Reparação de moldes de injecção de plásticos por soldadura. B. Silva, I. Pires, L Quintino

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1 Reparação de moldes de injecção de plásticos por soldadura B. Silva, I. Pires, L Quintino IDMEC, Instituto Superior Técnico, Av. Rovisco Pais, Lisboa, Portugal Resumo Actualmente, a tecnologia de soldadura é uma ferramenta muito utilizada, quer na fase de fabrico, quer durante o ciclo de vida do molde. No entanto, apesar da importância desta tecnologia no sector, a grande maioria das empresas fabricantes de moldes não lhe dá a atenção merecida - verificando-se que existe pouco conhecimento sistematizado sobre os princípios básicos da soldadura de aços-ferramenta, bem como sobre os diversos processos alternativos de soldadura possíveis de serem utilizados nesta área. Face ao exposto, foi objecto do presente trabalho a análise do comportamento metalúrgico dos aços AISI P20 e H13, frequentemente utilizados no fabrico de moldes de injecção de plásticos, após soldadura. Para o efeito foram realizados vários ensaios onde se analisou a influência dos parâmetros de soldadura e da realização ou não de pré-aquecimentos na qualidade das soldaduras obtidas, usando três processos de soldadura distintos: TIG, Plasma e Laser. A qualidade das soldaduras foi avaliada com base nas microstruturas das diferentes regiões, bem como nos perfis de dureza. 1. Introdução A tecnologia da soldadura é frequentemente utilizada na reparação de moldes de injecção de plásticos, i.e. em operações que envolvem a deposição de material nas cavidades moldantes. Estas reparações podem ocorrer, quer durante o fabrico do molde: devido a erros de maquinagem ou a alterações ao projecto do molde, como resultado

2 de mudanças na geometria da peça, quer durante a injecção, onde é necessário reconstruir algumas zonas localizadas do molde, que devido ao próprio processo sofreram erosão e desgaste. As reparações feitas nos moldes são difíceis de contabilizar, uma vez que um molde pode ser corrigido várias vezes durante a fase de produção e alterado durante o seu ciclo de vida [1]. A aplicação das tecnologias da soldadura na reparação de moldes não é uma tarefa fácil devido, quer ao próprio material (constituído por elevados teores em elementos de liga e aquando da reparação encontrar-se no estado temperado e revenido), quer à própria geometria dos moldes (formas complexas, espessuras finas, zonas de difícil acesso com tolerâncias apertadas). A soldadura dos moldes é, também, extremamente exigente no que se refere aos conhecimentos mecânicos e metalúrgicos, bem como à experiência do soldador [2-5]. Actualmente, os procedimentos de soldadura aplicados à reparação de moldes são elaborados tendo como base as recomendações fornecidas pelos fabricantes de aço [6]. Estas indicações são frequentemente pouco esclarecedoras relativamente aos fenómenos metalúrgicos que podem ocorrer quando o material é sujeito a ciclos térmicos de soldadura, que dependem dos processos e procedimentos utilizados. Este conhecimento é fundamental para definir procedimentos de reparação correctos e adequados a diferentes tipos materiais e geometrias. A utilização correcta das tecnologias da soldadura na reparação de moldes poderá ajudar os fabricantes de moldes a obter soldaduras de melhor qualidade, bem como facilitar a sua implementação, com benefícios claros em termos de qualidade e custos tanto para os fabricantes como para os utilizadores dos moldes 2. Materiais e procedimento experimental De forma a atingir os objectivos propostos, foram realizados vários cordões de soldadura usando três processos de soldadura distintos: TIG, Laser e Plasma, em dois materiais base: AISI P20 e H13. Estes são ambos aços ferramenta largamente utilizados na indústria de moldes, sendo que o

3 primeiro é um aço temperado e revenido, estudado nessa condição, enquanto que o segundo é um aço, designado de endurecimento profundo, que foi estudado nas condições de recozido e de temperado e revenido. Para os materiais base em estudo utilizou-se o material de adição CARBO T- SG CrMo 1, para o aço P20 e o CARBO T-2567, para o H13. A composição química dos materiais base e dos materiais de adição estão indicados na tabela 1. C Mn Cr Mo V Si W Cu Ceq P H M.A. P M.A. H Tabela 1 Composição química dos aços P20, H13 e do material de adição respectivo. A metodologia seguida foi idêntica para os três processos de soldadura, embora existam algumas diferenças devido às características inerentes aos próprios processos. Depois de realizados os cordões, efectuaram-se cortes transversais nos mesmos, por forma a obter-se amostras para análise metalográfica e para realização de ensaios de dureza. Estas amostras foram polidas e atacadas com uma solução de Nital 2%. A dureza vickers foi medida com uma carga de 1 Kgf (HV1) e com intervalos entre indentações de 0.25mm, que incluíram o material base, zona afectada pelo calor e zona de fusão (fig1). ZF ZAC MB Figura 1- Esquema com os pontos de medição de dureza.

4 2.1. Processos de Soldadura Realizaram-se ensaios utilizando três processos de soldadura considerados de elevada qualidade e utilizados em reparação de aços na gama de composições indicada. A estes processos estão associados ciclos térmicos diferentes pelo que será expectável obter características diferentes nas zonas soldadas. A selecção destes processos deveu-se ao facto de serem os referidos pela industria e em publicações como os processos mais adequados para este tipo de reparações, devido a permitirem um bom controlo da entrega térmica e a obtenção de cordões sem defeitos, metalurgicamente capazes de suportar as condições de funcionamento dos moldes Processo de Soldadura TIG Com este processo foram depositados cordões em placas de aço com 100mmx60mm e 24mm de espessura, de acordo com o esquema da figura 2, utilizando quatro níveis de intensidades de corrente (90, 100, 110 e 120 A) e duas velocidades de soldadura (7 e 15 cm/min). A velocidade de alimentação do material de adição foi, em cada ensaio, ajustada de modo a se obterem cordões com bom aspecto superficial. Para analisar o efeito da temperatura de pré-aquecimento, utilizaram-se dois valores de temperaturas: 250 e 350 ºC, e em alguns ensaios não se efectuou qualquer pré-aquecimento. Figura 2 - Esquema de deposição dos cordões. Foram igualmente realizados ensaios sobrepondo vários cordões de soldadura, com o objectivo de avaliar o efeito de ciclos térmicos sucessivos

5 na microestrutura e dureza dos mesmos (comportamento idêntico ao que se verifica aquando da construção de castelos), usando dois níveis de intensidade de corrente (90 e 120A) e duas velocidades de soldadura (7 e 15 cm/min) (fig 3). Figura 3 Figura ilustrativa de soldaduras com cordões sobrepostos. Após soldadura, algumas amostras foram sujeitas a um pós-tratamento térmico de soldadura (revenido), para a avaliar a possibilidade de se obter uma distribuição uniforme de dureza no cordão de soldadura, na zona afectada pelo calor e no metal base. Estes ensaios permitiram analisar a influência do pós-tratamento térmico nas características dos cordões de soldadura. O pós-tratamento foi feito apenas em algumas amostras soldadas a TIG, no aço P20, uma vez que com outros processos os resultados deveriam ser idênticos Processo de Soldadura por Plasma Tal como referido anteriormente, para as soldaduras plasma utilizou-se um procedimento de soldadura idêntico ao do processo TIG. Foram realizados depósitos simples e sobrepostos usando dois níveis de intensidade de corrente (75 e 90A) e duas velocidades de soldadura (5 e 7.5cm/min). Foi utilizada uma temperatura de pré-aquecimento de 350ºC Processo de Soldadura Laser As soldaduras foram realizadas com um laser de Nd-YAG laser. A potência do pulso variou de 3 a 4.14Kw, a duração do pulso de 7 a 9 ms e a frequência do pulso manteve-se constante e igual a 8.5Hz. A velocidade de soldadura utilizada foi de aproximadamente 0.2cm/s. Todas as soldaduras laser foram realizadas sem pré-tratamento, seguindo as práticas industriais

6 correntes, não foi igualmente realizado pós-tratamento térmico após soldadura. Convém referir, no entanto, que antes da realização da soldadura se passou o feixe laser sobre a zona a soldar (prática comum nas empresas reparadores de moldes com Laser). 3. Apresentação e discussão dos resultados 3.1. Aspecto superficial dos depósitos No que diz respeito ao aspecto macroscópico dos cordões depositados, observou-se que todos os processos dão origem a soldaduras sem defeitos superficiais visíveis, apesar de os cordões obtidos com Laser serem mais planos e regulares e apresentarem melhor homogeneidade superficial (fig. 4). Figura 4 - Aspecto superficial de cordões obtidos pelo processo a) TIG; b) Plasma; c)laser No entanto, após o corte e polimento da secção transversal de alguns cordões feitos com o processo de soldadura Laser, observou-se que alguns dos depósitos apresentam defeitos causados por fusão incompleta do material base (fig 5). Estes defeitos podem ser causados por pequenas variações da velocidade de soldadura (processo manual), ou por outros factores dependentes da experiência/desempenho do soldador, tais como posicionamento do fio em relação ao feixe laser.

7 Figura 5- Depósitos feitos pelo processo de soldadura Laser, ilustrando: a) e c) fusão incompleta, b) ausência de defeitos Relativamente às dimensões dos cordões e zona Afectada pelo calor verificou-se, tal como seria de esperar que para o caso do Laser a Zona Afectada pelo Calor (ZAC), bem como largura e penetração dos cordões têm menores dimensões (0.3mm; mm e 0.04mm, respectivamente) comparativamente às dos cordões obtidos por TIG e plasma (1.8mm; mm e mm, respectivamente) Estes resultados indicam que tanto o processo de soldadura TIG, bem como o Plasma são mais indicados para reparação de áreas, enquanto o laser para a deposição de linhas Microestruturas e distribuição da dureza Aço P20 Relativamente ao aço P20, a análise metalográfica ilustrada na figura 6, bem como os resultados dos ensaios de dureza (fig 7-9) indicam que em todos os casos estudados tanto a zona de fusão (ZF), como a Zona Afectada pelo Calor (ZAC) (dureza Max=726 HV1 e Min=474 HV1) são formadas por martensite de elevada dureza, e que o Material Base, com uma dureza média de 300 HV1, é formado por martensite revenida (este aço é fornecido na condição de temperado e revenido).

8 Figura 6 - Fotomicrografia SEM de: a) Metal fundido, b) Zona Afectada pelo Calor, c) Metal Base de uma soldadura TIG feita no aço P20 Comparando os diferentes processos de soldadura entre si, verificou-se que os resultados são idênticos excepto ao nível da amplitude da dureza, apresentado o processo Laser valores ligeiramente inferiores, seguindo-se o Plasma e por fim o TIG. Figura 7 - Evolução da dureza para o aço P20 soldado por TIG, com pré-aquecimento de 350 ºC.

9 Figura 8 - Evolução da dureza para o aço P20 soldado por Plasma, com pré-aquecimento de 350 ºC. Figura 9 Microestrutura e perfil de dureza para o aço P20 soldado por Laser, sem préaquecimento. Tendo por objectivo verificar se a deposição de cordões adjacentes/sobrepostos, e consequentemente o efeito térmico a eles associados, permite revenir a martensite formada no cordão anterior, foram realizados três cordões adjacentes com sobreposição. Através dos resultados destas análises verificou-se que apesar de existir um efeito de revenido em certas zonas do cordão, que dá origem a uma diminuição de dureza, esse efeito não é uniforme, continuando, assim, a existir variações de dureza (fig. 10).

10 Figura 10 -Evolução da dureza ao longo de uma linha paralela á superfície da placa, para o caso de três cordões adjacentes com sobreposição, feitos pelo processo TIG no aço P20, com pré-aquecimento de 350 ºC Os resultados obtidos indicam que é indispensável a realização de um revenido após a soldadura, com a finalidade de reduzir e uniformizar os níveis de dureza na ZAC e na zona de fusão (fig. 11).

11 Figura 11 - Evolução da dureza ao longo de uma linha paralela á superfície da placa, após tratamento térmico de revenido, de uma amostra soldada a TIG, no aço P20. Aço H13 Relativamente ao aço H13, a análise metalográfica, indica que existe martensite, tanto na ZAC, como na zona de fusão (tal como se verificou para o P20). Através dos resultados de dureza, representados nas figuras 12-14, verifica-se que nos limites da ZAC existe uma zona com dureza inferior à do material base, zona essa que deverá dever-se a fenómenos de sobre-revenido. Ao contrário do aço P20, onde os problemas se prendiam com zonas de dureza elevada que podiam ser eliminadas com um tratamento de revenido após a soldadura, neste caso a única maneira de eliminar as zonas de baixa dureza que se formam é através de um tratamento completo de tempera e revenido. Figura 12- Evolução da dureza para o aço H13 soldado por TIG, com préaquecimento de 350 ºC.

12 Figura 13- Evolução da dureza para o aço H13 soldado por Laser, sem préaquecimento. Figura 14- Evolução da dureza para o aço H13 soldado por Plasma, com préaquecimento de 350 ºC. Soldando o aço no estado recozido é possível obter após tratamento térmico de têmpera e revenido uma estrutura idêntica à do material não

13 soldado (fig 15), tal como se verifica para o caso em que o aço é soldado no estado temperado e revenido e de seguida sujeito a um tratamento térmico idêntico. Verificou-se, ainda que apesar do material de adição utilizado não ser exactamente igual ao material base, origina uma zona de fusão que responde ao tratamento térmico de forma muito semelhante ao material base. Figura 15 - Perfil de dureza, aço H13 soldado no estado recozido e posteriormente, temperado e revenido. No que diz respeito à influência da entrega térmica e das temperaturas de pré-aquecimento (fig 16), verifica-se que a dureza diminui apenas ligeiramente com o aumento destes parâmetros (na gama estudada). A não realização de qualquer pré-aquecimento, é desaconselhada, apesar dos resultados em termos de dureza serem apenas ligeiramente superiores aos dos mesmos ensaios realizados com pré-aquecimento, no entanto deverá ter-se cuidado pois haverá um maior risco de fissuração após soldadura.

14 Figura 16 - Influência da temperatura de pré-aquecimento na distribuição de durezas, aço H13, processo de soldadura TIG. 4. Conclusões Os resultados dos ensaios experimentais permitiram concluir: 1. relativamente aos materiais base: a) Aço P20 -Após soldadura os cordões apresentam regiões com valores de dureza superiores aos do material base, valores esses correspondentes a uma microestrutura martensítia. Nas soldaduras efectuadas sobrepondo vários cordões (situação idêntica à construção de castelos), verificou-se que algumas zonas foram revenidas devido aos vários ciclos térmicos impostos. No entanto, este procedimento não permite a obtenção de uma distribuição uniforme de durezas entre o metal base, a zona fundida e a zona afectada pelo calor. Esta só é possível realizando um tratamento térmico de revenido, após soldadura. b) Aço H13 -Os resultados foram idênticos aos obtidos com o aço P20, indicando a presença de martensite tanto na zona afectada pelo calor, como na zona de

15 fusão. No entanto, para o aço H13 a zona afectada pelo calor apresenta uma dureza inferior à do material base, devido a um efeito de sobrerevenido. -Ao contrário do aço P20, onde os pontos críticos se devem a regiões de elevada dureza na zona afectada pelo calor, que podem, no entanto, ser reduzidos para valores idênticos aos do material base, através de um tratamento térmico de revenido após soldadura. Para o aço H13 soldado, quer na condição de temperado e revenido, quer na situação de recozido, a única maneira de se obterem níveis de dureza idênticos aos do material base (condição temperado e revenido) é através de um tratamento térmico completo após soldadura de tempera e revenido. - A temperatura de pré-aquecimento não provoca grandes alterações ao nível de valores de dureza, diminuindo apenas ligeiramente o seu valor com o aumento da temperatura de pré-aquecimento até 350ºC. 2. Relativamente aos processos de soldadura a) Processos TIG e Plasma: - As dimensões dos cordões, bem com a zona afectada pelo calor são mais elevadas comparativamente às dos cordões obtidos por Laser. Estas características poderão ser uma vantagem na reparação de áreas maiores, onde é necessário adicionar mais matéria,l com taxas de deposição superiores. - Os valores de dureza obtidos são apenas ligeiramente superiores aos valores apresentados nas soldaduras Laser, possivelmente devido a uma diminuição do tamanho do grão da autenite, com este último processo.

16 - Deverá ser realizado um tratamento térmico após soldadura de maneira a obter-se um perfil de durezas uniforme ao longo do metal base, zona afectada pelo calor e metal fundido. b) Processo de soldadura Laser Nd-Yag -Devido às características deste processo não foi usado qualquer préaquecimento antes da realização das soldaduras. Os cordões obtidos são uniformes, regulares, de dimensões reduzidas e isentos de defeitos superficiais. As características destes cordões fazem com que este processo seja ideal para a reparação de pequenas áreas/detalhes nos moldes e em postiços. -Através da análise das secções transversais dos cordões de soldadura foram detectados em algumas amostras defeitos relacionados com faltas de fusão. Estes não são detectáveis pelo soldador, e vêm reforçar a importância da escolha adequada dos parâmetros e procedimentos de soldadura. -A zona afectada pelo calor apresenta níveis de dureza diferentes dos do material base. No entanto, as dimensões reduzidas desta zona fazem com que não seja necessário a realização de tratamentos térmicos após soldadura. Convém referir, no entanto, que se for requerido uma maior qualidade e desempenho do molde o pós-tratamento térmico deverá ser realizado. A reparação de moldes por soldadura, se feita correctamente, dá origem a moldes com boas propriedades e com um desempenho melhorado. As empresas fabricantes de moldes, bem como as empresas de reparação têm à sua disposição uma diversidade de processos e procedimentos que,

17 quando bem seleccionados, levam a um aumento de fiabilidade e duração da vida molde com o consequente impacto na redução dos custos. Agradecimentos Este trabalho foi suportado pelo POCI 2004/FCT/Portugal. Referências Bibliográficas [1] Peças P, Henriques E., Pereira B., Lino M., Silva M. Fostering the use of welding technology in the mould repair. RPD 2006 Building the Future by Innovation. [2] Roy S., Francoeur M. Options for restoring molds, September, [3]Capello E., Previtali B. The influence of operator skills, process parameters and materials on clad shape in repair using laser cladding by wire. Journal of Materials Processing Technology 174 (2006) [4] Preciado W. T., Bohorquez C. E. N. Repair welding of polymer injection molds manufactured in AISI P20 and VP50IM steels. Journal of Materials Processing Technology 179 (2006) [5] Vedani M. Microstructural evolution of tool steels after Nd-YAG laser repair welding. Journal of Material Science 39 (2004) [6] Thyssen Portugal Aços e Serviços, Lda. Catálogo de aços-ferramenta