TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

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1 UNIJUÍ - UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DCEENG DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS 1 ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE SOLDAGEM MIG/MAG MANUAL E ROBOTIZADA FERNANDO SCHIO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA Prof. D.Sc. GIL EDUARDO GUIMARÃES Panambi/RS, outubro de 2013.

2 FERNANDO SCHIO ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE SOLDAGEM MIG/MAG MANUAL E ROBOTIZADA Trabalho de conclusão de curso apresentado à Banca avaliadora do curso de engenharia mecânica Da Universidade do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUI, como requisito. Parcial para obtenção do título de Engenheiro Mecânico. BANCA AVALIADORA 1 AVALIADOR: (orientador): Prof. Gil Eduardo Guimarães, Doutor em Engenharia. 2 AVALIADOR: Prof. Patrícia Carolina Pedrali.

3 3 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus que meu deu saúde e coragem para eu poder alcançar o objetivo de ser Engenheiro Mecânico. Agradeço aos meus colegas que muitas vezes me ajudaram sem perceber, pessoas que sempre estão ao meu lado para o que der e vier. A minha namorada Iasmim que foi o motivo de não ter desistido do curso. Aos meus pais Mário e Vanda que me deram todo o apoio. Agradeço ao meu orientador, professor Gil Guimarães que participou de todas as etapas do trabalho fornecendo lições e informações que adquiriu com a experiência profissional, lições que levarei para toda a minha vida. À instituição, por abrir suas portas para a execução do trabalho em finais de semana e feriados, fornecendo os equipamentos laboratoriais, o meu muito obrigado.

4 RESUMO A soldagem possui posição de destaque dentro da indústria metalúrgica, pois mesmo sendo fonte de vários problemas, é ainda a melhor maneira de unir materiais com baixíssimo custo, se comparado com outros métodos. As descontinuidades estão presentes sempre que a soldagem é realizada de maneira errada ou indevida. Esses defeitos podem se apresentar de várias maneiras, sendo estruturais ou não. O estudo de comparação de solda manual com robô de solda apresenta as diferenças entre os processos em termos de qualidade e resistência, realizando ensaios destrutivos e visuais no material usado para fazer a comparação. PALAVRAS-CHAVE: SOLDAGEM, ROBÔ DE SOLDA, QUALIDADE DE SOLDA, RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS.

5 ABSTRACT Welding own position within the metals industry, although it may be a source of various problems, is still the best way of joining materials with very low cost when compared with other methods. The discontinuities are present when the welding is performed wrongly or carelessly. These defects may be manifested in several ways, with structural or not. The comparison study of manual welding with welding robot presents the differences between the processes in terms of quality and strength, performing visual and destructive tests on the material used to make the comparison. KEYWORDS: WELDING, ROBOT WELDING, WELDING QUALITY, STRENGTH OF MATERIALS.

6 6 SUMÁRIO RESUMO... iv LISTA DE FIGURAS... viii LISTA DE TABELAS... xi INTRODUÇÃO Revisão Bibliográfica Definição de Soldagem Processos de Soldagem por Fusão Soldagem com Eletrodos Revestidos (Shielded Metal Arc Welding - SMAW) Soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) ou, TIG (Tungsten Inert Gas) Soldagem com Arame Tubular (Flux Cored Arc Welding FCAW) Soldagem a Arco Submerso (Submerged Arc Welding SAW) Processo de Soldagem MIG/MAG (Gás Metal Arc Welding - GTAW) Influências Metalúrgicas no Metal Base e no Metal Solidificado Formação da Zona Termicamente Afetada (ZTA) Influência do Metal Base Ligas Endurecidas por Solução Sólida Ligas Endurecidas por Encruamento Ligas Endurecíveis Por Precipitação Ligas Transformáveis Influência do Procedimento de Soldagem Tensões Residuais e Distorção Fragilização da Zona Termicamente Afetada Ensaios Para Qualificação de Processo de Soldagem Ensaio de Tração Ensaio de Dobramento Ensaio de Macrografia Ensaio de Dureza Vickers Soldagem Robotizada Vantagens e Limitações Materiais e Métodos Materiais Métodos Ensaio de Macrografia... 55

7 2.2.2 Ensaio de Dureza Ensaio de Tração Ensaio de Dobramento Resultados e Discussões CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A (EPS) ANEXO B EXEMPLO GRÁFICO DE ENSAIO DE TRAÇÃO ANEXO C GRÁFICO COM OS RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRAÇÃO E ZTA. 68

8 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Processo Eletrodo Revestido Figura 2 - Processo Tig Figura 3 Processo Arco Submerso Figura 4 Processo MIG/MAG (Como Funciona) Figura 5 Componentes da Máquina de Solda Figura 6 Ângulo Excessivo de Reforço Figura 7 Cavidade Alongada Figura 8 - Concavidade Figura 9 Concavidade Excessiva Figura 10 Convexidade Excessiva Figura 11 Deformação Ângular Figura 12 Deposição Insuficiente Figura 13 - Desalinhamento Figura 14 - Embicamento Figura 15 Falta de Fusão Figura 16 Falta de Penetração Figura 17 Inclusão de Escória Figura 18 - Mordedura Figura 19 Mordedura na Raiz Figura 20 Penetração excessiva Figura 21 - Perfuração Figura 22 - Porosidade Figura 23 Porosidade Agrupada Figura 24 Porosidade Alinhada Figura 25 Porosidade Vermiforme Figura 26 Rechupe de Cratera Figura 27 Reforço Excessivo Figura 28 - Sobreposição Figura 29 Solda de Ângulo Assimétrica Figura 30 Trinca de Cratera Figura 31 Trinca Interlamelar... 32

9 Figura 32 Trinca Irradiante Figura 33 Trinca Longitudinal Figura 34 Trinca de Margem Figura 35 Trinca de Raiz Figura 36 Trinca Ramificada Figura 37 Trinca Sob Cordão Figura 38 Trinca Transversal Figura 39 Representação esquemática da Região da solda de uma liga endurecível por solução sólida. ZTA é caracterizada pelo seu crescimento de grão Figura 40 Influência da energia de soldagem no tamanho de grão da ZTA em aços inoxidáveis ferríticos Figura 41 Representação esquemática da região da soldagem em ligas encruadas (a) Região de Recristalização e (b) Região de granulação grosseira da ZTA Figura 42 Variação Esquemática da Dureza na ZTA de uma Liga Encruada. (A) Região de Recristalização e (B) Região de Granulação Grosseira Figura 43 Detalhamento do Diagrama de Fases de uma liga Endurecível por Precipitação. 40 Figura 44 Regiões da Solda de Um Aço Carbono Figura 45 Efeito da Energia de Soldagem na Microestrutura (200x) da GGZTA de um Aço Estrutural de Baixo Carbono. (a) H= 10 KJ/mm, Microestrutura: Martensita e Bainitae (b) H= 25KJ/mm, Microestrutura: Bainita Figura 46 Variações de Tenacidade (Energia Absorvida no Charpy)e de Dureza da ZTA de Um Aço de Baixa Liga em Função das Condições de Resfriamento na Soldagem Figura 47 - Ilustra o Aparecimento de Tensões Residuais como Resultados de Uma Operação de Soldagem Figura 48 Curva Tensão Deformação Figura 49 Limite de Resistência a Tração Figura 50 Limite de Ruptura Figura 51 Gráfico Tensão - Deformação Figura 52 Corpo de Prova Sendo Ensaiado Figura 53 Máquinas usadas para soldar os Corpos de Prova Figura 54 - Ensaio de Dobramento Figura 55- Corpos de Prova Soldados Figura 56 Médias da Máxima carga dos Ensaios de Tração Figura 57 Desvio Padrão dos Ensaios de Tração Figura 58 Tamanho da ZTA

10 Figura 59 Desvio Padrão da ZTA Figura 60 Macrografia (numeração, local das impressões de dureza) Figura 61 Velocidade de Soldagem em mm/s Figura 62 Desvio Padrão da Velocidade de Soldagem Figura 63 Trinca no Ensaio de Dobramento

11 11 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Gases e Misturas Tabela 2 Especificação AWS de Arrames de Solda Tabela 3 - Propriedade mecânica de metal depositado para consumíveis de especificação conforme AWS A Tabela 4 - Composição química (%) do metal de adição Tabela 5 - Propriedades mecânicas do metal de adição Tabela 6 - Composição química (%) do metal base Tabela 7 Resultados de Dureza Vinkers

12 12 INTRODUÇÃO Em virtude de o mercado de trabalho atual estar cada vez mais exigente e com demandas de produção cada vez maiores, as indústrias estão buscando a tecnologia para suprir a necessidade de mão de obra com maior eficiência e confiança. Uma das principais tecnologias usadas como, por exemplo, na solda é o robô. A soldagem é um processo de união permanente de materiais com grande importância dentro da indústria mundial, pois possui grande versatilidade e economia. Esse processo está presente em nosso meio há muito tempo, com indícios que datam mais de cinco mil anos. Sua evolução nas últimas décadas foi notória. Uma das principais vantagens da soldagem é o fato de se obter uma união onde os materiais mantêm suas características mecânicas e químicas. Por sua vez, a comparação de solda MIG/MAG Manual com a solda do Robô tem por objetivo verificar quais as vantagens e desvantagens em se ter um robô na empresa em termos de qualidade visual e de resistência dos materiais. O objetivo do presente trabalho é promover os resultados dos ensaios realizados e analisar os efeitos da solda no metal de base. Portanto, serão abordados os seguintes assuntos: soldagem, ensaio de tração, dureza, tamanho de zona termicamente afetada.

13 13 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1 Definição de Soldagem Conforme descrito em GUIMARÃES um grande número de diferentes processos utilizados na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas se encaixa no termo SOLDAGEM. Classicamente, a soldagem é considerada um método de união, porém, muitos desses processos ou variações desses são usados para a deposição de material sobre uma superfície, visando à recuperação de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características especiais. Diferentes processos diretamente relacionados com os processos de soldagem são utilizados para o corte de peças metálicas. Os aspectos térmicos dessas operações de recobrimento e corte são bastante semelhantes aos de soldagem e, por isso, muitos pontos abordados na Metalurgia da Soldagem são válidos para essas operações. Apresentam-se, abaixo, diferentes definições propostas para a soldagem: "Processo de junção de metais por fusão". (Deve-se ressaltar que não só metais são soldáveis e que é possível soldar metais sem fusão). "Operação que visa obter a união de duas ou mais peças, assegurando, na junta soldada, a continuidade de propriedades físicas, químicas e metalúrgicas". (Aqui, o termo "continuidade" tem um significado similar ao da continuidade das funções matemáticas). "Operação que visa obter a coalescência1 localizada, produzida pelo aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a aplicação de pressão e de metal de adição." (Esta definição é meramente operacional e é a adotada pela AWS - American Welding Society). Processo de junção de materiais no qual as forças de união estabelecidas entre as partes sendo unidas são de natureza similar àquelas existes no interior das partes e responsáveis pela própria existência destas, como materiais sólidos (isto é, as forças de ligação química). (Esta definição coloca a soldagem e a brasagem juntas diferenciam estes dois processos da colagem, pois esta é baseada em forças de ligação de diferente tipo para a formação da junta). Conforme descrito em introdução à metalurgia da soldagem por MODENESI, MARQUES, SANTOS (2012), os métodos de união dos metais podem ser divididos em duas categorias principais, isto é, aqueles baseados no aparecimento de forças mecânicas macroscópicas entre as partes a serem unidas e aqueles baseados em forças microscópicas (Inter atômicas ou intermoleculares). No primeiro caso, do qual são exemplos a parafusagem

14 e a rebitagem, a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite, mais as forças de atrito entre as superfícies em contato. No segundo caso, a união é conseguida pela aproximação dos átomos e moléculas das partes a serem unidas, ou destas e um material intermediário, até distâncias suficientemente pequenas para a formação de ligações químicas primárias (metálica, covalente ou iônica) ou secundárias (ligação de Van der Waals). Como exemplos desta última categoria citam-se a soldagem, a brasagem e a colagem. 1.2 Processos de Soldagem por Fusão Soldagem com Eletrodos Revestidos (Shielded Metal Arc Welding - SMAW) Conforme descrito em GUIMARÃES, asoldagem com eletrodos revestidos é o processo no qual a coalescência dos metais é obtida pelo aquecimento destes com um arco estabelecido entre um eletrodo especial revestido e a peça. O eletrodo é formado por um núcleo metálico ("alma"), recoberto por uma camada de minerais e/ou outros materiais (revestimento). A alma do eletrodo, por sua vez, conduz a corrente elétrica e serve como metal de adição. O revestimento gera escória e gases que protegem da atmosfera a região sendo soldada e estabilizam o arco. O revestimento pode ainda conter elementos que são incorporados à solda, influenciando sua composição química e características metalúrgicas. O equipamento necessário ao processo consiste em porta-eletrodo, cabos e fonte de energia, que pode ser de corrente contínua (CC) ou alternada (CA), dependendo do tipo de eletrodo e material a ser soldado. Figura 1 Processo Eletrodo Revestido Fonte - Guimarães Vantagem e Limitações O processo de soldagem com Eletrodo Revestido possui uma série de vantagens, tais como equipamentos simples, portáteis, baratos, não necessitam de fluxos ou gases externos, pouco sensíveis a corrente de ar, processo extremamente versátil em termos de materiais

15 soldáveis, facilidade para atingir áreas restritas de acesso, porém, o mesmo processo apresenta algumas limitações, como, aplicação difícil para materiais reativos, produtividade relativamente baixa, exige limpeza a cada passe de soldagem Soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) ou, TIG (Tungsten Inert Gas) A soldagem GTAW é o processo no qual a coalescência dos metais é obtida pelo aquecimento dos mesmos por um arco estabelecido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça. A proteção do eletrodo e da zona da solda é feita por um gás inerte, normalmente o argônio, ou mistura de gases inertes (Ar e He). O metal de adição pode ser utilizado ou não. A soldagem TIG pode ser manual ou mecanizada e é considerado o processo mais controlável no que se refere à soldagem a arco. As suas principais variáveis são: corrente de soldagem, composição, diâmetro e forma do eletrodo, composição do gás de proteção e metal de adição. O equipamento básico do processo consiste em fonte de energia (de CC para a maioria das ligas metálicas), tocha com eletrodo de tungstênio, fonte de gás de proteção (Ar ou He) e um sistema para a abertura do arco (geralmente um ignitor de alta frequência). Figura 2 - Processo Tig. 15 Fonte - Guimarães Vantagens e Limitações O processo de soldagem Tig possui uma série de vantagens, tais como, exelente controle da poça de fusão, permite soldadem sem o uso de metal de adição, pode ser usado para soldar a maioria dos materiais, produz solda de alta qualidade e exelente acabamento, gera pouco ou nenhum respingo, exige pouca ou nenhuma limpeza após a soldagem, permite a soldagem em qualquer posição, porém esse mesmo processo apresenta alguma limitações, como, custo de equipamentos e consumíveis é relativamente elevado.

16 Soldagem com Arame Tubular (Flux Cored Arc Welding FCAW) A soldagem com arame tubular é o processo no qual a coalescência dos metais é obtida pelo aquecimento destes por um arco entre um eletrodo tubular contínuo e a peça. O eletrodo tubular apresenta internamente um fluxo que desempenha as funções de estabilizar o arco e ajustar a composição da solda. O processo apresenta duas variações principais: Soldagem auto- protegida, em que o fluxo interno fornece toda a proteção necessária na região do arco. Soldagem com proteção gasosa, em que a proteção é fornecida por um gás, semelhante ao processo MIG/MAG. Em ambas as formas, o processo é normalmente operado na forma semiautomática, utilizando basicamente o mesmo equipamento do processo MIG/MAG Vantagens e Limitações O processo de soldagem com arrame tubular possui uma série de vantagens, tais como elevada produtividade e eficiência, soldagem em todas as posições, custo relativamente baixo, produz solda de boa qualidade e aparência, esse mesmo processo também apresenta algumas limitações, como equipamento relativamente caro, pode gerar elevada quantidade de fumos necessita limpeza após a soldagem Soldagem a Arco Submerso (Submerged Arc Welding SAW) A soldagem a arco submerso, por sua vez, é o processo no qual a coalescência dos metais é produzida pelo aquecimento dos mesmos com um arco estabelecido entre um eletrodo metálico contínuo e a peça. O arco é protegido por uma camada de material fusível granulado (fluxo) que é colocado sobre a peça enquanto o eletrodo é alimentado continuamente. O fluxo na região próxima ao arco é fundido, protegendo o arco e a poça de fusão e formando, posteriormente, uma camada sólida de escória sobre o cordão. O fluxo fundido ajuda a estabilizar o arco e desempenha uma função purificadora sobre o metal fundido. Como o arco ocorre sob a camada de fluxo, ele não é visível, daí o nome do processo. O equipamento necessário para o processo consiste normalmente em fonte de energia, alimentador de arame, painel de controle, tocha de soldagem, porta fluxo e sistema de deslocamento da tocha, que normalmente é feito de forma mecanizada.

17 17 Figura 3 Processo Arco Submerso Fonte Guimarães Vantagens e Limitações O processo de solda à arco submerso possui uma série de vantagens, tais como, alta velocidade de soldagem e elevada taxa de deposição, produz soldas uniformes e de bom acabamento superficial, ausência de respingos e fumos, dispensa proteção contra radiação uma vez que o arco não é visível, facilmente mecanizado, elevada produtividade, esse mesmo processo também apresenta algumas limitações, como, soldagem limitada a posição plana e filete horizontal, aporte térmico elevado, necessita retirada de escória entre passes Processo de Soldagem MIG/MAG (Gás Metal Arc Welding - GTAW) A soldagem MIG/MAG usa calor de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de maneira contínua e o metal de base para fundir a ponta do eletrodo e a superfície do metal de base da junta que está sendo soldada. A proteção do arco e da poça de solda fundida vem internamente de um gás alimentado externamente, o qual pode ser inerte, ativo ou uma mistura desses. Portanto, dependendo do gás, ocorrerão os seguintes processos: Processo MIG (Metal Inert Gás): injeção de gás inerte. Argônio Hélio Argônio +1% de O2 Argônio +3% de O2 Argônio + (até) 15% de CO2 Processo MAG (Metal Active Gás): injeção de gás ativo ou mistura de gases que perdem as características de inertes, quando parte do metal de base é oxidado. Os gases utilizados são: CO2

18 18 CO2 + 5 A 10% DE O2 Argônio + 15 a 30% de CO2 Argônio + 5 a 30% de O2 Argônio + 25 a 30% de N2 Tabela 1 Gases e Misturas. Fonte - Esab Figura 4 Processo MIG/MAG (Como Funciona). Fonte - Guimarães

19 Equipamentos e Consumíveis Figura 5 Componentes da Máquina de Solda. 1 - cabo de solda (negativo) 2 - refrigeração da tocha (entrada água) 3 - gás de proteção 4 - gatilho da tocha 5 - refrigeração da tocha (retorno água) 6 - conduíte do arame 7 - gás de proteção vindo do cilindro 8 - saída de água de refrigeração 9 - entrada de água de refrigeração 10 - cabo de comando (alimentador/fonte) 11 - cabo de solda (positivo) 12 - conexão para a fonte primária (220/380/440 vca) Fonte - Esab Uma das vantagens do processo GMAW é a facilidade de escolha dos equipamentos, sendo que um conjunto de soldagem pode ser facilmente configurado, sendo composto por: Fonte de energia: Tem como função fornecer corrente de soldagem para o processo GMAW. Geralmente possui curva característica de saída de tensão constante, podendo ser fabricada com diversos tipos de tecnologia para controle da tensão, como chaves comutadoras, controle tiristorizado ou através de inversores. Este possui melhor desempenho principalmente por suas características, que possibilitam baixo consumo de energia, redução de peso e dimensões e capacidade de alterar a forma de onda de saída através da interpretação de sinais digitais.

20 20 Alimentador de Arame: Tem como função alimentar o arame consumível através dos guias e conduítes, devendo fornecer uma velocidade de alimentação sempre constante, a fim de evitar oscilações no processo. O alimentador de arame pode ser utilizado tanto para aplicações semiautomáticas, quanto para aplicações automáticas, existindo ainda alimentadores específicos para soldagem robotizada. Tocha pistola de soldagem: A tocha de soldagem direciona a alimentação de arame e os fluxos de corrente elétrica e gás de proteção para a poça de fusão. É composta de um cabo de cobre para a passagem da corrente elétrica, um conduíte e uma mangueira para direcionar o arame e o fluxo de gás. Consumíveis: Segundo Scotti e Ponomarev (2008), os principais consumíveis do processo GMAW são o arame-eletrodo e os gases de proteção. O arame-eletrodo, conforme descrito por Scotti e Ponomarev (2008), deve garantir a alimentação contínua da poça de fusão, e, para tanto, é fornecido em carretéis. Sua denominação mais comum é arame de solda, devido ao seu formato. Os arames podem ser fabricados com as mais diversas combinações de materiais, dependendo da sua aplicação. Na solda GMAW não há fluxos ou revestimentos para desempenhar a função de proteção. Para isso, são usados os gases de proteção. A tabela 2 relaciona as especificações AWS para arames empregados na soldagem GMAW. Arames com qualidade inferior de composição química podem produzir problemas, tais como instabilidade do arco elétrico e descontinuidades no cordão de solda. O arame com umidade contribui para a instabilidade do arco, porosidade, respingos abundantes, mordeduras, soldas irregulares e fragilidade do cordão, entre outros problemas. Por este motivo, o arame deve ser mantido seco e protegido da umidade. Normalmente são usadas estufas para conservar os arames secos antes de seu manejo e uso. Tabela 2 Especificação AWS de Arrames de Solda. Fonte: Scotti e Ponomarev (2008).

21 Critério de Classificação Os metais de adição de aços ao carbono para a soldagem por arco com gás de proteção são classificados de acordo com a especificação AWS A Os metais de adição dessa especificação, do tipo arame sólido ou vareta, são classificados com base na composição química dos próprios consumíveis e nas propriedades mecânicas do metal de solda, na condição "como soldado". Os metais de adição dessa especificação do tipo cored (similar ao arame tubular, porém com seu núcleo formado por material totalmente metálico) são classificados com base na composição química e nas propriedades mecânicas do metal de solda, na condição "como soldado". Sistema de Classificação A classificação genérica de um arame sólido ou vareta para soldagem a arco com gás de proteção de aços ao carbono tem a seguinte forma: Em que: Dígito 1 - As letras ER, quando utilizadas juntas, referem-se ao consumível na forma de eletrodo, vareta ou arame, aplicável em processos de soldagem GMAW (MIG / MAG), GTAW e PAW (Plasma); Dígito 2 - Esses dígitos indicam o limite de resistência à tração do metal depositado, em Ksi (1 Ksi = psi). Exemplo: ER70S-X = Lbs/pof = 500 MPa. Dígito 3 - A letra S designa vareta ou arame sólido; Dígito 4 Esse sufixo indica a composição química do arrame ou vareta. Conforme ESAB (2004) menciona, o arame somado ao gás de proteção é responsável pelas propriedades químicas, físicas e mecânicas do cordão de solda.

22 Tabela 3 - Propriedade mecânica de metal depositado para consumíveis de especificação conforme AWS A (a) Gás de proteção: acordo entre comprador e fabricante; (b) Mistura gasosa: 75 ~80% Argônio / Balanço CO2 Fonte - AWS A Vantagens e Limitações. A soldagem MIG/MAG é um processo bastante versátil. As principais vantagens e limitações do processo são: Taxa de deposição maior que a do eletrodo revestido. Menos gás e fumaça na soldagem. Larga capacidade de aplicação. Solda uma faixa ampla de espessura e materiais Processo de ajuste mais difícil e sensível que o processo SMAW. Equipamento relativamente caro e complexo. Pode apresentar dificuldade para soldar juntas de acesso restrito. Proteção do arco é sensível as correntes de ar. Pode gerar elevada quantidade de respingos. O processo de soldagem MIG/MAG pode ser semiautomático ou automático. No processo semiautomático o eletrodo é alimentado automaticamente através de uma pistola. O soldador controla a inclinação e a distância entre a peça e a pistola, bem como a velocidade de deslocamento e a manipulação do arco. O processo MIG/MAG também é usado para aplicações de revestimentos superficiais Descontinuidades na Soldagem MIG/MAG. Os termos referentes à terminologia de descontinuidades em juntas soldadas estão baseados na norma PETROBRAS N-1738 Julho/97 - Descontinuidades em juntas soldadas, fundidos, forjados e laminados (Terminologia).

23 Essa norma define os termos empregados na denominação de descontinuidades em materiais metálicos semielaborados, oriundos de processos de fabricação e/ou montagem; soldagem por fusão, fundição, forjamento e laminação. Nessa mesma norma é também encontrado um glossário de termos Português- Inglês e Inglês-Português sobre descontinuidades. Descontinuidades são a interrupção das estruturas típicas de uma peça no que se refere à homogeneidade de características-físicas, mecânicas ou metalúrgicas. Não é necessariamente um defeito. A descontinuidade só deve ser considerada defeito quando sua natureza, dimensões ou efeito acumulado tornarem a peça inaceitável, por não satisfazer os requisitos mínimos da norma técnica aplicável. Com base na norma PETROBRAS N-1738 Julho/97, seguem algumas das descontinuidades: 23 Abertura de arco - Imperfeição local na superfície do metal de base resultante da abertura do arco elétrico. Ângulo excessivo de reforço - ângulo excessivo entre o plano da superfície do metal de base e o plano tangente ao reforço de solda, traçado a partir da margem da solda (Figura 6). Figura 6 Ângulo Excessivo de Reforço Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Cavidade Alongada - Vazio não arredondado com a maior dimensão paralela ao eixo da solda, podendo estar localizado: (a) na solda (Figura 7a); (b) na raiz da solda (Figura 7b).

24 24 Figura 7 Cavidade Alongada. Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Concavidade - Reentrância na raiz da solda, podendo ser: (a) Central, situada ao longo do centro do cordão (Figura 8a); (b) Lateral, situada nas laterais do cordão (Figura 8b). Figura 8 - Concavidade Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Concavidade excessiva - Solda em ângulo com a face excessivamente côncava (Figura 9). Figura 9 Concavidade Excessiva Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Convexidade Excessiva - Solda em ângulo com a face excessivamente convexa (Figura 10).

25 25 Figura 10 Convexidade Excessiva Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Deformação angular - Distorção angular da junta soldada em relação à configuração de projeto (Figura 11), exceto para junta soldada de topo (ver embicamento). Figura 11 Deformação Ângular Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Deposição insuficiente - Insuficiência de metal na face da solda (Figura 12). Figura 12 Deposição Insuficiente Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Desalinhamento - Junta soldada de topo, cujas superfícies das peças, embora paralelas, apresentam-se desalinhadas, excedendo à configuração de projeto (Figura 13).

26 26 Figura 13 - Desalinhamento Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Embicamento - Deformação angular da junta soldada de topo (Figura 14). Figura 14 - Embicamento Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Falta de fusão - Fusão incompleta entre a zona fundida e o metal de base, ou entre passes da zona fundida, podendo estar localizada: (a) na zona de ligação (Figura 15a); (b) entre os passes (Figura 15b); (c) na raiz da solda (Figura 15c e 15d). Figura 15 Falta de Fusão Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Falta de penetração - Insuficiência de metal na raiz da solda (Figura 16).

27 27 Figura 16 Falta de Penetração Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Fissura - Ver termo preferencial: trinca. Inclusão de escória - Material sólido não metálico retido no metal de solda ou entre o metal de solda e o metal de base podendo ser: (a) alinhada (Figura 17a e 17b); (b) isolada (Figura 17c); (c) agrupada (Figura 17d). Figura 17 Inclusão de Escória Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Inclusão metálica - Metal estranho retido na zona fundida. Micro trinca - Trinca com dimensões microscópicas. Mordedura - Depressão sob a forma de entalhe no metal de base acompanhando a margem da solda (Figura 18).

28 28 Figura 18 - Mordedura Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Mordedura na raiz - Mordedura localizada na margem da raiz da solda (Figura 19). Figura 19 Mordedura na Raiz Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Penetração excessiva - Metal da zona fundida em excesso na raiz da solda (Figura 120). Figura 20 Penetração excessiva Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Perfuração - Furo na solda (Figura 21a) ou penetração excessiva localizada (Figura 21b) resultante da perfuração do banho de fusão durante a soldagem.

29 29 Figura 21 - Perfuração Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Poro - Vazio arredondado, isolado e interno à solda. Poro superficial - Poro que emerge a superfície da solda. Porosidade - Conjunto de poros distribuídos de maneira uniforme, entretanto não alinhado (Figura 22). Figura 22 - Porosidade Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Porosidade agrupada - Conjunto de poros agrupados (Figura 23). Figura 23 Porosidade Agrupada Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Porosidade alinhada - Conjunto de poros dispostos em linha; segundo uma direção paralela ao eixo longitudinal da solda (Figura 24).

30 30 Figura 24 Porosidade Alinhada Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Porosidade vermiforme - Conjunto de poros alongados ou em forma de espinha de peixe situados na zona fundida (Figura A25). Figura 25 Porosidade Vermiforme Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Rachadura - Ver termo preferencial: trinca. Rechupe de cratera - Falta de metal resultante da contração da zona fundida, localizada na cratera do cordão de solda (Figura A.26). Figura 26 Rechupe de Cratera Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97

31 fundida. Rechupe interdentrítico - Vazio alongado situado entre dendritas da zona 31 Reforço excessivo - Excesso de metal da zona fundida, localizado na face da solda (Figura A.27). Figura 27 Reforço Excessivo Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Respingos - Glóbulos de metal de adição transferidos durante a soldagem e aderidos à superfície do metal de base ou à zona fundida já solidificada. Sobreposição - Excesso de metal da zona fundida sobreposto ao metal de base na margem da solda, sem estar fundido ao metal de base (Figura 28). Figura 28 - Sobreposição Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Solda em ângulo assimétrica - Solda em ângulo, cujas pernas são significativamente desiguais em desacordo com a configuração de projeto (Figura 29). Figura 29 Solda de Ângulo Assimétrica Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97

32 32 Tinca - Tipo de descontinuidade planar caracterizada por uma ponta aguda e uma alta razão comprimento e largura. Trinca de cratera - Trinca localizada na cratera do cordão de solda, podendo ser: (a) Longitudinal (Figura 30a); (b) Transversal (Figura 30b); (c) Em estrela (Figura 30c); Figura 30 Trinca de Cratera Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Trinca em estrela - Trinca irradiante de tamanho inferior à largura de um passe da solda considerada (ver trinca irradiante). Trinca interlamelar - Trinca em forma de degraus, situados em planos paralelos à direção de laminação, localizada no metal de base, próxima à zona fundida (Figura 31). Figura 31 Trinca Interlamelar Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Trinca irradiante - Conjunto de trincas que partem de um mesmo ponto, podendo estar localizada:

33 33 (a) na zona fundida (Figura 33a); (b) na zona afetada termicamente (Figura 32b); (c) no metal de base (Figura 32c). Figura 32 Trinca Irradiante Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Trinca longitudinal - Trinca com direção aproximadamente paralela ao eixo longitudinal do cordão de solda, podendo estar localizada: (a) na zona fundida (Figura 33a); (b) na zona de ligação (Figura 33b); (c) na zona afetada termicamente (Figura 33c); (d) no metal de base (Figura 33d). Figura 33 Trinca Longitudinal Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97

34 Trinca na margem - Trinca se inicia na margem da solda, localizada geralmente na zona afetada termicamente (Figura 34). Figura 34 Trinca de Margem 34 Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Trinca na raiz - Trinca que se inicia na raiz da solda, podendo estar localizada: (a) na zona fundida (Figura 35a); (b) na zona afetada termicamente (Figura 35b). Figura 35 Trinca de Raiz Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 localizada: Trinca ramificada - Conjunto de trincas que partem de uma trinca, podendo estar (a) na zona fundida (Figura 36a); (b) na zona afetada termicamente (Figura 36b); (c) no metal de base (Figura 36c).

35 35 Figura 36 Trinca Ramificada Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Trinca sob cordão - Também conhecida como trinca a frio, é localizada na zona afetada termicamente, não se estendendo à superfície da peça (Figura 37). Figura 37 Trinca Sob Cordão Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/97 Trinca transversal - Trinca com direção aproximadamente perpendicular ao eixo longitudinal do cordão de solda, podendo estar localizada: (a) na zona fundida (Figura 38a); (b) na zona afetada termicamente (Figura 38b); (c) no metal de base (Figura 38c);

36 36 Figura 38 Trinca Transversal Fonte - PETROBRAS N-1738 Julho/ Influências Metalúrgicas no Metal Base e no Metal Solidificado Formação da Zona Termicamente Afetada (ZTA) Conforme descrito em processos Metalúrgicos (GUIMARÃES), a ZTA compreende as regiões do metal base cuja estrutura ou propriedades foram alteradas pelas variações de temperatura durante a soldagem. Devido às peculiaridades destas variações e ao desenvolvimento de um complexo estado de tensões e deformações, as alterações que ocorrem na ZTA podem levar a resultados indesejáveis. A formação dessa região é influenciada basicamente pelas características do metal base e pelos fatores que determinam o ciclo térmico de soldagem Influência do Metal Base Para sistematizar a discussão da formação da ZTA em função do metal base, as diferentes ligas metálicas serão agrupadas em quatro tipos básicos: Ligas endurecidas por solução sólida; Ligas endurecidas por encruamento; Ligas endurecíveis por precipitação; Ligas transformáveis. Deve-se ter em mente que esta é uma divisão simplificada e sem grande rigidez. Neste sentido, vários materiais podem pertencer a mais de uma classe e, em alguns casos, materiais que não pertençam a uma dada classe, podem ser analisados, sob alguns aspectos, dentro dessa classe.

37 Essa classificação tem o mérito de permitir uma visão geral e sistematizada das alterações que podem ocorrer na ZTA para inúmeros materiais diferentes Ligas Endurecidas por Solução Sólida 37 Podem ser consideradas como pertencentes a essa classe as diversas ligas de cobre, níquel e de alumínio e, ainda, aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos de baixo teor de elementos intersticiais no estado recozido. De um modo geral, estes materiais que não sofrem alterações micro estruturais marcantes no estado sólido são considerados, com algumas exceções, fáceis de soldar do ponto de vista da ZTA. A principal alteração que caracteriza a ZTA destas ligas é o crescimento de grão próximo da linha de fusão (figura 39). O tamanho final de grão nessa região dependerá da temperatura de pico e do tempo de permanência acima da temperatura na qual o crescimento de grão do metal base se torna apreciável. Para um dado metal base, o crescimento de grão será mais pronunciado quanto maior for o valor da temperatura de pico (Tp) e do tempo de permanência (tc). Figura 39 Representação esquemática da Região da solda de uma liga endurecível por solução sólida. ZTA é caracterizada pelo seu crescimento de grão. Fonte Processos Metalurgicos (Guimarães). Assim, o tamanho de grão final tenderá a ser maior junto à linha de fusão e será afetado por fatores do procedimento de soldagem que determinam o tempo de permanência (tc) da com a energia de soldagem na junta a ser soldada (figura 40).

38 38 Figura 40 Influência da energia de soldagem no tamanho de grão da ZTA em aços inoxidáveis ferríticos. Fonte - Processos Metalurgicos (Guimarães). Em ligas de estrutura cristalina CCC, o crescimento de grão na ZTA pode causar um aumento de sua temperatura de transição dútil-frágil medida no ensaio Charpy e uma diminuição de sua tenacidade à temperatura ambiente. Esse efeito é particularmente importante em ligas de metais como o nióbio, zircônio e titânio e em aços inoxidáveis ferríticos. As ligas de estrutura CFC (ligas de alumínio, níquel e cobre) são, em geral, insensíveis a este problema. A sensibilidade a problemas de corrosão na ZTA pode ocorrer em aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, nos quais carbonetos e, eventualmente, nitretos, podem precipitar durante o ciclo térmico de soldagem. Os carbonetos, ricos em cromo, precipitam principalmente ao longo dos contornos de grão, causando uma redução desse elemento nessas regiões e uma redução local da resistência à corrosão Ligas Endurecidas por Encruamento. Basicamente, os mesmos materiais do grupo anterior estão incluídos nesse grupo, com a diferença, contudo, de terem sido deformados a frio visando, em geral, um aumento de resistência mecânica. Nesse caso, a ZTA será composta por uma região de recristalização e, como na classe anterior, por uma região de granulação grosseira, como observa-se na figura 41.

39 Figura 41 Representação esquemática da região da soldagem em ligas encruadas (a) Região de Recristalização e (b) Região de granulação grosseira da ZTA. 39 Fonte - Processos Metalúrgicos (Guimarães). Na região de recristalização, o ciclo térmico é suficiente para causar a recristalização do material, isto é, a substituição da estrutura deformada por uma isenta de deformação. Mais próximo da linha de fusão, o ciclo térmico é suficiente para, além de recristalização, causar um crescimento de grão como no caso anterior. Aços com baixo teor de carbono trabalhados a frio apresentam uma ZTA cuja estrutura é similar à descrita acima, embora um pouco mais complexa, devido às mudanças de fase no estado sólido (austenitização). A região da solda (ZTA e ZF) de ligas endurecidas por encruamento tende a apresentar menor resistência mecânica do que o metal base em vista da perda de encruamento com a sua recristalização (figura 42). Figura 42 Variação Esquemática da Dureza na ZTA de uma Liga Encruada. (A) Região de Recristalização e (B) Região de Granulação Grosseira. Fonte - Processos Metalurgicos (Guimarães).

40 Ligas Endurecíveis Por Precipitação Nesses materiais, consegue-se um aumento considerável de resistência mecânica e dureza por tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento. Tais ligas possuem um diagrama de equilíbrio do tipo mostrado na figura 5.5, de forma que, aquecendo-as a uma temperatura T1, ocorre a dissolução da fase β, estável à temperatura ambiente. O tratamento de solubilização consiste em aquecer o material até T1, para a dissolução de β, e, em seguida, resfriá-lo rapidamente, de forma a impedir que essa fase se precipite novamente. Figura 43 Detalhamento do Diagrama de Fases de uma liga Endurecível por Precipitação Fonte - Processos Metalúrgicos (Guimarães). Como resultado, obtém-se uma solução sólida supersaturada de β, que tende a ser macia e dúctil. Contudo, se o material for aquecido a uma temperatura moderada (T2), a fase β, ou outra fase metaestável (isto é, diferente da fase β, a esperada pelo diagrama de equilíbrio, mas cuja velocidade de formação seja maior), poderá se precipitar em uma forma extremamente fina, endurecendo o material consideravelmente (tratamento de envelhecimento). A escolha da temperatura T2 (e do tempo de permanência nessa temperatura) é muito importante, pois, se esta for muito elevada (T3, por exemplo), os precipitados obtidos podem ter um tamanho excessivo para causar o aumento desejado nas propriedades mecânicas (super-envelhecimento).

41 Ligas Transformáveis Nas ligas transformáveis, a ZTA é ainda mais complexa, podendo apresentar várias regiões com diferentes constituintes. Encontram-se, nessa classe, os aços carbono e os aços de baixa e média liga, utilizados em estruturas soldadas. Ferros fundidos e certas ligas de cobre e de titânio também podem ser enquadrados nessa categoria. A figura 44 mostra esquematicamente as principais regiões que podem ser observadas na ZTA de um aço carbono: Região de granulação grosseira (GGZTA); Região de granulação fina (GFZTA) ou região normalizada; Região intercrítica (ICZTA) e Região subcrítica (SCZTA). Figura 44 Regiões da Solda de Um Aço Carbono. Fonte - Processos Metalurgicos (Guimarães) Região de Granulação Grosseira (A): Localizada junto à linha de fusão e submetida à temperatura de pico superior a 1200ºC, a região de granulação grosseira é caracterizada por um grande tamanho de grão austenítico. A microestrutura final dessa região depende da composição química do aço e da sua velocidade de resfriamento após soldagem.

42 Em função do aumento da temperabilidade da região (devido ao aumento do tamanho de grão austenítico), essa região é caracterizada por uma microestrutura rica em constituintes aciculares como bainita e martensita. Assim, tende a ser a região mais problemática da ZTA, podendo apresentar dureza elevada, perda de tenacidade e ser um local comum para a formação de trincas. Esses problemas são comuns para aços com teor de carbono mais elevado (maior temperabilidade e elevadas dureza e fragilidade da martensita) e para aços ligados (maior temperabilidade). A temperatura de pico varia entre 1200ºC e A3. Sua estrutura apresenta granulação fina, semelhante à de um material normalizado, não sendo, em geral, uma região problemática na ZTA dos aços Região Intercrítica (C): Apresenta transformação parcial de sua estrutura original e é submetida a temperaturas de pico entre A3 e A1. Em alguns casos, particularmente na soldagem multipasse, constituintes de elevada dureza e baixa tenacidade podem se formar nessa região Região Subcrítica (D): Corresponde ao metal base aquecido a temperaturas inferiores a A1. Na soldagem de aços tratados termicamente, essa região pode sofrer um super-revenimento e ocorrer uma perda de resistência mecânica ou dureza (em relação ao metal base) Influência do Procedimento de Soldagem A energia e a temperatura de pré-aquecimento são as variáveis do procedimento de soldagem que mais facilmente podem ser alteradas para se controlar o fluxo de calor. O aumento da energia de soldagem aumenta a extensão da ZTA. O tempo de permanência também aumenta e a região de granulação grosseira torna-se mais extensa e tende a apresentar um maior tamanho de grão. Por outro lado, a velocidade de resfriamento é reduzida e isso tem uma importância fundamental na determinação da estrutura final de ligas transformáveis, em particular, dos aços. Nesses materiais, a elevada velocidade de resfriamento que pode ocorrer na ZTA, quando a energia de soldagem é relativamente baixa, pode ser suficiente para causar a têmpera desta região, com a formação de martensita. Uma maior energia de soldagem, resultando em menores velocidades de resfriamento, pode levar à formação na ZTA de produtos mais macios, como mostra a figura 45.

43 A temperatura de pré-aquecimento tem um efeito semelhante à energia de soldagem, sendo efetiva na redução da velocidade de resfriamento. Essa característica é importante na soldagem dos aços estruturais, para a prevenção da formação de trincas na ZTA, como será discutido. 43 Figura 45 Efeito da Energia de Soldagem na Microestrutura (200x) da GGZTA de um Aço Estrutural de Baixo Carbono. (a) H= 10 KJ/mm, Microestrutura: Martensita e Bainitae (b) H= 25KJ/mm, Microestrutura: Bainita. Fonte - Processos Metalurgicos (Guimarães). A figura 46 mostra a variação de dureza e de tenacidade da ZTA de um aço estrutural em função das suas condições de resfriamento na soldagem. Para elevadas velocidades de resfriamento, a microestrutura tende a ser predominantemente martensítica, de elevada dureza e baixa tenacidade. Condições de resfriamento lento, associadas, por exemplo, a uma elevada energia de soldagem, tornam a microestrutura da ZTA muito grosseira e, embora seja formada por produtos de baixa dureza, a sua tenacidade pode ser tornar baixa. Figura 46 Variações de Tenacidade (Energia Absorvida no Charpy)e de Dureza da ZTA de Um Aço de Baixa Liga em Função das Condições de Resfriamento na Soldagem. Fonte - Processos Metalurgicos (Guimarães).

44 Tensões Residuais e Distorção A operação de soldagem é caracterizada por um aquecimento extremamente localizado, pelo qual o material fica sujeito a variações volumétricas localizadas, além de transformações macroestruturais e mudança de propriedades. Como resultado, um intenso processo de deformações desenvolve-se na ZF e na ZTA. Essas deformações são muito localizadas e são acomodadas pelo desenvolvimento de tensões elásticas e por alterações no formato de toda a estrutura soldada. As tensões transientes são desenvolvidas durante a operação de soldagem e variam com o tempo enquanto existirem diferenças apreciáveis de temperatura na estrutura. Já as residuais são as tensões internas remanescentes na estrutura ao final do processo, após toda ela atingir a temperatura ambiente. Distorções, que são mudanças permanentes de forma e dimensão, podem ocorrer na estrutura como resultado de todo esse processo. Tensões transientes e residuais podem afetar as propriedades do componente soldado e propiciar o aparecimento de descontinuidades, particularmente trincas, afetando o desempenho da peça em serviço. Por outro lado, variações dimensionais e de forma são uma fonte comum de problemas na montagem de componentes soldados. Figura 47 - Ilustra o Aparecimento de Tensões Residuais como Resultados de Uma Operação de Soldagem. Fonte - Processos Metalúrgicos (Guimarães). Na seção AA', supondo-a afastada o suficiente da poça de fusão, não existem gradientes térmicos ao longo da direção y e o material está isento de tensões.

45 Na seção BB', o material aquecido tende a se expandir, sendo, contudo, impedido pelas regiões mais frias da peça. Geram-se, assim, tensões de compressão em regiões próximas a ZF e tensões de tração nas regiões um pouco mais afastadas da solda. Quando essas tensões atingem o limite de escoamento, o material aquecido deforma-se plasticamente em compressão. No resfriamento e após a solidificação da solda, o material aquecido passa a se contrair, sendo novamente restringido pelas regiões mais frias. Assim, na seção CC', surgem tensões de tração na área do cordão e tensões de compressão nas regiões adjacentes. Essas tensões aumentam de intensidade e, após o resfriamento completo da solda, na seção DD', podem chegar a níveis limítrofes de escoamento do material. Além de estar associado com o aparecimento de distorções, esse processo pode, também, comprometer o desempenho em serviço do componente soldado, particularmente, com respeito ao desenvolvimento de trincas e à redução de sua resistência à fratura frágil, à fadiga e a problemas de corrosão. O nível de tensões residuais em uma junta soldada pode ser diminuído reduzindo-se a quantidade de calor fornecido à junta ou o peso de metal depositado. Na prática, isso pode ser feito otimizando o desenho do chanfro (reduzindo seu ângulo ou usando preparações simétricas) e evitando depositar material em excesso (evitando-se reforço excessivo em soldas de topo ou minimizando-se o tamanho de soldas de filete). A seleção de processos de maior eficiência térmica (fonte de maior intensidade) é uma possível alternativa de controle, mas dificilmente justificável economicamente na maioria dos casos. Tensões residuais também podem ser reduzidas pelo uso de metal de adição com a menor resistência permissível no projeto, assim como pela redução dos vínculos externos da junta soldada (minimizando-se assim as tensões de reação, isto é, tensões resultantes da rigidez da estrutura devido à sua ligação com outros componentes). Após a soldagem, as tensões residuais podem ser aliviadas por métodos térmicos ou mecânicos. Alguns desses métodos, particularmente tratamentos térmicos, podem levar a uma redução apreciável do nível de tensões residuais na solda. Podem também causar alterações micro estruturais que afetam favoravelmente as propriedades da junta soldada. Em alguns casos, pode ocorrer uma deterioração das propriedades ou a formação de trincas devido ao tratamento térmico. Assim, é importante conhecer os efeitos desses tratamentos no metal base e de solda antes de realizá-los. 45

46 Fragilização da Zona Termicamente Afetada A ZTA sofre alterações microestruturas mais ou menos pronunciadas que mudam a sua microestrutura original. Essas alterações são relativamente descontroladas, podendo, portanto, prejudicar as propriedades no material nessa região. Um aspecto importante em muitas estruturas soldadas é a sua resistência à fratura. As alterações metalúrgicas resultantes do ciclo térmico de soldagem podem afetar essa resistência. Nas regiões próximas à linha de fusão, o crescimento de grão é fragilizante para vários materiais. Precipitação de carbonetos, nitretos e outros ases e segregação junto a contornos de grão também podem causar fragilização em diferentes materiais. Em casos extremos, os problemas de fragilização, juntamente com o desenvolvimento de tensões de tração na região da solda, podem levar ao aparecimento de trincas. A formação de trincas é considerada extremamente indesejável na maioria das aplicações. 1.4 Ensaios Para Qualificação de Processo de Soldagem Ensaio de Tração Consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo de prova específico até a ruptura. Trata-se de um ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido às vantagens de fornecer dados quantitativos relativos às características mecânicas dos materiais. Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio. Como é possível fazer com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da secção do provete, no caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na região mais estreita do material, a menos que um defeito interno no mesmo, fora dessa região, promova a ruptura, o que raramente acontece. A exatidão do ensaio de tração depende da precisão dos aparelhos de medição de que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se conseguir uma precisão maior na avaliação da

47 tensão ao invés de detectar grandes variações de deformação, causando maior imprecisão da avaliação da tensão. Mesmo no início do ensaio, se esse não for bem conduzido, grandes erros podem ser cometidos, como por exemplo, se o provete não estiver bem alinhado, os esforços assimétricos que aparecerão levarão a falsas leituras das deformações para uma mesma carga aplicada. Deve-se, portanto, centrar bem o corpo de prova na máquina para que a carga seja efetivamente aplicada na direção do seu eixo longitudinal. Figura 48 Curva Tensão Deformação 47 Fonte - Callister Limite de Resistência à Tração O limite de resistência à tração é a tensão correspondente ao ponto de máxima carga atingida durante o ensaio. Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra de grãos que compõem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa necessitando de uma tensão cada vez maior para se deformar. É nessa fase que a tensão começa a subir até atingir um valor máximo, valor esse chamado de limite de resistência. Figura 49 Limite de Resistência a Tração Fonte - Callister

48 Limite de Ruptura Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, no chamado Limite de Ruptura. Figura 50 Limite de Ruptura Fonte - Callister Note que a tensão no limite de ruptura é menor do que no limite de resistência, devido à diminuição de área que acontece no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima. Na figura 51 podemos analisar todos esses elementos representados num mesmo diagrama de tensão deformação. Figura 51 Gráfico Tensão - Deformação Fonte - Callister Fratura Consiste na separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes, sob ação de uma tensão, e pode ser considerada como sendo constituída da nucleação e propagação da trinca. Pode ser classificada em duas categorias gerais: fratura dúctil e frágil. A fratura dúctil é caracterizada pela ocorrência de uma apreciável deformação plástica antes e durante a propagação da trinca.

49 49 Figura 52 Corpo de Prova Sendo Ensaiado Ensaio de Dobramento Fonte Próprio Autor O ensaio de dobramento é utilizado para análise da conformação de segmentos retos de seção circular, quadrada, retangular, tubular ou outras em segmentos curvos. O dobramento é bastante utilizado na indústria de produção de calhas, tubos, tambores e de uma grande variedade de elementos conformados plasticamente. No dobramento de uma chapa, devem-se analisar parâmetros como o encruamento do material e o raio mínimo em que este pode ser dobrado sem que ocorra a ruptura, o retorno elástico do dobramento após a retirada da carga e a formação de defeitos na região dobrada Ensaio de Macrografia A macrografia consiste na preparação de uma superfície plana, através do lixamento sucessivo da amostra e do ataque dessa superfície por um reativo adequado, bem como na interpretação dos resultados e na obtenção de documentos que reproduzam os resultados dos

50 exames. O exame da superfície atacada é feito a olho nu ou com o auxílio de uma lupa, com aumento de até cerca de 50 vezes. A técnica macrográfica pode ser dividida nas seguintes etapas: a Corte; b Lixamento; c - Ataque da superfície; d - Exame e interpretação; e - Elaboração do documento de exame Ensaio de Dureza Vickers O método de dureza Vickers, representado pela abreviação HV (Hardness Vickers), é um ensaio em que um penetrador de diamante em forma de pirâmide de base quadrada e ângulo entre faces de 136 é comprimido contra a peça a ensaiar por uma força prédeterminada. Após a remoção da força, medem-se as diagonais da impressão e o número de dureza Vickers é calculado dividindo o valor da carga de ensaio P pela área de impressão S. Esse método fornece escala contínua de dureza que varia entre HV5 até HV1000Kgf/mm² para cada carga utilizada Carga para o Método Vickers A carga para o ensaio Vickers deve ser aplicada progressivamente, sem choque nem vibrações, por meio de um pistão movido por alavanca, e mantida por um período de 10 a 15 segundos. Em seguida, retira-se a carga e movimenta-se manualmente o microscópio, de maneira a focalizar a impressão deixada pelo penetrador. O penetrador, feito de diamante, tem um tamanho praticamente indeformável e permite impressões independentes da carga aplicada. Isso significa que para qualquer carga utilizada, o valor de dureza será o mesmo para materiais homogêneos. A mudança de carga é necessária para obter uma impressão regular, sem deformação e de tamanho compatível para a medida no visor da máquina, o que depende naturalmente da dureza do material ensaiado. Para a dureza Vickers, as cargas recomendadas são de: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100 e 120 Kgf. Para aparelhos especiais de micro dureza, as cargas variam de 1 gf a 1000gf (1 Kgf). Os valores da dureza HV são obtidos por meio de tabelas que acompanham as máquinas de dureza e mostram o valor em função das diagonais (d) medidas na máquina e das cargas aplicadas disponíveis. A título de exemplo, considera-se parte de uma tabela de números de

51 dureza com carga de 5 kgf; supondo que uma diagonal medida pelo micrômetro do durômetro tenha valor de 0,093, procura-se na linha correspondente à diagonal, o valor centesimal da medida, que neste caso é 0,09. Depois, procura-se na coluna de milésimos o valor que complementa a medida, isto é, 0,003; no ponto de encontro da linha com a coluna estará o valor correspondente à dureza Vickers, 1072HV Aplicação do Método Vickers O método de dureza Vickers tem aplicação em toda a gama de durezas encontradas nos diversos materiais; além disso, devido à utilização de cargas relativamente baixas e do tipo de penetrador, o ensaio pode ser aplicado para qualquer espessura, bem como para determinar durezas superficiais. Além disso, é possível utilizar a micro dureza que permite a determinação de dureza individual de microestruturas, de superfícies cementadas e temperada, além da determinação de durezas em peças extremamente pequenas e finas. O ensaio de dureza Vickers é também bastante utilizado em juntas soldadas, particularmente na detecção de heterogeneidades devido a transformações metalúrgicas associadas a ciclos térmicos de soldagem. Assim, por meio de filiações, determinam-se durezas das diversas zonas de uma junta soldada, desde o metal de base que não sofreu qualquer alteração metalúrgica, até o metal que fundiu, passando pela zona afetada pelo calor (ZAC) e pela zona de ligação. Isso permite detectar as transformações metalúrgicas capazes de comprometer o comportamento da junta soldada. 1.5 Soldagem Robotizada A palavra robô origina-se do tcheco robota e significa trabalho forçado. A expressão foi utilizada, pela primeira vez, pelo escritor theco Karel Cápek, em uma novela intitulada Opilec. Três anos mais tarde, em 1920, seu uso se difundiu graças à peça Rossum s Universal Robots, do mesmo autor. Em 1939, o escritor de ficção científica Isaac Asimov começou a escrever uma série de contos sobre robôs, nos quais introduziu o termo robótica. Asimov descreve os robôs como máquinas de aparência humanóide, que raramente falham e auxiliam a humanidade no desempenho de suas tarefas. Graças às histórias desse autor, os robôs se tornaram parte do imaginário popular, como personagens de ficção científica. No entanto, só em 1958, nos EUA, o primeiro robô do mundo real seria construído. Apenas quatro anos mais tarde, em 1962, os modelos da Unimate (Universal Automation) e da Versatran (Versatile Transfer) já estavam sendo comercializados.

52 No Japão, a robótica teve início em 1967, com a importação de robôs americanos e o licenciamento da Kawasaki Heavy Industries, obtido junto a então líder americana Unimation, para fabricação de robôs em território japonês. A pressão da crise do petróleo de 1973 acarretou uma corrida desesperada das indústrias à redução de custos. Foi então que a aplicação de robôs apareceu como uma solução perfeita para a racionalização da produção. A partir de então, o uso da robótica tem apresentado um crescimento constante, interrompido apenas pela profunda crise econômica que o mundo tem vivido desde os primeiros anos da década de 80. A soldagem a arco elétrico sob proteção gasosa apresenta especificidades frente a outras operações - como paletização, deslocamento de peças etc., Relacionadas a variáveis que interferem no arco elétrico sob proteção gasosa, e, por outro, dar visibilidade às estratégias utilizadas por algumas organizações que estão buscando superar, com êxito, os desafios advindos da incorporação de mudanças tecnológicas. Mais especificamente, serão tratadas das inovações implicadas na automação. O emprego da robótica tem o poder de incrementar a produtividade e melhorar a qualidade de uma indústria, desde que se façam ajustes, a fim de que o investimento alcance de fato o resultado esperado. As adequações relacionam-se, inicialmente, aos objetivos da empresa frente à decisão de robotizar suas operações. Para que se pense a robótica como uma ferramenta a serviço do processo de soldagem, é preciso, antes, que se visualize o conjunto de operações envolvidas no processo: das funções que exigem completa interferência do operador até aquelas que se resumem a uma simples monitoração a distância. Tanto na soldagem manual como na semi-automática, o soldador interfere plenamente, e seu julgamento será o responsável pela mudança ou correção da soldagem durante a execução. Nesses tipos de soldagem, o soldador pode deslocar-se ao longo da peça, ou, em alguns casos, pode ainda fixá-la em dispositivos posicionadores. Realizada a soldagem, ele retira a peça e o ciclo se reinicia. Tendo em vista a redução dos riscos na introdução da robotização industrial, pode-se optar por uma solução intermediária (automação de baixo custo). Nesse caso, a introdução de robôs na fábrica ocorreria gradativamente, de maneira tal que dependeria de cada empresa a velocidade da mudança, até chegar à plena automação, ou seja, na robotização completa do processo de soldagem. Fatores de grande importância, que devem ser considerados com muito cuidado, nesse momento de definições, são: a escolha do produto a ser fabricado, bem como avaliação correta dos recursos financeiros a serem empregados. Além disso, é fundamental que se 52

53 estudem maneiras de otimização dos processos de fabricação e preparação das peças que compõem o produto (corte, prensagem, dobramento). Estarão em foco, na implantação da nova tecnologia, muitos outros aspectos que dizem respeito a uma nova forma de organizar, planejar e monitorar a produção, já que os sistemas de controle produtivo, tradicionalmente utilizados na soldagem manual, são insuficientes para a soldagem robotizada. Dessa forma, a soldagem a arco elétrico impõe algumas restrições ou constrangimentos à robotização. A utilização de robôs industriais na soldagem teve início na década de 60, na indústria automobilística, dirigindo-se inicialmente à soldagem por resistência. Por sua vez, o uso da soldagem a arco elétrico foi incrementado a partir da evolução das máquinas de solda, quando estas foram dotadas de microprocessadores, que passaram a propiciar respostas rápidas às condições de soldagem (corrente e tensão), permitindo a manutenção da estabilidade de arco, além de atuarem em outros aspectos importantes, como no controle das falhas de arco e no contato da tocha na peça Vantagens e Limitações As vantagens que os robôs trazem são amplas, como qualidade, produtividade, segurança, flexibilidade, eficiência entre outras. A questão aqui retratada é a comparação com o ser humano que tem limitações e necessidades que um robô não apresenta. Um ponto forte do robô é o grau de precisão que possui: robôs faltam à capacidade para responder em situações de emergência, a menos que a situação é prevista (NIKU, 2001). As limitações do robô se encaixam, segundo Niku, 2001, em graus de liberdade, destreza, sensores e tempo real de resposta. Umas das desvantagens é o custo inicial em equipamentos e instalação e necessidades em programação. 53

54 54 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais O gás de proteção foi uma mistura de argônio e gás carbônico na proporção de 72% Ar e 18% CO2. O metal de adição utilizado para o processo GMAW foi o arame ER70- S6, conforme especificação AWS A5.18 (2001) de diâmetro 1,0mm. Tabela 4 - Composição química (%) do metal de adição. C Mn Si P S Ni Cr V Cu Mo Nb 0,16 1,5 0,55 0,03 0,025 0,6 0,3 0,1 0,5 0,3 0,08 Fonte ESAB. Tabela 5 - Propriedades mecânicas do metal de adição. Limite de Resistência (Mpa) Tensão de escoamento (Mpa) Alongamento (%) Fonte ESAB. O material utilizado foi o aço SAE 1012, devido a ser esse o aço mais utilizado na empresa Tromink Industrial LTDA., estando presente em muitos de seus produtos. Suas principais características são o baixo carbono, assim como outros elementos de liga em quantidades muito pequenas. O aço SAE 1012 possui boa ductilidade e soldabilidade, é destinado a estruturas onde a soldagem é requisito, assim como a resistência. A composição química está relacionada na tabela 6. Tabela 6 - Composição química (%) do metal base. Fonte - Gerdau 2.2 Métodos Para a execução dos ensaios de tração, dobramento, macrografia e dureza foram confeccionadas cento e oito corpos de prova, sendo que foram: 36 - ensaios de tração.

55 36 - ensaios de dobra ensaios de macrografia e dureza. 26 reserva para algum eventual problema. Nos ensaios de tração e dobramento foi usada uma máquina de ensaios universal (WOLPERT 60 Toneladas). Os corpos de prova foram soldados conforme EPS (anexo A) e os parâmetros descritos na EPS foram usados para todos os corpos de prova, na tentativa de obter a mesma situação para todos os soldadores e robô. O aparelho de solda e robô de solda usados para o teste estão indicados na (figura 53), onde A= Robô de Solda modelo AII-B4 e B= Aparelho de Solda modelo MB 450 LDW. 55 Figura 53 Máquinas usadas para soldar os Corpos de Prova. Fonte - Próprio Autor Ensaio de Macrografia Para a macrografia foram usadas lixas de diferentes tamanhos de grão: 120, 180, 220, 320, 400, 600. Após, o corpo de prova foi submetido a um ataque químico com nital 5%. Para a limpeza do ataque foi usado álcool, algodão e um secador, e para a análise do corpo de prova atacado foi usado um microscópio metalúrgico de platina invertida Ensaio de Dureza Os ensaios de dureza foram realizados com um durômetro analógico (PANANTEC RBSM), com um penetrador de esfera 136 com pré-carga de 3 Kgf e carga 30 Kgf, e para a leitura dos dados foi usada uma lupa graduada com resolução de 0,001mm Dureza Vikers O método de dureza Vickers requer algumas providências para garantir resultados satisfatórios: a superfície a ser ensaiada deve estar limpa, plana e preparada através de retificação

56 56 e polimento; o acabamento da superfície deve ser tanto melhor quanto menor for a impressão; durante a usinagem do corpo de prova, deve-se tomar o cuidado de eliminar partes que possam ter sido afetadas pela operação de corte. Por fim, a superfície do corpo de prova deve ser perpendicular ao eixo do penetrador, sendo o desvio permitido no ângulo de um grau. É possível considerar dois tipos de desvio quanto à impressão obtida: o primeiro é a impressão defeituosa, no caso de metais recozidos, devido ao afundamento do metal em torno das faces do penetrador, resultando um valor d maior que o real; o segundo tipo de erro é a impressão defeituosa, no caso de metais encruados, devido à aderência do metal em volta das faces do penetrador, resultando um valor d menor que o real. Para os dois casos faz-se necessária uma correção de até 10% nos valores de dureza encontrados Correção de Valores Para obter valores corretos de durezas medidas em superfícies de formato esférico ou cilíndrico, os valores encontrados devem ser corrigidos de acordo com um quadro, na qual se considera, em primeiro lugar, o quociente de d/d (d - diagonal média da impressão; D - diâmetro da esfera ou cilindro) e em segundo, a multiplicação dos fatores de correção pelo número de dureza obtido no ensaio Representação dos Resultados A representação dos resultados é feita pelo número de dureza Vickers seguido pelo símbolo HV com um sufixo numerai, que representa a carga. Por exemplo, 440 HV30, que representa uma dureza Vickers de 440Kgf/mm 2, medida sob uma carga de 30Kgf, aplicada durante 10 a 15 segundos. É possível utilizar outro sufixo também numerai, que indica a duração da aplicação da carga quando esta for diferente da carga considerada como normal, de 10 a 15 segundos. Por exemplo, 440 HV 30/20, que representa uma dureza Vickers de 440Kgf/mm 2 medida sob uma carga de 30Kgf, aplicada durante 20 segundos Equipamento para o Método Vickers O equipamento para o ensaio de dureza Vickers é constituído por um sistema de aplicação de forças, um penetrador de diamante em forma de pirâmide de base quadrada e um sistema de medição por microscópio de grande ampliação, com um micrômetro acoplado.

57 Ensaio de Tração Os corpos de prova foram lixados para a realização de macrografia em todos eles, a fim de localizar o ponto de ruptura (se foi na ZTA, cordão de solda ou chapa base). Após a realização da macrografia, colocou-se castanhas adequadas para o ensaio na máquina Wolpert 60T. Depois foi regulada a velocidade média dos ensaios, que na máquina é controlada por uma válvula hidráulica. Após a máquina ser regulada, o próximo passo é o software, que pede as dimensões e identificação da peça a ser ensaiada. Em seguida, pende-se o corpo de prova na máquina e a mesma é ligada Ensaio de Dobramento. O ensaio de dobramento fornece uma indicação qualitativa da ductilidade do material. Consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilíneo e seção circular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada. Através do cutelo é aplicada uma força perpendicular ao eixo do corpo do prova, até que seja atingido um ângulo desejado, que é geralmente 90, 120 ou 180º. Figura 54 - Ensaio de Dobramento Fonte - Próprio Autor Ensaio de Dobramento em Corpos de Prova Soldados O ensaio de dobramento em corpos de prova soldados, retirados de chapas ou tubos, é realizado geralmente para a qualificação de profissionais que soldam (soldadores) e para avaliação de processos de solda.

58 58 Figura 55- Corpos de Prova Soldados Fonte Próprio Autor Se na zona tracionada o material não apresentar trincas ou fissuras, ele está aprovado. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES A figura 56 mostra um gráfico que apresenta a média dos resultados obtidos após o ensaio de tração em Newton. Como pode ser visto no gráfico, o robô de solda, em vermelho, obteve uma média significativamente maior do que a solda manual. Figura 56 Médias da Máxima carga dos Ensaios de Tração. Fonte- Próprio Autor.

59 A figura 57 apresenta o gráfico que mostra o desvio padrão dos ensaios de tração onde a menor diferença significa uma solda constante, sem muitas variações. O robô de solda se destaca com o menor desvio padrão entre os testes realizados. 59 Figura 57 Desvio Padrão dos Ensaios de Tração. Fonte Próprio Autor. A figura 58 apresenta o gráfico do tamanho da ZTA, em que pode-se observar que o menor aporte térmico apresentado foi o do robô de solda. Figura 58 Tamanho da ZTA. Fonte - Próprio Autor

60 A figura 59 mostra o gráfico do desvio padrão da ZTA, em que se observa que a menor variação obtida foi a do robô de solda em relação aos soldadores qualificados. 60 Figura 59 Desvio Padrão da ZTA. Fonte - Próprio Autor. Na tabela 7 são apresentados os valores de dureza Vinkers, onde o ponto 1 está localizado no material depositado; o 2 está localizado no centro da ZTA; o 3 está localizado no final da ZTA, onde o aporte térmico é menor; e o 4 está localizado no metal de base. Figura 60 Macrografia (numeração, local das impressões de dureza) Fonte Próprio Autor.

61 material. A Tabela 7 apresenta as médias dos resultados obtidos na dureza em ambos os locais do 61 Tabela 7 Resultados de Dureza Vinkers. Dureza Vikers Solda ZTA Próximo ZTA Metal Base Robô ,5 124,5 124, , ,5 124,5 124,5 Fonte Próprio Autor. A média de velocidade de soldagem de cada um dos soldadores e do robô é apresentada na figura 61. Figura 61 Velocidade de Soldagem em mm/s. Fonte Próprio Autor. O desvio padrão da velocidade de soldagem na figura 62 permite que se note que o robô não obteve variação, por ser uma máquina programável.

62 62 Figura 62 Desvio Padrão da Velocidade de Soldagem. Fonte Próprio Autor. Para os ensaios de dobramento, um dos soldadores obteve trinca em dois corpos de prova e estaria reprovado, tendo que refazer o ensaio para sua requalificação. Figura 63 Trinca no Ensaio de Dobramento. Fonte Próprio Autor. Todos os soldadores e o robô foram submetidos ao ensaio visual, e foram aprovados em todos os critérios descritos em (Descontinuidades de Solda Mig/Mag).