ANÁLISE MICROESTRUTURAL DO METAL DE SOLDA DE PERFIS SOLDADOS DE UM LADO SÓ UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL

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1 ANÁLISE MICROESTRUTURAL DO METAL DE SOLDA DE PERFIS SOLDADOS DE UM LADO SÓ UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL Ailton Fernando da Silva Solteira-SP, Vicente Afonso Ventrella Solteira-SP, Ruís Camargo Tokimatsu Solteira-SP, Daniel Yvan Martin Delforge Solteira-SP, Resumo. O presente trabalho estudou o metal de solda do aço A-36 utilizado na construção civil, por meio de perfis tipo T soldados de um lado só através do processo de arco submerso sob diferentes condições de aporte térmico, utilizando-se arame tipo AWS EL12 e fluxo Carboox F7AO- EM 12. Suas microestruturas foram caracterizadas via microscopia ótica, para análise qualitativa e quantitativa dos constituintes microestruturais, em corpos de prova transversais ao cordão de solda. O desenvolvimento deste trabalho forneceu contribuições científicas e tecnológicas de grande valor, visto que a fabricação de perfis soldados de aço carbono para uso na construção civil a partir de chapas metálicas é uma pratica comum, isto devido à necessidade de se obter perfis diferentes dos laminados disponíveis no mercado interno. Estes perfis apresentam como vantagem a grande liberdade de escolha das dimensões de seção transversal. Além disso, a otimização proposta, ou seja, a soldagem de um lado só, pode diminuir custos, tornando o produto ainda mais competitivo no mercado consumidor, podendo ser uma opção mais indicada na construção civil como substituto dos laminados e até mesmo do concreto e a madeira em muitos tipos construtivos. O objetivo central do presente trabalho é pesquisar qual é a microestrutura que compõe o cordão de solda, obtido com o arco submerso sob diferentes insumos de calor, em um único passe, afim de se determinar qual a condição capaz de promover uma microestrutura mais tenaz, ou seja, composta pela maior quantidade de ferrita acicular, com o propósito de dificultar a nucleação e o avanço de uma trinca que poderia se originar a partir da raiz do entalhe em questão. Palavras-chave: soldagem, metal de solda, aço A-36, microestrutura, arco submerso 1. INTRODUÇÃO O mercado mundial de estruturas metálicas encontra-se em franco desenvolvimento e as principais usinas siderúrgica nacionais estão desenvolvendo soluções que permitam um maior

2 desenvolvimento de estruturas metálicas, inclusive para possibilitar uma diminuição do déficit habitacional, levando a uma melhor organização do espaço urbano das cidades. Atualmente, a Usiminas está executando em conjunto com a Secretaria de Habitação do Estado de Minas Gerais, 50 edifícios de apartamentos assim como unidades familiares residenciais, com uma redução de custo de até 16%. O acabamento será industrializado ou semi-industrialzado, tais como revestimento externo com placas e painéis em vinil, telhas convencionais de barro ou aço galvanizado. Os forros serão de gesso acartonado (Dornelles, 2000). Esta metodologia cada vez mais crescente utilizada na construção de prédios, casas, barracões e muitos outros, estruturados com perfis de aço, pode representar uma economia final bastante importante, pois o processo de montagem prevê que todo o sistema de água e esgoto e laje piso já estejam preparados com antecedência, na fábrica e transportado para o canteiro de obras. Sem dúvida, as principais vantagens de se construir edificações estruturados em perfis de aço laminado ou soldados são (Lacerda, 2001): a) Canteiro de obras reduzido, o que racionaliza a utilização de materiais e reduz os custos de gerenciamento e de administração; b) Alívio nas fundações, o que permite projetos mais leves e efetiva redução de cargas - o peso de uma estrutura metálica(vigas e pilares), é de cerca de 1/5 do correspondente em concreto; c) Nível, prumo e esquadro perfeitos, que dispensam excessos de correção nos revestimentos; d) Maior espaço útil, com vãos livres mais amplos, principalmente nos espaços de serviço e nas áreas destinadas às garagens; e) Utilização imediata das escadas, e banheiros e de outras instalações que já vêm prontas ou semi-prontas da fábrica; f) Instalações e utilidades sem improvisações, com passagens de dutos definidas no projeto e executadas na fábrica; g) Alta eficiência construtiva, que proporciona economia de tempo - dependendo do tipo da construção, a redução nos prazos pode alcançar até 50%, o que possibilita a ocupação antecipada garantindo maior retorno do dinheiro investido A Problemática Gerada pelo Entalhe entre a Aba e a Mesa dos Perfis Estruturais Soldados, Gerados pela Falta de Penetração da Raiz do Cordão de Solda. Se duas ou mais tiras de aço são colocadas perpendicularmente uma em relação à outra e soldadas no sentido longitudinal, forma-se uma viga de perfil em H, I, T e outros perfis. Na maioria das vezes, não se consegue penetração total da raiz do cordão de solda e isto provoca o aparecimento de uma região não fundida e portanto não soldada o que corresponderia à introdução de um entalhe longitudinal, entre a aba e a mesa da viga soldada, que pode representar um perigoso concentrador de tensão e ser responsável por falhas estruturais catastróficas. Uma maneira de se conseguir minimizar o efeito danoso do entalhe, seria melhorar a tenacidade do metal de deposição ou seja, do metal de solda, mais especificamente da região fundida e da zona afetada termicamente, alterando-se a microestrutura através da adição de certos inoculantes não metálicos que no caso específico do titânio aumenta a quantidade de ferrita acicular desejável quando se quer melhorara a tenacidade do cordão de solda. Existem outras maneiras de se conseguir melhorar a resistência mecânica da junta soldada, como por exemplo, realizar um chanfro e aumentar as quantidades de material depositado, o que em inúmeros casos eleva os custos de fabricação. Pode-se também recorrer ao controle dos parâmetros de soldagem, tais como: insumo de calor, velocidade de resfriamento, diluição do metal de base. Devido ao constante aprimoramento das técnicas envolvidas nos processos de soldagem e, sobretudo, dos processos de soldagem de estruturas metálicas, tem surgido várias propostas que visam ainda mais a redução dos custos de fabricação dos perfis soldados de modo a torná-los ainda mais competitivos, sem contudo comprometer os requisitos de projeto. Entretanto, quando não se tem penetração total da raiz do cordão de solda, aparece um entalhe que conforme o estado de tensões a que a estrutura está submetida, pode atuar como um forte concentrador de tensão e uma das maneiras de se conseguir diminuir as chances de se ter a propagação de uma trinca originada a

3 partir deste entalhe, seria procurar aumentar a tenacidade do material que compõe o cordão de solda, à frente deste entalhe. Uma forma de se alcançar esse propósito é obter uma microestrutura composta por grande quantidade de ferrita acicular, pois ela propicia um considerável aumento da tenacidade da junção soldada e boas propriedades mecânicas (Madariaga, 1998) Microestrutura no Metal de Solda Até hoje a terminologia dos diversos constituintes presentes em metais de solda não está totalmente padronizada. Na breve descrição apresentada a seguir, será utilizada a terminologia adotada pelo Instituto Internacional de Soldagem (IIW/IIS), baseada fundamentalmente em observações feitas com microscopia ótica e na relação constituinte-tenacidade (Dolby, 1986). a) Ferrita Primária de Contorno de Grão - PF(G): é o primeiro produto a se formar na decomposição da austenita, formando-se a taxas de resfriamento muito lenta. b) Ferrita Poligonal Intragranular - PF(I): aparece na forma de grãos, normalmente poligonais, e nucleia quase que exclusivamente no interior dos grãos austeníticos. c) Ferrita Acicular - AF: constituinte que se apresenta na forma de grãos extremamente finos de ferrita não paralelas, nucleando-se no interior do grão da austenita. d) Ferrita com Segunda Fase Alinhada - FS(A): constituinte formado por grãos grosseiros e paralelos que crescem ao longo de um plano, formando duas ou mais ripas de ferrita paralelas. e) Ferrita com Segunda Fase Não Alinhada - FS(NA): formada por ferrita circundando microconstituintes ou ripas de ferrita acicular. Não se apresenta em forma paralela como a FS(A). f) Agregado Ferrita-Carboneto - FC: constituinte com estrutura fina de ferrita e carbonetos, incluindo perlita e ferrita com interfaces de carboneto. g) Martensita - M: constituinte formado como produto final de transformação da austenita sob condições de alta taxa de resfriamento e elevado teor de C Soldagem com Arco Submerso A soldagem com arco submerso (SAW) é um processo no qual a união de metais se dá pelo calor fornecido por um arco elétrico entre um eletrodo nu e uma peça. O nome desse processo é devido ao fato do arco e o metal fundido pelo calor estarem submersos numa cobertura de um fluxo granular fusível. Não é usada pressão e o metal de enchimento é obtido do eletrodo ou de uma fonte suplementar como uma varinha (welding rod) ou metal granular (AWS, 1992). O fluxo desempenha importante função na soldagem pois dele dependem a estabilidade do arco, as propriedades mecânicas e químicas da solda e a qualidade da mesma. O processo SAW é um processo capaz de fazer soldas com correntes acima de 2000A usando correntes alternadas ou contínuas e também um ou mais arames como enchimento. Na soldagem com o arco submerso, a extremidade do eletrodo de arame está contida dentro de um monte de fluxo que cobre a área da junta a ser soldada. É aberto um arco e o mecanismo de alimentação começa a fornecer continuamente o arame na direção da junta. Essa alimentação pode ser manual ou automática. Podemos ter também um alimentador de arames estacionário com a peça se movendo abaixo dele. O fluxo é fornecido continuamente sobre a junta e é distribuído em frente e em volta do eletrodo. O calor gerado pelo arco funde parte do fluxo, a extremidade do arame e as bordas adjacentes do metal base, criando uma poça de metal fundido abaixo de uma camada de escória. O fluxo sobre o metal fundido protege completamente a zona de soldagem da atmosfera e dissolve impurezas no metal base e no eletrodo. O fluxo pode adicionar ou remover também certos elementos de liga da solda. Com o prosseguimento da soldagem, o metal da solda e o fluxo líquido se esfriam e solidificam, formando o cordão de solda com uma camada de escória. Esta escória deve ser completamente removida antes de se fazer outro passe. Outra característica do processo de soldagem por arco submerso está em seu rendimento pois, praticamente, pode-se dizer que não há perdas de material por projeções (respingos). Possibilita também ouso de elevadas correntes de soldagem (até 4000 A) o que, aliado as altas densidades de

4 corrente (60 a 100 A/mm2), oferecerá ao processo alta taxa de deposição, muitas vezes não encontradas em outros processos de soldagem. Estas características tornam o processo de soldagem por arco submerso um processo econômico e rápido em soldagem de produção. Em média, gasta-se com este processo cerca de 1/3 do tempo necessário para fazer o mesmo trabalho com eletrodos revestidos. As soldas realizadas apresentam boa tenacidade e boa resistência ao impacto, além de excelente uniformidade e acabamento dos cordões de solda. Através de um perfeito ajustamento de fluxo, arame e parâmetros de soldagem, consegue-se propriedades mecânicas iguais ou melhores que o metal de base. A maior limitação deste processo de soldagem é o fato que não permite a soldagem em posições que não sejam a plana ou horizontal. Ainda assim, a soldagem na posição horizontal só é possível com a utilização de retentores de fluxo de soldagem. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais Metal de base O material empregado na confecção dos corpos-de-prova foi retirado de chapas de aço carbono ASTM A-36 com espessuras de 9,5 e 12,7mm.. As Tabelas 1 e 2 apresentam, respectivamente, a composição química e propriedades mecânicas estabelecidas pela norma ASTM. Tabela 1. Composição química(% em peso) do material utilizado na fabricação dos corpos de prova. C máximo Mn P máximo S máximo Si máximo Cu mínimo 0, ,20 0,04 0,050 0,40 0,20 Tabela 2. Propriedades mecânicas. Propriedades Mecânicas Limite de Escoamento: 250 MPa Limite de Ruptura: MPa Corpos de Prova Optou-se por corpos de prova em forma de T obtidos a partir de chapas de 204mm de comprimento e 100mm de largura, tendo uma delas 12,7mm de espessura (aba) e a outra 9,5mm de espessura (alma), como mostra a figura 1. Figura 1. Corpo de Prova a ser soldado, junta em ângulo sem chanfro ou abertura para raiz de solda e modelo esquemático do corpo de prova com o dimensionamento.

5 Combinação Arame-Eletrodo e Fluxo Processo arco submerso No caso da soldagem a arco submerso utilizou-se o arame/eletrodo EL12 - classificação AWS EA3, com 2,38mm de diâmetro, tendo sido fornecido pela Belgo Mineira. A composição química está apresentada na tabela 3. Tabela 3. Composição química(% em peso) do arame-eletrodo. C Mn P S Si Al Cu Cr Ni 0,060 0,400 0,014 0,010 0,008 0,000 0,019 0,00 0,00 Obs - Dureza (HB): 72,0 HRB O fluxo utilizado foi fornecido pela Carboox Resende Química Indústria e Comércio Ltda, classificação F7AO EM 12. Trata-se de um fluxo de característica ativa MÉTODOS Procedimento de Soldagem Utilizou-se uma máquina de solda a arco submerso, composta de duas fontes de alimentação de 1000 amperes, marca Lincoln, modelo Arc Welder. A referida máquina é utilizada pela ICEC (Indústria de Construção Ltda) na fabricação de diversos tipos de perfis que são fornecidos ao mercado da construção civil e industrial de um modo geral. Os corpos-de-prova foram preparados tal qual os perfis da linha de fabricação da ICEC, sem apresentar chanfro entre as chapas e abertura para raiz de solda, como mostra a figura 2. O processo de soldagem foi executado em passe único de solda, em conformidade com a norma de fabricação de perfil soldado NBR 5884 revisão Figura 2. Corpo-de-prova sendo preparado processo de soldagem a arco submerso. A soldagem dos corpos de prova foram realizadas na forma semi-automática, visando a obtenção de boa reprodução dos parâmetros de soldagem. Esta automação possibilitou também manter constante o stick-out. As diferentes microestruturas do metal de solda foram obtidas através de variações na corrente de soldagem, conforme pode ser observado na tabela 4, mantendo-se constantes os parâmetros como stick-out, velocidade de soldagem e velocidade de alimentação do consumível.

6 Tabela 4. Diferentes condições de soldagem dos corpos de prova. Corpos de Prova Corrente de Soldagem (A) AS AS AS Os demais parâmetros utilizados na obtenção dos corpos de prova estão descritos a seguir. corrente contínua com eletrodo positivo (polaridade inversa, CC + ) velocidades de soldagem = 1000 mm/min stick-out = 25 mm As juntas soldadas foram cortadas transversalmente em relação à direção de soldagem sendo posteriormente lixadas até lixas 800 e polidas com alumina de 1,0 a 0,05 µm. O ataque químico da superfície foi obtido através de solução com reagente Nital 3 %. A caracterização dos constituintes microestruturais via microscopia ótica foi obtidas com aumentos de 500X, utilizando-se um banco metalográfico NEOPHOT-21. A metalografia quantitativa foi realizada usando um aumento de 500X e o uso de 1000 pontos. Os constituintes microestruturais foram classificados em: Ferrita Primária de Contorno de Grão-PF(G), Ferrita Poligonal Intragranular-PF(I), Ferrita Acicular-AF, Ferrita com Segunda Fase Alinhada - FS(A), Ferrita com Segunda Fase Não Alinhada - FS(NA), Agregado Ferrita-Carboneto-FC e Martensita-M Agregado Ferrita-Carboneto-FC e Martensita-M (Fonseca, 1992). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Em função das diferentes taxas de resfriamento do metal de solda obtido através do processo de soldagem por arco submerso, observou-se que a decomposição da austenita gerou diferentes tipos de microestruturas, as quais são apresentadas a seguir, seguindo-se a nomenclatura mais aceita internacionalmente para identificação desses microconstituintes, que é a proposta pelo documento do Instituto Internacional de Soldagem. As microestruturas observadas no presente trabalho, através de microscopia ótica, confirmam a complexidade metalúrgica do metal de solda ferrítico. A variação da corrente do arco elétrico alterou substancialmente os constituintes microestruturais formados. Através da tabela 5 é possível observar que houve alteração das frações volumétricas dos constituintes microestruturais do metal de solda, principalmente a ferrita acicular (AF) e a ferrita com segunda fase (FS). Tabela 5. Constituintes microestruturais do metal de solda. Amostras PF(G) % PF(I) % AF % FS(A) % FS(NA) % FC % M % AS AS AS A ferrita primária de contorno de grão (PF(G)) apareceu em todas as condições, principalmente no corpo de prova AS-03, obtido com corrente elevada. Esse foi o constituinte de mais fácil identificação do metal de solda devido ao seu aspecto claro e liso, sempre na forma de veios, delineando o contorno de grão colunar da austenita prévia, e portanto conferindo-lhe uma forma alongada. A ferrita poligonal intragranular (PF(I)) apareceu nos corpos de prova AS-02 e AS-03, na forma de grãos, normalmente poligonais, nucleando-se exclusivamente no interior dos grãos austeníticos, presumivelmente em inclusões ou outros sítios de nucleação heterogênea, ocorrendo nas situações onde as taxas de resfriamento foram lentas.

7 A ferrita acicular (AF) apareceu em todos os corpos de prova, conforme pode-se constatar na tabela 5, tendo maior incidência na amostra AS-02. Apareceu na forma de grãos extremamente finos de ferrita não paralela, separadas por contornos de alto ângulo, nucleando-se sempre no interior do grão da austenita prévia sob taxas de resfriamento mais elevadas do que a ferrita primária. A ferrita com segunda fase alinhada (FS(A)) apareceu na forma de grãos grosseiros e paralelos, crescendo sempre ao longo de um plano bem definido, formando duas ou mais ripas de ferrita paralelas. A nucleação da FS(A) ocorreu no contorno de grão austenítico, sua predominância foi maior na amostra AS-01, a qual sofreu elevada taxa de resfriamento. A ferrita com segunda fase não alinhada FS(NA) teve pouca incidência, sempre próxima à ripas de ferrita acicular. Observou-se pequena quantidade de agregados ferrita-carboneto (FC), os quais foram detectados fora dos contornos do grão da austenita, apresentando-se como um constituinte de aparência escura, pois sua estrutura interna apresentou uma resolução abaixo da obtida por microscopia ótica. Não observou-se a presença de martensita (M). A figura 3 mostra a macroestrutura dos corpos de prova AS-01 (soldado com 800A), AS-02 (soldado com 850A) e AS-03 (soldado com 900A), onde observa-se a presença do entalhe no cordão de solda. Figura 3. Macroestruturas dos corpos de prova AS-01, AS-02 e AS-03, respectivamente. Através das micrografias mostradas nas figuras 4, 5 e 6 com aumento de 500 X, pode-se observar com melhores detalhes as mudanças microestruturais em função da variação da corrente do arco elétrico. Analisando-se a figura 4, onde o metal de base foi soldado com uma corrente de 800A, observou-se uma microestrutura composta com alta fração volumétrica de ferrita com segunda fase alinhada (FS(A)) e ferrita de contorno de grão (PF(G)). Esse tipo de microestrutura é indesejável para o metal de solda, pois apresenta baixa resistência à propagação de trincas. Analisando-se a microestrutura da figura 5, onde o metal de base foi soldado com uma corrente de 850A, observou-se que a mesma apresenta uma grande fração volumétrica de ferrita acicular (AF). Analisando-se a figura 6, onde o metal de base foi soldado com uma corrente de 900A, observou-se que houve redução da fração volumétrica de ferrita acicular e conseqüente aumento da ferrita primária.

8 10 µm Figura 4. Micrografia do metal de solda da amostra AS-01 obtida por microscopia ótica. Detalhe: FS. Aumento: 500 X. Ataque: nital 3 %. 10 µm Figura 5. Micrografia do metal de solda da amostra AS-02 obtida por microscopia ótica. Detalhe: AF. Aumento: 500 X. Ataque: nital 3 %. 10 µm Figura 6. Micrografia do metal de solda da amostra AS-03 obtida por microscopia ótica. Detalhe: PF Aumento: 500 X. Ataque: nital 3 %.

9 4. CONCLUSÃO Diferentes corrente de soldagem, consequentemente diferentes taxas de resfriamento do metal de solda do aço A-36, geraram alterações significativas na microestrutura. Soldagem com corrente baixa, no caso 800A, favoreceu a formação dos constituintes microestruturais de baixa temperatura de transformação, como a FS(A). Com corrente média, no caso 850A, favoreceu-se a formação de ferrita acicular, reduzindo, portanto a ferrita com segunda fase. Com corrente elevada, no caso 900A, reduziu-se a fração volumétrica de ferrita acicular, aumentando, portanto a fração de ferrita primária. Portanto a condição que promoveu a microestrutura mais desejada, ou seja, a ferrita acicular, foi a que se utilizou uma corrente de 850A. 5. REFERÊNCIAS AWS - American Welding Society, 1992, Welding Processes, Welding Handbook, Vol. 2, pp Dornelles A.A., 2002, Pedra sobre Ferro, Metalurgia e Materiais, Vol. 58, pp Dolby,R.E.,1986, Guidelines for Classification of Ferritic Steel Weld Metal Microstructural Constituents Using the Light Microscope, Welding in the World, Vol. 24, pp Fonseca,A.S.M., Almeida,A.L.S., Rios,P.R., 1992, Análise Comparativa Ponto a Ponto da Quantificação da Microestrutura do Metal de Solda Segundo o Método do IIW, Anais do 18 Encontro Nacional de Tecnologia da Soldagem, pp Madariaga,I., Díaz,M., 1998, Improvement of Mechanical Properties in Structural Steels by Development of Acicular Ferrite Microstructures, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 46, pp Perdigão, S.C., 1987, Instrução para Classificação dos Constituintes Microestruturais do Metal de Solda dos Aços Ferríticos, Utilizando-se Microscopia Ótica, Anais do 12 Encontro Nacional de Tecnologia da Soldagem, pp MICROSTRUCTURAL ANALYSIS OF THE ONE SIDE WELDS OF WELDED PROFILES USED IN THE BUILDING CONSTRUCTIONS. Ailton Fernando da Silva Solteira-SP, ailton@dem.feis.unesp.br Vicente Afonso Ventrella Solteira-SP, ventrela@dem.feis.unesp.br Ruís Camargo Tokimatsu Solteira-SP, ruis@dem.feis.unesp.br Daniel Yvan Martin Delforge Solteira-SP, delforge@dem.feis.unesp.br Abstract: The present work has studied the weld metal of the A-36 steel used in the building constructions, through one side welded T-profiles. It was made per submerged arc process under different conditions of thermal contribution, being used wire type AWS EL12 and flow Carboox

10 F7AO-IN 12. Their microstructures were characterized through optical microscopy, for qualitative and quantitative analysis of the microstructural constituents, in the samples, which were prepared as crosscuts. The development of this work supplied scientific and technological contributions of great value, because of production of welded profiles of Carbon steel for using in the building constructions is a common practice, this due to the need of obtaining of different profiles from the laminated ones available in the internal market. These profiles present as advantage the great freedom of choice of the dimensions of cross-section. Besides, the optimization proposed or in other words - the one side welding, can reduce costs and turn the product more competitive in the consuming market. It could be a more suitable option in the building constructions as substitute of the laminated ones and even of the concrete and the wood in many constructive types. The general objective of the present work is to investigate the microstructure that compose the weld string, which was obtained by submerged arc under different heat inputs, in one pass only, to be determined which the condition capable to promote a more toughness microstructure, in other words, composed by the largest amount of acicular ferrite, with the purpose of hindering the nucleation and the progress of a crack that it could arise starting from the root of the incision. Keywords: welding, weld metal, A-36 steel, microstructure, submerged arc