EFEITO DO INSUMO DE CALOR NA MICROESTRUTURA DA SOLDA DO AÇO NTU- SAR50 PELO PROCESSO A ARCO SUBMERSO

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1 1 EFEITO DO INSUMO DE CALOR NA MICROESTRUTURA DA SOLDA DO AÇO NTU- SAR50 PELO PROCESSO A ARCO SUBMERSO Marcelo Alves Fonseca Professor dos Curso de Engenharia do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais / Unileste-MG; Engenheiro Metalurgista (UFMG); Mestre em Engenharia Mecânica (UFMG). José Carlos Lacerda Coordenador e Professor do Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais / Unileste- MG; Eng. Mecânico (UFMG); Especialista e Mestrando em Engenharia de Materiais (UFOP). Camila Silva Medeiros Luciano Garcia de Assis Tiago Salzmann Vilela Rodrigo Braga Ceglias RESUMO Neste presente trabalho são apresentados e analisados resultados obtidos do estudo dos efeitos macro e microestruturais do insumo de calor na soldagem de um aço estrutural de alta resistencia mecânica pelo processo a arco submerso. Foram realizados ensaios metalográficos a partir das amostras das chapas soldadas de topo obtidas com cinco diferentes valores de aporte de calor. As microestruturas obtidas da zona de fusão e da zona termicamente afetada evidenciaram marcantes transformações estruturais decorrentes das diferentes condições do processo. As amostras soldadas com mais baixos valores de insumo de calor apresentaram maior presença de constituintes microestruturais que resultam em melhores propriedades mecânicas para as soldas obtidas. Palavras-chave: microestruturas, soldas, aços estruturais. ABSTRACT In this present work they are presented and analyzed obtained results of the study of the effects macrostructurals and microstructurals of the heat input in the welding of a steel structural of high mechanical resistant for the process arc submerged. Metalographics tests were accomplished starting from the samples of the top welds obtained with five different values of heat input. The microstructures obtained of the fusion zones and of the zone affected they evidenced outstanding current structural transformations of the different conditions of the process. The welded samples with lower values of heat input presented larger presence of constituentt microstructurals that result in better mechanical properties for the welds obtained. Key-words: microstructures, welds, structurals steels

2 2 OBJETIVOS Caracterizar as principais regiões afetadas pelo processo de soldagem; Caracterizar o comportamento de cada região considerando diferentes insumos de calor; Caracterizar em termos de microestrutura as alterações ocorridas nas regiões com os respectivos insumos de calor. INTRODUÇÃO Dos procedimentos que utilizam calor, a soldagem por fusão é o método mais utilizado na união de ligas metálicas. Entretanto, esta implica na aplicação de severos ciclos térmicos que leva a alterações microestruturais do metal base com conseqüente variação de propriedades. A soldabilidade é uma propriedade tecnológica que representa a maior ou menor habilidade do metal base em suportar tais condições, obtendo-se um produto capaz de atender às especificações da qualidade requerida. No desenvolvimento e melhoria de desempenho de materiais para aplicações estruturais, a soldabilidade ocupa lugar de destaque dentre os requisitos do cliente e das especificações técnicas do projeto. Por exemplo, o desenvolvimento dos aços microligados deve-se em grande parte a sua favorável soldabilidade, além de suas propriedades mecânicas adequadas. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Metalurgia da Soldagem No processo de soldagem, são formadas diferentes regiões onde o ciclo térmico exerce seu efeito. A figura a seguir demonstra cada uma das regiões. Figura 1 Macroestrutura típica da solda de um aço. (1) Região de poça fundida; (2) Zona Termicamente Afetada (ZTA); (3) Metal Base. A Região de Poça Fundida ou zona de fusão (ZF) reproduz em pequena escala todos os fenômenos que normalmente ocorrem durante a solidificação de uma liga metálica, como nucleação e crecimento de cristais, formação de estruturas de grãos colunares ou equiaxiais, segregação e porosidades. A Zona Termicamente Afetada (ZTA) é a região em que normalmente ocorrem transformações no estado sólido durante a soldagem. No período de permanência em alta temperatura na soldagem dos aços, nessa zona ocrrem transformações de fase e portanto mudanças microestrurais marcantes. Pode ocorrer fenômenos críticos como transformações martensíticas, crescimento de grãos e precipitações de carbonetos duros. Durante o resfriamento, ocorrem transformações no estado sólido que dependem essencialmente da

3 3 composição do aço e dos parâmetros do processo de soldagem, além das dimensões do material. A presença de martensita na zona termicamente afetada deve ser evitada, devido a fragilidade desta estrutura. O crescimento de grão deve ser minimizado, devido a redução na resistência mecânica e tenacidade. Conceito de Aporte térmico (H) O aporte térmico, ou insumo de calor quantifica a energia gerada pelo processo de soldagem. Sua equação é: Onde V é a voltagem, i é a corrente e v é a velocidade de avanço do eletrodo. O método de soldagem utilizado é o arco submerso, sendo sua eficiência aproximadamente 1, ou seja a máxima eficiência. A questão do aporte térmico é uma das mais importantes na adequação ao material escolhido ao processo e aos parâmetros de soldagem. A TAB.1 mostra as faixas de insumo calor para os principais processos de soldagem por fusão e indicando a adequação dos processos ao tipo de material. Tabela 1 Principais processos de soldagem: aporte térmico e aplicações. (Adaptado de Ferrante, 2002) Processo H (kj/mm) Metais e Ligas Para uma determinada espessura e condutividade térmica da chapa, quanto maior o insumo de calor, menor a taxa de resfriamento da junta.o aporte de calor influencia diretamente o tempo de resfriamento e portanto a microestrutura da solda. A figura 2 apresenta a curva de transformação sob resfriamento contínuo (CCT) de um aço microligado superposto com curvas de resfriamento correspondentes a diferentes valores de insumo de calor na solda. Os constituintes estruturais normalmente presentes na região de solda de um aço microligado de baixo carbono são: ferrita pro-eutetóide, ferrita acicular, bainita ou ferrita em ripas, constituintes lamelares e ferrita de Widmanstatten.

4 4 Figura 2 - Diagrama CCT de um aço microligado ao nióbio e curvas de resfriamento para diversos valores de aporte térmico, conforme Harris e Farrar citado por Ferrante, (2002). Efeito do aporte térmico nas propriedades mecânicas da solda A ZTA é a região mais crítica de uma junta soldada. Como dito anteriormente, o ciclo térmico pode criar condições para formação de martensita ou estruturas grosseiras. A situação torna-se mais crítica com o aumento do teor de carbono e de elementos de liga do metal base, em outras palavras, com maior temperabilidade do aço. Na soldagem do aços, há requisitos claramente incompatíveis, como: alta produtividade que exige o mais alto aporte térmico possível, porém nesta condição, promove-se maior tendência de crescimento de grão e formação de outras estruturas grosseiras, de baixas propriedades mecânicas. METODOLOGIA DA PESQUISA Neste trabalho foram executadas soldas de topo de cinco amostras de chapas de 16 mm de espessura do aço estrutural NTU- SAR 50.Empregou-se cinco valores crescentes de insumo de calor pelo processo a arco submerso, usando arame BE-21. Os valores de aporte de calor empregados estão apresentados na TAB. 2.

5 5 Tabela 2- Valores de aporte de calor empregados nos experimentos : Foram retirados os corpos de provas segundo a seção transversal de cada chapa correspondente para preparação e análise macrográfica e micrográfica. As macroestruturas foram obtidas com ataque químico com o reativo de iodo sublimado a 10%. em água após um ataque preliminar com persulfato de amônia a 10 %. As microestruturas foram obtidas com ataque químico com o reativo de ácido nítrico a 3% em álcool (nital ). Posteriormente os corpos de prova foram fotografados e analisados as características macroestruturais e microestruturais obtidas da zona termicamente afetadas e da zona de fusão. RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaios macrográficos Observou-se, em todas as amostras após ataque químico, as regiões bem distintas do etal base, da zona de fusão e da zona termicamente afetada, conforme apresentadas nas macrografias no Anexo A. Verificou-se com o aumento do insumo de calor, um incremento progressivo da largura média da zona termicamente afetada e apresentando acréscimos da área da zona de fusão no cordão de solda. Maior profundidade de penetração do cordão de solda foi verificado com o aumento do aporte térmico, associado ao emprego de valores crescentes de amperagem. Não foram observados trincas, nem mesmo outras descontinuidades grosseiras possíveis de serem detectados por ensaios a nível macroscópico. Ensaios micrográficos As microestruturas obtidas dos corpos de prova 6,7,8, 9,10 foram documentadas nos anexos B, C, D, E, e F respectivamente. Microestrutura da zona de fusão Observou-se uma participação menor de ferrita pró-eutetóide e maior presença de ferrita acicular e mais fina nos corpos de prova correspondentes às amostras de mais baixo insumo de calor. (Amostras 6, 7 e 8). Constituintes lamelares também foram detectados nestes corpos de provas, porem mais refinados. Entretanto, detectou-se uma maior presença de ferrita pró-eutetóide e mais grosseira em detrimento de pouca ferrita acicular nas amostras de mais alto insumo de calor(amostras 9 e 10). Estes corpos de provas também apresentaram constituintes lamelares mais grosseiros em comparação com os corpos de prova de mais baixo aporte térmico.

6 6 Microestrutura da zona termicamente afetada Nas microestruturas obtidas da zona termicamente afetada dos corpos de provas de maior aporte térmico(9 e 10), foram detectadas presença de estruturas mais grosseiras. Enquanto, por outro lado, nos corpos de prova de mais baixo insumo de calor(7, 8 e 9), foram detectadas presença de estruturas mais refinadas. Não foram observados nestes corpos de prova presença considerável de martensita com as microestruturas obtidas. Este fato pode ser explicado pelo baixo valor de carbono equivalente do aço NTU-SAR 50. Trata-se de um aço microligado de alta resistência com baixo teor de carbono. CONCLUSÃO Com o aumento do insumo de calor na soldagem por arco submerso do aço NTU SAR-50, no intervalo pesquisado entre 30 a 36 KJ/cm, verificou-se uma maior presença de ferrita proeutetóide, de mais baixas propriedades mecânicas, em detrimento da presença de ferrita acicular. Com menores valores de insumo de calor, correspondentes ao intervalo entre pesquisado entre 17 a 23 KJ/cm, verificou-se maior presença de ferrita acicular, que são constituintes que conferem melhores propriedades mecânicas ajunta soldada, ou seja elevada resistência mecânica e alta tenacidade. BIBLIOGRAFIA WELDING handbook. 9.ed: Miami:. American Welding Society, v.1 Welding science and technology COUTINHO, C.B. Materiais metálicos para engenharia. Belo Horizonte: UFMG/Fundação Cristiano Ottoni, p. CARY, H. Modern Welding technology, 3.ed. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, p. CLARK, D., VARNEY,W. Metallurgy for engineers. 2.ed. New York: Van Nostrand, CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica. São Paulo: Edgard Blucher, v.2. FERRANTE, M. Seleção de materiais. São Carlos, SP, UFSCAR, MARQUES, P.V..et al. Tecnologia da soldagem. Belo Horizonte: ESAB, MESSLER, R.W. Principles of Welding. New York, Willey-Inter Science, MODENESI, P. et al. Curso de metalurgia da soldagem. Belo Horizonte: ESAB, TANIGUCHI, C., OKUMURA T. Engenharia da soldagem e aplicações. Rio de Janeiro: LTC, WAINER, E. Soldagem processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blucher, 1992.