EFEITO DA VARIAÇÃO DO APORTE TÉRMICO NAS PROPRIEDADES MICROESTRUTURAIS E MICRODUREZA DO AÇO EH36 SOLDADO PELO PROCESSO FCAW

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1 EFEITO DA VARIAÇÃO DO APORTE TÉRMICO NAS PROPRIEDADES MICROESTRUTURAIS E MICRODUREZA DO AÇO EH36 SOLDADO PELO PROCESSO FCAW Danilo Marques Ferreira, danilo.ferreira@fieb.org.br 1 Danilo Gomes da Silva, danilo.silva@fieb.org.br 1 Adriana de Almeida Halfeld Vieira 3, aahvieira@yahoo.com.br 3 Manoel Carreira Neto, manoelc@fieb.org.br 2 Rodrigo Santiago Coelho, rodrigo.coelho@fieb.org.br 1,2 1 SENAI CIMATEC, Instituto SENAI de Inovação em Conformação e União de Materiais, Av. Orlando Gomes, Piatã, Salvador-BA, Brasil 2 Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec, Av. Orlando Gomes, Piatã, Salvador-BA, Brasil 3 Anteriormente em Faculdade de Tecnologia SENAI Cimatec, Salvador-BA, Brasil Resumo: A exploração de petróleo na camada pré-sal tem demandado da indústria naval nacional um grande esforço de produção local. Diante disso, estudos da soldabilidade e da qualidade dos aços navais usados na manufatura de componentes estruturais para embarcações são de extrema importância. Neste trabalho foi analisada a influência do aporte térmico nas propriedades mecânicas e microestruturais da região soldada do aço naval EH36 pelo processo Flux-Cored Arc Welding (FCAW). Para o estudo foi utilizada uma placa de 25,4 mm e sobre esta, realizada a deposição de um cordão de solda com dois parâmetros diferentes de soldagem. Foram investigadas, através do monitoramento dos ciclos térmicos, as características da microestrutura nas diversas regiões de solda e de microdureza na seção transversal do cordão de solda. Os resultados mostraram que ocorreu uma variação da fração dos microconstituintes de ferrita e da dureza, em função da variação do aporte térmico. Palavras-chave: Aços Navais EH36, Aporte Térmico, Processo FCAW, Soldagem 1. INTRODUÇÃO Por conta da descoberta de petróleo na camada pré-sal, a indústria naval nacional passou por uma forte reestruturação nos últimos dez anos. O número de encomendas aos estaleiros brasileiros até o primeiro trimestre de 2013 foi de 373 novos pedidos, dentre os quais estão na lista: petroleiros, navios sonda, plataformas, cargueiros, gaseiros, navios de apoio marítimo, dentre outros (SINDICATO NACIONAL DA INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO E REPARAÇÃO NAVAL E OFFSHORE, 2013). A origem deste ressurgimento se deu com a criação, em 2004, do Programa de Modernização e Expansão da Frota (Promef), veiculado à Transpetro. Neste programa, foi exigido que no mínimo 65% das novas encomendas fossem de fabricação nacional (GOLCBERG, 2013). Após a criação do Promef o número de empregos diretos saltou de em 2004 para em 2010 segundo dados do Sindicato Nacional da Indústria da Construção e Reparação Naval e Offshore - SINAVAL (2010). Devido à crise que a indústria naval brasileira enfrentou na década de noventa, grande parte do conhecimento e desenvolvimento de tecnologia ligada à manufatura naval foi perdida. Diante deste fato, o seguimento naval brasileiro vem investindo em treinamento especializado de seus colaboradores, novos equipamentos e buscando materiais de melhor qualidade. Um dos materiais que ocupam o topo da lista de consumo na construção de uma embarcação é sem dúvida o aço. A American Bureau of Shipping (ABS), fundada em 1862 e reconhecida internacionalmente como uma instituição que desenvolve normas e procedimentos de segurança para a manufatura naval e offshore, tem homologado para a construção de diversas estruturas, uma série de aços tais como: AH32, DH32, EH32, AH36, DH36, EH36, AH40, DH40, EH40, FH32, FH36 (AMERICAN BUREAU OF SHIPPING, 2014). Neste trabalho, é realizado um estudo com o aço EH36. O EH36, conhecido também com S355J2, é um aço hipoeutetóide e segundo a ABS pertence à categoria dos aços estruturais de alta resistência, o qual deve apresentar os seguintes limites de resistência: tensão mínima de escoamento de 355 MPa e limite de resistência à tração entre MPa (AMERICAN BUREAU OF SHIPPING, 2008). Com relação à microestrutora, BORBA et al, (2014) relata uma estrutura com bandeamento de ferrita poligonal e perlita. Na literatura são encontrados poucos trabalhos publicados referentes ao estudo da soldabilidade do aço EH36 pelo processo FCAW, sendo mais comum a publicação de artigos com foco na resistência à fadiga (ZHAO et al., 2012) ou utilizando o aço como coadjuvante na demonstração de novas técnicas de união de metais como Laser (ZHEN et al., 2014). São encontrados também, alguns trabalhos com o aço EH36 TMCP (Thermo-Mechanical Control Process) (LEE; SHIN; PARK, 2012; MACHIDA et al., 1988), que apresentam menor carbono equivalente e um maior refino de grão provocado pelo processo de resfriamento acelerado.

2 Neste trabalho, foi estudado a soldabilidade do aço naval estrutural de alta resistência EH36 fabricado pelo processo de laminação convencional e soldado pelo o processo FCAW. Foi realizada a deposição de metal de adição com o arame tubular E71T-1C com 100% CO 2, para dois diferentes tipos de aporte térmico, com o objetivo de avaliar a melhor condição de soldagem. Para tal, foram realizadas análises metalográfica óptica, eletrônica e análise de microdureza ao longo da zona termicamente afetada (ZTA), metal base e metal de solda. 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Caracterização do metal base O metal base usado neste estudo foi uma placa com dimensões de 400 mm x 200 mm x 25,4mm (comprimento, largura e espessura) do aço EH36 produzido por laminação convencional e resfriado ao ar. Inicialmente foi realizada uma análise química do aço, usando um espectrômetro de emissão, Foundry-Master Pro, cujos resultados estão presentes na Tab. (1). Tabela 1. Composição química do aço EH36 (%p/p). C Mn Ni Cu Cr Mo Nb+V+Ti Si P S Ceq 1 0,153 1,340 0,016 0,0135 0,0179 0,0018 0,0354 0,146 < 0,0009 < 0,0009 0,383 1 Ceq=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 Como parte da caracterização do metal de base, análises metalográficas em três planos perpendiculares entre si, foram obtidas, utilizando microscópio óptico Zeiss Scope A1, equipado com câmera Zeiss Axiocam ERc5s, com o intuito de observar a homogeneidade das microestruturas presentes e determinar a direção de laminação. Na Fig. (1), é apresentado um cubo representando a orientação das metalografias da amostra analisada junto com as imagens separadas de cada face. Observa-se a presença de ferrita poligonal e perlita na microestrutura, compatível com os resultados de BORBA (2014), com veios de perlitas bem paralelos e mais finos no sentido da face B, indicando desta forma que o sentido de laminação ocorreu ao longo da face B, como indicado na Fig. (1). O reagente químico utilizado para realizar o ataque nas amostras foi nital 3% durante 8s Ensaio de soldagem Figura 1. Análise metalográfica em três planos ortogonais da amostra do aço EH36. A soldagem dos corpos de prova foi realizada com o auxílio de um robô da FANUC modelo S430i, garantindo desta forma maior controle de velocidade e distância constante entre o bico de contato e a peça (DBCP). A escolha dos parâmetros de soldagem tiveram como base os trabalhos de (H.R. GHAZVINLOO et al, 2010; LEE et al, 2012) e de testes realizados em laboratório. Para o cálculo do aporte térmico foi usado como eficiência de soldagem do processo

3 FCAW o valor de 0,8 e os valores médios de correntes obtidos durante os testes. Os parâmetros utilizados para a produção dos dois corpos de prova (CP1 e CP2) e o valor de aporte térmico estão presentes na Tab.(2). Corpo de prova Vazão CO 2 (l/min) Velocidade de arame (m/min) Tabela 2. Parâmetros de soldagem. DBCP 1 (mm) Tensão (V) Corrente (A) Eficiência do processo Velocidade de soldagem (mm/s) Aporte Térmico 2 (kj/mm) CP ,8 10 0,4256 CP ,8 3 1,4858 Obs.: 1 Distância bico de contato-peça (DBCP); 2 E=(V.A.η)/ν As soldas foram realizadas utilizando uma fonte de soldagem multiprocesso da IMC (modelo Inversal 450). Os materiais consumíveis foram arame tubular E71T-1C e o gás de proteção com 100% CO 2. O monitoramento de temperatura da zona termicamente afetada (ZTA) foram conduzidas fixando termopares do tipo K distantes da borda do cordão de solda respectivamente 3 mm, 6 mm, 10 mm e 20 mm, com o intuito de mapear o fluxo de calor na ZTA Ensaio Mecânico e Microscopia Foi realizado o ensaio mecânico de microdureza ao longo da seção transversal da soldagem no sentido da espessura da chapa com um microdurômetro da marca Shimadzu, modelo HMV-2T E. O espaçamento entre as medições foi de 0,5 mm e a força na indentação foi de 19,614 N (HV2). Para análise mais aprofundada da microestrutura da ZTA foi utilizado o microscópio eletrônico de varredura da marca Jeol, modelo JSM-6510 LV. Para observação das regiões de soldagem utilizou-se o equipamento de macroscopia da Heerbrugg modelo Wild M3C. A preparação das amostras seguiu os procedimentos padrões de metalografia com lixamento, polimento e ataque químico com nital 3%. 3. ANÁLISES E DISCUSSÃO Em uma inspeção visual, os cordões de solda obtidos com o arame tubular E71T-1C com 100% CO 2 apresentaram boa uniformidade da largura do cordão, boa remoção de escoria, baixos níveis de respingo e sem porosidade aparente. Deste modo, não foi evidenciando, pela inspeção visual, nenhum tipo de defeito que pudesse comprometer sua resistência mecânica. O monitoramento dos ciclos térmicos mostraram curvas bastante semelhantes como pode ser observado na Fig.(2). No entanto, a principal diferença está na taxa de resfriamento. Devido ao menor aporte térmico e somado ao fato de que o aço soldado apresenta elevada espessura, a taxa de resfriamento do CP1 foi bastante elevada, apresentando um valor de 93,99 C/s. Para o CP2, cujo aporte térmico é 3,5 vezes maior do que o valor do CP1 a taxa de resfriamento foi bem mais lenta, sendo de 21,4 C/s, fazendo com que o tempo de permanência entre as temperaturas de mudanças de fase (entre 800 C e 500 C) fosse maior. Figura 2-Ciclo térmico CP1 e CP2.

4 O processo de soldagem apresentou uma boa estabilidade de tensão e corrente. O monitoramento da fonte soldagem evidenciou que os parâmetros permaneceram constantes durante todo o processo, conforme mostrado na Fig. (3). A pequena variação da corrente é devido às características da fonte. Figura 3-Parâmetros de soldagem CP1 e CP2. As análises microestruturais revelaram, como esperado, que as transformações envolvidas no processo estão ligadas com as temperaturas de pico e taxa de resfriamento. Em geral, quanto maior for o pico de temperatura e tempo de permanência entre a faixa de temperatura de 800 C e 500 C, menor será a formação de ferrita intragranular na microestrutura, pois esta se forma no interior de um antigo grão austenitico (COLPAERT, 2008; SILVA; MEI, 2006). O aumento da fração volumétrica de ferrita intragranular, tende a aumentar a tenacidade do material devido ao aumento da energia livre para a propagação das trincas. Isto ocorre devido ao fato do aumento da solubilidade do manganês na austenita (COLPAERT, 2008). Na Fig. (4) pode-se observar a macrografia e as microestruturas formadas nas diferentes regiões do CP1 e na Fig.(2) o ciclo térmico do CP1. Figura 4-Macrografia e microscopia de varredura para o CP1.

5 Analisando as micrografias apresentadas na Fig. (4) pode-se concluir: Fig. (4a) - o tamanho aproximado da ZTA é de 4 mm podendo evidenciar a linha de fusão logo abaixo do metal de solda e duas zonas termicamente afetadas, sendo a superior de granulação mais grosseira denominada de ZTA de alta temperatura e uma inferior de granulação mais fina (parte mais clara da figura) denominada de ZTA de baixa temperatura; Fig.(4c) - a região do metal de solda contém formação de martensita devido ao resfriamento acelerado (como mostra o ciclo térmico do CP1 Fig. (2)) e ferrita acicular envolvendo o grão colunar. Essas constatações são compatíveis com as apresentadas por (BORBA et al., 2014; SILVA; MEI, 2006); Fig.(4d) - a região de ZTA apresenta um crescimento dos grãos com formação de bainita nos contornos de grão de ferrita, formação de ferrita intragranular e ferrita com segunda fase alinhada; Fig.(4e) a região de transição entre a ZTA e metal base mostra a formação de ferrita poligonal e perlita. Na Fig.(5) assim como na Fig.(4), pode-se observar a macrografia e as microestruturas formadas nas diferentes regiões do CP2 e na Fig.(2) o ciclo térmico do CP2. As análises revelam: Fig.(5a) - que o tamanho da ZTA foi maior do que a ZTA do CP1, tendo uma dimensão aproximada de 7mm, bem como o aumento da região de grãos grosseiros. Isso se deve ao aumento do aporte térmico de 0,4256 kj/mm para 1,4858 kj/mm; Fig.(5c) - uma menor formação de martensita devido ao fato da taxa de resfriamento ser menor e o tempo de permanência a altas temperaturas maior. Isso favorece o processo difusional. Em contrapartida, é observado à formação de ferrita intragranular e ferrita acicular, além do aumento considerável de precipitados, cuja formação é favorecida pela taxa de resfriamento mais lenta, o que facilita o processo de difusão de alguns elementos; Fig.(5d) - não houve a formação de bainita pelo fato do tempo de permanência em altas temperaturas ser maior, o que favoreceu o aumento da formação de perlita. Identifica-se também a formação de ferrita com segunda fase alinhada e de ferrita acicular compatíveis com (BORBA et al., 2014; SILVA; MEI, 2006). O tamanho das ferritas com segunda fase alinhada são maiores do que as formadas no CP1; Fig.(5e) - uma maior formação de ferrita poligonal e perlita com distribuição bem mais homogênea além de um aparente aumento do tamanho de grão nesta região em comparação à região do CP1. Figura 5-Macrografia e microscopia de varredura para o CP2. As análises de microdureza foram feitas para avaliar as propriedades locais das zonas de soldagem, com o objetivo de identificar as alterações mecânicas. Pelo fato de ser uma região bastante pequena, a ZTA, por exemplo, não seria possível avaliar de forma mais direta estas propriedades. A propriedade de dureza é influenciada pela taxa de resfriamento e pelo crescimento de grão. Devido ao aumento da energia de soldagem (aporte térmico) normalmente, os índices de dureza são reduzidos (RODRIGUES, 2010). Segundo Rodrigues (2010), com a redução da taxa de resfriamento há uma tendência de um aumento da ZTA com aumento do crescimento de grãos grosseiros como evidenciado na Fig. (5). Os resultados de microdureza para o CP1 e CP2 estão de acordo com o que diz a literatura consultada e compatível com os valores de dureza encontrados por Borba (2014). Nas Fig. (6) e Fig.(7) são apresentadas as microdurezas nas diferentes regiões da solda para os corpos de prova CP1 e CP2.

6 Figura 6- Perfil de dureza Vickers CP1 e CP2, em seção transversal do cordão de solda medido no sentido da espessura. (Carga HV2 de 19,614N) Os resultados de perfil de dureza encontrados para os dois corpos de prova estão de acordo com os dados microestruturais identificados nas duas amostras já comentados anteriormente. A região, onde as medidas de dureza foram realizadas, está indicada por uma reta vertical na cor vermelha presentes nas Fig. (4) a e Fig. (5) a. Para o CP1 observa-se que o tamanho da ZTA está bem próximo do valor estimado pela micrografia que foi de 4 mm. A diferença de dureza na parte superior do gráfico da Fig. (6) é devido à diferença da composição química do metal de solda em relação ao metal de base. Comparando os dois gráficos observa-se que o CP1 teve um maior nível de dureza em relação ao CP2. Isto se justifica como já explicado anteriormente, pelo fato da taxa de resfriamento do CP2 ser menor do que a do CP1. Além da taxa de resfriamento, outro fator que também pode explicar o aumento de dureza na ZTA do CP1 é a formação de microestruturas de bainita, microconstituinte de maior dureza do que a ferrita. Para o CP2 o tamanho de ZTA estimado pelo gráfico de dureza Fig. (7), está de acordo com o valor estimado na microscopia, que foi de 7 mm. Comparando os valores de dureza do metal de base encontrado por Borba (2010) que foi de aproximadamente de 180 HV pode-se concluir que os valores encontrados neste estudo estão dentro da realidade para este tipo de aço. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS Com base nos resultados encontrados fica claro que para aportes térmicos maiores a taxa de resfriamento é menor, sendo comprovada pelo tamanho da ZTA do CP2. Foi observado que para um aporte térmico menor ocorreu uma maior formação de martensita no metal de solda e presença de microconstituintes de bainita na ZTA de alta temperatura (região de grãos grosseiros). Devido à redução da taxa de resfriamento e maior aporte térmico, o CP2 apresentou índices de dureza menores do que os valores encontrados para o CP1. Os resultados apresentados nesse estudo podem ser considerados preliminares e estudos mais detalhados sobre as propriedades mecânicas e microestruturais são necessários. É sugerida a confecção de soldas que possibilitam ensaios de tração e de impacto, pois sendo este material um aço de construção naval, um dos parâmetros de extrema importância é a resistência das uniões soldadas em baixas temperaturas. 5. AGRADECIMENTOS Agradeço a colaboração dos colegas Daniel Marques, Danilo Lima, Pedro Bamberg e Raphael Oliveira pela ajuda da realização dos experimentos, aos meus orientadores Rodrigo Coelho e Manoel Carreira.

7 6. REFERÊNCIAS AMERICAN BUREAU OF SHIPPING. Rules for building and classing steel vessels-part 5b. New York, AMERICAN BUREAU OF SHIPPING. Materials and welding-part 2. New York, BORBA, T. M. D. et al. Avaliação da soldabilidade do aço EH36 naval TMCP soldado por arco submerso com elevado aporte de calor. 69 Congresso Anual da ABM, COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4a. ed. São Paulo, GOLCBERG, S. Bons ventos para os estaleiros nacionais. Valor Setorial Indústria Naval, v. 1, p. 8 15, ago H.R. GHAZVINLOO; A. HONARBAKHSH RAOUF. Effect of Gas-Shielded Flux Cored Arc Welding parameters on weld width end tensile properties of weld metal in a low carbon steel. Journal of Applied Sciences, v. 10, p , LEE, C.-H.; SHIN, H.-S.; PARK, K.-T. Evaluation of high strength TMCP steel weld for use in cold regions. Journal of Constructional Steel Research, v. 74, p , jul MACHIDA, S. et al. Extensive application of TMCP steel plates to ship hulls: 40 kgf/mm2 class high yield stress steel. Marine Structures, v. 1, n. 3, p , jan RODRIGUES, E. R." Influência de parâmetros do processo FCAW-G nas características da solda do aço ASTM A-36". Curitiba: Universidade Tecnológica Federal do Paraná, SILVA, A. L. V. DA C. E; MEI, P. R. Aços e ligas especiais. In: BLUCHER, E. (Ed.). 2a. ed. São Paulo, SINDICATO NACIONAL DA INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO E REPARAÇÃO NAVAL E OFFSHORE. A indústria da construção naval e o desenvolvimento brasileiro. Rio de Janeiro, SINDICATO NACIONAL DA INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO E REPARAÇÃO NAVAL E OFFSHORE. Relatório do Cenário da construção naval 1o trimestre de Rio de Janeiro, ZHAO, X. et al. The fatigue behaviors of butt welds ground flush in the super-long life regime. International Journal of Fatigue, v. 36, n. 1, p. 1 8, mar ZHEN, S. et al. Study on microstructures and mechanical properties of laser arc hybrid welded S355J2W+N steel. Optics & Laser Technology, v. 59, p , jul DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no trabalho. The effect of varying the heat input over the mechanical and microstructural properties of the EH36 shipbuilding steel in the Flux Core Arc Welding (FCAW) process Danilo Marques Ferreira, danilo.ferreira@fieb.org.br 1 Danilo Gomes da Silva, danilo.silva@fieb.org.br 1 Adriana de Almeida Halfeld Vieira 3, aahvieira@yahoo.com.br 3 Manoel Carreira Neto, manoelc@fieb.org.br 2 Rodrigo Santiago Coelho, rodrigo.coelho@fieb.org.br 1,2 1 SENAI CIMATEC, SENAI Innovation Institute in Forming and Joinong of Materials, Orlando Gomes Avenue, N Piatã, Salvador-BA, Brasil 2 SENAI CIMATEC Technology College, Orlando Gomes Avenue, N Piatã, Salvador-BA, Brasil 3 Previously in SENAI CIMATEC Tecnhology College, Salvador-BA, Brasil Abstract: The pre-salt layer exploring is leading efforts of the shipbuilding industry in terms of local production. Regarding this, studies about weldability and shipbuilding steel quality are remarkably important. In the present work, it was analyzed the effects of varying the heat input over the mechanical and microstructural properties of the welding zone of the EH36 shipbuilding steel in the Flux Core Arc Welding (FCAW) process. In the study it was laid up a weld bead with two different welding parameters over a 25,4mm thick plate. The microstructural characteristics in many welding zones were investigated with the aid of a thermal cycles monitor and the microhardness of the transversal section of the bead. The results has shown that the volume fraction of the ferrite microconstituents and the material hardness changed, depending on the variation of the heat input. Keywords: EH36 Shipbuilding Steels, Heat Input, FCAW Process, Welding