ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CORRENTE DE SOLDAGEM SOBRE O PERFIL DE DUREZA EM SOLDAS PRODUZIDAS PELOS PROCESSOS GMAW E FCAW, UTILIZANDO O AÇO SAE 1020

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1 FACULDADES INTEGRADAS DE ARACRUZ FAACZ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ELIANE CORREIA NASCIMENTO SOUZA JOSIMAR MARTINS GARUZZI BÁRBARA RODRIGUES DURÃO ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CORRENTE DE SOLDAGEM SOBRE O PERFIL DE DUREZA EM SOLDAS PRODUZIDAS PELOS PROCESSOS GMAW E FCAW, UTILIZANDO O AÇO SAE 1020 ARACRUZ 2013

2 ELIANE CORREIA NASCIMENTO SOUZA JOSIMAR MARTINS GARUZZI BÁRBARA RODRIGUES DURÃO ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CORRENTE DE SOLDAGEM SOBRE O PERFIL DE DUREZA EM SOLDAS PRODUZIDAS PELOS PROCESSOS GMAW E FCAW, UTILIZANDO O AÇO SAE 1020 Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica das Faculdades Integradas de Aracruz - FAACZ, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: João Paulo Calixto Silva ARACRUZ 2013

3 ELIANE CORREIA NASCIMENTO SOUZA JOSIMAR MARTINS GARUZZI BÁRBARA RODRIGUES DURÃO ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CORRENTE DE SOLDAGEM SOBRE O PERFIL DE DUREZA EM SOLDAS PRODUZIDAS PELOS PROCESSOS GMAW E FCAW, UTILIZANDO O AÇO SAE 1020 Trabalho de conclusão de curso apresentado a Faculdade Integradas de Aracruz FAACZ, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica. Aracruz, 19 de setembro de COMISSÃO EXAMINADORA Prof. João Paulo Calixto Silva Faculdades Integradas de Aracruz Prof. Vercely Pereira Faculdades Integradas de Aracruz Prof. Josimar Grippa Instituto Federal do Espírito Santo

4 RESUMO A soldagem é um dos principais processos industriais aplicados na fabricação de peças metálicas, dentre os diversos processos de soldagem utilizados os processos GMAW (Gás Metal Arc Welding) e FCAW (Flux Cored Arc Welding) são bastante produtivos e amplamente aproveitados. Embora, a soldagem ofereça inúmeras vantagens seu uso pode promover interferências significativas, modificando características no material, na região da zona fundida e zona termicamente afetada. Um dos efeitos observados são alterações no valor de dureza, nestas regiões, em relação ao metal de base após a execução da solda. Essa ocorrência remete a aplicação corretamente dos parâmetros de soldagem, sendo um dos mais importantes, a intensidade de corrente imposta à junta soldada. Como forma de contribuição para discussão do tema propôs-se este estudo, que tem como objetivo variar a intensidade de corrente de soldagem, para produzir uma série de cordões de solda utilizando os processos GMAW e FCAW, aplicando respectivamente os arames ER 70S-6 e E71T-1; para posteriormente realizar ensaios de dureza Rockwell, determinando o perfil de cada cordão de solda depositado no aço SAE Os resultados obtidos demonstraram que soldas feitas com arame tubular apresentam maior dureza que soldas produzidas com arame sólido, sendo que a corrente de soldagem influencia tanto nas condições de soldagem como nos valores de dureza obtidos. Palavras-chave: FCAW, GMAW, Corrente de Soldagem, Dureza.

5 ABSTRACT Welding is one of the main industrial processes applied in the manufacture of metal parts, among the various welding processes used the GMAW ( Gas Metal Arc Welding ) and FCAW ( Flux Cored Arc Welding ) are quite productive and widely utilized. Although welding advantages offered its use can promote significant interference by modifying the material characteristics in the region of the weld zone and heat affected zone. One of the effects observed are changes in hardness values in these regions compared to the base metal after the execution of the weld. This occurrence remits the correct application of the welding parameters, one of the most important, the current intensity imposed on the welded joint. As a contribution to the discussion topic was proposed that this research aims to vary the intensity of the welding current by applying values between 173 and 337 A, using the GMAW and FCAW and, respective, wire ER70S - 6 and E71T - 1, using as shielding gas mixture of 75 % Ar and 25 % CO2 to subsequently perform tests to determine the Rockwell hardness and hardness profile of each weld deposited on SAE 1020 steel. The results demonstrate that the current influences the welding conditions and hardness, and the range located between 173 and 255 offered the best conditions for welding. The hardness of the welds suffered while lifting lifted the welding current being that welds made with cored wire solders have higher hardness made with solid wire.

6 SUMÁRIO CAPÍTULO I INTRODUÇÃO Objetivos CAPÍTULO II REFERENCIAL TEÓRICO Soldagem a Arco Elétrico com Proteção Gasosa - GMAW Fundamentos do Processo GMAW Equipamentos de Soldagem Gases de Proteção Aplicados na Soldagem GMAW Principais Tipos de Gases de Proteção Arames Tubulares FCAW Fundamentos do Processo FCAW Proteção da Poça de Fusão Característica do Metal de Solda Parâmetros de Soldagem Corrente de Soldagem Tensão do Arco de Solda Velocidade de Soldagem Efeitos da Aplicação de Técnicas de Soldagem Influência da Inclinação da Tocha... 39

7 Distância entre Bico de Contato e Peça (DBCP) Considerações Metalúrgicas Ciclo Térmico - Soldagem Energia de Soldagem Ciclo Térmico Macroestrutura de Soldas Repartição Térmica Efeitos Metalúrgicos na Zona Fundida e Zona Termicamente Afetada Solidificação da Zona Fundida Características da Zona termicamente Afetada Microestruturas Típicas da Zona Fundida em Aços Baixo Carbono Descrição e Classificação Dureza Ensaios de Dureza Ensaios de Dureza Brinell (HB) Ensaios de Microdureza Vickers (HV) Ensaios de Dureza Rockwell (HR) Soldabilidade dos Aços Carbono CAPÍTULO III METODOLOGIA E MATERIAIS Introdução Materiais e Equipamentos... 65

8 3.2.1 Metal de Base Metal de Adição Metal de Adição - Processo GMAW Metal de Adição - Processo FCAW Gás de Proteção Equipamentos... Erro! Indicador não definido Fonte de Soldagem Planejamento Experimental Definição dos Parâmetros Parâmetros Aplicados nos Testes de Soldagem Obtenção das Amostras para Ensaios Ensaio de Dureza Rockwell (HR) Determinação da Microestrutura do Metal de Solda CAPÍTULO IV RESULTADOS E ANÁLISES Descrição Descontinuidade em Soldas Descontinuidade em Soldas - GMAW Descontinuidade em Soldas FCAW Relação Entre Descontinuidades em Soldas GMAW e FCAW Microestrutura da Zona Fundida Análise de Dureza... 88

9 4.4.1 Valores de Dureza HRB em Soldas GMAW Valores de Dureza (HRB) em Soldas FCAW Considerações Relacionadas aos Perfis de Dureza Comparação Entre os Perfis de Dureza GMAW e FCAW CAPÍTULO V CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A APÊNDICE B APÊNDICE C APÊNDICE D APÊNDICE E ANEXO A ANEXO B

10 LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO II Figura Desenho esquemático de soldagem do processo GMAW... 4 Figura Equipamentos básicos de soldagem... 7 Figura Perfil típico de cordões de solda feitos com diferentes gases e misturas...8 Figura Efeito do tipo de gás de proteção no formato do cordão de solda. (a) Argônio, (b) CO Figura Características do cordão de solda e forma de transferência em função do tipo de gás ou mistura utilizada: (a) Ar; (b) Ar+He e (c) He Figura Velocidades ótimas de soldagem em função da composição do gás de proteção utilizado na soldagem GMAW Figura Esquema representativo processo FCAW Figura Soldagem com arame tubular auto protegido Figura Soldagem com arame tubular e proteção gasosa Figura 2.10 Diferenças entre os arames sólidos e os arames tubulares na qualidade do metal de solda depositado Figura Influência da intensidade corrente de soldagem na penetração de solda Figura Efeito da tensão de soldagem na penetração da solda Figura Influência da velocidade de soldagem na penetração de solda Figura Efeito posição longitudinal da tocha na penetração da solda Figura Influência da inclinação da tocha no perfil e penetração do cordão de solda Figura 2.16 Diagrama Fe-C Figura Microestrutura de um aço em função da velocidade de resfriamento...27 Figura Ciclo térmico de soldagem Figura 2.19 Macroestrutura da junta soldada: Zona fundida (ZF), Zona Termicamente Afetada (ZTA), Metal de Base (MB)...31

11 Figura Curvas de repartição térmica. H 1 e H 2 (energia de soldagem) Figura Dissipação de calor durante a soldagem de juntas de (a) topo e de (b) ângulo (em T) Figura 2.22 Velocidade de resfriamento e caminhos de fluxo de calor Figura Junta de topo em chapa de espessura fina com duas direções para escoamento de calor Figura 2.24 Junta de topo em chapa de espessura grossa com três direções para escoamento de calor Figura Desenho esquemático das regiões de uma junta soldada Figura Crescimento epitaxial próximo à linha de fusão de uma junta soldada Figura Regiões da solda de um aço carbono Figura (a) Representação da Ferrita de contorno de grão PF(G). (b) Formação de veios de ferrita de ontorno de grão na estrutura de grãos colunares de austenita da ZF Figura Representação esquemática da ferrita poligonal intragranaular Figura Morfologia das placas laterias de ferrita - Ferrita com segunda fase alinhada - FS (A). O primeiro constituinte é denominado: "placas laterais de ferrita", "constituinte lamelar" e "ferrita de Widmanstatten" Figura Esquema representativo da morfologia da ferrita acicular (FA) Figura Regiões da solda de um aço carbono CAPÍTULO III Figura Dimensões das chapas de testes Figura Detalhe do chanfro em "U" Figura Arame tubular E71T Figura Detalhe - Retificador de Soldagem MIG/MAG modelo Smashweld 408 Top Flex Figura Chanfro preparado na superfície da chapa Figura Representação esquemática do local de retirada das amostras nas chapas de teste Figura Esquema representativo dos locais onde foram efetuadas as medições de dureza em seis pontos com distâncias de 5mm entre impressões... 62

12 Figura Durômetro marca Mitutoyo, modelo HR MS CAPÍTULO IV Figura Mordeduras nas margem dos cordões de solda Figura Inclusão de escória Figura Microestrutura encontradas nas pesquisas de Araujo (2004), Starling (2009), Rodrigues (2010), Campos (2010) e Barbedo (2011) Figura Perfil de dureza nas chapas de testes - GMAW Figura Perfil de dureza cordões de solda GMAW Figura Perfil de dureza cordões de chapa de testes - FCAW Figura Perfil de dureza cordões de solda FCAW Figura Efeito do tamanho de grão na ruptura de metais Figura Direções para dissiação de calor na junta de solda Figura Evolução dos picos de dureza nos processos FCAW e GMAW Figura Perfil dureza cordões de solda GMAW Figura Perfil de dureza cordões de solda FCAW... 83

13 LISTA DE TABELAS CAPÍTULO II Tabela 2.1 Características dos possíveis constituintes presentes na ZF, segundo classificação do IIW CAPÍTULO III Tabela 3.1 Composição química padrão aço ao carbono SAE Tabela 3.2 Composição química do arame sólido ER 70S Tabela 3.3 Análise química (%) em corpo de prova de metal depositado com arame tubular E71T Tabela 3.4 Parâmetros invariáveis para realização da soldagem Tabela 3.5 Valores de corrente de tensão aplicadas na soldagem GMW Tabela 3.6 Valores de corrente e tensão aplicadas na soldagem FCAW Tabela 3.7 Itens aplicados para comparação entre parâmetros utilizados em soldagens GMAW e/ou FCAW Tabela 3.8 Microestrutura encontradas nas pesquisas usadas para determinação de microconstituintes da zona fundida CAPÍTULO IV Tabela 4.1 Parâmetros ótimos, obtidos na pesquisa, para soldagem GMAW e FCAW utilizando arames de 1,2 mm Tabela 4.2 Maiores valores de dureza Rockeell (HRB) encontratados nas chapas de testes GMAW Tabela 4.3 Maiores valores de dureza (HRB) encontratados nas chapas de testes - FCAW...75

14 LISTA DE SIMBOLOGIAS SMAW SAW TIG GTAW MIG MAG GMAW FCAW FBTS CC+ CC- N 2 O 2 H 2 O C Fe Co Al Ar He H 2 FeO Mn ZF ZTA MB A Shielded Metal Arc Welding Submerged Arc Welding Tungsten Inert Gas Gas Tungste Arc Welding Metal Inert Gas Metal Active Gas Gas Metal Arc Welding Fluxed Core Arc Welding Fundação Brasileira de Tecnologia de Soldagem Polaridade Positiva Polaridade Negativa Nitrogênio Oxigênio Água Carbono Ferro Monóxido de Carbono Alumínio Argônio Hélio Hidrogênio Óxido de Ferro Manganês Zona Fundida Zona Termicamente Afetada Metal de Base Ampére

15 V DBCP Fe 3 C Fe-C CCC CFC H I V TP Tc Tc Tf PF (G) Voltagem Distância entre Bico de Contato e Peça Austenita Ferrita Alfa Ferrita Delta Cementita Ferro Carbono Estrutura Cristalina de Corpo Centrado Estrutura Cúbica de Face Centrada Energia de Soldagem Corrente de Soldagem Velocidade de Soldagem Eficiência Térmica do Processo Temperatura de Pico Temperatura Crítica Temperatura de Permanência Velocidade de Resfriamento Temperatura de Fusão Ferrita de contorno de grão

16 17 CAPÍTULO I INTRODUÇÃO Os processos de soldagem são utilizados para inúmeras finalidades e nas mais diversificadas áreas da aplicação industrial. Antes da utilização da soldagem na forma como conhecemos, a maior parte de união de metais era feita por meio de brasagem ou forjamento (MARQUES, 2005). Foi no ano de 1885 que, pela primeira vez, um arco elétrico, estabelecido entre um eletrodo de grafita e o metal de base, promoveu a união de uma peça metálica. O advento da soldagem por arco elétrico revolucionou o modo de união de metais, principalmente pela simplicidade do processo e exigência de quantidades relativamente pequenas de material para obter a união de juntas de solda (OKUMURA, 1982). Atualmente existem inúmeros processos de soldagem e estes são continuamente aperfeiçoados; a cada ano, novos equipamentos e tecnologias são incorporados à soldagem como modernas técnicas de instrumentação e controle, facilitando em muitas aplicações a automatização do processo (MODENESI, 2012). Entre os diversos tipos de processos de soldagem, os mais aplicados na indústria são: Eletrodo Revestido (SMAW), TIG (GTAW), processo MIG/MAG (GMAW) e soldagem a arco com arame tubular (FCAW) (BRANCO, 2010). Dentre os tipos mencionados, os processos (GMAW) e (FCAW) são amplamente utilizados, diferenciando-se por apresentar alta produtividade, versatilidade e são processos de fácil utilização (MARQUES, 2005). Um dos principais parâmetros aplicados na união de peças metálicas é a corrente de soldagem; a intensidade da energia aplicada interfere diretamente nas características do material na zona fundida (ZF) e da zona termicamente afetada (ZTA). Um dos efeitos observados são alterações no valor de dureza, nestas regiões, em relação ao metal de base após a execução da solda. Segundo Modenesi (2006) a soldagem é o processo industrial mais importante na fabricação de peças metálicas, porém seu uso proporciona alterações nas regiões afetadas pelo calor da soldagem. Essa constatação motivou a elaboração deste estudo, que tem como propósito variar a intensidade de corrente de soldagem para

17 18 produzir uma série de cordões de solda utilizando os processos GMAW e FCAW, aplicando respectivamente os arames ER 70S-6 e E71T-1 e, posteriormente, realizar ensaios de dureza Rockwell para determinar o perfil de cada cordão de solda depositado no aço SAE Espera-se que este estudo possa contribuir para melhor entendimento das características dos processos GMAW e FCAW e a influência que a intensidade de corrente exerce sobre o resultado final na operação de soldagem. 1.1 Objetivos Objetivo Geral: Examinar os valores de dureza encontrados em cordões de solda depositados no aço SAE 1020, utilizando os processos de soldagem GMAW e FCAW, quando variada à intensidade de corrente de soldagem, utilizando os metais de adição ER 70S-6 e E71T-1 e uma mistura gasosa de 75% Ar e 25% CO 2 como gás de proteção. Objetivos Específicos: Realizar ensaio de dureza nas soldas produzidas com os processos GMAW e FCAW; Relatar como a corrente de soldagem influencia na dureza do metal de solda; Verificar qual dos processos de soldagem confere maior dureza à região soldada, à medida que se eleva a intensidade de corrente; Apresentar um perfil de dureza de cada cordão de solda produzido.

18 19 CAPÍTULO II REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO COM PROTEÇÃO GASOSA - GMAW Fundamentos do Processo GMAW A soldagem MIG/MAG (Gas Metal Arc Welding GMAW) é um processo de soldagem a arco elétrico que promove a união de peças metálicas pelo calor oriundo de um arco elétrico, estabelecido entre a peça de trabalho e a extremidade do eletrodo metálico nu, consumível, alimentado continuamente. A proteção do arco e da poça de fusão é feita por um fluxo de gás que pode ser inerte, gás ativo ou mistura de gases, provido de uma fonte externa (FBTS, 2003; WAINER, 2004). O processo de soldagem GMAW foi apresentado como uma opção para união de peças metálicas em meados de 1920, se tornando comercialmente viável após Inicialmente, o processo foi utilizado com gás de proteção inerte na soldagem do alumínio. Estudos posteriores possibilitaram o uso de gás ativo, ampliando o aproveitamento do processo (FORTES, 2005). Atualmente, o processo de soldagem com arame sólido (GMAW) é vastamente utilizado, tratando-se de uma técnica produtiva e versátil, que oferece possibilidade de aplicação em diversos tipos de metais em uma ampla faixa de espessuras, possibilitando soldagem em todas as posições com boa estabilidade de arco (MACHADO, 1996). O processo GMAW pode ser caracterizado em função do gás de proteção utilizado. O uso de gás de proteção ativo ou mistura rica em gás ativo caracteriza o processo MAG (Metal Active Gas); neste processo o fluxo de gás interage com o metal da poça de fusão. Geralmente é empregado na soldagem de metais ferrosos (FBTS, 2003; MARQUES, 2005).

19 20 O uso de gás inerte ou mistura rica em gás inerte distingue o processo MIG (Metal Inert Gas), usado na soldagem de metais não ferrosos e também os ferrosos. O gás inerte não reage quimicamente com o metal da poça de fusão, apenas protege a região contra a contaminação com gases da atmosfera (FBTS, 2003; MARQUES, 2005). A figura 2.1 apresenta o desenho esquemático de soldagem do processo GMAW. Figura Desenho esquemático de soldagem do processo GMAW. Fonte: Cruz Junior e Cabral, 2008 apud Cabral, Na soldagem GMAW o arco funde continuamente o arame maciço, ao passo que este é encaminhado até a poça de fusão. A soldagem pode ser realizada de forma automatizada, entretanto, na maioria das vezes, o processo é semiautomático com alimentação do arame feita mecanicamente por meio de um alimentador motorizado. O soldador exerce o controle sobre o deslocamento da tocha ao longo da junta, controla a inclinação e distância entre a tocha e a peça e a iniciação e interrupção da soldagem (MARQUES, 2005).

20 21 A maioria das aplicações da soldagem GMAW requer corrente contínua e polaridade inversa (CC+), este tipo de aplicação é caracterizado pelo uso do eletrodo no polo positivo e da peça no polo negativo, nesta condição, tem-se um arco e transferência mais estável, baixa quantidade de respingos, boa penetração e cordão de solda com boas características (FBTS, 2003; FOGAGNOLO, 2011). Corrente contínua com polaridade direta (CC-) não é frequentemente usada, pois a utilização do eletrodo na polaridade negativa e a peça na polaridade positiva ocasionam a repulsão da gota em transferência, devido às forças dos jatos de plasma; assim, a gota é conduzida para cima e afastada de sua trajetória normal, tornando instável a transferência do metal (FOGAGNOLO, 2011). O processo GMAW pode ser aplicado para soldagem de aços-carbono, aço de baixa, média e alta ligas, aços inoxidáveis, alumínio e ligas, magnésio, cobre e suas ligas (FOGAGNOLO, 2011; WAINER, 2004). Fortes (2005), Arthuzo (2006) e FBTS (2003) relatam as principais vantagens do processo de soldagem GMAW: Alta taxa de deposição, comparada ao processo com eletrodo revestido e TIG; Alta produtividade; Permite soldagem em ampla faixa de espessuras e materiais; A soldagem pode ser executada em todas as posições; Apresenta baixa geração de fumos na soldagem; Não há necessidade de remoção de escória; Leveza e facilidade de manipulação da tocha de solda; Possibilidade de uso nas versões semiautomática e automatizada. Barra (2003), Arthuzo (2006) e Wainer (2004) relatam algumas limitações do processo (GMAW): A ausência de escória propicia uma elevada velocidade de resfriamento, além de favorecer o surgimento de trincas;

21 22 Investimento inicial em equipamento mais elevado, quando comparado ao processo com eletrodo revestido (ER); Problemas de operação em locais de difícil acesso (penetração do bocal) e em ambientes com forte ventilação (deslocamento e contaminação da coluna gasosa); Grande emissão de raios ultravioleta Equipamentos de Soldagem Os equipamentos básicos que compõem a soldagem GMAW são: fonte de energia, alimentador de arame, tocha de soldagem ou pistola e uma fonte de gás protetor (MARQUES, 2005). A tocha de soldagem é composta basicamente de punho ou suporte, o qual mantém um bico de contato transportando energia para o arame e um bocal que conduz o fluxo de gás protetor. A liberação do gás de proteção é feita por meio de um gatilho de acionamento acoplado à tocha. A fonte de gás consiste basicamente de um cilindro de gás ou mistura de gases e reguladores de pressão e/ou vazão que são usados na proteção do cordão de solda (MARQUES, 2005). Os alimentadores de arame, geralmente, são acionados por um motor de corrente contínua e propiciam alimentação do arame a uma velocidade constante, possibilitando regulagem em uma ampla faixa. A figura 2.2 apresenta o esquema representativo do processo MIG/MAG.

22 23 Figura Equipamentos básicos de soldagem. Fonte: Cabral, Gases de Proteção Aplicados na Soldagem GMAW A principal finalidade do gás de proteção é evitar a contaminação da poça de fusão com gases presentes na atmosfera, especialmente o nitrogênio (N 2 ), oxigênio (O 2 ) e vapor d'água (H 2 O). A incorporação desses elementos na região da poça de fusão pode reduzir a qualidade da solda. O nitrogênio incluso no metal de solda diminui a ductilidade e a tenacidade, enquanto a presença de (N 2 ) em excesso favorece o surgimento de porosidade (FORTES, 2005). O oxigênio em demasia combina-se com o carbono, formando monóxido de carbono (CO); caso esse gás fique aprisionado no metal de solda, poderá surgir porosidade. O hidrogênio presente no vapor d'água pode associar-se com o ferro (Fe) ou com o alumínio (Al), resultando em porosidade e possíveis trincas no metal de solda (FORTES, 2005). Embora exista esta ressalva a formação de um tipo de ferrita, comumente formada na ZF de aços com baixo teor de carbono e baixa liga, chamada de ferrita acicular é favorecida pela presença de precipitados e, particularmente, de numerosas inclusões resultantes da presença de oxigênio, em geral, em teores superiores aos do metal base. Esta forma de ferrita possui granulação muito fina sendo considerado o melhor constituinte para garantir uma tenacidade elevada para o metal de solda (MODENESI, 2012).

23 24 Os principais gases utilizados na proteção da poça de fusão são: o argônio (Ar) e o hélio (He), que são gases inertes e (CO 2 ) dióxido de carbono que é um gás ativo. Esses gases podem ser utilizados puros, combinados entre si ou misturados com pequenas quantidades de oxigênio, nitrogênio e hidrogênio (H 2 ) (FORTES, 2005). Além de atuar diretamente na proteção da poça de fusão, o tipo de gás exerce influência na estabilidade do arco, modo de transferência metálica, velocidade de soldagem, ação de limpeza, propriedades do metal depositado, formato do cordão, custo da operação de soldagem e diluição (CABRAL, 2011; FILHO, 2011). A figura 2.3 apresenta a seção transversal típica de cordões de solda feitos com diferentes gases e mistura. Figura Perfil típico de cordões de solda feitos com diferentes gases e misturas. Fonte: Marques, Os efeitos dos gases de proteção sobre as características do arco estão vinculados a determinadas propriedades que os gases possuem, sendo duas especialmente importantes: potencial de ionização e condutividade térmica (FILHO, 2011). Potencial de ionização, que é a energia necessária para produzir um elétron livre, removendo-o de um átomo e tornando-o um íon (WAINER, 2004). Assim, a abertura e estabilidade do arco são influenciadas pelo potencial de ionização. Gás com baixo potencial de ionização como o argônio (Ar) possui maior facilidade para transformar átomos em íons, esta característica ajuda a manter o arco suave e estável (LYTTLE e STAPON, 1990; apud FILHO, 2011). Diferenças na condutividade térmica do gás de proteção interferem nas características do depósito de solda. Gases com alta condutividade térmica

24 25 transferem mais calor para a peça, influenciando na forma e no perfil de penetração da solda. Maior transferência de calor para o metal de base promove melhor penetração na junta e fluidez na poça de solda (LYTTLE e STAPON, 1990; apud FILHO, 2011). Alta condutividade térmica requer atenção, principalmente na soldagem de metais altamente condutores como o alumínio e cobre que dissipam calor rapidamente. Comumente estes materiais precisam de um arco com maior transferência de calor, para que não ocorra perda de produtividade devido à necessidade de redução na velocidade de soldagem, essa medida é necessária para evitar defeitos como falta de fusão e/ou de penetração (LYTTLE e STAPON, 1990, apud FILHO, 2011). A figura 2.4 apresenta o efeito do gás de proteção no formato do cordão de solda, modo de transferência e comprimento do arco. (a) Figura 2. 4 Efeito do tipo de gás de proteção no formato do cordão de solda. (a) Argônio, (b) CO 2. Fonte: Wainer, (b) Principais Tipos de Gases de Proteção a) Argônio (Ar) O Argônio é um gás inerte, não reage com outros elementos para formar compostos, possui baixa condutividade térmica, baixo potencial de ionização e alta densidade, sendo mais pesado que o ar, fato que garante boa proteção com fluxo de gás moderado. Esse gás é aproveitado puro ou misturado a outros gases para alcançar

25 26 características desejáveis durante a soldagem de metais ferrosos e não ferrosos. O argônio puro (99,95% de pureza) é usado como proteção na soldagem de metais não ferrosos, tais como: alumínio, magnésio, liga de níquel e ligas reativas como titânio e zircônio, proporcionando arco estável, boa penetração e cordões suaves (FILHO, 2011). O argônio produz cordões com maior penetração no centro do que nas bordas, devido à baixa condutividade térmica que resulta em uma coluna de plasma com maior temperatura na parte central (TESKE, 2006). A figura 2.5 ilustra as características do cordão de solda com uso de Ar, He e uma mistura de (Ar +He). Figura Características do cordão de solda em função do tipo de gás ou mistura utilizada: (a) Ar; (b) Ar+He e (c) He. Fonte: AWS, 1991, apud Teske, (a) argônio puro: penetração centralizada; (b) penetração com distribuição mais uniforme; (c) Cordão de solda mais largo apresentando um reforço excessivo. Na soldagem de metais ferrosos, o argônio é normalmente misturado com oxigênio, hélio, hidrogênio, dióxido de carbono e/ou nitrogênio (FORTES, 2005). Lyttle e Stapon (1990) apud Teske (2006) relatam que pesquisas em chapas de aço carbono indicam que misturas ternárias de gases (Ar+CO 2 +O 2 ; Ar+He+CO 2 ; Ar+He+O 2 ) podem aperfeiçoar o desempenho da soldagem e diminuir os custos através do aumento da produtividade.

26 27 A figura 2.6 apresenta a relação de velocidade de soldagem com a composição da mistura gasosa. Figura Velocidades ótimas de soldagem em função da composição do gás de proteção utilizado na soldagem GMAW. Fonte: Stenbacka e Persson, 1989, apud Teske, b) Hélio (He) O hélio é um gás inerte aplicado na soldagem onde se necessita um maior aporte térmico, a fim de trazer melhorias quanto à maior penetração e maior velocidade de soldagem. No processo MIG o hélio, comparado ao argônio, não gera um arco tão estável, porém apresenta maior condutividade térmica e proporciona um perfil de penetração mais largo e raso. O (He) é frequentemente misturado em diversas proporções com o argônio, a fim de obter as melhores características de ambos, sendo que o argônio melhora a estabilidade do arco e a ação de limpeza na soldagem do alumínio e do magnésio, enquanto o hélio enriquece a molhabilidade e a coalescência do metal de solda (FORTES, 2005).

27 28 c) Dióxido de carbono (CO 2 ) O dióxido de carbono é um gás de proteção ativo, usado na forma pura ou com adição de oxigênio e/ou argônio. É empregado na soldagem de aços carbono e aços de baixa liga (WAINER, 2004). As vantagens do (CO 2 ) são: maior velocidade de soldagem e elevada penetração na junta soldada. As desvantagens são: possibilidade de ocorrência de poros ou porosidade devido à atmosfera protetora oxidante, aparência do cordão de solda fortemente oxidada e excesso de respingos. A elevada incidência de respingos pode gerar maiores custos com acabamento (WAINER, 2004). A adição de (Ar) ao (CO 2 ) melhora o visual do cordão de solda e a estabilidade do arco, diminui o excesso de respingos, além de reduzir a temperatura do arco, fato que é favorável na soldagem de chapas finas (WAINER, 2004). FBTS (2003) descreve bem os fenômenos envolvidos na injeção de CO 2 como gás de proteção. A atmosfera protetora ativa tem capacidade de oxidar o metal fundido durante a soldagem. Assim, ao ser exposto a elevadas temperaturas do arco elétrico o (CO 2 ) se dissocia em monóxido de carbono e oxigênio:. A reação propicia a formação de óxido de ferro:. O óxido de ferro (FeO), difunde-se na poça de fusão mediante reação:.o inconveniente é que pode acontecer que não haja tempo para saída do (CO) da poça de fusão, ficando retido sob a forma de poros ou porosidades no metal de solda. Esse problema pode ser resolvido mediante a adição de elemento desoxidante tal como manganês (Mn). Esse elemento reage com óxido de ferro, dando origem ao óxido de manganês, o qual não sendo gás, é eliminado da solda para um tipo de escória vítrea formada sobre o cordão de solda (FBTS, 2003). O manganês deve ser adicionado ao metal de adição em quantidades compatíveis com (FeO) formado. Excesso de (Mn) fará com que parte desse

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