União de chapas finas de aço inoxidável pelo processo MIGBrazing

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1 União de chapas finas de aço inoxidável pelo processo MIGBrazing Aurélio Silva de Andrade, Eng o -aurelio_andrade@praxair.com White Martins Gases Industriais SA, Rua Cristiano França Teixeira, 50, Bairro Cinco-Contagem - MG - Brasil tel.: (31) ; fax.: (31) Guttenberg José Ribeiro pitu@campus.cce.ufmg.br Alexandre Queiroz Bracarense, Ph.D bracarense@ufmg.br Universidade Federal de Minas Gerais Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação Av. Antônio Carlos, 6627, Pampulha- Belo Horizonte - MG - Brasil. tel.: (31) ; fax.: (31) Resumo O MIGBrazing, ou a brasagem MIG, difere da brasagem convencional pelo fato do metal de adição não ser distribuído ou depositado na junta por atração capilar. O metal base não se funde completamente, apenas o metal de adição e então ocorre a difusão interatômica através da molhabilidade em uma estreita área. Adicionalmente podem ocorrer pequenas penetrações do metal de adição líquido nos contornos de grão na superfície do metal base, contribuindo para uma maior resistência mecânica da junta. Excelentes resultados são obtidos na união de chapas de aço galvanizado de 0,8 a 1,2 mm de espessura, principalmente na industria automobilística. Com isto pretendeu-se neste trabalho avaliar a possibilidade da aplicação do processo MIGBrazing na união de chapas finas de aço inoxidável. A avaliação do processo foi baseada nos resultados obtidos na união de topo de chapas de aço inoxidável AISI 304 de 0,8 mm e 1,2 mm espessura, utilizando dois gases de proteção e duas ligas como metal de adição (ligas de bronze alumínio e bronze silício). Os métodos utilizados para avaliação dos resultados consistiram de análise visual da junta brasada, metalografias, ensaios de tração e dobramento e avaliação da área afetada termicamente. De um modo geral as uniões obtidas apresentaram uma ótima aparência, resultado da excelente molhabilidade dos metais de adição utilizados. O processo apresenta um alto rendimento com uma alta velocidade de solda-brazagem, o que beneficia a mecanização ou robotização do processo, e além disto apresenta a vantagem de não necessitar de uma preparação prévia das superfícies como na brasagem convencional. Palavras-Chave: MIGBrazing, Solda_brasagem, Brasagem de aço inoxidável, Resistência de junta brasada. 1. INTRODUÇÃO A união de chapas finas de aço inoxidável é feita normalmente pelo processo de soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) que é um processo relativamente caro e lento. Após os excelentes resultados obtidos com o processo MIGBrazing na união de chapas de aço SAE 1020 de 0,8 mm por Andrade (2000), constatou-se que este processo poderia ser aplicado também para

2 união de chapas finas de aço inoxidável, devido as características de baixo aporte térmico necessário e a não oxidação das ligas de cobre utilizadas. O MIGBrazing, ou a brasagem MIG, difere da brasagem convencional pelo fato do metal de adição não se distribuir na junta por capilaridade. Ele é um processo de solda-brazagem onde metal base não se funde totalmente e apenas o metal de adição se funde, ocorrendo então a difusão interatômica através da molhabilidade em uma área bem estreita (Andrade(2000)). Alguma vezes podem ocorrer pequenas penetrações do metal de adição nos contornos de grão do metal base contribuindo para aumentar ainda mais resistência mecânica. Este trabalho teve como objetivo avaliar tecnicamente o potencial de utilização do processo MIGBrazing na união de chapas finas de aço inoxidável, utilizando como metal de adição duas ligas de bronze, bronze alumínio (BT-531) e bronze silício (BT-511), combinadas com dois gases de proteção, argônio e mistura argônio/hidrogênio. A avaliação do processo foi feita através de testes em laboratório na união de topo de chapas de aço inoxidável AISI 304 de 0,8 mm e 1,2 mm de espessura. A escolha do aço AISI 304 foi baseada no fato deste pertencer à classe dos aços inoxidáveis austeníticos que são considerados os mais importantes e mais utilizados na indústria. São empregados em peças decorativas, utensílios domésticos, peças estruturais, indústria alimentícia, química e naval e outras aplicações. Os resultados foram analisados através de exame visual do cordão obtido, metalografias, e ensaios de tração e dobramento baseado na norma ANSI/AWS B2.2 (1991). 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 2.1. Seleção e montagem de equipamentos, materiais e consumíveis O equipamento de soldagem selecionado para os testes foi especificamente desenvolvido para processos que necessitam de um menor aporte térmico. Este equipamento apresenta uma chave para a regulagem da tensão do arco, um variador de indutância e um alimentador de arame externo. Para movimentação da tocha de soldagem foi utilizado uma máquina portátil conhecida como tartaruga, cuja velocidade pode variar de 0 a 105 cm/min. Para poder fixar e ajustar a junta corretamente, foi construído um dispositivo. A Figura 1 apresenta a montagem e detalhes do sistema de fixação dos corpos de prova. Figura 1 - Montagem e sistema de fixação dos corpos de prova: a) Sistema de aquisição de dados; b)exaustor; c) Tartaruga ; d) Sistema de fixação; e) Máquina de soldagem; f) Tocha e g) Corpo de prova Para a realização dos testes foram preparados corpos de prova preliminares com 64 mm de largura e 127 mm de comprimento e corpos de prova para retirada das amostras para ensaios

3 mecânicos com 127 mm de largura 254 mm de comprimento. Como gases de proteção foram utilizados argônio puro e uma mistura 95% argônio e 5% hidrogênio (Stargold I 45). Como metal de adição foram escolhidas duas ligas segundo Brastak (1999): a liga bronze silício (BT-511) e a liga bronze alumínio (BT-531), em rolos com arame de 0,8 mm de diâmetro, cujas composições podem ser vistas na tabela 1. Para monitoramento do comportamento da tensão e da corrente de solda-brasagem e determinação dos melhores parâmetros, foi utilizado um sistema de aquisição de dados com software de aquisição e tratamento de sinais. Tabela 1 - Composição química dos metais de adição e de base LIGAS Composição Química Elemento Cu Si Mn Fe Sn BT-511 Mínimo 96,00 1,00 0, Máximo Rest. 1,50 1,00 0,50 0,40 Elemento Cu Al Fe Si Mn BT-531 Mínimo 6, Rest. Máximo 8,50-0,10 0,50 Aço Inoxidável Elemento C Mn Si Cr Ni AISI 304 Média ,0 1,0 19,0 10, Testes preliminares para determinação dos parâmetros de solda-brasagem Nesta fase foram realizados vários testes de deposição sobre chapa e uniões de junta de topo, com os corpos de prova preliminares. Os parâmetros gerais do processo avaliados para cada combinação arame/gás foram: Distância do tubo de contato a peça de trabalho (stickout); Tensão; Corrente; Velocidade de movimentação da tocha; Velocidade de alimentação do arame; Vazão de gás; Abertura entre chapas Testes finais Nestes testes foram realizadas uniões de topo, com corpos de prova dimensionados conforme a norma ANSI/AWS B2.2 (1991), para realização de ensaios mecânicos e analise metalográfica utilizando-se os melhores parâmetros obtidos na fase de testes preliminares. Assim, foram, feitas 2 (duas) uniões de junta de topo, com cada combinação metal de adição gás de proteção, com chapas de 0,8 mm e 1,2 mm de espessura, num total de 4 (quatro) combinações e 8 (oito) uniões Exames metalográficos Os exames metalográficos consistiram de macrografias e micrografias para avaliar a integridade da junta e do metal de base, permitindo também avaliar a molhabilidade de cada metal de adição Ensaios mecânicos (dobramento e tração) Nesta etapa foram realizados ensaios mecânicos de dobramento e tração para verificar a resistência das juntas brasadas. A partir dos corpos de prova obtidos nos testes finais foram retiradas amostras conforme normas ANSI/AWS B2.2 (1991).

4 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Análise dos parâmetros gerais do processo Com relação a montagem da junta de topo, pôde-se constatar a importância de se deixar uma abertura entre as chapas com dimensão menor que a espessura do arame de alimentação. Nos testes realizados os melhores resultado obtidos, com base numa análise visual da molhabilidade dos cordões, foram com um gap de 0,6 mm. O uso da abertura permitiu obter uma melhor molhabilidade do metal fundido sobre o metal base e com isto um cordão com pequena razão reforço/largura, o que contribui também para uma melhor estética. A abertura da junta também permitiu que o cordão molhasse as faces opostas das chapas sendo que quando visto em corte transversal apresenta-se na forma da Figura 2. Isto provocou um aumento da área de contato entre cordão e o metal base, o que consequentemente aumentou a interface de difusão assegurando melhor resistência da junta. Figura 2 - Desenho esquemático da vista transversal do cordão Como era esperado a união de chapas finas pelo processo MIGBrazing apresenta alta velocidade de solda-brasagem, com qualquer uma das combinações de gases e metal de adição, o que beneficia a mecanização e a robotização do processo, sendo que com a liga BT-531 obteve-se velocidade ligeiramente superior à com a liga BT-511. Os parâmetros corrente e tensão medidos variaram pouco para cada tipo de combinação arame/gás, conforme pode ser visto na Tabela 2. O arame BT-511 necessita de uma tensão um pouco superior para estabilização do arco. A velocidade de alimentação do arame variou de 4,14 à 5,52 m/min para ambos os arames. Tabela 2 - Parâmetros utilizados nos experimentos com diferentes combinações de arame/gás Metal de Adição BT-531 BT-511 Gás de Proteção Stickout [mm] Veloc. de soldagem [cm/min] Veloc. do Arame [m/min] Corrente [A] Tensão [V] Vazão do gás [L/min] Ângulo De Contato (q) Ar 9,5 95,04 4,64 46, ,00 Ar+H 2 9,5 105,6 5, , ,70 Ar 9,5 95,04 4,14 43,25 13, ,00 Ar+H 2 9,5 105,60 5, , ,5

5 Nos testes realizados verificou-se que uma variação na vazão do gás de proteção de 10 a 16 l/min não influencia perceptivelmente o resultado final. Neste trabalho obtiveram-se bons resultados com uma vazão de 11 l/min. Por outro lado o processo MIGBrazing mostrou-se bastante sensível com relação ao stickout. Os testes mostraram que o stickout deve estar entre 9 e 11 mm e quando este encontra-se abaixo de 9 mm o arame não se funde, toca a chapa e causa problemas na alimentação. Com stickout superior a 11mm o arco não se estabiliza. Os resultados mostraram a importância da escolha correta dos parâmetros de solda-brasagem para se obter cordões com aspectos visuais satisfatórios. Quanto aos gases de proteção percebe-se que o argônio promove uma melhor estabilização do arco enquanto que a mistura Ar + H 2 requer maior tensão de arco e permite maiores velocidades de solda-brasagem, em virtude do maior potencial de ionização e condutividade térmica desta mistura que contém hidrogênio, (PRAXAIR, (1990)). A monitoração do comportamento da tensão e da corrente, permitiu determinar os valores eficazes para brasagem e através da análise de oscilogramas como o da Figura 3, constatou-se que o modo de transferência do processo é predominantemente por curto circuito Tempo (ms) Corrente (A) tensão (V) Figura 3 Exemplo de Oscilograma de tensão (V) e corrente (A) no processo MIGBrazing 3.2. Análise visual dos cordões De um modo geral não foi necessária nenhuma preparação prévia das superfícies das juntas a serem brasadas, tais como a limpeza por meios mecânicos ou químicos, nem foi necessário usar fluxos para garantir a molhabilidade do metal de adição. Isto diminui significativamente o tempo e o custo do processo. Os cordões obtidos com as duas ligas utilizadas nos testes apresentaram uma excelente aparência visual e molhabilidade na face e raiz da junta, como pode ser visto nas Figuras 4 e 5. Deve ser ressaltado que os resultados foram similares para os dois gases de proteção utilizados. O cordão obtido com a liga BT-531 apresenta uma coloração dourada e a liga BT-511 apresenta um aspecto avermelhado, devido as características de seus elementos de liga.

6 Face Raiz Figura 4 - Detalhe da face e da raiz de um cordão feito com arame BT argônio Face Raiz Figura 5 - Detalhe da face e da raiz de um cordão feito com arame BT argônio Considerando a zona termicamente afetada, este processo apresenta um inconveniente, que também aparece na união de chapas finas pelo processo TIG. Este inconveniente esta relacionado ao fato desta região apresentar uma faixa descolorida, de aproximadamente 1 mm de largura, ao lado do cordão. Este fenômeno ocorre devido a formação de óxidos de cromo, na superfície do metal de base que é favorecida a partir de temperaturas superiores a 500 o C (Liu et al. 1994). Apesar da ocorrência desta oxidação ter sido observada aqui, ela é bem menor do que no processo TIG, devido ao menor aporte térmico. Os exames metalográficos permitiram visualizar, a excelente molhabilidade dos cordões como pode ser visto nas fotos das Figuras 6 e 7. (a) (b) Figura 6 (a) Amostra BT Ar e (b) Amostra BT I45. Aumento de 25 vezes.

7 (a) (b) Figura 7 (a) Amostra BT-511 com Ar e (b) Amostra BT-511 com I45. Aumento de 25 vezes. Comparando as figuras 6 e 7 com a figura 8 é possível observar como o uso da abertura entre as chapas permite uma boa penetração do metal de adição. Na figura 8, por não ter abertura entre as chapas, o metal não conseguiu preencher a junta, evidenciando o fato de não ocorrer o fenômeno de capilaridade no processo MIGBrazing. Figura 8 - Detalhe de uma junta sem abertura Foi possível ainda observar através dos exames macrográficos que apesar do baixo aporte térmico, o metal de base apresenta uma pequena fusão parcial e que este aparentemente não se mistura ao metal de adição ficando imerso na forma dendrítica e/ou esferoidal, como pode ser observado na figura 9. Figura 9 - Metal de base imerso no metal de adição

8 3.3. Análise da resistência mecânica Para verificar a resistência mecânica das juntas brasadas com o processo MIGBrazing foram realizados 2 (dois) testes de dobramento (um de face e um de raiz) e 2 (dois) de tração, em cada junta de topo obtida nos testes finais, conforme a norma ANSI/AWS B2.2 (1991) Dobramento Todas as amostras submetidas ao ensaio de dobramento, passaram no teste, não apresentando na análise visual nenhuma fissura ou trinca na zona tracionada, como pode ser visto na figura Tração Figura 10 - Resultado de dobramento de uma amostra - BT-531 com argônio Os resultados obtidos nos ensaios de tração também atenderam aos requisitos da norma, sendo alguns resultados mostrados na Tabela 3. Tabela 3 - Alguns resultados obtidos no teste de tração Amostra Metal de Adição Gás de Proteção Carga máxima (N) Tensão (Kgf/mm 2 ) Ruptura CP1 CP2 CP1 CP2 Média CP1 CP2 2 BT-531 Argônio ,24 74,23 74,73 Fora Junta 5 BT-511 Argônio ,23 54,09 56,16 Junta Junta 8 BT-531 I ,38 69,60 69,49 Junta Junta Solda TIG 308 Argônio ,48 65,81 68,14 ZTA ZTA A título de comparação, uma amostra TIG foi preparada e seu resultado também é apresentado na Tabela 3. Através de inspeção das amostras após os ensaios foi constatado que a maioria das amostras rompeu na junta entre os dois metais de base, sendo que apenas uma amostra, de um total de 16, rompeu fora da junta (Figura 11). A solda TIG, diferentemente, rompeu na ZTA. Apesar da maioria das amostras de MIGBrazing apresentarem ruptura na junta a tensão de ruptura foi bastante elevada, cerca de 60% da tensão de ruptura do aço inoxidável, sendo que algumas apresentaram tensão de ruptura próxima a tensão de ruptura do aço inoxidável apresentada por Chiaverini (1978).

9 4. Conclusões Figura 11 - Resultado do ensaio de tração de uma amostra BT-531 com argônio A partir dos experimentos realizados foi possível concluir que: Para se garantir a sanidade do cordão e a resistência necessária é importante deixar uma abertura na junta para permitir que o metal de adição possa penetrar adequadamente e molhar as faces opostas do metal de base, uma vez que não ocorre o fenômeno de capilaridade no processo MIGBrazing. Dos dois gases utilizados, o argônio é o que apresenta os melhores resultados devido a melhor estabilidade obtida no arco elétrico. Os cordões obtidos são limpos e de aspecto brilhante. O processo MIGBrazing apresenta uma boa velocidade de solda-brasagem, o que aumenta a produtividade do processo e viabiliza sua automação. Em relação a brasagem convencional, o processo MIGBrazing apresenta a vantagem de não precisar de nenhum preparo prévio das amostras nem da utilização de fluxos, para se obter um bom resultado. A desvantagem do processo está no fato dele necessitar de um gabarito para manter a folga entre as chapas e que esta deve estar alinhada com a tocha MIG. Nos processos de soldagem do aço inoxidável austenítico ocorre uma descoloração ao lado do cordão por formação de óxido de cromo.no caso do processo MIGBrazing também ocorre porém em uma faixa bem menor, cerca de 1mm, que pode ser facilmente removido por escovamento adequado ou passivação. Apesar do processo MIGBrazing ter menor aporte térmico (cerca de 37 KJ/mm) em comparação ao soldagem TIG manual (cerca de 105 KJ/mm), chapas finas de aço inoxidável austenítico, irão se deformar, devendo portanto ser tomados cuidados especiais neste sentido. O nível de resistência mecânica obtidos nos ensaios de tração, na ordem de 54 a 74 Kgf/mm2, bem como a ausência de defeitos nos testes de dobramento comprovam a qualidade da união da junta atendendo os requisitos da norma utilizada. 5. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer a White Martins S.A. Gases Industriais por ceder materiais e equipamentos para o estudo além da bolsa para o estagiário, ao SENAI CFP Alvimar Carneiro de Rezende por realizar os testes de dobramento e a Brastak por ceder os consumíveis de adição. Os

10 autores também gostariam de reconhecer o apoio laboratorial do LRSS/UFMG Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação da Universidade Federal de Minas Gerais. 6. Referências Andrade, A. (2000), Processo MIGBrazing Aplicado em Chapas Galvanizadas Praxair (1990), Shielding Gas Selection Manual,local, p7-9, 1990 ANSI/AWS B2.2 (1991), Standard for Brazing Procedure ans Performance Qualification, American Welding society, Brastak (1999), Boletim Técnico Processo /Arc Brazing/, folder comercial. Liu, S.; Indacochea, J. E.; Brandi, S. (1994), Brazeability and Solderability of Engineering Materials, Welding Journal, N o. MIGBrazing of Thin Stainless Steel Plates Aurélio Silva de Andrade, Eng o -aurelio_andrade@praxair.com White Martins Gases Industriais SA, Rua Cristiano França Teixeira, 50, Bairro Cinco-Contagem - MG - Brazil tel.: (31) ; fax.: (31) Guttenberg José Ribeiro pitu@campus.cce.ufmg.br Alexandre Queiroz Bracarense, Ph.D bracarense@ufmg.br Federal University of Minas Gerais Mechanical Engineering Department Laboratory of Robotics, Welding and Simulation Av. Antônio Carlos, 6627, Pampulha- Belo Horizonte - MG - Brazil. tel.: (31) ; fax.: (31) Abstract The MIGBrazing differs from conventional brazing by the fact that the filler metal is not distributed in the joint by capillarity. The base metal is not fully melted, only the filler metal melts, and diffusional interaction takes place allowing the distribution in both sides of the joint. Additionally small penetrations of melted filler metal in the base metal grain boundaries close to the surface can happens, contributing to improve the mechanical resistance. Excellent results were obtained in the union of galvanized steel plates with thickness from 0,8 to 1,2 mm. Considering these results, this work was developed to evaluate the possibility to use this process to joint plates of same thickness of AISI 304 stainless steel. Two shielding gas and two filer metal (bronze aluminum and bronze silicon) were tested. The methods used to evaluate the results consisted of visual analysis, metallography, tensile and bending tests and heat affected zone measurement. In general the joints presented a great appearance, resulted from the excellent wetting of the filler metals used. The high speed presented by the process can benefits it mechanization or robotization, besides presents the advantage of not need a previous preparation of the surfaces as in the conventional brazing. Word-key: MIGBrazing, weld brazing of stainless steel,brazing of stainless steel, Resistance of brazed joint