zona termicamente afetada (ZTA) teve-se o cuidado de
se fazer medições muito próximas, pois, a mudança da microestrutura nessa zona varia
muito entre a o MB e a ZF.
Figura 45 – Pontos de medição de dureza para a amostra soldada na posição plana.
51
5.4.2 Ensaio de Dureza na Amostra Soldada na Posição Horizontal
A figura 46 mostra as medidas de dureza Vickers feita nos dois cordões da
amostra soldada na posição horizontal. Nota-se mesmo cuidado que se teve ao se
fazer as medidas de dureza da amostra anterior.
Figura 46 – Pontos de medição de dureza para a amostra soldada na posição
horizontal.
5.4.3 Ensaio de Dureza na Amostra Soldada na Posição Sobrecabeça
A figura 47, a seguir, mostra as medições feitas na amostra soldada
sobrecabeça. As medidas foram executadas nos mesmos locais das duas amostras
anteriores.
52
Figura 47 – Pontos de medição de dureza para a amostra soldada na posição
sobrecabeça.
5.5 Exame Macrografico
Para o exame macrográfico, as amostras foram retiradas da peça soldada por
corte com disco refrigerado. A superfície foi atacada com solução de Nital 10%, para
limpeza. As figuras de 48 a 50 mostram as imagens da seção transversal de cada uma
das 3 amostras. A figura 48 mostra a imagem da amostra que foi soldada na posição
plana. Nessa amostra não foram observadas descontinuidades tais como: trincas, falta
de fusão, bem como, outras indicações lineares.
53
Figura 48 – Macrografia da amostra soldada na posição plana
Na figura 49, pode ser visualizada a imagem da amostra que foi soldada na
posição horizontal. Para essa amostra também não foram observadas
descontinuidades como: trincas, falta de fusão, mordedura e outras indicações lineares.
Figura 49 – Macrografia da amostra soldada na posição horizontal.
A seguir, a figura 50, exibe a imagem da amostra soldada sobrecabeça que,
como nas duas amostras anteriores, as mesmas descontinuidades e indicações
lineares não foram observadas.
54
Figura 50 – Macrografia da amostra soldada na posição sobrecabeça.
Os resultados de todos os ensaios realizados no presente trabalho são
sumarizados na Tabela 8. Esses resultados, bem definidos, permitiram se fazer uma
comparação destes para cada uma das posições de soldagem.
Tabela 8 – Comparativo dos resultados dos ensaios realizados por posição de
soldagem
Posição Plana Posição Horizontal Posição Sobrecabeça
Visual de Solda APROVADO APROVADO APROVADO
Liquido Penetrante APROVADO APROVADO APROVADO
Tração - L. escoamento (Mpa) 311 280 358
Tração - L.resistência (Mpa) 515 491 509
Tração- alongamento (Mpa) 33% 34,80% 52,20%
Dobramento APROVADO APROVADO REPROVADO
Impacto – Média (J) 90 101 79
Macrografia APROVADO APROVADO APROVADO
Dureza Máxima (HV) 193 194 215
Dureza Média (HV) 156 156 169
A partir dos comparativos da tabela 8, foi possível se concluir, de um ponto de
vista geral, que a amostra soldada na posição plana apresentou um melhor conjunto de
propriedades mecânicas. Por outro lado, foi possível também se verificar que a amostra
soldada na posição sobre-cabeça, demonstrou ter apresentado melhor resultado no
ensaio de tração. Além disso, outro ponto importante a ser ressaltado foi o relativo
55
baixo desempenho da amostra soldada na posição sobre-cabeça no ensaio de impacto
(Charpy). Foi também importante se observar a sua reprovação no ensaio de
dobramento e a elevada dureza apresentada, através do ensaio de Dureza Vickers, a
que foi submetida.
6. CONCLUSÃO
No que ser refere às propriedades mecânicas, de juntas soldadas do Aço ASTM
A36, objetivo principal deste trabalho, no aspecto geral, a posição plana é a melhor
posição para a soldagem através do processo eletrodo revestido. Portanto, sempre que
possível, as peças a serem soldadas devem ser posicionadas de modo a proporcionar
a soldagem nesta posição. Na falta da possibilidade da soldagem na posição plana, a
posição horizontal, apesar de ter apresentado uma menor resistência mecânica no
ensaio de tração, passa a se tornar a melhor opção.
Deve-se evitar ao máximo a soldagem na posição sobrecabeça, principalmente
em casos onde a obra possui requisitos de impacto ou limitação de dureza. Nesta
posição a possibilidade de descontinuidades e mordeduras aumenta significativamente.
Quando a soldagem na posição sobrecabeça for inevitável deve-se selecidonar um
soldador habilidoso para tal posição e utilizar ensaios não destrutivos para análise da
qualidade da solda.
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7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Comparar as propriedades mecânicas de chapas soldadas com diferentes
geometrias de chanfros;
Comparar as propriedades mecânicas de chapas soldadas em diferentes
processos de soldagem;
Comparar as propriedades mecânicas de chapas com diferentes
tratamentos térmicos;
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8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E140 12be1: Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, Scleroscope Hardness, and Leeb Hardness. Pensilvânia, USA, 2002. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM A370-16: Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. Pensilvânia, USA, 2013. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Boiler and pressure vessel code, section VIII, division 1,2 and 3. New York, 2004. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Boiler and pressure vessel code, section VII, division 1. New York, 2015. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Boiler and pressure vessel code, section IX. New York, 2015. ASKELAND, R. R., WRIGHT, W. J., ciência e engenharia dos materiais, CENGAGE Learning Edições Ltda, 2ª edição Brasileira, 2015. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO/IEC 17025: Requisitos Gerais para Competência de Laboratórios de Ensaio e Calibração. Rio de Janeiro, ABNT, 2005. CALLISTER JR, WILLIAM D., Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. Editora LTC, 5. Edição, Rio de Janeiro, 2002. CHIAVERINI, V., Aços e Ferros Fundidosi, ABM, 6ª edição, São Paulo, 1988 DOWLING, G.E, Mechanical Behavior of Materials, Prentice Hall. Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, 1993. DIETER, G.E., Mechanical Metallurgy, 3rd. Edition, McGraw Hill Book Co. New York, 1986. DE SOUZA, B. F. APOSTILA METALURGIA - SENAI NIQUELÂNDIA, 2011. DOS SANTOS, R. A. Influencia da Força Pos Dobra e da Geometria da Ferramenta no Retorno Elastico em Processos de Dobramento de Aços de Alta Resistencia Curitiba, (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal do Paraná, 2013.
58
FREIRE, CARLOS. Proteção contra corrosão. Lisboa, Portugal. Jun 2011 LANCASTER, J.F., Handbook of Structural Welding, McGraw Hill Book Co., New York, 1992. MARQUES, P.V., MODENESI, P.J, BRACARENCE, A. Q. “Soldagem- Fundamentos e Tecnologia”. Ed UFMG, 3ª Ed. 2009 MODENESI, P.J. et al. (1983)Transferência de Metal de Adição na Soldagem com Eletrodos Revestidos PADILHA, A.F. Materiais de Engenharia. Hemus Editora Limitada, São Paulo, 343 páginas (Edição Eletrônica: http://200.196.67.147/ieditora/livro.cfm?p=94&afID=26/), 2000. PATTON, W. J.. The Science and Practice of Welding. Prentice Hall. NY. 1967. REED-HILL, R.E., Princípios de Metalurgia Física, Ed. Guanabara Dois, 2a. edição, 1.982. SHAKELFORD, J. F., Ciência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, 6a edição, 2008. Tecnologia de Soldagem-84 [Proc. Conf.], Associação Brasileira de Soldagem, Vitória, p. 285-296. The ESAB Filler Metal Technology Course – ESAB Welding and Cutting Products, 2000. VAN VLACK, LARENCE H.: Princípio de ciências e tecnologia dos materiais. 4º Edição, Rio de Janeiro, Campus, 1984.
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ANEXOS Anexo 1
60
Anexo 2
