POROSIDADES EM SOLDA AUTOMATIZADA EM LIGAS DE AL-MG. Passo Fundo (Passo Fundo RS Brazil) RESUMO

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1 POROSIDADES EM SOLDA AUTOMATIZADA EM LIGAS DE AL-MG C.G. De Marco 1, V.A. Guimarães 1, W. Haupt 1, P.H.S Cardoso 2, C.L. Israel 1,3 1 Programa de Pós Graduação em Projetos e Processos de Fabricação, Universidade de Passo Fundo (Passo Fundo RS Brazil) 2 Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande (Rio Grande RS Brazil) 3 BR 285, São José Passo Fundo/RS CEP: , israel@upf.br RESUMO O presente estudo relaciona-se com a análise da influência do aquecimento prévio do material base na formação de porosidade durante a soldagem de uma liga de alumínio 5083 tipo O. O processo de soldagem utilizado foi o MIG (Metal Inert Gas), automatizado por robô. Para a soldagem utilizou-se gás de proteção na mistura de 75% de Argônio e 25% de Hélio e Argônio 100%, o metal de adição foi o ER5183. As técnicas de investigação utilizadas foram inspeção visual, ensaios de dobramento, tração, e através de microscopia eletrônica de varredura a quantificação e dimensionamento dos poros criados.. Comparou-se as propriedades mecânicas do metal de base com as das peças soldadas e variações foram encontradas Estas variações foram relacionadas com a quantidade de porosidades encontradas, as quais são relacionadas principalmente ao efeito do pré aquecimento do metal base. Palavras-chave: Porosidade; Pré aquecimento; Ligas de Alumínio, Processos de soldagem, Resistência Mecânica. INTRODUÇÃO O alumínio é um metal que se destaca pelo conjunto de suas propriedades, pois apresenta baixa densidade, alta resistência a corrosão, alta condutibilidade térmica e elétrica, boa tenacidade, alta resistência a baixas temperaturas e excelente conformabilidade. A adição de elementos de liga ao alumínio permite o desenvolvimento de outras propriedades interessantes, como a alta resistência mecânica, que ampliam ainda mais seu espectro de aplicação nas indústrias.

2 O uso do alumínio e suas ligas principalmente em substituição ao aço e ao ferro fundido, permite a redução do peso de componentes e equipamentos, a redução das perdas por corrosão e o aumento do potencial de reciclagem. Em geral as ligas de alumínio possuem forte utilização na indústria automotiva, naval e aeronáutica (1). As ligas Al-Mg 5083 são as mais resistentes entre as ligas trabalháveis e não tratáveis termicamente. Tem alta ductilidade e boa soldabilidade, sendo usada na construção naval pela resistência a corrosão em atmosfera marinha (1). Para o processo MIG (Metal Inert Gas) em ligas de Alumínio 5083, a utilização do argônio como gás de proteção propicia boa soldabilidade, boas características mecânicas e estabilidade do arco elétrico. É desejada a utilização do hélio quando se necessita um maior aporte térmico, penetração mais larga e poça mais rasa quando comparada ao argônio. Promove também maior fluidez da poça de fusão, reduzindo a porosidade. A mistura argônio e hélio também é utilizada, buscando aliar as características dos dois gases. Em ligas de alumínio é recomendada uma porcentagem de aproximadamente de 75% de argônio e 25% de hélio para um bom aproveitamento de suas propriedades (2). A soldagem do alumínio e suas ligas apresenta algumas particularidades em relação à soldagem dos aços, entretanto, é uma prática consideravelmente dominada. A principal dificuldade é o controle da porosidade no cordão de solda que provoca redução das propriedades mecânicas da junta (3). A porosidade é caracterizada pelo aprisionamento de bolhas de gás no cordão de solda. Essas podem apresentar-se nos mais diversos tamanhos, desde uma micro porosidade, até porosidade com milímetros de diâmetro. Os poros podem ser encontrados distribuídos pelo material de maneira uniforme não alinhados, alinhados, agrupados ou alongados (vermiformes) (4). A quantidade de poros presentes no cordão de solda, por si só, não exibe grande influência nas propriedades da junta. A alteração nas características dá-se principalmente pelo modo como a porosidade está distribuída. Poros pequenos e uniformemente distribuídos influenciam pouco ou quase nada na resistência da junta (5). A principal causa da porosidade em soldas de alumínio é o hidrogênio (H), devido a grande diferença de solubilidade de altas para baixas temperaturas (1). Para a redução dos problemas relacionados com a formação da porosidade, as juntas soldadas foram submetidas ha um pré aquecimento à temperatura de 120ºC, pois a norma

3 AWS D1.2 (6) menciona que o material a ser soldado não pode ser exposto a temperatura superior a 200ºC por período maior que quinze minutos. MATERIAIS E MÉTODOS Os corpos de prova foram retirados no sentido de laminação de uma chapa de Alumínio AA 5083-O com dimensões de 3000x1500x12 mm. A configuração dos corpos de prova de solda é apresentada na figura 1, sendo o dimensional está de acordo com indicações da norma ASME IX, "Welding and Brazing Qualification" Figura 1 Dimensão das chapas expostas ao processo de soldagem. Processo de Soldagem A soldagem dos corpos de prova foi executada conforme tabela 1. Os parâmetros: metal de adição, velocidade de soldagem, corrente de soldagem, tensão, vazão de gás de proteção e sentido de soldagem, forma mantidos inalterados (fixos), para a soldagem de todos os corpos de prova. Tabela 1 Ordem de execução das soldas dos corpos de prova. Corpos de prova Pré aquecimento Tipo de Gás A sem Argônio 100% B com Argônio 100% C com Ar 75% He 25%

4 Parâmetros de Soldagem A tabela 2 apresenta os parâmetros utilizados para o passe de raiz e para os passes de enchimento e de acabamento, os quais estão de acordo com MATHERS (1). Tabela 2 Parâmetros para a soldagem da Raiz dos corpos de prova. Corrente de soldagem Tensão de Soldagem Velocidade de Soldagem Vazão de gás (A) (V) (mm/min) (L/min) , Dispositivo de fixação O dispositivo de fixação mostrado na figura 2 foi utilizado para facilitar a montagem das chapas de alumínio sobre o "backing" cerâmico, evitando a distorção longitudinal das chapas durante soldagem, todo o material utilizado para a fabricação do dispositivo foi de aço ao carbono. Figura 2: Dispositivo de fixação dos corpo de prova. A utilização de backings cerâmicos mostrado na figura 3 possibilita a utilização de correntes de soldagem mais altas para o passe de raiz e elimina a necessidade de goivagem, contra-solda e passe de selagem. O material também proporciona alta qualidade de raiz e facilidade de uso. O modelo utilizado foi o OK Backing Concave 9, espessura 7,3mm, largura 27mm, abertura 9mm e profundidade de 1,3mm. Este tipo de backing possui o chanfro no formato côncavo e é utilizado na soldagem de consumíveis que geram pouca ou nenhuma escória, como arames sólidos (GMAW), arames tubulares básicos e arames

5 tubulares metal-cored (MCAW). Ideal para soldagem unilateral topo a topo e de chanfros em V. Possui fita adesiva de alumínio para fixação. Figura 3 Representação do modelo de backing cerâmico utilizado, ESAB. Pré-aquecimento dos Corpos de prova Os corpos de prova foram submetidos ao aquecimento controlado em estufa elétrica construída para atender ao objetivo deste trabalho a redução da porosidade com a redução da umidade, antes e durante a soldagem. A estufa possui duas resistências elétrica com 1000W cada uma, alimentadas por tensão de 220V. O pré aquecimento foi realizado com a temperatura de 120º (esta temperatura no corpo de prova), de acordo com a AWSD1.2- D1.2M, a variação desta temperatura foi de mais ou menos 5ºC acima da temperatura indicada como padrão. A temperatura foi medida por sensor de contato ligado ao display digital. O procedimento de aquecimento foi executado conforme ordem listada nas tabelas1 e 2; chapas de alumínio foram posicionadas no dispositivo, sobre o backing cerâmico, em seguida foi posicionada a estufa sobre o dispositivo de fixação, permanecendo até a temperatura chegar em 120ºC, quando o display digital indicava 128ºC a estufa era retirada e iniciada a soldagem; Este processo foi repetido a cada passe de solda. Ao término de cada cordão de solda foi esperado que o dispositivo e o corpo de prova chegassem a temperatura ambiente de 20ºC, e o processo repetido para todos os corpos de prova que foram soldados com o pré aquecimento. As figuras 4 e 5 apresentam o sistema de aquecimento e o dispositivo de controle respectivamente.

6 Figura 4 - Vista da parte interna da estufa para aquecimento, mostra as duas resistências elétricas de 1000w cada uma. Figura 5 - O controle da temperatura durante o aquecimento comparando a medição pelo display digital e pelo termômetro a laser. Metal de adição O metal de adição utilizado para a soldagem dos corpos de prova para este trabalho é o OK Autrod 5183 ESAB 1,2 mm. Este é projetado para fornecer a maior resistência mecânica na junta soldada, proporcionando as melhores condições de soldagem para as ligas de alto magnésio. A liga deste consumível é tipicamente usada para aplicações estruturais, onde alta resistência, dureza elevada fratura para resistência ao impacto e à exposição a elementos corrosivos e corrosão marinha são relevantes e importantes. A liga não é recomendada para aplicações com temperaturas elevadas devido à sua suscetibilidade à corrosão sob tensão. A liga é não tratável termicamente.

7 RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaio de dobramento O equipamento disponível para o ensaio foi uma máquina universal de ensaios, a disposição da amostra no ensaio é regulamentada pela NBR ANBT (1988). A máquina utilizada foi EMIC DL O critério de aprovação foi estabelecido de acordo com a presença ou não de trincas na superfície convexa da amostra. A Tabela 3 apresenta a avaliação dos corpos de prova ensaiados, sendo ensaiado um corpo de prova para cada condição. Tabela 3 Parâmetros para a soldagem da Raiz dos corpos de prova. Condição Dobra de Face Dobra de Raiz A - 1 Aprovado Aprovado B - 6 Reprovado Aprovado C - 8 Aprovado Aprovado O corpo de prova B, que sofreu pré-aquecimento e foi utilizado Argônio 100% apresentou trincas na superfície da face. Provavelmente em função da superfície do cordão de solda. Anterior ao ensaio, através da inspeção visual não foi identificada alteração na superfície do corpo de prova de dobramento de face reprovado. Ensaio de Tração Foi possível avaliar diversas propriedades do material com este ensaio. Entre elas destacam-se a tensão de escoamento, tensão de ruptura, tensão máxima, alongamento, estricção. O ensaio de tração foi realizado na máquina universal de ensaios EMIC DL TRD28 com extensômetro Trd 06, as amostras foram usinadas segundo a norma ASTM E8m. Conforme resultados obtidos, podemos evidenciar na Tabela 4 que o maior valor de tensão aplicada foi pelo corpo de prova C de 258,8MPa e ainda assim inferior ao observado no metal base. Quanto ao resultado da tensão de escoamento, todas as condições

8 ensaiadas também apresentaram valores significativamente menores que o metal base. Estes valores são frutos da presença de poros em todas as condições. Tabela 4 Propriedades mecânicas obtidas no ensaio de tração. Condição Tensão Máxima Tensão Escoamento Alongamento Estricção (MPa) (MPa) (%) (%) Material Base 292,5 176, A ,8 114, B ,8 110, C ,8 122, Porosidades A porosidade é caracterizada pelo aprisionamento de bolhas de gás no cordão de solda. A análise foi realizada através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e foi feita nos corpos de prova utilizados no ensaio de tração, todos os corpos de prova foram analisados. A Tabela 5, apresenta os resultados da quantificação da porosidade em função do diâmetro médio e da quantidade de poros por mm2 presentes nas amostras. Tabela 5 Índice de poros nas amostras analisadas. Condição Diâmetro médio (micron) Poros/mm 2 A ,1 26,8 B ,6 17,5 C ,0 18,3 O corpo de prova A foi soldado com g s de proteç o arg nio e foi soldado sem pr - aquecimento. Mathers (1) e Anderson (7) citam que a causa do surgimento da porosidade diretamente relacionados com a velocidade do resfriamento do corpo de prova sabemos ue o arg nio como g s de proteç o aumenta a velocidade de solidificaç o da poça de fus o, fazendo que os gases oriundos do processo de soldagem fiquem retidos formando vazios ou

9 poros, sendo a condição com maior quantidade de poros por mm2 e ainda com maior diâmetro médio dos póros. O corpo de prova B e C apresentaram quantidade de poros por mm2 e diâmetro médio dos póros similares, sendo ambos soldados com pré aquecimento. Conforme Mathers (1) e Anderson ( 7 ) com a presença de argônio como gás de proteção aumenta a velocidade de solidificação da poça de fusão, fazendo que os gases oriundos do processo de soldagem fiquem retidos formando vazios ou poros. Ao ser promovido um aumento ou acréscimo na temperatura de soldagem os gases foram expulsos pelos mecanismos físicos da poça de fusão, contribuindo para a redução da porosidade e validando o processo. A Figura 6 apresenta a quantificação da porosidade através do MEV. Figura 6 - Análise por Microscópio de Varredura Eletrônico (MEV) Corpo de Prova 01. quantificação da porosidade 200x. Anderson (7), cita que, a porosidade pode ser diminuída por meio de vários fatores estes diretamente do processo de soldagem e os que são indiretos do processo de

10 soldagem; Quanto a escolha do percentual do hélio na mistura pode ser um fator importante e que deve ser considerado antes da soldagem. CONCLUSÕES Os resultados do presente trabalho e foram satisfatórios para a redução da porosidade, as amostras apresentaram índice de porosidade abaixo dos índices citados na norma AWS A5.10/A5.10M:2012. Das condições ensaiadas os melhores resultados de resistência mecânica foram observados na amostra que recebeu pré-aquecimento com mistura de gás de Argônio 75% e He 25% como gás de proteção, sendo esta a condição que apresentou o menor diâmetro médio dos poros nas amostras. Ainda assim, em nenhuma condição atingiu as propriedades mecânicas encontradas no metal base. O pré-aquecimento apresentou-se como sendo mais eficaz que a variação da mistura do gás de proteção na redução dos poros presentes no metal de adição. Desta forma podemos concluir que para a redução da porosidade o pré aquecimento, é fator importante para a redução da umidade da peça a ser soldada, em contra partida pode ocasionar o aumento da ZTA proporcionando a redução da resistência mecânica da junta soldada. Para poder obter uma junta soldada perfeita será necessária a troca do processo de soldagem hoje utilizado para este trabalho para um processo com maior controle dos parâmetros, Acredita-se que o processo CMT citado por Salvi (8) possa ser uma boa alternativa. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS 1. MATHERS, Gene. The welding of aluminium and its alloys.cambridge: Woodhead Publishing Limited, CARDOSO, P.H.S. ed Avaliação de Junta Soldada em uma Liga de Alumínio 5083 Paper / Fundação Universidade de Passo Fundo UPF, 7 P WOODS, R. A. Porosity and Hydrogen Absorption in Aluminium Welds. Welding Journal, V. 53, n. 3, p. 97s 108s, Mar MODENESI, Paulo J. Descontinuidades e Inspeção em Juntas Soldadas. Belo Horizonte. Universidade Federal de Minas Gerais, AWS A5.10/ Welding Consumables Wire Electrodes, Wires and Rods for Welding of Aluminum and Aluminum-Alloys Classification.

11 6. AWS D1.2/D1.2M:2008An American National Standard Approved by the American National Standards Institute June 23, ANDERSON, T Aluminium Welding Tecnilogy Director of Aluminium for ITW North America, Engineering for AWS- American Welding Society (2014). 8. SALVI, B. M. Dissertação (Mestrado) Desenvolvimento Tecnológico para Soldagem MIG de Alumínio 5083 H116 Florianópolis,SC, p. POROSITIES AUTOMATED WELDING ALLOYS THEM AL-MG ABSTRACT The present study is a preliminary analysis of the influence of heating the base material in the formation of porosity during welding of aluminum alloy type O. The welding was used MIG ( Metal Inert Gas ), performed by the robot. Has been used to weld shielding gas in the mixture of 75 % argon and 25 % helium and argon even 100 %. The filler metal was the ER5183. Compared - the mechanical properties of the base metal in the welded parts were found probably caused by variations in the number of pores found that essentially relates to the effect of preheating of the base metal.