23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

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1 CARACTERIZAÇÃO METALÚRGICA DO METAL DE SOLDA OBTIDO NA SOLDAGEM DE AMOSTRAS DA LIGA AL-MG 5083 SOLDADAS COM ARAME ELETRODO ER5356 UTILIZANDO PROCESSO MIG DUPLO PULSO ¹Keyla Barreto Rocha Rocha, K.B. (1); ²Carlos Benedito Abreu da Silva Filho Filho, C.A. (2); ³Regiane Socorro Negrão Barros Barros, R.N. (1); 4 Rosinete Menezes Ramos Sodré Sodré, R.M.R. (1); 5 Alexandre Saldanha dos Nascimento Nascimento, A.S. (1). (1) Universidade Federal do Pará - UFPA; (2) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará IFPA. ¹( keyla.b.rocha@gmail.com) RESUMO O alumínio é um metal que reúne excelentes propriedades, onde é foco de grande interesse em diversos setores industriais. Notadamente, parte dos ganhos adquiridos nos índices de resistência são perdidos durante a produção de juntas soldadas, tanto no metal de solda quanto na zona termicamente afetada, tornando assim, a procura por processos de soldagem que minimizem tal condição. Entre estes destacam-se, o processo de soldagem MIG PULSADO Convencional e o processo MIG DUPLO PULSO. Avaliou-se a influência da pulsação térmica sobre as condições metalúrgicas da estrutura solidificada e as propriedades mecânica da junta nas amostras obtidas a partir de cordões de solda da liga Al-Mg Os resultados obtidos foram comparados com o processo de soldagem MIG Pulsado Convencional. Observou-se que para o processo DUPLO PULSO obteve-se uma estrutura granular mais refinada do que no processo convencional, além de menores espaçamentos dendríticos e maiores microdurezas no metal de solda resultante. Palavras-chave: microdureza. Soldagem MIG Duplo Pulso, MIG Pulsado, Liga Al-Mg 5083 e INTRODUÇÃO 4258

2 O processo de soldagem MIG Duplo Pulso é uma linha de pesquisa que apresentase com grande potencial para conferir qualidade à junta solda. Este modelo de soldagem, associa a produtividade do processo MIG convencional com uma maior economia na utilização do arame de soldagem, além de apresentar particularidades de aplicação que podem trazer benefícios que, do ponto de vista metalúrgico, justifica o interesse no estudo da microestrutura do metal de solda obtido por este processo e de suas propriedades mecanicas. Processo de soldagem MIG O princípio básico do processo de soldagem MIG com corrente controlada, conhecido como MIG pulsado ou MIG-P, é estabelecer o controle da transferência metálica pela imposição de um ciclo artificial de soldagem no qual dois níveis de corrente, um alto e outro baixo, são aplicados alternadamente com o objetivo principal de produzir a transferência metálica no modo spray em níveis de energia compatíveis com a transferência de curto circuito ou globular (1). No processo de soldagem MIG Duplo Pulso (MIG-DP), duas condições de transferência metálica, ou pacotes operacionais por corrente pulsada, são utilizadas em um mesmo procedimento de soldagem, uma de maior velocidade de alimentação de arame e corrente média, denominada pulso térmico, e outra com menor velocidade de alimentação de arame e de menor corrente média, denominada base térmica. Nestas condições, a poça metálica fundida é submetida a uma influência térmica causada pela variação imposta à potência do arco, onde a frequência de entre as duas condições de pulso situa-se na faixa de 0,5 a 50 Hz (2; 3; 4). Materiais e Métodos Equipamentos utilizados na preparação das amostras utilizadas nas avaliações mecânicas e metalográficas. Lixadeira e politriz rotativa universal; reagente Keller, microscópio óptico; Microdurômetro; Softwares utilizados (Origin Pro8.0. e (Fiji Is Just) ImageJ). As amostras utilizadas das chapas soldadas da liga Al-Mg da série 5083, soldadas nas condições estabelecidas por (3) foram utilizadas para a investigação realizada neste trabalho. Na tabela 1 demonstra a especificação das amostras retiradas dos cordões de soldas, onde foram analisadas na seção transversal e longitudinal para a avaliação 4259

3 qualitativa da estrutura dos grãos e para análise quantitativa dos espaçamentos secundários em cada corpo de provas, sendo esta feita através do software imagej. Onde: (WfPt/ WfBt) definida como a relação entre as velocidades de alimentação do arame no pulso e na base térmica; (TPt/TBt) - a relação entre o tempo de permanência no pulso e na base térmica. Codificação Pulso Base Térmica do Experimento Térmico WfPt TPt WfBt TBt (m/min) (s) (m/min) (s) A1 10 0,7 6 0,3 A2 10 0,3 6 0,7 A3 MIG-P. Convencional (8m/min) B1 9 0,7 6 0,3 B2 9 0,3 6 0,7 B3 MIG-P. Convencional (7,5 m/min) C1 7 0,7 6 0,3 C2 7 0,3 6 0,7 C3 MIG-P. Convencional (6,5 m/min) Tabela 1 Codificação dos experimentos. Fatores e níveis. Soldagem MIG em pulsação térmica e convencional. RESULTADOS Avaliação Morfológica da estrutura predominante no metal de solda A morfologia predominante no metal de solda está de acordo com o esperado para uso da soldagem DUPLO PULSO, cuja pulsação térmica resultante, tem grande potencial para atuar sobre o grau de agitação da poça de fusão, favorecendo a nucleação de grãos equiaxiais dendríticos com o avanço da frente de solidificação. Abaixo temos as figuras 1, 2 e 3 que representam a microestrutura do metal de solda da região central do cordão. Na figura 1 representa que A2 possui uma menor dendrita devido a maior permanência na base térmica. Figura.1Microestrutura dendrítica do lote de amostra com Tp= 0,3; Tb=0,7s. 4260

4 Figura 2 Microestrutura dendrítica do lote de amostra com Tp= 0,3; Tb=0,7s. Figura 3Microestrutura dendrítica do lote de amostra com Tp= 0,3; Tb=0,7s. Ressalta-se que nos procedimentos referenciados como A3, B3 e C3, cujos metais de solda foram produzidos pelo processo MIG pulsado convencional, estes apresentam morfologia semelhante àquelas produzidas pelo processo MIG DUPLO PULSO, entretanto, há indicativos de menor nível de refino da estrutura apresentada. Estes resultados estão de acordo com o encontrado por (6). Análise Quantitativa da estrutura de solidificação resultante no metal de solda Na região centro da seção transversal de cada amostra nota-se uma variação morfológica de acordo com as alternâncias do tempo de permanência no pulso e na base térmica. Na Figura 4 ilustra os aspectos das microestruturas do metal depositado do grupo A (A1 (TPt = 0,7s e TBt = 0,3s) e A2 (TPt= 0,3s e TBt = 0,7)) e A3 a velocidade de alimentação do MIG-P permaneceu em 8m/min. Figura.4 Morfologia da microestrutura da região Centro. Onde: a) A1, b) A2e c) A3. Aumento de 200x. Na região do centro das amostras, nota-se que o fator tempo de permanência na base térmica foi fator relevante para a alteração na morfológicas da microestrutura do 4261

5 metal de solda. Comparando-se inicialmente as amostras A1 e A2, produzidas pelo processo MIG-DP, percebe-se uma diferença na morfologia, entre as duas condições de solidificação encontradas, com indicativos de estrutura granular mais refinada para a condição A2, ou seja, aquela com maior tempo de permanência na base térmica. Esta conclusão é norteada inicialmente pela análise do tamanho das dendrítas e consequentemente o tamanho de grãos visivelmente maiores na condição de soldagem A1 tendo como fator de comparação, inicialmente, os procedimentos que utilizavam o processo MIG-DP. A análise comparativa obtida a partir da amostra A3, a qual foi produzida a partir do processo MIG-P ou pulsado convencional, mostra que esta condição aparentemente é a de maior granulometria diante das amostras do mesmo lote. Considerando que todos os procedimentos de soldagem foram realizados sob a mesma condição de aporte térmico (3), este resultado é um claro indicativo do potencial do processo MIG-DP para promover refino de grãos, conforme proposto por (7) e (6). Seguindo a mesma linha de análise, as amostras referenciadas pela letra B de acordo com Fig. 5, temos a amostra B1 com TPt 0,7 e TBt 0,3 segundos; B2 com TPt 0,3 e TBt 0,7 segundos. A amostra B3, utilizada para comparação foi produzia pelo processo MIG-P convencional em velocidade do arame em 7,5m/min. A Figura 5 demonstra a morfologia das amostras do lote B. Figura.5 Morfologia da microestrutura da região CENTRO. Onde: a) B1; b) B2 e c) B3. Aumento de 200x. Pela análise das morfologias apresentadas acima, constata-se a mesma tendência de resultados encontrados para a amostra do grupo A, ou seja, a condição na qual o tempo de permanência na base térmica é maior apresenta indicativos de ser uma estrutura mais refinada, conclusão está também baseada na avaliação qualitativa no tamanho das dendrítas e consequentemente nos tamanhos de grãos. Estabelecendo comparação entre os procedimentos MIG-DP com o MIG-P dito pulsado convencional a análise qualitativa apresenta indicativos de que, neste caso, o 4262

6 processo convencional produziu uma estrutura com um maior refinamento do que a menos refinada entre aquelas do processo MIG-DP. A influência da relação tempo de permanência foi avaliada também nas amostras do lote C Fig. 6, onde neste caso, a amostra C1 em TPt 0,7 e TBt 0,3 segundos; para a C2 o TPt foi de 0,3 e TBt 0,7 segundos. A amostra comparativa produzida pelo processo MIG-P (C3) utilizou a velocidade de alimentação de arame de 6,5 m/min. A Figura 6 demonstra a morfologia do lote C de acordo com as diferentes condições de soldagem citadas. Figura.6 Morfologia da microestrutura da região CENTRO. Onde: a) C4; b) C6 e c) C7. Aumento 200x. Pela análise das imagens metalográficas mostradas na figura 6 nota-se que a condição de soldagem que produziu dessa morfologia granular mais refinada é a resultante da condição C2 resultante do processo MIG-DP com maior tempo de permanência na base térmica, ou seja, mantem-se a tendência de resultados encontrados nas amostras dos lotes. No processo MIG-P ou convencional, o metal de solda produzido apresentou estrutura menos refinada no universo de comparação. Estabelecendo uma análise comparativa entre os três diferentes grupos de condições de soldagem apresentados acima, constata-se que há linearidade nos resultados obtidos para análise das estruturas granulares obtidas. Excetuando-se o fato de que a pulsação convencional aparentemente não foi o pior resultado encontrado para as amostras do grupo B. Embora mesmo nos dias atuais não existem muitas referências relativas à pulsação térmica, alguns trabalhos atribuem esta tendência a produzir estrutura refinada, a pulsação térmica pela agitação da poça de fusão, promovida pela alteração cíclica entre pulso e base térmica (6). Paralelamente a isso, os melhores resultados encontrados para as condições de permanência de base térmica podem ser também atribuídos a maior taxa de resfriamento que esta condição proporciona ao metal de solda responsável (5 e 3). 4263

7 Quantificação do Espaçamento Interdentríticos O espaçamento dendrítico secundário segundo as condições adotada para a quantificação foi o metal de solda na região central. Na Figura 7 a seguir são apresentados os valores encontrados na medição dos espaçamentos secundários (λ2) na seção transversal para as diferentes condições de uso do processo MIG-DP e MIG- P. Figura.7 Representação das medições dos espaçamentos secundários para os três lotes de amostras na seção transversal Pela observação da Fig. 8 nota-se uma diversificação nos valores dos espaçamentos dos braços dendríticos secundários da região longitudinal do cordão de solda, conforme pode ser observado de forma geral, as condições que apresentaram menores valores de λ2, foram aquelas nas quais o tempo de permanência na base térmica foi maior do que tempo de permanência de pulso térmico, com exceção da condição de soldagem do grupo A, a qual apresenta indicativo de não apresentar variações. Figura.8 Variação dos espaçamentos secundários na seção longitudinal para os respectivos lotes de amostras. A análise da figura indica, em concordância com as condições encontradas para a seção transversal, que os menores valores de espaçamento dendrítico secundário foram 4264

8 aqueles encontrados para as condições de pulsação na qual o tempo na base térmica foi maior do que no tempo do pulso térmico, ou seja, as condições experimentais B2 e C2. Entretanto, este resultado não foi observado para as condições experimentais do grupo A que utiliza pulso térmico com maior tempo de permanência no pulso térmico, ou seja, apresentaram menores espaçamentos dendríticos secundários. De forma geral, a análise dos valores encontrados de medida dos espaçamentos secundários, excetuando do grupo A, corroboraram com a avaliação qualitativa da seção anterior, que indicou que a morfologia do metal de solda mais refinada encontrada nas condições onde os valores de tempo de permanência na base térmica foram maiores. Estabelecendo comparações com os procedimentos realizados com o processo pulsado convencional (A3, B3 e C3), os resultados obtidos indicam que novamente os menores valores de espaçamento dendríticos e consequentemente estrutura mais refinada são encontrados em procedimentos em pulsação térmica, onde o maior tempo de permanência na base térmica é utilizado. Avaliação da Microdureza Os ensaios de microdurezas são para referendar, ou não, os resultados da avaliação qualitativa feita através da análise metalográfica do metal de solda e quantitativa feita através da medição dos espaçamentos secundários. A Figura 9 mostrada a seguir apresenta uma visão geral dos valores obtidos de microdureza da região de soldagem, onde: MS Metal de Solda; LF Linha de Fusão; ZTAR Zona Termicamente Afetada de Grãos Refinados; ZTAG Zona Termicamente Afetada de Grãos Grosseiros; MB Metal de Base. Figura.9 Representação das microdurezas de todas as amostras da seção longitudinal 4265

9 Pela análise da figura, tendo como referência a região metal de solda (MS) é possível observar que a condição de maior microdureza ocorre para a condição de experimento B2 a qual está relacionada com a utilização do MIG-DP na condição de permanência no maior valor de base térmica. Este resultado confirma os indicativos observados na análise qualitativa assim como na análise quantitativa do espaçamento dendrítico, certificando que esta condição de soldagem a estrutura é mais refinada, pois possui maiores valores de microdureza. Estes resultados estão de acordo com (6); (8) e (9), declaram que os espaçamentos interdendríticos secundários exercem influencias sobre as propriedades mecânicas, onde os menores valores permitem que a microestrutura seja caracterizada por uma distribuição mais uniforme da segregação microscópica que existe entre as ramificações dendríticas o que favorece o comportamento mecânico. A quantificação de pequenos valores dos espaçamentos interdendríticos propiciará de forma favorável maiores durezas. A explicação deve-se que a dureza é uma propriedade que depende diretamente do arranjo microestrutural final o que sustenta a teoria (10). Observa-se que os procedimentos de soldagem utilizando o processo MIG-DP e entre estes os procedimentos que utilizaram maior tempo de permanência na base térmica, ou seja, A2, B2 e C2 apresentaram maior valores de microdureza na região de MS, sendo este, mais um forte indicativo de que os metais de solda resultantes destes procedimentos são detentores de melhores propriedades mecânicas. Ressalta-se que esta condição é verificada mesmo nos procedimentos do grupo A, em que a análise de espaçamento dendrítico apresentou indicativos de que o uso de maior tempo no pulso térmico apresentou estrutura menos refinada, o que resultaria em menores valores de microdureza. No universo de comparação com o MIG-P convencional análise da Fig. 9 indica que a única diferença marcante acontece na comparação dos procedimentos de soldagem do grupo B onde claramente o procedimento de soldagem na condição de maior tempo de permanência na base térmica apresentou maior microdureza e indicativo de estrutura mais refinada. Nos demais casos não houve diferença considerável e, portanto, por este critério não houve diferença de metal de solda resultante. Na Figura 10 apresenta comparação entre os perfis de microdureza de dois procedimentos de soldagem sendo que estes pertencem aos processos MIG-DP (procedimento B1) e MIG-P Convencional (procedimento B3) e MD são os valores de média dos dois processos. A principal constatação na análise da figura, é a intensa 4266

10 variação dos valores de microdureza observada em ambos os processos, citando que a medição foi realizada ao longo do comprimento em um plano longitudinal superior do cordão de solda. Figura.10 Representação da microdureza das amostras B1 e B3 no plano superficial do cordão de solda. Embora haja consideráveis variações de microdureza em ambos os processos, nota-se que no processo MIG-DP encontra-se a mais intensa variação alcançando os maiores picos, entretanto, também os menores valores. Preliminarmente esse resultado indica que como resultado da oscilação do metal líquido na poça de fusão em decorrência da pulsação térmica o metal de solda resultante apresenta intensa variação de morfologia, à medida da alternância entre as condições de pulso. Alternância do processo MIG-P Convencional, menos intensa, do que o MIG-DP é justificada também, pela, embora menos intensa, agitação da poça de fusão, em função das condições naturais do processo MIG-P e das alternâncias em corrente de pico e corrente de base, responsáveis pelas condições de destacamento de gotas. As variações de microdureza podem ser parcialmente atribuídas à anisotropia natural decorrente de variações de fases naturais devidas a processos de micro segregação comuns em qualquer processo de solidificação. Estes resultados de certa forma coincidem com aqueles encontrados por (11), que encontraram igualmente variações de microdurezas em análises realizadas e metal de solda em condições similares de soldagem, porém, mantendo constante o tempo de permanência de pulso e base térmica em 0,5 segundos. CONCLUSÃO As condições impostas pela pulsação térmica indicam influenciar nas condições de solidificação do metal de solda considerando as diferenças encontradas entre os MIG- DP e MIG-P convencional. 4267

11 Após avaliação qualitativa do metal de solda resultante foi possível concluir que houve refino da microestrutura resultante do processo de soldagem, sendo que as condições que utilizaram a maior tempo de permanência na base térmica foram mais efetiva neste aspecto. A avaliação quantitativa dos espaçamentos interdendríticos secundários na comparação com o processo MIG-P, de forma geral mostrou que os resultados de menores valores de espaçamento dendríticos são encontrados em procedimentos em pulsação térmica, na condição de maior tempo de permanência na base térmica. De maneira geral, os valores de microdureza foram maiores para amostras que permaneceram em maior tempo de permanência na base térmica. Em termos de comparação entre os processos, o MIG-DP obteve valores em média maiores que o MIG- P. A partir desta tendência de resultados é possível indicar uma caminho a ser seguido objetivando obter qualidades metalúrgicas no processo de soldagem em condições aproximadas a estas utilizadas neste trabalho. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao IFPA, ao grupo de pesquisa GETSOLDA da UFPA e a FAPESPA pelo auxílio através do projeto Mestres Engenheiros Mecânicos Amazônidas MEMA ICAAF 064/2016 do Edital 006/2016. REFERÊNCIAS (1) AMIN, M., Pulse Current Parameters for Arc Stability and Controlled Metal Transfer in Arc Welding, Metal Construction, Vol. 15, pp. 272~ 278, (2) DUTRA, J. et al. O processo MIG/MAG Pulsado com Pulsação Térmica. In: XXI ENTS, Caxias do Sul, p , junho (3) FILHO, C.B.A.S. Uma Contribuição ao Estudo da Soldagem MIG Duplamente Pulsada da Liga Al-Mg Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Federal do Pará, Belém, (4) BARBOSA, R.C. Uma Mudança de Paradigma na Soldagem de Tubos de Grande Diâmetro e Espessura. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, (5) VISNHU, P. R.; Modelling Microstructural Changes in Pulsed Weldments. Welding in the World, Great Britain, v. 35, n. 4, p ,

12 (6) BARRA, Sérgio R. Influência do Processo MIG/MAG Térmico sobre a Microestrutura e a Geometria da zona Fundida. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, (7) RAM, GD J., MURUGESAN, R., SUNDARESAN S. Fusion Zone Grain Refinement in Aluminum Alloy Welds through Magnetic Arc Oscillation and Its Effect on Tensile Behavior. ASM Internation. JMEPEG, 8; (8) GARCIA, A. Solidificação: fundamentos e aplicações. 2 ed. Campinas-SP: Editora da Unicamp, (9) VERISSIMO, N.C., BRITO, C., SANTOS, W.L.R., CHEUNG, N., SPINELLI, J.E., GARCIA, A. Interconnectionof Zn content, macrosegregation, dendriticgrowth, nature of intermetallics and hardness in directionally solidified Mg-Zn alloys. Journal of alloys and Compounds , (10) BRITO, C.C. Parâmetros Térmicos e Microestruturais na Solidificação Transitória de Ligas Al-Mg e Al-Mg-Si e Correlação com Resistências Mecânica e à Corrosão. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), Universidade Estatual de Campinas, Campinas, (11) MOTA, C.A.M., Influência dos Parâmetros operacionais de Soldagem em Processo MIG sobre a Microestrutura e Perfil de Dureza na de Alumínio Naval. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica-CONEM. Cód , agosto, 2006, Recife-PE. METALURGICAL CHARACTERIZATION OF WELD METAL OBTAINED IN ALGAE 5083 ALLOY SAMPLING WELDED WITH ER5356 ELETRODE WIRE USING PROCESS MIG DOUBLE PULSE Abstract: The aluminum is a metal that combines excellent properties, where it is a focus of great interest in several industrial sectors. Notably, part of the gains obtained in the resistance indices are lost during the production of welded joints, both in the weld metal and in the thermally affected zone, thus making the demand for welding processes that minimize such condition. Among these are the conventional MIG PULSADO welding process and the MIG DOUBLE PULSE process. The influence of the thermal pulsation on the metallurgical conditions of the solidified structure and the mechanical properties of the joint in the samples obtained from alloy strands Al-Mg 5083 were evaluated. The results obtained were compared with the conventional Pulsed MIG welding process. It was observed that for the DUPLO PULSO process a more refined granular structure was obtained than in the conventional process, in addition to smaller dendritic spacings and larger microhardnesses in the resulting solder metal. Keywords: DOUBLE PULSE MIG welding, PULSED MIG, Al-Mg 5083 alloy and microhardness 4269