Ivanilza Felizardo, MSc. Alexandre Queiroz Bracarense, Ph.D

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1 INFLUÊNCIA DO ÂNGULO DA TOCHA E DO SENTIDO DE SOLDAGEM NO CRESCIMENTO COLUNAR E NA PENETRAÇÃO DE CORDÕES DE SOLDA REALIZADOS COM O PROCESSO GMAW ROBOTIZADO Ivanilza Felizardo, MSc. ivanilza@demec.ufmg.br Alexandre Queiroz Bracarense, Ph.D queiroz@demec.ufmg.br Universidade Federal de Minas Gerais, Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Antônio Carlos, Pampulha Belo Horizonte MG Brasil. tel.: (31) ; fax.: (31) Resumo. Neste trabalho, a influência do ângulo da tocha e do sentido de soldagem (puxando ou empurrando a poça de fusão) na solidificação epitaxial e na penetração de cordões simples e de múltiplos passes foi investigada. Testes experimentais foram realizados com o processo GMAW, utilizando aço carbono como metal de base. O método de aplicação da soldagem foi a robotizada, assegurando um controle preciso dos parâmetros de soldagem. Com os resultados obtidos, foi possível observar que tanto o ângulo da tocha quanto o sentido de soldagem influenciam consideravelmente o tamanho dos grãos nas regiões fundidas dos cordões simples e nas regiões refundidas dos cordões de múltiplos passes. Também foi observado que alterando o sentido de soldagem, e mantendo os demais parâmetros constantes, variações expressivas de largura e de reforço dos cordões de solda foram obtidas e que em relação a penetração, estas variações foram mais fortes ao alterar o ângulo da tocha. Palavras-Chave: Ângulo da tocha, Sentido de soldagem, Solidificação epitaxial, Penetração, GMAW robotizado. 1. INTRODUÇÃO Nos processos de soldagem a arco elétrico, a corrente de soldagem deve ser suficiente para fundir o metal de adição e o metal de base, desenvolvendo o que é chamado de poça de fusão. As características metalúrgicas da poça de fusão dependem de vários fatores tais como o tipo do metal de base e de adição, o tipo de fluxo e/ou gás de proteção, o ângulo e a direção da tocha, a corrente, a tensão e a velocidade de soldagem (Lancaster, 1993 e ASM, 1994). Quando a poça de fusão se move, a mistura de metal de base e metal de adição é deixada para trás, que ao se solidificar forma o que é chamado de cordão de solda. O evento mais importante durante a solidificação da poça de fusão é o crescimento dos grãos a partir dos grãos do metal de base, caracterizando a solidificação epitaxial e o crescimento colunar dos grãos, conforme indicado na Figura 1. No fim da soldagem, ou quando o arco elétrico é extinto, a poça de fusão solidifica rapidamente formando a cratera. Esta é a região mais problemática de um cordão de solda. Fenômenos, como aprisionamento de gases ou escórias e segregação, ocorrem com mais intensidade justamente na cratera de um cordão de solda (Flemings, 1974, Easterling, 1992). Além disto, sabe-se que na cratera, a direção de crescimento dos grãos difere do restante do cordão de solda, caracterizando o fenômeno conhecido como crescimento epitaxial para trás (Bracarense, 1997).

2 Em muitos procedimentos de soldagem, a região da cratera é deliberadamente removida. Porém, existem várias situações onde a presença da cratera é inevitável, por exemplo: soldagem de tubos e soldagem em peças com geometrias complexa ou de grandes dimensões. Figura 1. Solidificação epitaxial e crescimento colunar dos grãos: a estrutura do grão da zona fundida (B) é determinada pela estrutura do grão do metal de base (A), (Granjon, 1991). Para manter a continuidade do crescimento dos grãos, de acordo com o movimento da fonte de calor na soldagem, a taxa de solidificação dos grãos, R, deve obedecer a seguinte equação: R = ν cosθ (1) onde v é a velocidade de soldagem e θ é o ângulo entre a tangente da interface sólido/líquido e a direção de soldagem. A direção de crescimento dos grãos é perpendicular a interface sólido/líquido e paralela ao gradiente de temperatura máximo. Com o movimento da fonte de calor, grãos continuam crescendo de maneira colunar e competem mutualmente por espaço, crescendo ao redor de outros grãos colunares, caracterizando-se no fenômeno conhecido como competição natural. Sabe-se que a solidificação da poça de fusão controla o tamanho e a forma dos grãos (Kou et al, 1986, David et al, 1989) e que o ângulo da tocha e o sentido de soldagem afetam a geometria do cordão de solda: largura e penetração (Lancaster, 1993). Porém, a influência do ângulo da tocha e do sentido de soldagem na forma de solidificação da poça de fusão ainda não foi muito explorada. Defini-se como ângulo da tocha a medida de inclinação tomada entre uma linha normal ao eixo da solda e uma linha perpendicular à face da chapa. Com base no sentido de deslocamento da soldagem, se o eixo da tocha estiver anterior à normal, puxando a poça de fusão, o ângulo será definido como negativo. Se o eixo da tocha estiver posterior à normal, empurrando a poça de fusão, o ângulo será definido como positivo. O ângulo da tocha é apresentado na Figura 2. Figura 2. Definição de ângulo da tocha de soldagem

3 De acordo com Modenesi [1998], na soldagem com ângulo positivo, o arco elétrico é direcionado para a parte fria do material, onde ainda não foi soldado, dissipando o calor e proporcionando um cordão largo, de reforço discreto e pequena penetração, Figura 3. Na soldagem com ângulo negativo, o arco é direcionado para a parte quente do material, onde já foi soldado, concentrando o calor e proporcionando um cordão estreito, de considerável reforço e grande penetração. Figura 3 Efeito do ângulo da tocha no formato do cordão de solda Neste trabalho, pretende-se investigar a influência do ângulo da tocha e do sentido de soldagem na penetração de cordões de solda e na solidificação da poça de fusão, em especial, no crescimento colunar dos grãos. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Cordões de solda sobre chapa de aço carbono 1020 foram depositados utilizando o processo GMAW robotizado. Corpos de prova com 13 mm de espessura, 52 mm de largura e 82 mm de comprimento foram preparados visando depositar cordões de solda sobre chapa de 70 mm de comprimento. Os parâmetros de soldagem foram escolhidos para obter cordões de solda de aparência escamada (transferência globular propiciando maior facilidade para visualizar os fenômenos em análise) e de reforço o mais homogêneo possível do início ao fim do cordão. Para isto, a magnitude da corrente de soldagem e da tensão do arco para as condições de início e término da solda foram diferentes das condições de trabalho, conforme apresentado na Tabela 1. Lembrando que este tipo de procedimento: alterações nos parâmetros de soldagem durante o processo - foi possível devido ao fato da soldagem ser robotizada. Tabela 1 Condições de soldagem Parâmetros Abertura do Condições de Condições na cratera arco trabalho Corrente (A) Tensão (V) Vel. de soldagem (cm/min) Vazão do gás (l/mim) Stick out (mm) O gás de proteção utilizado foi Aga-Mix 20 de composição de dióxido de carbono em argônio e o diâmetro do arame utilizado foi de 1,2 mm. Além de alterar as condições de soldagem na cratera, foi necessário utilizar o artifício de manter a tocha de soldagem parada no fim do processo, por um pequeno intervalo de tempo, para que a altura do cordão na região da cratera permanecesse homogênea em relação ao restante do comprimento do cordão. O tempo de enchimento de cratera aplicado foi de 1,9 s. Com os parâmetros citados na Tabela 1, duas séries de testes foram realizadas.

4 Na primeira série, cordões de solda simples sobre chapa foram depositados alterando o ângulo da tocha de soldagem e na segunda série, foram realizados cordões de múltiplos passes. Para garantir a repetibilidade dos resultados, cada teste foi realizado 3 vezes. A Figura 4 apresenta um desenho esquemático das diferentes posições da tocha de soldagem e a Figura 5 exemplifica a codificação dos corpos de prova. Figura 4. Representação esquemática das diferentes posições da tocha de soldagem Figura 5. Codificação dos corpos de prova para o segundo conjunto de parâmetros Com base na Figura 5, o primeiro número refere-se à série de teste que está em análise (1ª ou 2ª série) e o segundo número refere-se à identificação do corpo de prova. Por exemplo, o corpo de prova definido por Cp1.4. corresponde ao quarto corpo de prova testado da primeira série de teste e o Cp2.4 corresponde também ao quarto corpo de prova testado, porém da segunda série de teste. Após a realização das soldas, os Cp s foram cortados para análise metalográfica. Sabendo que a geometria do cordão de solda (penetração e largura) pode aumentar no decorrer do processo de soldagem, devido à evolução dos campos de temperatura gerados no metal de solda (Felizardo et al, 1998), as amostras foram cortadas sempre a partir do comprimento de 25 mm do cordão de solda. Amostras de 15 mm de comprimento foram retiradas, sendo que uma amostra de 5 mm foi destinada à análise metalográfica da seção transversal e uma de 10 mm, à análise da seção longitudinal dos cordões de solda. Destaca-se que as análises metalográficas da seção longitudinal dos cordões de solda foram feitas para todos os Cp s, porém as análises metalográficas da seção transversal dos cordões de solda foram feitas apenas para os testes de um único passe de solda (Cp1.1 a Cp1.5). A Figura 6 apresenta um desenho esquemático mostrando como os Cp s foram cortados e quais foram as regiões analisadas. As amostras cortadas foram embutidas, lixadas, polidas e atacadas com reagente químico Nital 3%. Após esta preparação, as amostras foram fotografadas em um estereomicroscópio e as metalografias foram armazenadas por um sistema de aquisição de imagens.

5 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Figura 6. Preparação das amostras para as análises metalográficas Com a análise metalográfica da seção transversal dos cordões de solda, medidas de largura, reforço e penetração foram realizadas. A Figura 7 apresenta a macrografia de uma das amostras preparadas exemplificando como as medidas foram tiradas. Figura 7. Seção transversal do cordão de solda: Cp1.3 A média dos valores obtidos de largura, reforço e penetração é apresentada nos gráficos mostrados na Figura 8. De acordo com estes resultados, percebe-se que a combinação de menor largura, maior reforço e maior penetração ocorre quando o ângulo da tocha é negativo, ou seja, quando a tocha puxa a poça de fusão, conforme previstos na literatura [Modenesi, 1998]. Porém é importante destacar que, considerando o Cp com ângulo da tocha de 90º como referência, a redução na largura e o aumento no reforço e na penetração dos cordões de solda realizados com ângulo negativo da tocha não são proporcionais ao aumento e a redução destas dimensões com ângulo positivo, ou seja, os fatos que ocorrem com ângulo negativo são mais fortes que os fatos que ocorrem com ângulo positivo.

6 3,5 12 3,0 Largura (mm) Reforço (mm) 2,5 2,0 1,5 1, o -60 o 90 o + 75 o + 60 o Ângulo da tocha de soldagem 0,5 0,0-75 o - 60 o 90 o + 75 o + 60 o Ângulo da tocha de soldagem (a) Largura (b) Reforço 3,0 2,5 Penetração (mm) 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-75 o - 60 o 90 o + 75 o + 60 o Ângulo da tocha de soldagem (c) Penetração Figura 8. Medidas de largura, reforço e penetração de Cp s feitos com diferentes ângulos da tocha Este fato pode ser explicado considerando o calor transferido do arco elétrico para o metal de base. Quando a poça de fusão está sendo empurrada pela tocha de soldagem, a região do metal de base, anterior a tocha de soldagem e que recebe o calor do arco transferido por convecção e radiação, já foi fundida. Porém, quando a poça está sendo puxada, a região do metal anterior a tocha e que recebe o calor transferido, ainda não foi fundida. Portanto, quando a tocha puxa a poça de fusão, o calor transferido por radiação e convecção pré aquece a região do metal de base ainda não fundida, favorecendo a fusão dos metais e dos efeitos da tocha com ângulo negativo na geometria do cordão de solda. Outro fato interessante a ser observado é que a diferença entre as medidas de penetração obtidas ao alterar o ângulo da tocha de 60º para 75º, independente do ângulo ser positivo ou negativo, foi mais evidente que as diferenças observadas entre as medidas de largura e reforço. Estas duas, por sua vez, sofreram maior influência quando o sentido de soldagem foi alterado. Com a análise metalográfica da seção longitudinal dos cordões de solda, análises quanto ao crescimento colunar dos grãos, tanto na soldagem de um único passe quanto na soldagem de múltiplos passes, foram realizadas. A Figura 9 apresenta fotos dos cordões de solda de um único passe e a Figura 10, dos cordões de múltiplos passes. Nestas duas figuras, uma foto de cada teste realizado, conforme indicado na Figura 5, é apresentada e para facilitar a identificação das fotos, os valores positivo ou negativo do ângulo da tocha de soldagem e uma representação esquemática identificando o metal de solda e o metal de base são apresentados. Apesar de ser um resultado bastante óbvio, é interessante observar, nas fotos da Figura 9, que a ordem decrescente do valor da penetração segue a mesma seqüência da mostrada na Figura 8c: -75º, 90º, +75º, -60º e +60º, que correspondem as Figuras 9a, 9c, 9d, 9b e 9e, respectivamente. Grãos colunares mais longos e bem alinhados foram encontrados nas soldas realizadas com ângulo positivo (empurrando), Figuras 9d e 9e, se comparado com as soldas realizadas com ângulo negativo (puxando), Figuras 9a e 9b. Por outro lado, as Figuras 9a e 9b apresentaram grãos menores na região inferior do cordão de solda, próximo ao metal de base.

7 (a) (b) (c) Cordão de solda Metal de base (d) (e) Figura 9. Cordões de passe único O fato dos grãos colunares das soldas realizadas com ângulo positivo serem mais alongados e alinhados, permite afirmar que estas soldas são mais susceptíveis à propagação de trincas, do que as soldas realizadas com ângulo negativo. Outro fato interessante a ser observado é que, independente do ângulo da tocha ser positivo ou negativo, ou seja, independente do sentido de soldagem, cordões realizados com ângulo de 60º apresentaram grãos menores que os realizados com ângulo de 75º. A aparência dos grãos colunares das soldas realizadas com ângulo de 90º, Figura 9c, apresenta em uma posição intermediária entre a aparência dos grãos das soldas com ângulo de 60º e de 75º, situação bastante razoável de se esperar. Nas soldas de múltiplos passes, Figura 10, ocorreram resultados bastante interessantes. Soldas realizadas com ângulo de 60º, Figuras 10b e 10e, independente do sentido de soldagem, tiveram um refino de grão mais expressivo nas regiões refundidas (1º e 2º cordão de solda) que as soldas realizadas com 75º, Figuras 10a e 10d. Por outro lado, o tamanho dos grãos colunares, comprimento e largura, das soldas com ângulo de 60º (3º cordão de solda) foi maior que as soldas com ângulo de 75º.

8 (a) (b) (c) 3 o Cordão de solda 2 o Cordão de solda 1 o Cordão de solda (d) (e) Figura 10. Cordões de múltiplos passes

9 Foi possível observar também que ocorreu um aumento na largura dos grãos colunares ao comparar as soldas realizadas com ângulo de +75º com as soldas realizadas com ângulo de 75º. Por outro lado, ao comparar a largura dos grãos colunares das soldas realizadas com ângulo de +60º com as soldas realizadas com ângulo de 60º, a situação inversa foi observada, ou seja, ocorreu uma redução na largura dos grãos colunares. Já as soldas realizadas com ângulo de 90º, Figura 10a, apresentaram grãos colunares longos e largos. Tanto na soldagem de passe único, Figura 9, quanto na soldagem de múltiplos passes, Figura 10, a presença de grãos colunares mais longos, alinhados e ordenados foi mais expressiva na soldagem realizada com ângulo de 75º do que na realizada com ângulo de 60º. Este fato ficou mais evidente quando compara-se cordões de soldas realizados com o mesmo ângulo, porém com sentido de soldagem diferente: empurrando (positivo) mais evidente que puxando (negativo). 4. CONCLUSÕES Dentro das condições pré estabelecidas para a realização dos testes de soldagem, as principais conclusões deste trabalho são: Mantendo os demais parâmetros de soldagem constante, alterações no ângulo da tocha de soldagem podem resultar em variações mais expressivas na penetração, se comparado com as variações de penetração obtidas ao alterar o sentido de soldagem (tocha de soldagem puxando ou empurrando o arco elétrico). Por outro lado, variações mais expressivas na largura e no reforço do cordão de solda podem ser obtidas quando, ao invés do ângulo da tocha, é alterado o sentido de soldagem. Tanto o ângulo da tocha quanto o sentido de soldagem exercem uma influência considerável no modo de solidificação colunar dos grãos. Apesar dos interessantes resultados obtidos neste trabalho, ainda é prematuro indicar as possíveis conseqüência da influência destes parâmetros analisados na qualidade do cordão de solda. Estudos adicionais estão sendo realizados visando estabelecer se cordões de solda realizados com ângulo de 75º e com a tocha puxando a poça de fusão são mais resistentes que cordões realizados com a tocha empurrando a poça. 5. REFERÊNCIAS ASM, 1994, Welding, Brazing and Soldering, Metals Handbook, Vol. 6, American Society for Metals. Bracarense, A. Q., 1997, The Crater at the End of Weld Bead, Proceedings of the International Conference on the Joining of Materials, JOM-8, pp , Helsingör, Denmark. David, S. A. and Vitek, J. M., 1989, Correlation between Solidification Parameters and Weld Microstructures, International Materials Reviews, Vol. 34, No. 5, pp Easterling, K., 1992, Introduction to the Physical Metallurgy of Welding, 2 nd Edition, Butterworth Heinemann. Felizardo, I., e Bracarense, A. Q, 1998, Estudo da Viabilidade da Automação de Processos de Soldagem, Soldagem e Inspeção, Ano 4, N o 9: pp Flemings, M. C., 1974, Solidification Processing, Mcgraw-Hill Inc. Granjon, H., 1991, Fundamentals of Welding Metallurgy, 1st Edition, Abington Publishing. Kou, S. and Le, Y, 1986, Nucleation Mechanisms and Grain Refining of Weld Metal, Welding Journal, 65(12): 305s-313s. Lancaster, J. F., 1993, Metallurgy of Welding, 5 th Edition, Chapman & Hall. Modenesi, P. J., 1998, Introdução à Física do Arco Elétrico e sua Aplicação na Soldagem dos Metais, Universidade Federal de Minas Gerias, Belo Horizonte, Brasil.

10 TORCH ANGLE AND WELDING DIRECTION INFLUENCE ON COLUNAR GROWTH AND PENETRATION OF SINGLE AND MULTIPLE PASS WELDING MADE WITH ROBOTIZED GMAW PROCESS Ivanilza Felizardo, MSc. Alexandre Queiroz Bracarense, Ph.D Federal University of Minas Gerais, Laboratory of Robotics, Welding and Simulation Mechanical Engineering Department, Av. Antônio Carlos, Pampulha Belo Horizonte MG Brazil. tel.: (31) ; fax.: (31) Abstract. In this work, the influence of the torch angle and welding direction (pulling or pushing the weld pool) in the columnar growth and penetration of single weld beads and multiple passes was investigated. Experimental tests were accomplished with the GMAW process, using carbon steel as base metal. All the welding was performed by a robot, assuring the necessary control of the welding parameters. With the obtained results, it was possible to observe that the angle torch and welding direction affect the size of the grains in single welds beads and multiple passes. It was also observed that changing the welding direction, and keeping the other parameters constant, expressive variations of the welds width and reinforcement were obtained and that in relation to penetration, these variations were stronger when changing the torch angle. Word-key: Torch angle, Welding Direction, Columnar Growth, Penetration, Robotized GMAW.