INFLUÊNCIA DOS PARAMETROS DE SOLDAGEM DO PROCESSO MAG NAS PROPRIEDADES DAS JUNTAS DO AÇO FB590

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1 INFLUÊNCIA DOS PARAMETROS DE SOLDAGEM DO PROCESSO MAG NAS PROPRIEDADES DAS JUNTAS DO AÇO FB590 Danilo Henrique Wanderley Omena Luna, 1 Cristiano Pinto da Silveira, 1 Tassio Vieira Dourado, 1 Manoel Martinez Soto Junior, 2 Everton Silva dos Santos, 1 Manoel Carreira Neto, 3 Rodrigo Santiago Coelho, rodrigo.coelho@fieb.org.br 1 1 SENAI CIMATEC, Instituto SENAI de Inovação e Conformação de Materiais, Av. Orlando Gomes, Piatã, Salvador-BA, Brasil 2 SENAI CIMATEC, Faculdade de Tecnologia, Av. Orlando Gomes, Piatã, Salvador-BA, Brasil 3 Ford Motor Company, Av. Henry Ford, 2000, Área Industrial Leste COPEC, , Camaçarí-BA, Brasil Resumo: A indústria automotiva sempre se preocupou com a economia de combustível e atualmente, com a grande atenção da sociedade, as questões ambientais tornaram-se uma prioridade. Uma das formas de redução do consumo é através da diminuição do peso do veículo que pode ser alcançada pela utilização de chapas mais finas em sua estrutura. Para que isto ocorra, sem penalizar a sua estrutura mecânica, é necessário utilizar materiais mais resistentes, como os aços ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga). Esses materiais, além de alta resistência, devem apresentar boas propriedades mecânicas para os processos de fabricação utilizados na montagem de um veículo conformação e soldagem. Um dos processos de soldagem que vem sendo mais utilizado devido a sua produtividade e confiabilidade é o processo de soldagem GMAW, que é utilizado em locais de grande responsabilidade ou onde o processo de soldagem a ponto é descartado devido à dificuldade de acesso. Este trabalho apresenta estudos da soldabilidade do aço FB 590 que possui matriz ferrítica com um percentual de bainita. Foram analisadas as influências da velocidade de avanço e da concentração de CO2 no gás de proteção nas características microestruturais e mecânicas (microdureza) da solda. Os resultados demonstram a relação entre o aporte térmico empregado, o percentual de CO2 do gás de proteção, a microestrutura e a microdureza da solda. Palavras-chave: Soldagem GMAW, ARBL, Aço FB590, Velocidade de avanço, Gases de proteção, Indústria automotiva. 1. INTRODUÇÃO O uso de materiais de alta resistência é cada vez mais comum na indústria automotiva, isto porque um dos principais desafios dos veículos modernos é a economia de combustível sem a perda da potência. Uma das maneiras de se atingir este objetivo é diminuindo o peso dos veículos. Segundo Kaputska et al (2008), a utilização de aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) em estruturas veiculares possibilita a diminuição da espessura da chapa sem que a estrutura seja afetada reduzindo-se assim o peso do veículo. Moura et al (2011) mostrou alguns dados referentes aos benefícios da utilização dos aços de alta resistência: Redução do consumo de combustível: para cada 100 Kg reduzidos de massa no automóvel existe uma economia de 0,3 l de combustível para uma distância percorrida de 100 km; Redução de CO2 liberado na atmosfera: para uma redução de 0,3 l de consumo de combustível atinge-se uma redução de 0,6 a 0,7 kg de liberação de gás carbônico. Os aços com Limite de Resistência à Tração a partir de 590 Mpa são considerados aços avançados de alta resistência - Advanced High-Stengh Steels (AHSS). Tumuluru (2006) apontou que aços com duas fases -os chamados Dual Phase- com tensão de tração mínima de 590 Mpa começaram a ser utilizados na indústria automotiva em diversos veículos entre os anos de 2004 e 2005 e projetou um aumento desta utilização de 12% da estrutura do veículo em 2005 para 50% em Estes aços, além de alta resistência, também possuem boa conformabilidade, aumentando assim a sua aplicabilidade e interesse pela indústria automotiva. De acordo com o mesmo trabalho, a diminuição da espessura aliada ao aumento da resistência das peças de um veículo viabilizaria tanto a economia de combustível quanto o aumento da segurança dos usuários com a maior capacidade de absorção de energia em caso de impacto. Gorni (2009) citou que um aço de matriz ferrítica com uma segunda fase de bainita é uma variação do aço DP. Nos aços de matriz ferrítica-bainítica, como o FB 590, tem-se uma menor concentração de tensão e deformação uma vez que é mais uniforme do que a estrutura ferrítica-martensítica. Esta característica proporciona melhor ductilidade e tenacidade à chapa, o que torna este material muito atrativo para aplicação na indústria automotiva. O percentual de bainita na microestrutura de matriz ferrítica varia normalmente entre 10% a 15%.

2 Segundo o catálogo de um fabricante do FB 590, AcellorMittal (2013), as principais aplicações deste aço são em peças estruturais como: vigas longitudinais e transversais; estrutura do veículo; rodas e partes mecânicas como suspensão e caixas de marcha. A sua tensão de escoamento varia entre 480 e 600 Mpa e a de ruptura de 590 a 670 Mpa. Para utilização de um aço na indústria automotiva também é muito importante a soldabilidade do material utilizado, pois as chapas após conformadas precisam ser unidas. Pinheiro (2010) cita em seu trabalho que a soldagem a ponto é a mais utilizada pela indústria automobilística devido à sua simplicidade, ao baixo custo de produção, à alta taxa de produtividade e a não utilização de metal de adição. Pode-se somar a estas características, a boa adequação deste processo às juntas sobrepostas, que é uma das mais utilizadas em automóveis, além de também apresentar facilidade na sua automatização. O processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding) vem sendo cada vez mais utilizado, principalmente na soldagem de subsistemas como suspensão e para-choque. Entre as características deste processo, podemos citar: maior resistência da junta soldada; versatilidade quanto aos tipos de material e junta utilizados; facilidade de automatização; facilidade de acesso a juntas onde a garra de solda a ponto não tem acesso pelos dois lados. Com a constante busca de redução de custos, diminuição do peso dos automóveis e redução do tempo de montagem dos veículos, estudos de novos métodos de soldagem para aumentar a aplicabilidade do aço FB 590 são necessários. O objetivo deste trabalho é estudar a soldabilidade do aço FB 590 usando o processo robotizado GMWA em função do aumento da velocidade de soldagem e diferente concentração de CO2 no gás de proteção. As juntas soldadas foram avaliadas quanto ao seu perfil e penetração e também quanto às variações microestruturais e de microdureza ao longo da zona fundida até o metal de base. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Material Foi selecionado um aço Ferrítico Bainítico do tipo FB 590 cortado em chapas de 4,0 mm x 165 mm x 165 mm cuja composição química nominal fornecida pelo fabricante e a obtida no laboratório (amostra de teste) são apresentadas na Tab (1). As análises químicas da amostra teste foram coletadas por espectrometria de emissão óptica em um equipamento da marca Oxford, modelo Foundry-Master no laboratório do SENAI/CIMATEC-BA. Tabela 1. Composição química nominal do fabricante e de amostra testada do aço FB590 utilizado no experimento. (% de massa). FB 590 C (%) Mn (%) Si (%) Nominal (máx) 0,1 1,6 0,15 Amostra de teste 0,0896 1,46 0, Procedimento de Soldagem As chapas foram cortadas por eletroerosão a fio para a preparação de duas juntas de topo sem chanfros em cada uma das chapas. Com a intenção de simular a rigidez da estrutura de um veiculo e garantir o bom alinhamento das chapas, os cortes não foram completos. A fig. (1) mostra a vista superior da chapa utilizada cuja espessura é de 4 mm. O processo de soldagem utilizado foi o GMAW utilizando um gás ativo (MAG - Metal Active Gas).

3 Figura 1. Vista superior da chapa do FB 590 utilizada nos ensaios. As velocidades de soldagem escolhidas foram de 10 mm/seg que é uma velocidade já utilizada pela indústria e de 15 mm/seg, que representaria um aumento de 50% de produtividade. Os valores de tensão e de velocidade de avanço do arame foram definidos de modo que, utilizando a velocidade de avanço de 10 mm/seg e a mistura comercial do gás de proteção com 80% de Argônio e 20% de CO 2, a solda apresentasse um bom resultado visual. Para a velocidade de 15 mm/seg, os parâmetros foram ajustados de modo que o calor aportado na amostra fosse mantido em um patamar, com uma diferença aceitável entre cada amostra de no máximo 10%. Visando identificar o efeito da alteração do gás de proteção para este material, os parâmetros foram repetidos utilizando-se o gás com um maior percentual de Argônio (mistura comercial com 98% de Argônio e 2% de CO 2 ). A vazão do gás utilizada em todos os testes foi de 14 l/min. A Tab. (2) apresenta todos os parâmetros utilizados neste trabalho para a soldagem. A distância do bico de solda até a peça foi mantida constante em 25 mm e, todas as soldas realizadas com apenas um passe. O metal de adição utilizado foi o ER70S-6 com 1 mm de diâmetro. Tabela 2. Parâmetros de soldagem utilizados neste estudo. Gás 1 (80% de Argônio e 20% de CO 2 ) e gás 2 (98% de Argônio e 2% de CO 2 ). Amostra Gás Velocidade de Soldagem (mm/seg) Tensão (V) Velocidade de Avanço do Arame (m/min) Vazão do Gás de Proteção (l/min) Foram utilizados uma fonte de soldagem IMC DIGIPlus A7 no modo tensão constante e um robô FANUC S-430i W com um controlador FANUC System R-J3 para a realização das soldas. O equipamento utilizado pode ser visto na Fig. (2).

4 2.3. Análise Visual e Microestrutural Figura 2. Equipamentos utilizados na soldagem das amostras. A análise visual foi realizada através de macrografias do perfil transversal da solda utilizando-se um estereoscópio da marca Wild Heerbrugg e uma câmera Zeiss modelo AxioCam ERc 5s para aquisição das fotos. As amostras foram cortadas, submetidas a processos metalograficos padrões (lixamento e polimento) e atacadas com Nital 2% (2% de ácido nítrico e 98% de álcool etílico). Esta análise foi realizada para definir o perfil de solda, a sua penetração e o tamanho da ZTA (Zona Termicamente Afetada). Após a análise macroscópica, foi realizada a análise da microestrutura dos perfis da solda por microscopia óptica utilizando um microscópio da marca Zeiss modelo AX10 e uma câmera Zeiss modelo AxioCam ERc 5s. A microscopia visa observar a microestrutura resultante do processo de soldagem e a possível formação de constituintes mais duros como a martensita Análise da Microdureza Análises de microdureza foram feitas usando o método Vickers (HV 0,1) utilizando-se o microdurômetro da marca Shimadzu, modelo HMV-2T. O perfil da microdureza foi feito de lado a lado desde o metal de base, passando pelo centro da zona fundida com o intuito de verificar variações locais da propriedade mecânica da solda. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Soldagem O processo de soldagem foi parametrizado levando-se em conta a mínima variação no aporte térmico quando mudado a velocidade do processo. Mesmo para uma variação máxima do aporte de calor menor que 7%, encontrou-se uma diferença de aproximadamente 37% na potência elétrica utilizada. Esta maior diferença ocorreu quando comparadas as velocidades de 10 mm/seg e 15 mm/seg utilizando-se o gás com uma concentração de 2% de CO 2, sendo que os maiores valores foram para a maior velocidade de soldagem. Para o cálculo do aporte de calor foi utilizada a Eq. (1) e da potência de soldagem a Eq. (2), observando-se que, segundo Dutra (2013), para o cálculo correto da potência, não se deve utilizar os valores das médias da tensão e corrente de soldagem e sim o somatório de todos os pontos ao longo da soldagem. Estes valores podem ser vistos na Tab. (3). (V I) H = (1) v onde H é a energia de soldagem, é a eficiência térmica do processo, V é a tensão do arco, I é a corrente de soldagem e v é a velocidade de soldagem. n V i I i i 1 P = n (2)

5 onde P é a potência de soldagem V i e I i são respectivamente a tensão e corrente em cada um dos pontos medidos ao longo do processo de soldagem e n a quantidade de pontos medidos. Tabela 3. Parâmetros de soldagem monitorados e calculados durante os processos de soldagem. Amostra Corrente média (A) Aporte (J/mm) Potência Elétrica (W) Com o aumento da velocidade de soldagem de 10 mm/seg para 15 mm/seg e mantendo o aporte de calor, uma alteração no modo de transferência de metal de adição foi observada. Este foi alterado de curto-circuito para spray, como pode ser verificado no gráfico de variação da tensão de soldagem ao longo do tempo, Fig. (3). Esta alteração aconteceu devido à necessidade do aumento de tensão e corrente de soldagem para que a diferença do aporte de calor entre as amostras fosse mantida no patamar de apenas 7%. Figura 3. Gráficos de tensão x tempo da soldagem das amostras 1 (a) e 3 (b) indicando os dois diferentes modos de transferência de metal de adição Macrografias Os resultados encontrados nas macrografias dos perfis das soldas mostraram que, apesar do aporte de calor ser mantido constante, a variação do gás de proteção gerou uma diferença no resultado final da solda. Na Fig. (4), podemos observar que, para as duas velocidades de soldagem, a alteração do gás para o de menor concentração de CO 2 apresentou uma diminuição considerável na penetração da solda, tornando inviável a sua aplicação em passe único para uma chapa de 4 mm. Segundo Scotti (2008), a maior penetração se deve à propriedade do CO 2 de aumentar a capacidade de transferência de calor para o metal base gerando como resultado uma maior penetração da solda. Além disso, pode-se verificar que o aumento da velocidade alterou o perfil da solda no caso do uso do gás com maior percentual de CO 2, Fig. (4). Isto ocorreu possivelmente devido à maior potência de soldagem gerada com o aumento da tensão e da corrente de soldagem (necessários para manter o aporte de calor com uma maior velocidade de soldagem). Este fator gerou uma fusão mais concentrada e profunda. Vale observar que, para o caso da amostra produzida com a velocidade de 15 mm/seg e o gás com 20% de CO 2, a solda apresentou mordedura o que, dependendo da sua aplicação, pode inviabilizar o seu uso.

6 Figura 4. Macrografias das juntas soldadas, sendo as amostras 1, 2, 3 e 4 representadas pelas fotos (a), (b), (c) e (d), respectivamente Micrografias Análises microestruturais não revelaram um indicativo claro de diferenciação entre as soldas produzidas, apresentando microestruturas similares independentes da velocidade e da concentração dos gases. Foi observada a formação de martensita e ferrita de Widmanstätten na zona de fusão (ZF) e na zona termicamente afetada (ZTA) de grãos grosseiros (região mais próxima da ZF). Segundo Lessa (2011), estas são microestruturas não desejadas para soldas em peças de grande responsabilidade, pois diminuem a tenacidade do material. Além disso, foram identificadas na ZF concentrações de ferrita e bainita. A ZTA pode ser dividida em diversas regiões com suas respectivas formações: grãos grosseiros (ferrita, ferrita de Widmanstätten, bainita e martensita); grãos mais refinados (ferrita e bainita) e a região subcrítica (ferrita e bainita). Na região subcrítica não houve alteração microestrutural, apenas a perda do sentido da laminação que os grãos apresentam no metal de base. Exemplos dessas microscopias podem ser vistas na Fig. (5).

7 Figura 5. Micrografia da junta da amostra 3 demonstrando todas as regiões da solda: metal de base (b); ZTA dividida em: região subcrítica (c), região com grãos refinados (d) com uma microestrutura formada por ferrita (F) e bainita (B) e região com grãos grosseiros (e) formada por martensita (M), ferrita (F), bainita (B) e ferrita de Widmanstätten (FW); zona fundida (f) apresentando na microestrutura martensita (M), ferrita (F), bainita (B) e ferrita de Widmanstätten (FW) Microdureza Os perfis de microdureza são apresentados na Fig. (6). As análises revelaram um comportamento bastante semelhante para as diferentes soldas produzidas. O metal base apresenta uma dureza de aprox. 180±10 HV 0,1 e cresce continuamente até o centro da ZF onde uma dureza de 210±10 HV0,1 é observada. Isso ocorre devido à relação de temperatura e taxa de resfriamento durante a soldagem. A pouca variação apresentada comparando as diferentes soldas produzidas é esperada devido à pequena variação do aporte de calor aplicado durante a fabricação das mesmas. Figura 6. Perfis de microdureza medidos para as diversas soldas analisadas nesse estudo.

8 4. CONCLUSÃO Este trabalho apresenta os resultados preliminares do estudo da soldabilidade do aço FB 590 usando o processo robotizado GMWA em função do aumento da velocidade de soldagem e diferente concentração de CO2 no gás de proteção. Os resultados mostraram que: O aumento da velocidade de soldagem mantendo-se o aporte térmico faz com que a potência elétrica de soldagem aumente e o modo de transferência metálico seja alterado de curto-circuito (velocidade de 10 mm/seg) para spray (velocidade de 15 mm/seg). A soldagem automatizada do aço FB 590 utilizando as velocidades de 10 mm/seg e 15 mm/seg é viável, contudo, no caso do aumento de velocidade, o perfil da solda fica mais irregular em relação à de menor velocidade o que pode ocasionar o aparecimento de mordeduras. A mordedura diminui a secção na região da junta e cria um concentrador de tensão, o que pode tornar a aplicação do processo de soldagem nessa velocidade inviável para peças de maiores responsabilidades. No caso apresentado, segundo a norma de boas práticas das montadoras, a mordedura apresentada não afetaria a aplicação da solda, sendo considerada aceitável. O gás de menor concentração de CO 2 diminui a penetração da solda, mesmo utilizando um aporte térmico similar. Isto indica que, para um passe único em peças com 4 mm de espessura, o uso do gás com uma concentração de 2% de CO 2 não é indicado. Foi observada a formação de duas microestruturas na ZF e na ZTA não indicadas para uma região soldada de uma peça que precisa de boa tenacidade: martensita e a ferrita de Widmanstätten. Análises adicionais são necessárias para apurar o real efeito delas nas propriedades mecânicas da junta. 5. AGRADECIMENTOS Ao SENAI CIMATEC por todo o suporte na pesquisa disponibilizando os laboratórios e consumíveis e à Benteler Automotive pela doação das chapas utilizadas neste trabalho. 6. REFERÊNCIAS Acellormittal, 2013, Hot Rolled Ferrite-Bainite Steels, Product catalogue - European edition, pp Dutra, J. C., Silva, R. H. G., Marques, C., 2013, Características de Fusão e Potência de Soldagem com a Transferência MIG - CMT versus MIG convencional para Alumínio 5183, Soldagem e Inspeção, Vol. 18, Nº 01, pp Gorni, A. A., 2009, Aços Avançados de Alta Resistência: Microestrutura e Propriedades Mecânicas, 5º Congresso de Corte e Conformação de Metais, São Paulo, Brasil kaptuska, N., Conrardy, C., Babu, S. e Albiright, C., 2008, Effect of GMAW Process and Material Conditions on DP 780 and TRIP 780 Welds, Welding Journal, Vol. 87, pp Lessa, C. R. de L, 2011, Soldagem FHPP Processo e Metalurgia nas Transformações de Fases de um Aço C-Mn. Dissertação de Mestrado na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Marques, P. V., Modenesi, P. J. e Bracarense, A. Q., 2009, Soldagem Fundamentos e Tecnologia, Ed. UFMG, 3º Edição Atualizada, Belo Horizonte, Brasil, 362pp. Moura, R. L. C. e Miranda, G. W. A., 2011, Comportamento de Chapas de Aço de Alta Resistência em Processo de Estampagem com Ferramental Revestido de Cromo, 6º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Caxias do Sul, Brasil. Pinheiro, H. J. G., 2010, Estudo da Correlação Entre a Corrente Shunt e a Geometria do Ponto de Solda em Função do Espessamento, em Chapa de Aço de Baixo Teor de Carbono e Espessura de 0,8mm. Dissertação de Mestrado na Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, Salvador. Scotti, A. e Ponomarev, V., 2008, Soldagem MIG/MAG, Melhor Entendimento, Melhor Desempenho, Ed. Artliber, São Paulo, Brasil, 284pp, Tumuluru, M. D., 2006, Resistance Spot Welding of Coated High-Strengh Dual-Phase Steels. Welding Journal, Vol. 85, No. 8, pp DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

9 INFLUENCE OF WELDING PARAMETERS OF MAG PROCESS IN JOINTS PROPERTIES OF FB590 STEEL Danilo Henrique Wanderley Omena Luna, 1 Cristiano Pinto da Silveira, 1 Tassio Vieira Dourado, 1 Manoel Martinez Soto Junior, 2 Everton Silva dos Santos, 1 Manoel Carreira Neto, 3 Rodrigo Santiago Coelho, rodrigo.coelho@fieb.org.br 1 1 SENAI CIMATEC, Instituto SENAI de Inovação e Conformação de Materiais, Av. Orlando Gomes, Piatã, Salvador-BA, Brasil 2 SENAI CIMATEC, Faculdade de Tecnologia, Av. Orlando Gomes, Piatã, Salvador-BA, Brasil 3 Ford Motor Company, Av. Henry Ford, 2000, Área Industrial Leste COPEC, , Camaçarí-BA, Brasil Abstract: The automotive industry has always been concerned with fuel economy and now, with great attention of society to environmental issues, it has become a priority. One way is to reduce consumption by decreasing the vehicle weight which can be achieved by using thinner sheets in the vehicle structure. For it happens without penalizing its mechanical structure is necessary the use of more resistant materials such as HSLA steels ( High Strength Low Alloy ). These materials, in addition to high strength, must present good mechanical properties for the manufacturing processes used in the assembly of a vehicle - forming and welding. One of the welding processes that has been most widely used due to its productivity and reliability is the welding process GMAW, which is used in great responsibility parts or where the spot welding process is discarded due to difficult access. In this paper, weldability studies of FB590 steels, ferritic matrix with a percentage of bainite, is presented. The influences of welding speed and the concentration of CO2 in the shielding gas in the microstructural and mechanical characteristics (microhardness) of the weld were analyzed. The results demonstrate the relationship between the heat input used, the percentage of CO2 of shielding gas, the microstructure and microhardness of the weld.. Key words:welding, GMAW, HSLA, FB 590 Steel, Welding speed, Protection Gas, Automotive Industry.