Palavras-chave: tempo de resfriamento; microestrutura; junta soldada; dureza; aços ARBL

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1 INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE SOLDAGEM SOBRE A MICROESTRUTURA DE JUNTAS SOLDADAS DE AÇOS ARBL Theophilo Moura Maciel, Cássia Maria Farias Lopes UFPb-CCT- DEM theo@dem.ufpb.br RESUMO Neste trabalho foi avaliado efeito da variação do tempo de resfriamento entre 800 C e 500 C ( t 8/5 ) sobre a microestrutura e dureza de juntas soldadas de aços de Alta Resistência e Baixa Liga. Para tanto foram realizadas análises metalográficas e medidas de dureza nos metais de solda e nas regiões de grãos grosseiros e de grãos finos da Zona Termicamente Afetada das juntas soldadas sob diferentes energias de soldagem e temperaturas de pré-aquecimento, utilizando-se os processos de soldagem ao Arco Elétrico com Eletrodo Revestido e ao Arco Elétrico com Arame Tubular. Para a obtenção dos valores de t 8/5 utilizou-se um sistema de aquisição de dados com um termopar localizado a uma determinada distância da linha de fusão de solda. Os resultados obtidos mostraram que as variações nos valores de t 8/5 causadas pelas alterações nos parâmetros de soldagem não proporcionaram alterações significativas na microestrutura dos metais de solda entretanto proporcionaram alterações consideráveis nos valores de dureza das regiões da ZTA. Palavras-chave: tempo de resfriamento; microestrutura; junta soldada; dureza; aços ARBL ABSTRACT In this work the effect of cooling time between 800 C and 500 C ( t 8/5 ) on the microstructure and hardness of High Strength Low Alloy steel welded joints was evaluated. For this purpose, microstructural analysis and hardness tests of the weld metals and of coarse and refined regions of the heat affected zone (HAZ) of joints welded with differents heat inputs and differents preheat temperatures were carried out. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31901

2 As welding processes both the Shielded Metal Arc and Flux Cored Arc were used. To obtain the t 8/5 values a data acquisition system with a thermocouple inserted at a fixed distance from the weld fusion line was used. The results showed that the variations of t 8/5 values induced by the weld parameters variations were not sufficient to produce significants changes on the weld metals microstructure. However considerables alterations on the hardness values of the differents regions of HAZ was observed. Keywords: Cooling time; microstucture; welded joints; hardness; HSLA steels INTRODUÇÃO As propriedades mecânicas de juntas soldadas de aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) dependem fundamentalmente da microestrutura resultante na zona fundida ou metal de solda e nas diferentes regiões da zona termicamente afetada (ZTA), as quais, por sua vez, dependerão da composição química dos metais de base e de adição e da variação do ciclo térmico a que se submete a junta durante a soldagem.[1-4] A ZTA é constituída basicamente de uma região de grãos grosseiros (RGG) vizinha à linha de fusão de solda e uma região de grãos finos (RGF) mais afastada desta linha. A RGG nos aços ARBL, devido às altas taxas de resfriamento nesta região e à sua granulometria, é geralmente constituída de Martensita de elevada dureza, cujo valor será tanto maior quanto maior for a porcentagem de carbono e de elementos de liga e quanto maior for a taxa de resfriamento. Com relação ao metal de solda, os principais microconstituintes, de acordo com a nomeclatura utilizada internacionalmente e proposta pelo IIW (International Institute of Welding) são a Ferrita Acicular (AF) e a Ferrita Primária (PF). O primeiro por possuir reduzida granulometria com contornos de grão de alto ângulo e alta densidade de discordâncias, proporciona uma elevada resistência mecânica associada a uma boa tenacidade, enquanto que a PF possui características de baixa dureza e, conseqüentemente baixa resistência à propagação de trincas [5,6]. A maior ou menor presença de cada AF ou PF dependerá da composição química do metal de solda e da taxa de resfriamento na junta. Quanto maior a taxa de resfriamento maior o percentual de AF, ocorrendo o contrário com os percentuais de PF [7-10]. A principal variável do ciclo térmico de soldagem utilizada para avaliar a taxa de resfriamento em juntas soldadas de aços é o tempo de resfriamento entre 800 C e 500 C ( t 8/5 ), o qual pode ser obtido por estimativas teóricas ou métodos simulados ou CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31902

3 por método direto com termopares localizados diretamente na junta sob soldagem[7-9, 11-16]. Os principais parâmetros de soldagem responsáveis pela variação de t 8/5, são a energia de soldagem e as temperaturas de pré-aquecimento ou de interpasse utilizadas [4,7,17,18]. Neste trabalho foram avaliados efeitos da variação dos valores de t 8/5 medidos por método direto, sobre a microestrutura e dureza do metal de solda e da ZTA de juntas soldadas de aços ARBL variando-se a energia de soldagem e a temperatura de préaquecimento. MATERIAIS E MÉTODOS Os processos de soldagem utilizados foram ao Arco Elétrico com Eletrodo Revestido (SAER) com uma energia de 1 kj/mm e ao Arco Elétrico com Arame Tubular (SAT) protegido com CO 2. com uma energia de soldagem de 0,7 kj/mm, utilizando-se como metal de base o aço ARBL denominado comercialmente de SAR 100 T com 12 mm de espessura. Como metais de adição foram utilizados o eletrodo AWS E8018 no processo SAER e o arame E 81T 1 Ni 1 no processo SAT. As composições químicas dos metais de base e dos metais de solda estão apresentadas na tabela 1 Tabela 1 Composição química do metal de base e dos metais de solda. Elemento SAR100T* MSAER100T** MSAT100T*** C 0,13 0,078 0,072 Si 0,36 0,36 0,52 Mn 1,28 1,0 1,08 P 0,019 0,024 0,026 S 0,011 0,013 0,010 Cr 0,0 0,29 0,20 Ni 0,12 1,48 1,08 Mo 0,0 0,18 0,15 Cu 0,0 0,16 0,16 V 0,03 0,008 0,01. (*) Metal de base SAR100T (**) Eletrodo Revestido com metal de base SAR100T. (***) Arame Tubular com metal de base SAR100T. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31903

4 Para variar a taxa de resfriamento, além da utilização das diferentes energias de soldagem dos processos, as soldas foram executadas sem pré-aquecimento e com préaquecimentos de 100 C e 200 C. Para avaliar os valores de dureza na junta soldada, foram executados ensaios de dureza Vickers com carga de 10 kg. Os valores de dureza apresentados para o metal de solda são a média de 5 medidas;. nas regiões da ZTA são medidas pontuais, ou, quando possível, dependendo da largura de cada região, representam a média de duas ou três impressões. A distribuição das medidas de dureza na junta soldada está ilustrada na Figura 1. x x x x x x x x x x x x x Figura 1 Ilustração das medidas de dureza na junta soldada O valor máximo do desvio-padrão dos valores médios das dureza foi de 12 HV. Para avaliar o percentual de microconstituintes no metal de solda foram analisadas dez regiões de cada metal de solda cada uma com uma grade de 100 pontos, totalizando 1000 pontos por metal de solda. Para medir os valores de t 8/5 utilizou-se um sistema de aquisição de dados com um termopar localizado a uma distância de 2,4 mm da linha de fusão de solda. Esta distância foi determinada após a execução das soldas e medida perpendicularmente à linha de fusão. O sistema utilizado constitui-se de um amplificador de milivoltagens e um conversor analógico/digital que conjuntamente com o programa adquirido fornece as curvas temperatura x tempo para cada soldagem, das quais foram obtidos os valores CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31904

5 de t 8/5. A Figura 2 ilustra o sistema de aquisição de dados utilizado para a obtenção dos ciclos térmicos. Figura 2 Esquema do sistema de aquisição de dados utilizado para obtenção dos ciclos térmicos na junta soldada RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 3 (a) apresenta a relação entre os percentuais de AF nos metais de solda para soldagens executadas sem pré-aquecimento e com pré-aquecimentos de 100 C e 200 C, com os respectivos valores de t 8/5 para cada condição, enquanto que a Figura 3 (b) apresenta os valores de dureza resultantes das variações em t 8/5. Verificou-se uma redução de apenas 2 e 6 % nos percentuais de AF resultantes da aplicação dos pré-aquecimentos de 100 e 200 C. Pela Figura 3 (b), a variação nos valores de dureza também foi pequena sendo de 38 HV para o processo SAER e de 52 HV para o processo SAT. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31905

6 %AF SAER SAT 30 C - t 8/5 = 19s 14s 100 C - t 8/5 = 25s 24s 200 C - t 8/5 = 34s 34s To ( C) ( a ) 300 Hv(10kg) SAER SAT 30 - t 8/5 = 19s 14s t 8/5 = 25s 24s t 8/5 = 34s 34s To ( C) 200 ( b ) Figura 3 Relação entre os percentuais de AF nos metais de solda e as temperaturas de pré-aquecimento com os respectivos valores t 8/5 utilizando-se os processos SAER e SAT (a) e os efeitos nos valores de dureza (b) Este pequeno efeito do pré-aquecimento sobre os percentuais de AF e sobre os valores de dureza do metal de solda, para valores correspondentes de t 8/5 superiores a 10 s foi também observado por Christensen [7,8]. Verifica-se ainda que os valores de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31906

7 t 8/5 foram maiores para o processo de soldagem SAER devido à maior energia de soldagem utilizada. Entretanto verifica-se que esta diferença é praticamente nula para soldagens sem pré-aquecimento.. Isto pode ser atribuído à não uniformidade do préaquecimento feito por chama oxi-acetilênica. As Figuras 4 (a) e 4 (b) apresentam, respectivamente, os efeitos das variações de t 8/5 originados das variações dos parâmetros de soldagem, sobre os percentuais de AF e os valores de dureza nos metais de solda. %AF 90 SAER SAT t 8/5 (s) ( a ) HV (10kg) SAER SAT t 8/5 (s) ( b ) Figura 4 Relação entre os valores de t 8/5 e os percentuais de AF nos metais de solda (a) e os efeitos nos valores de dureza (b) CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31907

8 Pela Figuras 3 e 4 verifica-se também que os percentuais de AF nos metais de solda obtidos pelo processo SAER foram praticamente iguais àqueles obtidos pelo SAT, apesar da maior taxa de resfriamento na junta soldada por este processo, devido à menor energia de soldagem, representada pelos menores valores de t 8/5 Verifica-se ainda que apesar dos maiores valores de t 8/5 os valores de dureza dos metais de solda obtidos pelo processo SAER foram superiores àqueles dos metais de solda obtidos para o processo SAER, principalmente para soldagem sem pré-aquecimento. Isto poderia ser atribuído aos maiores percentuais de alguns elementos de liga presentes nestes metais de solda principalmente o Ni, que poderia proporcionar a presença de Martensita. Entretanto esta hipótese pode ser questionada tendo em vista que o percentual de Ni necessário à formação de Martensita em metais de solda ser bastante superior àquele presente nos metais de solda obtidos [10] As Figuras 5 (a) e 5 (b) apresentam os valores de dureza no metal de solda (MS) e nas regiões de grãos grosseiros (RGG), de transição (RT), de grãos finos (RGF) e do metal de base (MB) das juntas soldadas pelos dois processos de soldagem variando-se a temperatura de pré-aquecimento. Verifica-se um aumento da dureza na RGG em função da presença da Martensita e um decréscimo da mesma na RGF, como era de se esperar. Verifica-se que diferença de energia de soldagem dos dois processos não foi suficiente para alterar significativamente o perfil de dureza da junta soldada. Correlacionado-se os valores de dureza entre as diferentes regiões da ZTA verifica-se não ocorreu variações significativas, à exceção da diferença entre as durezas do metal de solda e da RGG, principalmente nas solda executadas com o processo SAT em que esta diferença ficou em torno de 58 HV. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31908

9 Dureza (HV) C 100 C 200 C MS 1 RGG 2 RT 3 RGF 4 MB 5 Regiões da junta soldada ( a ) t 8/5 = 14s t 8/5 = 24s t 8/5 = 34s 350 Dureza (HV) t 8/5 = 19s t 8/5 = 25s t 8/5 = 34s 0 M1S GG 2 RT 3 RGF 4 M5 B 6 Extensão da junta soldada ( b ) Figura 5 Valores de dureza das diferentes regiões da junta soldada pelo processo SAT (a) e pelo processo SAER (b) em função da variação da temperatura de pré-aquecimento Com relação ao efeito do pré-aquecimento sobre a dureza de cada região, verificou-se variações de 38 a 61 HV no processo SAER e de 46 a 52 no processo SAT. As variações máximas de dureza corresponderam respectivamente a decréscimos de 17 % e 18 % dos seus valores. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31909

10 A Figura 6 apresenta os efeitos conjuntos da energia de soldagem e da temperatura de pré-aquecimento sobre os valores de t 8/5 e os seus reflexos nos valores da dureza nas regiões de grãos grosseiros (RGG) e de grãos finos (RGF) da ZTA. Por esta figura pode-se observar que houve uma considerável variação nos valores de t 8/5 e nos efeitos desta variável do ciclo térmico sobre a dureza em ambas as regiões da ZTA, indicando reduções de 44 HV para a RGG e de 39 HV para a RGF no processo SAER e 50 HV e 46 HV respectivamente para o processo SAT. Valores similares de redução da dureza na ZTA de juntas soldadas de aços ARBL pela aplicação de préaquecimentos nesta mesma ordem de grandeza foram obtidos por Welland [2] utilizando processo SAT com uma energia de soldagem de 1 kj/mm. 400 RGG RGF HV(10kg) t 8/5 (s) Figura 6 Efeitos das variações nos valores de t 8/5 sobre a dureza nas regiões de grãos finos (RGF) e nas regiões de grãos grosseiros (RGG) da ZTA da junta soldada pelo processo SAER CONCLUSÕES - As variações no pré-aquecimento e na energia de soldagem não alteraram os percentuais de Ferrita Acicular nem os valores de dureza dos metais de solda apesar da considerável variação nos correspondentes valores de t 8/5, demonstrando assim a boa estabilidade microestrutural do conjunto aço/consumível CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31910

11 - Os percentuais de Ferrita Acicular nos metais de solda obtidos pelo processo SAT foram praticamente iguais àqueles obtidos pelo processo SAER apesar da diferença nos valores da energia de soldagem - A variação do processo de soldagem não alterou significativamente o perfil de dureza da ZTA, apesar da aplicação dos pré-aquecimentos ter proporcionado variações nos valores de t 8/5 suficientes para alterar até em 18 % os valores de dureza de cada região da ZTA AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à USIMINAS pela doação do metal de base e à ESAB pela doação dos metais de adição. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] McGrath, J.T; Gianetto, J.ª & Letts M.W., Factors Affecting the Toughness Properties of High Strength HY80 Weldments Canadian Metalirgical Quarter, Vol. 25 (4) pp , 1986 [2] Welland W.G., Routine Hardenability Testing of Structural and Pipeline Steels Welding Journal Vol.55, pp 55-60, [3] Thaulow C. Paauw A.J. & Guttormsen K., The Heat-Affected Zone Youghness of Low-Carbon Microalloyed Steels Welding Journal pp 266s-279s, [4] Farrar, A. Advances in our Understanding of C-Mn Weld Metals Influences of Composition and Cooling Rate Doc IIW [5] Yang, J.R. & Bhadeshia, K. D.H The Dislocation of Acicular Ferrite in Steel Welds Welding Journal pp , 1990 [6] Yang, J.R. & Bhadeshia, K. D.H, Acicular Ferrite Transformation in Alloy- Steel Weld Metals Journal of Materials Science Vol.26 pp , 1991 [7] Christensen N., Transformation Behaviour of Carbon-Manganese Weld Metal na International Study IIW Doc. II , 15p, [8] Christensen N. & Siminsen T., Transformation Behaviour of Weld Metal Scandinavian Journal of Mettalurgy Vol!0 (4) pp , 1981 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 31911

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