SOLDA POR FRICÇÃO EM AÇO CARBONO

Transcrição

1 SOLDA POR FRICÇÃO EM AÇO CARBONO Autores: Adriano GAIO 1, Fernando Prando DACAS 2, Diego Rodolfo Simões de LIMA 3, Mario Wolfart JUNIOR 4. 1 Graduando em Engenharia Mecânica, Instituto Federal Catarinense (IFC), Campus Luzerna, Brasil. 2 Técnico em Mecânica, Instituto Federal Catarinense (IFC), Campus Luzerna, Brasil. 3 Doutor em Engenharia, Processos de Fabricação, professor do instituto Federal Catarinense (IFC), Campus Luzerna, Brasil. 4 Doutor em Engenharia, Ciência dos Materiais, professor do Instituto Federal Catarinense (IFC), Campus Luzerna, Brasil. Bolsista Edital Interno Introdução Como o processo de soldagem é largamente utilizado em grande parte dos produtos que são fabricados, há sempre a busca por novos métodos que melhorem o processo, e agilizem a produção. A soldagem por fricção convencional de peças cilíndricas é um processo onde o calor necessário para realizar da união é gerado como resultado da fricção de duas superfícies de atrito sob pressão axial controlada. De acordo com o ASM Handbook, na solda por fricção as principais variáveis de controle são a rotação, a pressão axial e o tempo de soldagem. Estas variáveis têm como principal função gerar a combinação necessária de calor e pressão para formar a união. A solda produzida é caracterizada pela ausência de uma zona de fusão, pela presença de uma estreita zona termicamente afetada e por material deformado plasticamente em torno da região de soldagem. Segundo Chandrasekaran, no caso de pinos de aço baixo carbono, o calor gerado pela fricção entre as superfícies causa um amolecimento e plastificação do material. Como o fluxo de calor para a atmosfera é bloqueado pelo material plastificado do pino consumível, que atua como uma barreira do fluxo do calor para os lados, então o calor gerado devido a fricção é conduzido através do pino. Durante este processo, isto favorece o amolecimento do material do pino facilitando o fluxo do material para baixo. Neste momento o movimento é interrompido e iniciada a fase de forjamento, como observado por Faes. Material e Métodos Para a caracterização do material utilizado no procedimento experimental, foram realizados ensaios de dureza, tração, macrografia e micrografia. A preparação do material a ser utilizado na fabricação dos corpos de prova, foi realizado em um torno CNC Romi Centur 30D, devido ao fato de ser necessário vários consumíveis para a realização dos procedimentos experimentais, bem como a fatores como alinhamento das peças, acabamento superficial, que influenciam diretamente no processo de solda. Para a solda dos consumíveis, foi realizado a adaptação de uma fresadora Diplomat 3001, no qual um dos pinos era fixado a mesa da máquina e o outro no cabeçote sempre levando em conta o cuidado quanto ao alinhamento dos pinos. Para a realização dos ensaios foram somente variados parâmetros tais como a velocidade e o tempo de soldagem, já que a pressão exercida não pode ser alterada, devido ao fato do avanço exercido pela máquina ser constante.

2 Resultados e discussão Macrografia Tabela 1. Parâmetros utilizados. (mm) R T (s) 11, ,3 11, , ,3 Nota: representa o diâmetro dos consumíveis. Para realizar as analises metalográficas os corpos de prova foram selecionados a fim de demonstrar os resultados obtidos nos ensaios, levando em conta a rotação utilizada em cada ensaio. Os resultados podem ser observados a seguir: Figura 1. Macrografia com rotação de 4000rpm e tempo de aquecimento de 2s. De acordo com Chludzinski, uma vez que o processo de soldagem com pino consumível promove a plastificação de materiais, as características metalúrgicas e mecânicas também são alteradas. A partir do processo são desenvolvidas várias regiões: materiais afetados somente pelo calor do atrito que formam a zona termicamente afetada (ZTA), a rebarba produzida pelo material plastificado durante o processo, a zona de mistura do material do pino com o material de base que compõem a interface e, por fim, os materiais originais do pino e do metal da base. Micrografia Como esclarecido anteriormente, o processo de preparação das amostras para a realização de macrografia e micrografia, seguidas do ataque de nital, tem como serventia demonstrar a estrutura do material. Como pode ser observado a figura abaixo, ilustram as diferentes microestruturas geradas durante o processo de união dos consumíveis.

3 Figura 2. Microestrutura pino 11mm, rotação 4000rpm com aumento de 500x. A diferença das microestruturas do pino de aço AISI 8620 antes e depois da deposição mostra que a temperatura dos depósitos alcançou a região de austenitização do material. Como pode ser observado, as microestruturas dos pinos inferior e superior são semelhantes. A parte mais escura representa a perlita, mistura mecânica das fases ferrita e cementita, e é encontrada até uma temperatura de 727 C, possui propriedades mecânicas moderadas. Na zona termicamente afetada (ZTA), zona que corresponde a região entre os pinos inferior e superior e a área onde é efetuada a união dos materiais, há a passagem de perlita e ferrita para bainita, devido ao rápido resfriamento. A parte da solda, há grande concentração de bainita e martensita, resultante do rápido aquecimento e resfriamento, com formação de pequenas ilhas de ferrita. Ensaio de microdureza Para isso foi traçado um perfil de dureza que registrou os valores desde o pino superior até o pino inferior. As endentações foram realizadas com o Microdurômetro Digital Vickers EQMAV 2000Z com uma carga de 0,3kg. Figura 3. Mapa de dureza.

4 Devido ao aquecimento gerado houve uma mudança na microestrutura, a qual ocasionou um aumento na dureza do material. O qual diminui conforme se afasta do centro e se aproxima do material de base. Ensaio de tração O ensaio de tração foi realizado de maneira a comparar os resultados obtidos entre um corpo de prova inteiramente de AISI 8620 e outro de mesmo material, porém, após ser realizado o processo de solda por fricção. Os corpos de prova foram confeccionados de acordo com a norma ASTM A370 03ª. O gráfico a seguir demonstra a o resultado obtido em um ensaio de tração, utilizando um corpo de prova não soldado. Figura 3. Gráfico tensão deformação, material não soldado. Para os corpos de prova soldados, foram obtidos resultados semelhantes aos demais ensaios. Figura 4. Gráfico tensão deformação, material soldado.

5 Como observado nos gráficos a cima, ambos os corpos de prova suportaram tensões relativamente próximas. O único parâmetro alterado durante os ensaios foi o tempo de aquecimento, que representa o tempo em que o pino superior permanece girando sobre o pino preso, antes de iniciar o processo de união dos materiais. Conclusão Através dos ensaios foi possível concluir que a solda por fricção, se feita de maneira em que haja um equipamento que suporte todos os esforços gerados no momento da solda, pode vir a ser útil, devido ao fato de não liberar gases nocivos ao operador e possuir um tempo de solda relativamente curto, se comparado aos demais processos. Os pinos utilizados, devem estar totalmente alinhados, para que a solda apresente bom adesão e distribuição homogênea da rebarba. Também foi concluído através dos ensaios que consumíveis com diâmetro inferior a 11mm e rotação de 4000rpm a solda apresentou boa adesão e distribuição linear da rebarba. Para os consumíveis com diâmetro superior a 15mm máquina não suporta os esforços gerados pelo processo de união. Referências ASM Handbook, vol 6, Welding, Brazing and Soldering. ASM, International CHANDRASEKARAN, M. et all. Friction Surfacing of Metal Coatings on Steel and Aluminum Substrate. Journal of Materials Processing Technology 72, 1997, pp CHULUDZINSKI, Mariane. Avaliação da tenacidade à fratura em juntas soldadas por fricção com pino consumível: p. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. FAES, K., DHOOGE, A., DE BAETS, P., AFSCHRIFT, P. New friction welding process for pipeline girth welds welding time optimization. Springer-Verlag London Limited, MACEDO, M. L. K. de. Caracterização de depósitos realizados pelo processo de deposição por fricção em chapas de aço de alto carbono: p. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. MATTEI, Fabiano. Desenvolvimento de equipamento para estudo de soldagem por fricção: p. Tese (Mestrado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.