21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil RESUMO

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1 DESENVOLVIMENTO DE SUPORTE CERÂMICO PARA APLICAÇÃO EM SOLDAS UNILATERAIS EM LIGAS DE ALUMÍNIO PELO PROCESSO GAS METAL ARC WELDING - GMAW (DEVELOPMENT OF CERAMIC SUPPORT TO APLICATION IN ONE-SIDED WELDING OF ALUMINUM ALLOYS BY THE PROCESS GAS METAL ARC WELDING - GMAW) Rogério Vicentini 1, Ronaldo P. R. Paranhos 2 1 LAMAV-CCT UENF. Campos dos Goytacazes R J CEP: Brasil. paranhos@uenf.br 2 INFOSOLDA. R. Nair Correia Buarque, 39 - São Paulo SP - CEP Brasil RESUMO O objetivo deste trabalho foi desenvolver um suporte cerâmico apropriado para a soldagem unilateral de liga de alumínio, utilizando a cordierita, Trata-se de uma proposta tecnológica que viabiliza a produtividade da operação de soldagem. Esta operação foi executada em chapas de alumínio com arame de solda de alumínio 4043 pelo processo Gas Metal Arc Welding (GMAW). A eficiência do suporte cerâmico em suportar o metal de solda líquido foi verificada durante a soldagem do passe de raiz. Soldas foram executadas em chapas com espessura de 6,35 mm para testar a eficiência do suporte. Parâmetros e variáveis do processo foram estudadas: a abertura de raiz, a tensão, a corrente e a energia de soldagem. Os resultados mostraram que o suporte foi eficiente para suportar a poça de solda líquida. As macrografias da juntas soldadas, além de revelar boa penetração lateral (entre 2 a 4,5 mm) e reforço de solda com até 2,1 mm de altura, pôde revelar ausência de descontinuidades como: trincas, falta de fusão, inclusão de escórias e porosidades. Palavra-chave: suporte cerâmico; soldas unilaterais de ligas de alumínio; parâmetros de soldagem; campo operacional. ABSTRACT- The objective of this work was to develop an appropriate ceramic support for unilateral welding aluminum alloy using cordierite, It is a technological proposal that enables the productivity of welding operation. This operation was performed on aluminum plates with wire aluminum welding process by 4043 Gas Metal Arc Welding (GMAW). The efficiency of the ceramic support in supporting the liquid weld metal was observed during welding of the root pass. Welds were performed in plates with a thickness of 6.35 mm to test the efficiency of the bracket. Parameters and process variables were studied: the root opening, voltage, current and power welding. The results showed that it was efficient support for supporting

2 the liquid puddle weld. The macrographs of welded joints, in addition to revealing good lateral penetration (between 2 to 4.5 mm) and reinforcing weld up to 2.1 mm in height, could reveal the absence of discontinuities such as cracks, lack of fusion, slag inclusion and porosities. 1. INTRODUÇÃO O alumínio, depois do aço, é o metal mais produzido no mundo, graças a uma série de propriedades: a maleabilidade, ductilidade, soldabilidade, condutividade térmica e elétrica, resistência à tração e a alta resistência à corrosão [1]. Possui baixa densidade relativa, facilidade de trabalhar e alta reciclabilidade sem perda das propriedades físico-químicas [2]. O Al possui boa aplicabilidade na indústria de transporte, naval, veículos terrestres, aéreos, de bebidas e indústria química devido sua capacidade de reagir quimicamente com outros elementos aumentando sua resistência mecânica [3]. Devido ao aumento do uso do Al nas indústrias de peças e estruturas metálicas, há a necessidade do uso de técnicas de soldagem que resultam na produtividade, e uma delas refere-se a soldagem unilateral. A soldagem unilateral, é uma técnica em que os cordões de solda são depositados somente por um lado da peça. Esta técnica de soldagem pode ser aplicada com ajuda de suporte ou com juntas adequadas para a realização da soldagem [4]. Soluciona problemas como a eliminação de trabalho ineficiente de soldagem na posição sobre cabeça em peça que não pode ser virada e reduz o tempo de soldagem. Este trabalho, mostra como foi desenvolvido o suporte cerâmico de cordierita para aplicação em soldas unilaterais em ligas de alumínio que suporte elevada temperatura da poça de solda quando no estado líquido, evitando defeitos e descontinuidades que comprometeriam a qualidade do cordão de solda [5]. O suporte cerâmico é de fácil e rápida aplicação, sendo normalmente fixado à peça por meio de uma fita de alumínio adesiva na parte interna da junta a ser soldada. A técnica de soldar unilateralmente com suporte cerâmico é considerada uma solução para o aumento da produtividade da soldagem [4,5], obtendo um adequado acabamento e passe de raiz sem defeitos de solda [6]. A escolha pelo material cerâmico foi feita em função de suas características: baixa densidade, baixa condutividade térmica, alta resistência à corrosão e à abrasão e capacidade de suportar altas temperaturas sem se deformar, resistente a decomposição, capacidade de continuar não-reativo e um atuante no isolamento térmico [7].

3 Durante a soldagem unilateral pode ocorrer diversos problemas relacionados a soldagem. Deve-se notar a posição de soldagem, o tipo de junta, abertura de raiz, tipo de chanfro, alinhamento da junta, forma das peça, processo de soldagem que é aplicado e aporte térmico. Com suporte cerâmico é possível adptar a diversas juntas visto que estes, podem ser confeccionado de diversas formas e dimensões [8]. O suporte cerâmico foi desenvolvido em laboratório, sendo determinado como matéria prima, a cordierita, e com testes de soldagem das diferentes formulações. Foram avaliados os parâmetros de soldagem e determinado um possível campo operacional do processo. Contudo, foi proposto a caracterização das composições do suporte cerâmico após a queima, determinando suas propriedades físicas e mecânicas. Também foi avaliada a deposição do passe de raiz na soldagem unilateral usando-se o processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding). 2. MATERIAIS E MÉTODOS Há duas classes de matérias-primas que foram previamente identificadas, que são os óxidos refratários e aditivos que auxiliam a aglomeração da massa cerâmica. Neste trabalho foi usado a cordierita, refratária, com razão estequiométrica de Mg 2.Al 4.Si 5.O 18, fórmula química Al 3 (Mg,Fe) 2 Si 5 AlO 18 e composição 13,78% MgO, 34,86% Al 2 O 3, 51,36% SiO 2. O aditivo utilizado foi o silicato de sódio neutro (30% SiO 2 ; 9,0% Na 2 O e 61% H 2 O) com densidade de 1,40 g/l, viscosidade de 530cP e 41,90% Be à temperatura de 25 o C. A água foi utilizada como uma variável do processo, pois foi útil para a umidecer a massa cerâmica a ser compactada. As formulações utilizadas para a fabricação do suporte cerâmico são mostradas na tabela 1 contendo quatro formulações. A preparação do suporte foi realizada de acordo com a seguinte sequência de produção em escala de laboratório: a) Peneiramento da matéria prima com uma peneira de 40 mesh; b) Pesagem; c) Mistura úmida da massa cerâmica; d) Compactação: foi feita em uma prensa manual com capacidade de 20 toneladas, utilizando uma força de 15t por um período de tempo de 2 minutos. A mistura foi prensada em um molde com dimensões de 115 mm de comprimento e 25 mm de largura. A figura 1 apresenta a seção transversal do suporte cerâmico produzido onde pode ser observado uma pequena concavidade na região central, que tem a função de adequar o formato do cordão de solda quando no estado líquido na parte inferior da chapa; e) Secagem em estufa: Após a compactação, os corpos de prova foram submetidos a um processo de secagem em estufa com temperatura de 120 o C por 24h; f) Queima: Foi feita a 1100 ºC em forno

4 marca Servitech modelo CT 320 com três zonas de aquecimento: zona de préaquecimento, de queima e de resfriamento com permanecia de 3 horas para o processo de sinterização. A temperatura e o tempo de sinterização foram considerados como variáveis do processo. O ciclo de aquecimento foi de 3 o C/min com permanência de 3 h a 1100 o C. O ciclo de resfriamento foi de 4 o C/min até a temperatura ambiente. A fragilidade ao manuseio observada em alguns suportes cerâmicos sinterizados a 900 ºC, no trabalho de Luciana e Tatagiba (2009) indicou que a sinterização a 1100 ºC seria necessário. Figura 1. Dimensões da seção transversal do suporte cerâmico produzido. Tabela 1. Formulações e temperatura de sinterização dos corpos de prova cerâmicos. Formulação Cordierita (%p) Silicato de Sódio(%p) H 2 O (%p) Sinterização Temp. ( o C) F F F F O teste dos suportes produzidos foi realizado com passe de raiz com soldas unilaterais utilizando chapas de alumínio com dureza de 47,9 HV, sendo possível referenciar a liga utilizada com o alumínio 5052, cuja dureza é 47 HV [9]..As dimensões das chapas para o teste foi 100 X 100 x 6,4 mm, com chanfro em V com ângulo de 60º e abertura de raiz de 2 mm. A soldagem foi executada na posição plana, com ângulo de inclinação da tocha de 5º, em relação a vertical, puxando, no sentido da esquerda para direita, com ligeiro tecimento da tocha. Foi usado o processo de soldagem GMAW (Gas Metal Arc Welding) ou (MIG-MAG) com arame AWS ER4043 com diâmetro de 1,0 mm conforme as normas AWS/ASME: A5.10/SFA 5.10 [10].. O gás de proteção foi o Argônio puro com vazão de 18 l/min. Foram usados os parâmetros: corrente de 125 A, tensão de 17 V e velocidade de soldagem de 2,1 mm/s. Apenas o passe de raiz foi

5 depositado, e foi avaliado por inspeção visual e macrografia. Foi escolhido, entre as quatro composições, o suporte que proporcionou as melhores características do cordão na soldagem unilateral do alumínio. A energia de soldagem foi calculada conforme informado na eq. (A). (A) Após a soldagem do passe de raiz nas chapas de alumínio com o suporte cerâmico pelo processo de soldagem mencionado, foi executado a inspeção visual do suporte cerâmico usado na soldagem e do cordão de solda e a macrografia de cada seção do cordão de solda. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Processo de fabricação e formulação do suporte cerâmico A primeira etapa deste trabalho teve por objetivo avaliar o processo de fabricação do suporte cerâmico e formulações com as matérias-primas identificadas como de uso potencial. Em relação às etapas do processo de fabricação, pode-se afirmar que estas foram consideradas satisfatórias, com aspecto mostrado na figura 4. As etapas aqui propostas coincidem com o processo de fabricação convencional de cerâmicas. Figura 4 - Imagem do suporte cerâmico. 0,75mm. O processo de fabricação usado foi efetivo na produção do suporte cerâmico de cordierita. Os suportes confeccionados tiveram aspectos superficiais iguais entre as quatros formulações com grãos característicos à malha usada no peneiramento. Pode-se observar uma superfície compacta e rugosa. A concavidade apresentou-se inalterada após o processo de secagem e queima. Todos os suportes sinterizados a 1100 o C não apresentaram fragilidade. As dimensões medidas foram 114,5 x 25,4 x 9,8 mm. Assim, o comprimento e a largura dos suportes cerâmicos não sofreram alteração, devido a dimensão padrão do molde utilizado na compactação.

6 3.2 Análise Microestrutural dos Suportes Cerâmicos Confeccionados A Figura 5 mostra as superfícies planas dos suportes cerâmicos das formulações F1, F2, F3 e F4, obtidas no microscópio confocal. Todos apresentaram uma textura rugosa com presença de porosidade. (a) (b) (c) (d) Figura 5 - Micrografia do suporte cerâmico produzido. (a) Formulação F1; (b) Formulação F2; (c) Formulação F3; (d) Formulação F4. As setas indicam os poros. Aumento: 108x Color. Nota-se que há pouca diferença na estrutura de cada suporte confeccionados atribuídos a pressão de compactação, (15 T) e pelo aditivo aglomerante, silicato de sódio. As setas indicam os locais dos poros, e mostram que estão presentes em todas as imagens. Durante o processo de execução do suporte cerâmico foi necessário o uso de água para umidecer a massa cerâmica. Após o processo de compactação foi feita a secagem para a remoção da água, o que contribuiu para a formação de porosidades [7]. Na Figura 5(c), referente à formulação F3, nota-se quantidades menores de poros entre as partículas, comparados com as outras imagens, o que pode inferir que é proporcional à carga aplicada durante o processo de compactação e do percentual do silicato de sódio, aditivo aglomerante. Como o silicato é constituído por dióxido de silício (SiO2) e óxido de sódio (Na2O), quando este é aquecido há uma calcinação, que torna dura e vítria. Como nesta mistura teve percentual de silicato sódio ainda maior (7%), se obteve um corpo mais fechado devido a adesividade dos grãos diminuindo a porosidades da superfície. Com a queima à temperatura, 1100 o C os grãos se tornaram compactos e vitrificados preenchendo ainda mais os vazios. Acredita-se também que a pressão de compactação utilizada juntamente com a temperatura de queima contribuiu para uma significativa redução da porosidade dos suportes cerâmicos produzidos. Logo, todos os suportes cerâmicos confeccionados com suas devidas formulações foram considerados aptos a serem avaliados pelo processo de soldagem unilateral.

7 3.3- Avaliação dos Suportes Cerâmicos e do Cordão de Solda na Soldagem Unilateral As Figuras 6 e 7, mostram: (a) o suporte cerâmico das respectivas formulações F1, F2, F3 e F4 após soldagem; (b) o aspecto do passe de raiz de solda da junta 1, 2, 3 e 4; (c) as macrografias das juntas soldadas. (J1) (J2) A Figura 6 - Junta 1 e 2. (a) aspecto do suporte cerâmico; (b) aspecto do cordão de solda e (c) macrografia. (J3) (J4) A Figura 7 - Junta 3 e 4. (a) aspecto do suporte cerâmico; (b) aspecto do cordão de solda e (c) macrografia. Os resultados dos testes de soldagem obtidos com as formulações do suporte de solda utilizando a cordierita foram considerados adequados, sendo produzido um cordão de solda com formato e acabamento satisfatórios. Os suportes cerâmicos suportaram a temperatura elevada do metal de solda líquido durante a soldagem. Observase nas figuras 6 (J1), (J2) e (J3) que o suporte cerâmico se partiu na direção transversal devido ao manuseio após a retirada do suporte da superfície da junta de solda. Foi observado aderência dos respingos em todos os suportes e fragmentações na superfície dos suportes, devido a dilatação térmica ou possivelmente por ter direcionado o arco

8 elétrico sobre o suporte de solda, produzindo um excessivo aporte térmico causando os fragmentos na superfície. Os cordões de solda após a soldagem apresentou algumas incorreções como "espalhamento" no final do cordão à sua direita, atribuída à chapa fria. O Al tem uma condutividade elétrica muito mais elevada do que outros materiais, 64,94% [10]. Foram observadas depressões causadas por respingos e considerável adesão do material cerâmico nos cordões, mostrando a fragilidade nas superfícies dos suportes. O cordão da figura 6 (J3) se apresentou praticamente isento destes defeitos. Não foi observada a presença de descontinuidades, como mordeduras e trincas. As macrografias foram avaliadas em função da espessura da chapa e mostrou-se desejada penetração lateral, sendo a menor 3,4 mm e a maior 4,6 mm e bom reforço do passe de raiz sendo o menor reforço 2 mm e maior 2,4 mm. Durante os testes não houve variação da corrente elétrica, tensão e velocidade de soldagem. Os resultados dos testes de soldagem obtidos com as formulações do suporte de solda utilizando a cordierita foram considerados adequados. Ressalta-se que o suporte cerâmico com formulação F3 [97% (Al 3 (Mg,Fe)2Si 5 AlO 18 ), 7% (Na 2 SiO 3 ) e 3% H 2 O] teve melhor aspecto visual após o processo de solda, suportando a temperatura elevada do metal de solda líquido durante a soldagem. 4 - CONCLUSÕES Os resultados dos testes de soldagem com os suportes cerâmicos de cordierita teve aprovação, sendo considerado a fórmula mais promissora para a confecção dos suportes em: 93%p de cordierita, 7%p de silicato de sódio. A sequência de produção, em escala de laboratório, foi aprovada pois o suporte cerâmico apresentou-se com bons aspectos superficiais, grãos uniformes e com tamanhos em acordo com a malha usada no peneiramento. Durante o processo de solda, suportou temperatura elevada do metal de solda líquido. Logo, os resultados mostraram que o suporte cerâmico foi eficiente para a soldagem unilateral de liga de alumínio, utilizando a cordierita. BIBLIOGRAFIAS [1] International Aluminium Institute. Global aluminium recycling: a cornerstone of sustainable development IAI. [2] Epstein, S.G., Aluminum and its Alloys, The Aluminum Ass. Washington, (1980).Metals Handbook, Vol. 1 - Properties and Selection of Metals, ASM, M. Park, 1964

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