AVALIAÇÃO DA MICRODUREZA DE REVESTIMENTOS METÁLICOS DEPOSITADOS PELO PROCESSO GMAW-CW COM UTILIZAÇÃO DE DIFERENTES GASES DE PROTEÇÃO.

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1 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 20 a 24 de maio de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil May 20 th to 24 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil AVALIAÇÃO DA MICRODUREZA DE REVESTIMENTOS METÁLICOS DEPOSITADOS PELO PROCESSO GMAW-CW COM UTILIZAÇÃO DE DIFERENTES GASES DE PROTEÇÃO. Felipe Ribeiro Teixeira, teixeira.304@hotmail.com Bruno Alberto Cardoso Pignatario, bruno.pignatario@gmail.com Bruno Gonçalves Rodrigues, rodrigues.bg@hotmail.com Henrique Fernando Pinheiro Espírito Santo, henriquespirito@hotmail.com Marco Martins Modesto, marco-modesto@hotmail.com Humberto Vinicius Muñoz Aguirre, humbertoaguirre23@yahoo.com.br Diego Almir Silva da Silva, diego_almir@yahoo.com.br Carlos Alberto Mendes da Mota, cmota@ufpa.br Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa, 1- Guamá Resumo: O estudo das propriedades mecânicas de revestimentos soldados é muito importante para quantificar o grau de resistência, logo este trabalho se propõe a avaliação á dureza de revestimento, através do ensaio de microdureza em chapas de aço carbono por uma superliga de níquel, tipo Inconel 625, depositadas pelo processo GMAW-CW, com utilização de argônio comercialmente puro e uma mistura de argônio com 25% de dióxido de carbono, como gases de proteção. Para realização das soldas de revestimento foram utilizadas velocidades de soldagem de 5 e 5,83 mm/s, de alimentação do arame eletrodo de 183,3 mm/s e velocidade de alimentação do arame frio de 41,67 mm/s. A análise de microdureza foi realizada com auxilio de um microdurômetro tipo vickers e mostrou que a mudança de diluição pelo uso de diferentes gás de proteção influencia diretamente no perfil de dureza dos revestimentos obtidos. Palavras-chave: Soldagem dissimilar, GMAW-CW, Inconel 625, Microdureza. 1. INTRODUÇÃO A soldagem MIG/MAG-CW (Metal Inert Gas/Metal Active Gas-Cold Wire), ou soldagem MIG/MAG Derivativo, se constitui numa versão tecnológica do processo MIG/MAG, desenvolvido como alternativa para aumentar a produtividade, sem prejuízos à qualidade ou as características de resistência da junta soldada. O processo consiste em aproveitar o calor produzido pelo arco voltaico no arame eletrodo (energizado) para também fundir o arame frio (não energizado) e, assim, aumentar a produção sem prejudicar a qualidade do cordão de solda, Figura.(1) (BACELAR; FERRAZ, 2005; BARROZO, 2006; SÁBIO, 2007). Com base em pesquisas a indústria petroquímica vem buscando alternativas o usos das superligas de níquel, como fabricar componentes inteiramente de superligas de níquel, pois resistem bem a ambientes corrosivos. Porém, esta solução se torna inviável pelo elevado custo de produção destas ligas. Visando minimizar os custos, vem sendo estudada a soldagem de revestimento de materiais dissimilares visando proteger o metal de base contra meios corrosivos, tornando-se uma opção viável para necessidades da indústria petroquímica, desse modo fazendo-se necessário á avaliação mecânica dos revestimentos soldados. Uma das mais importantes frentes de avaliação de resistência mecânica é o ensaio de dureza. O processo de teste de dureza que segundo Vickers pode ser aplicado para praticamente todos os materiais. Devido à geometria da pirâmide de diamante, do endentador, isto não mudar a condição de tensão durante o teste, ao contrário do processo Brinell. A utilização deste ensaio permite alcançar valores de dureza independentes de carga na área convencional de dureza, obtendo resultados de alta precisão, assim como aplicações diversas. O ensaio de microdureza Vickers permite ainda análise em pequenas regiões com precisão, tornando-se ideal para o emprego de ensaio em regiões criticas como zona termicamente afetada e zona de ligação.

2 Figura 1. Representação esquemática do processo derivativo GMAW-CW, Cabral et al(2011). 2. MATERIAIS E METODOS negrito, tamanho 10, maiúsculas) Este tópico destina-se a apresentação dos materiais, métodos e equipamentos usados na execução do experimento, ambos, desenvolvidos por Garcia et al(2010) para o processo de soldagem derivativo GMAW-CW Materiais Utilizados (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Metal de Base e Metal de Adição. O metal de base usado foi o aço AISI 1020 cuja composição, fornecida pelo fabricante, é apresentada na Tabela. (1). A partir deste foram obtidas chapas de dimensões 150 mm X 38 mm X 8.2 mm. Como metal de adição foi utilizado arames de 1.2 mm de uma superliga de níquel classe AWS ERNiCrMo 3 (INCONEL 625), a composição deste é apresentada na Tabela. (2). Inconel 625 é uma liga de níquel-cromomolibdênio com um acréscimo de nióbio que atua com o molibdênio para endurecer a matriz da liga e, assim, fornecer alta resistência sem um tratamento térmico. A liga resiste a uma ampla gama de ambientes severamente corrosivos e é especialmente resistente à corrosão de bico e ferrugem. É muito usada em processos químicos, engenharia aeroespacial e marinha, equipamento de controle de poluição e reatores nucleares. Tabela 1. Composição química do aço SAE 1020, Catalogo Gerdau. Tabela 2. Composição química do arame AWS ERNiCrMo - 3, Techalloy et al (2004). Arame ER NiCr Mo - 3 Nº AISI C(%) Mn(%) P max (%) S max (%) ,18 0,23 0,30 0,60 0,04 0,05 Percentual em peso C Mn Si Fe Cr Mo Ni Nb S P 0,09 0,5 1,2 4,0 21,9 8,65 Bal 3,7 0,02 0, Gás de Proteção. Neste experimento foi utilizado como gases de proteção o Argônio comercialmente puro, por ser um gás inerte que proporciona boa estabilidade de arco na transferência goticular e ótimo perfil de cordão para materiais não ferrosos como alumínio, níquel e ligas de cobre. O outro gás de proteção usado foi o argônio com adição de 25% de CO 2, pois, este se comporta muito bem em altos níveis de corrente, pode alcançar boa estabilidade de arco, controle da poça de fusão e aparência do cordão, bem como, alta produtividade Equipamentos e Acessórios (Times New Roman, negrito, tamanho 10) A Figura (2) apresenta a bancada de soldagem e os equipamentos. Foram usados na execução das soldagens uma fonte se solda modelo IMC Inversal 300(Figura.(2A-1)), cilindro com gás de proteção (Figura.(2A -2)), sistema de alimentação de arame eletrodo ESAB Emf 30 (Figura.(2A-3)), suporte para posicionamento de chapas (Figura.(2A-4)), sistema de alimentação de arame frio modelo IMC STA 20D (Figura.(2A- 5))com correção por sistema de malha fechada (Figura.(2A-8)), tartílope V2 (Figura.(2A-6)) e arame eletrodo(figura.(2a-8)). Para o melhor posicionamento linear e angular na adição de arame frio foi desenvolvido um suporte específico, de modo que o arame frio entre concêntrico ao arame eletrodo apresentado na Figura. (2-B).

3 A Figura 2. (A) Componentes da bancada de soldagem e (B) bico injetor de arame frio acoplado a tocha, Silva & Oliveira, 2012; Garcia et al(2010) Condições de Soldagem Inicialmente foram realizadas deposições de passes isolados na posição plana pelo processo MIG/MAG Derivativo. Após a obtenção dos parâmetros adequados, realizaram-se as soldas de revestimento com quatro passes em sobreposição de 30%, em função das pesquisas realizadas anteriormente por Marinho et al (2007) e Quintana et al (2005) que concluíram ser adequada a sobreposição de 30% da largura do cordão para soldas realizadas na posição plana. Parâmetros mantidos constantes durante os experimentos: Posição de Soldagem: Plana Técnica operacional: Empurrando, com tecimento. Gás de proteção: Argônio comercialmente Puro e uma combinação de Argônio com 25% de CO 2 Vazão de gás: 15 l/min Distância bico de contato peça: 13 a 15 mm Polaridade: CC + A adição de arame frio é feita por um sistema de malha fechada desenvolvido pelo GETSolda/UFPa e tem como objetivo diminuir as perturbações causadas ao arco pela adição de arame frio na poça de fusão. Tabela 3. Condições de soldagem para obtenção das amostras, Silva & Oliveira(2012). CP Vsold Valim AE Valim AF DBCP Tensão Corrente Gás Vazão (mm/s) (mm/s) (mm/s) (mm) (V) (A) (l/min) A 30 5,0 183,3 41, Ar puro 15 A 35 5,83 183,3 41, Ar puro 15 S 30 5,0 183,3 41, Ar +25% CO 2 15 S 35 5,83 183,3 41, Ar +25% CO 2 15 Nota: CP: corpo de prova; Vsold: Velocidade de Soldagem; Valim AE: Velocidade do Arame Eletrodo;Valim AF: Velocidade do Arame Frio, DBCP: Distancia Bico de Contato Peça. O critério de aceitação para os revestimentos foi o exigido pela norma Petrobras N-1707, que em suma exige o reforço dos cordões de mínimo 3 mm, caso seja necessário usinagem posterior do revestimento como evidenciado pela Figura.(3). B Figura 3. Critério de aceitação de revestimento, Garcia et al(2010).

4 2.4. Preparação das Amostras Após a realização dos ensaios de inspeção visual e superficial, os Cp s foram seccionados transversalmente para avaliação das características geométricas e de microdureza, segundo o layout da Figura. (4 A). Para preparação das amostras foi utilizado o procedimento padrão da Norma NBR 13284:1995. As superfícies das amostras foram lixadas até a granulometria de 600 Mesh e, na sequência, atacadas, por imersão durante 30 segundos, com o reagente Nital 3% (3% de HNO 3 e 97% álcool etílico) para o ataque metalográfico do aço AISI Outro procedimento de ataque se fez necessário para revelação metalográfica do metal de solda (liga de níquel), este foi feito pela reação eletrolítica em solução de ácido crômico a 10% diluído em água deionizada, empregando uma tensão constante de 2,5 V e tempo de ataque médio de 20 s. A Figura (4 B) mostra o aparato de realização do ataque. A B Figura 4. (A) Layout para corte de amostras e (B) aparato usado na realização do ataque eletrolítico, Garcia et al(2010) e Mougo et al(2012) 2.5. Ensaio de Microdureza No ensaio de microdureza Vickers uma pirâmide de diamante de base quadrada e um ângulo entre faces de 136º é forçada verticalmente contra a superfície da amostra analisada a fim de verificar o grau de penetração, medido pelas diagonais de impressão, Figura (5 B). A superfície deve ser plana, limpa e isenta de escamas e/ou superfícies oxidadas. A aplicação da força deve ser feita suavemente, livre de solavancos e vibrações e por um tempo determinado de aplicação de carga. Para este ensaio foi usado o Microdurômetro HMV Microhardness tester da Shimadzu, Figura. (5 A), com carga aplicada de N(100 gf) por um tempo de impressão de 15 s, conforme recomendado pela norma ASTM E 384. Figura 5. (A) Microdurômetro e (B) pirâmide de diamante e impressão do endentador Vickers, Mougo et al(2012). Na metodologia de ensaio por microdureza foi adotado um esquema de quinze endentações, igualmente espaçadas entre si, dispostas em linha vertical varrendo o primeiro e o ultimo cordão, ver Figura. (6). A escolha dos cordões baseou-se na possível influência do ciclo térmico nas propriedades mecânicas do revestimento, uma vez que o primeiro cordão sofre influencia dos ciclos térmicos dos cordões subsequentes e o ultimo cordão por não sofre influência de passe posterior. A B

5 (espaço sinhas, tamanho 10) Figura 6. Área de levantamento do perfil de microdureza, Próprio autor. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES (Times New Roman, negrito, tamanho 10) 3.1. Macrografia Os aspectos macrograficos obtidos possibilitaram a análise da qualidade (interna) do metal de solda quanto à presença de defeitos, além da análise do perfil geométrico do revestimento quanto a sua planicidade. Todas as amostras mostraram que as condições empregadas não apresentaram defeitos, como falta de fusão, e que os parâmetros adotados resultaram em revestimentos condizentes com o mínimo exigido pela norma Petrobras N1707, alem de boa regularidade geométrica e planicidade que são outras características importantes na validação do revestimento. Uma variação importante foi na diluição das amostras S 30 e S 35 se comparado com as amostras A 30 e A35 como mostrado pela Tabela. (4). A Figura (7) evidencia os resultados da macrografia. Figura 7. Macrografia da seção transversal das amostras de revestimento, Silva & Oliveira (2012). Tabela 4. Características geométricas e diluição dos revestimentos, Silva & Oliveira (2012). CP Reforço Médio (mm) Penetração Média (mm) Diluição (%) Energia de Soldagem (KJ/mm) A 30 4,6 1,1 19 1,3 A 35 4,4 0,7 13 1,1 S 30 4,0 1,0 27 1,3 S 35 4,4 1,0 22 1, Microdurezas As análises dos perfis de microdureza Vickers foram feitas comparando as amostras A 30 com S 30 e A 35 com S 35 como as Figura. (8) com Figura. (10) e Figura. (9) com Figura. (11). Essa metodologia de analise foi adotada, pois o objetivo do trabalho é avaliar a influencia do gás de proteção nas propriedades mecânicas do revestimento. Quando avaliada as amostras A 30 e S 30, para uma mesma energia de soldagem, a amostra utilizando argônio puro proporcionou maior valor de dureza, pois, a utilização do Argônio com 25% de CO 2 aumenta consideravelmente a diluição e com isso o nível de dissolução do metal de base no metal de solda. Este é um importante ponto de análise na soldagem dissimilar, uma vez que se deseja que o metal de solda tenha o mínimo de elementos oriundos do metal de

6 Microdureza (HV) MIcrodureza (HV) 7 º C O N G R E S S O B R A S I L E I R O D E E N G E N H A R I A D E F A B R I C A Ç Ã O 2 0 a 2 4 d e M a i o d e P e n e d o, I t a t i a i a - RJ base. Já a Zona Termicamente Afetada, ZTA, apresentou níveis de dureza não tão distante, conferindo a não influencia do ciclo térmico quanto à perda de propriedades mecânicas e susceptibilidade a fissuração. aço simples linhas, 232 entre tamanh (10) 1 Cordão 4 Cordão MS 1º cordão MB 1º cordão ZTA 4º cordão ZTA 1º cordão MS 4º cordão MB 4º cordão Figura 8. Perfil de microdureza da amostra A 30 para um espaçamento entre endentações de 0.65 mm M 1 Cordão 4 Cordão MS 1º cordão ZTA 1º cordão MB 1º cordão MS 4º cordão ZTA 4º cordão MB 4º cordão lfigura 9. Perfil de microdureza da amostra A 35 para um espaçamento entre endentações de 0.55 mm. Na análise das amostras A 35 e S 35, mostram que o comportamento do revestimento é o mesmo, isto é, com a utilização do Argônio com 25% de CO 2 e com isso da diluição a dureza no revestimento tende a diminuir, porém não significantemente a fim de invalidar seu uso por perdas de propriedades. Se analisado os revestimentos com o mesmo gás, a diluição também se mostra como fator predominante na variação dos níveis de dureza. Em todos os casos as menores diluições apresentaram maiores durezas. Pela análise dos perfis apresentados, entende-se que a influencia do ciclo térmico sobre as propriedades mecânicas é mínimo, porém, vale ressaltar que a análise metalúrgica por microscopia faz-se necessário para quantificação das mudanças, visto que esta liga precisão ainda resistir a ambientes corrosivos extremos, logo, mudanças na composição química do substrato influenciam diretamente na resistência a corrosão. c

7 Microdureza (HV) Microdureza (HV) 7 º C O N G R E S S O B R A S I L E I R O D E E N G E N H A R I A D E F A B R I C A Ç Ã O 2 0 a 2 4 d e M a i o d e P e n e d o, I t a t i a i a - RJ (E Cordão 4 Cordão MS 1º cordão ZTA 1º cordão MB 1º cordão MS 4º cordão ZTA 4º cordão MB 4º cordão Figura 10. Perfil de microdureza da amostra S 30 para um espaçamento entre endentações de 0.59 mm Cordão 4 Cordão MS 1º cordão ZTA 1º cordão MB 1º cordão MS 4º cordão ZTA 4º cordão MB 4º cordão Figura 11. Perfil de microdureza da amostra S 35 para um espaçamento entre endentações de 0.63 mm. 4. CONCLUSÕES (Times New Roman, negrito, tamanho 10) A avaliação geométrica dos revestimentos mostrou que as condições de soldagem empregadas são eficiente na formação de revestimentos aceitáveis pela norma de referência, Petrobras N 1707, e pela qualidade apresentada. Na etapa de avaliação das propriedades mecânicas, proposta por este trabalho, os revestimentos apresentaram níveis de dureza consideráveis para ambas as aplicações de gases de proteção. Porém ao se utilizar a mistura Argônio e 25% de CO 2 a diluição, em ambos os níveis de energia, aumentou gerando um nível de dureza menor quando comparado ao Argônio puro, do ponto de vista metalúrgico este é um fator preocupante, pois, acarreta introdução de elementos a superliga de níquel que pode comprometer sua característica anticorrosiva ou ainda sua correta ação quando solicitado mecanicamente. Outra zona critica na soldagem, a ZTA, mostrou ser pouco influenciada, do ponto de vista mecânico, pela mudança dos gases de proteção. 5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM E 384, Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials, Annual Book of ASTM Standards, Vol West Conshohocken, USA, BACELAR, A. R. C.; FERRAZ, A. C. Estudo da viabilidade operacional do processo de soldagem MAG com alimentação adicional de um arame frio. Belém: 2005, 80 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) Curso de Engenharia Mecânica, Instituto Tecnológico, Universidade Federal do Pará, Belém, BARROZO, T. S. Estudo da Soldagem FCAW com Arame Frio. Belém: 2006, 85 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso de Engenharia Mecânica) - Curso de Engenharia Mecânica, Instituto Tecnológico, Universidade Federal do Pará, Belém, 2006.

8 CABRAL, T. D. Influência dos Procedimentos e Processos de Soldagem MAG na Redução de Deformações em Painéis de Estruturas Navais. Belém: 2011, 123 f. Dissertação ( Mestrado em Engenharia Mecânica) Instituto de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia, Universidade Federal do Pará, Belém, GARCIA, D.N. Soldagem MIG com arame frio aplicada ao revestimento de chapas planas com superliga de níquel, tipo hastelloy C-276. Belém: 2011, 110 f. Dissertação ( Mestrado em Engenharia Mecânica) Instituto de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia, Universidade Federal do Pará, Belém, MARINHO, F. L. C. Caracterização metalúrgica de revestimentos inoxidáveis depositados pelo processo FCAW sobre o clad de aço carbono. Belém: 2007, 85 f. (Graduação em Engenharia Mecânica) - Curso de Engenharia Mecânica, Centro Tecnológico, Universidade Federal do Pará, Belém, MODENESI, P. J.; Marques, P. V. Soldagem I Introdução à Física Do Arco Elétrico Disponível em < Acesso Em: Outubro De MOUGO, A. L. Aspectos Metalúrgicos Da Soldagem MIG e MIG derivativa com arame frio em revestimento de chapas planas de aço C-Mn utilizando uma superliga de níquel. Belém: Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, 2012(Dissertação de Mestrado). NBR 13284: Normas para Metodologia de Tratamento Metalográfico, N 1707 Petrobras. Projeto e Fabricação de Vasos de Pressão com Revestimentos de Aços Inoxidáveis, Níquel e Ligas de Níquel, Out QUINTANA, F. L. P. Desempenho do Processo MIG-CCEN Aplicado à Soldagem Overlay em Aço Inoxidável Austenítico. Belém: 2005, 110 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Instituto de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia, Universidade Federal do Pará, Belém, SÁBIO. A. D. Estudo da Viabilidade Operacional do Processo de Soldagem MAG com Alimentação Adicional de Arame Frio. Belém: 2007, 146 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Instituto de Tecnologia, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, Belém, SILVA, C. C. Revestimentos de Ligas de Níquel Depositados pelo Processo TIG com Alimentação de Arame Frio Aspectos Operacionais E Metalúrgicos. Fortaleza: Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Ceará, P.(Tese, Doutorado Em Engenharia De Materiais). 6. DIREITOS AUTORAIS (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

9 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 20 a 24 de maio de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil May 20 th to 24 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil EVALUATION OF MICROHARDNESS OF METALLIC COAT DEPOSITED BY GMAW-CW PROCESS WITH UTILIZATION OF DIFFERENTS PROTECTION GAS Bruno Alberto Cardoso Pignatario, bruno.pignatario@gmail.com 1 Felipe Ribeiro Teixeira, teixeira.304@hotmail.com Bruno Alberto Cardoso Pignatario, bruno.pignatario@gmail.com Bruno Gonçalves Rodrigues, rodrigues.bg@hotmail.com Henrique Fernando Pinheiro Espírito Santo, henriquespirito@hotmail.com Marco Martins Modesto, marco-modesto@hotmail.com Humberto Vinicius Muñoz Aguirre, humbertoaguirre23@yahoo.com.br Diego Almir Silva da Silva, diego_almir@yahoo.com.br Carlos Alberto Mendes da Mota, cmota@ufpa.br Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa, 1- Guamá Abstract: The study of mechanical properties of welding coats is very important for the quantification of resistance of studied component, as soon this paper propose the evaluation of microhardness of coats in plates of carbon steel for nickel superalloy, type Inconel 625, deposited by GMAW-CW process, with utilization as protection gas the Pure argon and Argon added of 25% of carbon dioxide. For realization of coat welds was utilized welding speed of 5 and 5,83 mm/s, and electrode wire feeding rate of 183,3 mm/s, and cold wire feeding rate of 41,67 mm/s. The analysis of microhardness was realized with assistance of micro hardness tester type Vickers and show that change of dilution for use of different gas of protection affect directly the hardness perfil of obtained coat. (single space line, size 10) Keywords: Dissimilar Welding, GMAW-CW, Inconel 625, Microhardness 1. RESPONSIBILITY NOTICE The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.