INFLUÊNCIA DO PROCESSO E DOS PARAMETROS DE SOLDAGEM SOBRE O CICLO TERMICO EM JUNTAS SOLDADAS DE AÇOS ARBL.

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1 334 INFLUÊNCIA DO PROCESSO E DOS PARAMETROS DE SOLDAGEM SOBRE O CICLO TERMICO EM JUNTAS SOLDADAS DE AÇOS ARBL. Cássia Maria Farias Lopes * Raimundo Carlos Silverio Freire Júnior ** Theophilo Moura Maciel *** RESUMO Foram avaliados os efeitos da variação do processo de soldagem e da temperatura de pré-aquecimento sobre o tempo de resfriamento entre 8 e 5 C ( t 8/5 ) e a temperatura máxima (T máx ) atingida em diferentes regiões da Zona Termicamente Afetada (ZTA) de juntas soldadas de aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL). Para tanto utilizou-se um sistema para a obtenção de ciclos térmicos por método direto com termopares localizados em diferentes pontos da ZTA das juntas soldadas por processo ao Arco Elétrico com Eletrodo Revestido () e ao Arco Elétrico com Arame Tubular (), sem pré-aquecimento e com pré-aquecimentos de 1 C e 2 C. Os resultados indicaram variações de até 2 s nos valores de t 8/5 e de 27 C na temperatura máxima atingida em função da variação do processo de soldagem e da temperatura de préaquecimento, com efeitos significativos nos valores de dureza e extensão da ZTA. Palavras chaves: Ciclos Térmicos; Zona Termicamente Afetada; Junta Soldada; Aços ARBL. ABSTRACT The effects of the welding process and preheat temperatures on the cooling time between 8 and 5 C ( t 8/5 ) and the peak temperature in differents points of the Heat Affected Zone (HAZ) of welded joints of HSLA steels was evaluated. For this a system to obtain thermal cycle by direct method with thermocouples implanted at differents points of the HAZ was used. The weld deposits were made by Shielded Metal Arc and Flux Cored Metal Arc welding process, without preheats and with preheats of 1 and 2 C. The results indicated variations of until 2 s in the t 8/5 values and 214 C in the peak temperatures with significatives effects on the hardness values and on the HAZ extensions. Keywords: Thermal Cycle; Heat Affected Zone; Welded Joints; HSLA Steels. * Engenheira de Materiais e Mestranda em Engenharia Mecânica Universidade Federal da Paraíba, Campus II. ** Aluno de Iniciação Científica do Curso de Engenharia Mecânica Universidade Federal da Paraíba, Campus II. *** Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais e Professor do Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal da Paraíba, Campus II dem.ufpb.br

2 335 INTRODUÇÃO As propriedades mecânicas de juntas soldadas de aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ABRL), são fortemente influenciadas pela microestrutura resultante no metal de solda e na Zona Afetada Termicamente (ZTA). Estruturas martensiticas grosseiras, quando presentes na ZTA podem se tornar um dos principais fatores causadores de fraturas frágeis nas juntas soldadas, portanto quanto maior esta região maior o risco de fratura na junta soldada. A avaliação do ciclos térmicos na soldagem torna-se, portanto, necessária para se controlar e avaliar influências dos parâmetros e processos de soldagem na microestrutura da junta soldada. Os ciclos térmicos na soldagem podem ser obtidas por métodos diretos e simulados e/ou indiretos. O mais eficiente é o método direto obtido através da implantação de termopares na Zona Térmicamente Afetada (ZTA), ou com o mesmo imerso diretamente na poça de fusão, proporcionando informações precisas em relação às principais variáveis do ciclos térmico que são: a temperatura máxima atingida, o tempo de permanência acima de 1 C e o tempo ou taxa de resfriamento em uma determinada faixa de temperatura. Estas variáveis do ciclos térmico dependerão principalmente dos parâmetros de soldagem, ou seja, da corrente, tensão, velocidade de soldagem, e da temperatura de pré-aquecimento do material a ser soldado [1-4]. Todas as variáveis acima citadas são de grande importância no que diz respeito aos efeitos metalúrgicos provocados na juntas soldada de aços ferríticos, principalmente com relação à granulometria. Entretanto, a temperatura máxima atingida e o tempo ou a taxa de resfriamento em uma determinada faixa de temperatura torna-se de fundamental importância com relação ao tipo de microestrutura resultante na junta soldada. Nos aços, como as principais transformações microestruturais ocorrem entre 8 C e 5 C, o tempo de resfriamento nesta faixa de temperatura, t 8/5 é uma das variáveis mais utilizadas para avaliar os efeitos do ciclo térmico sobre as propriedades mecânicas no metal de solda e na ZTA [5-7]. Este trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da variação do processo de soldagem e da temperatura de pré-aquecimento sobre os valores de t 8/5, e da temperatura máxima atingida em diferentes regiões e os seus reflexos na dureza e na extensão da ZTA de junta soldada de aço ARBL, utilizando-se método direto para a obtenção dos ciclos térmicos, com termopares posicionados em diferentes regiões da ZTA. MATERIAL E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os processos de soldagem foram ao Arco Elétrico com Eletrodo Revestido() e o Arco Elétrico com Arame Tubular() protegido com uma mistura de argônio e C 2.Como metal de base foram utilizadas chapas de aço denominados comercialmente de SAR 1 T de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL), e como metais de adição os eletrodos AWS E 818 G com 4mm de diâmetro e o Arame ASME SFA-5 E 81T1-Ni1 com diâmetro de 1,2mm. A composição química do metal de base e dos metais de adição estão apresentadas na tabela 1.

3 336 Para variar a taxa de resfriamento foram executadas soldagens sem préaquecimento e com pré-aquecimentos de 1 C e 2 C, realizado com maçarico para soldagem oxiacetilenica e a temperatura medida pelo sistema de aquisição de dados. As chapas, com 11mm de espessura foram usinadas com chanfro do tipo Y e tamanho padrão de 16mm por 1mm. As soldagens foram executadas em um único passe, com uma energia de soldagem em torno de 1 kj/mm, para o processo e em torno de,8kj/mm para o processo. TABELA 1 - Composição Química do metal de base e metais de adição utilizados Elementos SAR1T Eletrodo AWS E818G Arame Tubular E81T1-Ni1 C,18,6,5 Mn,9 1,1 1,45 Cu,32 Cr,6 Mo,44 Ni 1,1 1,65,95 V,1 Si,25,4,4 Para a obtenção dos ciclos térmicos, utilizou-se o sistema de aquisição de dados ilustrado na figura 1, com 3 (três) Termopares tipo K com 1,5mm de diâmetro posicionados diretamente na junta soldada, e localizadas a distâncias de 1,8, 2,3 e 2,5 mm da linha de fusão da solda, da forma ilustrada nas figuras 1 e 2. Figura 1 Sistema de aquisição de dados utilizado para a obtenção de ciclos térmicos na junta soldada

4 337 Figura 2 - Esquema do posicionamento dos termopares na junta soldada As variações de temperatura da junta soldada geram diferentes milivoltagens nos termopares previamente calibrados, as quais são inicialmente amplificadas e posteriormente convertidas em sinais digitais. Em seguida, após registrar os valores experimentais, o programa executa a filtragem e corrige os valores provenientes da interferência do sistema, proporcionando assim as curvas de temperaturas versus tempo para cada soldagem executada. Destas curvas foram obtidas as informações sobre a temperaturas máxima atingida (Tmáx), tempo de permanência acima de 1 C, quando atingida, e tempo de resfriamento entre 8 e 5 C. Após a execução das soldagens, as chapas foram seccionadas no local do furo do termopar sendo em seguida submetidos a embutimento, lixamento e polimento para análise da dureza Vickers utilizando-se carga de 5kg com as medidas realizadas no local da ponta do termopar da forma indicada na figura 3. A extensão (largura) da ZTA foi medida desde a linha de fusão até a região sem alteração microestrutural. Figura 3 Forma das medidas de dureza na ZTA. RESULTADOS E DISCUSSÕES A figura 4 a 6 apresentam o comportamento das curvas do ciclo térmico utilizadas para diferentes processo de soldagem, obtido em ensaios realizados com energia de

5 338 soldagem de,8kj/mm para o e 1kJ/mm para o, a distâncias de 1,8, 2,3 e 2,5 da linha de fusão, sem pré-aquecimento e com pré-aquecimentos de 1 C e 2 C Temperatura ( C) Tempo (s) Figura 4 Ciclo térmico obtido para os processos e sem utilização de temperatura de pré-aquecimento, à uma distância de 1,8 mm da linha de fusão. Temperatura ( C) Tempo (s) Figura 5 Ciclo térmico obtido para o processo e utilizando um préaquecimento de 1 C, à uma distância de 2,3 mm da linha de fusão. Temperatura ( C) Tempo (s) Figura 6 Ciclo Térmico obtido para o processo e utilizando um préaquecimento de 2 C, à uma distância de 2,5 mm da linha de fusão. A figura 7 apresenta a relação entre a temperatura máxima atingida e a distância do termopar ao metal de solda(ms). Percebe-se a grande diferença entre as Tmáx utilizado-se os dois processos de soldagem. As diferenças nas temperaturas máxima atingidas ficaram em torno de 2 C. As temperaturas máximas a distâncias de 1,8, 2,3 e 2,5 mm de linha de fusão foram 12, 955 e 949 C para o processo, e 813, 768 e 744 C no processo, respectivamente. No processo as temperaturas atingidas naqueles

6 339 pontos foram suficientes apenas para recristalizar a estrutura laminada do metal de base, melhorando as características de tenacidade desta regiões [8-9]. No processo a temperatura nos três pontos ultrapassou o valor de 93 C, proporcionando além de recristalização um processo de crescimento de grão austenítico. T máx. ( C) ,5 2 2,5 Distância da linha de fusão (mm Figura 7 - Variação da Temperatura Máxima em função da distância da linha de fusão do MS ao termopar. Estas diferenças nas temperaturas máximas geraram diferentes valores de t 8/5, conforme ilustrado na figura 8. As maiores temperaturas máximas atingidas no processo proporcionaram estruturas mais grosseiras na ZTA, e maiores valores na extensão da ZTA, principalmente na extensão da região de grãos grosseiros, conforme pode ser observado na tabela 2 e na figura 9, aumentando a temperabilidade da região, proporcionando a formação de estruturas martensiticas de alta dureza e portanto de baixa tenacidade e mais susceptível a fraturas frágeis provocadas, por exemplo, por trincas a frio induzidas pelo o hidrogênio [1,11]. T8/5 (s) Temperatura Máxima ( C) Figura 8 Relação entre a temperatura máxima com o t 8/5 Tabela 2 Valores obtidos para as soldagens com arame tubular () e para as soldagens a arco elétrico com eletrodo revestido () (E-81T1-Ni1) (E 818 G) Temperatura de Pré-aquecimento ( C) Amb. 1 2 Amb. 1 2 Temperatura máxima ( C) T 8/5 (s) 24 25,4 28,7 24, ,8 Dureza (Hv) Distância do Furo (mm) 2,5 2,3 1,8 2,5 2,3 1,8 Extensão da ZTA (mm) 2 2,2 2,4 2,7 2,8 3,2 Aporte de Calor (kj/mm),887,87,88 1,24 1,22 1,66 Velocidade de Soldagem (mm/s) 3,57 3,4 3,75 3,6 3,13 3 Região de Grão Grosseiros (mm) 1 1,9 2,6 2,3 2,9 3,3 Região de Grãos Finos (mm) 1,9 2 2,4 1,5 2 2,6

7 34 Extensão da ZTA (mm) 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Temperatura Máxima ( C) Figura 9 Relação entre a temperatura máxima e a extensão da ZTA As figuras 1 e 11, ilustram o efeito da variação da temperatura de préaquecimento sobre a Tmáx e os valores de t 8/5 nos processo e. Verificou-se que a aplicação dos pré-aquecimentos aumentaram em torno de 69 C os valores das temperaturas máximas no processo e em 78 C no processo proporcionando assim um acréscimos de 4,7s e 24,7s nos valores de t 8/5, respectivamente, demostrando a maior sensibilidade do processo, com relação aos efeitos de pré-aquecimento sobre a taxa de resfriamento, conforme observamos na tabela 2. Verifica-se pela a figura 11 que não houve alteração nos valores de t 8/5 nos dois processos, `a exceção das soldagens com pré-aquecimentos de 2 C onde verificou-se um aumento de 2s nos valores de t 8/5 nas juntas soldadas no processo. Tmáx ( C Tem peratura de P ré-aquecim ento ( C ) Figura 1 Relação entre os valores temperatura máxima (Tmáx) e as temperaturas de (To), nos processos e. t 8/5 (seg) Temperatura de Pré-aquecimento ( C) Figura 11 Relação entre os valores de t 8/5 e a temperatura de pré-aquecimento (To), nos processos e.

8 341 A figura 12 apresenta a influência do processo de soldagem e da temperatura de pré-aquecimento (To) sobre a extensão da ZTA. Verificou-se que a extensão da ZTA aumentou em,4 mm no processo e em,2 mm no processo, para cada 1 C de pré-aquecimento, indicando assim a maior influência deste parâmetro de soldagem no processo. A extensão máxima da ZAT no processo foi de 3,2 mm enquanto que no processo essa extensão foi de 2,4 mm, demonstrando assim a maior intensidade de energia deste ultimo processo de soldagem. Extensão da ZTA (mm) Ambiente 1 C 2 C Temperatura de Pré-aquecimento Figura 12 influência da temperatura de pré-aquecimento sobre a extensão da ZTA no processo e no processo. CONCLUSÕES - O significativo aumento da Tmáx e t 8/5 com o aumento do pré-aquecimento, em ambos os processos de soldagem com reflexos significativos nos valores de dureza, demonstram a necessidade de controle destes parâmetro na soldagem de aços ARBL. - Os menores valores da temperatura máxima atingidas obtidos no processo, com reflexos significativo nas dimensões e granulometria da ZTA demostraram a melhor adequabilidade deste processo na soldagem de aços ARBL. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES e ao CNPq pelas bolsas de estudo de mestrado e de iniciação científica concedidas, a USIMINAS pelas chapas, a ESAB pelos consumíveis doados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA [1] Maciel, T. M.; Ciclos Térmicos de solda de Aços de Alta Resistência. Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia, Universidade Federal de São Carlos SP, Tese de doutorado, 1994.

9 342 [2] Maciel, T. M., Alcântara, N. G. de & Kiminami, C.S.- Relação entre a Taxa de Resfriamento e a Microestrutura Resultante em Juntas Soldadas, Anais do X CBECIMAT, Águas de Lindoia SP, Vol I pp , dezembro de [3] Harrison, P. L.& Farrar, R.A.; Aplications of Continuos Cooling Transformations Diagrams for Welding of Steels, International Materials Reviews, 34(1): [4] Phillip, P. H.; In Situ. Determination of Transformation Temperature in the Weld Held affected - Zom. Welding journal, 62(1): [5] Okmura, T.& Taniguchi, C.; Engenharia de Soldagem e Aplicações, Rio de Janeiro, Ed.LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A [6] Wainer, E. et al.; Soldagem, Processo e Metalurgia, Ed.Edgar Blucher, São Paulo [7] Campos, W. R. C.; Marques, P.V.& Martins, G.; Ciclos Térmicos de Soldagem, In: XVII Encontro Nacional de Tecnologia da Soldagem - Anais. Recife, ABS: , Setembro [8] Barlow, J. A.; The Effect of Plate Size on the Submerged Arc Weld Thermal Cycle. The Welding Institute Research Bulletin, 23: 77-82, March,1982. [9] Leal, V. S. et al.; Medidas de Ciclo Térmico pelo Método In Situ em juntas soldadas pelo processo em aço ARBL. In: XXII ENTS Anais, Blumenau/SC, [1] Alcântara, N.G.; Influência do Ciclo Térmico nas Trincas a Frio Causadas pelo Hidrogênio. Metalurgia - ABM, São Paulo, Vol. 39, n 311, Outubro de 1983 [11] Maciel, T. M.; Silva, P. G.; Freire Júnior, R. C. S.; Sousa, F. V.; Efeito da Variação Microestrutural e do Teor de Hidrogênio sobre as Trincas a Frio em Juntas Soldadas de Aços ARBL. 12 Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais - Anais, pp ; Águas de Lindóia SP, 8 a 11 de Dezembro de 1996.