ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS E CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DE JUNTAS SOLDADAS DE LIGA DE ALUMÍNIO AA5086

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1 ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS E CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DE JUNTAS SOLDADAS DE LIGA DE ALUMÍNIO AA5086 M.C. Melado 1 ; C. Barbosa 2 ; M.P. Cindra Fonseca 1 1 UFF - Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia/Departamento de Engenharia Mecânica/PGMEC, Niterói-RJ, Brasil, Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, Sala 302, CEP , São Domingos, Niterói-RJ, Brasil, mcindra@vm.uff.br 2 INT Instituto Nacional de Tecnologia, Rio de Janeiro-RJ. RESUMO Amostras da liga alumínio AA5086 foram soldadas pelo processo GTAW com corrente alternada, usando diferentes gases de proteção. Foi avaliada a influência da proteção gasosa nas tensões residuais (geradas pelo processo de soldagem), nas propriedades mecânicas e microestruturais das juntas soldadas, comparadas às do metal de base. O estudo revelou que as diferentes misturas gasosas resultaram em diferentes níveis de tensões residuais superficiais heterogêneas. Uma nova mistura gasosa foi testada (Ar + 200ppmN 2 O + 200ppmO 2 ) e as tensões residuais geradas nestas juntas se apresentaram mais homogêneas. A soldagem, tanto com proteção gasosa de argônio puro, quanto com o uso de mistura gasosa de argônio com hélio ocasionou uma queda considerável nos valores da tensão limite de escoamento das juntas, sendo, entretanto, menos acentuada na junta soldada com a mistura nova. Análises de microdureza e caracterização microestrutural das juntas, realizadas por microscopia ótica e eletrônica de varredura, complementaram os resultados, mostrando que a mistura nova gerou juntas com menor porosidade. Palavras-chave: Liga de alumínio AA5086; soldagem GTAW; tensões residuais; difração de raios-x; propriedades mecânicas. 5338

2 INTRODUÇÃO Um importante grupo de ligas de alumínio, as ligas de Al-Mg, não sendo tratáveis termicamente, são endurecíveis por solução sólida e encruamento (trabalho mecânico). O magnésio como principal elemento de liga, além de melhorar a resistência mecânica, permite que essas ligas mantenham uma elevada ductilidade, bem como excelente resistência à corrosão e boa soldabilidade (1). Dentre os processos de soldagem, o processo de soldagem TIG GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) apresenta excelente qualidade e acabamento dos componentes soldados e é particularmente indicado para a soldagem de ligas alumínio (2). Neste processo, os gases de proteção têm importante papel, pois influenciam na qualidade das juntas e, consequentemente nas propriedades mecânicas e microestruturais das mesmas (3). Entretanto, nos processos de soldagem a geração de tensões residuais e distorções é um dos maiores problemas, que deve ser considerado e analisado, a fim de garantir uma longa vida em serviço do componente soldado, pois podem se somar às tensões de serviço e provocar a ruptura prematura da estrutura ou do componente, dependendo da natureza e magnitude das tensões (4). O presente trabalho tem como objetivo o estudo das tensões residuais geradas na soldagem de chapas de liga de alumínio AA5086 e a influência do uso de diferentes misturas gasosas no processo de soldagem GTAW e nas propriedades mecânicas e microestruturais da junta. MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho foi estudada a liga de alumínio AA5086 fabricada conforme a norma ASTM B , têmpera H-116, na forma de chapa de 6,35 mm de espessura. A composição química e as propriedades mecânicas do material estão apresentadas nas Tab. 1 e 2, respectivamente. Tabela 1 Composição química da liga AA5086 (% em peso). Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Balanço 0,40 0,50 0,10 0,45 4,0 0,15 0,25 0,

3 Tabela 2 Propriedades mecânicas da liga AA5086. Limite de Escoamento LE (MPa) Limite de Resistência LR (MPa) Dureza As amostras foram soldadas pelo processo TIG (máquina de solda KEMPPI, modelo Master TIG, 3500W, CA/DC ) com corrente alternada, na posição plana, conforme os parâmetros apresentados na Tab. 4. Como metal de adição foi usado vareta de liga de alumínio AA5083,TIG-Harris, com diâmetro de 3,2 mm. Em ambas as amostras foram utilizados uma barra de travamento para evitar empeno das chapas e um back de cobre durante o 1º passe (passe de raiz). Tabela 4 Parâmetros utilizados na soldagem das amostras. Amostra Mistura Gasosa Vazão (L/min) Corrente (A) Velocidade Soldagem (mm/min) 1º Passe (Raiz) 2º Passe (Enchimento) 1 Ar puro %Ar + 25%He Ar + 200ppm N 2 O + 200ppm O As tensões residuais superficiais das amostras soldadas foram medidas nas direções longitudinal (L) e transversal (T) ao cordão, na região do metal de solda (MS), Zona Termicamente Afetada (ZTA) e no Metal de Base (MB), nos pontos indicados na Fig.1a. (a) (b) Figura 1: a) Posições de medições das tensões residuais; b) Analisador de tensões XStress3000: Sistema de medição. 5340

4 A análise das tensões residuais foi realizada utilizando o analisador de tensões Xstress3000 (Fig. 1b), por difração de raios-x, pelo método do sen², com incerteza de ±12 MPa, usando radiação Cr α ( Cr α = 2,29092 Å), difratando o plano (222) do alumínio e ângulo 2θ = 156,98º. Foram realizadas micrografias das amostras de cada condição de soldagem. As amostras foram lixadas e polidas. As amostras foram atacadas com uma solução de 2 ml de HF em 100 ml de água. O tempo de ataque foi de 90 s no MS e ZTA e de 60 s no MB. As amostras foram analisadas quanto à porosidade das juntas soldadas por MO e MEV. O ensaio de tração foi realizado de acordo com a norma ASTM B557M, sendo confeccionados 4 corpos de prova para cada condição de soldagem e do metal de base. O ensaio de microdureza Vickers foi realizado com uma carga de 25g por 15s. Foi realizada medição de microdureza no topo, centro e raiz da junta soldada na região do MS, ZTA e MB (Fig. 2). Figura 2 Pontos de medição de microdureza na junta soldada. RESULTADOS E DISCUSSÕES As tensões residuais, longitudinais (L) e transversais (T), foram analisadas no metal de solda (MS), na zona termicamente afetada (ZTA) e no metal de base (MB) em cada amostra após a soldagem. Os resultados estão apresentados na Fig. 3. (a) (b) Figura 3 Tensões residuais após a soldagem: a) longitudinais; b) transversais. 5341

5 Analisando os resultados apresentados na Fig. 4a é possível perceber que as tensões residuais longitudinais nas juntas, de cada condição de soldagem, tiveram um comportamento homogêneo e trativo na ZTA e no MB, enquanto que no MS as tensões foram compressivas na soldagem com a nova mistura (Ar + N 2 O + O 2 ) e trativas com a mistura Ar+He e Ar puro. As elevadas tensões residuais longitudinais de tração presentes na ZTA podem ter contribuído para a redução da resistência mecânica da junta, pois todos os corpos de prova de tração romperam na ZTA. Na direção transversal (Fig.4b), o comportamento das tensões residuais nas amostras soldadas com proteção de Ar+He e com a nova mistura gasosa (Ar+N 2 O+O 2 ) foi bastante similar, sendo que as tensões no MS e na ZTA são de baixa magnitude e nestas amostras o MB apresentou elevada nível de compressão. Entretanto, assim como ocorreu no sentido longitudinal, na junta soldada com proteção de Ar puro o estado de tensões residuais pode ser considerado o mais crítico, com tensões trativas da ordem de 50% do limite de escoamento do material no MS e no MB. Em todas as micrografias observa-se a presença de poros no MS (Fig.6), principalmente nas juntas soldadas com as proteções gasosas de Ar puro e Ar+He. Na Fig.6(c), que representa a junta soldada utilizando a mistura nova, é possível observar, qualitativamente, que a formação de porosidade foi muito inferior em relação às juntas soldadas com Ar puro e Ar+He, além de apresentar grãos mais refinados em sua matriz. Ainda na Fig. 6(c) nota-se a presença de uma trinca, que pode ter surgido em função do alinhamento dos poros. (a) (b) (c) Figura 6 Microscopia óptica do metal de solda nas condições: a) Ar puro; b) 75%Ar + 25%He; e c) Ar + 200ppm N 2 O + 200ppm O 2 (Aumento de 200X). As análises por MEV (Figs. 8, 9 e 10) mostraram, que a junta soldada com Ar puro (Fig.8) apresentou, qualitativamente, um perfil de porosidade mais crítico enquanto que a junta soldada com a nova mistura apresentou menor porosidade (Fig.10) 5342

6 (a) (b) (c) Figura 8 MEV: Junta soldada com proteção de argônio puro - a) aumento 200X; b) aumento de 400X; e c) aumento 1000X. (a) (b) (c) Figura 9 MEV: Junta soldada com mistura de argônio com hélio - a) aumento 200X; b) aumento de 400X; e c) aumento 1000X. (a) (b) (c) Figura 10 MEV: Junta soldada com a mistura nova (Ar+N 2 O+O 2 ) - a) aumento 200X; b) aumento de 400X; e c) aumento 1000X. A Fig. 14 apresenta os valores (média) de limite de escoamento (σ LE ) e de resistência (σ LR ) obtidos nos ensaios de tração realizados no metal de base e em cada condição de soldagem. 5343

7 Amostra LE (MPa) LR (MPa) MB Ar puro Ar + He Ar +N 2 O + O Figura 14 Resistência mecânica das juntas soldadas. Como pode ser observado na Fig. 14, todas as juntas soldadas apresentaram, de um modo geral, limite de resistência e limite de escoamento equivalente. Para todas as condições de soldagem, o limite de resistência ficou cerca de 12% menor comparado ao metal de base e o limite de escoamento teve uma redução de 38% (para as amostras soldadas com argônio puro e argônio com hélio) e de 33% (para a amostra soldada com a mistura nova). Sendo assim, a junta soldada com a mistura nova apresentou resistência ao escoamento melhor em relação as demais juntas soldadas, principalmente quando comparada à amostra soldada com argônio puro, onde a diferença foi de 10MPa. Em ambas as condições de soldagem, todos os cps romperam na ZTA. Pode ter ocorrido a influência das tesnsões residuais trativas, encontradas nesta região. Os resultados (médias) de microdureza Vickers para cada condição de soldagem estão apresentados na Fig. 15. Gás de Proteção Metal Base E ZTA E MS ZTA D Metal Base D Ar puro Ar + He Ar+N 2 O+O Figura 15 Microdureza Vickers nas juntas soldadas. As amostras soldadas com proteção de argônio e argônio com hélio apresentaram valores médios de microdureza similares e inferiores aos do MB (66HV), tanto na 5344

8 ZTA (59HV) como no metal de solda (63HV). A nova mistura (Ar + N 2 O + O 2 ) proporcionou uma junta com valores médios de microdureza, na ZTA (63HV) e no MS (65HV), próximos ao do metal de base. CONCLUSÕES O presente trabalho permite as seguintes conclusões: 1. As misturas gasosas de argônio com hélio e a nova mistura (Ar + 200ppmN 2 O + 200ppmO 2 ) proporcionaram juntas com melhor estado de tensões residuais em relação à junta soldada com proteção de argônio puro. 2. As análises microestruturais mostraram presença de porosidade no metal de solda em todas as juntas. Entretanto, a nova mistura proporcionou menor porosidade, grãos mais refinados no metal de solda e menos grosseiros ZTA. 3. O processo de soldagem reduziu a tensão limite de escoamento das juntas com as proteções convencionais em cerca de até 40% e com relação à junta soldada com a nova mistura, ela apresentou melhor desempenho com redução de 33% no limite de escoamento. 4. A nova mistura proporcionou uma junta com valores de microdureza na ZTA e no MS próximos ao do metal de base e superior aos das amostras soldadas com as proteções convencionais (Ar puro e Ar + He). AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, CAPES e FAPERJ, pelo apoio financeiro e à White Martins, especialmente ao Engº Jeferson Costa, pela soldagem das amostras. REFERÊNCIAS 1. BARBOSA, C.; Metais não Ferrosos e suas Ligas Microestrutura, Propriedades e Aplicações, Editora E-papers, pgs. 2. KUMAR, A., SUNDARRAJAN, S.; Optimization of pulsed TIG welding process parameters on mechanical properties of AA 5456 Aluminum alloy weldments, Materials and Design 30 (2009)

9 3. PEASURA, P., WATANAPA, A.; Influence of Shielding Gas on Aluminum Alloy 5083 in Gas Tungsten Arc Welding, Procedia Engineering 29 (2012) CINDRA FONSECA, M. P. (2000), Evolução do Estado de Tensões Residuais em Juntas Soldadas de Tubulação Durante Ciclos de Fadiga, Tese de Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, COPPE/UFRJ. STUDY OF RESIDUAL STRESSES AND CHARACTERIZATION OF MECHANICAL AND MICROSTRUCTURAL PROPERTIES OF WELDED JOINTS OF ALUMINUM ALLOY AA5086 Abstract. Samples of aluminum alloy AA5086 were welded by GTAW process with alternating current, using different shielding gases. The influence of the shielding gas in residual stress (generated by the welding process), mechanical properties (tensile strength and hardness) and microstructure of the welded joints was evaluated, compared to the base metal. The study revealed that the different gas mixtures resulted in different levels of surface residual stresses heterogeneous. A new mixture was tested (Ar + 200ppmN 2 O + 200ppmO 2 ) and the residual stresses generated in these joints showed more homogeneous. The welding both to the pure argon shielding gas, using as gaseous mixture of argon and helium resulted in a considerable drop in the threshold voltage values of mechanical resistance of the samples is, however, less pronounced in the welded joint with further mixing. Hardness was measured on the joints, and the welding conditions with pure argon and argon with helium showed lower hardness compared to the base metal, different from that presented new mixture near the base metal values. The metallographic analyzes by optical and scanning electron microscopy complemented the results, showing that the new mixture generated welded joints with less porosity. Key Words: Aluminum Alloy AA5086; GTAW welding; residual stresses; diffraction X-ray; mechanical properties. 5346