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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Análise da Influência dos Parâmetros de
Pulsação na Soldagem do Aço Inoxidável AISI
304 Através do Arame Tubular AWS E316LT1-4
Autor: Alexandre de Oliveira Dias
Orientador: Prof. Dr. Sebastião Carlos da Costa
Itajubá, Junho de 2009
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Análise da Influência dos Parâmetros de
Pulsação na Soldagem do Aço Inoxidável AISI
304 Através do Arame Tubular AWS E316LT1-4
Autor: Alexandre de Oliveira Dias
Orientador: Prof. Dr. Sebastião Carlos da Costa
Curso: Mestrado em Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Projeto e Fabricação
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica como
parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Junho de 2009
Itajubá - MG
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Análise da Influência dos Parâmetros de
Pulsação na Soldagem do Aço Inoxidável AISI
304 Através do Arame Tubular AWS E316LT1-4
Autor: Alexandre de Oliveira Dias
Orientador: Prof. Dr. Sebastião Carlos da Costa
Composição da Banca Examinadora:
Prof. Dr. Rosinei Batista Ribeiro – EEL-USP
Prof. Dr. Edmilson Otoni Corrêa - IEM/UNIFEI
Prof. Dr. Sebastião Carlos da Costa, Presidente – IEPG/UNIFEI
Dedicatória
À minha mãe Maria Aparecida,
Ao meu pai Manoel Dias e ao meu avô Antônio (in memorian)
À minha irmã Cristina e sobrinhos Diego e Danilo.
À minha Lucileny Cristina.
Agradecimentos
Primeiramente ao Dai-Gohonzon, pela força, perseverança e por ter me permitido
sobreviver até este momento, após vários momentos críticos que tive em minha vida.
Ao meu mestre Daisaku Ikeda.
Aos Professores da Universidade Federal de Itajubá, pelo apoio e valiosas sugestões,
que contribuíram para a elaboração deste trabalho.
Ao Instituto de Engenharia Mecânica da UNIFEI, representado pelos seus dedicados
Professores e Funcionários, pela oportunidade que me concedeu na realização deste trabalho,
e aos amigos desse Instituto, pelo convívio profissional.
À minha mãe Cida e avô Antônio (in memorian), que sempre me incentivaram na
formação e no desenvolvimento profissional e acadêmico.
Ao meu pai pelo exemplo de competência e honestidade em sua carreira militar.
Ao meu grande e único amor Lucileny por ser minha fortaleza, ter me acompanhado
em toda minha vida acadêmica, por tornar as dificuldades mais suaves, para atravessar esse
árduo caminho e por ter me ajudado nos ensaios por Líquido Penetrante.
Ao professor Dr. Sebastião Carlos da Costa, pela valiosa competência, conhecimento,
dedicação, paciência e amizade.
Aos professores Wlamir, Vilmar, Ricardo Risso, Marcio Tadeu, Edmilson, Juliano
pelo apoio no mestrado.
Aos funcionários da oficina mecânica, pelo apoio e participação durante a fase de
realização dos ensaios, principalmente à amizade do técnico e instrutor de soldagem Luis
Fernando.
Ao Msc. Jorge Rosa e ao técnico em química Leandro do DEMAR da EEL-USP.
Aos funcionários Chico, Aureliano e Carlos Alberto, da oficina mecânica do LCP –
INPE, pela importante ajuda na confecção de parte dos corpos de prova para o ensaio de
tração.
Aos amigos Jeovani, sua irmã Lucilene e família.
Aos amigos Marcos, Marcão, Luciana, Michelle Maia, Alexandre Féo, Patrícia,
Bruno, Eduardo, Aguinaldo, Máxime, André, Andréa, Guilherme, Valdir e Vanderlei, pelo
permanente incentivo, colaboração, amizade, momentos de lazer e inesquecível convívio
profissional.
Aos amigos da república (Marcos, Daniel, Ulisses e Noroaldo), pelo permanente
incentivo, colaboração, amizade, momentos de lazer e inesquecível convívio profissional.
À Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais (FAPEMIG), através do
Programa de bolsas, pelo apoio financeiro.
Ao Dr. Damien J. Kotecki da Lincoln Eletric Co. dos Estados Unidos, pela orientações
na escolha do tema na fase inicial do trabalho.
Ao mestre e grande amigo Jéferson e aos companheiros do Aikido pelos ensinamentos
em ter e manter a energia pelo caminho da harmonia.
À ESAB pelo fornecimento do arame AWS E316LT1-4.
À ACESITA pelo fornecimento das chapas de aço inoxidável AISI 304.
“A vida é uma contínua batalha contra as adversidades. Viver é como subir um rio,
remando contra sua veloz correnteza. Portanto, devemos lutar sempre. Sobrepujar
quaisquer obstáculos que venham a surgir em nosso caminho significa viver uma
existência vitoriosa”.
Daisaku Ikeda.
Resumo
DIAS, A. O. (2009), Análise da Influência dos Parâmetros de Pulsação na Soldagem do Aço
Inoxidável AISI 304 Através do Arame Tubular AWS E316LT1-4, Itajubá, 116p.
Dissertação (Mestrado em Projeto e Fabricação) - Instituto de Engenharia Mecânica,
Universidade Federal de Itajubá.
Este trabalho tem por finalidade analisar os parâmetros de soldagem no modo
de transferência pulsado, em soldagens de chapas finas de aço inoxidável austenítico AISI
304, por meio da utilização de arame tubular AWS E316LT1-4, sob proteção gasosa e na
posição plana. Os testes foram realizados em juntas de topo, com chapas de aço de 3 mm de
espessura. As variáveis do processo analisadas foram a corrente de pico, o tempo de pico, a
corrente de base e a freqüência de pulsação. Foram analisadas as características de
estabilidade do arco elétrico, geométricas, econômicas e a qualidade visual do cordão de
solda, como respostas para se verificar a influência dos parâmetros e sua posterior otimização.
Para tal finalidade utilizaram-se técnicas estatísticas como ferramentas de análise, sendo
empregado numa primeira fase o planejamento fatorial fracionário. Partindo-se da condição
otimizada, fez-se uma análise da influência da energia de soldagem (H) sobre as
características microestruturais e perfis de microdureza na zona fundida e zona termicamente
afetada, bem como seus efeitos sobre a resistência à tração dos cordões de solda. Os
resultados obtidos permitiram determinar a influência dos parâmetros do processo sobre as
características da solda, porém a deformação das peças, muito embora muito intensa, não
apresentou significância estatística, impedindo a análise da interação desta com a penetração
do cordão. O número de ferrita δ gerado pelas soldas foi de aproximadamente 7%, o que
conduziu a um modo de solidificação FA (Ferrítico-Austenítico), sem presença de trincas de
solidificação, comprovados pelas análises metalográficas. Anomalias verificadas em algumas
condições de soldagem foram geradas em função na irregularidade da alimentação do arame,
que pode ter sua causa associado à contaminação das mesmas pelo ar atmosférico, o que além
de alterar o número de ferrita pela presença de nitrogênio, provocou também a formação de
pequenos poros. Análises metalográficas mostraram presença de ferrita nos contornos de
grãos e ausência de carbonetos de cromo. Análises de perfis de dureza não mostraram grandes
variações dos mesmos quando submetidos a diferentes aportes térmicos. Entretanto análises
de resistência à tração sugere que os melhores resultados da solda ocorreram com níveis de
energia em torno de 590 kJ/mm, condição esta coincidente com a condição geométrica
otimizada através das análises estatísticas.
Palavras – Chave
Soldagem de aços inoxidáveis, FCAW, Corrente Pulsada, Metalografia, Planejamento
de experimentos, microdureza.
Abstract
DIAS, A. O. (2009), The influence analysis of pulsed parameters on the stainless steel
welding of AISI 304 using a flux cored AWS E316LT1-4, Itajubá, 116p. Msc.
Dissertation - Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.
This study aims to analyze the parameters influence in pulsed welding mode of thin
plates of austenitic stainless steel AISI 304 by using a flux cored wire class AWS E316LT1-4,
under protective gas and flat position. The tests were performed using a bead on plate
technique, with steel plates of 3 mm thick. The variables analyzed were the peak current, peak
time, the background current and the pulse frequency. The arc stability, the bead geometric
aspects, the economic characteristics and the visual quality of the weldings were analyzed as
responses to the influence of parameters and their subsequent optimization. For this purpose,
statistical techniques based on the fractional factorial design were used. Based on the
optimized condition, the influence of the heat input (H) on the microstructural features and
hardness profiles of the molten zone and heat affected zone were evaluated. Also the
mechanical resistance of selected specimens was determined.
The results allowed to determine the influence of process parameters on the
characteristics of the welding. The plates deformation, although very intense, showed no
statistical significance, preventing the analysis of this interaction with the penetration of the
welding. The ferrite δ number was approximately 7%, leading to a FA (ferritic-austenitic)
solidifying mode, without the presence of solidification cracking. Anomalies in some welding
conditions were generated by the instability wire feeding rate, which may be the cause of
some air bead contamination, resulting in a presence of small pores associated with the
reduction of ferrite number by the presence of nitrogen. Metallographic examinations showed
the presence of ferrite in the grain boundaries and absence of the chromium carbides. Analysis
of the hardness profiles showed no significant influence of heat input in the fusion zone and
heat affected zone. However, tensile tests suggests that the best results of the welded
specimens occurred with levels of heat input around 590 kJ /mm, same optimized welding
conditions verified by statistical analysis.
Keywords
Stainless Steel Welding, Flux Cored Arc Welding, Pulsed Current, Metallographic,
Design of Experiments, Micro Hardness.
i
Sumário
SUMÁRIO _________________________________________________________________ i
LISTA DE FIGURAS _______________________________________________________ iv
LISTA DE TABELAS ____________________________________________________ viii
SIMBOLOGIA ____________________________________________________________ ix
LETRAS LATINAS ________________________________________________________ ix
LETRAS GREGAS ________________________________________________________ ix
ABREVIATURAS _________________________________________________________ x
SIGLAS __________________________________________________________________ xi
CAPÍTULO 1 _____________________________________________________________ 1
1.1 Introdução ___________________________________________________________ 1
1.2 Objetivos ____________________________________________________________ 3
1.3 Limitações do Trabalho _________________________________________________ 4
1.4 Motivação e Possíveis Contribuições _______________________________________ 5
1.5 Estrutura do Trabalho ___________________________________________________ 6
CAPÍTULO 2 _____________________________________________________________ 8
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA _______________________________________________ 8
2.1 Introdução e Características dos Aços Inoxidáveis ____________________________ 8
2.2 Propriedades Gerais dos Aços Inoxidáveis Austeníticos _______________________ 10
2.2.1 Os Aços Inoxidáveis AISI 304 e 316 __________________________________ 12
2.3 Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis ______________________________________ 15
2.3.1 Sensitização _____________________________________________________ 16
2.3.2 Trincas de Solidificação ____________________________________________ 18
2.4 Soldagem dos Aços Inoxidáveis Austeníticos 19
ii
2.5 Metalurgia da Soldagem dos Aços Inoxidáveis Austeníticos ___________________ 21
2.5.1 Estrutura da Zona Fundida __________________________________________ 25
2.5.2 Número de Ferrita ________________________________________________ 29
2.5.3 Diagrama de Schaeffer _____________________________________________ 30
2.6 O Processo de Soldagem com Arames Tubulares ____________________________ 32
2.6.1 Características Principais ___________________________________________ 32
2.6.2 Proteção Gasosa __________________________________________________ 33
2.6.3 Modos de Transferência Metálica ____________________________________ 36
2.6.4 Parâmetros de Soldagem ___________________________________________ 40
2.6.5 Arames Tubulares para Aços Inoxidáveis ______________________________ 41
2.6.5.1 Arames Tubulares de Aço Inoxidável para Soldagem na Posição Plana ___ 43
2.6.5.2 Arames Tubulares Recomendados para a Soldagem do Aço Inoxidável
AISI 304 __________________________________________________________ 44
2.6.5.3 Arames Tubright AWS E316LT1 ________________________________ 44
2.7 Considerações Finais __________________________________________________ 46
CAPÍTULO 3 ____________________________________________________________ 47
METODOLOGIA EXPERIMENTAL ________________________________________ 47
3.1 Banco de Ensaios e Procedimento Experimental _____________________________ 48
3.2 Testes de Simples Deposição ____________________________________________ 50
3.2.1 Preparacão dos Corpos-de-Prova _____________________________________ 52
3.3 Soldagem de Simples Deposição variando-se a Energia de Soldagem 54
3.4 Soldagem de União com Variação de Energia _______________________________ 56
3.4.1 Ensaios por Líquido Penetrante ______________________________________ 57
3.4.2 Ensaios de Tração _________________________________________________ 58
3.4.3 Ensaios de Microdureza Vickers _____________________________________ 59
CAPÍTULO 4 ____________________________________________________________ 60
RESULTADOS E DISCUSSÕES ____________________________________________ 60
4.1 Resultados e Análises dos Efeitos dos Parâmetros de Pulso em Soldagens de Simples
Deposição ______________________________________________________________ 61
4.1.1 Análise de Variância_______________________________________________ 62
iii
4.1.2 Regularidade de Alimentação do Arame _______________________________ 64
4.1.3 Análise de Penetração______________________________________________ 65
4.1.4 Análise da Convexidade do Cordão ___________________________________ 66
4.1.5 Análise da Diluição _______________________________________________ 67
4.1.6 Otimização das Condições de Soldagem _______________________________ 68
4.1.7 Comentários Finais ________________________________________________ 69
4.2 Análises dos Efeitos da Energia na Soldagem nas Propriedades Metalúrgicas ______ 70
4.3 Análises dos Efeitos da Energia na Soldagem nas Propriedades Mecânicas ________ 78
4.3.1 Análise de Microdureza Vickers na Soldagem de Deposição da 1ª Etapa ______ 78
4.3.2 Análise de Penetração em Juntas de Topo ______________________________ 82
4.3.3 Análise de Microdureza Vickers na Soldagem de Deposição Variando-se a
Velocidade de Soldagem ________________________________________________ 84
4.4 Soldagem de União em Juntas de Topo com Chanfro em V
85
4.4.1 Ensaio por Líquido Penetrante _______________________________________ 85
4.4.2 Ensaios de Microdureza Vickers _____________________________________ 87
4.4.3 Ensaios de Tração _________________________________________________ 87
4.5 Considerações Finais __________________________________________________ 93
CAPÍTULO 5 ____________________________________________________________ 95
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 95
5.1 Conclusões __________________________________________________________ 95
5.2 Sugestões para Trabalhos Futuros ________________________________________ 97
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ________________________________________ 98
ANEXOS _______________________________________________________________ 110
INTRODUÇÃO __________________________________________________________ 110
A.1 Testes Exploratórios _________________________________________________ 110
A.2 Soldagem de União com Variação de Energia _____________________________ 115
iv
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Consumo dos principais processos de soldagem no Brasil em 2007
5
Figura 2.1 – Efeito do teor crescente de cromo na resistência à corrosão atmosférica de ligas
Fe-Cr
9
Figura 2.2 – Principais tipos de aços inoxidáveis
10
Figura 2.3 – Alterações na composição química a partir do aço inoxidável austenítico 304,
visando suas propriedades
13
Figura 2.4 – Expansão térmica x 10
-6
, por °C (30-100°C) 13
Figura 2.5 – Micrografia óptica com campo polarizado do aço inoxidável AISI 304 no estado
como recebido
15
Figura 2.6 – Representação esquemática da sensitização na ZTA em um aço inox
16
Figura 2.7 – Sensitização na ZTA do aço inoxidável austenítico AISI 304
17
Figura 2.8 – Seção vertical do diagrama ternário Fe-Cr-Ni com 18% de cromo, para teor de
carbono inferior a 0,03%
22
Figura 2.9 – Cinética de precipitação do carbono M
23
C
6
em um aço AISI 304, contendo
0,05% de carbono, previamente temperado de 1250
o
C 23
Figura 2.10 – Relação entre a precipitação de M
23
C
6
e a sensibilização à corrosão
intergranular (do mesmo material)
23
Figura 2.11 – Diagrama pseudo-binário Fe-Cr-Ni para um teor de ferro de 70%
25
Figura 2.12 – Morfologias de ferrita δ na zona fundida dos aços inoxidáveis austeníticos
27
Figura 2.13 – Microscopia óptica da microestrutura da ZTA do AISI304 soldado com o arame
AWS E 316LT1 (soldagem de deposição com H = 395 J/mm - Parte 1 deste trabalho)
28
Figura 2.14 – Soldagem com arame tubular através de proteção gasosa
32
Figura 2.15 – Modos de transferências metálicas
36
Figura 2.16 – Modos de transferências metálicas de acordo com a classificação do IIW
37
v
Figura 2.17 – Formas típicas de transferências metálicas na soldagem com arames tubulares.
Arames: (a) “metal cored”, (b) rutílico, (c) básico e (d) auto-protegido
37
Figura 2.18 – Representação do processo de transferência no modo pulsado
39
Figura 2.19 – Algumas formas de seção transversal dos arames tubulares
42
Figura 2.20 – Escória do arame tubular AWS E316LT1-4
45
Figura 3.1 – Banco de ensaios do Laboratório de Soldagem da UNIFEI
49
Figura 3.2 – Representação da área da seção transversal do cordão de solda
53
Figura 3.3 – Ensaio de microdureza Vickers: (a) H = 395 J/mm; (b) H = 545,3 J/mm
54
Figura 3.4 – Testes para análise da penetração com H = 450,4 J/mm e H = 650,7 J/mm
55
Figura 3.5 – Dimensões da junta dos corpos-de-prova
56
Figura 3.6 – Dispositivo para proteção gasosa da raiz ou purga ("backing gases")
57
Figura 3.7 – Ensaio de líquido penetrante, segundo código ASME Seção VIII, Div.1, AP.8
58
Figura 3.8 – Corpo-de-prova para ensaio de tração conforme norma ASTM E8/E 8M-08
59
Figura 3.9 – Regiões definidas para os ensaios metalográfico e de tração.
59
Figura 4.1 – Cordões das soldas obtidos nos testes finais 61
Figura 4.2 – Regularidade na alimentação do arame. (a) Efeitos principais; (b) Superfície de
contorno da interação Ip*Ib
64
Figura 4.3 – Influência dos parâmetros de soldagem Ip, Ib, tp e f na penetração
65
Figura 4.4 – Influência do tp e Ib no índice de convexidade
66
Figura 4.5 – Influência da freqüência de soldagem no índice de convexidade
67
Figura 4.6 – Influência da Ip, Ib, tp e f na diluição
67
Figura 4.7 – Condições para a otimização
68
Figura 4.8 – Perfil do cordão de solda na condição ótima (H = 590 J/mm). Ampliação 10x
69
Figura 4.9 – Diagrama de Schaeffler com aplicação para a soldagem do AISI 304 através do
arame tubular AWS E 316LT1-4
71
Figura 4.10 – Microestrutura da ferrita δ na ZTA do aço AISI 304 soldado com o arame
tubular AWS E316LT-4 com H = 805 J/mm. Aumento de 5000x
71
Figura 4.11 – Trinca de solidificação longitudinal do aço inoxidável AISI 304 soldado com o
arame tubular AWS E316LT-4 com H = 805 J/mm
72
Figura 4.12 – Microscopia óptica da ZF (penetração excessiva) no corpo-de-prova soldado
com H = 805 J/mm
73
Figura 4.13 – MEV no cdp soldado com H = 805 J/mm. Aumento de 1000x
74
vi
Figura 4.14 – MEV do cdp soldado com H = 805 J/mm. (a) Inclusão de escória. Aumento de
500x; (b) Poro superficial. Aumento de 100x
75
Figura 4.15 – EDS no poro superficial do cdp soldado com H = 805 J/mm
75
Figura 4.16 – MEV na parte central da inclusão de escória (Região C) do cdp soldado com
H = 805 J/mm. Aumento 400x
76
Figura 4.17 – EDS do ponto C da Figura 4.16 do cdp soldado com H = 805 J/mm
76
Figura 4.18 – MEV na IE do cdp soldado com H = 805 J/mm. Aumento de 3000x
77
Figura 4.19 – EDS do ponto A da Figura 4.18 do cdp soldado com H = 805 J/mm
77
Figura 4.20 – EDS do ponto C da Figura 4.18 do cdp soldado com H = 805 J/mm
78
Figura 4.21 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H= 395 J/mm
79
Figura 4.22 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 545,3 J/mm. Eixo x
79
Figura 4.23 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 545,3 J/mm. Eixo y
80
Figura 4.24 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 805 J/mm
81
Figura 4.25 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 805 J/mm. Eixo y
81
Figura 4.26 – EDS no ponto (-7) do cdp soldado com H = 805 J/mm 81
Figura 4.27 – EDS no ponto (-6) do cdp soldado com H = 805 J/mm
82
Figura 4.28 – MEV no ponto (-7) do ensaio de microdureza no cdp soldado com H = 805
J/mm. Aumento de 2000x
82
Figura 4.29 – Teste de união com H = 650 J/mm. (a) Sem chanfro. (b) Com chanfro em V
83
Figura 4.30 – Corpo-de-prova com um chanfro em V de 60°, abertura de raiz de 1,2mm e
nariz de 1,5mm
83
Figura 4.31 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 450,4 J/mm
84
Figura 4.32 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 650,7 J/mm na
soldagem de simples deposição
85
Figura 4.33 – Indicações das descontinuidades superficiais através do ensaio de LP
86
Figura 4.34 – Indicações arredondadas no cdp soldado com H = 590 J/mm
86
Figura 4.35 – Perfis de microdureza Vickers nos corpos-de-prova soldados com H = 450,4 e
650,7 J/mm em junta de topo com chanfro em V
87
Figura 4.36 – Curvas do ensaio de tração no corpo-de-prova soldado com H= 450,4 J/mm
88
Figura 4.37 – Descontinuidades no cdp soldado com H = 450,4 J/mm
89
Figura 4.38 – Curvas do ensaio de tração no cdp soldado com H = 549,7 J/mm
89
Figura 4.39 – Curvas do ensaio de tração no cdp soldado com H = 590 J/mm
90
Figura 4.40 – Curva do ensaio de tração no cdp soldado com H = 650,7 J/mm
90
Figura 4.41 – Fraturas nos cdp`s 2, 3, 4 e 5, soldados com H = 450,4 J/mm 91
vii
Figura 4.42 – MEV mostrando a seção transversal no cdp soldado com H = 650,7 J/mm.
Aumento de 44x
92
Figura 4.43 – MEV (modo retro-espalhado) mostrando a porosidade na soldagem de união
com H = 650,7 J/mm.
92
Figura 4.44 – EDS no maior poro (Po) da Figura 4.43 do cdp soldado com H=650,7 J/mm
93
Figura A.1 – Testes exploratórios em aço 1020 de ½ polegada
111
Figura A.2 – Testes exploratórios em aço 1020 de ½ polegada.
113
Figura A.3 – Testes exploratórios em aço 1020 de ½ polegada.
114
Figura A.4 – Falta de penetração e fusão da junta soldada com H = 549,7 J/mm
116
Figura A.5 – Falta de penetração e fusão da junta soldada com H = 590 J/mm.
116
Figura A.6 – Falta de penetração e fusão da junta soldada com H = 650,7 J/mm.
116
viii
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Composição química dos aços inoxidáveis AISI 304 e 316L
14
Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas para laminados a frio dos aços inoxidáveis AISI 304 e
316L
14
Tabela 2.3 – Propriedades físicas para os aços inoxidáveis AISI 304 e 316L
14
Tabela 2.4 – Composição química e propriedades mecânicas de acordo com o tipo de gás de
proteção
45
Tabela 2.5 – Tensões e correntes recomendadas de acordo com o rendimento e deposição
46
Tabela 3.1 – Composição química do metal-base e arame 49
Tabela 3.2 – Propriedades mecânicas do metal-base e consumível
49
Tabela 3.3 – Parâmetros fixos e variáveis nos testes de simples deposição
51
Tabela 3.4 – Delineamento experimental
52
Tabela 3.5 – Condições de soldagem com variação da H através da vs
55
Tabela 4.1 – Seqüência e resultados dos experimentos
62
Tabela 4.2 – Resultados da análise de variância
63
Tabela 4.3 – Respostas obtidas utilizando o “Response Optimizer”
69
Tabela 4.4 – Resultados dos ensaios de tração
93
Tabela A.1 – Parâmetros usados e resultados dos testes exploratórios com C25
111
Tabela A.2 – Parâmetros usados e resultados dos testes exploratórios com CO
2
113
Tabela A.3 – Condições finais para o modo de soldagem pulsada
114
Tabela A.4 – Resultados do ensaio de tração para H = 450,4 J/mm
115
Tabela A.5 – Resultados do ensaio de tração para H = 550 J/mm
115
Tabela A.6 – Resultados do ensaio de tração para H = 590 J/mm
115
Tabela A.7 – Resultados do ensaio de tração para H = 650,7 J/mm
115
ix
Simbologia
Letras Latinas
E módulo de elasticidade kN/mm
2
H
2
S gás sulfidrico
C carbono
Cr cromo
IE inclusão de escória
Ni níquel
vs velocidade de soldagem cm/min
gF grama força
HCl ácido clorídrico
HNO
3
ácido nítrico
gF grama força
Letras Gregas
α coeficiente de expansão térmica x10
-
6
o
C
λ condutividade térmica
W/m
o
C
γ
austenita
δ
delta (ferrita)
ρ
massa específica
g/cm
3
x
Abreviaturas
CFC cúbica de face centrada
A alongamento
%
AF austenita-ferrita
cdp corpo de prova
CP`s corpos de prova
DBCP distância bico de contato peça
mm
FA ferrita primária com formação de austenita
FCAW Flux cored arc welding
FN ferrite number
GMAW gás metal arc welding
LE limite de escoamento
MPa
LR limite de resistência
MPa
ma massa antes da soldagem
g
MB metal base
Ip corrente de pico
A
tp tempo de pico
ms
Ib corrente de base
A
Tb tempo de base
ms
TIG tungsten inert gas
F frequência
Hz
MEV microscópia eletrônica de varredura
xi
Siglas
AISI American Institute of Steel and Iron
ASME American Mechanical Engineering
AWS American Welding Society
BR Petrobrás
DEMAR Departamento de Engenharia de Materiais
EDS Espectrometria de Energias Dispersivas de Raios X
EEL Escola de Engenharia de Lorena
IEM Instituto de Engenharia Mecânica
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
LCP Laboratório de Combustão e Propulsão
UNIFEI Universidade Federal de Itajubá
USP Universidade de São Paulo
Capítulo 1
1.1 INTRODUÇÃO
Uma das grandes demandas da indústria petrolífera e do setor sucroalcooleiro é a
fabricação/manutenção de equipamentos por soldagem nas quais se desejam um menor tempo
de operação, uma menor energia imposta e uma menor distorção das peças soldadas. Nestas
aplicações, é importante que se tenha um processo com características de alta taxa de
deposição com adequada penetração (Pessoa et al., 2007). A alta taxa de deposição possibilita
o reparo de equipamentos com um menor tempo e deste modo, diminui também os custos
relacionados à parada do equipamento. Por sua vez, a menor penetração é ideal para união de
peças de pequena espessura e também para soldagem em que se exige menor distorção.
Atualmente, algumas técnicas estão sendo adotadas para proporcionar alta taxa de
deposição com menor distorção e penetração, dentre as quais se podem destacar os processos
de soldagem arame tubular e MIG/MAG com duplo arame e a utilização de corrente pulsada e
alternada no MIG/MAG. A utilização da corrente pulsada e alternada no processo MIG/MAG
agrega as características de menor distorção, menor penetração e uma maior taxa de fusão
(Pessoa et al., 2007).
As indústrias se preocupam, de forma insistente, com a obtenção de procedimentos de
soldagem que conjuguem a versatilidade, a produtividade e a qualidade, associado aos baixos
custos baixos operacionais, de forma a lhes garantir uma maior competitividade em um setor
de concorrência acirrada. Entre as opções de execução de soldagens, o processo com arame
tubular vem crescendo em utilização em função de algumas peculiaridades. Este processo
possibilita a formação de cordão com alta qualidade e bom aspecto visual, podendo ser
utilizado em todas as posições de soldagem através de ajustes adequados de seus parâmetros
2
de operação. O mesmo apresenta ainda uma alta produtividade, devido a sua elevada taxa de
deposição e com um baixo índice de respingos, proporcionando alto rendimento (Lima &
Ferraresi, 2006).
Os problemas de soldabilidade dos materiais são muitos e de difícil solução. Isto se
aplica particularmente à soldagem de aços inoxidáveis e de ligas resistentes a altas
temperaturas, por exemplo, ligas com alto teor de níquel. As soldas desses materiais não
devem ter somente propriedades físicas e mecânicas adequadas, mas precisam também ser
compatíveis com os metais-base no que diz respeito às propriedades de resistência à corrosão
e a altas temperaturas (Backman, 1977).
Os processos mais usuais utilizados na soldagem dos aços inoxidáveis são eletrodos
revestidos, TIG, plasma, MIG e resistência elétrica. O processo de soldagem por arame
tubular assemelha-se muito ao processo MIG, porém existem poucos trabalhos a respeito da
soldagem de aços inoxidáveis utilizando-se este consumível o qual fornece vantagens
significativas, tanto na qualidade do cordão de solda, como na diminuição dos custos de
soldagem. Por esse motivo escolheu-se esse metal base (AISI 304) e este tipo de classificação
de consumível (AWS E316LT1-4), pela extensa aplicação do mesmo, poucos estudos a
respeito e por ser possível a utilização do mesmo na soldagem em todas as posições.
Vários aspectos associados ao estudo do arame tubular têm sido publicados na
literatura (Oliveira, 2002; Oliveira, 2005; Starling & Modenesi, 2006) e muitos destes estudos
se referem ao comportamento e ajuste do processo frente aos diferentes modos de
transferências metálicas e sua posterior adaptação às condições de soldagens de chapas finas e
em todas as posições. Neste sentido, o modo de transferência pulsado de soldagem se mostra
como uma das mais adequadas em termos de aplicações.
No modo de transferência pulsada, a corrente oscila entre dois níveis, um baixo
(corrente de base), e um alto (corrente de pico), de modo que a corrente média resultante seja
inferior a corrente de transição (corrente onde há mudança de transferência globular/spray). A
dificuldade operacional desse tipo de transferência está no ajuste dos parâmetros de pulsação
que conduza a uma soldagem com um nível de qualidade superior, sendo muitas vezes isto
feito normalmente por tentativa e erro. Por isto, apesar de muitas vantagens, este modo de
transferência aplicado ao processo arame tubular é pouco conhecido no Brasil, sendo que seus
limites operacionais ainda não estão muito bem definidos. Alguns estudos têm sido
publicados na literatura a respeito do ajuste dos parâmetros com relação a uma maior
estabilidade do processo (Oliveira, 2005; Silva, 2007).
3
No modo pulsado, Saito (2001) e Oliveira (2005) entre outros apresentam estudos da
soldagem com arame tubular com proteção gasosa, procurando condições adequadas para
soldagem na posição plana, estudando a influência dos parâmetros de pulso sobre as
características da solda e com a otimização dos resultados minimizam a variabilidade dos
mesmos.
Em função dos trabalhos anteriores terem como metal base e de adição o aço carbono,
esta dissertação visa ampliar as possibilidades de utilização do AWS E316LT1-4 na análise da
aplicabilidade da soldagem de chapas finas de aço inoxidável AISI 304 na posição plana,
através da utilização do modo pulsado de soldagem. Em princípio este modo de transferência
permite a soldagem em todas as posições de soldagem e com a vantagem adicional de
apresentar um aporte térmico muito reduzido quando comparado ao modo de transferência
por spray, tornando-se vantajoso na minimização das deformações e ocorrência de
sensitização (corrosão intergranular) e na formação de uma microestrutura mais refinada. Isso
proporciona também uma redução na quantidade de fumos e respingos durante a soldagem e o
refino da estrutura bruta de solidificação do cordão de solda, possibilitando a diminuição da
ocorrência de trincas de solidificação
. Além disso, a investigação dos limites adequados de
pulsação e a análise da influência destes parâmetros, na soldagem de aços inoxidáveis, através
de arame tubular no que concerne à micro-dureza, resistência à tração e propriedades físicas e
metalúrgicas da zona fundida (ZF) e zona termicamente afetada (ZTA) despertam grandes
interesses.
Para atingir os objetivos deste trabalho foram utilizadas metodologias de análises
baseadas em ferramentas estatísticas através do uso do Projeto e Análise de Experimentos
(DOE – Design of Experiments). Esta técnica, quando aplicada à soldagem, permite um modo
eficiente de análise de influência de parâmetros e otimização de resultados, dentro de uma
superfície de contorno pré-estabelecida, utilizando um número reduzido de experimentos.
1.2 OBJETIVOS
Em face dos tópicos anteriormente mencionados, tendo-se em vista as condições de
trabalho disponíveis, propõe-se como objetivo principal da presente dissertação, partindo-se
de pesquisas anteriores - desenvolvidas por Oliveira (2005) e Viana (2003) - fazer uma
análise da influência dos parâmetros de pulsação nas características geométricas e produtivas
4
do cordão. Propõe-se também analisar os efeitos do aporte térmico na microestrutura e na
resistência mecânica das juntas soldadas do aço inoxidável AISI 304 através do processo com
arame tubular AWS E316LT1-4 com proteção gasosa e na posição plana. Para tanto serão
analisados a corrente de pico (Ip), a corrente de base (Ib), o tempo de pico (tp) e a freqüência
de pulsação (f), mantido um nível de tensão constante em 25 V para todos os testes. O
fabricante recomenda uma tensão de 26 V, no entanto não define a espessura da aplicação da
mesma.
Para alcançar o objetivo principal, propõem-se como objetivos secundários os itens
descritos a seguir:
Analisar a influência dos parâmetros de soldagem sobre as características
geométricas e estabilidade do arco para o modo de transferência pulsado na
posição plana, em soldagens de simples deposição;
Otimização dos parâmetros de pulsação utilizando técnicas estatísticas de
Projeto e Análise de Experimentos (DOE);
Determinar o nível de aporte térmico mais adequado para a realização das
soldagens propostas, através da variação da velocidade de soldagem;
Realizar soldagem de união com variação da energia de soldagem;
Partindo-se da condição otimizada das soldagem de simples deposição e de
união, analisar as características mecânicas e metalúrgicas dos cordões, sob
diferentes níveis de aporte térmico.
Analisar os aspectos metalográficos dentro de diferentes zonas térmicas
(microestrutura e técnica de soldagem).
1.3 LIMITAÇÕES DO TRABALHO
O presente trabalho apresenta algumas limitações. O mesmo foi desenvolvido
utilizando chapas finas (3mm) de aço inoxidável AISI 304. Portanto os resultados e suas
análises se limitam em aplicações voltados para chapas até esta espessura. Para o caso de
chapas de média e grande espessura, nas quais as condições de dissipação de calor se
modificam totalmente, diferentes análises devem ser realizadas.
5
1.4 MOTIVAÇÃO E POSSÍVEIS CONTRIBUIÇÕES
A principal motivação para o presente trabalho foi a ampliação do conhecimento do
processo de soldagem com arame tubular no modo de transferência pulsado. Percebe-se que
muitos trabalhos publicados a respeito do assunto se concentram basicamente no aço carbono.
Entretanto ao se adaptar o processo com arame tubular para soldagens dos aços inoxidáveis,
algumas dificuldades surgem em função do comportamento metalúrgico destes tipos de
metais. Assim uma contribuição esperada deste trabalho é analisar a influência desse modo de
transferência na qualidade, geometria do cordão de solda e controle das descontinuidades,
proporcionando um maior domínio do processo de soldagem com arame tubular (FCAW) no
modo pulsado, aplicado na soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos. Com isso, pretende-se
encontrar formas que garantam um intervalo de ocorrência de resultados adequados (próximos
do ótimo) para os aspectos geométricos deste processo de soldagem e neste modo de
transferência.
Este trabalho visa também, aumentar as possibilidades da utilização do processo com
arame tubular, como um processo alternativo ao processo MIG/MAG para a soldagem dos
aços inoxidáveis austeníticos. Nota-se que o processo de soldagem com arame tubular
encontra-se em fase de expansão nas aplicações para a indústria nacional sendo observada
pouca divulgação de trabalhos técnico/científicos do mesmo no Brasil, principalmente
relacionados aos aços inoxidáveis. Assim ao estudar o processo FCAW, este trabalho procura
ampliar seu conhecimento tecnológico visando uma maior utilização do mesmo pelo setor
produtivo nacional como, por exemplo, o petroquímico; já que os maiores consumos dos
principais processos no Brasil estão nos processos MIG/MAG e Eletrodo Revestido (Figura
1.1).
Figura 1.1– Consumo dos principais processos de soldagem no Brasil em 2007.
(Scotti & Ponomarev, 2008)
6
A escolha do AISI 304 e do arame tubular AWS E316LT1-4, se baseou no fato de que
estes tipos de aços são muito utilizados nas indústrias de bens de capital (indústria química,
petroquímica, de papel e celulose, farmacêuticas, alimentícias, de implementos agrícolas,
usinas de açúcar e álcool, entre outras) em virtude da durabilidade e melhor resistência à
corrosão em ambientes agressivos.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho está estruturado em cinco capítulos, que abordam os seguintes
assuntos:
Capítulo 1 - Introdução.
O presente capítulo aborda a relevância do tema escolhido, bem como os objetivos
pretendidos, as contribuições, as limitações pela escolha do tema.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica.
Discorre-se neste capítulo sobre a revisão bibliográfica, que trata dos conceitos
principais relativos ao trabalho. Faz-se inicialmente uma abordagem a respeito da
soldabilidade e metalurgia dos aços inoxidáveis e, posteriormente, aborda-se a utilização do
processo com arame tubular (FCAW) e a influência de seus modos de transferências metálicas
aplicados aos aços inoxidáveis austeníticos.
Capítulo 3 – Procedimento Experimental.
Neste capítulo é descrita a montagem experimental do trabalho, citando o banco de
ensaios e equipamentos utilizados bem como os métodos de análises para a realização dos
ensaios assim como os níveis usados para os experimentos.
Capítulo 4 – Resultados e Discussões.
Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos dos experimentos, além das
discussões acerca destes.
7
Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros.
São apresentadas neste capítulo as conclusões do trabalho realizado e sugestões para
futuros trabalhos.
Capítulo 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A finalidade deste capítulo é descrever as informações técnicas que permitam um
embasamento teórico dos aspectos relevantes da soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos,
associada ao processo com arame tubular, mais especificamente ao processo com arame
tubular tipo AWS E316LT1-4. Informações específicas aos modos de transferências metálicas
e sobre a soldabilidade e metalurgia dos aços inoxidáveis serão apresentadas, com um
enfoque especial dado aos modos de transferência pulsada e aos aços inoxidáveis austeníticos,
que são os objetivos centrais deste trabalho.
2.1 INTRODUÇÃO E CARACTERÍSTICAS DOS AÇOS
INOXIDÁVEIS
Os progressos obtidos nos processos de fabricação e refino de ligas metálicas
permitiram o desenvolvimento de aços inoxidáveis com diferentes composições químicas,
microestruturas, propriedades químicas e mecânicas.
Os aços inoxidáveis são aços de alta liga, geralmente contendo cromo, níquel,
molibdênio em sua composição química. Estes elementos de liga, em particular o cromo,
conferem uma excelente resistência à corrosão quando comparados com os aços carbono
(Modenesi, 2001). Eles são, na realidade, aços oxidáveis. O cromo da liga oxida-se em
contato com um meio oxidante, formando uma camada passiva fina e estável em condições
9
atmosféricas, camada esta constituída, principalmente, de óxido de cromo (Cr
2
O
3
), que
apresenta como características a aderência, continuidade, alta resistividade elétrica e
praticamente ausência de porosidade. Esses óxidos são responsáveis pela resistência dos aços
inoxidáveis a diferentes meios corrosivos. Ela é chamada de camada passiva e tem a função
de proteger a superfície do aço contra processos corrosivos. Para que a película de óxido seja
efetiva, o teor mínimo de cromo no aço deve estar ao redor de 11%. Assim, deve-se tomar
cuidado para não reduzir localmente o teor de cromo dos aços inoxidáveis durante o
processamento. Quando esta camada é destruída e as condições são tais que se opõem à sua
regeneração espontânea (por exemplo, em presença de um ácido redutor), um aço inoxidável
se torna muito pouco resistente à corrosão.
O efeito favorável do cromo é aparente mesmo quando uma pequena quantidade deste
elemento está presente na liga (Figura 2.1). Assim, aços com apenas 5% de cromo são muito
mais resistentes à oxidação do que os aços comuns. Contudo, reserva-se a denominação de
aços inoxidáveis às ligas Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni contendo pelo menos de 10 a 12% de Cr. Esta
concentração corresponde ao mínimo que é geralmente considerado como necessário para
garantir uma resistência à corrosão atmosférica razoável.
Figura 2.1 – Efeito do teor crescente de cromo na resistência à corrosão atmosférica de ligas
Fe-Cr (Modenesi, 2001).
10
Segundo Campbell (2007), os aços inoxidáveis são classificados, segundo a sua
microestrutura, em: aços inoxidáveis austeníticos (da série 200 e 300, incluindo-se os
superausteníticos), aços inoxidáveis ferríticos (alguns da série 400) e aços inoxidáveis
martensíticos (balanço da série 400). Existem outras variantes destes grupos, como, por
exemplo, os aços inoxidáveis duplex e os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação
(Figuras 2.2 e 2.3).
Figura 2.2 – Principais tipos de aços inoxidáveis.
Atualmente foram desenvolvidos os aços inoxidáveis supermartensíticos para serem
utilizados em tubulações de oleodutos. Estes têm uma pequena porcentagem de níquel e
melhor soldabilidade com relação aos aços inoxidáveis martensíticos (Ribeiro et al., 2004).
2.2 PROPRIEDADES GERAIS DOS AÇOS INOXIDÁVEIS
AUSTENÍTICOS
A escolha do tipo de aço inoxidável depende do processo de fabricação, tipo de
resistência e características físicas e químicas da aplicação.
11
Atualmente, os aços inoxidáveis austeníticos, formados principalmente por Fe, Cr e Ni,
cuja microestrutura é basicamente austenita (com estrutura cristalina cúbica de face centrada –
CFC), são considerados os melhores, tanto do ponto de vista de sua resistência à corrosão a
vários meios, como de suas propriedades mecânicas e de sua maior facilidade para serem
soldados e conformados mecanicamente (Modenesi, 2001; Lancaster, 1999). As ligas mais
utilizadas são aquelas contendo aproximadamente 18% de cromo e 10% de níquel. Sua
produção corresponde a 60-70% da produção total de aços inoxidáveis no mundo, formando o
maior grupo de aços inoxidáveis em uso (Lippold & Kotecki, 2005). Ao contrário dos
ferríticos e dos martensíticos, cujas propriedades assemelham-se às dos aços de baixa liga, os
aços inoxidáveis austeníticos têm uma série de características próprias, incluindo-se alguns
aspectos específicos relacionados com a soldagem.
Esta classe de materiais é caracterizada pelas seguintes propriedades (Castro & Cabenet,
1975):
Tenacidade e ductilidade superiores a da maioria dos outros aços, propriedades estas
mantidas até temperaturas muito baixas.
Boa resistência mecânica e à corrosão a temperaturas elevadas. Conseguem-se estas
características principalmente com os aços inoxidáveis austeníticos ligados com Mo
ou Si.
Elevada capacidade de endurecimento por deformação plástica (em algumas
composições). Este aumento de resistência não é acompanhado por uma elevada perda
de ductilidade.
Soldabilidade relativamente boa. Entretanto, esta característica somente pode ser obtida
pela escolha adequada do processo de soldagem e do metal de adição, o que deve ser
feito de acordo com os princípios da metalurgia da soldagem destes aços e de suas
condições de serviço.
Propriedades físicas e mecânicas (coeficiente de expansão térmica e resistência
mecânica elevada e difusividade térmica baixa) que favorece uma maior tendência à
distorção na soldagem do que a dos aços comuns.
Os aços austeníticos são não-magnéticos; no entanto podem adquirir caráter magnético
após deformação a frio (Acesita, 2006). O uso de materiais dessa classe não é recomendado
em componentes estruturais, devido a sua baixa tensão de escoamento comparada aos da
classe martensítica. Entretanto, suas propriedades mecânicas não inviabilizam o seu uso na
12
reconstrução de superfícies erodidas, como, por exemplo, no caso de cavitação em rotores de
turbinas hidráulica (Henke et al., 1998).
2.2.1 Os Aços Inoxidáveis AISI 304 e 316
O aço inoxidável austenítico AISI 304 é o mais produzido e usado pelas indústrias, em
torno de 60% em todos os grupos dos inoxidáveis, e pode ser definido como um liga com
teores no máximo de 0,08% de carbono, com aproximadamente 18% cromo e 8% de níquel e
alguns elementos residuais (Padilha, 1994). Esse aço possui elevada ductilidade, excelente
formabilidade (estampagem) a qual responde pela alta trabalhabilidade, boa resistência à
corrosão sob tensão em solução com presenças de cloretos, excelente resistência à corrosão
por pites, baixo custo em relação aos outros aços inoxidáveis com relação à resistência a
corrosão. A capacidade de endurecimento pelo processo de conformação mecânica
proporciona a elevação nos indicadores em resistência mecânica (Belejchak, 1997).
São essencialmente para-magnéticos em condições de recozimento e somente pode ser
endurecido pelo processo de conformação mecânica a frio.
A alteração da composição química a partir do aço inoxidável 304 pode ser visualizada
pela Figura 2.3. Estas características permitem sua diversidade na sua aplicação e utilização
em diversos setores industriais, como: molas, rebites, parafusos, pregos, pinos, porcas, telas,
cabos de navegação, produtos aeronáuticos, ortopédicos, odontológicos, decorativos e áreas
afins (Kane, 1993; Talbot, 1998).
Os aços AISI 316L e 304L, de baixo teor de carbono, têm maior coeficiente de
expansão térmica, comparado aos aços carbono e duplex (Figura 2.4).
Os aços AISI 304 e 316, composição química na Tabela 2.1, são, sem dúvida, os mais
populares aços austeníticos e apresentam como características principais: excelente resistência
à corrosão, excelente capacidade de conformação, alto coeficiente de expansão térmica
(Figura 2.4) e excelente soldabilidade. Normalmente estes aços são aplicados nos mesmos
tipos de indústrias, em função da similaridade de suas propriedades mecânicas e físicas
conforme destacado nas Tabelas 2.2 e 2.3, porém a diferença de comportamento entre o 316 e
o 304 se deve à presença do molibdênio na composição química do primeiro. A adição de Mo
na liga retém mais ferrita na microestrutura (Bhadeshia & Woollin, 2002).
13
Figura 2.3 – Alterações na composição química a partir do aço inoxidável austenítico 304,
visando suas propriedades (Ribeiro,2004 apud Uhlig, 1967 e Padilha, 1994).
Figura 2.4 – Expansão térmica x 10
-6
, por °C (30-100°C) (Gomes et al., 1999).
O aço inoxidável austenítico AISI 304, objeto de estudo neste trabalho, é um
material com enorme número de aplicações, sendo largamente utilizado em vários segmentos
das indústrias de açúcar e álcool, química e farmacêutica, alimentícia, cosméticos, derivados
14
de petróleo, aeronáutica, ferroviária, naval, papel e celulose, têxtil, hospitalar, entre outras.
São normalmente utilizados em tubulações, tanques, reatores, colunas de destilação,
trocadores de calor, condensadores, etc.
Tabela 2.1 – Composição química dos aços inoxidáveis AISI 304 e 316L (Acesita, 2006).
Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas para laminados a frio dos aços inoxidáveis AISI 304 e
316L (Acesita, 2006).
Tabela 2.3 – Propriedades físicas para os aços inoxidáveis AISI 304 e 316L (Acesita, 2006).
A caracterização microestrutural do aço inoxidável 304 é influenciada pela condição de
tratamento termo-mecânico ao qual o mesmo é submetido. A Figura 2.5 mostra a micrografia
do material na condição natural e o comportamento da microestrutura dos grãos austeníticos
deformados com presença de grandes irregularidades ou degraus nos contornos de grãos,
causados provavelmente pela nucleação das maclas feitas pelas marcas das bandas de
deslizamento provenientes do processo de conformação. A deformação plástica representa um
aumento na quantidade de discordâncias e defeitos atômicos responsáveis pelas interações
AISI C Mn Si P S Cr Ni Mo N
2
304 0,08 2,00 0,75 0,045 0,03 18-20 8-10,5 - 0,10
316L 0,03 2,00 0,75 0,045 0,03 16-18 10-14 2-3 0,10
AISI
Limite de
Resistência
(MPa)
Limite de
Escoamento
(MPa)
Alongamento
50mm (%)
Dureza
Rockell-B
(HRB)
Limite de
Fadiga
(MPa)
304 700 300 54 85 241
304 600 280 58 75 241
316L
530 240 40 88 -
AISI
Ρ
(g/cm
3
)
Calor
Específico 0-
100
o
C
(kCal/kg
o
C)
Resistividade
Elétrica à
Tamb
(µΩ-cm)
λ
(cal/scm
o
C)
E
(GPa)
Módulo
Rigidez (GPa)
304 8 0,29 70 0,033 193 86,2
316L 8 0,36 73 0,032 193 -
15
entre os movimentos das discordâncias, partículas dos precipitados e contornos dos grãos
(Hertzberg, 1996).
Figura 2.5 – Micrografia óptica com campo polarizado do aço inoxidável AISI 304 no estado
como recebido (Ribeiro, 2004).
A microestrutura na sua maioria é um fator preponderante as alterações significativas ao
comportamento e a resistência à corrosão localizada para os aços inoxidáveis austeníticos 304
e 310S (Ribeiro, 2004).
2.3 SOLDABILIDADE DOS AÇOS INOXIDÁVEIS
Os aços inoxidáveis, em geral, são materiais que apresentam uma boa soldabilidade,
dependendo do tipo, porém exigem alguns cuidados durante a soldagem. Cada um dos
diferentes grupos apresenta características próprias com relação à soldabilidade. Entretanto
existem outros tipos de descontinuidades introduzidas no cordão de solda, que também afetam
o desempenho da junta soldada. Na seqüência, os problemas principais relacionados à
soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos (objetivo central deste trabalho) serão mais
bem discutidos.
16
Os principais problemas de soldagem a que estão submetidos os aços inoxidáveis
basicamente se resumem a três aspectos fundamentais, ou seja, a sensitização, as trincas de
solidificação e a corrosão sob tensão (Lippold & Kotecki, 2005).
2.3.1 Sensitização
A princípio deve-se enfatizar que este fenômeno não é tanto um problema do cordão de
solda e sim da zona termicamente afetada (Foszcz, 2005). Este fenômeno ocorre nos aços
inoxidáveis austeníticos e em menor porcentagem nos aços inoxidáveis ferríticos.
A sensitização é caracterizada por um ataque localizado de contornos de grão. Estes
locais apresentam regiões adjacentes empobrecidas em cromo devido à precipitação de fases
ricas neste elemento - como os carbonetos de cromo - nos espaços intergranulares da matriz
cristalina. Caso o teor de cromo desta região fique abaixo de 11%, será uma região
preferencial a ocorrência da sensitização. Este tipo de fragilização ocorre quando o material
fica exposto na faixa de temperatura de 600 a 900°C, no entanto, os aços inoxidáveis
austeníticos submetidos a temperaturas de 420-870 ºC podem sofrer precipitação de
carbonetos, principalmente de cromo (Lippold & Kotecki, 2005). Nesta condição, a
precipitação é bastante favorecida, produzindo a região sensitizada. Nos aços inoxidáveis
austeníticos, a referida precipitação é mais rápida em torno de 650 °C (Lancaster, 1999). A
Figura 2.6 apresenta um esquema da sensitização (corrosão intergranular) ocorrendo na zona
afetada pelo calor de um cordão de solda; o mesmo efeito é mostrado no AISI 304 (Figura
2.7).
Figura 2.6 – Representação esquemática da sensitização na ZTA em um aço inox (Acesita,
2005).
17
Figura 2.7 – Sensitização na ZTA do aço inoxidável austenítico AISI 304 (Campbell, 2007).
Para evitar este problema deve-se utilizar um aço inoxidável com teor mais baixo de
carbono, idealmente abaixo de 0,03% (como o arame E316LT1); utilizar materiais de adição
que possuam uma afinidade maior ao carbono que ao cromo (aços inoxidáveis 18-8
estabilizados ao titânio e ao nióbio, como os tipos 321 ou 347) ou um tratamento de
solubilização (entre 1000 e 1100
o
C) dos carbonetos, após a soldagem (Foszcz, 2005;
Lancaster, 1999).
A corrosão intergranular é um tipo de corrosão que se baseia no ataque corrosivo em
toda extensão do material. Esses materiais se tornam mais susceptíveis a esse problema,
devido ao fenômeno de sensitização que resultam na precipitação preferencial de partículas de
segunda fase (Cr
23
C
6
) em toda extensão dos contornos dos grãos e o empobrecimento de
elementos de liga nas regiões adjacentes (Callister, 2002; Guimarães, 2002). Segundo
Fedele (2000), a composição do precipitado é M
23
C
6
: 35% Fe, 60% Cr, 2% Ni e 3% Mo.
As difusividades dos elementos estabilizadores na austenita são parâmetros importantes
que contribuem para a formação dos carbonetos de cromo e que por outro lado, baixas
difusividades são positivas, de tal modo que contribuem para o coalescimento mais lento dos
precipitados, podendo ocasionar o aumento dos contornos dos grãos durante os tratamentos
térmicos e consequentemente sensitização (Honeycombe, 1984).
A sensibilidade à corrosão intercristalina depende de vários fatores como os teores de
carbono, de cromo e níquel, da granulação do aço e do tempo e temperatura de exposição
(Viana, 2003).
Uma baixa energia de soldagem pode limitar, mas não eliminar a sensitização (Foszcz,
2005). Segundo Viana (2003), um aporte de calor inferior a 1378 J/mm têm remota chance de
sensitizar o aço AISI 304L. Em suas experiências o autor mesmo usando o CO
2
como gás de
18
proteção não constatou a presença de sensitização na zona fundida e zona afetada pelo
termicamente em suas amostras.
Ghosh et al. (1998), avaliando o efeito do MIG pulsado na soldagem de revestimento
com aço inoxidável, verificaram que a pulsação de corrente proporcionou melhoria na
resistência à corrosão intergranular e reduções: na segregação no contorno de grão na matriz,
no nível de diluição e no perfil de dureza na interface revestimento/metal de base.
2.3.2 Trincas de Solidificação
De uma forma geral, pode-se evitar a formação de quaisquer trincas de soldagem nos
aços inoxidáveis puramente austeníticos – os mais susceptíveis – empregando-se baixo aporte
de calor (alta velocidade de soldagem com baixa energia proveniente de arcos elétricos curtos,
ou baixas tensões de soldagem), reduzindo a dimensão da poça de fusão e a extensão das
camadas inferiores atingidas (Lundin et al., 1980).
Soldas que contém alguma ferrita
δ
à temperatura ambiente (o que indica, durante a
solidificação, a presença de uma quantidade ainda maior desta fase) apresentam uma elevada
resistência à fissuração para a maioria das aplicações, enquanto que as soldas com uma
estrutura completamente austenítica apresentam baixa resistência. De acordo com Brooks et
al.(1984), a quantidade de ferrita
δ
necessária para garantir imunidade contra a fissuração
depende do nível de restrição da junta e da quantidade e tipo de elementos de liga e impurezas
presentes na zona fundida. Alguns dos fatores mais prováveis responsáveis pelo efeito
benéfico da ferrita na redução da sensibilidade à formação de trincas de solidificação são:
• A maior solubilidade de impurezas prejudiciais (S e P) na ferrita causa uma menor
segregação destes elementos quando a solidificação ocorre inicialmente como ferrita;
• Os contornos austenita-ferrita apresentam menor molhabilidade por filmes líquidos do
que contornos ferrita-ferrita ou austenita-austenita, reduzindo o espalhamento do
líquido ao final da solidificação;
• Os contornos austenita-ferrita são muito sinuosos, o que dificulta a propagação das
trincas;
• A presença da ferrita resulta em uma maior quantidade de superfície interna devida às
interfaces autenita-ferrita. Este aumento de superfície dispersa as impurezas que
tendem a segregar nos contornos.
19
Em uma ZF de estrutura completamente austenítica, como no AISI 310 (do tipo 25%Cr-
20%Ni e resistente ao calor), micro-trincas intergranulares podem ser formadas ao final da
solidificação levando a uma redução da ductilidade e resistência mecânica. Fissuras grosseiras
podem ser formadas e podem ser detectadas por inspeção visual ou por líquido penetrante
quando atingem a superfície. Para minimizar a chance de fissuração, soldas e aços inoxidáveis
com solidificação em austenita primária precisam ter teores muito baixos de S e P, inferiores a
cerca de 100 ppm. Quando a solidificação ocorre em ferrita + austenita, teores mais elevados
de S e P são tolerados.
O efeito do Mn (acima de 7%) ajuda reduzir a chance de fissuração ao combinar com o
enxofre formando um sulfeto de maior temperatura de solidificação, no entanto, diminui a
resistência a corrosão (Lancaster, 1999). Evans (1991) também mostra que um alto conteúdo
de níquel e manganês tende a promover micro-segregação de Ni, Mn e Si nas zonas
reaquecidas à baixa temperatura (< 900°C) levando a uma redução de tenacidade. Nos aços
inoxidáveis de solidificação completamente austenítica, sugere-se uma relação Mn/S superior
a cerca de 3/5 para evitar a fissuração. O teor de S de um consumível de soldagem deve ser
mantido em um nível bem baixo, levando-se em consideração que a diluição do metal base e a
possibilidade de contaminação podem aumentar o teor de S na zona fundida. Utilizando-se
um fluxo ou revestimento básico ajuda a minimizar a quantidade de S na solda por sua ação
dessulfurante.
De efeito similar ao S, o fósforo também favorece a fissuração quando presente com um
teor superior a cerca de 0,025% em soldas de solidificação completamente austenítica. O teor
deste deve ser bem limitado para se evitar a fissuração destas soldas, preferencialmente
abaixo de 0,002% para os aços de baixo teor de carbono 25Cr-20Ni (Ogawa et al., 1982).
2.4 SOLDAGEM DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS
Este grupo apresenta melhor soldabilidade entre todos os aços inoxidáveis, com exceção
dos aços com adição de enxofre para usinagem fácil (Acesita, 2005). Entretanto, quando ele é
resfriado lentamente, entre 680°C e 480°C, após a soldagem, poderá ocorrer uma precipitação
20
de carboneto de cromo na interface intergranular da microestrutura (Okumura & Taniguchi,
1982).
Muitos fenômenos metalúrgicos acontecem durante e após a soldagem dos aços
inoxidáveis, entre os quais se destacam o tipo de solidificação, segregações, transformação de
fases, precipitação e fragilização do material. Estes fenômenos precisam ser estudados pela
grande influência que exercem nos comportamentos mecânicos e químicos das juntas
soldadas (Mendonça et al., 2006).
Na solidificação dos aços inoxidáveis dos sistemas Fe-Cr-Ni pode se formar a ferrita
e/ou austenita, que é influenciada diretamente pela composição química. Para estudar a
evolução destes efeitos dos elementos de liga que compõem os aços inoxidáveis sobre os
parâmetros microestruturais, foram desenvolvidos alguns termos, como os efeitos ferritizantes
e austenitizantes, favorecendo a formação da ferrita e austenita definindo o cromo e níquel
equivalente na composição (Ribeiro, 2004 apud Talbot & Talbot, 1998 e Andrade et al.,
2002).
Uma estrutura completamente austenítica tende a formar trincas a quente, que podem se
manifestar de diversas maneiras como trincas de cratera, na raiz, na zona termicamente
afetada, longitudinais, transversais e mistas. Sabe-se, no entanto, que a suscetibilidade a
trincas pode ser significativamente reduzida pela presença de ferrita, em porcentagens
superiores a 4% na austenita. Portanto, os seguintes cuidados devem ser tomados na soldagem
dos aços inoxidáveis austeníticos:
reduzir o insumo de calor, sem pré-aquecer a junta de solda, de modo a evitar a
precipitação de carbonetos;
utilizar eletrodos estabilizados ao nióbio, titânio ou com conteúdo extra baixo de
carbono (C≤0,03%);
selecionar o eletrodo de tal maneira que a estrutura do metal depositado e diluído
corresponda à da zona segura do diagrama de Schaeffler.
A recuperação de torres de destilação de petróleo, revestidas (“cladding”) com o AISI
405, sofrem acelerada degradação, sendo normalmente recuperada através da aplicação de um
“lining” de aço inoxidável AISI 316L e 317L, empregando processos de soldagem como o
eletrodo revestido (Cardoso et al., 2006). É claro que uma maior produtividade, resultante de
21
uma maior taxa de deposição, pode ser obtida pelo processo de soldagem com Arame
Tubular.
2.5 METALURGIA DA SOLDAGEM DOS AÇOS
INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS
Segundo o diagrama pseudo-binário (Figura 2.8), para teores de níquel inferiores a 1 ou
1,5%, o material apresenta uma estrutura completamente ferrítica para qualquer temperatura
entre a ambiente e o início da fusão. Para teores mais elevados de níquel, existe uma faixa de
temperatura em que a liga é bifásica (austenita e ferrita
δ
), ampliando-se com o aumento
desse elemento. Acima de cerca de 3,5%Ni, existe um intervalo de temperatura em que a liga
é completamente austenítica, e que se amplia com maiores teores de Ni, enquanto a
temperatura de início de formação de martensita (M
s
) é diminuída. Até cerca de 7 a 8%Ni,
esta temperatura permanece acima da ambiente e o aço pode ser considerado, portanto, como
do tipo martensítico. Para teores de Ni superiores a esse nível, é possível manter a estrutura
austenítica à temperatura ambiente, tendo-se, desta forma, os aços inoxidáveis austeníticos
que são, em geral, ligas contendo teores superiores a 18% de cromo e 8% de níquel.
Um aumento na quantidade de cromo amplia a faixa de temperatura de existência da
ferrita
δ
e, consequentemente, torna-se necessário um aumento no teor de níquel para
obtenção de uma estrutura austenítica à temperatura ambiente. Por outro lado, um maior teor
de cromo reduz fortemente a velocidade de transformação da austenita e abaixa a temperatura
M
s
, ou seja, diminuindo a tendência da austenita se transformar, quando esta não for a estável
à temperatura ambiente. Assim, em diversos aços inoxidáveis austeníticos, a austenita existe à
temperatura ambiente como uma fase metaestável. Como por exemplo, os aços do tipo
17%Cr-7%Ni (AISI 301), nos quais a austenita pode se transformar em martensita por
deformação a frio à temperatura ambiente ou por um tratamento a temperaturas inferiores à
ambiente.
22
Figura 2.8 – Seção vertical do diagrama ternário Fe-Cr-Ni com 18% de cromo, para teor de
carbono inferior a 0,03% (Castro & Cabenet, 1975).
Nas estruturas dos aços inoxidáveis austeníticos o efeito de carbono é semelhante ao do
níquel (acima de 900
o
C), ou seja, ele tende a ampliar a faixa de existência da austenita e
reduzir a quantidade de ferrita
δ
presente a altas temperaturas. Entretanto, a solubilidade do
carbono na austenita diminui com a redução da temperatura. Para ligas com menos de cerca
de 0,03% de carbono, este efeito tem pouca importância metalúrgica, com este elemento
tendendo a permanecer em solução sólida na austenita. Para teores superiores, o carbono é
completamente solúvel na austenita somente a temperaturas elevadas, em geral, superiores a
1000
o
C e este elemento só pode permanecer em solução metaestável à temperatura ambiente
se o aço for resfriado rapidamente. Durante um resfriamento lento ou uma breve permanência
entre cerca de 500 e 900
o
C, pode se formar carboneto de cromo: M
23
C
6
ou (Cr,Fe)
23
C
6
. Este
pode prejudicar certas propriedades do material, particularmente sua resistência à corrosão e
sua ductilidade a baixas temperaturas. A precipitação de carbonetos pode ocorrer em
diferentes regiões da microestrutura, porém sua velocidade é maior quando esta ocorre em
contornos de grão ou de macla (Figura 2.9).
A precipitação de carbonetos, no aço inoxidável, está associada com diferentes efeitos,
em geral negativos, como por exemplo, a sensibilização à corrosão intergranular. Contudo, a
precipitação de carbonetos nem sempre torna o material sensível a este problema. As Figuras
2.9 e 2.10 mostram que as condições que elevam a sensibilização correspondem a
23
temperaturas menores e tempos mais longos do que aqueles associados com o início da
formação de carbonetos nos contornos de grão. O joelho da curva de sensibilização à corrosão
intergranular ocorre entre cerca de 600 e 700
o
C, correspondendo à faixa de temperatura na
qual o problema é mais crítico.
Figura 2.9 – Cinética de precipitação do carbono M
23
C
6
em um aço AISI 304, contendo
0,05% de carbono, previamente temperado de 1250
o
C (Peckner, 1977).
Figura 2.10 – Relação entre a precipitação de M
23
C
6
e a sensibilização à corrosão
intergranular (do mesmo material) (Peckner, 1977).
24
Os aços inoxidáveis são geralmente usados após um tratamento térmico de
estabilização, isto é, são aquecidos a temperaturas entre 1000 e 1100
o
C e resfriados
rapidamente ao ar ou em água. Este tratamento tem como objetivos permitir a recristalização
da microestrutura encruada, manter em solução sólida o carbono, e com isto dar ao material
uma estrutura essencialmente austenítica com uma menor quantidade possível de outros
constituintes, em particular os carbonetos. Esta estrutura representa uma condição otimizada,
particularmente de aços com teor mais elevado de Cr, o material pode apresentar, em sua
microestrutura, certa quantidade de ferrita
δ
.
Além do Cromo, outros elementos de liga são adicionados aos aços inoxidáveis, visando
melhorar as propriedades mecânicas e características gerais dos mesmos. Os principais são:
níquel, molibdênio, nióbio, titânio, cobre, fósforo, enxofre, silício e alumínio. De acordo com
AWS (1998) e Tebecher (2004), cada um deles pode-se se considerar, de acordo com sua
função:
- O Ni é formador de austenita (gamagênico), aumenta a resistência à corrosão e melhora as
propriedades de tenacidade e soldabilidade. O níquel, em alguns meios, tende a alterar a
estrutura cristalina do material que passa a ser austenítica (CFC) para teores suficientemente
elevados deste elemento. Esta alteração tem conseqüências muito importantes nas
características do aço, particularmente nas suas propriedades mecânicas.
- O molibdênio é formador de ferrita (alfagênio), aumenta a resistência mecânica e melhora as
condições de resistência à corrosão.
- O cobre melhora a resistência à corrosão via úmida redutora.
- O Si e o Al são formadores de ferrita e têm a função de melhorar a resistência à oxidação em
altas temperaturas.
- O S e o P têm a função de melhorar a usinabilidade.
- O Ti e o Nb são fortes formadores de ferrita e carbonetos além de melhorar a resistência
mecânica em altas temperaturas. O Ti é um forte formador de nitretos, reduz sensibilidade à
corrosão intergranular combinando com o C, age como refinador de grão e ainda promove a
formação de ferrita.
Além de trincas superficiais retardadas podem ocorrer transformações de fases
martensíticas em aços inoxidáveis austeníticos do tipo 304, 310 e 316 (Miranda, 1997).
25
2.5.1 Estrutura da Zona Fundida
A microestrutura da solda dos aços da série 300 difere em alguma extensão da
microestrutura do metal base, se este for um material trabalhado e solubilizado. A
microestrutura deste é constituída, em geral, inteiramente de austenita, enquanto que a ZF
pode reter quantidades variáveis de ferrita
δ
à temperatura ambiente. A microestrutura da ZF
pode ser analisada com o auxílio do diagrama pseudo-binário do sistema Fe-Cr-Ni para 70%
de Ferro (Figura 2.11). Por este diagrama, o metal líquido, contendo 70%Fe e com diferentes
quantidades de Cr e Ni, pode se solidificar inteiramente como austenita, inicialmente como
ferrita e depois como austenita ou, ainda, inteiramente como ferrita, à medida que a relação
entre os teores de Cr e Ni aumenta (Brooks et al., 1984). Durante o resfriamento após a
solidificação, toda ou parte da ferrita formada anteriormente pode ainda se transformar em
austenita, resultando no último caso em uma microestrutura bifásica com diferentes
morfologias. Segundo Brooks & Thompson (1991), nestes materiais, a solidificação com
ferrita primária ocorre para relações Cr
eq
/Ni
eq
>1,5. Para valores desta relação superiores a
cerca de 1,95 o material solidifica-se totalmente como ferrita.
Figura 2.11 – Diagrama pseudo-binário Fe-Cr-Ni para um teor de ferro de 70% (Brooks et al.,
1984).
26
A solidificação como austenita primária apresenta uma maior tendência à segregação na
solidificação devido aos menores coeficientes de difusão dos elementos de liga nesta fase.
Dependendo da composição química e da intensidade da segregação, a solidificação com
austenita primária pode levar à formação de uma estrutura completamente austenítica ou à
formação de ferrita eutética entre as dendritas de austenita.
Em soldagem, caracterizada por um resfriamento rápido, a completa transformação, de
ferrita em austenita, não pode ocorrer e parte da ferrita
δ
formada durante a solidificação
permanece até a temperatura ambiente. A quantidade final desta fase dependerá da
composição química (particularmente da relação Cr
eq
/Ni
eq
) e das condições de soldagem que
controlam a velocidade de resfriamento. Quanto maior esta velocidade, menor será a extensão
da transformação e maior a quantidade de ferrita.
A microestrutura final da ZF de aço inoxidável austenítico dependerá da velocidade de
solidificação do aço e das transformações subseqüentes no estado sólido. Esta microestrutura
pode ser classificada de acordo com a morfologia da ferrita. Segundo Ma et al. (2006), a
seqüência de Solidificação do Aço Inoxidável AISI 304 é aquela da precipitação de ferrita
primária na forma de dendritas seguida por uma reação eutética ocorrendo entre braços
dendríticos e o restante da solidificação ocorre com a precipitação direta e o crescimento da
austenita. Colônias Eutéticas Colunares e celulares compostas de ferrita lamelar e austenita
ocorrem nas dendritas de ferritas primárias no início do estágio da reação de três fases.
As principais microestruturas encontradas, para valores crescentes da relação Cr
eq
/Ni
eq
,
são (Lippold & Kotecki, 2005) (Figura 2.12):
Austenita: Este tipo de microestrutura resulta da solidificação direta para austenita,
podendo formar de 0 a 6% de ferrita δ. Usa-se a letra A para designar esta forma de
solidificação. Ocorre quando a relação Cr
eq
/Ni
eq
< 1,48 (Wainer et al., 2008 apud
Suutala et al., 1983) e Cr
eq
/Ni
eq
< 1,5 (Brooks & Thompson, 1991).
Austenita + ferrita eutética: Resulta de solidificação em austenita primária com
formação de ferrita em reação eutética ao final da solidificação e localizada em
contornos de grão ou de dendritas ou células. Esta forma de solidificação (em
austenita primária seguida pela formação de ferrita) é usualmente designada por AF.
Austenita + ferrita em espinha ou vermicular: Resulta de solidificação em ferrita
primária com formação de austenita tanto nas etapas finais desta (FA) como já no
27
estado sólido (ao final da solidificação). A ferrita remanescente se localiza ao longo do
centro das dendritas. Esta é a morfologia mais comumente observada em soldas de
aços inoxidáveis austeníticos.
Austenita + ferrita laminar ou retilhada: Resulta da solidificação em ferrita primária
com a transformação desta em austenita ao seu final, principalmente no estado sólido.
Microestrutura característica de soldas com elevada quantidade de ferrita resfriadas
rapidamente. A austenita aparece na forma de lâminas aproximadamente paralelas
com a ferrita remanescente localizada entre as lâminas. Esta forma de solidificação é
também designada por FA.
O nitrogênio, devido ao seu efeito altamente gamagênico, favorece a formação de uma
microestrutura basicamente austenítica. Neste caso, a quantidade de ferrita remanescente à
temperatura ambiente é baixa, apresentando um número de ferrita (“Ferrite Number”, FN)
inferior a 4.
Figura 2.12 – Morfologias de ferrita δ na zona fundida dos aços inoxidáveis austeníticos
(Brooks et al., 1984).
28
As microestruturas resultantes da solidificação em ferrita primária apresentam as outras
morfologias citadas acima. Entre essas, a morfologia de ferrita em espinha corresponde às
menores quantidades de ferrita na microestrutura (FN entre cerca de 2 e 15). A Figura 2.13
mostra a microestrutura típica de uma solda de aço inoxidável austenítico contendo ferrita
δ
em espinha e laminar na soldagem de simples deposição com H = 395 J/mm.
Figura 2.13 – Microscopia óptica da microestrutura da ZTA do AISI 304 soldado com o
arame AWS E316LT1-4 (soldagem de deposição com H = 395 J/mm – Parte 1 deste
trabalho).
Diversas características das soldas dos aços inoxidáveis austeníticos dependem de sua
estrutura de solidificação. Como esta é predominantemente formada por austenita, tende a
apresentar uma excelente ductilidade, com relação ao metal base, e não é sensível à fissuração
pelo hidrogênio. Assim, não é necessário, em geral, pré-aquecer nem realizar tratamentos
térmicos pós-soldagem nestes materiais. Para a maioria das aplicações, a ferrita
δ
, quando
presente em teores não muito elevados, é um constituinte benéfico para a ZF, pois reduz a
tendência à fissuração na solidificação. Por outro lado, a quantidade de ferrita
δ
deve ser
controlada em aplicações em que a junta soldada necessita de uma ótima resistência à
corrosão, uma alta tenacidade da solda a baixas temperaturas e quando a peça não puder
apresentar qualquer magnetismo residual, pois a ferrita, sendo uma fase ferromagnética, pode
ser magnetizada, ao contrário da austenita.
ZTA
29
A estrutura da solda não depende somente da velocidade de resfriamento e da razão
Creq/Nieq. Outros elementos de liga adicionados ao aço também afetam a estabilidade
relativa das fases. Para classificar o efeito destes elementos, estes foram divididos em
formadores de ferrita (por exemplo, Cr, Mo, Si, Nb e Al) e de austenita (por exemplo, Ni, C,
N e Mn). O seu efeito relativo na formação de uma fase ou outra é, em geral, expresso em
termos de equivalente de cromo e equivalente de níquel e sua influência combinada pode ser
apresentada em diagramas constitucionais empíricos. Destes, o mais conhecido e muito
utilizado até hoje, é o levantado por Schaeffler na década de 40.
2.5.2 Número de Ferrita
Para se ter uma idéia da importância da medida da ferrita, uma variação de apenas 0,67
% no Cr
eq
e de 0,80% no Ni
eq
pode mudar em 2% a quantidade de ferrita (Bussinger, 1996).
Segundo Kotecki (2001), se for utilizado um processo com proteção por fluxo para se
soldar um aço 304L ou 316L, deve-se escolher um metal de adição abaixo de 5 FN, que
produza uma escória altamente básica. O arame tubular auto protegido AWS A5.22 E316LT-
3 (atualmente classificado como E316LT0-3) de escória altamente básica produz um FN
máximo de 2.
No passe de raiz da soldagem do aço inoxidável 320 com o 316 L, com material de
adição do tipo AWS A5.4 16-8-2 com FN(número de ferrita) menor que 2, não ocorre trincas
a quente (vale a pena lembrar que a falta de ferrita faz com que o metal soldado seja sensível à
trincas a quente), assim como o AWS E317LM com FN > 4 (Região FA – próxima a linha
divisória AF/FA). Com isso, para a utilização do AWS E317 LM, é necessário um FN>5 para
fazer o metal de adição não ficar vulnerável as trincas a quente. No entanto, o duplex 2209 é a
melhor escolha como metal de adição, pois possui melhor resistência à corrosão, sendo sua
resistência à tração, maior que a do 316L do material base. Portanto o 2209 é a melhor
escolha para efetuar a união entre o 320 e o 316L, a não ser em condições em que a ferrita é
(detrimental), como por exemplo, na fabricação da uréia ou temperaturas criogênicas
(Kotecki, 2003).
Aportes muito alto de calor causarão o aparecimento de ferrita de grão grosso na ZTA, o
que não acontecerá se o aporte for normal. Nesse caso, 0,9 kJ/mm na soldagem de topo de
tubos de AISI 304 com 2mm de espessura (Lundqvist, 1977).
30
Baseado no diagrama de Schaeffler, Séférian (1959) propôs a fórmula abaixo para a
previsão da quantidade de ferrita
δ
na zona fundida de uma solda cuja composição caísse na
região de coexistência da ferrita e austenita:
)7,693,0.(3% −−=
eqeq
NiCr
δ
(2.1)
2.5.3 Diagrama de Schaeffler
É o principal instrumento utilizado para prever a microestrutura do metal de solda
quando a composição química do mesmo é conhecida. Sua importância para os aços
inoxidáveis compara-se à do diagrama Fe-C para aços carbono (Viana, 2003).
As diversas microestruturas dos aços são funções da quantidade dos elementos de liga
presentes. Existem basicamente dois grupos de elementos de liga: os que estabilizam a ferrita
(Cr, Si, Mo, Ti e Nb); e os que estabilizam a austenita (Ni, C, N e Mn). Para facilitar, os
elementos de liga com características semelhantes foram agrupados no cromo e no níquel
equivalente. A partir deste agrupamento foi construído o diagrama de Schaeffler, que
relaciona a microestrutura de um aço trabalhado com a sua composição química. Este
diagrama está apresentado na Figura 4.9.
O diagrama de Schaeffler permite prever a microestrutura da ZF com base na sua
composição química, não sendo restrito aos aços inoxidáveis austeníticos, podendo ser usado
também para aços ferríticos e martensíticos. Para utilizá-lo, os equivalentes de Cr e Ni devem
ser calculados pela composição química da solda e a microestrutura é determinada pela leitura
direta no diagrama do campo onde o ponto (Cr
eq
, Ni
eq
) se localiza. Quando as composições
dos metais base e de adição são diferentes, o ponto que representa a solda no diagrama estará
sobre o segmento de reta entre o metal base e o metal de adição. A posição desse ponto no
seguimento dependerá da diluição da solda, ficando mais próximo do metal de adição para
soldas de pequena diluição.
O diagrama de Schaeffler não considera o efeito do nitrogênio, elemento fortemente
formador da austenita, na microestrutura (Lippold & Kotecki, 2005).
Geralmente, os diagramas constitucionais não levam em consideração a velocidade de
resfriamento e apenas fornecem uma estimativa aproximada da microestrutura da solda e da
quantidade de ferrita, em particular.
31
Deve-se ter em mente que não basta utilizar o diagrama e tirar todas as conclusões, pois
ele só é válido para a zona fundida de uma junta soldada. Na ZTA o metal de base está sujeito
a todas as transformações possíveis no que deve ser levada em consideração, ao se especificar
um procedimento de soldagem (Bussinger, 1996).
Analisando-se o diagrama de Schaeffler (Figura 4.8), percebe-se a presença de três
regiões distintas e que possuem somente uma fase: região completamente austenítica, outra
ferrítica e outra martensítica. O diagrama mostra também regiões de duas e até três fases
presentes (Schaeffler, 1947).
Schaeffler (1949) observou em sua pesquisa, que as equações de Níquel e Cromo
equivalente de Newell & Fleischman (1938) e Field et al. (1943), poderiam ser aplicadas mais
diretamente à soldagem. Suas pesquisas tiveram como foco, com base nas informações
propostas anteriormente, constituir um diagrama para solda de metais que permitiria prever a
microestrutura do metal soldado, com base na composição química. Em seu diagrama a
fórmula do Cromo e Níquel equivalente nos eixos, com pontos para as fases especifica da
microestrutura plotados no diagrama. Os elementos que promovem a formação de ferrita são
inclusos no cromo equivalente, enquanto os elementos formadores da austenita estão inclusos
no níquel equivalente.
Schaeffler baseou seus fatores multiplicadores para computação de fórmulas
equivalentes em pesquisas anteriores e em sua própria experiência. Assumindo valores de 2,5
%Si, 1,8%Mo e 2%Nb, com base em sua própria pesquisa, e declarou que isso estava de
acordo com os valores por Thielemann (1940) e por Campbell & Thomas (1946).
A equação original de Schaeffler para Cromo e Níquel equivalente é dada pelas
equações (2.2) e (2.3):
CMnNiNi
eq
305,0 ++=
(2.2)
NbSiMoCrCr
eq
5,05,1 +++= (2.3)
32
2.6 O PROCESSO DE SOLDAGEM COM ARAMES
TUBULARES
2.6.1 Características Principais
O processo com arame tubular (FCAW – Flux Cored Arc Welding) é um processo de
soldagem por fusão, cujo arco é estabelecido entre a peça e o eletrodo alimentado
continuamente, sendo protegido pela ação de um gás externo (ou não) e pela decomposição do
fluxo alojado no interior do arame, Figura 2.14. Este fluxo é composto por materiais
inorgânicos e metálicos que possuem várias funções, dentre as quais se destacam a melhoria
das características do arco elétrico e da transferência do metal de solda, a proteção do banho
de fusão e, em alguns casos, a adição de elementos de liga, além de atuar como formador de
escória (Scotti & Silva, 1986; Mota et al., 1998; Bracarense, 2000; Joaquim, 2001; Oliveira,
2002; Fortes 2004; Starling & Modenesi, 2005).
Figura 2.14 – Soldagem com o arame tubular através de proteção gasosa (Ordóñez, 2004).
Apesar da similaridade entre o processo com arame tubular com proteção gasosa e o
processo com arame sólido - MIG/MAG - aquele apresenta vantagens e limitações em relação
a este. Assim sendo, o processo com arame tubular se destaca por gerar um metal depositado
33
de alta qualidade e solda com boa aparência visual, além de soldar vários tipos de aços e em
grandes faixas de espessuras, gerando uma alta taxa de deposição devido a maior densidade
de corrente e, em conseqüência, maior produtividade. Possui ainda uma maior tolerância com
relação à presença de contaminantes que podem originar trincas (Araújo, 2004).
Devido à interação fluxo/metal, o processo de soldagem por arame tubular é um
processo mais complicado do que o processo GMAW com arame sólido (Wang et al., 1995).
Considerando que a área da seção transversal do eletrodo tubular é menor que a do arame
sólido para um mesmo diâmetro, o arame tubular apresenta maiores densidades de correntes
(Siewert et al., 2002). Sendo assim a sua resistividade elétrica é maior e, conseqüentemente,
maior calor é gerado por efeito Joule podendo-se obter taxas de fusão 30 a 35% superiores
utilizando arames tubulares (Silva, 2008 e Medeiros et al., 1989). Desta forma os parâmetros
de soldagem são extremamente importantes no sentido de melhor adequar o processo
principalmente no que se refere aos modos de transferências (Wang et al., 1995) e seus
reflexos na qualidade da solda.
2.6.2 Proteção Gasosa
O gás de proteção tem uma influência muito significativa em todo o desempenho da
soldagem com arame tubular, afetando a eficiência, a qualidade, as propriedades da solda e
determina a geometria como também a penetração do cordão de solda. O gás de proteção
interage com o arame eletrodo na soldagem produzindo melhorias nas propriedades
mecânicas do metal depositado, controlando a transferência eficiente dos componentes
químicos do arame e alterando a microestrutura da solda. O gás de proteção pode também
afetar o conteúdo residual de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio dissolvido no metal de solda
(Lyttle & Stapon, 1990).
O dióxido de carbono (CO
2
) é muito usado para proteção durante a soldagem com
arames tubulares. Duas vantagens deste gás são: o baixo custo e alta penetração. A elevada
condutividade térmica do CO
2
faz com que o núcleo de condução do arco tenha pequeno
diâmetro, tornando o arco mais constrito, o que provoca uma maior pressão do arco sobre a
poça de fusão, promovendo uma influência marcante na geometria do cordão, aumentando
não somente a penetração, mas também o reforço e diminuindo a largura do cordão (Sales et
al., 2001). Por outro lado à ocorrência de um núcleo de condução do arco de pequeno
34
diâmetro aumenta a perturbação da superfície da poça metálica fundida prejudicando a
estabilidade do arco e gerando a formação excessiva de respingos (Dillenbeck, 1987; Baixo &
Dutra, 1990).
Outrossim, quando há CO
2
no gás de proteção, as reações exotérmicas da dissociação da
molécula fazem com que mude de maneira significativa as condições para a transformação
austenítica (Dalpiaz & Machado, 1999), razão esta do conteúdo diferenciado de fases quando
o CO
2
está presente.
Diferentemente do processo de soldagem com arames sólidos, o processo com arame
tubular permite que se alcance a transferência metálica do tipo spray mesmo utilizando 100%
de CO
2
como gás de proteção (Barhorst, 2000; Nascimento et al., 2003).
O dióxido de carbono é relativamente inativo na temperatura ambiente. Quando ele é
aquecido a altas temperaturas pelo arco elétrico, dissocia formando o monóxido de carbono
(CO) e oxigênio. O oxigênio proveniente desta dissociação irá reagir com os elementos do
metal fundido oxidando-os. Assim, materiais desoxidantes são adicionados ao fluxo do
eletrodo para compensar os efeitos oxidantes do CO
2
(Bracarense, 2000)
.
O uso da mistura de gases na soldagem com arames tubulares pode combinar as
vantagens separadas de dois ou mais gases. O aumento de gás inerte aumenta a eficiência de
transferência dos desoxidantes que estão no fluxo do arame. Por outro lado, a penetração será
reduzida. O Argônio é capaz de proteger a poça de fusão em todas as temperaturas de
soldagem. Sua presença em quantidade suficiente resulta na diminuição da oxidação
comparativamente a proteção com CO
2
(Bracarense, 2000).
Viana (2003), ao analisar o processo FCAW aplicado aos aços inoxidáveis, concluiu
que quanto maior a porcentagem de CO
2
, menor a convexidade do cordão, menor a tensão
superficial e maior a molhabilidade. Percebeu ainda que ocorre também uma diminuição da
porcentagem de Cr e o aumento do teor de Ni no metal depositado. O mesmo autor
acrescentou ainda que a mistura C25 (75% Ar +25% CO
2
) produz um metal de solda com
resistência a tração e limite de escoamento superiores ao CO
2
puro.
Atualmente, diversos tipos de mistura de gases estão disponíveis no mercado, sendo a
mistura 75% de Argônio e 25% de CO
2
a mais utilizada. O metal de solda depositado com
esta mistura tem alto limite de escoamento e resistência à tração, comparado com o metal
depositado com 100% de proteção com CO
2
(Bracarense 2000). De uma forma geral o gás de
proteção promove a influencia na estabilidade do arco, no modo e na uniformidade da
transferência metálica em conjunto com vários outros parâmetros.
35
Viana (2003) demonstrou a possibilidade de soldagem do aço AISI 304L utilizando o
processo semi-automático MAG, com 100% CO
2
, sem nenhum comprometimento da solda.
Constatou-se a não ocorrência de sensitização na zona fundida e zona afetada termicamente e
permitiu obter valores elevados de resistência mecânica da solda conjugado com um bom
aspecto visual dos cordões. Os resultados obtidos apontam para equiparação dos processos
MIG/MAG e arame tubular, levando-se em conta a qualidade obtida. Outra conclusão
relevante foi de que as reduzidas vazões de gás (de 5 l/min) não acarretaram nenhuma
alteração perceptível nas soldas realizadas, propiciando grande economia nos gastos com gás
de proteção. O autor afirma em função dos resultados que soldas realizadas em aço inoxidável
AISI 304L com arame AWS 308LSi, utilizando gás CO
2
puro, são de ótima qualidade no que
concerne aos típicos problemas de aços inoxidáveis austeníticos, ou seja, resistência à
corrosão intercristalina, inexistência de fase sigma e não formação de trincas a quente.
Adicionalmente, os testes mecânicos de dobramento e tração comprovaram a excelente
resistência mecânica das juntas. A não ser pelo maior número de respingos no processo
MIG/MAG, a seleção de metal de adição com acréscimo de silício equiparou-se ao arame
tubular, garantindo cordões de boa aparência e fluidez, além de fácil soldabilidade (Viana,
2003).
Considerando ainda o mesmo trabalho, Viana (2003) complementa afirmando que a
reduzida quantidade de ferrita delta no metal de solda depositado pelo processo arame sólido
garantiu vantagem adicional, em relação ao arame tubular, por ter atingido uma estrutura
quase puramente austenítica, sem, no entanto, deixar o material vulnerável a trincas de
solidificação. O autor concluiu que a vazão de gás de proteção pode ser drasticamente
reduzida, proporcionando significativa economia desse consumível, sem comprometimento da
qualidade da solda, independente do arame ser sólido ou
O gás de proteção desempenha uma função primordial na soldagem do aço inoxidável.
Ao analisar a influência dos mesmos,
Filho et al. (2007) soldaram o aço inoxidável ferrítico
bi-estabilizado, através do arame eletrodo ER430, usando seis tipos de gás de proteção (Ar;
Ar+2%O
2
; Ar+4%O
2
; Ar+2%CO
2
; Ar+4%CO
2
e Ar+8%CO
2
). Os autores perceberam uma
diminuição no valor da corrente média de soldagem com o aumento da distância bico de
contato peça (DBCP), independente do tipo de gás de proteção utilizado. Notaram também
que houve um aumento na corrente média de soldagem com o aumento tanto de oxigênio
como de dióxido de carbono na mistura com argônio, independente do valor da DBCP; e para
36
os mesmos percentuais de oxigênio e dióxido de carbono na mistura com argônio ocorreu um
aumento maior da corrente média de soldagem quando se utilizou o oxigênio.
2.6.3 Modos de Transferência Metálica
Os principais modos de transferências metálicas compreendem os modos curto-circuito,
globular, spray e pulsado (Figura 2.15) além de algumas variações específicas (globular
repulsiva, spray projetado, spray em fluxo, spray rotacional, explosiva e guiada por parede de
fluxo), cujas formas de ocorrência são ilustradas, de forma esquemática, na Figura 2.16. No
entanto para os arames tubulares o modo de transferência condiz com o tipo de fluxo
utilizado, quer seja ele rutílico, básico, metal-cored ou auto-protegido (Figura 2.17).
Figura 2.15 – Modos de transferências metálicas (Barra, 2003).
37
Figura 2.16 – Modos de transferências metálicas de acordo com a classificação do IIW
(Modenesi, 2001).
``
Figura 2.17 – Formas típicas de transferência na soldagem com arames tubulares. Arames:
(a) “metal cored”, (b) rutílico, (c) básico e (d) auto-protegido. (Norrish & Richardson, 1998)
Segundo Modenesi (2001), arames rutílicos, como o AWS316LT1, operam
normalmente a altas correntes com uma transferência spray projetada não axial.
38
Dentre os modos de transferências metálicas, o modo pulsado chama muito a atenção
principalmente para algumas aplicações específicas como, por exemplo, no caso de soldagem
de aços inoxidáveis. Em função da possibilidade de controle da corrente média pela variação
na freqüência de pulsação, a imposição de calor ao material base pode ser mais bem
distribuída, permitindo um melhor controle dimensional do material soldado, principalmente
quando aplicado à soldagem de chapas finas de aços inoxidáveis. Neste sentido, pesquisas
realizadas pelos autores Amin (1983), Alcan (1992), Saito (2001), Oliveira (2005) e Silva
(2007) têm sido publicadas na literatura com o intuito de estabelecer condições de pulso em
soldagem dos arames tubulares com arco pulsado aplicado aos aços carbono, muitas das quais
se concentram no estabelecimento da influência dos parâmetros de pulsação na geometria e
qualidade do cordão de solda. Entretanto, observa-se uma carência de trabalhos científicos
dedicados ao estudo da aplicação do modo pulsado com arame tubular na soldagem de aços
inoxidáveis.
Este modo de transferência foi desenvolvido primordialmente para não haver contato
físico entre o eletrodo e a peça e para suprir as deficiências do modo de transferência tipo
spray (Nascimento et al., 2003). Porém na prática é muito difícil de evitar totalmente o
contato físico (curto-circuito). Este fato deve-se basicamente a forma de onda de corrente
imposta de tal forma a não haver variações durante a soldagem, como ocorre no modo
convencional usando o controle da tensão (Júnior, 2002).
Segundo Subramaniam et al. (1998) e Barra (2003), durante o pulso ou tempo de pico
(tp), a corrente de pico (Ip) é suficientemente alta para provocar destacamento da gota devido
ao efeito eletromagnético, tal como na transferência por “spray”, esta gota se destaca com um
diâmetro preferencialmente próximo ao diâmetro do arame eletrodo, caracterizando,
geralmente um arco suave e estável. Isto pode ser demonstrado na Figura 2.18.
Ip e tp possuem significativa influência na transferência metálica (Nixon & Norrish,
1988). Durante o tempo de base (tb), a corrente de base (Ib) é suficiente para manter o arco e
conservar o efeito de aquecimento sob controle além da velocidade de alimentação do arame
(Norrish, 1995; Pereira, 1995), ambos têm pequeno efeito sobre o destacamento da gota, mas
influenciam em seu tamanho (Nixon & Norrish, 1988).
39
Figura 2.18 – Representação do processo de transferência no modo pulsado (Barra, 2003).
A regulagem desses parâmetros de pulso tem efeitos marcantes na estabilidade do arco,
na qualidade da solda, na aparência e geometria do cordão, sendo necessário que os mesmos
sejam bem regulados de forma a se obter as melhores características na soldagem (Palani &
Murugan, 2006). Sob este aspecto, estes autores afirmam que apesar dos benefícios trazidos
pela utilização do modo pulsado, a complexa natureza desse processo e o alto grau de
habilidade exigida por parte dos soldadores na correta seleção dos parâmetros operacionais,
têm limitado, de maneira significativa sua aceitação pelas indústrias de soldagem.
Cordões produzidos por arco pulsado são mais planos e apresentam transições suaves
até o metal-base, bem como penetração mais ampla do que os processos com transferência a
frio de metal e por arco curto - um efeito que pode ser explicado pelo maior aporte térmico
(Tessmar & Koppe, 2008).
Para o caso do efeito de pulsação sobre a agitação da poça de fusão, é previsto que uma
variação do nível de corrente (oscilação entre o pulso e a base) irá influenciar a força
eletromagnética (campo velocidade no interior da poça), a pressão do arco sobre a superfície
da poça e a freqüência de colisão das gotas com a poça. Estas 3 características provocam um
40
aumento do grau de agitação da poça e, como possíveis conseqüências, uma redução dos
níveis de penetração, porosidade e magrosegregação (Barra, 2008).
A técnica de pulsação de corrente aplicada no processo de soldagem com arame tubular
é reportada como uma excelente controladora do refinamento de grão na ZF e na transição do
modo de crescimento colunar para equiaxial na soldagem do aço inoxidável (Barra, 2003;
Kou, 2003; Villafuerte, 1990).
Segundo Norrish & Richardson (1998), é possível - neste tipo de transferência -
controlar o tamanho da gota destacada durante cada pulso e a freqüência de destacamento,
desde que o tempo de pulso, amplitude e freqüência sejam independentemente variados. A
grande vantagem na utilização do modo pulsado está na pequena energia fornecida ao
processo, sendo possível executar soldas de pequenas espessuras e fora de posição plana,
devido ao baixo aporte térmico, minimizando problemas de deformação e distorções,
principalmente em metal base de pequena espessura. Tornando-se uma opção interessante
para a soldagem de aços inoxidáveis austeníticos, razão esta da escolha deste modo de
transferência nesta dissertação de mestrado.
2.6.4 Parâmetros de Soldagem
Independentemente do tipo de operação da fonte (em tensão constante ou em corrente
constante), os períodos de instabilidade e estabilidade do processo influenciam fortemente o
aspecto superficial do cordão e algumas características geométricas do mesmo como a sua
largura e a sua área de penetração (Costa et al., 2007).
Mendonça et al. (2006) verificaram, soldando o AISI 316L através do eletrodo tubular
AWS E316LT1-6, que os valores máximos para a ferrita δ e dureza, foram alcançados quando
se soldou com uma corrente média (Im) de 200A e os valores mínimos foram com Im=150A.
Neste trabalho, o teor de ferrita delta se relaciona de maneira inversamente proporcional com
os valores de dureza.
Segundo Bracarense (2000), os fabricantes de arames tubulares recomendam uma
DBCP de 19 a 38mm para arames com proteção gasosa e 19 a 95mm com arames auto-
protegidos, dependendo da aplicação.
41
Braga & Trevisan (2004) soldaram o AISI 316L com o AWS E316LT-1 utilizando 15
l/min de CO
2
e uma corrente de pico de 350 A. Verificaram que houve menor quantidade de
trincas de solidificação no metal de base na utilização do modo de transferência pulsado.
Aumentando a porcentagem de nitrogênio na zona fundida diminui-se a porcentagem de
ferrita δ no material base sem influência no comprimento total das trincas.
Pessoa et al. (2007) concluíram que a utilização de corrente alternada em relação
corrente pulsada, mostrou-se mais eficiente quando se procura obter pequenos valores de
penetração e altos valores de reforço no cordão de solda.
Oliveira (2005) e Medeiros et al. (1989) observaram a influência da velocidade de
soldagem sobre a penetração no modo pulsado com arame tubular. Segundo os autores, ocorre
uma diminuição da penetração para velocidades crescentes de soldagem entre 1 e 2 mm/s.
Assim, a penetração apresenta um valor mínimo para velocidades de soldagem próximas de
2mm/s, independentemente da intensidade média de corrente, e após este mínimo, apresenta
uma tendência de crescimento para com a velocidade de soldagem, mantendo-se praticamente
constante com o aumento da velocidade de deslocamento.
2.6.5 Arames Tubulares para Aços Inoxidáveis
Com relação aos aços inoxidáveis, o processo de soldagem por arame tubular tem
emprego na fabricação de modo geral, nos revestimentos, na união de metais dissimilares e no
reparo de fundidos (Viana, 2003).
Segundo Ferree (1992) a maioria dos arames tubulares de aços inoxidáveis de pequeno
diâmetro varia de 0,8 a 1,6 mm. Abaixo, listam-se os tipos e características básicas de cada
um deles:
- Metal-cored: a maioria dos metais está em forma de pó no núcleo, soldagem com mesmas
características que o arame sólido;
- Auto-protegido: Gera sua própria proteção gasosa, usados na posição plana e horizontal;
- Auto-protegido na Posição Plana (FLAT POSITION GAS SHIELDED): para posição plana
e horizontal;
- Auto-protegido em todas as posições.
42
O processo de fabricação dos arames tubulares de aço inoxidável é muito mais
complicado que o dos aços de médio ou baixo teor de carbono (Ferree, 1992).
A configuração da seção transversal (Figura 2.19) do arame não tem grande influencia
na aparência da solda, nas propriedades mecânicas ou químicas do arame final de aço
inoxidável. No entanto, necessita-se da velocidade de alimentação para obter um dado nível
de corrente (Ferree, 1992).
A partir de 1995 os arames tubulares a norma AWS A5.22 incluiu a indicação da
posição de soldagem na classificação. Então o E316LT-3 pode ser classificado também como
E316LT0-3, onde 0 indica o uso na posição sobre-cabeça e horizontal. (Kotecki, 2001).
Os arames tubulares são geralmente usados na soldagem dos aços inoxidáveis fora da
posição, assim como para a posição vertical descendente. Alguns arames tubulares contêm um
fluxo de resfriamento rápido o qual forma um suporte de escória para a soldagem fora da
posição.
Figura 2.19 – Algumas formas de seção transversal dos arames tubulares (Machado, 1996).
Dadas composições de liga permitem soldar apenas nas posições plana e horizontal
(AWS EXXXT0-Z) ou para todas as posições de soldagem (EXXXT1-Z). Os arames AWS
EXXXTY-1 são designados para o uso com o CO
2
como gás de proteção. O AWS EXXXTY-
4 para a mistura 75%Ar+25%CO
2
, ou o auto-protegido EXXXT0-3. O CO
2
não é
recomendado na soldagem com o processo GMAW, mas é geralmente usado com o processo
FCAW porque a escória protege o metal através do ganho de carbono.
O uso do EXXXT0-3 com gás de proteção resultará num aumento na porcentagem de
ferrita. O uso do
EXXXTY-1 ou EXXXTY-4 sem gás de proteção resulta em baixa
porcentagem ou nenhuma ferrita e possibilidade de porosidade.
43
Recentemente, gases de proteção e eletrodos de aços inoxidáveis têm se tornado muito
compassível. Uma única soldagem de deposição no modo convencional (sem pulsação da
corrente elétrica) permite um soldador soldar nas posições vertical (progressões ascendente
/descendente), horizontal e sobre cabeça, sem movimento de tecimento, a uma taxa de
deposição de 2,86 kg/h.
Através do uso de arames tubulares de aço inoxidável, podem-se diminuir os ângulos de
bisel e a abertura da raiz, devido à possibilidade de obter uma maior penetração
(principalmente com o uso do CO
2
) com diâmetros pequenos, isso diminui notavelmente a
quantidade de material depositado (Centeno, 2001).
Pode-se obter, por arame tubular, produtos com composição de elementos e faixa de
ferrita não facilmente alcançáveis, por exemplo, como em produtos de aços inoxidáveis
forjado.
Variando-se em 3 volts no arco elétrico pode resultar numa alteração de mais de 10 FN
(número de ferrita) – no depósito. Com arames auto-protegidos, os parâmetros de soldagem
devem ser rigorosamente controlados para se obter o FN desejado, dado importantíssimo na
prevenção de trincas.
2.6.5.1 Arames Tubulares de Aço Inoxidável para Soldagem na
Posição Plana
Existem algumas inerentes desvantagens dos arames tubulares “metal-cored” e os “auto-
protegidos” que levaram ao desenvolvimento dos arames de aço inoxidável com pequeno
diâmetro. Os arames “metal-cored” requerem, principalmente o Argônio-Oxigênio, para uma
condição ótima; algumas vezes eles produzem uma inaceitável oxidação da superfície do
cordão. O nível de nitrogênio, quantidade de ferrita e penetração total no metal soldado dos
arames auto-protegidos dependem muito dos parâmetros de soldagem e habilidade do
soldador (Kotecki, 1978; Davey et al., 1987).
44
2.6.5.2 Arames Tubulares Recomendados para a Soldagem do Aço
Inoxidável AISI 304
Os arames recomendados para a soldagem do aço inoxidável AISI 304 são:
- ER 308 (21% Cr e 10% Ni): Metal de adição mais comumente utilizado para a soldagem de
juntas de composição similar, em particular, do aço AISI 304. Apresenta variações de H, de
maior teor de carbono, que é usado para garantir uma maior resistência mecânica a
temperatura elevada; L, de baixo teor de carbono e que é usado para garantir uma melhor
resistência à corrosão intergranular; Si, de maior teor de silício e que possibilita uma maior
fluidez à poça de fusão e facilita a soldagem particularmente com o processo GMAW; Mo,
com teor de Molibdênio mais elevado, e, ainda, LSi e LMo.
- ER 309 (24% Cr e 13% Ni): Metal de adição utilizado comumente para a soldagem de
metais de base de composição similar na condição como trabalhada ou como fundida. Pode
ser usado para soldar o AISI 304 em condições em que a agressividade do meio torna
necessário um material com maior teor de liga para a solda. É também utilizado na soldagem
de metais dissimilares, como no caso da união e aço carbono e aço AISI 304. Apresenta as
variações L, Si, Mo, LSi e LMo.
- ER 316 (19% Cr, 12,5% Ni e 2,5% Mo): Usado para soldar o aço AISI 316 e similares. A
presença de Mo garante uma maior resistência à fluência a alta temperatura e a corrosão
localizada em pontos (“pitting”) em atmosfera contendo elementos halogênicos. Apresenta as
variações H, L, Si e LSi.
Bálsamo et al. (2002) soldaram chapa de aço AISI 304 de 3,5 mm de espessura, usando
uma corrente média na faixa de 80-170[A], o arame AWS ER 308LSi, Ø1,2 mm, DBCP =
20mm, Gás: Ar +2% O2. Obtiveram gotas de diâmetros médios menores e mais próximos que
um Sinérgico comercial.
2.6.5.3 Arame Tubright AWS E316LT1
45
O OK Tubright 316L é um arame tubular do tipo “flux-cored” para a soldagem em
todas as posições. Ele utiliza como gás de proteção tanto o CO
2
como misturas de Ar + 20-
25%CO
2
. Este arame contém Molibdênio, o qual aumenta a resistência à corrosão localizada
induzida pelos ácidos sulfúrico e sulfuroso, cloretos e soluções de celulose. Utilizado
principalmente nas indústrias de papel e de tintas, o OK Tubright 316L foi desenvolvido para
a soldagem de aços inoxidáveis 18%Cr-12%Ni-2%Mo de baixo teor de carbono ou para a
soldagem de juntas de aços inoxidáveis dissimilares.
Forma uma escória fina e de fácil remoção, como mostra a Figura 2.20, numa soldagem
de deposição no aço AISI 1020 de 1/2 polegada de espessura.
Figura 2.20 – Escória do arame tubular AWS E316LT1-4.
De acordo com o tipo de gás utilizado (arame AWS E316LT1-1 para 100%CO
2
e
E316LT1-4 para Ar+25%CO
2
), a Tabela 2.4, apresenta a composição química, o limite de
resistência, o limite de escoamento e o alongamento (A).
Tabela 2.4 – Composição química e propriedades mecânicas de acordo com o tipo de gás de
proteção.
C Si Mn Cr Ni Mo L.R.[MPa]
L.E.[MPa]
A
100%CO2
0,03
0,8
1,48
18,2
12,4
2,42
590 470 38%
Ar+25%
CO2
0,03
1 1,58
18,5
12,4
2,46
600 470 40%
No modo convencional a corrente média, a tensão recomendada, o rendimento e a
deposição para o arame de 1,2 mm de diâmetro estão na Tabela 2.5.
46
Tabela 2.5 – Tensões e correntes recomendadas de acordo com o rendimento e deposição.
Diâmetro
[mm]
Tensão[V] Corrente[A] Rendimento[%]
Deposição
[kg/h]
1,2
26 170 83 2,2
30 270 84 4,35
Mendonça et al. (2006) soldaram o AISI 316L com o AWS E316LT-1 no modo
convencional de soldagem, com uma vazão de CO
2
de 15 l/min. Concluíram que aumentando
a porcentagem de ferrita δ, diminui-se a dureza do material e que quanto menor o nível de
corrente, maior é o nível de dureza encontrado.
Kotecki (2001) verificou que se for utilizado um processo com proteção por fluxo para
se soldar um aço 304L ou 316L, deve-se escolher um metal de adição abaixo de 5 FN, que
produza uma escória altamente básica. O mesmo recomendou, na soldagem do AISI 304L, o
AWS E316LT1-4 devido a maior resistência a trincas a quente do que o E308LT quando o
FN é baixo, como é o caso deste trabalho.
2.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A revisão bibliográfica aqui apresentada abordou vários aspectos da soldagem com
arame tubular e da soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos. Sendo assim todas as
informações aqui reunidas tiveram como meta fornecer informações sobre o assunto. Nota-se
que apesar da soldagem com o arame tubular ter ganhado popularidade entre os fabricantes
nos últimos anos, as fontes de pesquisas sobre o assunto ainda são poucas. Sendo assim ao
elaborar esta revisão bibliográfica procurou reunir o máximo de informações possível como
forma de contribuir para o objetivo principal deste, que é ampliar o conhecimento sobre a
soldagem com arame tubular AWS E316LT1-4 no modo pulsado e, ainda estabelecer uma
base de conhecimento na aplicabilidade deste consumível na soldagem do AISI 304. Cabe
também ressaltar os aspectos metalúrgicos desta condição.
Capítulo 3
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Neste capítulo será descrito a metodologia experimental para a realização do presente
trabalho. Para a concretização dos objetivos, este trabalho foi basicamente divido em três
etapas. Na primeira etapa, foi analisada a influência dos parâmetros de pulsação do processo
FCAW com arame tubular AWS 316LT1-4 sobre a soldagem de chapas finas (3,1mm) de aço
inoxidável AISI 304. Para tanto foram analisados características geométricas e produtivas dos
cordões, bem como a regularidade nas condições de pulsação dos parâmetros e determinado a
condição otimizada de soldagem que resultava na melhor combinação de respostas. Foi
utilizado como metodologia de análise técnicas estatísticas baseadas no projeto e análise de
experimentos (DOE – Design of Experiments), através da aplicação de planejamento fatorial
fracionário para o estudo de alguns parâmetros como a corrente de pico (Ip), o tempo de pico
(tp), a corrente de base (Ib) e a freqüência (f), de modo que se pudesse obter uma condição
ótima de soldagem. Ainda nesta etapa, algumas investigações das alterações microestruturais
da ZF e ZTA e ensaios de microdureza Vickers, foram realizadas em algumas condições
específicas, em três níveis de energia de soldagem (395; 545,3 e 805 J/mm), variando-se Ip,
tp, Ib e f.
Na segunda etapa, focada na condição ótima e nos resultados obtidos na etapa anterior,
novos testes exploratórios foram realizados com o intuito de melhor se adequar o processo e
definir novos níveis de energia, desta vez variando-se a energia de soldagem através da
velocidade de soldagem (27,2; 30; 32,2 e 39,3 cm/min).
Finalmente, na terceira etapa, realizou-se a soldagem em juntas de topo chanfradas,
análises microestruturais, ensaios de líquido penetrante, micro-dureza Vickers, ensaio de
tração e EDS de alguns corpos de prova, variando-se a energia de soldagem em níveis
48
próximos a condição otimizada de 590 J/mm. A descrição dos métodos e materiais utilizados
para a realização dos experimentos será detalhadamente apresentada nos itens seguintes.
3.1 BANCO DE ENSAIOS E PROCEDIMENTO
EXPERIMENTAL
Para a concretização dos objetivos deste trabalho, utilizou-se o banco de ensaios do
Laboratório de Soldas (LSO) da UNIFEI, contando, ainda, com o apoio do laboratório de
Metrologia Dimensional, para a análise dos perfis geométricos dos cordões de solda. As
análises de micrografias e os ensaios mecânicos foram realizados no Laboratório de Ensaios
Destrutivos do IEM/UNIFEI. A análise pela microscopia eletrônica de varredura foi feita no
Laboratório de Microscopia Eletrônica da Escola de Engenharia de Lorena – USP.
Para a realização dos testes de soldagem, utilizou-se o banco de ensaio apresentado na
Figura 3.1, composto por uma fonte de soldagem multi-processos Inversal 300, com
possibilidades de comando digital, operando na condição de pulsação de corrente por meio do
modo de imposição de corrente, a qual possibilitou flexibilidade no ajuste dos parâmetros.
Para a execução das soldas a tocha de soldagem foi acoplada a um sistema guia movido por
um carro (tartaruga) permitindo controle da velocidade de soldagem (Figura 3.1) durante
execução dos cordões. No banco de ensaios utilizou-se ainda um tacômetro para avaliar o
comprimento do arame consumido na realização dos cordões de solda em cada corpo de
prova. A medida do tempo do arco aberto foi feita por um cronômetro. A vazão do gás foi
controlada por um sistema de medição de vazão de gás (MVG) digital.
Todos os testes das duas primeiras etapas foram realizados através de simples deposição
sobre chapas de aço AISI 304, sendo a etapa inicial realizada em corpos de prova com
dimensões de 80 x 30 x 3,1 mm.
Como metal de adição foi utilizado o arame tubular tipo flux-cored AWS E316LT1,
com diâmetro de 1,2 mm, fabricado pela ESAB (AWS Tubright E316LT1). Este arame
contém adições de molibdênio, o qual aumenta a resistência localizada induzida pelos ácidos
sulfúrico e sulfuroso, cloretos e soluções de celulose. As composições químicas e
propriedades mecânicas dos materiais e consumíveis utilizados, segundo fabricantes, estão
dispostas nas Tabelas 3.1 (incluindo nesta o cálculo do Cromo e Níquel equivalente) e 3.2,
49
respectivamente. Como gás de proteção o fabricante recomenda utilizar para este arame o gás
CO
2
ou a mistura Ar + 25%CO
2
.
Tabela 3.1 - Composição química do metal-base e arame.
C % Si % Mn % Cr % Ni %
Mo%
S % P % Ti %
Cr
eq
Ni
eq
E316LT1-4 0,03 1,00 1,58 18,50 12,4 2,46 - - 1,00 22,46
14,09
AISI 304 0,08 1,00 0,045
18,0-
20,0
8,0-
10,5
- 0,03
0,045
- 20,50
11,67
Tabela 3.2 - Propriedades mecânicas do metal base e consumível.
Limite de
Resistência [MPa]
Limite de
Escoamento [MPa]
Alongamento, %
E316LT1-4 600 470 40
AISI 304 515 205 40
A seqüência de testes nesta etapa compreendeu a realização de testes de simples
deposição de acordo com um delineamento experimental estabelecido pela metodologia DOE.
A seguir os corpos de prova foram preparados para análises geométricas do cordão e
preparação para análises metalográficas. Paralelamente os dados foram coletados e
analisados. Estas fases do trabalho serão descritas a seguir.
Figura 3.1 – Banco de ensaios do Laboratório de Soldagem da UNIFEI.
50
3.2 TESTES DE SIMPLES DEPOSIÇÃO
Nesta primeira parte do trabalho, conforme já comentado, realizaram-se testes de
simples deposição do arame tubular AWS E316LT1-4 em chapas finas de aço inoxidável
AISI 304, utilizando o modo de transferência pulsado. O intuito destes testes foi verificar a
influência dos parâmetros de pulso do processo sobre as características geométricas e
produtivas da solda, além da regularidade dos parâmetros durante execução de soldagem.
Posteriormente, através da análise de todas as respostas, procurou-se obter uma combinação
ótima dos parâmetros.
Para a fixação dos parâmetros de pulso do processo, utilizou-se como referência
trabalhos anteriores desenvolvidos no Laboratório de Soldagem na UNIFEI (Oliveira, 2005;
Silva, 2007). No entanto, realizaram-se novos experimentos (Tabela 3.3), pois o material
soldado e arame utilizado naqueles, foram de tipos e composições químicas diferentes deste.
Como parâmetros de pulso os seguintes parâmetros foram considerados:
corrente de pico (Ip);
corrente de base (Ib);
tempo de pico (tp);
freqüência de pulsação (f).
O tempo de base foi ajustado em função da freqüência de pulsação e do tempo de pico
selecionado considerando para isto a equação (3.1).
tb = 1/f – tp (3.1)
O gás escolhido para a realização dos testes obedeceu à recomendação do fabricante e
também o menor teor de CO
2
presente. Desta forma a escolha recaiu sobre a mistura C25
(75%Ar + 25%CO
2
), sendo a vazão do gás mantida em 14l/min. Utilizou-se a tocha no
posicionamento perpendicular à solda e com uma distância do bico de contato à peça de 16
mm, o que equivaleu à distância da tocha em 11 mm e 5 mm de recuo do bico de contato.
Através de uma série de testes preliminares, inclusive com 100% CO
2
como gás de proteção
(Anexo 1), fixou-se os níveis máximos e mínimos dos parâmetros a serem analisados. A
Tabela 3.3 apresenta os parâmetros fixos e variáveis, bem como os seus respectivos valores,
utilizados na execução do testes.
As respostas avaliadas nesta fase inicial foram as seguintes:
Características geométricas do cordão, representadas pela penetração, diluição, largura e
reforço do cordão;
51
Características produtivas representadas pela taxa de deposição e rendimento da solda;
Regularidade na alimentação do arame.
No modo de soldagem com imposição de corrente, a tensão de soldagem foi fixada num
valor constante de 25 V (Centeno, 2001) - de tal modo a garantir que o comprimento do arco
se mantivesse constante em todos os testes - sendo que a velocidade de alimentação do arame
se ajustava automaticamente para cada condição de soldagem, garantindo a corrente média
exigida. Esta regularidade de ajuste foi considerada neste trabalho como um indício da
estabilidade do processo de pulsação. Para isto utilizou-se um sistema de aquisição de dados
Oscilos 4 que permitia o registro da característica dinâmica da velocidade do arame, corrente
e tensão durante a realização dos testes. Foi utilizado um tempo de aquisição de 5s para cada
teste. Posteriormente esta velocidade de alimentação caracterizada por um registro de 20.000
pontos foi processada estatísticamente para cada solda utilizando o software Excel e
determinado a velocidade média e o desvio padrão para cada teste e calculado o desvio padrão
relativo (coeficiente de variação).
Tabela 3.3 - Parâmetros fixos e variáveis nos testes de simples deposição.
Parâmetros Fixos
Ângulo da tocha: 90
o
DBCP: 16mm
Tipo de Gás: C25 (75% Ar +25% CO
2
) Recuo do bico : 5mm
Vazão de Gás: 14 l/min Tensão: 25 Volts
Velocidade de Soldagem: 30 cm/min Polaridade: CC+
Posição = Plana
Parâmetros de Análise (Variáveis)
Valor Mínimo (-) Valor Máximo (+)
Corrente de pico (Ip) A 250 350
Tempo de pico (tp) ms 2 3
Corrente de base (Ib) A 60 80
Freqüência Hz 50 100
Após a realização dos testes preliminares e fixação dos níveis dos parâmetros, foram
realizados os testes definitivos. Para isto utilizou-se então um planejamento fatorial
fracionado (2
k-1
) - onde k é o número de fatores, com duas replicagens e dois pontos centrais,
52
perfazendo assim o total de 18 testes. A Tabela 3.4 apresenta o delineamento experimental
obtido. A mesma tabela apresenta para cada teste preestabelecido os correspondentes valores
de energia de soldagem (H), calculados conforme equações 3.2 e 3.3 respectivamente.
Im = (Ip*tp + Ib*tb)/ (tp+tb) (3.2)
H = (V*Im)/vs (3.3)
Tabela 3.4 - Delineamento experimental.
Testes Fatores
- Ip Ip tp f H
- A A ms Hz kJ/mm
1 250 60 2,0 50 395,0
2 350 60 2,0 100 590,0
3 250 80 2,0 100 570,0
4 350 80 2,0 50 535,0
5 250 60 3,0 100 585,0
6 350 60 3,0 50 517,5
7 250 80 3,0 50 527,5
8 350 80 3,0 100 805,0
9 250 60 2,0 50 395,0
10 350 60 2,0 100 590,0
11 250 80 2,0 100 570,0
12 350 80 2,0 50 535,0
13 250 60 3,0 100 585,0
14 350 60 3,0 50 517,5
15 250 80 3,0 50 527,5
16 350 80 3,0 100 805,0
17 300 70 2,5 75 545,3
18 300 70 2,5 75 545,3
3.2.1 Preparação dos Corpos-de-Prova
Os corpos de prova foram pesados antes e após a soldagem, seccionados em duas partes,
polidos e atacados quimicamente. O reagente utilizado na análise de perfil foi o Vilela (45 ml
53
de Glicerol/Glicerina + 15 ml de HNO3 (1.40) + 30 ml de HCl), com tempo de ataque de
segundos a minutos (Petzow, 1978), nesta etapa utilizou-se 5 minutos. A aplicação deste
reagente é recomendada para os aços inoxidáveis com alto teor de Cr e aços Cr-Ni.
Preparadas as amostras, com o auxílio de um projetor de perfis e de um planímetro,
registraram-se as áreas de penetração (Sp), de reforço (Sr) e total (Sp+Sr), e a correspondente
diluição, bem como a penetração do cordão (p), sua largura (b) e reforço (r), conforme
esquema mostrado na Figura 3.2. Esses valores encontram-se na Tabela 3.4.
Figura 3.2 – Representação da área da seção transversal do cordão de solda.
Para a avaliação das características produtivas as seguintes equações foram utilizadas:
- Taxa de deposição (Td) em kg/h:
t
mm
Td
cicf
)(*6,3
−
=
(3.4)
- Taxa de fusão (Tf) em kg/h:
t
Ldens
Tf
*.*6,3
=
(3.5)
- Rendimento (η):
100*
Tf
Td
=
η
(3.6)
onde:
m
cf
= massa final do corpo de prova (g);
m
ci
= massa inicial do corpo de prova (g);
t = tempo de soldagem (s).
d = densidade linear arame (6,47g/m);
L = comprimento do arame (m).
54
Além das análises geométricas, alguns corpos de prova foram selecionados para uma
avaliação mais específica da ZTA e ZF. Para esta preparação, o reagente utilizado na
macrografia e microscopia eletrônica de varredura foi o glicerégia (3 partes de glicerol + 2-5
partes de HCl + 1 parte de HNO3) (Petzow, 1978). Os cdp`s soldados com 395 J/mm (menor
“heat imput”), 545,3 J/mm(“center point”) e 805 J/mm (maior “heat imput”) foram
submetidos a ensaios de microdureza Vickers (Figura 3.3) com carga de 100 gF e análise
metalográfica.
Figura 3.3 – Ensaio de microdureza Vickers: (a) H = 395 J/mm; (b) H = 545,3 J/mm.
3.3 SOLDAGEM DE SIMPLES DEPOSIÇÃO VARIANDO-SE A
ENERGIA DE SOLDAGEM
Nesta segunda parte do trabalho, realizou-se soldagem de simples deposição, variando-
se a energia de soldagem através da variação da velocidade de soldagem, mantendo-se
constantes os parâmetros otimizados na Parte 1 (Ip, tp, Ib e f) , conforme Tabela 3.5. O
objetivo foi avaliar a relação entre o empenamento e o comprimento exato do cordão de solda
(em toda a extensão, no sentido longitudinal do corpo de prova), assim como analisar a
propriedade mecânica de dureza e as propriedades metalúrgicas através de análises
metalográficas.
(b)
(a)
55
Tabela 3.5 - Condições de soldagem com variação da H através da vs.
Cond
Ip
[A]
Ib
[A]
tp
[ms]
f
[Hz]
tb
[ms]
vs
[cm/min]
V
[volts]
ma
[g]
H
[J/mm]
1 350 60 2 100 8 39,3 25 48 450,4
2 350 60 2 100 8 35,4 25 46,1 500,0
3 350 60 2 100 8 32,2 25 48,1 549,7
4 350 60 2 100 8 29,5 25 47,4 600,0
5 350 60 2 100 8 27,2 25 47,1 650,7
6 350 60 2 100 8 30 25 46,8 590,0
Após a realização das soldas de deposição com variação de energia realizaram-se 3
testes para analisar a penetração na junta de topo. Dois testes foram feitos com o bordo reto
(sem chanfro) em cdp’s com 75 mm de comprimento. Tanto com a maior energia (H=650,7
J/mm) como com a menor (H=450,4 J/mm), ocorreu falta de penetração (Figura 3.4). O
terceiro teste foi feito com um chanfro de 60°, abertura de raiz de 1,2mm e nariz de 1,5mm,
ocorrendo boa penetração em quase toda extensão do cdp. Com esses resultados concluiu-se
que a energia necessária para uma soldagem com boa penetração estaria acima de 450 J/mm,
sendo recomendável a preparação de chanfro em V, com ângulo de bisel de 30
o
. Com o uso de
um ângulo de bisel de 37
o
± 0,5
o
, pode ocorrer o defeito de penetração excessiva, devido a
espessura de 3,1 mm dos cdp`s.
Figura 3.4 – Testes para análise da penetração com H = 450,4 J/mm e H = 650,7 J/mm.
56
Nesta parte do trabalho os cdp`s soldados com H = 450,4 J/mm e H = 650,7 J/mm foram
cortados, polidos e atacados quimicamente com glicerégia. Realizou-se nos mesmos testes de
micro-dureza Vickers (com carga de 200 gF) e análise metalográfica. Optou-se pelo ensaio de
microdureza devido ao tamanho reduzido da região soldada (ZF e ZTA), sendo que os
mesmos foram soldados com um único passe.
3.4 SOLDAGEM DE UNIÃO COM VARIAÇÃO DE ENERGIA
Na terceira parte do trabalho, as soldagens das juntas de topo (Figura 3.5), com chanfro
em V (Â bisel= 30
o
), abertura da raiz de 1,2 mm, foram realizadas com energias de soldagem
(H) de 450,4; 549,7; 590 e 650,7 J/mm (alguns valores de H não são inteiros devido à
dificuldade de ajustar valores com uma casa decimal de velocidade de soldagem no carro
tartaruga). A abertura da raiz foi definida na fase de testes preliminares por ser a que
apresentou os melhores resultados em termos de penetração. As soldagens foram realizadas
com proteção através do gás Argônio como proteção gasosa de raiz ou purga (“backing
gases”), no intuito de evitar a contaminação da solda e minimizar as descontinuidades e
defeitos nesta área. O dispositivo foi composto por uma caixa e tubo de cobre e uma chapa de
alumínio (Figura 3.6), sendo escolhidos esses materiais devido à alta difusividade térmica,
não os fundindo na região próxima ao arco elétrico, o que foi comprovado com alguns testes.
Os corpos-de-prova foram ponteados através do processo TIG com varetas ER316L e foram
presos através de 4 dispositivos de fixação (“sargentos”).
Figura 3.5 – Dimensões da junta dos corpos-de-prova.
57
Figura 3.6 – Dispositivo de proteção gasosa da raiz ou purga (“backing gases”).
3.4.1 Ensaios por Líquido Penetrante
Nesta etapa, o ensaio por liquido penetrante foi realizado na face dos cordões, com o
intuito de analisar as descontinuidades possíveis como trincas de solidificação e poros
superficiais, conforme etapas descritas abaixo:
1. Preparação da Superfície – Limpeza inicial;
2. Aplicação do penetrante VAG-53 (sensibilidade Elevada Nível II segundo N-2370 C da
BR) da MAGNAFLUX, visível e lavável a água (Figura 3.7);
3. Remoção do excesso de penetrante;
4. Revelação – Através do revelador SKD-S2 da MAGNAFLUX;
5. Avaliação e Inspeção.
O critério de aceitação foi o da Norma ASME SEC.VIII Divisão 1, Apêndice 8:
a) Trincas de solidificação.
Qualquer trinca é inaceitável, independente do tamanho e localização. A verificação foi
feita em 100% das soldas.
b) Porosidade superficial.
58
A verificação foi feita em 100% das soldas. O critério de aceitação é uma tradução do
Código ASME Seção VIII, Divisão 1, Apêndice 8, que é aplicável a soldas e componentes
inspecionados por LP referenciado na norma ASME Seção V – Edição 2007:
o Somente indicações com dimensões maiores que 1,6mm devem ser consideradas como
relevantes;
o Uma indicação arredondada é aquela na forma circular ou elíptica com comprimento
igual ou menor que três vezes a largura;
o Com relação às indicações arredondadas, todas as superfícies devem estar livres de
indicações relevantes maiores que 3/16 pol.(4,8mm);
o 4 ou mais indicações relevantes arredondadas em linha separadas por 1/16 pol. (1,6mm)
ou menos (de borda a borda).
Figura 3.7 – Ensaio de líquido penetrante, segundo código ASME Seção VIII, Div. 1, AP.8.
3.4.2 Ensaios de Tração
Após ensaio por liquido penetrante, os cdp’s foram cortados numa serra, fresados
(Figura 3.8) e submetidos a ensaio de tração seguindo-se a norma ASTM E8/E 8M-08
59
(Standart Test Methods for Tension Testing of Metalic Materials). Utilizou-se uma Máquina
Emic DL 3000, no Laboratório de Ensaios Destrutivos e Não-Destrutivos do Departamento de
Engenharia Mecânica da UNIFEI. Descartou-se o início e final do cordão. A análise
metalográfica foi feita na parte M indicada na Figura 3.8.
Figura 3.8 – Corpo-de-prova para ensaio de tração conforme norma ASTM E8/E 8M-08.
Figura 3.9 – Regiões definidas para os ensaios metalográfico e de tração.
3.4.3 Ensaios de Microdureza Vickers
Foi determinado o perfil de microdureza Vickers para as energias de soldagem de 450,4
e 650,7 J/mm, aplicando-se uma carga de 200gF ao longo da largura e reforço da região
soldada (Zona fundida, Zona de Ligação, ZTA e Metal Base), segundo norma ASTM E 384-
3. Nos ensaios de microdureza utilizou-se o Micromet 2004 da BUEHLER, do DEMAR da
EEL-USP.
Capítulo 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo serão exibidas e discutidas as respostas obtidas a partir dos ensaios
realizados. A análise dos resultados será abordada em três agrupamentos de resultados, sendo
este capítulo dividido em três partes. Na primeira parte, serão apresentados e discutidos os
resultados referentes à análise da influência dos parâmetros de pulso na soldagem de simples
deposição com arame tubular AWS E316T1-4 em chapas de aço inoxidável AISI 304, através
de um planejamento fatorial fracionário, com a finalidade de obter uma condição otimizada de
soldagem que represente a melhor combinação de parâmetros de pulso. Na segunda parte,
após a otimização dos parâmetros de pulso, serão apresentados os resultados de um novo
experimento realizado em diferentes níveis de energia de soldagem, variando-se apenas a
velocidade de soldagem. A terceira parte refere-se à soldagem de juntas de topo com chanfro
em v e análises dos resultados de microdureza Vickers da ZF e ZTA, inspeção por líquido
penetrante e análises metalográficas em amostras produzidas tanto na soldagem de deposição
como na de união, observando as diferentes microestruturas produzidas sob as mesmas
condições, mas com níveis de energia diferentes. Nesta etapa analisar-se-ão também os
resultados de ensaios de tração, objetivando verificar a resistência mecânica da soldagem nas
juntas de topo sob diferentes condições de energia.
61
4.1 RESULTADOS E ANÁLISES DOS EFEITOS DOS
PARÂMETROS DE PULSO EM SOLDAGENS DE
SIMPLES DEPOSIÇÃO
A Tabela 4.1 apresenta as condições de soldagem e os resultados obtidos com os testes
de simples deposição para as respostas correspondentes ao coeficiente de variação do arame
(cva), penetração (p), índice de convexidade do cordão (IC), diluição (D), rendimento de
soldagem (Rend) e deformação relativa da chapa (Def). Além destas respostas, a mesma
tabela apresenta os valores de energia de soldagem (H) relativos aos parâmetros de pulsação
para cada condição de soldagem. No anexo A.1 encontram-se, na Tabela A.3, os resultados
complementares obtidos e demais características. A Figura 4.1 mostra os cordões das soldas
obtidos com os experimentos da Parte 1 do trabalho (soldagem de simples deposição); cada
número do cdp corresponde a primeira coluna da Tabela 4.1. Os corpos-de-prova tem 80 mm
de comprimento, 30 mm de largura e 3,1 mm de espessura.
Figura 4.1 – Cordões das soldas obtidos nos testes finais.
62
Tabela 4.1 - Seqüência e resultados dos experimentos.
Testes Fatores Respostas
- Ip Ip tp f H Def Rend cva p IC D
- A A ms Hz kJ/mm % % % mm % %
1 250 60 2,0 50 395,0 8,06 89,06 3,65 0,23 27,69 18,18
2 350 60 2,0 100 590,0 9,40 90,23 2,03 1,70 23,04 32,35
3 250 80 2,0 100 570,0 10,20 91,91 2,31 1,33 23,46 33,85
4 350 80 2,0 50 535,0 8,70 91,62 1,85 1,92 23,53 32,64
5 250 60 3,0 100 585,0 8,30 91,01 3,20 1,78 23,16 31,69
6 350 60 3,0 50 517,5 9,10 87,84 1,24 1,56 24,69 29,95
7 250 80 3,0 50 527,5 7,40 91,71 2,22 1,32 23,03 31,29
8 350 80 3,0 100 805,0 6,70 91,00 5,88 1,48 23,02 32,09
9 250 60 2,0 50 395,0 7,97 89,85 1,91 0,40 30,65 13,84
10 350 60 2,0 100 590,0 8,80 90,54 2,46 1,48 23,16 25,53
11 250 80 2,0 100 570,0 7,95 92,47 2,46 1,35 22,99 30,55
12 350 80 2,0 50 535,0 6,80 91,79 1,90 1,58 22,89 35,58
13 250 60 3,0 100 585,0 7,92 89,74 3,14 1,45 23,40 28,21
14 350 60 3,0 50 517,5 8,11 72,98 3,13 1,60 22,89 32,48
15 250 80 3,0 50 527,5 9,65 91,86 3,27 0,85 23,67 23,58
16 350 80 3,0 100 805,0 10,46 77,37 4,40 3,60 24,80 40,19
17 300 70 2,5 75 545,3 8,58 89,63 4,40 1,98 21,86 32,44
18 300 70 2,5 75 545,3 8,75 89,75 5,01 1,85 23,91 30,06
4.1.1 Análise de Variância
Para avaliar de maneira mais consistente os efeitos dos fatores empregados sobre as
respostas observadas, utilizou-se a análise de variância - ANOVA. Neste trabalho,
considerou-se, como critério de análise, que um determinado fator de controle afeta
estatisticamente uma resposta, quando o nível de significância (α) obtido for inferior a 5%, ou
63
seja, uma confiabilidade estatística de 95%. Entretanto como muitos resultados se situaram
em um nível de significância um pouco maior, para efeitos de análises ampliou-se o nível α
para 6%. Esta metodologia foi usada para garantir a confiabilidade dos efeitos das variáveis
de influência nos resultados (Montgomery, 2003).
A Tabela 4.2 mostra os valores do nível α para as respostas referentes aos parâmetros
estudados e interações entre parâmetros para o modo de transferência pulsado. Os números
em destaque, nesta tabela, indicam que os valores médios das respostas foram afetados
estatisticamente pelos fatores de controle com 94% de confiabilidade.
Tabela 4.2 - Resultados da análise de variância.
Fatores Respostas
- Def
Rend Cva P IC D
Ip 0,906 0,106 0,816
0,017 0,043 0,007
Ib 0,970 0,358 0,277 0,161
0,027 0,009
tp 0,964 0,109
0,029
0,119 0,071 0,094
f 0,461 0,701
0,055 0,053 0,020 0,031
Ip*Ib 0,294 0,923
0,053
0,569
0,019
0,632
Ip*tp 0,764 0,092 0,142 0,808
0,008
0,517
Ip*f 0,796 0,908
0,059
0,494
0,020 0,027
Ct_pt 0,841 0,697
0,007
0,213 0,080 0,268
R
2
18,7 55,31 80,0 70,0 85,8 81,9
R
2
adj
0,0 15,58 62,3 43,0 73,2 69,8
Analisando a Tabela 4.2 verifica-se que os parâmetros de pulso não influenciaram
significativamente na deformação da chapa após soldagem e tampouco no rendimento de
deposição. Nota-se também que em ambas as respostas o fator de correlação ajustado (R
2
adj
)
ficou com valores muito baixos, o que indica que estatisticamente as análises para estas duas
respostas são insignificantes. Desta forma as mesmas foram descartadas para efeitos de
análise. As outras respostas serão analisadas separadamente a seguir.
64
(a)
(b)
4.1.2 Regularidade de Alimentação do Arame
Considerando o fato de que o equipamento utilizado na soldagem foi uma fonte de
tensão constante e que o modo de soldagem escolhido foi utilizando uma imposição de
corrente, porém com uma tensão constante de 25V, isto fez com que para cada condição de
soldagem a alimentação do arame se auto-ajustou para garantir a tensão especificada. Desta
forma a sua regularidade, ao longo do tempo, foi utilizada neste trabalho como uma condição
de estabilidade. Portanto quanto menor o coeficiente de variação da alimentação do arame,
maior a estabilidade do arco elétrico durante a soldagem.
Da análise de variância (ANOVA), na Tabela 4.2, verifica-se que o tp é a variável mais
influente mais significativo na regularidade da alimentação do arame, seguido pela freqüência
e pela interação IpxIb. Considerando os efeitos principais dos parâmetros, a Figura 4.2(a)
mostra que uma maior regularidade do arco é obtida quando se trabalha com o menor tempo
de pico (2 ms) e na menor freqüência de pulsação (50 Hz). Por outro lado, considerando a
interação significativa da corrente de pico e corrente de base - Figura 4.2(b) - observa-se que
para uma corrente de pico de 350A, a menor variação da alimentação do arame ocorre com Ib
= 60 A.
Desta forma, a condição que conduz a uma menor variação na alimentação do arame é
conseguida através do ajuste de Ip = 350A, Ib = 60A, tp = 2ms e f = 50Hz, o que equivale a
uma corrente média (Im) de 89A.
Figura 4.2 – Regularidade na alimentação do arame. (a) Efeitos principais; (b) Superfície de
contorno da interação Ip*Ib.
65
4.1.3 Análise da Penetração
Na soldagem de simples deposição ou revestimento, a penetração está relacionada à
imposição de calor. A condição ideal é sempre representada por uma penetração máxima,
porém com a mínima deformação na peça. Esta condição é bastante crítica na soldagem dos
aços inoxidáveis austeníticos, visto que a baixa condutibilidade térmica do mesmo faz com
que a dissipação de calor seja pequena, gerando uma intensa deformação. Considerando a
análise de variância dos experimentos realizados, verifica-se que o parâmetro mais influente
na penetração foi a corrente de pico, seguido pela freqüência. A corrente de base e o tempo de
pico não influenciaram significativamente a penetração da solda. Considerando a análise dos
efeitos principais dos parâmetros (Figura 4.3), observa-se que uma penetração máxima da
solda pode ser obtida ajustando a corrente de pico e a freqüência em seus valores máximos. A
corrente de base e o tempo de pico, muito embora não significativos nesta resposta, seus
efeitos sugerem que a utilização de seus valores nos limites superiores também maximiza a
penetração. De fato utilizando todos os parâmetros em seus limites superiores, com certeza
haverá uma maior geração de calor provocando o aumento da penetração. Assim a utilização
de uma condição de soldagem com Ip = 350A, Ib = 80A, tp = 3ms e f = 100Hz, o que implica
em uma corrente média de 161A, permite a maximização da penetração. A penetração de
3,6mm parece ser estranha, no entanto ocorreu no corpo-de-prova 16, de maior energia de
soldagem (H=805 J/mm), no qual teve penetração excessiva.
Figura 4.3 – Influência dos parâmetros de soldagem Ip, Ib, tp e f na penetração.
66
4.1.4 Análise da Convexidade do Cordão
O índice de convexidade do cordão está relacionado com a alimentação do arame e o
comprimento do arco. Esta resposta tem uma grande influência nas propriedades mecânicas e
possíveis falhas no aspecto visual do cordão, como reforço excessivo. Como parâmetro de
aceitação, Silva et al. (2000) sugerem que a convexidade do cordão deva se situar entre 20 e
30%.
Da análise de variância (Tabela 4.2) verifica-se que a interação Ip*tp é a variável mais
influente, seguidos, em ordem crescente de significância, pelas interações Ip*Ib, Ip*f, e pelos
efeitos principais da f, Ib e Ip. É interessante observar que a freqüência isoladamente e sua
interação com Ip tem a mesma significância de 0,020.
As Figuras 4.4 e 4.5 mostram as interações significativas. Nota-se que todas as
condições de soldagem implicam em um índice de convexidade entre 20 e 30%, o que
representa uma condição boa para as soldas realizadas. Observando os resultados, nota-se que
para uma Ip = 350 A, existe uma maior molhabilidade de poça de fusão, devido à maior
energia de soldagem imposta, sendo que os outros parâmetros basicamente não interferem nos
resultados; sendo possível situar-se nos seus níveis inferiores, de tal forma a gerar uma
corrente média de 89A garantindo uma convexidade de aproximadamente 22%. Como os
cdp`s têm apenas 3,1mm de espessura, é melhor se trabalhar com menor energia, ou seja, com
uma Im = 89A (Figuras 4.4 e 4.5). Caso a Ip seja de 250A, para garantir uma convexidade
aproximada de 22%, os outros parâmetros como Ib, tp e f devem estar no maior nível para
melhorar a molhabilidade e, consequentemente, evitar o defeito de inclusão de escória. Neste
caso a corrente média ótima para essa condição é 131A.
Figura 4.4 – Influência do tp e Ib no índice de convexidade.
67
Figura 4.5 – Influência da freqüência de soldagem no índice de convexidade.
4.1.5 Análise da Diluição
A diluição também está relacionada com a imposição de calor, sendo sua adequação
importante aos aços inoxidáveis, principalmente na utilização do diagrama de Schaeffler. Esta
resposta está relacionada às propriedades mecânicas. Considerando a análise de variância, o
parâmetro mais influente na diluição (Tabela 4.2) foi a Ip, seguido pela Ib, pela interação da
Ip*f e f. Considerando os efeitos principais, a obtenção da máxima diluição
(aproximadamente 32%) exige uma condição de ajuste com Ip = 350A, Ib = 80A, tp = 3ms e
f = 100Hz, ou seja, com Im = 161A (Figura 4.6).
Figura 4.6 – Influência da Ip, Ib, tp e f na diluição.
68
4.1.6 Otimização das Condições de Soldagem
Nas análises anteriores procurou-se encontrar uma condição adequada para cada
resposta separadamente. Entretanto na prática muitas vezes é necessário encontrar um ajuste
de parâmetros que resulte na otimização de múltiplas respostas. Para tentar encontrar uma
condição
otimizada para os parâmetros de pulsação utilizou-se a ferramenta “Response
Optimizer” do software comercial MINITAB. A Figura 4.7 mostra os níveis de ajustes
pretendidos dentro da ferramenta “Response Optimizer”. Foi considerada nesta otimização
uma importância diferenciada entre as respostas. Considerou-se que a penetração é a resposta
mais importante seguido pelo índice de convexidade. Admitiu-se que a diluição e coeficiente
de variação da alimentação do arame têm uma importância menor para os objetivos da
otimização. A intenção desta diferenciação seria no sentido de se conseguir uma melhor
penetração da solda sem, entretanto provocar uma maior deformação da mesma e com uma
geometria do cordão adequada.
Objetivo Inferior Alvo Superior Peso Importância
cv_alim Mínimo 2,0 2,0 3,0 1 1
IC(%) Mínimo 25,0 25,0 30,0 1 2
p Máximo 0,5 1,6 1,6 1 3
D(%) Alvo 22,0 28,0 32,0 1 1
Figura 4.7 – Condições para a otimização.
A Tabela 4.3 mostra os resultados obtidos de acordo com os ajustes estabelecidos.
Nesta, a desejabilidade mostra o grau de certeza. Observa-se, dos resultados, que a condição
prevista praticamente é idêntica à condição real, sendo que apenas a regularidade de
alimentação do arame e a penetração apresentaram um pequeno erro de 2,3% e 1,3%,
respectivamente. Desta forma o ajuste do modelo gerado pelo planejamento fatorial reproduz
com precisão as condições de soldagem. Com relação às condições obtidas, os níveis de
ajustes pretendidos sugerem que a Ip e a freqüência sejam mantidos em seus níveis superiores,
ao passo Ib e tp sejam regulados para o nível inferior, ou seja, Ip = 350 A, tp = 2ms, Ib = 60 A
e f = 100Hz. Esta condição corresponde a um nível de energia de soldagem de 590 kJ/mm e
uma corrente média de 118A. Portanto esta será a condição a ser utilizada para as análises
posteriores. O perfil macrográfico da condição ótima é mostrado na Figura 4.8
69
Tabela 4.3 - Respostas obtidas utilizando o “Response Optimizer”.
Condição
ótima
Respostas
Previstas
Desejabilidade
Real Erro, %
Ip = 350
A
tp = 2ms
Ib = 60 A
f =100 Hz
cva = 2,20 %
0,76 cva = 2,25 %
2,3
p = 1,59mm 0,99 p = 1,61mm 1,3
IC = 23,10% 1,00 IC = 23,10% 0
D = 28,94% 0,77 D = 28,94% 0
Desejabilidade Global: 0,92
Figura 4.8 – Perfil do cordão de solda na condição ótima (H = 590 J/mm). Ampliação 10x.
4.1.7 Comentários Finais
A utilização do DOE foi importante no sentido de determinar a influência dos
parâmetros na geometria do cordão de solda. Apesar dos resultados não permitirem a
adequação do modelo para a resposta associada à deformação da peça - o que possibilitaria o
estabelecimento de condições que resultassem em uma adequada penetração da solda, com a
mínima deformação - tais resultados abrem possibilidades de um ajuste para os perfis
geométricos do cordão, os quais se pretendem obter. Uma outra observação é que alguns
70
testes preliminares usando-se V = 27V foram realizados para uma corrente média maior,
ocorrendo melhor estabilidade do arco que a V = 25V, no entanto a deformação e perfuração
na peça, faz esse nível de V (para os referentes ajustes de pulsação) ser inviável a chapa de
3,1mm do AISI 304. A menor tensão recomendada pelo fabricante é de 26V, para Im = 170A,
no entanto, para a vs = 30cm/min, a energia de soldagem será de 884 J/mm; causando, da
mesma forma, perfuração ou penetração excessiva.
4.2 ANÁLISES DOS EFEITOS DA ENERGIA DE SOLDAGEM
NAS PROPRIEDADES METALÚRGICAS
A energia de soldagem tem influência direta na velocidade de resfriamento da solda. É
conhecido que o aumento da energia de soldagem provoca uma diminuição na velocidade de
resfriamento da mesma. No caso dos aços inoxidáveis austeníticos, o aumento deste aporte de
energia pode provocar uma maior tendência à formação de carbonetos de cromo pela
diminuição da velocidade de resfriamento na faixa crítica entre 900 a 500˚C. Além disto, a
utilização de uma maior energia de soldagem pode provocar, em conseqüência, uma maior
deformação do material (fato este verificado nos ensaios através do empenamento dos cdp’s),
além do risco de formação de trincas de solidificação (Região 1 da Figura 4.9). Para contrapor
o risco de formação de trincas de solidificação, a presença de ferrita δ entre os teores de 5 a
10% previne esta formação (Lippold & Kotecki, 2005). No caso específico da solda em
questão, ou seja, soldagem de chapas de aço inoxidável AISI 304 com arame tubular AWS
E316LT1-4, considerando a diluição obtida na solda final otimizada, cujo valor foi de 28,9%,
o diagrama de Schaeffler (Figura 4.9) permite prever que o número de ferrita δ para esta solda
é de aproximadamente 7%. Portanto, em princípio poderia se auferir que tal solda está dentro
dos limites onde não ocorrerão trincas de solidificação pela presença de ferrita δ. Acrescente-
se a isto o fato de que, para a presente solda, a relação entre Cr
eq
/Ni
eq
=1,76 caracteriza, de
acordo com Lippold & Kotecki (2005), um modo de solidificação FA – ferrítico-austenítico,
onde as dendritas são inicialmente ferríticas, transformando-se em austenita através de uma
reação peritética durante solidificação (Lancaster, 1999). Após a solidificação, o teor de
ferrita δ varia de 4 a 18%, desta forma, este modo de solidificação é o mais resistente à
formação de trincas. Isto foi confirmado no ensaio por líquido penetrante na 3
a
parte desta
dissertação (item 4.4.1).
71
Figura 4.9 – Diagrama de Schaeffler com aplicação para a soldagem do AISI 304 através do
arame tubular AWS E 316LT1-4.
A Figura 4.10 mostra a micro-estrutura da ZTA do AISI 304, soldado com o AWS
E316LT1-4, com a formação de ferrita δ nos contornos de grão. As colônias eutéticas
desaparecem e o esqueleto ferrítico, obtido da transformação incompleta das dendritas de
ferrita primária, é retida durante a subseqüente transformação ao estado sólido, segundo Ma et
al. (2006).
Figura 4.10 – Microestrutura da ferrita δ na ZTA do aço AISI 304 soldado com o arame
tubular AWS E316LT-4 com H = 805 J/mm. Aumento de 5000x.
72
Espera-se que as soldas realizadas com menor aporte apresentem maior resistência ao
trincamento (Folkhard, 1988). Isso se justifica pelo fato da ZTA destas soldas
experimentaram maiores velocidades de resfriamento, fazendo com que houvesse um menor
tempo para que a transformação da ferrita em austenita se completasse. Isto proporciona uma
microestrutura mais refinada, uma vez que os teores de ferrita δ, retidos nos contornos da
austenita, inibiriam a formação e crescimento dos grãos austeníticos, tornando esta região
menos susceptível a trincas e a precipitação dos carbonetos.
Ressalta-se também que o AISI 304 tem índice de susceptibilidade a trincas (UCS) de
13,93; ou seja, boa resistência a trincas. Quando um metal base possui UCS > 30, indica que o
mesmo possui baixa resistência a trincas (Silva & Paranhos, 2003). Dentre todos os testes
realizados apenas um corpo-de-prova apresentou um defeito deste tipo. Através de um ensaio
visual, verificou-se uma aparente trinca de solidificação no sentido longitudinal (Figura 4.11),
condição esta não esperada em função do exposto anteriormente. Durante a realização deste
cordão com a máxima energia de soldagem (H = 805 J/mm, cdp n
o
8 – Tabela 4.1), verificou-
se que o coeficiente de variação da alimentação do arame foi maior nesta condição (cva =
5,88), comparativamente a todos os outros testes.
Figura 4.11 – Trinca de solidificação longitudinal do aço inoxidável AISI 304 soldado com o
arame tubular AWS E316LT-4 com H = 805 J/mm.
Em função na irregularidade da alimentação do arame, seu comprimento livre (stick-
out) sofreu alterações e, conseqüentemente, o pré-aquecimento do fluxo, o qual se dá por
efeito Joule, foi afetado. Desta forma dois efeitos podem ter acontecido. No primeiro pode ter
ocorrido uma alteração no comprimento do arco e, em conseqüência, a vazão de gás pode não
ter sido suficiente para proteger a poça de fusão, ocorrendo então a contaminação da mesma
73
pelo ar atmosférico, durante um curto espaço de tempo, aumentando assim a porcentagem de
nitrogênio na composição química no cordão de solda. Em conseqüência pode ter ocorrido a
diminuição da quantidade de ferrita δ (Salazar, 1978) nos contornos de grão, e desta forma, a
estrutura se solidificou na forma austenítica (ou com baixa porcentagem de ferrita δ)
(Lasseigne & Olson, 2007), assim como a presença de micro-rechupes, fato este comprovado
por Macedo et al. (1998). Um outro efeito na irregularidade da alimentação do arame se refere
à alteração no comprimento do arame e, em conseqüência, na intensidade de calor gerado por
efeito Joule. Considerando a alta resistividade elétrica dos aços inoxidáveis austeníticos,
comparados aos aços carbono, pode ter ocorrido em determinadas condições durante
soldagem uma excessiva geração de calor por um aumento no comprimento do arame
provocando a perfuração e penetração excessiva da chapa, conforme verificada na Figura
4.11.
A análise metalográfica do cdp n
o
8 revela uma estrutura característica com alta taxa de
resfriamento na ZF, inclusive com formação da estrutura austenita Widmanstätten e
possivelmente com austenita intergranular. Aparentemente pode ter ocorrido um inicio de
corrosão, pois nesta etapa não se utilizou do gás de proteção (gás de purga), do lado oposto a
face do cordão de solda, apesar de o nitrogênio, o qual apresenta alta solubilidade na
austenita, não causar problemas de corrosão intergranular (Macedo et al., 1998).
Figura 4.12 – Microscopia óptica da ZF (penetração excessiva) no corpo-de-prova soldado
com H = 805 J/mm.
74
A Figura 4.13 mostra, através da microscopia eletrônica de varredura, uma ZTA mais
extensa, devido ao maior aporte térmico imposto. Percebe-se também a ferrita δ nos contornos
de grão, possivelmente alguma porcentagem de carbonetos primários eutéticos como finas
massas lamelares isoladas (sem estarem interligados), caracterizando uma possibilidade de
fusão dos mesmos, resultado este de acordo com o obtido por Zeemann et al. (1992).
Figura 4.13 – MEV no cdp soldado com H = 805 J/mm. Aumento de 1000X.
No mesmo cdp, identificou-se também a presença de uma inclusão de escória, conforme
mostrado na Figura 4.13(b). Esta, possivelmente, pode ter sido provocada pela irregularidade
na velocidade de alimentação do arame (Tabela 4.1), desestabilizando o arco elétrico,
expondo a poça de fusão à atmosfera; ou pela umidade absorvida pelo arame antes de sua
estufagem, ou seja, não ter sido conservado adequadamente.
A principio, a Figura 4.14 (a) demonstra um poro superficial, no entanto uma análise
por EDS (Figura 4.15) mostra a presença marcante (%atômica=54,31) de Titânio na
composição química (TiO
2
), e visualmente conclui-se que a parte interna do poro superficial é
composta por elementos químicos típicos dos fluxos rutílicos, além de Al
2
O
3
, Mn e zircônio
(Zr).
75
(a) (b)
Figura 4.14 – MEV do cdp soldado com H= 805 J/mm. (a) Poro superficial. Aumento de
500x, (b) Inclusão de escória. Aumento 100X.
Figura 4.15 – EDS no poro superficial (Região A) do cdp soldado com H=805 J/mm.
Uma análise com maior detalhamento do centro da inclusão, da Figura 4.14(b), é
mostrada na Figura 4.16, confirmando uma parte rica em Cr (20,98% em peso atômico) e Ni
(9,48% em peso atômico), possivelmente proveniente do arame tubular. O EDS (Figura 4.17)
mostra também a presença de 1,48% em peso de Mn, elemento desulfurizante - contido na
parte metálica do arame - importante na prevenção de poros.
Região B
Região C
Região A
76
Figura 4.16 – MEV na parte central da inclusão de escória (Região C) do cdp soldado com
H=805 J/mm. Aumento 400x.
Figura 4.17 – EDS do ponto C da Figura 4.16 no cdp soldado com H = 805 J/mm.
Na mesma inclusão (Figura 4.18) observa-se um ponto claro (B) com presença de Si,
também, sendo um elemento desoxidante, também importante na prevenção de poros. Do lado
esquerdo (ponto A), a presença de Zr (79,57% em peso), o qual absorve muita radiação, e Si
(20,43% em peso) é bem pronunciada (Figura 4.19), sendo este um estabilizador da ferrita δ.
Ponto C
77
No ponto C confirma-se a presença do rutilo (TiO
2
), através da indicação do Ti no EDS
(Figura 4.20).
Figura 4.18 – MEV na IE do cdp soldado com H = 805 J/mm. Aumento 3000x.
Figura 4.19 – EDS do ponto A da Figura 4.18 do cdp soldado com H = 805 J/mm.
78
Figura 4.20 – EDS do ponto C da Figura 4.18 do cdp soldado com H = 805 J/mm.
4.3 ANÁLISES DOS EFEITOS DA ENERGIA DE SOLDAGEM
NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
4.3.1 Análise de Microdureza Vickers na Soldagem de Deposição da
1ª Etapa
Na avaliação das características da região soldada, a análise do perfil de microdureza
Vickers é de fundamental importância, sendo esta influenciada diretamente pelas
transformações micro-estruturais decorrentes dos diferentes níveis de energia impostos. No
cdp soldado com H = 395 J/mm - na soldagem de simples deposição - o perfil de microdureza
(Figura 4.21) foi traçado em duas linhas retas no sentido da espessura da peça soldada,
conforme demonstrado na Figura 3.3(a), através do MB, ZTA e ZF. Cada medida foi feita
mantendo-se uma distância de 0,25mm. A dureza média encontrada foi 191,6 HV -
HV1média = 189,6 HV (HVmínima = 162,8 HV e HVmáxima = 228,3 HV) e HV2média =
193,6 HV (HVmínima = 168,7 HV e HVmáxima = 217,5 HV). Percebe-se claramente um
menor nível de dureza na ZF e uma leve tendência ao aumento na ZTA (y = 0).
79
Figura 4.21 – Perfil de microdureza no cdp soldado com H = 395 J/mm.
No cdp soldado com H = 545,3 J/mm o perfil de dureza foi caracterizado no sentido da
largura do cordão (Figura 4.22) e do reforço (Figura 4.23) da peça soldada, sendo o ponto 0, o
ponto de intersecção das duas retas, ou orientações das aferições. A dureza média encontrada
no sentido da largura foi HVx = 196,3 HV (HVmín = 165,7 HV e HVmáx = 229,1 HV). A
dureza média encontrada no sentido do reforço foi HVy = 186,7 HV (HVmín = 163,3 HV e
HVmáx = 215,3 HV). A Figura 4.22 mostra o maior nível de dureza na ZTA (entre os pontos
-10 e -5; e 5 e 10), região na qual a velocidade e resfriamento é maior.
Figura 4.22 – Perfil de microdureza no cdp soldado com H = 545,3 J/mm. Eixo x.
H = 395 J/mm
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
y
HV
HV 1
HV 2
Carga 100 gF
HV 1 HV 2
ZF
ZTA
MB
H = 545,3 J/mm
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
x
HV
Carga 100gF
x
ZF
ZTA
MB
ZTA
MB
80
Figura 4.23 – Perfil de microdureza no cdp soldado com H = 545,3 J/mm. Eixo y.
No cdp soldado com H = 805 J/mm o perfil de microdureza também foi caracterizado no
sentido da largura (Figura 4.24) e da espessura ou reforço (Figura 4.25) do cordão de solda. A
dureza média encontrada no sentido do reforço do cordão foi HVy = 195,5 HV (HVmín =
173,4 HV e HVmáx = 239,9 HV). A dureza média encontrada no sentido da largura foi HVx
= 198,6 HV (HVmín = 175 HV, HVmáx = 228,3 HV). Verificou-se também um leve aumento
de dureza na ZTA (entre os pontos 4 e 7), assim como uma dureza alta (343,1 HV) com
relação à média (ponto 7 da Figura 4.25). A análise por EDS (Figuras 4.26 e 4.27)
demonstrou a presença maior de Si (elemento desoxidante e estabilizador da ferrita δ) e Mn
(elemento desulfurizante) adicionados no fluxo do arame. No entanto conclui-se que a maior
dureza decorre de um ponto de carboneto de cromo, localizado no contorno de grão, o que
pode ser confirmado através do MEV no modo retroespalhado na Figura 4.28. Pelo EDS
(Figura 4.26) descarta-se a possibilidade de ser um ponto de carboneto ou nitreto de Titânio; e
confirma-se a presença de carboneto de cromo, o qual se precipitou no contorno de grão.
Como a energia de soldagem foi alta – neste caso – possivelmente pode ter ocorrido algum
princípio de sensitização, devido à baixa velocidade de resfriamento da ZTA. Por outro lado,
percebe-se que o ponto (-6) está um pouco deslocado para cima, ou seja, dentro do grão,
apresentando uma dureza de 175 HV.
H = 545,3 J/mm
-6
-4
-2
0
2
4
6
160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220
HV
y
Carga 100 gF
y
81
Figura 4.24 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 805 J/mm.
Figura 4.25 – Perfil de microdureza no cdp soldado com H = 805 J/mm. Eixo y.
Figura 4.26 – EDS no ponto (-7) do cdp soldado com H = 805 J/mm.
Carga 100 gF
x
ZF
ZTA
ZTA
MB
MB
H = 805 J/mm
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
HV
y
Carga 100 gF
y
82
Figura 4.27 – EDS no ponto (-6) do cdp soldado com H = 805 J/mm.
Figura 4.28 – MEV no ponto (-7) do ensaio de microdureza no cdp soldado com H = 805
J/mm. Aumento de 2000x.
4.3.2 Análise de Penetração em Juntas de Topo
Após a realização das soldas de deposição com variação de energia realizaram-se 3
testes para analisar a penetração na junta de topo. Dois testes foram feitos com o chanfro reto
em cdp com 80 mm de comprimento. Tanto com a maior energia (H = 650,7 J/mm) como
83
com a menor (H = 450,4 J/mm), ocorreu falta de penetração (Figura 4.29). O terceiro teste foi
feito em um chanfro em V, com ângulo de 60°, abertura de raiz de 1,2mm e nariz de 1,5mm
(Figura 4.30); ocorrendo boa penetração em quase toda extensão do cdp. Com esses
resultados concluiu-se que a energia ideal de soldagem estaria no mínimo em 450 J/mm, com
necessidade de um chanfro em V, com ângulo de bisel de 30º. Uma observação interessante é
que ângulos de bisel maiores que este, poderia ocorrer penetração excessiva ou até perfuração.
Figura 4.29 – Teste de união com H = 650 J/mm. (a) Sem chanfro. (b) Com chanfro em V.
Figura 4.30 – Corpo-de-prova com um chanfro em V de 60°, abertura de raiz de 1,2mm e
nariz de 1,5mm.
(a)
(b)
84
4.3.3 Análise de Microdureza Vickers na Soldagem de Deposição
Variando-se a Velocidade de Soldagem
Na soldagem de deposição foi determinado o perfil de micro-dureza para as energias de
soldagem de 450,4 J/mm (Figura 4.31) e 650,7 J/mm (Figura 4.32), através das velocidades de
soldagem de 39,3 e 27,2 cm/min, respectivamente. Verificaram-se o não surgimento de fases
frágeis nestas temperaturas, comuns em aços austeníticos.
Na menor energia desta etapa, a dureza média encontrada foi HVx = 204,1 HV
(HVmín = 174,1 HV e HVmáx = 218,0 HV). Além desses valores mediram-se 5 valores na
ZF, com HVmédia = 196,9 HV. Muito embora não haja grandes variações no nível de dureza,
percebe-se uma leve tendência de um maior nível de dureza na ZTA comparativamente a ZF,
situação esta típica em corpos de prova soldados, principalmente levando em conta as
transformações metalográficas mais intensas na ZTA - faixa entre os pontos (-11) e (-5); e (3)
e (5) da Figura 4.31.
Figura 4.31 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 450,4 J/mm.
Na maior energia desta etapa, a dureza média encontrada foi HVx = 207,2 HV (HVmín
= 192 HV e HVmáx = 237,7 HV). Neste perfil de dureza percebe-se claramente a maior
dureza na região fundida, próximo ao eixo y, assim como os menores valores de dureza na
ZTA. Esta tendência é oposta ao caso anterior. Provavelmente a maior energia de soldagem
provocou uma maior ativação no depósito na ZF, o qual em função dos elementos metálicos
adicionados no fluxo deve ter sofrido transformações metalúrgicas mais intensas, ocasionando
o aumento de dureza nesta região. Uma maior quantidade de Mo e menor quantidade de Ni na
170
173
176
179
182
185
188
191
194
197
200
203
206
209
212
215
218
221
-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
x
HV
ZTA
ZTA
ZF
MB
MB
Carga: 200 gF
85
ZF correspondente no arame, justificaria o aumento da dureza nessa região o que também
pode ser verificado por Heisterkamp et al. (1993).
Figura 4.32 – Perfil de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 650,7 J/mm na
soldagem de simples deposição.
4.4 SOLDAGEM DE UNIÃO EM JUNTAS DE TOPO COM
CHANFRO EM V
4.4.1 Ensaios por Líquido Penetrante
Os corpos-de-prova desta etapa foram submetidos ao ensaio não-destrutivo de líquido
penetrante dentro da norma ASME IX, com o objetivo de detectar descontinuidades
superficiais, principalmente trincas de solidificação, como a ocorrida na primeira etapa (em
um dos cdp`s soldado com H = 805 J/mm). Verificou-se que não ocorreram trincas
superficiais destes cdp`s, apenas alguns defeitos não lineares (Figura 4.33) que estavam fora
do critério de aceitação da referente norma, no entanto os mesmos ocorreram no início e final
dos cordões, regiões estas descartadas nos ensaios microdureza Vickers e tração. Portanto,
conclui-s que a utilização de chapas apêndices (no início e final do cordão) é fundamental na
união de chapas de aço inoxidável AISI 304, com 3,1 mm de espessura, através do arame
AWS E316LT1-4.
180
190
200
210
220
230
240
250
-14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
x
HV
Carga: 200 gF
ZTA
ZF
ZTA
MB
MB
86
Figura 4.33 – Indicações das descontinuidades superficiais através do ensaio de LP.
- Porosidade: foram detectadas 8 indicações de descontinuidades não lineares, das quais 50%
foram reprovadas dentro do critério de aceitação da norma ASME Seção VIII, Div. 1, AP.8,
tendo como referência a norma ASME Seção V – Ed. 2007 (Figura 4.34).
Figura 4.34 – Indicações arredondadas no corpo-de-prova soldado com H = 590 J/mm.
87
4.4.2 Ensaios de Microdureza Vickers
Na soldagem de união, foi determinado o perfil de microdureza para as energias de
soldagem de 450,4 J/mm e 650,7 J/mm (Figura 4.35), com o não surgimento de fases frágeis
nestas temperaturas, comuns em aços austeníticos. Na menor energia desta etapa, a dureza
média encontrada foi 201,5 HV (HVmín = 188,1 HV e HVmáx = 214,5 HV). Na maior
energia desta etapa, a dureza média encontrada foi 208,2 HV (HVmín = 187,5 HV e HVmáx
= 236,5 HV). Em ambos os níveis de energia, percebe-se que a ZTA apresentou um maior
nível de dureza em relação à ZF, mesmo considerando a condição de mais alta energia. Muito
embora se esperasse que um maior nível de energia gerasse uma redução no nível de dureza,
pela redução na velocidade de resfriamento, percebeu-se que para os níveis de energia
utilizados tais patamares se situam muito próximos não gerando provavelmente grandes
alterações no gradiente térmico.
Figura 4.35 – Perfis de microdureza Vickers nos corpos-de-prova soldados com H = 450,4
J/mm e H = 650,7 J/mm, em junta de topo com chanfro em V.
4.4.3 Ensaios de Tração
Os dados do ensaio de tração dos cdp`s soldados com H = 450,4 J/mm estão
representados na Tabela A.4 (Anexo) e na Figura 4.36. Observou-se que o melhor resultado
foi obtido para o CP1, com força máxima de ruptura de 1236,02 kgf e tensão máxima de
651,68 MPa.Os CP`s 2 e 3 tiveram pouca deformação devido à falta de fusão no nariz do
chanfro, sendo que os cdp`s 4 e 5 tiveram pouca deformação devido à falta de penetração
180
190
200
210
220
230
240
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
x
HV
450,4 J/mm
650,7 J/mm
ZF
ZTA
ZTA
MB
MB
Carga: 200 gF
88
(Figura 4.37), diminuindo o limite de resistência a tração. Esse comportamento foi resultante
da expansão térmica sofrida pelo metal base, o que provocou um fechamento do chanfro,
dificultando a penetração da solda, mesmo com o ponteamento nas extremidades da peça e o
uso de dispositivos de fixação (Figura 3.6).
Por este motivo, foi omitido o referente ensaio destrutivo nos cdp`s 4 e 5 (Figura 4.38),
5 da Figura 4.39 e 2, 3, 4 e 5 na Figura 4.40, pois nas respectivas condições de energia de
Soldagem, ocorreu o mesmo problema.
Portanto é de fundamental importância que a fixação dos corpos-de-prova seja feita de
forma a garantir um travamento mais completo do que o utilizado, para evitar o empenamento
e o fenômeno de rotação, possível causa da falta de penetração nos cdp`s soldados com H =
549,7, 590 e 650,7 J/mm (Figuras A4, A5 e A6 no anexo).
Figura 4.36 – Curvas do ensaio de tração no cdp soldado com H = 450,4 J/mm.
Os dados do ensaio de tração dos cdp`s soldados com H = 549,7 J/mm estão
representados na Tabela A.5 (Anexo) e suas respectivas curvas (tensão x deformação) na
Figura 4.38. A melhor condição, em termos de resistência mecânica apresenta-se no CP3, com
força máxima de 1261,75 kgf e tensão máxima de 665,24 MPa.
89
Figura 4.37 – Descontinuidades no cdp soldado com H = 450,4 J/mm.
Figura 4.38 – Curvas do ensaio de tração no cdp soldado com H = 549,7 J/mm.
Os dados do ensaio de tração dos cdp`s soldados com H =590 J/mm estão representados
na Tabela A.6 (Anexo) e na Figura 4.40. A melhor condição, em termos de resistência
mecânica apresenta-se no CP4, com força máxima de 1276,73 kgf e tensão máxima de 673,14
MPa.
90
Figura 4.39 – Curvas do ensaio de tração no cdp soldado com H = 590 J/mm.
Os dados do ensaio de tração do cdp soldado com H = 650,7 J/mm está representado na
Tabela A.7 (Anexo) e na Figura 4.40. O mesmo apresentou uma força máxima de 1262,28 kgf
e tensão máxima de 665,52 MPa.
Figura 4.40 – Curva do ensaio de tração no cdp soldado com H = 650,7 J/mm.
Quando o teor de elementos de liga aumenta, o limite de resistência à tração do metal de
solda se torna mais sensível às variações do aporte térmico (Vercesi & Surian, 1996), o que
pode ser comprovado pelo aumento da resistência a tração variando-se a energia de soldagem
de 549,7 J/mm a 590 J/mm. Desta forma, muito cuidado deve ser tomado no controle da
91
velocidade de resfriamento durante a soldagem, e seus parâmetros devem ser determinados de
forma precisa com estreita tolerância.
Independente da energia utilizada na soldagem de união, a estricção e a posterior
ruptura ocorreram fora da zona fundida, na ZTA ou no MB, a não ser nos cdp`s 2, 3, 4 e 5 da
Figura 4.36, nos quais a falta de fusão e penetração resultou em fraturas dúcteis e frágeis nos
ensaios de tração conforme ilustrado na Figura 4.41.
Figura 4.41 – Fraturas nos cdp`s 2, 3, 4 e 5, soldados com H = 450,4 J/mm.
Apesar da excelente qualidade na união, com ausência de falta de fusão (Figura 4.42), a
possibilidade de contaminação através do ar ou pela umidade do fluxo do arame levou a
formação de poros (Figura 4.43) no cdp soldado com H= 650 J/mm. A presença de oxigênio,
provocando poros, pode ser comprovada através de sua combinação com o titânio (Rutilo-
TiO
2
), alumínio (Al
2
O
3
) e manganês (Mn) no EDS (Figura 4.44). Vale citar que uma vez que
o nitrogênio faz parte da composição do aço inoxidável austenítico, é importante que a
solidificação da poça de fusão ocorra sem a formação de poros. Em soldagem desses tipos de
aços (de alto teor de N
2
) é essencial evitar defeitos de soldagem, perda de nitrogênio,
92
precipitação de nitretos, etc, que pode reduzir a resistência à corrosão e as propriedades
mecânicas (Ogawa et al., 1984; Ramirez et al., 1994; Schobbert et al., 2003).
Figura 4.42 – MEV mostrando a seção transversal no cdp soldado com H = 650,7 J/mm.
Aumento de 44x.
Figura 4.43 – MEV (modo retro-espalhado) mostrando a porosidade na soldagem de união
com H = 650,7 J/mm.
Po
93
Figura 4.44 – EDS no maior poro (Po) da Figura 4.43 do cdp soldado com H = 650,7 J/mm.
4.5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
Vale lembrar que quanto maior energia é de se espera-se uma maior ZTA, porém com
menor velocidade de resfriamento, o que implica em menor nível de dureza na ZTA e ao
longo da largura da seção transversal do cordão. Os resultados dos ensaios refletem isto. O
nível de dureza está diretamente relacionado ao tamanho de grão. Quanto menor o tamanho de
grão, maior dureza. Apesar de não terem sido realizadas medição neste trabalho, sabe-se que
quanto menor o tamanho de grão, maior resistência mecânica, no entanto, os testes mecânicos
mostram que a melhor resistência na união está na condição otimizada dos parâmetros de
pulso, ou seja, em H = 590 J/mm (Tabela 4.4). É importante ressaltar que a corrente pulsada
tende a promover um refinamento na granulação, o que foi também comprovado por Street
(1990) e Barra (2008).
Tabela 4.4 - Resultados dos ensaios de tração
H (J/mm)
450,4 549,7 590 650,7
Fmáx (kgf) 1236,0
1261,8
1276,7
1262,3
σmáx (MPa)
651,7 665,2 673,1 665,5
Pode-se verificar que ocorre grande variação da microdureza para uma mesma taxa de
resfriamento, ou para a mesma energia de soldagem, além de existirem durezas idênticas
mesmo para taxas de resfriamento maiores. Esse fato é de grande importância, por demonstrar
94
a heterogeneidade da microestrutura produzida na ZTA dos cordões de solda feitos com
arame tubular AWS E316LT1-4 em chapas de 3,1 mm de aço inoxidável AISI 304.
Capítulo 5
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
5.1 CONCLUSÕES
Em função dos resultados e das análises realizadas, com o processo de soldagem
com arame tubular sob proteção gasosa com a transferência pulsada na posição plana,
na soldagem do AISI 304 com o arame AWS E316LT1-4, este trabalho permitiu
concluir que:
Na soldagem de simples deposição, a condição que conduz a uma
geometria de cordão mais adequada sugere uma corrente de pico em 350A,
tempo de pico em 2ms, corrente de base em 60A e freqüência de pulsação
de 100 Hz. Esta condição de soldagem permitiu a maximização da
penetração em 1,6mm, o que corresponde a uma penetração relativa à
espessura da peça de aproximadamente 52%, associada a uma
convexidade do cordão de 23% e diluição de 29%.
Os parâmetros de pulso não influenciaram, de forma significativa na
deformação da chapa, nem tão pouco no rendimento de deposição.
96
A regularidade na alimentação do arame se mostrou um parâmetro
importante na melhoria da qualidade da solda. Sua irregularidade pode
provocar a ocorrência de poros, inclusões de escória e formação de trincas
a quente. A condição de soldagem com uma corrente média de 89A, que
corresponde a um ajuste de Ip = 350A; Ib = 60A, tp = 2ms, f = 50Hz, se
mostrou como sendo a mais estável, e isso contribuiu na redução destes
possíveis defeitos de soldagem.
A união em juntas de topo (para chapas de 3,1mm) soldadas em um único
passe com um chanfro de 60°, abertura de raiz de 1,2mm e nariz de 1,5mm
permitiu a obtenção de uma boa penetração em torno de 30% da extensão
dos corpos-de-prova. No entanto, peças com comprimento maior que 70
mm devem ser travadas por dispositivos de fixação, os quais impeçam a
rotação das mesmas, prejudicando a penetração do cordão. Chapas
apêndices são recomendadas, devido à possibilidade da presença de
descontinuidades arredondadas no início e final do cordão.
Na condição de como soldado, os resultados obtidos mostraram que o
número de ferrita δ foi de aproximadamente 7%, o que conduziu a um
modo de solidificação FA (Ferrítico-Austenítico), sem presença de trincas
de solidificação.
Anomalias verificadas em algumas condições de soldagem provavelmente
foram geradas em função na irregularidade da alimentação do arame, que
poder ter sua causa associado à contaminação da poça de fusão pelo ar
atmosférico, o que além de reduzir o número de ferrita pela presença de
nitrogênio, provocou também a formação de pequenos poros.
Análises dos perfis de microdureza não mostraram, de forma geral,
grandes variações quando submetidos aos diferentes níveis de energia de
soldagens utilizados neste trabalho. Entretanto, algumas variações
observadas se devem provavelmente a heterogeneidade da microestrutura
em função de diferentes condições de resfriamento.
Análises de resistência à tração sugere que os melhores resultados da solda
ocorreram com níveis de energia em torno de 590 kJ/mm, condição esta
coincidente com a condição geométrica otimizada através das análises
estatísticas.
97
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Realizar um projeto e análise de experimento (DOE) similar a este
trabalho, porém utilizando um arame sólido ou tubular da classe ER308L
com um metal base AISI 304L ou AISI 316L.
Estudar a influência dos parâmetros do modo pulsado na soldagem fora da
posição plana, com os mesmos consumíveis e metal base.
Comparar o modo de transferência pulsado convencional com o curto-
circuito e/ou com o modo de pulsação térmica, ou seja, na modulação
conjunta da velocidade de alimentação do arame, algumas vezes fixa, e da
freqüência de pulsação da corrente.
Avaliar a resistência ao impacto e análises mecânicas e metalúrgicas em
chapas de maiores espessuras do AISI 304.
Realizar um estudo similar, porém utilizando o CO
2
como gás de proteção.
Associar a metalografia as propriedades mecânicas.
Estudar a corrosão sob tensão nas referentes uniões soldadas, variando-se a
energia de soldagem.
Comparar o processo de soldagem com arame tubular com o processo
TIG, em termos metalúrgicos e mecânicos.
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ANEXOS
INTRODUÇÃO
Na tentativa de ajustar os parâmetros de soldagem foram realizados vários testes
exploratórios com chapas de aço 1020 que serão detalhados a seguir.
A.1 TESTES EXPLORATÓRIOS
Nesta etapa o objetivo principal foi buscar a melhor condição em estabilidade do arco.
Os testes foram feitos em Aço 1020 de 3,1mm e ½ pol, esta, foi escolhida pela maior
resistência ao empenamento, devido a alta taxa de resfriamento (Figura A.1), já que não foi
utilizado nenhum dispositivo de travamento nesta etapa. As melhores condições obtidas foram
realizadas no AISI 304 de 3,1mm, para confirmação. Primeiramente na Tabela A1, foi
mantido constante a vazão do gás (Q
e
)=14l/min, gás C25, o ângulo de posição da tocha de
90
o
com o metal base, variando os demais parâmetros com a tensão, velocidade de
alimentação e a velocidade de soldagem. Com a mesma vazão realizou-se alguns testes com o
gás CO
2
(Tabela A.2)
111
Figura A.1 – Testes exploratórios em aço 1020 de ½ polegada.
Tabela A.1 - Parâmetros usados e resultados dos testes exploratórios com C25.
Mat Esp.
DBCP
Tensão
Vs Ip Ib tp tb Larg.
Ref.
Aço mm mm Volts cm/min
A A ms
ms
mm mm
1 1020
2 13 23 35 300
80 2 4 9
2 1020
2 13 23 35 300
80 2 4 6,4 4,4
3 1020
3,1 13 23 35 300
80 2 4 10
4 1020
3,1 16 23 30 300
80 8 4 7,7 2,5
5 1020
3,1 16 23 30 300
80 2 8
6 1020
3,1 16 23 30 300
80 2 12 6,2 2
7 1020
3,1 16 23 30 300
80 2 12 5,2 2,2
8 1020
3,1 16 23 30 300
80 2 16 6,1 2,2
9 1020
3,1 16 23 30 300
100
2 4
10
1020
3,1 16 23 30 300
100
2 8
11
1020
6,35
16 23 30 300
80 2 4
12
1020
3,1 16 25 30 300
80 2 4
13
1020
3,1 16 23 30 300
80 2 10
14
1020
3,1 16 23 30 300
80 4 10
15
1020
3,1 16 25 30 300
80 2 4
16
1020
3,1 16 25 30 300
80 2 4
17
1020
3,1 16 25 25 300
80 2 4
18
1020
3,1 16 25 25 300
80 2 4
112
Observações:
1. Soldagem de deposição com transferência Spray → Perfuração após 42mm de
realização do cordão.
2. Soldagem de união em junta sobreposta.
4. Soldagem de deposição.
Cordão Irregular com várias interrupções ↔ Péssima condição
5. Soldagem de deposição.
Melhor condição que a anterior, porém com interrupção no meio do cordão.
6. Soldagem de deposição.
Melhor condição que a 4, porém com interrupção no meio do cordão.
7. Soldagem de deposição com boa condição de soldagem.
8. Soldagem de deposição com boa condição de soldagem.
9. Soldagem de deposição. Condição ruim (cordão irregular com várias interrupções,
apresentando defeitos de porosidade).
10. Soldagem de deposição. Condição ruim (cordão irregular com várias interrupções
no arco e consequentemente desalinhamento na margem).
11. Soldagem de deposição. Arco instável, ocasionando variações na largura e reforço
do cordão.
12. Soldagem de deposição. Arco instável, ocasionando muita variação na largura e
reforço do cordão.
13. Soldagem de deposição. Arco instável, ocasionando variações na largura e reforço
do cordão.
14. Soldagem de deposição. Arco instável, ocasionando variações na largura e reforço
do cordão.
15. Soldagem de deposição. Arco instável, ocasionando variações na largura do
cordão e no reforço. Cordão com melhor regularidade que as condições 12,13 e 14.
16. Soldagem de deposição. va = 5m/min.
Arco estável, com alta penetração. Cordão regular com maior largura que as
condições 12, 13,14 e 15.
17. Soldagem de deposição. va = 3,5 [m/min]. Arco com média estabilidade,
ocasionando muitos respingos e menor penetração que a condição 16.
18. Soldagem de deposição. Arco instável, com muita energia de soldagem e baixa
penetração. Cordão irregular com variação na largura e reforço.
113
Tabela A.2 - Parâmetros usados e resultados dos testes exploratórios com CO
2
.
Mat Esp.
DBCP
Tensão
Vs Ip Ib tp tb Larg.
Ref.
Aço pol mm Volts cm/min
A A ms
ms mm mm
1 1020
1/2 16 22 30 300
25 2 40 7 2
2 1020
1/2 16 23 30 300
70 4,1
14,4
3 1020
1/2 16 25 30 300
70 4,1
14,4
8,3 2,3
4 1020
1/2 16 27 30 300
70 4,1
14,4
8,9 1,9
Observações:
1. Soldagem de deposição. Com comprimento do cordão de 132mm, no início e fim
houve instabilidade do arco, apresentando boa estabilidade no meio. Cordão com bom visual.
2. Soldagem de deposição. Arco instável e com excesso de respingos. Cordão com
reforço excessivo.
3. Soldagem de deposição. Com comprimento do cordão de 131,8mm, arco estável
com poucos respingos. Cordão sem reforço excessivo.
4. Soldagem de deposição. Com comprimento do cordão de 135mm, arco com boa
estabilidade, com poucos respingos.
As Figuras A2 e A3, também mostram os testes descritos acima.
Figura A.2 – Testes exploratórios em aço 1020 de ½ polegada.
114
Figura A.3 – Testes exploratórios em aço 1020 de ½ polegada.
Tabela A.3 - Condições finais para o modo de soldagem pulsada.
CDP
H cv alim
Va IC % Rend D % p St PI % Sp Emp
1 395 3,65 2,76
27,69
89,06
18,18
0,23
11 7,42 2 6,8
2 590 2,03 5,28
23,04
90,23
32,35
1,7 42,2 54,84 13,65
7,7
3 570 2,31 4,64
23,46
91,91
33,85
1,33
38,4 42,9 13 8,7
4 535 1,85 4,26
23,53
91,62
32,64
1,92
33,55
61,94 10,95
7,2
5 585 3,2 5,3 23,16
91,01
31,69
1,78
45,38
57,42 14,38
6,8
6 517,5
1,24 4,48
24,69
87,84
29,95
1,56
34,83
50,32 10,43
6,3
7 527,5
2,22 4,05
23,03
91,71
31,29
1,32
32,85
42,58 10,28
5,3
8 805 5,88 8,09
23,02
91 32,09
1,48
56,1 47,74 18 4,6
9 395 1,91 2,97
30,65
89,85
13,84
0,4 20,09
12,9 2,78 5,5
10 590 2,46 5,48
23,16
90,54
25,53
1,48
43 47,74 10,98
6,3
11 570 2,46 4,61
22,99
92,47
30,55
1,35
39,7 43,55 12,13
5,8
12 535 1,9 4,33
22,89
91,79
35,58
1,58
37,1 50,97 13,2 4,8
13 585 3,14 5,26
23,4 89,74
28,21
1,45
39 46,77 11 5,65
14 517,5
3,13 4,57
22,89
72,98
32,48
1,6 35,5 51,61 11,53
5,6
15 527,5
3,27 4,16
23,67
91,86
23,58
0,85
33,5 27,42 7,9 7,3
16 805 4,4 8,52
24,8 77,37
40,19
3,6 78,2 116,13
31,43
7,7
17 545,3
4,4 5,17
21,86
89,63
32,44
1,98
45 63,87 14,6 6
18 545,3
5,01 5,24
23,91
89,75
30,06
1,85
43,25
59,68 13 6,05
115
A.2 SOLDAGEM DE UNIÃO COM VARIAÇÃO DE ENERGIA
As tabelas A.4, A.5, A.6 e A.7 representam os resultados dos ensaios de tração
na 3
a
parte do trabalho, com energias de soldagem de 450,4; 549,7; 590 e 650,7 J/mm.
Tabela A.4 – Resultados do ensaio de tração para H = 450,4 J/mm.
CP
Largura
F máxima
F Ruptura
σmáxima
σRuptura
σescoam.
Mod. Elast.
Mm Kgf kgf MPa MPa MPa MPa
1 6 1236.02 937.68
65168 494.38 10.16 9837.44
2 6 1088.53 688.50 573.91 363.00 39.31 11641.59
3 6 941.03 582.77 496.14 307.26 42.41 10615.54
4 6 683.3 491.48 360.31 259.13 39.19 13283.47
5 6 842.70 540.83 444.30 285.14 44.46 11231.89
Tabela A.5 – Resultados do ensaio de tração para H = 549,7 J/mm.
CP Largura F máxima
F Ruptura
σmáxima
σRuptura
σescoam.
Mod. Elast.
Mm Kgf kgf MPa MPa MPa MPa
1 6 1261.75 022 665.24 538.7 40.20 11924.74
2 6 1236.73 1079.54 652.05 569.17 26.12 10508.96
3 6 1261.05 963.94 664.87 508.22 8.45 5209.61
Tabela A.6 – Resultados do ensaio de tração para H = 590 J/mm.
CP Largura
F máxima
F Ruptura
σmáxima
σRuptura
σescoam.
Mod. Elast.
Mm kgf kgf MPa MPa MPa MPa
1 6 1261.93 968.17 665.34 510.45 5.48 5283.58
2 6 1257.35 951.42 662.92 501.63 7.66 4777.08
3 6 1260.69 950.01 664.69 500.88 35.24 12524.11
4 6 1276.73 973.80 673.14 513.43 5.85 5215.15
Média
6 1264 960.9 666.5 506.6 13.56 6950
Tabela A.7 – Resultados do ensaio de tração para H = 650,7 J/mm.
CP
Largura
F máxima
F Ruptura
σmáxima
σRuptura
σescoam.
Mod. Elast.
mm kgf kgf MPa MPa MPa MPa
1 6 1262.28 968.69 665.52 510.73 7.71 4937.61
116
As figuras A.4, A.5 e A.6 apresentam a falta de penetração devido ao fenômeno de
rotação causado no ciclo térmico de soldagem nos cdp`s soldados com Energias de Soldagem
de 549,7, 590 e 650,7 J/mm.
Figura A.4 – Falta de penetração e fusão da junta soldada com H = 549,7 J/mm.
Figura A.5 – Falta de penetração e fusão da junta soldada com H = 590 J/mm.
Figura A.6 – Falta de Penetração e Fusão da junta soldada com H = 650,7 J/mm.
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