CONDIÇÕES DE SOLDAGEM EM CAMPO DO AÇO SAE 1045 PELO PROCESSO DE ELETRODO REVESTIDO (SMAW)

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1 CONDIÇÕES DE SOLDAGEM EM CAMPO DO AÇO SAE 1045 PELO PROCESSO DE ELETRODO REVESTIDO (SMAW) J. C. V. Santos 1 ; A. A. A. Diniz 2 ; J.V.C. Souza 1 ; O. M. M. Silva 3 ; E. A. Raymundo 2, C. E.F. Santos 2 1 FEG-UNESP Av. Ariberto F. da Cunha, 333, Guaratinguetá SP, CEP , Brasil 2 FATEC Pindamonhangaba SP, Brasil; 3 DCTA/IAE/AMR S. J. C. - SP, Brasil. candido@feg.unesp.br RESUMO Os processos de soldagem é um dos mais importantes processos utilizado no mundo moderno. Dentro os processos de soldagem, o eletrodo revestido (SMAW) apresenta grande aplicabilidade industrial, em função das possibilidades de execução, baixo custo e aplicações em todas as posições. O objetivo deste trabalho é soldagem de chapas de aço SAE 1045, pelo processo SMAW, usando eletrodos AWS 7018, com diâmetro de 3,2 mm., com a finalidade de reproduzir possíveis condições de soldagem em campo. Para esse fim foi utilizado a seco em estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodo molhado (imerso em água por 48 horas), com corrente de 100 A, velocidade média de soldagem de 13 cm/min. As análises foram realizadas zona de fusão (ZF), zona termicamente afetada (ZTA) e material base (MB), utilizando líquido penetrante, microscopia óptica, ensaios mecânicos de impacto e dureza. Os resultados mostraram que as chapas soldadas com eletrodo molhado apresentaram maiores quantidades de defeitos, enquanto que o eletrodo condicionado de acordo com o fabricante apresentou junta isenta de defeitos, sendo importante o soldador seguir as recomendações dos fabricantes de eletrodo. Palavra chave: Soldagem; Aço SAE 1045; Eletrodo revestido (SMAW); Condições de soldagem; zona termicamente afetada (ZTA). 5635

2 INTRODUÇÃO A melhoria da qualidade de soldagem tem tido um contínuo desafio nas industrias metal mecanica, com exploração de novos processos e tecnicas de soldagem. Entre os processos de soldagem mais estudado, esta a soldagem por eletrodo revestido (SMAW), que pode apresentar inumeros defeitos em função do operador e condições dos materiais aplicados [1]. Muitas investigações têm sido realizadas para determinar o efeito dos parametros de soldagem, nas mudanças microestruturais e nas propriedades mecânicas das juntas soldadas [2,3]. Entretanto o processo de soldagem por SMAW, ainda apresenta vantagens de aplicações devido ser um processo que pode ser aplicado em todas as posições, convergindo com a necessidades das aplicações industriais [4]. No processo de soldagem por eletrodo revestido, essa melhoria pode ser alcançada ou prejudicada dependendo das condições de operação e da experinecia do operador. fato comum aos processos de soldagem é que a soldabilidade é uma propriedade tecnológica que representa a maior ou menor habilidade do metal base em suportar tais condições, obtendo-se um produto capaz de atender às especificações da qualidade requerida [5]. No desenvolvimento e melhoria de desempenho de materiais para aplicações estruturais, a soldabilidade ocupa lugar de destaque dentre os requisitos do cliente e das especificações técnicas do projeto [6]. Portanto o objetivo deste trabalho foi analisar as propriedades mecânicas e microestruturais da junta soldada de um aço SAE 1045 pelo processo SMAW, utilizando o eletrodo E 7018 com chanfro em V, nas condições possíveis de trabalho em campo: utilizado a seco em estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodo molhado (imerso em água por 48 horas), com corrente de 100 A, velocidade média de soldagem de 13 cm/min. As juntas soldadas foram caracterizadas com auxilio do microscópio óptico, durômetro e maquina de ensaio de impacto. Metalurgia da Soldagem No processo de soldagem, são formadas diferentes regiões onde o ciclo térmico exerce seu efeito. Essas regiões são designadas como região de poça fundida ou zona de fusão (ZF) reproduz em pequena escala todos os fenômenos que normalmente ocorrem durante a solidificação de uma liga metálica, como 5636

3 nucleação e crescimento de cristais, formação de estruturas de grãos colunares ou equiaxiais, segregação e porosidades. A zona termicamente afetada (ZTA) é a região em que normalmente ocorrem transformações no estado sólido durante a soldagem. No período de permanência em alta temperatura na soldagem dos aços, nessa zona ocorrem transformações de fase e, portanto mudanças microestrurais marcantes, que pode promover a ocorrência fenômenos críticos como transformações martensíticas, crescimento de grãos e precipitações de carbonetos duros [7]. No resfriamento de junta soldada podem ocorrer transformações no estado sólido que são dependentes da composição do aço e dos parâmetros do processo de soldagem, além das dimensões do material. Na ZTA vários fenômenos podem ocorrer, sendo importante minimizar a presença de martensita e crescimento de grão em função da redução na resistência mecânica e tenacidade [8]. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O processo de soldagem utilizado foi o Shielded Metal Arc Welding (SMAW), utilizando uma maquina da marca GSX 750 ITAIPU, eletrodos AWS E7018 da marca LINCOM, com diâmetro de 3,2 mm de diâmetro. O metal de base utilizado foi chapas de o aço SAE 1045, com (comprimento de 350mm. x largura de 80mm. e espessura da parede de 6,8mm.), com corrente de 100 A, voltagem de 24 V e velocidade média de soldagem de 13 cm/min., nas condições seco em estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodo totalmente molhado (imerso em água por 48 horas), denominados CP1, CP2 e CP3. As composições química do aço SAE 1045 e do eletrodo AWS E7018 são mostrados na Tabela 1. As caracterizações iniciais foram realizadas utilizando o ensaio por Liquido Penetrante (LP), seguida com aplicação do revelador, com tempo de 10 minutos de intervalo, conforme a norma NBR NM 334:2012 [9]. Em seguida as amostras foram retiradas na direção perpendicular ao sentido da solda, sendo cortados com uso cortadeira de laboratório denominada cutoff, posteriormente embutidas e submetidas às etapas de lixamento, com as lixas 180, 220, 320, 400, 600, 1200, e polimento, em panos com pasta de diamante de 6μm, 3μm, 1μm e 0,25μm. Posteriormente as amostras foram atacados utilizando ataque químico denominado Nital com 3% por 10 segundos para exame metalográfico, com o uso de um microscópico esteroscópico para identificação das 5637

4 regiões de ZF, ZTA e MB. Após identificação das regiões foi utilizado microscópico óptico Olympus BX51M 1000X para análise das microestruturas. Para os ensaios de impacto foi utilizado uma máquina (Time Group INC. JB- W300A), com martelo pendular com capacidade de até 300J e o tipo de entalhe utilizado foi Charpy tipo A. Para retirada dos corpos de provas das chapas foi utilizado processo de usinagem por fresamento, de acordo com norma ASTM (dimensões de 5 x 10 x 55 mm) [10]. Para cada condição foram retirados nove corpos de prova, e os entalhes foram realizados com o uso de uma maquina brochadeira da marca Time Group INC. LS71-UV, nas regiões; metal de base (MB) zona termicamente afetado (ZTA) e zona fundida (ZF), conforme ilustrado na Figura 1. Os ensaios de dureza foram realizados em corpos de provas preparados metalograficamente utilizando um durômetro Analógico da marca Pantec, modelo RASN RS+187,5 kgf, penetrador cônico de diamante (120 ) aplicando uma carga de 60 Kgf. Foram realizados 12 endentações em cada região (ZTA, ZF e MB) dos corpos de provas, para obtenção de desvio padrão. Tabela 1: Composição química do aço SAE 1045 e do eletrodo E7018 SAE/AWS C % S Al Si P Cr Mn Ni Cu ,48 0,0241 0,003 0,18 0,020 0,05 0,66 0,04 0,10 E ,30 0,035-0,45 0,035-0, Fig.1. Ilustra as regiões de retirados dos CDPs para os ensaios (MB, ZTA e ZF). 5638

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos mostram que as condições de uso dos eletrodos promovem variações microestruturais importantes, que apresenta significativas mudanças das propriedades mecânicas. Análise da microestrutura do metal de base A análise do reconhecimento prévio do aspecto microestrutural do metal base se torna importante para evidenciar as diferenças microestruturais promovidas pelo processo de soldagem, conforme Figura 1. Fig. 2. Microestrutura do aço SAE 1045, atacada com Nital 3% Analisando a microestrutura do metal de base (SAE 1045), observou que as fases predominantes são ferrita(f) e perlita(p). Entretanto essas fases podem ser mudadas durante o processo de soldagem, em função da taxa de aquecimento e resfriamento e dos elementos de ligas existente no eletrodo e no material base. Analise dos resultados obtidos pelo ensaio de liquido penetrante (LP) A análise utilizando liquido penetrante se faz importante neste trabalho para reproduzir as condições utilizadas nas indústrias, e tem como objetivo identificar possíveis falhas ocorridas durante o processo de soldagem. Os corpos de prova (juntas soldadas) foram preparados de acordo com a norma NBR NM 334:2012. Os 5639

6 testes foram realizados nas juntas soldadas sob as condições de eletrodos seco em estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodos totalmente molhado (imerso em água por 48 horas), denominados CP1 e CP2, respectivamente, Figura 3a) e 3b). Analisando os resultados podemos observar os CDPs soldados sob as condições do fabricante não apresentaram defeitos visíveis a olho nu, enquanto que os totalmente molhados apresentaram defeitos superficiais denominados poros. Esses resultados evidenciam a importância do controle de juntas soldadas utilizando o processo de análise por liquido penetrante, o qual é muito utilizado nas indústrias metal mecânico. CP1 CP2 CP1 CP2 Fig. 3: a) CDP com liquido penetrante aplicado (CP1 e CP2); b) CDP após a aplicação do revelador (CP1 e CP2). Análise das macrografias das juntas soldadas O uso de análises por macrografias em juntas soldadas têm como objetivo importante para identificar as regiões distintas da ação do calor durante a soldagem, bem como revelar defeitos preliminares em soldagem. Para obtenção das Figuras 4a) e 4b), as amostras foram atacadas com uma solução contendo 10% nital por 10segundos. As condições dos eletrodos utilizados são representados sob: eletrodo seco em estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodos totalmente molhado (imerso em água por 48 horas), denominados CP1 e CP2, respectivamente. 5640

7 CP1 CP2 Fig. 4: a) Macrografia do CP1 e b) Macrografia do CP2. A Figura 4 mostra os aspectos das juntas soldadas, podendo ser observado às distintas regiões da ZTA, ZF e MB. As análises macrográfica mostra a influência das condições das juntas soldadas, sendo observado que no CP1 não apresenta defeitos aparentes, enquanto que no CP2 pode ser observado á presença de um poro (PO) na superfície do cordão de solda, possivelmente causou vacância de oxigênio devido a alta temperatura e o rápido resfriamento em função da utilização do eletrodo totalmente molhado, o qual possui em sua estrutura quantidades excessiva de oxigênio contido na água. Análise das microestruturas das juntas soldadas Essas análises se fazem importante a fim de identificar as variações microestruturais ocorridas nas juntas soldadas na região da zona fundida que apresenta as mudanças mais significativas em função das condições dos eletrodos utilizados. Zona fundida (ZF) As caracterizações foram obtidas em função das observações qualitativas dos constituintes, conforme sua morfologia em função das condições de uso dos eletrodos na junta soldadas, destacando a ZF, denominada CP1 e CP2, representadas nas Figura 5a) e 5b) respectivamente. 5641

8 Fig. 5a) Micrografia do CP1. Fig. 5b) Micrografia do CP2 Analisando as Figura 5a) podemos observar a presença de uma microestrutura é composta basicamente de Ferrita primaria de contorno de grão (PF(G)) e Ferrita acicular (AF), Ferrita de segunda fase alinhada (FS (A)) e Ferrita de segunda fase não alinhada (FS (NA)), enquanto que na Figura 5b) podemos observar que com o uso do eletrodo totalmente molhado, a umidade promoveu a redução da PF(G), houve o surgimento de PF (I), sendo isto uma consequência da redução da taxa de resfriamento da ZF, em conjunto com possíveis variações dos parâmetros de soldagem utilizados. Pode concluir que com a umidade aumentada no eletrodo, o resfriamento torna-se mais lentos, e isso induzem a difusão do carbono que promove a nucleação de ferrita primária no interior dos grãos austeníticos gerando 5642

9 PF (I) ou nos contornos dos grãos gerando PF(G). Fazendo um comparativo entre as microestruturas obtidas das Figura 5a) e 5b) podemos observar importantes mudanças microestruturais, as quais refletem na redução das propriedades mecânicas das juntas soldadas. Avaliação das propriedades mecânicas Os resultados dos ensaios de impacto e dureza confirmam as diferenças observadas nas microestruturas das juntas soldadas em diferentes condições de soldagem. nesta avaliações serão utilizados as regiões da ZTA, ZF e MB. Análise dos resultados obtidos nos ensaios de impacto A Tabela 2 mostra os resultados obtidos nos ensaios de impacto para as condições utilizadas. Analisando as regiões soldadas ZTA, ZF e MB, podemos observar grandes diferenças de energias absorvidas. Tab. 2. Leitura do ensaio de impacto (CPI = Eletrodo seco e mantido em estufa e CP2 = eletrodo totalmente molhado) Condição de armazenagem CP1 CP2 MEDIAS Região do entalhe Resistência ao impacto J/cm2 Energia absolvida Ak(J) Resistência ao impacto J/cm2 Energia absolvida Ak(J) ZTA 21,96 ± 5 17,53 ± 4 19,43 ± 4 15,57 ± 4 ZF 83,26 ± 9 66,6 ± 8 60,86 ± 8 48,67 ± 7 MB 13,36 ± 4 10,67 ± 3 13,33 ± 4 10,67 ± 3 Analisando os resultados obtidos na Tabela 2, para efeito comparativo entre as condições de armazenamento dos eletrodos em função das resistências mecânica dos corpos de prova observou que o CP1 apresentou maior resistência ao impacto do que o CP2 tanto na ZF quanto na ZTA. Para o metal de base, os valores são iguais devido ao fato de não terem sido afetados pelo processo. Os resultados 5643

10 observados acima mostram que a tenacidade à fratura da ZF é influenciada pela presença da AF e aumenta com o aumento desta. entretanto os resultados obtidos converge com os aspectos observados nas microestruturas das região ZF, e converge com os estudos realizados por Maciel, et AL (1997) [11]. Assim estes resultados confirmam a importância do armazenamento dos eletrodos seguindo as recomendações dos fabricantes. Análise dos resultados dos ensaios de dureza A Tabela 3 mostra os resultados os resultados obtidos nos ensaios de dureza utilizando diferentes condições de soldagem nas regiões do MB, ZTA e ZF. as medidas de dureza foram realizadas na seção transversal da junta na direção da espessura para o metal de solda e para a ZTA com o objetivo de avaliar o efeito das alterações microestruturais provocadas pelos condições dos eletrodos utilizados. Tab.1. Resultados dos ensaios de dureza realizados nas juntas soldadas Materiais CP1 CP2 Localizações das medições Medias das Dureza [HRA] MB 54,04 ZTA 58,75 ZF 56,29 MB 54,08 ZTA 55,87 ZF 53,08 Analisando os valores de dureza obtidos nos CP1 e CP2 para o MB, ZTA e ZF, podemos observar que os valores de dureza apresentam menores valores para o CP2 que utilizou eletrodo molhado devido possivelmente a falta de fusão nas regiões da ZTA e ZF, onde a presenças de altas temperaturas. Provavelmente essas regiões formaram poros e vazios, o que causa redução de dureza na microestrutura das juntas soldadas. Entretanto os maiores valores de dureza obtidos no CP1 podem estar relacionados à formação de carbonetos devido ao alto teor de carbono existente no aço SAE Isto é possível concluir devido à dureza é um fenômeno 5644

11 inversamente proporcional à tenacidade a fratura que têm como características maior absorção de energias. 5645

12 CONCLUSÕES Os resultados obtidos nos ensaios de impacto e dureza confirmam que os corpos de prova que foram soldados com eletrodos molhados apresentaram menores valores quando comparados aos realizados com eletrodos que foram armazenados de acordo com as recomendações dos fabricantes. As imagens obtidas por macrografia e micrografia mostram a importância do uso em soldagem dos eletrodos armazenados de acordso com as recomendações dos fabricantes. O uso do eletrodo molhado promoveu aumento dos indices de defeitos nas juntas soldada, em comparação com os eletrodos que foram mantidos em estufa até a hora da soldagem. Os resultados obtidos neste trabalho vem de encontro com os avanços tecnológicos nas indústrias metal mecânica, confirmando a importância das condições de soldagem na redução de custos, evitando retrabalho ou falhas de componentes em serviços. 5646

13 REFERÊNCIAS 1. Klenk A, Issler S, Shibli IA, Williams JA. Some characteristics of weld repair for creep applicaions. OMMI, Innogy, Operat Eng 2003;2(1):1e Overbeke JL, Alting AJ, Jonkers PAM. Influence of weld parameters on fatigue strength under CA and VA loading of welded joints in HSLA steels. IIW Doc. 1991; No. IIW-XIII Rading GO. Effect of welding on the fatigue crack growth rate in a structural steel. Welding J 1993;71:307s 11s. 4. Parmar RS. Welding processes and technology. 2nd ed. New Delhi: Khanna Publishers; Alessandro Ascari, Alessandro Fortunato, Nanosecond pulsed laser welding of high carbon steels, Optics &LaserTechnology 56(2014) Ravindra Kumar, V.K. Tewari, Satya Prakash, Oxidation behavior of base metal, weld metal and HAZ regions of SMAW weldment in ASTM SA210 GrA1 steel, Journal of Alloys and Compounds 479 (2009) FELIPPE, L.; DUTRA, J. C. Desenvolvimento de tecnologias e de equipamentos para a recuperacao por soldagem de tubos de parede de agua de caldeira. P&D ANEEL / M Yousefieh, M Shamanian, A Saatchi, Influence of Heat Input in Pulsed Current GTXW Process on Microstructure and Corrosion Resistance of Duplex Stainless Steel Welds, JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH, INTERNATIONAI,. 2011, 18(9): 65-69, ABNT NBR NM 334. Ensaios Não Destrutivos - Líquido Penetrante Detecção de Descontinuidades; Associação Brasileira de Normas Técnicas, Norma ASTM AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS; Standard Test Methods fornotched Bar Impact Testing of Metallic Materials; AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. Warrendale, MACIEL, T. M. ; ALCANTARA, N. G. ; KIMINAMI, C. S.Variaciones de La Microestructura y Dureza com eltiempo de Enfriamiento em Metales de Soldadura de Aceros de Alta Resistencia e Baja Aleacón. v. 08, InformacionTecnologica, La Serena Chile,

14 WELDING CONDITIONS IN FIELD OF SAE 1045 STEEL BY SHIELDED METAL ARC WELDING (SMAW) J. C. V. Santos 1 ; A. A. A. Diniz 2 ; J.V.C. Souza 1 ; O. M. M. Silva 3 ; E. A. Raymundo 2, C. E.F. Santos 2 1 FEG-UNESP Av. Ariberto F. da Cunha, 333, Guaratinguetá SP, CEP , Brasil 2 FATEC Pindamonhangaba SP, Brasil; 3 DCTA/IAE/AMR S. J. C. - SP, Brasil. candido@feg.unesp.br ABSTRACT The welding process is the most important process using in world modern. without of welding process, the Shielded Metal Arc Welding (SMAW) present important industrial applicability due to at facility to apply, low cost and application in all positions. The objective this paper is welding of steel plate of SAE 1045 by SMAW, using electrode AWS 7018 with 3.2 mm in diameter with objective to reproduce real conditions in industrial field. For this has been used electrode in dry conditions of agreement with standard N133 Petrobras and immerse in water by 24 h, current of 100A, welding speed of 13cm/mm. The analyses were examined in the heat-affected zone (HAZ), fusion zone (ZF) and base metal (BM), using penetrate liquid (PL), optic microscopic, mechanical tests of impact and hardness. the results showed that the steel plate welding with electrode in the condition of standard N133 to presented low defects while that the immerse in water by 24 h presented porous, reduction of hardness and low energy absorption. These results recommend using fabricant conditions to promote at cost reduction and re-work. Keywords: Welding; SAE1045 steel; Shielded Metal Arc Welding (SMAW); Welding condition and heat-affected zone (HAZ). 5648