DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE ARAMES TUBULARES TIPO BÁSICO COM POLÍMEROS COMO INGREDIENTE DO FLUXO

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1 DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE ARAMES TUBULARES TIPO BÁSICO COM POLÍMEROS COMO INGREDIENTE DO FLUXO Eliana Castro, elianacjcastro@gmail.com 1 Maria Celeste Monteiro de Souza Costa, mcelestemsc@deii.cefetmg.br 1 Joel Romano Brandão, jbromano@gmail.com 1 Alexandre Queiroz Bracarense, bracarense@ufmg.br 2 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Av. Amazonas, 5253 Nova Suiça, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, CEP: Universidade Federal de Minas Gerais, A. Antônio Carlos, 6627 Pampulha, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, CEP: Resumo: Estudos recentes mostraram que a solda produzida por eletrodos revestidos aglomerados com polímero politetrafluoretileno (PTFE) apresenta baixos teores de hidrogênio difusível e consideráveis frações volumétricas de ferrita acicular. Foi verificado também que as propriedades mecânicas das soldas obtidas com eletrodos revestidos aglomerados com polímero, como limites de resistência, escoamento, alongamento e tenacidade ao impacto apresentam valores satisfatórios quando comparados aos mínimos especificados em norma para eletrodos classe E7018. Esses resultados sugerem que há perspectivas de uso do polímero como ingrediente, e não aglomerante, em fluxos de arames tubulares. O presente trabalho tem como objetivo avaliar o metal de solda produzido empregando arames tubulares fabricados em laboratório com adição de diferentes composições de polímero aos fluxos básicos (classe E7018). Espera-se que a aplicação de polímeros em fluxos de arames tubulares também possa trazer benefícios à solda. A partir da soldagem com os arames tubulares fabricados em laboratório, foi estudado o efeito do polímero comparando-se as microestruturas obtidas e os comportamentos mecânicos através dos resultados de microdureza. Os resultados preliminares obtidos com a análise microestrutural apresentaram baixa incidência na formação da ferrita acicular em todas as composições de polímero analisadas. Nas condições estudadas, não foram verificadas diferenças significativas quanto aos resultados de microdureza do metal de solda e a geometria do cordão. Palavras-chave: polímeros, fluxos, arames tubulares, ferrita acicular 1. INTRODUÇÃO A soldagem com arames tubulares (FCAW) é um processo de alta produtividade e possui como características a facilidade de operação e a possibilidade de se adicionar ao fluxo interno do arame, elementos químicos que minimizem a instabilidade da transferência e, consequentemente, melhore as propriedades mecânicas da solda. O ajuste da composição química dos fluxos tem sido estudado de forma a aliar benefícios como redução do custo e obtenção de soldas com microestruturas desejáveis. A fabricação de arames tubulares em laboratório permite o surgimento de novos tipos de materiais, visando proporcionar um maior controle sobre os parâmetros de soldagem, tais como geometria do cordão de solda e propriedades mecânicas, que são de extrema relevância na soldagem mecanizada, automatizada ou semiautomatizada. Em eletrodos revestidos fabricados em laboratório foi estudado o comportamento do polímero (PTFE) empregado para substituir os silicatos no processo de aglomeração do revestimento. Dentre os resultados analisados, a microestrutura do metal de solda apresentou considerável aumento da fração volumétrica de ferrita acicular (Fichel et al., 2009). Este aumento foi atribuído às interações do polímero entre metal, gás e escória que ocorrem durante a soldagem e alteram o modo de transferência metálica e a atmosfera protetora (Vaz, 2014). A ferrita acicular é um microconstituinte caracterizado por uma desorganização caótica, na qual as placas de ferrita se nucleiam heterogeneamente a partir de pequenas inclusões não metálicas e crescem em diferentes direções cristalinas (Bhadeshia, 2001). Essa desorientação dificulta a propagação de trincas, uma vez que as placas ferríticas aciculares são defletidas em diferentes orientações. Este caráter microestrutural proporciona melhores propriedades mecânicas, principalmente um aumento na tenacidade. A figura (1) ilustra essa microestrutura. Santiago et al. (2012) investigou a influência do teor de polímero em eletrodos revestidos, nos quais foram verificados os constituintes microestruturais das soldas realizadas com os eletrodos. No entanto, não foram notadas alterações significativas entre os valores de 7, 10 e 13% de polímero. Diante dos resultados positivos obtidos com a adição do polímero em eletrodos revestidos, este trabalho pretende estudar o desempenho de arames tubulares desenvolvidos em laboratório, nos quais são variadas as composições de fluxos, e comparar os resultados de cordões soldados, quanto à microestrutura e às propriedades mecânicas em fluxos básicos de classe E7018 contendo 0, 5, 10 e 15% de polímero. Dessa forma, existe a necessidade de se estudar o comportamento dos fluxos com e sem adição de polímero, para

2 que se demonstrem através dos experimentos, os melhores desempenhos na soldagem FCAW. É justificável a necessidade de estudos que esclareçam e expliquem a atuação dos novos fenômenos presentes para que se possam realizar ajustes finais no processo de fabricação desses arames em escala industrial Figura 1. Caminho de propagação da trinca nos grãos de aço com ferrita de contorno de grão e ferrita acicular (Paris, 2012). 2. MATERIAIS E MÉTODOS Com o intuito de avaliar o efeito do teor de polímero sobre a microestrutura e a microdureza do metal de solda e a geometria do cordão, foram produzidos em laboratório arames tubulares contendo 0, 5, 10 e 15% de polímero a partir de fluxos básicos (classe E7018). A escolha desses valores foi estabelecida de forma aleatória, procurando trabalhar com valores que permitissem a produção desses arames em escala industrial. O desenvolvimento experimental deste trabalho foi dividido em cinco etapas. A sequência metodológica para se atingir o objetivo do trabalho, correlacionando-se cada etapa com a sequência de realização das atividades experimentais deste trabalho será apresentada a seguir: 2.1. Preparação dos Fluxos A formulação das misturas foi preparada adicionando-se porcentagens de polímero PTFE em solução de amônia ao fluxo comercial de classe comercial E7018. Para cada 100 gramas de fluxo foram adicionados 5, 10 e 15 gramas de polímero, já descontando a diluição em amônia que o polímero se encontrava. Para fazer a diluição, utilizou-se o hidróxido de amônio líquido e misturou-se com o auxílio de batedor, até obter uma massa homogênea. Após a preparação da mistura, a secagem dos fluxos foi feita em forno a temperatura de C, por um período de 120 horas. Em seguida os fluxos foram moídos em um moinho de rolos para que fossem moídos e peneirados até se tornarem pós finos, com granulometria similar ao fluxo original Manutenção e preparação da máquina de fabricação de arames tubulares Para a fabricação dos arames foi utilizado máquina de trefilação de arames desenvolvida pelo LRSS (Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação da UFMG). Essa máquina produz arames a partir de uma fita metálica que é gradativamente fechada por meio de roletes de laminação e passa por uma fieira de trefilação, por onde o arame é impulsionado por um tambor de enrolamento acionado por um motor. A Figura (2) detalha as partes da máquina. Figura 2. Máquina de fabricação de arames tubulares utilizada neste trabalho.

3 Para cada rolete que a fita metálica passa, é definida a forma a qual a fita irá adquirir. Esses formatos requerem dimensões e alinhamentos exatos dos roletes para que eles deformem a fita em uma sequência correta até o fechamento do arame. Essas dimensões são definidas em função da largura e espessura da fita, além de levarem em conta o diâmetro final do arame. Dessa forma, os roletes foram ajustados e alinhados para fechar a fita de aço SAE 1006 com 10mm de largura e 0,5mm de espessura. O diâmetro final é de 3,18mm, conforme demonstrado na Figura (3). A Figura (4) mostra o primeiro e o segundo passes de pares de roletes até ser preenchido pelo fluxo: Figura 3. Esquema para o cálculo de fechamento da fita Figura 4. Primeiro e segundo passes de roletes e arame preenchido com o fluxo. No terceiro passe de roletes o arame é fechado unindo-se as abas da fita e no quarto e último passe há o fechamento com sobreposição do arame, a fim de impedir o vazamento de fluxo Trefilação Após o fechamento do arame contendo o fluxo, o processo de trefilação foi realizado em vários passes sucessivos de fieiras para atingir o diâmetro final desejado, respeitando-se a sequência de fieiras de diâmetros menores a cada passe. Para este trabalho foram utilizadas 8 fieiras, sendo elas com os seguintes diâmetros em milímetros: 4,2; 3,7; 3,5; 3,2; 2,9; 2,6; 2,3; e 2, Testes de Soldagem Para cada teor de polímero avaliado foram fabricados arames tubulares em quantidade suficiente para realização dos testes de soldagem propostos. Para a produção dos cordões de solda, foram utilizadas 8 chapas de aço SAE 1020 de 200mm de comprimento e 50 mm de largura. Foi feito um chanfro em V com 5mm de altura e ângulo de 45º. Na deposição do metal de solda foi utilizada a máquina de solda Smashweld 408 fabricada pela ESAB, que consiste em um conjunto semi-automático para soldagem MIG/MAG e com arames tubulares e compõe-se de uma fonte de energia com característica de tensão constante e um alimentador de arame. A tocha foi acoplada a um sistema de movimentação tocha. Este sistema foi utilizado para que pudesse garantir a mesma velocidade de soldagem na execução de todos os cordões. Durante a soldagem foi empregada corrente contínua com polaridade inversa (CC+) na intensidade de 205A e valor de tensão 22,8V. O valor de CTWD adotado foi de 25mm. A velocidade de soldagem foi de 6mm/s. Para cada um dos arames tubulares produzidos foram realizados dois cordões de solda, um com proteção gasosa e outro autoprotegido, ou seja, sem a proteção de gás externo. A proteção externa foi fornecida por um cilindro de CO 2, que foi alimentado a uma vazão de 16 l/min. Os cordões de solda foram produzidos utilizando os percentuais de polímeros apresentados na Tabela 1.

4 2.5. Análise Microestrutural Para análise da microestrutura do metal de solda, foram preparadas amostras a partir de 2 corpos de prova retirados das extremidades de cada cordão, totalizando 16 amostras. As amostras foram embutidas a frio, lixadas (lixas grão 180, 280, 400, 600 e 1200), polidas (em pasta de diamante com grão 1 μm) e atacadas utilizando Nital a 3%. Foram obtidas micrografias de 5 regiões ao longo do cordão, sendo elas: topo, centro, faixa de transição, esquerda e direita Microdureza Para relacionar o efeito da morfologia microestrutural encontrada com o seu endurecimento, avaliou-se a microdureza das amostras. Após análise metalográfica, foram realizadas medições de microdureza Vickers com carga de 0,5 HV (50gf) por 15 segundos nas direções vertical e horizontal em um microdurômetro da marca Shimadzu modelo HMV RESULTADOS E DISCUSSÃO As microestruturas típicas encontradas no centro do metal de solda depositado com os arames tubulares avaliados estão apresentadas nas Figuras (6), (7), (8) e (9). Figura 6. Microestrutura típica encontrada no metal de solda depositado com os arames tubulares com 0% de PTFE (Com gás à esquerda e sem gás à direita). Ampliação: 100x. Figura 7. Microestrutura típica encontrada no metal de solda depositado com os arames tubulares com 5% de PTFE (Com gás à esquerda e sem gás à direita). Ampliação: 100x. Figura 8. Microestrutura típica encontrada no metal de solda depositado com os arames tubulares com 10% de PTFE (Com gás à esquerda e sem gás à direita). Ampliação: 100x.

5 Figura 9. Microestrutura típica encontrada no metal de solda depositado com os arames tubulares com 15% de PTFE (Com gás à esquerda e sem gás à direita). Ampliação: 100x. a) b) c) d) Figura 10. Microestrutura típica obtida no centro do metal de solda depositado com os arames tubulares com a) 0%, b) 5%, c) 10% e d) 15% de PTFE (sem uso de gás de proteção). Ampliação: 500x. Verifica-se que os constituintes e morfologias variaram em cada porcentagem de polímero analisada e na condição de proteção gasosa ou autoprotegido. Em amostras soldadas sem proteção gasosa, nota-se uma maior presença de ferrita acicular quando comparada com soldas protegidas com CO 2. No entanto, as microestruturas prevalecentes foram a ferrita de segunda fase alinha e não alinhada. Apesar de não terem sido feitas medidas das frações volumétricas dos constituintes, observa-se que não houve uma predominância de ferrita acicular nas microestruturas de soldas realizadas com arames tubulares com composições de 5, 10 e 15%, conforme pode ser verificado nas micrografias. Medidas de microdureza Vickers foram realizadas no metal de solda depositado pelos arames. Na Tabela 1 são apresentados os valores médios obtidos nas direções vertical e horizontal para cada uma das amostras retirada das extremidades das soldas com os arames avaliados. Tabela 1. Medidas de microdureza Vickers Arames Amostras Microdureza média (HV) Vertical Horizontal 0% ptfe com gás % ptfe com gás % ptfe sem gás

6 0% ptfe sem gás % ptfe com gás % ptfe com gás % ptfe sem gás % ptfe sem gás % ptfe com gás % ptfe com gás % ptfe sem gás % ptfe sem gás % ptfe com gás % ptfe com gás % ptfe sem gás % ptfe sem gás Essas medidas de microdureza mostram que os valores não são compatíveis com os valores típicos encontrados para a ferrita acicular, os quais podem variar entre 210 e 285 HV (Bhadeshia, 1991). Os cordões de solda estão mostrados na Figura (10). Verifica-se que a soldagem realizada com proteção gasosa proporcionou cordões mais finos e com maior penetração. Comparando-se com as macrografias na Figura (11), a proteção gasosa favoreceu a ausência de poros. Portanto, pode-se dizer que os arames não estão adaptados para uma soldagem autoprotegida. Figura 11. Cordões de solda 1) 0% com gás; 2) 0% sem gás; 3) 5% com gás; 4) 5% sem gás; 5) 10% com gás; 6) 10% sem gás; 7) 15% com gás; 8) 15% sem gás

7 Figura 12. Macrografias - 1) 0% com gás; 2) 0% sem gás; 3) 5% com gás; 4) 5% sem gás; 5) 10% com gás; 6) 10% sem gás; 7) 15% com gás; 8) 15% sem gás Tabela 2. Medidas do formato dos cordões Amostras Largura Penetração Reforço (mm) (mm) (mm) 0% CG ,1 5,7 0,9 0% CG - 2 6,5 4,4 1,3 0% SG ,4 0,7 0% SG ,8 3,7 1,7 5% CG -1 11,5 5,1 2,6 5% CG -2 11, % SG ,5 1,2 5% SG ,4 4,1 1,2 10% CG ,1 5,4 2,4 10% CG ,3 3,8 2,5 10% SG ,5 1,4 10% SG ,7 4 1,8 15% CG - 1 9,6 5,7 2,5 15% CG ,3 6,2 0,8 15% SG ,5 4,8 1,2 15% SG ,7 4,2 1,3 4. CONCLUSÕES Através dos resultados obtidos da análise microestrutural, valores de microdureza e geometria do cordão podem-se estabelecer as seguintes conclusões: A variação no teor de polímero, para as condições de teste, proporcionou alterações perceptíveis quanto aos constituintes microestruturais do metal de solda obtido; Quando comparadas as micrografias de mesmo fluxo, com proteção externa de gás e autoprotegido, percebe-se que os arames autoprotegidos foram mais favoráveis ao aparecimento da ferrita acicular. A inclusão de polímero não favoreceu o aparecimento da ferrita acicular. Nas condições testadas, não foi observada uma tendência na geometria do cordão, nem valores de penetração quanto aos teores de polímero. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Laboratório de Robótica Soldagem e Simulação da UFMG, o Departamento de Pós Graduação em Engenharia de Materiais do CEFET-MG e a CAPES. 6. REFERÊNCIAS Bhadeshia, H. K. D. H., 2001, Bainite in Steels - Transformation, Microstructure and Properties 2nd Ed., London: IOM Communications Ltd, 454p. Babu, S.S., Bhadeshia, H.K.D.H., 1991, Mechanism of the Transition from Bainite to Acicular Ferrite, Materials Transation, JIM, Vol.32, No. 8, pp Fichel, I.; Dalla, A.; ROS, D.A.; Felizardo, I; Vaz, C. T., González, L.P.; Pérez, M.R.; Puchol, R.Q., Pessoa, E. C. P.; Bracarense, A. Q., 2009, Desenvolvimento de Eletrodos Revestidos Impermeáveis, In: XXXV Congresso Nacional de Soldagem, Piracicaba, SP. Paris, A. F.; Mullazani, F.; Paris, J.F., 2012, Estudo microestrutural de aço carbono soldado com o processo arco submerso e adições de Fe-Ti, Soldag. insp. São Paulo. Vol.17, No.1, pp.58-64, Jan./Mar.

8 Santiago, G. H.; Vaz, C. T.; Bracarense, A. Q.; 2012 Avaliação da influência do teor de polímero sobre as propriedades do metal de solda produzido com eletrodos impermeáveis. IN: XXXVII CONSOLDA, Ouro Preto, MG. Vaz, C. T.; Felizardo, I.; Bracarense, A. Q.; Pessoa, E. C. P., 2011, Impermeable low hydrogen covered electrodes: the weld metal diffusible hydrogen, microstructure and mechanical properties, In: JOM-16/ICEW-7, 2011, Tisvildeleje: Denmark. Anais... Gilleleje: Institute for the Joining of Materials. Vaz, C. T., 2014, Influência do polímero utilizado como aglomerante em eletrodos revestidos básicos sobre a formação de ferrita acicular no metal de solda, Tese apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, MG. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

9 DEVELOPMENT AND ANALISIS OF BASIC FLUX CORED WIRES WITH POLYMER AS FLUX INGREDIENT Eliana Castro, 1 Maria Celeste Monteiro de Souza Costa, 1 Joel Romano Brandão, 1 Alexandre Queiroz Bracarense, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Av. Amazonas, 5253 Nova Suiça, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, CEP: Universidade Federal de Minas Gerais, A. Antônio Carlos, 6627 Pampulha, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, CEP: Abstract: Recent researches have shown that the welds produced by covered electrodes agglomerated with the polymer poly-tetra-fluorine-ethylene (PTFE) presented low contents of diffusible hydrogen and considerable volume fraction of acicular ferrite. It has been verified that the weld mechanical properties such as strength, ductility, yield strength and fracture toughness presented reasonable values when compared to the minimum specified in the standards for E7018 class of electrodes. These results suggest that there are perspectives for polymer use as ingredient, not as agglomerate, in tubular wire flux. In this work, the aim is to evaluate the weld metal produced using basic flux cored wires (class E7018). It is expected that the polymer addition in flux cored wires can also bring benefits to the weld. From the welding tests using the laboratory produced flux cored wires, the polymer effect was analyzed comparing the microstructures obtained and the mechanical behavior throughout the micro hardness test. The preliminary results obtained with the microstructure analysis have shown there is not a tendency on acicular ferrite formation in different contents of PTFE when compared to no added polymer flux. Under the testing conditions, it has not been verified any significantly difference in the micro hardness results of the metal weld and the weld shape. Key-words: Tubular wires, flux, polymer, acicular ferrite. COPYRIGHT The authors are the only ones responsible for the printed content included in their work.