UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECANICA
JOO EPIFNIO DA MOTA
AVALIAO DA APLICAO DO PROCESSO GMAW-CW EM AO NAVAL
ASTM A131 A
BELM-PAR
2013
JOO EPIFNIO DA MOTA
AVALIAO DA APLICAO DO PROCESSO
GMAW-CW EM AO NAVAL ASTM A131 A
Dissertao apresentada ao
Programa de Ps-Graduao em
Engenharia Mecnica, Instituto de
Tecnologia, Universidade Federal
do Par, como parte dos requisitos
necessrios para a obteno do
grau de Mestre em Engenharia
Mecnica. rea de Concentrao:
Materiais e Processos. Orientador:
Prof. Dr. Eduardo de Magalhes
Braga.
Belm-Par
2013
DEDICATRIA
Dedico este trabalho a Deus, criador da vida, aos meus Pais, Francisco e Benedita Mota (in memorian) e esposa Maria da Conceio Ferreira da Mota pelo carinho e incentivo na realizao desta Dissertao.
BELM-PAR 2013
AGRADECIMENTOS
Ao meu Deus e Senhor e em nome de Jesus Cristo filho do Pai Todo Poderoso por
me concederem a capacidade intelectual, espiritual e fsica para alcanar meus
objetivos, entre eles a grande determinao de apresentar este trabalho.
Ao professor Dr. Eduardo Braga, pelos ensinamentos, orientaes e incentivos.
Aos demais professores do Centro Tecnolgico, pelos conhecimentos transmitidos
ao longo do curso de Ps-Graduao.
Aos amigos Everton, Rodrigo Goddini, Andrew Vinicius, Jean alunos de iniciao
cientifica, pela ajuda na execuo dos ensaios preliminares e experimentais e
tambm a estudante Any Suelem pela grande contribuio nos ensaios no
destrutivos e microestruturais contribuindo significativamente para interpretao de
resultados obtidos.
Ao doutorando Tarcio Cabral pela organizao e contribuio na reviso final desta
dissertao. E ao Prof. Marcio Corra pela contribuio valiosa de traduo.
Aos amigos do GRUPO LCAM, pela convivncia, companheirismo, sugestes e pela
permanente disponibilidade em compartilhar conhecimentos e experincias
adquiridas.
Aos colaboradores do Estaleiro Rio Maguari, pela disponibilidade e contribuio do
material de base para a execuo dos experimentos;
A coordenao do PPGEM-UFPA, pelo apoio;
E, finalmente, a todos aqueles que direta e indiretamente contriburam para a
realizao deste trabalho.
RESUMO
Este trabalho foi executado com a finalidade de avaliar a aplicao do processo de
soldagem GMAW-CW, Gs Metal Arc WeldingCold Wire (com adio de arame frio)
no ao naval. Utilizou-se uma fonte eletrnica ajustada em tenso constante com
polaridade CC+, com proteo gasosa de uma mistura 25%CO2 + 75%Ar. O arame
eletrodo energizado e o no energizado da classe ER70S-6 com dimetros de 1.2 e
1.0 mm respectivamente, alimentados em cabeotes independentes. As variveis de
influencia operacionais foram: a velocidade de alimentao do arame eletrodo e a
velocidade de alimentao do arame no energizado. As soldagens foram
automatizadas, executadas em passe nico para preencher chanfro U na posio
plana em chapa de ao naval ASTM A131 A. As variveis de resposta foram: a
sanidade superficial do cordo de solda, a anlise das caractersticas econmicas
(taxa de fuso, taxa de deposio e rendimento), a anlise das caractersticas
geomtricas (largura, penetrao, reforo e diluio), a anlise das caractersticas
microestruturais e o ensaio de microdureza. Os resultados encontrados no
indicaram descontinuidade ou imperfeies superficiais nas altas taxa deposio do
arame frio nos nveis de velocidade estudados. O mesmo resultado anterior tambm
se conservou no ensaio de lquido penetrante. As caractersticas econmicas
apresentaram os resultados com um ligeiro aumento na taxa de deposio na
velocidade de 16 cm/min e um nivelamento no restante dos nveis de velocidades.
As caractersticas geomtricas mostraram que a velocidade de 16 cm/min alcanou
os maiores valores geomtricos. No geral houve uma predominncia da ferrita
acicular (AF) em todos os nveis de velocidade estudados. Na microdureza as
velocidades de 14, 16 e 18 cm/min apresentaram valores semelhantes, mostrando
tendncia de acordo com a literatura estudada.
Palavras-chave: GMAW, ASTM A131, energizado.
ABSTRACT
This work was performed in order to evaluate the implementation process GMAW-
CW (with addition of cold wire) in naval steel. Used an electronic source adjusted
constant voltage DC + polarity, shielding gas with a mixture of 25% CO2 + 75% Ar
The electrode wire was energized and not energized class ER70S-6 with diameters
of 1.2 and 1.0 mm respectively fed into independent heads. The influence of
operational variables were the feeding speed of the wire electrode and the wire feed
speed is not energized. The welds were automated, performed in single pass to fill
bevel "U" in the flat position in shipbuilding steel plate ASTM A131 A. The response
variables were: sanity surface of the weld, the analysis of the economic
characteristics (melting rate, deposition rate and yield), analysis of geometric
characteristics (width, penetration enhancement and dilution), analysis of the
microstructural characteristics and microhardness testing. The results indicated no
discontinuity or surface imperfections in the high rate deposition of cold wire speed
levels studied. The same previous result also kept in liquid penetrant testing. The
economic characteristics with the results showed a slight increase in the deposition
rate at a speed of 16 cm / min and a smoothing level in the remaining gears. The
geometric characteristics showed that the rate of 16 cm / min geometric reached the
highest values. Overall there was a predominance of acicular ferrite (AF) in all speed
levels studied. In microhardness speeds of 14, 16 and 18 cm / min were very similar,
showing a tendency according to the literature studied.
Keywords: GMAW, ASTM A 131, energized.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Desenho esquemtico da regio soldagem pelo processo MIG/MAG
(Cabral 2008) ............................................................................................................ 23
Figura 2.2 - Esquema representativo da soldagem MIG/MAG (CABRAL, 2008) ..... 24
Figura 2.3 Representao Esquemtica do Processo MIG/MAG duplo arame ...... 25
Figura 2.4- Desenho esquemtico do processo MIG/MAG com adio de arame frio
(SILVA 2010) ............................................................................................................. 26
Figura 2.5 - Evoluo dos injetores de arame no energizado (a) 2005; (b) 2007, (c)
2008 e (d) Prottipo atual instalado em uma tocha automatizada (CABRAL 2011) .. 27
Figura 2.6 Proposta para classificao dos modos de transferncia metlica
MIG/MAG, modificado (CABRAL 2011)..................................................................... 28
Figura 2.7 Representao esquemtica de oscilogramas tpicos de tenso e de
corrente durante a transferncia por curto-circuito (Scotti e Ponomarev, 2008) ....... 30
Figura 2.8 Fotografias do modo de transferncia globular (MIRANDA 2002) ........ 30
Figura 2.9 Sequencia fotogrfica do modo de transferncia globular vertical
(Miranda 2002) .......................................................................................................... 30
Figura 2.10- Sequncia fotogrfica de transferncia goticular (SOUSA 2010).......... 32
Figura 2.11 Efeito da inclinao do eletrodo (QUITES 2002) ................................. 33
Figura 2.12 ngulo de posicionamento da tocha.(BARRA 2003) ........................... 33
Figura 2.13 - DBCP (h), stickout (s) e comprimento de arco (la )( Modenesi 2006) ... 34
Figura 2.14 - Influncia da distncia bico de contato-pea na tenso e na corrente de
soldagem, (WAINER et al., 1992) ............................................................................. 35
Figura 2.15 - Esquema comparativo das velocidades de soldagem do processo
GMAW duplo arame e outros processos de soldagem (BARBOZA 2011) ................ 37
Figura 2.16 Esquema representativo do ngulo de entrada do arame no
energizado no processo GMAW-CW. (ARQUIVO PESSOAL) .................................. 38
Figura 2.17 Esquema representativo das grandezas geomtricas do cordo de
solda .......................................................................................................................... 41
Figura 2.18 Diluio medida na seo transversal de um cordo depositado sobre
chapa......................................................................................................................... 42
Figura 2.19 - Macroestrutura esquemtica da seo transversal de uma junta
soldada e sua relao com as temperaturas de pico. A - ZF, B ZTA, e C MB
(MODENESI 2003) .................................................................................................... 43
Figura 2.20 - Representao esquemtica dos ciclos trmicos em dois pontos
genricos (1 e 2) da ZTA de uma solda de vrios passes. A, B e C so,
respectivamente, o primeiro, segundo e terceiro passes realizados. (MODENESI
2003) ......................................................................................................................... 43
Figura 2.21 - Representao esquemtica da estrutura da ZF e da ZTA na soldagem
com um passe (a) e com vrios passes (b).(MODENESI 2003) ............................... 44
Figura 2.22 Aspecto caracterstico de soldas multipasses (MODENESI 2003) ...... 44
Figura 2.23 Diversos tipos de chanfros para vrias espessuras de material
(OKUMURA E TANIGUICHI 1982) ............................................................................ 46
Figura 2.24 Distoro em juntas de alumnio 5063 com espessuras de 6,4 38 mm
(KOU 2003) ............................................................................................................... 47
Figura 2.25 Esquema dos passes de soldagem (JI et al 2005) .............................. 48
Figura 2.26 Valores da simulao do teste experimental, (Ji et al 2005) ............... 48
Figura 2.27 Resumo da Seqncia de ensaio do LP (ANDREUCCI 2006) ............ 51
Figura 2.28 Representao esquemtica da impresso por microdureza
(MENDONA 2007) .................................................................................................. 53
Figura 2.29 Representao esquemtica do ensaio de dobramento: (a) e (b)
Posicionamento das amostras antes e durante o dobramento, respectivamente. (c)
Corpo de Prova dobrado at o ngulo desejado .................................................... 55
Figura 2.30 Modelo dos corpos de prova soldados para dobramento: (a) Lateral
Transversal; (b) Transversal de face; (c) Transversal de raiz e (d) Longitudinal de
face e de raiz.(RODRIGUES 2011) ........................................................................... 56
Figura 2.31 Representao esquemtica de constituintes microestruturais
(MODENESI 2004) .................................................................................................... 58
Figura 2.32 Microestruturas do metal solda com diferentes constituintes
(MODENESI 2004) .................................................................................................... 61
Figura 2.33 Influencia do gs de proteo no processo de soldagem MIG/MAG,
modificado (Suban e Tusek, 2001)(CABRAL 2011) .................................................. 62
Figura 3.1- Figura representativa da pea nas dimenses em mm ........................... 65
Figura 3.2 Bancada de soldagem ........................................................................... 68
Figura 3.3 Fonte de soldagem (a) e cabeote de alimentao (b) ......................... 68
Figura 3.4 Suporte de atracao ............................................................................ 69
Figura 3.5 Perfil representativo da raiz da pea teste ............................................ 72
Figura 3.6 Perfil do cordo no processo GMAW com alta intensidade de calor ..... 73
Figura 3.7 - Perfil do cordo no processo GMAW com reforo insuficiente .............. 73
Figura 3.8 - Perfil do cordo depositado pelo processo GMAW-CW (ensaio n.06
Tabela 4.2) ................................................................................................................ 73
Figura 3.9 Esquema do corte para obteno das amostras ................................... 76
Figura 4.1 Aspecto superficial dos cordes depositados no GMAW-CW na
velocidade de 18 cm/min ........................................................................................... 79
Figura 4.2 Aspecto superficial dos cordes depositados no GMAW-CW na
velocidade de 16 cm/min ........................................................................................... 79
Figura 4.3 Aspecto superficial dos cordes depositados no GMAW-CW na
velocidade de 14 cm/min ........................................................................................... 80
Figura 4.4- Aspecto do ensaio lquido penetrante na velocidade de soldagem de 14
cm/min ....................................................................................................................... 80
Figura 4.5 Aspecto do ensaio lquido penetrante na velocidade de soldagem de 16
cm/min ....................................................................................................................... 81
Figura 4.6 Aspecto do ensaio lquido penetrante na velocidade de soldagem de 18
cm/min ....................................................................................................................... 80
Figura 4.7 Resultados dos valores da taxa mdia de fuso para os trs nveis de
velocidade de soldagem 14, 16 e 18 cm/min ............................................................ 82
Figura 4.8-Resultados da taxa mdia de deposio para os trs nveis de velocidade
de soldagem, 14, 16 e 18 cm/min ............................................................................. 83
Figura 4.9 Resultados do Rendimento mdio nas 03 velocidades de soldagem ... 83
Figura 4.10 Valores de Massa Mdia depositada no cordo para cada velocidade
de soldagem .............................................................................................................. 84
Figura 4.11 - Esquema geomtrico do cordo de solda, que mostra a largura (L), o
reforo (R) e penetrao lateral (PL) do cordo ........................................................ 85
Figura 4.12 Valores de rea de penetrao lateral para os 03 nveis de velocidade
de soldagem 14, 16 e 18 cm/min .............................................................................. 86
Figura 4.13 Valores de rea de reforo para os 03 nveis de velocidade ............... 87
Figura 4.14 Valores de largura para os 03 nveis de velocidade de soldagem 14,16
e 18 cm/min ............................................................................................................... 87
Figura 4.15 Valores mdios de reforo para os 03 nveis de velocidade de
soldagem ................................................................................................................... 88
Figura 4.16 Valores de diluio mdia para os 03 nveis de velocidades .............. 88
Figura 4.17 Caractersticas geomtricas dos cordes de solda para os 03 nveis de
velocidade de soldagem: Peas 30 e 06- Velocidade 14 cm/min; Peas 27 e 41
Velocidade 16 cm/min; e Peas 12 e 15-Velocidade 18 cm/min ............................... 89
Figura 4.18 Micrografia do cordo de solda da velocidade 14 cm/min: Ferrita
acicular (AF) e Ferrita primria de contorno de gro PF (G) aumento 20X. Ataque
nital 2%...................................................................................................................... 91
Figura 4.19 Micrografia do cordo de solda da velocidade de soldagem 14 cm/min:
Ferrita acicular (AF) e ferrita Primria de contorno de gro PF(G) aumento 50X
Ataque nital 2% ......................................................................................................... 91
Figura 4.20 Micrografia do cordo de solda da velocidade 16 cm/min: ferrita
acicular (AF), Ferrita primria de contorno de gro PF (G), Ferrita de segunda fase
(FS), aumento 20X. Ataque nital 2% ......................................................................... 92
Figura 4.21 Micrografia do cordo de solda da velocidade 16 cm/min: Ferrita
acicular (AF), Ferrita primria de contorno de gro PF (G), Ferrita segunda fase (FS)
aumento 50X. Ataque nital 2% .................................................................................. 93
Figura 4.22 Micrografia do cordo de solda da velocidade de 18 cm/min: Ferrita
com segunda fase alinhada FS(A), Ferrita accicular (AF), Ferrita com fase no
alinhada FS(NA) aumento 20X. Ataque nital 2% ....................................................... 94
Figura 4.23 Micrografia do cordo de solda para velocidade de 18 cm/min: Ferrita
acicular (AF), Ferrita com fase alinhada FS(A), Ferrita com segunda fase no
alinhada FS(NA) aumento 50X. Ataque nital 2% ....................................................... 94
Figura 4.24 Aporte lquido de calor para as velocidades analisadas ...................... 95
Figura 4.25 Resultados do ensaio de dobramento lateral para velocidade de
soldagem de 14 cm/min ............................................................................................ 97
Figura 4.26 Esquema e valores mdios de microdureza para as velocidades de
soldagem de 14, 16 e 18 cm/min, tomados no centro do cordo, na regio da ZTA e
no metal de base ....................................................................................................... 98
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Comparativo entre os testes de microdureza (RODRIGUES 2011) .....53
Tabela 2.2 Propriedades dos gases de produo (em comparao com o ar
atmosfrico).( Scotti e Ponomarev, 2008)..................................................................63
Tabela 3.1 Composio qumica mdia do ao ASTM A 131GR A (ASTM) ..........66
Tabela 3.2 Propriedades mecnicas do ao naval ASTM A 131 A.........................66
Tabela 3.3 Composio mdia do arame ER70S-6, segundo AWS 5.18 (2001)
(RIBEIRO 2012).Apud Lobato 2010..........................................................................67
Tabela 4.1Parmetros utilizados nos ensaios preliminares do processo GMAW....72
Tabela 4.2 Parmetros utilizados nos ensaios preliminares do processo GMAW-
CW..............................................................................................................................74
Tabela 4.3 - Parmetros de soldagem selecionados para preenchimento dos
chanfros......................................................................................................................75
Tabela 4.4 Diferena de massa depositada dos corpos de prova nas velocidades
de soldagem de 14, 16 e 18 cm/min..........................................................................84
Tabela 4.5 Valores das caractersticas geomtricas nos nveis de velocidades
estudados dos corpos de prova soldados..................................................................85
LISTA DE SIMBOLOS
[%] - Percentual
[A] - Ampere
[AE] - Arame-eletrodo
Ar - Argnio
[Ar25%CO2] - Mistura Argnio dixido de carbono
ASTM Society American for test the Materials
[AWS] - American Welding Society
[L ] Largura do cordo
[CC+] - Corrente contnua com o eletrodo no plo positivo
[CO2] - Dixido de carbono
[DBCP] - Distncia bico de contato pea
[DOWA] Double Wire Only Arc
H Energia de soldagem
et al (e outros)
[I] Corrente de soldagem
[GMAW] - Gas Metal Arc Welding
[GMAW-CW] - Gas Metal Arc Welding Cold Wire
H Energia de soldagem
HL Energia Lquida
[IIW] - International Institute of Welding
[L] - Comprimento do arame consumido
[L/S] - Vazo de gs
[Lo] - Comprimento do arco
[L1] - Comprimento linear do arame-eletrodo
[] - Diluio
[L2] - Comprimento linear do arame-frio
[MA] - Metal de Adio
[MAG] - Metal Active Gas
[MAG-CW] - Metal Active Gas Cold Wire
[MB] - Metal de base
[mf] - Massa final da junta depois da soldagem
[mi] - Massa inicial da junta antes da soldagem
[O2] - Gs oxignio
[PL] - Penetrao Lateral
[V] Tenso de soldagem
[VAE] velocidade do arame eletrodo
[VAF] Velocidade do arame frio
[Vs] Velocidade de soldagem
[ZF] Zona fundida
[ZTA] Zona termicamente afetada
SUMRIO
RESUMO
ABSTRACT
LISTA DE FIGURA
LISTA DE TABELAS
NOMENCLATURAS
1 INTRODUO ...................................................................................................... 19
1.1 Objetivo Principal................................................................................................. 21
1.2 Objetivos Especficos .......................................................................................... 21
2 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................. 22
2.1 CONSIDERAES SOBRE O AO NAVAL ...................................................... 22
2.2 CONSIDERAES SOBRE O PROCESSO GMAW e GMAW-CW ................... 23
2.2.1 O processo GMAW........................................................................................... 23
2.2.2 Conceitos do Processo de Soldagem GMAW Duplo Arame ............................ 25
2.2.3 Conceitos do Processo de soldagem GMAW com adio de arame frio
(DWOA) e injetor de arame ....................................................................................... 26
2.3 MODO DE TRANSFERNCIA METLICA ......................................................... 27
2.3.1 Transferncia por Curto Circuito....................................................................... 29
2.3.2 Transferncia Globular ..................................................................................... 30
2.3.3 Transferncia Goticular .................................................................................... 31
2.4 FATORES BSICOS DE INFLUNCIA NA SOLDAGEM GMAW ....................... 32
2.4.1 Influencia da Inclinao da Tocha .................................................................... 32
2.4.2 Distancia Bico de Contato Pea (DBCP) .......................................................... 34
2.4.3 Velocidade de Soldagem .................................................................................. 35
2.4.4 Influencia da Posio de Entrada do Arame no Energizado .......................... 37
2.4.5 Tenso e Corrente............................................................................................ 38
2.5 CARACTERSTICAS ECONOMICAS ................................................................. 39
2.5.1 Equaes Modificadas para o Processo GMAW-CW ....................................... 40
2.6 CARACTERSTICAS GEOMTRICAS ............................................................... 41
2.7 MACROESTRUTURAS DE SOLDA POR FUSO .............................................. 42
2.8 SOLDAGEM COM MLTIPLUS PASSES .......................................................... 44
2.9 ENERGIA DE SOLDAGEM ................................................................................ 49
2.10 CONDIDERAES SOBRE OS ENSAIOS NO DESTRUTVEIS................... 50
2.10.1 Ensaio de Sanidade do Cordo de Solda ....................................................... 50
2.10.2 Ensaio por Lquido Penetrante ....................................................................... 50
2.10.3 Ensaio de Microdureza ................................................................................... 52
2.10.4 Ensaio de Dobramento ................................................................................... 54
2.11 MICROCONSTITUINTES DO METAL DE SOLDA ........................................... 57
2.12 GS DE PROTEO ........................................................................................ 62
3 MATERIAIS E MTODOS ..................................................................................... 65
3.1 METAL DE BASE ................................................................................................ 65
3.2 METAL DE ADIO ............................................................................................ 66
3.3 GS DE PROTEO .......................................................................................... 67
3.4 EQUIPAMENTOS................................................................................................ 67
3.4.1 Bancada de Soldagem ..................................................................................... 67
3.4.2 Fonte de Soldagem .......................................................................................... 68
3.4.3 Cabeote de Alimentao Auxiliar Adicional .................................................... 69
3.4.4 Tocha de Soldagem ......................................................................................... 69
3.4.5 Balana Digital ................................................................................................. 69
3.4.6 Suporte de Atracao ....................................................................................... 69
3.4.7 Serra de Fita Horizontal .................................................................................... 70
3.4.8 Lixadeira/Politriz ............................................................................................... 70
3.4.9 Programas Computacionais .......................................................................... 70
3.4.10 Sistema de Aquisio ptico Computadorizado Analisador de Imagens .. 70
3.5 METODOLOGIA EXPERIMENTAL ..................................................................... 70
3.5.1 Ensaios Preliminares ..................................................................................... 71
3.6 OBTENO DAS AMOSTRAS DOS CORPOS DE PROVA SOLDADOS ......... 76
3.7 CARACTERIZAO QUMICA ........................................................................... 76
3.8 CARACTERIZAO MACRO E MICRO ESTRUTURAL .................................... 77
4 RESULTADOS E DISCUSSES ........................................................................... 78
4.1 RESULTADOS DOS ENSAIOS PRELIMINARES ............................................... 78
4.2 RESULTADOS DO ASPECTO SUPERFICIAL DO CORDO ............................ 78
4.3 RESULTADOS DO ENSAIO LQUIDO PENETRANTE ....................................... 80
4.4 RESULTADOS DAS CARACTERSTICAS ECONMICAS ................................ 81
4.5 RESULTADOS DAS CARACTERSTICAS GEOMTRICAS .............................. 85
4.6 RESULTADOS DAS CARACTERSTICAS MICROESTRUTURAIS ................... 90
4.7 RESULTADOS DO ENSAIO DE DOBRAMENTO ............................................... 96
4.8 RESULTADOS DO ENSAIO DE MICRODUREZA .............................................. 97
5 CONCLUSO ........................................................................................................ 99
6 PROPOSTAS E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ..................... 100
7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................... 101
19
1 INTRODUO
A evoluo dos processos de soldagem tem como uma das causas
fundamentais a necessidade do aumento de produtividade. Esta evoluo pode
acontecer sob duas frentes de atuao no campo da soldagem de unio e
revestimento: pelo aumento da concentrao da energia, exemplo o LASER e o
Feixe de Eltrons, e pelo aumento da taxa de deposio de material, a exemplo o
MIG/MAG. O segundo enfoque a situao mais comumente encontrada na
indstria, e as razes so: o custo do investimento em equipamentos e a maior
versatilidade dos mesmos em suas aplicaes.
No entanto, o avano da tecnologia impulsionou as indstrias para o
aumento da produtividade, tornando o mercado cada vez mais competitivo e com
este salto, o processo de soldagem MIG/MAG talvez, de forma limitada, no atenda
a demanda de produo das indstrias que buscam a reduo de custos e de tempo
com taxas superiores de deposio de solda. Atualmente, a tecnologia dos
processos de soldagem apresenta-se em um estgio bastante avanado, sempre
surgindo inovaes com o intuito de estabelecer padres aos processos existentes
para melhor-los e assim, aumentar a produtividade e reduzir os custos de produo
dos processos de fabricao.
Devido a tal situao foram desenvolvidos processos visando maior
produo, como o GMAW (Gas Metal Arc Welding) Duplo Arame. O
desenvolvimento da soldagem com duplo arame apresenta como meta principal o
aumento da produtividade pela reduo no tempo de operao. Esta tcnica
especialmente utilizada com vantagens na soldagem de revestimento e no
enchimento de chanfros. No entanto, o processo GMAW com duplo arame necessita
da utilizao de duas fontes eletrnicas de soldagem sincronizadas, dois cabeotes
de alimentao de arame, programas computacionais complexos para comandar a
sincronia operacional, alm do aumento no consumo de insumos como energia
eltrica, gs, entre outros. Todos estes fatores constituem custos adicionais
elevados que limitam a sua aplicao em escala industrial. A pesquisa da soldagem
GMAW-CW (Gs Metal Arc Welding Cold Wire) com alimentao adicional de
arame frio, surgiu a partir da idia do processo de soldagem MIG/MAG duplo arame.
20
O duplo arame, alm de alto rendimento, tambm trabalha com altas taxas
de densidade de corrente, proporcionando elevadas taxas de fuso e,
consequentemente, possibilidade de maiores taxas de velocidade de soldagem ou
cordes mais volumosos, garantindo menor tempo de soldagem em relao ao
processo de soldagem MIG/MAG, (GROETELAARS, 2005).
A alta competitividade que vem caracterizando o perfil da indstria mundial,
nexige dos processos de fabricao uma maior produtividade. Atravs do
desenvolvimento e adoo de novas tecnologias possvel inovar processos
convencionais, criando novas variantes que permitem obter maior desempenho, sem
detrimento da qualidade. E nesse contexto, a proposta de Desenvolvimento e
Aplicao do Processo GMAW-CW com adio de Arame Frio (no energizado)
consiste basicamente em caracterizar o processo, determinando as condies
adequadas de soldagem, tendo em vista a grande versatilidade dos processos que
utilizam proteo gasosa em relao a outros processos. A proposta da soldagem
com GMAW-CW com adio de um arame frio se estabelece como uma alternativa
tcnica e econmica em relao soldagem GMAW convencional e GMAW com
duplo arame. Este novo processo utiliza o equipamento convencional MIG/MAG,
com um sistema extra de alimentao de arame, no auxilio da incluso do arame frio
conjugado tocha de soldagem. Utiliza somente um sistema de proteo gasosa, ou
seja, por um fluxo de gs inerte, ativo ou uma mistura de ambos, enquanto que a
energia eltrica ao cabeote auxiliar de alimentao do arame provm da fonte de
energia a qual o mesmo est conectado.
As vantagens do emprego do processo de soldagem GMAW-CW em relao
ao processo GMAW convencional esto associadas ao controle das caractersticas
econmicas e geomtricas, a alimentao dos arames eletrodo e frio em diferentes
velocidades. Segundo Sbio (2007) o processo GMAW-CW tambm apresenta
algumas limitaes, como a capacidade mecnica do dispositivo guia do arame frio,
a combinao das velocidades de alimentao do arame-eletrodo com a do arame
frio, limitando as taxas de fuso e de deposio. No entanto, este processo CW no
est totalmente consolidado e haver necessidade de fazer estudos comparativos
com o GMAW convencional, para ser analisado o comportamento desses processos
em relao ao ganho de produtividade.
21
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL
O objetivo principal deste trabalho consiste em estudar a aplicao do
processo GMAW-CW (adio de arame no energizado), executado em passe nico
para o preenchimento de chanfro tipo U em chapa de ao naval.
1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
Estudar os efeitos dos parmetros operacionais da soldagem no processo
GMAW-CW, sobre os aspectos:
da sanidade superficial do metal depositado;
do ensaio por lquido penetrante na superfcie da junta soldada do corpo de prova
das caractersticas econmicas (taxa de fuso, taxa de deposio e rendimento)
do cordo de solda;
das caractersticas geomtricas (largura, penetrao, reforo e diluio);
das caractersticas microestruturais da junta soldada;
do ensaio de dobramento lateral da junta soldada;
e da microdureza na superfcie da seo transversal da junta soldada.
22
2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 CONSIDERAES SOBRE O AO NAVAL
A indstria naval se apresenta bastante avanada em termos de construo,
desenvolvimento de materiais e em relao ao estudo de novos processos de
fabricao. Desta forma, quando se trata de aos aplicados indstria naval, logo
identificado neste cenrio o ao ASTM A131A, o qual apresenta alta resistncia,
boas caractersticas de tenacidade fratura, bem como boa soldabilidade.
A chapa Classificada ASTM A 131 A um ao estrutural da classe dos aos
com baixo teor de carbono e baixa liga, utilizado na indstria da construo de
navios; suas propriedades mecnicas e composio qumica so expressas na
designao A131A das normas ASTM. So aplicadas em navios de mdio e grande
porte e em plataformas martimas de extrao de petrleo. Com o objetivo de
garantir a uniformidade e a qualidade dos servios executados, os aos navais so
especificados de acordo com as normas tcnicas das entidades classificadoras
internacionais. As principais classificadoras navais atendidas so:
American Bureau of Shipping - (ABS),
Bureau Veritas - (BV)
Nippon Kaiji Kyokai - (NKK)
Lloyds Register- (LR)
Germanicher Lloyd - (GL)
Det Norske Veritas - (DNV).
Essas sociedades tm a funo de estabelecer os padres e mtodos de
classificao de todos os materiais empregados na construo naval.
23
2.2 CONSIDERAES SOBRE O PROCESSO GMAW e GMAW-CW
2.2.1 O Processo GMAW
Segundo Cabral (2011) na soldagem a arco eltrico com gs de proteo
(GMAW Gas Metal Arc Welding), tambm conhecida como soldagem MIG/MAG
(MIG Metal Inert Gas e MAG Metal Active Gas), um arco eltrico estabelecido
entre a pea e um consumvel na forma de arame. O arco funde continuamente o
arame medida que este alimentado poa de fuso. O metal de solda
protegido da atmosfera pelo fluxo de um gs (ou mistura de gases) inerte ou ativo. A
Figura 2.1 mostra o desenho esquemtico da regio de soldagem em corte, do
processo de soldagem MIG/MAG.
Figura 2.1 Desenho esquemtico da regio soldagem pelo processo MIG/MAG,
Fonte: Cruz Jr. e Cabral (2008).
24
O processo MIG/MAG, ilustrado esquematicamente na Figura 2.2,
composto basicamente por uma fonte de soldagem, um sistema de alimentao de
arame eletrodo, uma tocha de soldagem, um sistema de fornecimento de gs e,
normalmente, um sistema independente de refrigerao da tocha.
Dos equipamentos citados, a fonte de energia considerada a mais
importante, pois responsvel pelo controle dos principais parmetros de soldagem.
Normalmente, este processo opera na faixa de 15 a 35 V e de 60 a 600 A, (Miranda
2002), em corrente contnua com polaridade positiva (CC+), resultando em um arco
estvel com transferncia metlica regular, baixa quantidade relativa de respingos
dependendo do processo e gs de proteo.
Figura 2.2 Esquema representativo da soldagem MIG/MAG.
Fonte: Cruz Jr. e Cabral, 2008.
25
2.2.2 Conceitos Principais do Processo GMAW Duplo Arame
A soldagem MIG/MAG com duplo arame emprega dois eletrodos isolados
eletricamente que se fundem sobre uma nica poa fundida. Comparativamente
soldagem MIG/MAG convencional, o duplo arame apresenta as seguintes
caractersticas: maior taxa de deposio de material, possibilidade de soldagens
com velocidades de deslocamento mais elevadas e o menor aporte trmico sobre a
pea, este como conseqncia da utilizao de velocidades de soldagem mais altas.
A poa de fuso protegida da mesma forma que na soldagem MIG/MAG
convencional por fluxo de gs inerte, ativo ou uma mistura de ambos, A utilizao de
altas densidades de correntes em cada arame responsvel pelas elevadas taxas
de fuso absolutas conseguidas e, conseqentemente, por cordes mais volumosos
Scotti (2008); possibilidade de aumento da velocidade de soldagem em soldas de
passe nico ou a reduo no nmero de passes pelo aumento do volume do cordo
garante um menor tempo de soldagem. Alm da maior capacidade de produo,
sobressai desta verso do MIG/MAG um melhor controle da geometria do cordo de
solda, atravs do posicionamento da tocha, da regulagem independente dos
comprimentos de arco e velocidade de alimentao em cada arame, Scott (2008).
Para Motta & Dutra (2004), a caracterstica de proporcionar uma elevada taxa de
deposio de material tem impulsionado a utilizao do Duplo Arame no meio
industrial neste principio de sculo, principalmente em aplicaes automatizadas.
Esquema mostrado na Figura 2.3, com potencial nico (a) e potencial isolado (b).
Figura 2.3 Representao esquemtica do processo MIG/MAG duplo arame
(a) Fonte: Scotti (2008) (b)
26
2.2.3 Conceitos do Processo de Soldagem GMAW com Adio de Arame Frio
(DWOA) e Injetor de Arame
Uma linha de pesquisa est sendo desenvolvida pela Universidade Federal
do Par UFPA, que consiste na variao do processo GMAW e/ou FCAW, com a
adio de arame no energizado, (DWOA - Double Wire Only Arc) estabelecendo
uma alternativa tcnica e econmica em relao soldagem GMAW Duplo Arame.
O processo de soldagem com a injeo de arame no energizado teve incio com os
estudos desenvolvidos por Bacelar e Ferraz (2005), utilizando o processo MAG, o
que resultou num aumento considervel da produo mdia em relao soldagem
MAG convencional.
O processo de soldagem CW consiste na introduo de um arame frio na
atmosfera do arco voltaico gerado pelo arame energizado; desta forma, ele funde-se
juntamente com o arame energizado somando o material depositado sobre a junta
soldada. Diferente do processo de soldagem duplo arame, o processo CW no
necessita de aparatos muitos caros, complexos e de treinamento especializado para
realizao das soldagens, mostrando-se verstil em soldagens automatizadas e
semi-automatizadas, conforme Sbio (2007), Silva (2010), Rodrigues (2011) e
Cabral (2011). A Figura 2.4 mostra um desenho esquemtico do processo GMAW.
Figura 2.4 Desenho esquemtico do processo GMAW com adio de arame frio
Fonte: Silva (2010)
27
Estudos iniciais desenvolvidos por Bacelar e Ferraz (2005), apresentaram a
soldagem GMAW com adio de arame frio que resultou numa produo mdia de
70% acima da soldagem GMAW, com bons nveis de estabilidade e qualidade
superficial da unio. Para a realizao dessas pesquisas, foi necessrio o
desenvolvimento do injetor que permitiria a conduo do arame no energizado
regio da poa de fuso, que vem sendo inovado com as necessidades de
adaptao ao processo, conforme apresentado tambm por Sbio (2007), Cruz Jr
(2009), Silva (2010) e Cabral (2011), tal evoluo mostrada na Figura 2.5 (a, b e
c), culminando no prottipo atual, Figura 2.5 (d), com mais graus de liberdade,
agregando as vantagens dos anteriormente construdos.
Figura 2.5 Evoluo dos injetores de arame no energizado (a) 2005; (b) 2007, (c) 2008 e (d)
Prottipo atual instalado em uma tocha automatizada.
Fonte: Cabral, 2011
2.3 MODOS DE TRANSFERNCIA METLICA
Segundo Kim e Eagar (1993); Miranda (2002); Scotti e Ponomarev, (2008);
Santos, (2010) e Cabral (2011) a transferncia metlica no processo GMAW
28
caracterizada pela transferncia de metal do eletrodo para a poa de fuso atravs
do arco. Essa transferncia possui muitas variveis operacionais que so
influenciadas pela corrente de soldagem, a composio qumica do gs de proteo,
a extenso energizada do eletrodo, a polaridade da corrente de soldagem, o
comprimento do arco e pela presso ambiente.
Existem diversas variveis que afetam o modo de transferncia metlica,
Ponomareve et al (2009) classificaram os modos de transferncia em trs grandes
classes: Natural, Controlada e Combinada, apresentadas na Figura 2.6. As classes,
natural e combinada se caracterizam pela ocorrncia sem controle da fonte,
enquanto a controlada, pela imposio de controle feita pela fonte. A classe
combinada se caracteriza pela ocorrncia de dois tipos de transferncia peridicas,
onde ocorre um tipo de transferncia depois outro e volta ao primeiro tipo, formando
um ciclo.
Figura 2.6 Proposta para classificao dos modos de transferncia metlica GMAW modificado
Fonte: Cabral, 2011
29
2.3.1 Transferncia por Curto-Circuito
Machado (1996), Miranda (2002) e Filho (2007) caracterizaram esse modo
de transferncia pelo contato peridico da gota metlica formada na ponta do arame
consumvel com a poa de fuso, causando considerveis variaes nos valores de
corrente e tenso. A ao repetida dos curtos-circuitos s pode ocorrer se a taxa de
fuso variar regularmente abaixo e acima da velocidade de alimentao do arame
consumvel, (Filho 2007).
Segundo Machado (1996); Weman e Lindn (2006) e Filho (2007), esse
modo trabalha em baixos valores de corrente e tenso e produz uma poa de fuso
relativamente pequena de rpida solidificao, alm disso, como as gotas so
transferidas pelo contato com a poa de fuso, atravs da tenso superficial,
possvel a soldagem em todas as posies.
Scotti e Ponomarev (2008) descreveram o mecanismo da transferncia por
curto-circuito, conforme exemplificado na Figura 2.7. Durante a fase inicial do curto-
circuito, o formato da ponte gota-poa favorece o efeito Pinch atuar contra a
transferncia, embora com baixa intensidade (corrente baixa). Mas, ao final do curto-
circuito, pouco antes da gota se transferir, forma-se um empescoamento entre a
gota em transferncia e a ponta do arame, devido tenso superficial. O alto valor
de corrente e a pequena rea da seo transversal nesta regio provocam um
aumento da ao do efeito Pinch, agora facilitando a transferncia final da gota para
a poa. Ainda sobre o efeito da elevao da corrente, o aquecimento sbito da ponte
de metal lquido entre o eletrodo e a poa de fuso colabora para seu rompimento
(como num fusvel eltrico).
30
Figura 2.7 Representao esquemtica de oscilogramas tpicos de tenso e de corrente
durante a transferncia por curto-circuito
Fonte: Scotti e Ponomarev, 2008
2.3.2 Transferncia Globular
Este tipo de transferncia ocorre quando se utilizam tenses moderadas a
altas (para evitar curto-circuito) e correntes moderadas (inferiores corrente de
transio), caracterizando-se principalmente pela transferncia irregular de gotas
grandes (maiores que o dimetro do eletrodo), conforme Figura 2.8, em frequncia
muito baixa e com quantidade considervel de respingos, Miranda (2002). O
tamanho, a forma e a posio da gota, assim como a freqncia da transferncia,
dependem principalmente, do dimetro e composio do arame-eletrodo, do gs de
proteo e da intensidade da corrente de soldagem (Scotti e Ponomarev ,2008).
Figura 2.8 Sequncia fotogrfica do modo de transferncia globular
Fonte: Miranda (2002)
31
Segundo Scotti e Ponomarev (2008), durante a formao da gota
(crescimento), esta permanece no eletrodo devido principalmente ao combinada
das foras de tenso superficial e de vaporizao. medida que o volume da gota
se torna grande o suficiente, o seu peso e, em menor escala (em virtude da corrente
no ser muito alta), a fora eletromagntica e a fora de arraste, superam as foras
contrrias transferncia causando o destacamento. Este comportamento justifica a
baixa taxa de transferncia, enquanto a baixa corrente impede de alcanar uma alta
taxa de deposio do arame (baixa capacidade de produo). Devido fora
predominante nesse modo de transferncia ser a gravitacional, a soldagem se limita
posio plana, pois conforme mostra a Figura 2.9, na soldagem vertical as gotas
podem cair fora da regio do arco. Devido a essa limitao juntamente com o
aspecto irregular do cordo de solda fazem com que o modo de transferncia seja
pouco desejado na soldagem GMAW.
Figura 2.9 Sequncia fotogrfica do modo de transferncia globular vertical
Fonte: Miranda (2002)
2.3.3 Transferncia Goticular
Modo de transferncia caracterizado pela transferncia de pequenas gotas
(com dimetro prximo ao do arame-eletrodo) sendo transferidas a uma alta taxa.
Ocorre geralmente na soldagem MIG/MAG polaridade positiva, com altas
correntes (foras eletromagnticas altas) e tenses altas (para garantir um arco
suficientemente longo) em uma atmosfera a base de argnio. Apresenta alto aporte
trmico e taxa de fuso, sendo utilizado para soldagem de chapas grossas na
posio plana, Miranda (2002). A Figura 2.10 mostra uma sequncia de fotografias
em alta velocidade de uma transferncia goticular.
Um fator essencial para que o modo de transferncia goticular possa
ocorrer, que a corrente de soldagem ultrapasse um valor crtico denominado de
32
corrente de transio. Corrente de transio uma faixa de corrente onde acima
desta, a transferncia torna-se goticular. Esta faixa importante, pois abaixo da
corrente de transio a transferncia no ocorre de forma goticular. Scotti e
Ponomarev (2008) descrevem que a mudana de fenmeno governante da
transio, (sai do equilbrio de foras estticas e passa para o fenmeno de
instabilidade Pinch), nestas condies as gotas no conseguem atingir grandes
dimenses, destacando-se em grande frequncia (maior de 200 gotas por segundo).
Figura 2.10 - Sequncia fotogrfica do modo de transferncia goticular
Fonte: Souza, 2010
2.4 FATORES BSICOS DE INFLUNCIA NA SOLDAGEM GMAW 2.4.1 Influncia da Inclinao da Tocha
Inclinando a pistola de soldagem contra ou a favor da direo de soldagem,
pode influenciar na geometria da solda. Quando o eletrodo se inclina para frente, a
favor da direo de soldagem, tem-se a soldagem a direita. Neste caso, o jato de
plasma empurra o metal liquido para trs e o arco incide mais diretamente no
material de base. Assim, a penetrao e o reforo sero maiores, a largura ser
menor e a superfcie da solda ser mais ondulada. Com eletrodo para trs, para o
lado da solda, tem-se a chamada soldagem esquerda. Desta forma, o jato de
plasma espalha o metal liquido na forma de um colcho fluido, Isto faz aumentar a
largura do cordo e diminuir a penetrao e o reforo conforme mostra a Figura
2.11. Esta inclinao bastante empregada nos passes de fundo de chanfro e na
soldagem de chapas finas para evitar a perfurao. (QUITES 2002).
33
Figura 2.11 Efeito da inclinao do eletrodo.
Fonte: Quites, (2002)
A utilizao de ngulos de deslocamentos ou ataques compreendidos entre
0 a 20, correspondem a valores negativos, visto que seu valor depende da posio
de soldagem empregada, conforme esquema na Figura 2.12. Apesar da facilidade
na operao, tambm provoca pouca penetrao, alm de um cordo largo, baixo
reforo e com reduzida incidncia de salpicos (Barra, 2003).
Figura 2.12 ngulo de posicionamento da tocha.
Fonte: (Barra, 2003)
34
2.4.2 Distncia Bico de Contato Pea (DBCP)
O bico de contato um pequeno tubo, cujo dimetro interno ligeiramente
superior ao dimetro do arame-eletrodo, e serve de contato eltrico deslizante.
feito de cobre ou material cermico com um dimetro compatvel com a corrente de
soldagem e o fluxo de gs a ser utilizado numa dada aplicao.
O comprimento do eletrodo que conduz a corrente eltrica desde o bico de
contato at a raiz do arco denomina-se stickout, uma importante varivel na
energia de soldagem do processo, pois ela controla a quantidade de calor gerado
por aquecimento resistivo (efeito joule) no eletrodo que dado por R.I2 e a energia
decorrente do arco eltrico, dado por V.I. Assim, o uso de um maior comprimento do
eletrodo para um dado nvel de corrente, provoca um maior aquecimento do eletrodo
(devido ao aumento de sua resistncia eltrica) e aumenta sua velocidade de fuso,
particularmente quando se trabalha com altas densidades de correntes. Na prtica,
como a medida do comprimento da extenso durante a soldagem no fcil,
trabalha-se com o valor da distncia do bico de contato a pea. Quando esta
distncia aumenta, aumenta tambm a resistncia eltrica do eletrodo, que ter
assim mais tempo para aquecer-se por efeito Joule. Com esta elevao da
temperatura do eletrodo, ser necessria uma menor corrente para fundir o eletrodo
para a mesma taxa de alimentao, ou vendo de outra forma, para a mesma
corrente de soldagem utilizada, se obter uma maior taxa de deposio, porm com
menor penetrao. A distncia bico de contato pea (DBCP) a extenso da soma
do stickout e o comprimento la, Figura 2.13
Figura 2.13 - DBCP (h), stickout (s) e comprimento de arco (la )
Fonte: Modenesi 2006
35
Na Figura 2.14, so mostrados no grfico "a" os valores adequados de
tenso, corrente para uma DBCP igual a 1, que resulta numa potncia disponvel
para fundir o arame igual a (VsIs + R1Is2). Quando a DBCP aumenta para a distncia
2 no grfico "b", a tenso de solda e o comprimento do arco aumentam, ento, a
energia passar para VI + (R2.I2), ou seja, a corrente diminui, e por consequncia
tambm diminuem a energia e a velocidade de fuso do arame.
Figura 2.14 - Influncia da distncia bico de contato-pea na tenso e na corrente de soldagem,
Fonte: WAINER et al., (1992).
Segundo Heald et al, (1994), o efeito da DBCP na resistncia do circuito
requer que um novo mapa tenso/corrente seja desenvolvido para cada DBCP.
2.4.3 Velocidade de Soldagem
A velocidade de soldagem quem da possibilidade de aumento de
produo, portanto um parmetro de grande importncia para o processo
MIG/MAG duplo arame. (SBIO 2007).
Este parmetro do processo GMAW Duplo Arame corresponde ao grande
benefcio quando comparado aos outros processos, pois est diretamente ligado ao
aumento da produtividade, principalmente para a aplicao deste mtodo em
soldagens de chapas finas sem que ocorra a perfurao das chapas. Mas esta
uma abordagem simples e de fcil compreenso, embora esta velocidade no
influencie apenas nesta questo operacional do processo (RODRIGUES, 2011).
36
Fortes (2004) e Figueiredo (2005,) comentam que ocorre uma reduo na
penetrao se a velocidade de soldagem baixar para valores menores que 30
cm/min, tendo em vista que o arco pode tender mais para a poa de fuso do que
para o metal de base. Ainda, o uso de baixas velocidades de soldagem deve ser
evitado quando so requeridas propriedades de impacto a baixas temperaturas.
Mesmo que a junta possa ser preenchida em poucos passes, os volumosos
depsitos de solda resultaro em grandes aportes trmicos e por isso a tenacidade
ao impacto ser reduzida.
Quanto a empregabilidade, Groetelaars (2005), cita que velocidades de
soldagem acima de 3,5 m/min podem ser aplicadas na soldagem de chapas de ao
carbono de 2mm de espessura usando o processo MIG/MAG com a disposio em
srie com DAPU (Duplo arame com potencial nico). Em outro estudo feito por
Obnawaetal (2003), velocidades de soldagem de at 8 m/min foram alcanadas com
sucesso na soldagem de filetes em juntas sobrepostas na posio vertical
ascendente. Maiores correntes de soldagem resultam em maiores taxas de
deposio e de fuso (GROETELAARS 2005).
De acordo com as observaes de Bohme (1996), altas velocidades de
soldagem so conseguidas a partir do formato alongado do arco, o que significa que
o mesmo aquece o material por um maior tempo antes de a transferncia metlica
ocorrer. Na Figura 2.15 observa-se um esquema comparativo entre as velocidades
de soldagem para vrios processos.
37
Figura 2.15 - Esquema comparativo das velocidades de soldagem do processo GMAW duplo
arame e outros processos de soldagem
Fonte: Barbosa, 2011
2.4.4 Influncia da Posio de Entrada do Arame no Energizado
Esse tpico aborda a influncia da entrada do arame no energizado na
atmosfera do arco voltaico de uma soldagem GMAW. Dentro dos estudos realizados
no PPGEM como Bacelar e Ferraz (2005), Silva (2010) e Rodrigues (2011),
observamos a influncia da entrada de um corpo estranho no processo de
soldagem, primeiramente foram realizados estudos em simples deposio sobre
chapa onde o ngulo de entrada variava entre 40 a 60 em relao tocha de
soldagem, contudo quando o processo foi aplicado a preenchimento de chanfro U
foi observado que o ngulo de entrada do arame no energizado deveria ser mais
aberto, motivado pela geometria da poa de fuso que no chanfro mais
concentrada e o arco perde altura, a Figura 2.16 mostra o ngulo em torno de 76,
que dessa forma o arame estaria entrando mais na horizontal bem a frente da poa
de fuso, em outra posio o arame frio tocava no fundo da poa de fuso causando
interferncia e a parada do processo.
38
Figura 2.16 Esquema representativo do ngulo de entrada do arame no energizado no
processo GMAW-CW.
Fonte: Arquivo pessoal
2.4.5 Tenso e Corrente
A tenso tem uma influncia direta no comprimento do arco que controla o
perfil do cordo, a profundidade da penetrao e a quantidade de respingos.
medida que a tenso do arco reduzida, a penetrao aumenta, sendo
particularmente importante em juntas de topo em V. Um aumento na tenso
resultar em um comprimento de arco tambm longo, aumentando a probabilidade
de ocorrncia de porosidade e de mordeduras.
Em fontes de tenso constante, a corrente de soldagem est diretamente
relacionada velocidade de alimentao do arame. Quanto maior for velocidade
de alimentao, maior ser a corrente fornecida pela fonte de modo a fundir o arame
alimentado poa de fuso.
Com arames tubulares com fluxo no metlico, a corrente aplicada deve
permanecer preferencialmente na metade superior da faixa recomendada para um
determinado dimetro, exceto para soldagem fora de posio nos dimetros 1,2 mm
e 1,4 mm e quando for empregado o modo de transferncia por curto-circuito a
correntes abaixo de 220 A, Figueiredo, (2005).
39
2.5 CARACTERSTICAS ECONMICAS
Machado (1993) destaca que o comportamento das caractersticas
econmicas de um consumvel para soldagem a arco voltaico analisado atravs do
seu desempenho operacional e representado pela TF (taxa de Fuso), Kg/h
equao 2.1, sendo estabelecida pelo seu consumo e TD (taxa de deposio), Kg/h
equao 2.3, relacionada ao custo total da operao de soldagem.
O rendimento R(%) equao 2.5, pode ser definido como rendimento de
deposio real atravs da razo entre a massa do consumvel, incorporado ao metal
de solda, e a massa de arame consumida durante a operao de soldagem, na
mesma unidade de tempo, ou seja, o rendimento a razo entre as taxas TD/TF
adquiridas na soldagem.
As caractersticas econmicas do arame consumvel so compostas atravs
do consumo, da produo e dos rendimentos de deposio. Segundo Mota (1998),
um dos fatores de grande importncia na seleo de um arame consumvel ou
eletrodo para soldagem o seu desempenho econmico. No entanto, dentre as
variveis capazes de interferir ou influenciar no desempenho do consumvel
destacam-se: a composio qumica; o modo de transferncia metlica; a natureza e
o valor da corrente e a polaridade; os valores da tenso e do comprimento da
distncia do eletrodo (stickout), alm das perdas de metal por salpicagem. Deve-se
considerar ainda, o dimetro do arame consumvel, o tipo de proteo e a fonte de
energia, bem como as condutividades eltricas e trmicas do consumvel que,
juntamente com as demais condies de soldagem, as quais interferem de maneira
bastante complexa no balano energtico do arco voltaico, responsvel pela fuso
do arame eletrodo.
Sendo:
Equao. 2.1
40
2.5.1 Equaes Modificadas para o Processo GMAW-CW
Segundo os estudos de SBIO (2007), para se trabalhar com dois arames
foi necessrio utilizao de dois tempos de soldagem, sendo: t1 - tempo de
soldagem com o arame-eletrodo; t2 - tempo de soldagem com o arame no
energizado. A injeo de arame frio ao arco eltrico, no entanto, se deu antes da
contagem dos tempos, onde esta s foi realizada, nos momentos de entrada e sada
da poa de fuso no chanfro, tornado os tempos t1 e t2 iguais. As Equaes 2.2, 2.3
e 2.4 so referentes taxa de fuso e a taxa de deposio para os dois arames.
Estas equaes foram modificadas por Braga (2007) tomando como base as
equaes 2.1 e 2.3 para o clculo das taxas e do rendimento e, atender as
necessidades requeridas tcnica GMAW-CW. No entanto, a equao do
rendimento de deposio no foi alterada, Equao 2.5.
Taxa de Fuso:
Equao. 2.2
Onde: t1- tempo do arame-eletrodo (s); t2- tempo do arame no energizado (s); 1- densidade linear do arame-eletrodo (g/m); 2- densidade linear do arame no energizado (g/m); l1- comprimento linear do arame-eletrodo (m); l2- comprimento linear do arame no energizado (m).
Taxa de deposio:
Equao. 2.3
Equao. 2.4
41
Onde: mi massa inicial da junta antes da soldagem (g); mf massa final da junta aps a soldagem (g); tm tempo mdio.
Rendimento de Deposio:
Equao. 2.5
2.6 CARACTERSTICAS GEOMTRICAS
A avaliao da geometria da superfcie plana do cordo de solda realizada
pela anlise dimensional de sua seo transversal. Segundo Mota (1998) e Braga
(1997), para o mesmo material e tipo de junta, a natureza do consumvel, a corrente
de soldagem, o comprimento do eletrodo, a tenso e a velocidade de soldagem
interferem na geometria da solda. A anlise da geometria da solda realizada pela
avaliao dimensional da seo transversal da Figura 2.17.
Figura 2.17 Esquema representativo das grandezas geomtricas do cordo de solda
Fonte: Arquivo pessoal
As medidas de largura (L), reforo (R) e penetrao lateral (PL), definem
tais caractersticas geomtricas do cordo de solda depositado no chanfro das
peas metlicas. A zona fundida formada por contribuies do metal base e do
metal de adio, que so misturados no estado lquido, na poa de fuso. Defini-se
42
como coeficiente de diluio (), ou simplesmente diluio, a proporo com que
o metal base participa da zona fundida.
Equao. 2.6
A diluio pode ser obtida pela medida em uma macrografia da seo
transversal da solda, das reas proporcionais s quantidades de metal base (B) e
de adio (A) fundidos (Figura 2.18). Seu valor pode variar entre 100% (soldas sem
metal de adio) e 0% (brasagem), equao 2.6.
Figura 2.18 Diluio medida na seo transversal de um cordo depositado sobre
chapa.
Fonte: Arquivo pessoal
2.7 MACROESTRUTURAS DA SOLDA POR FUSO
Durante a realizao de uma solda, esta e as regies adjacentes do metal
base so submetidas a ciclos trmicos cujas temperaturas de pico decrescem
medida que se afasta do eixo central da solda. Nestas condies, podem-se esperar
alteraes microestruturais em relao ao material original ao longo de sua seo
transversal. Desta forma, em uma solda por fuso, pode-se arbitrariamente
considerar a existncia de trs regies bsicas (Figura 2.19):
Zona Fundida (ZF): regio onde o material foi fundido durante a soldagem e
caracterizado por temperaturas de pico superiores sua temperatura de fuso.
43
Zona Termicamente Afetada (ZTA): regio no fundida do metal base, mas cuja
microestrutura e/ou propriedades foram alteradas pelo ciclo trmico de soldagem. As
temperaturas de pico so superiores a uma temperatura crtica (Tc) caracterstica do
metal base.
Metal Base (MB): Regies mais afastadas da solda que no foram alteradas pelo
ciclo trmico. Suas temperaturas de pico so inferiores a Tc. Na soldagem
multipasse, os pontos da junta podem ser submetidos a ciclos trmicos mltiplos
devido aos mltiplos passes (Figura 2.20). Assim, a estrutura resultante mais
complexa devido influncia de cada passe sobre as zonas fundidas e
termicamente afetadas originadas nos passes anteriores (Figuras 2.21 e 2.22).
Figura 2.19 Macroestrutura esquemtica da seo transversal de uma junta soldada e sua
relao com as temperaturas de pico. A - ZF, B - ZTA e C - MB.
Fonte: Modenesi 2003
Figura 2.20 Representao esquemtica dos ciclos trmicos em dois pontos genricos (1 e 2)
da ZTA de uma solda de vrios passes. A, B e C so, respectivamente, o primeiro, segundo e
terceiro passes realizados.
Fonte: Modenesi 2003
44
Figura 2.21 Representao esquemtica da estrutura da ZF e da ZTA na soldagem com um passe (a) e com vrios passes (b).
Fonte: Modenesi 2003
Figura 2.22 Aspecto Macroestrutural de soldas multipasses
Fonte: Modenesi 2003
2.8 SOLDAGENS COM MLTIPOS PASSES
Para materiais unidos pela soldagem a arco, a garantia da continuidade das
propriedades mecnicas e estruturais buscada e, para que isto seja verdadeiro um
planejamento, ou seja, um procedimento de soldagem deve ser criado, onde neste
deve constar a relevncia do material a ser soldado, suas dimenses, tipo de
soldagem e parmetros adequados para esse procedimento. Neste tpico ser
observada a necessidade ou no de se aplicar um nico passe ou vrios passes de
soldagem, conforme a espessura da junta adequadamente dimensionada.
Em soldagem que se utilizam vrios passes (multipasse), ou seja, o
acrscimo de metal sobre metal durante a unio de um material notoriamente um
conjunto sucessivo de transformaes, principalmente metalrgicas altamente
45
complexas para se descrever, j que os passes posteriores geram um efeito similar
a tratamentos trmicos sobre os passes j executados, da mesma forma sobre a
ZTA dos passes anteriores, criando uma heterogeneidade metalrgica, tendo uma
conseqente heterogeneidade de propriedades mecnica, segundo afirma Durand
(2007). Em suma, as conseqncias de soldas multipasse, conforme Easterling
(1992), so:
Cada ciclo trmico gerado pelo passe subsequente refinar ou normalizar
parte do metal de solda anterior.
O aporte de calor total por cordo reduzido na medida em que o
crescimento de gro minimizado.
O passe prvio pode fornecer um preaquecimento o qual tende a incrementar
o tempo de resfriamento.
O passe subsequente tende a refundir parte do passe anterior aliviando
tenses residuais.
Okumura e Taniguichi (1982) exemplificaram a utilizao de diversos tipos de
chanfros para vrias espessuras de material, como alguns parmetros de soldagem,
Figura 2.23
Um dos fatores a se considerar em soldagem com mltiplos passes so as
tenses residuais em soldagem, resultantes de deformaes no uniformes
causadas pelo gradiente trmico. Embora exista um alivio nas tenses geradas, o
volume de metal depositado deve ser levado em considerao, pois com a reduo
e/ou ordenao dos nmeros de passes ocorrer uma reduo do calor transferido
pea e, conseqentemente, em uma diminuio dos nveis de tenses residuais e no
grau de distoro da junta.
A Figura 2.24 mostra as distores angulares em soldas de topo de uma liga
5083 de alumnio com vrias espessuras. Como demonstrado, a distoro angular
aumenta com a espessura da pea de trabalho por causa da quantidade cada vez
maior da solda e, consequentemente, aumentando a contrao trmica aps a
solidificao. O que foi visto na Figura 2.23 uma das consequncias da deposio
de muito material em um chanfro com um procedimento de soldagem inadequado.
46
Figura 2.23 Diversos tipos de chanfros para vrias espessuras de material
Fonte: Okumura e Taniguichi 1982
47
Figura 2.24 Distoro em juntas de alumnio 5063 com espessuras de 6,4 38 mm
Fonte: Kou, 2003
No trabalho de Ji et al. (2005) foi analisada a influncia da direo e a
sequncia de deposio sobre as tenses residuais de chapas espessas com
chanfro em V e duplo V assimtrico. Uma das etapas do estudo foi verificar a
influncia da sequncia de soldagem sobre a tenso residual, conforme exemplo
descrito na Figura 2.25. Foram propostas oito variaes, seguindo a ordem
mostrada a seguir.
(a) 2 3 1 4 8 5 9 6 7;
(b) 2 3 4 1 5 8 6 9 7;
(c) 2 3 1 4 5 8 6 7 9;
(d) 1 2 8 3 9 4 5 6 7;
(e) 1 2 3 8 4 5 9 6 7;
(f) 1 2 3 8 9 4 5 6 7;
(g) 1 2 3 4 5 8 6 9 7;
(h) 2 3 4 5 1 6 8 7 9.
48
Em cada uma das sequncias de soldagem acima mencionadas, a
distribuio de tenses residuais substancialmente consistente. Portanto, somente
a tenso residual da sequncia f foi a discutida no trabalho.
Figura 2.25 Esquema dos passes de soldagem
Fonte: Ji et al, 2005
Para validar os resultados da simulao, Ji et al 2005, realizou uma
verificao experimental em chapa com duplo V. Alm disso, a fim de facilitar a
anlise, a sequncia f ser escolhida, as dimenses da chapa e as condies de
soldagem so as mesmas da simulao. A Figura 2.26 exemplifica os resultados da
simulao do teste experimental; o valor de tenso obtido basicamente o mesmo
do ponto de vista das tendncias de mudanas, isso mostra que a simulao obteve
resultados coerentes.
Figura 2.26 Valores encontrados da simulao do teste experimental
Fonte: Adaptado de Ji et al, 2005
49
O que se pode observar nos trabalhos acima citados que uma junta
soldada mal dimensionada ou depositada de forma inadequada pode acarretar
inmeras consequncias prejudiciais para o processo de soldagem, tendo em vista
esses fatores, este trabalho ir apresentar uma proposta para enchimento de
chanfro de forma a diminuir esses fatores danosos ao processo.
2.9 ENERGIA DE SOLDAGEM
A energia de soldagem um parmetro de elevada importncia metalrgica,
pois juntamente com as caractersticas geomtricas da junta e com o nvel de pr-
aquecimento, determinante nos ciclos trmico impostos ao material e, portanto nas
possveis transformaes microestruturais e no comportamento da junta (Zeemann,
2003).
Ao se observar a deposio metlica de um eletrodo revestido, atravs do arco
eltrico, verifica-se que uma parte da energia disponvel dissipada para a
atmosfera sob a forma de calor irradiante, outra pequena frao perde-se por
conveco no meio gasoso que protege a poa de fuso; a terceira parte
realmente usada para a execuo da soldagem (Wainer Brandi e Mello 1992).
Depreende-se, portanto, que nem toda a energia disponvel integralmente
aproveitada para fundir o metal-base e o eletrodo, sendo as perdas computadas
atravs da chamada energia de soldagem (H), que correlaciona quantidade de
energia disponvel para a soldagem com a velocidade de avano v da fonte de calor,
dada pela expresso.
Equao. 2.7
De acordo com Zeemann (2003) na soldagem costuma-se trabalhar com
outra grandeza denominada energia lquida (HL), o valor de HL obtido por:
Equao. 2. 8
Onde: n Rendimento trmico;
50
U tenso em volts (V);
I corrente eltrica em amperes (A);
v velocidade linear de soldagem (mm/s).
2.10 CONSIDERAES DOS ENSAIOS NO DESTRUTVEIS
2.10.1 Ensaio de Sanidade do Cordo de Solda
A anlise do aspecto superficial do metal depositado tem por objetivo
verificar a qualidade da superfcie do cordo de solda, a qual depende das
condies operacionais de soldagem estabelecidas. O aspecto superficial do metal
depositado avaliado atravs da inspeo visual com base na regularidade
geomtrica do depsito, largura e altura do reforo ao longo de seu comprimento,
alm da presena de no conformidades tais como; trincas, porosidades, respingos,
mordeduras, deposio insuficiente. (SBIO 2007)
Pode ser feito a olho nu ou com o uso de instrumentos como microscpios,
lupas, espelhos etc. Alm disso, instrumentos como rguas e gabaritos so
comumente utilizados. (MENDONA 2007). Neste trabalho ser utilizado para
avaliao superficial a norma AWS B1.11 Guia para ensaio visual de soldas
(2000).
2.10.2 Ensaio por Lquido Penetrante
utilizado para detectar descontinuidades superficiais que sejam abertas na
superfcie, tais como trincas, poros etc. Pode ser aplicado em todos os materiais
slidos e que no sejam porosos ou com superfcie muito grosseira. muito
utilizado em materiais no magnticos como alumnio, magnsio, aos inoxidveis
austenticos, ligas metlicas, alm de materiais magnticos. tambm aplicado em
cermicas vitrificadas, vidros e plsticos.
O mtodo consiste em fazer penetrar na abertura da descontinuidade um
lquido de baixa viscosidade. Aps a remoo do excesso de lquido da superfcie,
faz-se sair da descontinuidade o lquido retido atravs de um revelador. A imagem
da descontinuidade fica ento desenhada na superfcie.
51
Este mtodo consiste das seguintes etapas: preparao da superfcie
(limpeza inicial); aplicao do penetrante; remoo do excesso de penetrante;
revelao; avaliao e inspeo; limpeza ps-ensaio.
Quando comparado com outros mtodos tem a seguintes vantagens e
limitaes:
Vantagens: fcil de fazer e interpretar seus resultados; no h limitaes
para o tamanho das peas a ensaiar; pode revelar descontinuidades (trincas)
extremamente finas (da ordem de 0.001 mm de abertura).
Limitaes: s detecta descontinuidades superficiais; a superfcie no pode
ser porosa ou absorvente, j que no haveria possibilidade de remover totalmente o
excesso de penetrante, causando mascaramento do resultado; a aplicao do
penetrante deve ser feita numa determinada faixa de temperatura, pois superfcies
muito frias (abaixo de 10C) ou muito quentes (acima de 52C) no so
recomendveis ao ensaio. A Figura 2.27 mostra um resumo da sequencia do ensaio
por lquidos penetrantes, segundo a NORMA PETRORS N 1596.
Figura 2.27 Resumo da Seqncia de ensaio do LP
Fonte: ANDREUCCI, 2006
52
2. 10.3 Ensaio de Microdureza
A dureza por penetrao o tipo de ensaio mais comum na caracterizao
das propriedades mecnicas. Seus tipos mais comuns so dureza Rockwell e
Brinell, e microdurezas Vickers e Knoop. Tratando-se de microdureza, este tipo de
ensaio favorece situaes, onde as condies prticas necessitam determinar a
dureza de corpos de prova de pequenas reas. O ensaio de microdureza produz
uma impresso de dimenses microscpicas atravs do uso de penetradores de
diamante e cargas menores que 1 kgf. A microdureza Vickers utiliza o mesmo
procedimento de medio de dureza, enquanto que o mtodo Knoop utiliza um
penetrador de diamante na forma de uma pirmide alongada, atravs da relao 7:1
entre as diagonais, maior e menor. Este ensaio usado para a determinao da
dureza de materiais frgeis e de camadas finas. A realizao do ensaio de
microdureza de modo geral requer uma preparao cuidadosa do corpo de prova.
Atravs de uma ocular presente na mquina de microdureza, o responsvel
pelo ensaio identifica as extremidades do losango atravs de duas barras paralelas,
dependendo da distncia entre essas duas barras apresentado um valor de
microdureza, onde o equipamento realiza clculos pra estimar esse valor (Tabela
2.1). A magnitude da carga a ser aplicada no ensaio funo da microdureza do
material em estudo, gerando uma impresso regular, sem deformao e com
tamanho adequado para medio. Obviamente, para um mesmo material, quanto
maior o valor da carga maior ser a impresso produzida. A seleo do valor de
carga permite ainda a medio da microdureza de fases discretas da microestrutura.
A microdureza tambm permite a existncia de correlaes com outras propriedades
como a dureza Brinell, o limite de resistncia trao e o limite de
proporcionalidade. Estas relaes so teis em circunstncias em que necessria
uma estimativa da resistncia de um material e no se dispe de um equipamento
de ensaio de trao, ou em caso contrrio a esse. Pode ser visualizado pela Figura
2.28 um exemplo de tomada de valores de microdureza.
53
Tabela 2.1 Comparativo entre os testes de Microdureza
Fonte: Rodrigues, 2011.
Figura 2.28 Representao esquemtica da impresso por microdureza.
Fonte: Mendona, 2007.
54
2.10.4 Ensaio de Dobramento
O ensaio de dobramento norma ASTM E 190 - 2003 enquadra-se em um
dos ensaios dos materiais de maior simplicidade de realizao, devido s suas
descries qualitativas a respeito da ductilidade do material e por, geralmente, no
se obter valores numricos representativos para ensaios comuns. Onde desde j,
dependendo de outras variaes permite obter valores de certas propriedades
mecnicas do material conforme Souza (1982), Garcia, e Santos (2000), Callister
(2007) entre outros. Dessa forma, o ensaio consiste praticamente em duas formas
bsicas. O primeiro conhecido como ensaio livre, fornece o dobramento a partir da
aplicao de uma fora nas extremidades do corpo de prova, sem aplicao de
carga no ponto de mximo dobramento. Ou ento, quando uma extremidade fica fixa
em um engaste e na outra aplicada fora responsvel pelo dobramento no centro
(ou prximo do centro) do corpo de prova. O segundo caso, o ensaio de dobramento
semiguiado, o mais comumente utilizado, efetuado ao se aplicar uma carga no
centro (ou na extremidade) de um corpo de prova de eixo retilneo assentado sobre
dois apoios (ou um apoio). Tal fora aplicada por meio de um cutelo que possui
determinado dimetro (D) que define a severidade do ensaio, quanto menor a
medida, mais intenso o dobramento, sendo que isto est em funo da espessura do
material. O ensaio termina quando o material flexionado at um determinado
ngulo . Este ngulo pode atingir 90, 120 ou 180, dependendo das
especificaes do teste. Um exemplo pode ser dado conforme a Figura 2.29.
De acordo com Garcia, e Santos (2000), o ensaio de dobramento visa
anlise de parmetros como o encruamento do material e o raio mnimo em que este
pode ser submetido sem que ocorra a ruptura. Alm do retorno elstico do
dobramento aps a retirada da carga e da formao de defeitos na regio dobrada.
Este basicamente o objetivo para qualquer material. Sendo que, no caso do
emprego deste ensaio em corpos de prova soldados tambm se realiza a
qualificao de soldadores e de processos de soldagem, de forma que o ngulo de
dobramento sempre de 180. Na ocasio, de se avaliar a qualidade da solda,
empregam-se mais o ensaio de dobramento livre.
55
Figura 2.29 Representao esquemtica do ensaio de dobramento: (a) e (b) Posicionamento das amostras antes e durante o dobramento, respectivamente. (c) Corpo de Prova dobrado at o ngulo desejado.
(a) (b) (c)
Fonte: Internet (www.cimm.com.br): acessado em 25/maio/2011
Outra particularidade significativa no dobramento de peas soldadas a
orientao dos corpos de prova, de forma que para soldas de topo o ensaio pode ser
realizado cinco distintas formas (Figura 2.30):
Dobramento Lateral Transversal: o eixo da solda perpendicular ao eixo
longitudinal
do corpo de prova, o qual dobrado de modo que uma das superfcies laterais da
solda
torna-se a superfcie convexa do corpo de prova;
Dobramento Transversal de Face: o eixo da solda perpendicular ao eixo
longitudinal do corpo de prova, o qual dobrado de modo que a face da solda fique
tracionada, tornando-se a superfcie convexa do corpo de prova;
Dobramento Transversal de Raiz: semelhante ao anterior, porm a raiz da
solda que fica tracionada;
Dobramento Longitudinal de Face: o eixo da solda paralelo ao eixo
longitudinal do corpo de prova, o qual dobrado de modo que a face da solda fique
tracionada tornando-se a superfcie convexa do corpo de prova; e
Dobramento Longitudinal de Raiz: semelhante ao anterior, porm a raiz da
solda que fica tracionada.
56
Figura 2.30 Modelo dos corpos de prova soldados para dobramento: (a) Lateral Transversal; (b) Transversal de face; (c) Transversal de raiz e (d) Longitudinal de face e de raiz.
Fonte: Adaptado da norma ASTM E 23-97 (Rodrigues 2011)
A avaliao deste ensaio objetiva aps alcanar o ngulo desejado (180 no
caso de corpos de prova soldados), o exame a olho nu da zona tracionada do corpo
de prova atentando para o aparecimento de trincas, fissura ou fendas. Caso estes
defeitos ocorram antes ou at atingir o ngulo desejado, o material foi reprovado no
teste. Apenas para corpos de prova soldados, os defeitos anteriormente citados,
fissuras e fendas, presentes nas arestas no so considerados, desde que eles no
se demonstrem originrios de incluses de escria, porosidades ou outros defeitos
internos provenientes do processo de soldagem. Tambm fissuras com largura
inferior a 1,5 mm no so consideradas como defeitos que condenem a qualidade
da solda, mas sim como descontinuidades de soldagem.
57
2.11 MICROCONSTITUINTES DO METAL DE SOLDA
Ao final da soldagem, a zona fundida apresentar uma microestrutura
resultante das interaes ocorridas no metal lquido, do processo de solidificao e
de eventuais transformaes no estado slido que ocorram durante o resfriamento
da solda (por exemplo, formao de precipitados) (MODENESI 2004).
Para os aos com baixo teor de carbono e baixa liga, a poa de fuso
solidifica-se inicialmente como ferrita, podendo sofrer uma reao perittica com a
formao de austenita. Durante o resfriamento, a ferrita remanescente transforma-se
em austenita. Esta, em funo das elevadas temperaturas, sofrem um grande
crescimento de gro, tendendo a apresentar uma estrutura de gros colunares e
grosseiros, similar a estrutura original de fuso da ZF, (MODENESI 2004)
Assim, segundo Modenesi (2004), a microestrutura da zona fundida do metal
de solda baixo carbono e baixa liga resultado do crescimento epitaxial colunar do
metal de solda solidificado, sendo influenciada pelo estado inicial da austenita
(composio, tamanho de gro e micro-segregaes), das condies de
aquecimento e resfriamento, bem como dos efeitos dos elementos de liga.
Em uma solda de um s passe, a microestrutura da ZF ser formada pelos
produtos da decomposio da austenita em ferrita durante o ciclo de resfriamento
contnuo, sendo que a ferrita assume diferentes morfologias, algumas de grande
semelhana. Em soldas multipasse, a microestrutura ser ainda mais complexa,
sendo formada por regies reaquecidas e alteradas pelos ciclos trmicos dos passes
seguintes e por regies que permaneceram basicamente inalteradas. (MODENESI
2004)
As fases resultantes da decomposio da austenita so basicamente: ferrita,
cementita e martensita.
Alm destas, pequenas quantidades de austenita podem permanecer
inalteradas (austenita retida) e diferentes precipitados (outros carbonetos, nitretos,
etc.) e incluses podem existir. Estas fases podem aparecer na forma de diferentes
constituintes, nem sempre de fcil identificao, a qual ainda mais dificultada pela
grande diferena de aparncia destes constituintes em relao aos do metal base. O
Instituto Internacional de Soldagem (IIW) desenvolveu um sistema de classificao
para os constituintes do metal de solda, baseado na sua observao com o
58
microscpio tico. Segundo este sistema, os constituintes mais comuns da zona
fundida podem ser classificados como:
Ferrita de Contorno de Gro PF(G)
Ferrita Poligonal Intragranular PF(I)
Ferrita com Segunda Fase Alinhada FS(A)
Ferrita com Segunda Fase no Alinhada FS(NA)
Ferrita Acicular AF
Agregado ferrita-carboneto FC
Martensita - M
A Figura 2.31 ilustra este sistema. Normalmente, em estudo que envolve a
correlao entre a microestrutura e as propriedades do metal de solda, necessrio
realizar metalografia quantitativa no metal de solda, determinando-se a frao ou
predominncia de seus diferentes constituintes.
Figura 2.31 Representao esquemtica de constituintes microestruturais
Fonte: Modenesi 2004
59
a)- Fronteira imaginria entre PF(G) e FS.
bi)- Ferrita sob o retculo 3x a largura mdia da ripas de ferrita que a circundam.
ci)- Duas ou mais ripas paralelas e relao comprimento/largura > 4/1.
cii)- Duas ripas com relao comprimento/largura rea individual das ripas de ferrita
A seguir, o resumo das caractersticas dos constituintes segundo o sistema
de classificao do IIW e a Figura 2.32 que ilustra este sistema.
Ferrita Primria (PF) Este constituinte pelo seu aspecto claro e liso pode
ocorrer sob duas formas e computadas como constituintes distintos, se o observador
estiver confiante que a sua diferena clara:
Ferrita de Contorno de Gro PF(G) Constituda por veios de ferrita associados
a contorno de gros austenticos. o constituinte de mais fcil identificao no metal
de solda pelo seu aspecto claro e liso. Costuma adotar a forma de veios, delineando
o contorno de gro colunar da austenita prvia. Isto se deve ao fato que sua
nucleao e crescimento ocorrem nestes contornos, conferindo-lhes assim uma
forma alongada, Figura 2.31-a.
Ferrita Poligonal Intragranular PF(I) Aparece na forma de gros, normalmente
poligonais, e nucleia quase que exclusivamente no interior dos gros austenticos
apresentando dimenses superiores ao triplo da largura mdia das ripas da Ferrita
Acicular ou da Ferrita com Segunda Fase, que as circundam, Figuras 2.31(bii).
Ferrita com Segunda Fase Alinhada FS(A) Duas ou mais ripas de ferritas
paralelas. Quando existirem somente duas ripas, deve-se classificar como Ferrita
com Segunda Fase Alinhada somente se sua razo de aspecto for maior que 4:1.
Caso isto no se verifique, o constituinte dever ser classificado como Ferrita
Acicular ou Ferrita Poligonal, Figuras 2.31- ci.
60
Ferrita com Segunda Fase no Alinhada FS(NA) Ferrita circundante
(completamente) s microfases ou s ripas de Ferrita Acicular, Figura 2.31.
Ferrita Acicular (AF) Constituinte intragranular de gro fino, com uma
morfologia emaranhada em gros se entrecruzando no interior do gro da austenita
prvia, separados por contornos de alto ngulo e razo de aspecto variando de 3:1
at 10:1. Pode incluir ainda ripas isoladas de elevada razo de aspecto. Uma regio
de AF freqentemente apresenta a morfologia de uma estrutura de Widmanstatten,
mas tambm incluem ripas isoladas de comprimento superior a largura, Figuras
2.31- bi, 2.31-cii e 2.31-di
Martensita (M) o micro constituinte que se forma como produto final de
transformao, ocorrendo freqentemente em soldagens com baixo aporte trmico.
Colnias de martensita maiores que as ripas de ferrita dentro dos gros austenticos
prvios adjacentes. Colnias menores devem ser tratadas como microfases. o
constituinte que se forma como produto final de transformao.
Agregados Ferrita e Carbetos (FC) So constitudos por uma estrutura fina de
ferrita e carbetos, incluindo perlita e ferrita com carbetos interfsicos. Constituinte
formada fora do contorno de gro da austenita. Apresenta uma estrutura interna cuja
resoluo fica abaixo da obtida por microscopia tica, formando reas escurecidas,
Figura 2.31-dii (MODENESI 2004)