ESTUDO DAS INCLUSÕES NÃO-METÁLICAS FORMADAS NO … · Em cada ensaio foi depositado um cordão de solda por arco submerso (bead on plate), ... Arame sólido 0,15 1,4-1,8 0,80-1,15

ESTUDO DAS INCLUSÕES NÃO-METÁLICAS FORMADAS NO METAL DE SOLDA DEPOSITADO POR ARCO SUBMERSO

M. R. V. de Araújo, A. A. C. Asselli, W. J. Yamakami, R. C. Tokimatsu,

V. A. Ventrella e J. Gallego

Caixa Postal 31 – Ilha Solteira, SP – CEP 15.385-000 – [email protected]

MAPROTEC - Departamento de Engenharia Mecânica – UNESP/Ilha Solteira

RESUMO Durante a soldagem por arco submerso o metal de solda é isolado por uma camada

de fluxo granulado, responsável pela proteção química contra a oxidação e controle

de composição química e da microestrutura do metal de solda. No presente trabalho

foi realizado um estudo sobre a influência das inclusões formadas em cordões de

solda depositados em chapas de aço estrutural, tidas como as principais

responsáveis pela formação da ferrita acicular. Nos ensaios de soldagem a energia

aplicada variou entre 1,0 a 3,3 kJ/mm. A distribuição de inclusões nas amostras foi

caracterizada por microscopia ótica e eletrônica (MET), equipada com microanálise.

A investigação mostrou que a distribuição de tamanhos das inclusões foi afetada

pela energia de soldagem e que partículas com tamanho submicrométrico atuaram

na nucleação da ferrita acicular, considerado o principal microconstituinte nas

amostras observadas.

Palavras-chave: soldagem arco submerso, inclusões, metal de solda, metalografia. INTRODUÇÃO O processo de soldagem por arco submerso é utilizado em larga escala em

importantes setores industriais, como as indústrias de estruturas metálicas e a

construção naval, devido a sua versatilidade e produtividade. Nele a proteção

química da poça de fusão se dá através de uma camada de fluxo granulado, que

também pode contribuir para a formação de inclusões não metálicas e no ajuste da

composição química do cordão soldado.

17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

5318

As propriedades mecânicas do metal de solda dependem da sua

microestrutura. Diversos trabalhos (1-3) indicam que a formação da ferrita acicular

constitui o melhor balanço entre a resistência mecânica e a tenacidade do cordão de

solda. Entretanto, a nucleação desta fase mostrou ser dependente da presença de

uma dispersão de inclusões não metálicas, cuja formação ainda na poça de fusão

torna a morfologia e a composição química destas partículas bastante variáveis. No

presente trabalho foi realizado uma caracterização das inclusões por microscopia

ótica e eletrônica de transmissão, onde foram avaliadas a distribuição de tamanhos

e outros parâmetros quantitativos a respeito destas partículas. Verificou-se que as

inclusões foram afetadas pelo ciclo térmico de soldagem e que as mesmas atuaram

como substratos para a formação da ferrita acicular encontrada no metal de solda.

MATERIAIS E MÉTODOS Em cada ensaio foi depositado um cordão de solda por arco submerso (bead

on plate), no qual foi empregada uma energia de soldagem entre 1,0 a 3,3kJ/mm.

Objetivando alterar a dispersão de inclusões no metal de solda foram usados

alumina, zircônia e zirconita através da deposição de uma fina camada da emulsão

feita com etanol, que foi queimado logo após a sua aplicação. Pedaços da barra

também foram mantidos sem a aplicação de aditivos e foram usados como

referência. Para a proteção da poça de fusão foi empregado um fluxo granulado

ativo, cuja especificação equivale à AWS F7AZ-EM12K. A Tabela 1 apresenta a

composição química nominal dos aços usados no trabalho.

Tabela 1: Composição química nominal do metal base e do arame (% peso).

Material C (máx.) Mn Si P (máx.) S (máx.) Cu (máx.)Metal base 0,25 0,8-1,2 0,15-0,40 0,04 0,05 0,20

Arame sólido 0,15 1,4-1,8 0,80-1,15 0,02 0,03 0,50

Após a soldagem os cordões foram cortados em pequenos pedaços com disco

abrasivo refrigerado, seguindo-se então o embutimento das amostras do metal de

solda em uma resina com cura a frio. A preparação metalográfica da superfície

transversal do cordão foi realizada na maneira convencional, com o lixamento até a

grana #1200 seguido de polimento mecânico com alumina 1µm. A observação e a

documentação das inclusões não metálicas foram feitas com as amostras na


5319

condição polida. A revelação da microestrutura com nital 2% permitiu identificar os

microconstituintes existentes no metal de solda. Aspectos quantitativos relativos às

distribuições de inclusões (2) e a fração volumétrica (4) dos microconstituintes foram

determinados a partir de micrografias digitais tiradas em 25 campos contíguos

distintos, onde foi usada uma câmera digital com resolução de 3 megapixels

acoplada ao microscópio ótico. Com o auxílio do freeware Image Tool (5) foram

analisadas estatisticamente um número de inclusões superior a 1000 para cada

amostra, sendo contados 2700 pontos para avaliar a fração volumétrica dos

microconstituintes encontrados em cada condição de soldagem.

Microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi utilizada para a visualização

de detalhes da microestrutura com tamanho inferior a 0,5µm, os quais não podem

ser resolvidos por microscopia ótica. Amostras preparadas para microscopia

eletrônica de transmissão foram extraídas de cilindros usinados com 3mm de

diâmetro, cortados e cuidadosamente lixados até uma espessura de 50µm. Para

obtenção de lâminas finas os discos foram polidos eletroliticamente usando uma

solução de ácido acético com 5% de ácido perclórico resfriado a 15°C, sob tensão

de 41 volts. A análise química de inclusões foi realizada com uma microanálise EDS

acoplada ao MET, operado com feixe de elétrons acelerado a 120 kV.

RESULTADOS E DISCUSSÃO DISPERSÃO DE INCLUSÕES NO METAL DE SOLDA

A observação de uma área polida com aproximadamente 1,8mm2 na região

central da zona fundida dos cordões de solda permitiu identificar e caracterizar a

dispersão de inclusões com morfologia globular, como mostra a Figura 1.

A classificação dos tamanhos das inclusões encontradas no metal de solda das

diferentes amostras preparadas para microscopia ótica é apresentada graficamente

nos histogramas da Figura 2. Essas curvas mostram que a variação dos tamanhos

das inclusões pode ser interpretada como uma distribuição do tipo “log-normal” (6),

confirmada pela análise estatística dessas curvas que revelou nas mesmas um

coeficiente de assimetria positiva, que variou entre 0,4 a 13,0. O grau de curtose ou

de achatamento das distribuições variou entre 3,2 a 9,0 – valores típicos para

distribuições leptocúrticas, onde a frequência modal é bastante pronunciada. A

análise de variância feita com um nível de significância de 5% indicou que não


5320

houve um efeito significativo resultante da aplicação dos aditivos sobre a distribuição

dos tamanhos das inclusões não metálicas observadas (7).

1 kJ/mm 2 kJ/mm 3 kJ/mm

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h) (i)

(j) (k) (l)

Figura 1: Exemplos típicos da dispersão de inclusões observadas no metal de

solda depositado sem aditivo (a-c), aditivado com alumina (d-f), zircônia (g-i) e

zirconita (j-l), sob diferentes energias de soldagem (1; 2 e 3kJ/mm). Sem ataque.


5321

1 kJ/mm 2 kJ/mm 3 kJ/mm

5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].

Tamanho da inclusão [µm].

sem aditivoEnergia de soldagem 1,0 kJ/mm

5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].Tamanho da inclusão [µm].


5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].



(a) (b) (c)

5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].


aditivo: aluminaEnergia de soldagem 1,0 kJ/mm

5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].



5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].



(d) (e) (f)

5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].


aditivo: zircôniaEnergia de soldagem 1,0 kJ/mm

5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].



5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].



(g) (h) (i)

5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].


aditivo: zirconitaenergia de soldagem 1,0 kJ/mm

5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].



5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

Freq

uênc

ia re

lativ

a [%

].



(j) (k) (l)

Figura 2: Distribuição de freqüência dos tamanhos das inclusões existentes no

metal de solda depositado sem aditivo (a-c), aditivado com alumina (d-f), zircônia (g-

i) e zirconita (j-l), sob diferentes energias de soldagem (1; 2 e 3kJ/mm).

O processamento digital das imagens contendo inclusões permitiu determinar

uma série de indicadores quantitativos sobre as mesmas, como os valores médios e

o correspondente desvio padrão de parâmetros como o tamanho ou diâmetro


5322

equivalente d, o número de inclusões por área NA, densidade de partículas por

volume NV e a fração volumétrica VV , determinadas respectivamente pelas equações

(A) a (D) apresentadas a seguir (2):

πinclusão) da (área 4 ⋅=d (A)

analisada) total(áreaanalisada) totalárea na observadas inclusões de (número=AN (B)

dNN A

V = (C)

3)(

6dNV VV ⋅⋅= π (D)

Os resultados obtidos com a caracterização realizada por microscopia ótica

podem ser vistos graficamente na Figura 3 e mostram conformidade com estudos

semelhantes realizados por outros pesquisadores (8-9). Verificou-se que o acréscimo

da energia de soldagem promoveu um aumento no número de inclusões formadas

na poça de fusão, embora as mesmas tenham sofrido uma redução em seu tamanho

médio como mostrado na Fig. 3(a). Esse efeito do processo de soldagem sobre o

tamanho mostrou ser bem ajustado por uma regressão linear, cujo coeficiente de

correlação foi estimado em 0,93.

É bem possível que tenha havido uma permanência mais prolongada da poça

de fusão em temperaturas mais elevadas com o incremento do calor usado na

soldagem. Este comportamento pode ser associado à taxa de resfriamento da poça

de fusão que teria sido pouco afetada, pois o metal base possuía uma espessura

padrão. Assim sendo a nucleação teria sido favorecida, em detrimento ao

crescimento das inclusões no seio do aço fundido. As Figuras 3(b) e (c) mostram

que a variação da densidade de inclusões, expressas por NA e NV respectivamente,

tiveram um comportamento linear também bem ajustado. A variação da fração

volumétrica VV com o aumento da energia de soldagem, Figura 3(d), foi considerada

estatisticamente desprezível. A literatura indica que a quantidade de inclusões é

afetada essencialmente pela composição química, particularmente do oxigênio em

solução no metal fundido (1-2). Tal resultado sugere que a introdução de uma


5323

quantidade maior de oxigênio ao metal de solda tenha sido impedida pelo fluxo, cujo

comportamento manteve-se estável nos ensaios de soldagem realizados.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

tam

anho

méd

io d

as in

clus

ões

d [µ

m]

energia de soldagem [kJ/mm]

R2 = 0,93

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0100

1000

10000

núm

ero

de in

clus

ões

NA [m

m-2]


R2 = 0,85

(a) (b)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

105

106

107

núm

ero

de in

clus

ões

NV [m

m-3]


R2 = 0,91

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

fraçã

o vo

lum

étric

a da

s in

clus

ões

VV


(c) (d) Figura 3: Variação de parâmetros relativos à distribuição de inclusões. (a)

tamanho médio; (b) número de inclusões por unidade de área observada; (c) número

de inclusões por unidade de volume e (d) fração volumétrica.

A observação de lâminas finas no MET permitiu identificar inclusões cujo

tamanho variou normalmente entre 0,1 a 1µm, como mostram os exemplares da

Figura 4. As partículas mostraram possuir um aspecto preponderantemente globular

com, entretanto, superfícies facetadas. Esses detalhes sobre a superfície poderiam

explicar porque algumas inclusões teriam servido de substrato para a nucleação da

ferrita acicular, enquanto outras seriam inertes e foram totalmente envolvidas pela

matriz. Inclusões com comportamento semelhante a este foram detalhadas por Lee

e colaboradores (10), em seu estudo sobre o efeito destas partículas sobre a

nucleação do microconstituinte acicular no metal de solda.


5324

Figura 4: Micrografias MET mostrando inclusões e agulhas de ferrita acicular

encontradas no metal de solda depositado com 1 (a) e 3 kJ/mm (b).

Bott e Rios(11) apontam que inclusões não metálicas com tamanho

submicrométrico podem constituir um poderoso sítio preferencial para a nucleação

da ferrita acicular. Combinando-se este efeito morfológico com a natureza química

destas partículas pode-se afetar a quantidade deste microconstituinte no metal de

solda. A Figura 5 apresenta uma região na qual o número de agulhas de ferrita

acicular que foram formadas a partir das inclusões não metálicas existentes mostrou

variar entre dois a cinco. Devido a grande espessura dessas partículas não foi

possível realizar a sua análise por difração de elétrons, mas a espectroscopia de


5325

energia dispersiva dos elétrons (EDS) mostrou que as mesmas eram compostas

principalmente por manganês, silício e alumínio, cujos teores aproximados foram

40%, 28% e 10% respectivamente. A ausência de enxofre nos espectros obtidos

sugere que as partículas seriam óxidos ou silicatos complexos típicos de solda (1). A

presença de titânio foi verificada apenas em algumas inclusões analisadas.

(a) (b)

Figura 5: Micrografia MET mostrando em (a) diversas agulhas de ferrita

acicular que foram nucleadas a partir de inclusões, sendo a microanálise EDS

daquela indicada pela seta mostrada em (b).

MICROESTRUTURA DO METAL DE SOLDA A microestrutura observada na região da zona fundida das amostras foi

constituída principalmente por ferrita acicular (AF) circundada com grãos de ferrita

primária de contorno de grão (PF(G)). Raramente um outro microconstituinte, a

ferrita com segunda fase alinhada – FS(A), também foi identificado (2). A identificação

das inclusões não metálicas sobre a superfície da amostra também foi possível,

apesar do seu contraste ter sido prejudicado com o ataque metalográfico. O aspecto

e a fração volumétrica dos principais microconstituintes são apresentados na Fig. 6.

Pela caracterização da microestrutura do metal de solda feita na Figura 6(b)

ficou evidente que a ferrita acicular foi o microconstituinte preponderante - entre 50 a

62%. A participação da ferrita primária, seja de contorno de grão PF(G) ou

intragranular PF(I), foi significativa mas menor. A análise quantitativa estimou entre

15 a 23% da fração volumétrica constituída por PF(G), enquanto estes valores

caíram entre 7 a 10% para PF(I). A ferrita com segunda fase alinhada FS foi


5326

identificada muito raramente nas amostras observadas, constituindo uma fração

volumétrica que atingiu no máximo 2%. Estes valores mostram boa conformidade

com estudos semelhantes apresentados na literatura (8,12).

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 AF PF(G) PF(I) FS outros

fraçã

o vo

lum

étric

a do

mic

roco

nstit

uint

e [%

]energia de soldagem [kJ/mm]

(a) (b) Figura 6: (a) Detalhe da microestrutura do metal de solda apresentando as

diferentes morfologias da ferrita observadas. Ataque: nital 2%. (b) variação da fração

volumétrica dos diversos microconstituintes encontrados no metal de solda.

A microestrutura do metal de solda se desenvolve a partir da transformação da

austenita, sendo afetada tanto pelos parâmetros usados na soldagem por arco

submerso quanto pela composição química resultante da diluição. Tais interações

promovem uma microestrutura da zona fundida complexa, normalmente constituída

por diferentes morfologias da ferrita. A ferrita primária PF(G) tem a sua formação

iniciada com pequenos superesfriamentos em relação à temperatura A3, sendo

nucleada heterogeneamente sobre os contornos de grão da austenita prévia. A

ferrita primária tem o seu crescimento controlado pela difusão do carbono através da

interface planar incoerente γ-α (2). O papel das inclusões não metálicas sobre a

formação da ferrita poligonal de contorno de grão PF(G) pode ser desprezado,

considerando que várias destas partículas podem ser observadas no interior dos

grãos. Entretanto, o mesmo não se pode afirmar quanto ao efeito das inclusões

sobre a nucleação da ferrita poligonal intragranular PF(I), posto que as mesmas

podem atuar como substrato para a formação deste microconstituinte (13). Embora

não tenha sido realizado um estudo quantitativo sobre a nucleação da ferrita

acicular, as análises preliminares evidenciaram o papel das pequenas inclusões


5327

sobre a formação deste constituinte e estimulam o desenvolvimento de trabalhos

futuros com o emprego da microscopia eletrônica de transmissão.

CONCLUSÕES - A distribuição de tamanhos das inclusões não metálicas mostrou possuir um

comportamento “log-normal”, que foi afetado pelo ciclo térmico imposto pelo

processo de soldagem por arco submerso.

- O incremento da energia de soldagem de 1,0 para 3,3 kJ/mm resultou no aumento

da quantidade de inclusões formadas no metal de solda, cujo tamanho médio sofreu

uma redução de 6 para 4µm para as mesmas condições de processamento.

- A eficiência do fluxo foi responsável pela fixação de um teor praticamente

constante do oxigênio em solução na poça de fusão, o que contribuiu para manter

inalterada a fração volumétrica das inclusões.

- A análise feita por MET constatou que inclusões com composição química

complexa e de tamanho entre 0,1 a 1µm contribuíram efetivamente para a nucleação

da ferrita acicular.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio técnico prestado pelo LCE-UFSCar e pela

SERVTEC, à FAPESP pela concessão de auxílio à pesquisa e de uma bolsa de

estudos (AACA) e à CAPES pela bolsa de mestrado (MRVA).

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A STUDY OF NON-METALLIC INCLUSIONS NUCLEATED ON SUBMERGED ARC STEEL WELD METAL

ABSTRACT

Several authors have established that inclusions are the most sites for nucleation of

acicular ferrite in submerged arc weld deposits. In the present work a microstructural

characterization was carried out by light and transmission electron microscopy,

where some important qualitative and quantitative parameters such as the inclusion

size distribution, the particle density and volume fraction were determined on

different heat input weld metal levels. It was observed that particle density increases

with increase in heat input, but its mean size decreases. TEM observations showed

that inclusions smaller than 1µm took place on acicular ferrite nucleation but not all of

them were effective. This behavior can be associated to the complex composition of

these inclusions which are mainly formed by Mn, Si and Al.

Key-words: submerged arc weld, inclusions, weld metal, quantitative metallography


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