Título do projeto: AVALIAÇÃO DA SOLDABILIDADE DO AÇO SINCRON-WHS-800T QUANDO SOLDADO PELO PROCESSO FCAW Linha de Pesquisa: Metalurgia da Transformação. Soldagem Justificativa/Motivação para realização do projeto: Como complementação de seu portfólio e visando atender ao mercado cada vez mais exigente, a Usiminas desenvolveu um aço como limite de escoamento mínimo de 700 MPa temperado diretamente na Linha de Laminação de Chapas Grossas seguido de revenimento. Esse aço foi denominado SINCRON-WHS-800T. De modo a viabilizar a utilização e comercialização desse aço, faz-se necessário o conhecimento de aspectos relativos à sua engenharia de aplicação, principalmente em termos de soldabilidade por se tratar de um material de elevada resistência mecânica. Objetivos: Avaliar a soldabilidade do aço SINCRON-WHS-800T, de 40,50 mm de espessura, pelo processo de soldagem por arame tubular, empregando distintos aportes térmicos. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Determinação da temperatura de preaquecimento através do ensaio TEKKEN; Soldagem das amostras do aço pelo processo de arame tubular com aportes térmicos de 1,5 e 3,0 kj/mm; Caracterização microestrutural das amostras soldadas; Realização de ensaios mecânicos (tração,dobramento e charpy) de corpos de prova extraídos das amostras soldadas; Correlação entre os valores de propriedades obtidas nos ensaios mecânicos, microestrutura e condições de soldagem avaliadas. Principais referências consultadas: MODENESI, P.J. Soldabilidade dos aços transformáveis. Apostila técnica. Belo Horizonte, MG:UFMG 2010. ARAÚJO, C.S. Revisão Bibliográfica sobre Resfriamento Acelerado de Chapas Grossas. Relatório Parcial de Estudo de P&D. (2006) 1
1. Introdução Atualmente, existe uma tendência de utilização de aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) nos diversos setores da construção mecânica. Esses aços são microligados, com teores de elementos de liga inferiores a 0,1%, sendo usados alumínio, vanádio, titânio ou nióbio, e conter ainda cobre, molibdênio, níquel ou cromo dependendo da aplicação a que se destinam. Seu processo de produção é muito importante para garantir os mecanismos de endurecimento responsáveis por sua elevada resistência mecânica, empregando-se comumente laminação controlada (laminação com um controle restrito da temperatura e quantidade de deformação em seus passes) seguida por um resfriamento acelerado ao final da laminação ou por um tratamento térmico de normalização (MODENESI, 2010). O processo de têmpera direta (DQ - Direct Quench), é empregada para a produção de uma ampla gama de aços destinados a diversos setores que exigem elevada resistência mecânica, vida em fadiga, tenacidade e boa soldabilidade como vasos de pressão, pontes e maquinários pesados. Quando comparado com os tradicionais aços temperados e revenidos, para mesmo níveis de resistência mecânica, os aços DQ possuem projetos de ligas que favorecem a tenacidade e sua soldabilidade. Em função de sua composição química menos carregada, os aços DQ apresentam melhor soldabilidade que os seus antecessores aços temperados e revenidos. Em função da espessura que se deseja trabalhar faz-se necessário a utilização ou não preaquecimento, para minimizar a probabilidade de ocorrência de trincas induzidas por hidrogênio, e os aportes de calor empregados devem ser limitados a valores máximos, a serem determinados através de estudos de soldabilidade, para se evitar a perda de resistência mecânica da junta soldada. (MODENESI,2011). Como complementação de seu portfólio e visando atender ao mercado cada vez mais exigente, a Usiminas desenvolveu um aço com limite de escoamento mínimo de 700 MPa temperado diretamente na Linha de Laminação de Chapas Grossas seguido de revenimento. Esse aço foi denominado SINCRON-(WHS)-800T (Weldable High Strength steels). De modo viabilizar a utilização e comercialização de novos aços, faz-se necessário o conhecimento de aspectos relativos à sua engenharia de aplicação, principalmente em termos de soldagem já que uma série de problemas pode ser originária desse processo. Dessa forma, esse estudo tem como objetivo principal avaliar a soldabilidade do aço SINCRON-WHS-800T de 40,50 mm de espessura, empregando distintos aportes térmicos. 2. Materiais e Métodos 2.1. Material Será empregado chapa na espessura de 40,50 mm de um aço de Limite de escoamento mínimo 700 MPa (nome comercial: SINCRON-WHS-800T), produzido industrialmente na condição de tempera direta e posterior tratamento térmico de revenimento. 2
A faixa de composição química e as propriedades mecânicas em tração especificada desses aços são mostrados nas tabelas 1 e 2 respectivamente. Tabela 1: Especificação de composição química do aço SINCRON-WHS-800T ( % massa) C Mn P Ni Si Cu Mo Cr Ceq. 0,25 1,50 0,025 0,20 0,50 0,35 0,08 0,40 0,54 Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni + Cu)/15 Tabela 2: Especificação de propriedades mecânicas em tração do aço SINCRON-WHS-800T Al (%) Aço LE (MPa) LR (MPa) BM 50mm SINCRON-WHS-800T 700 770~930 18 Onde: LE: Limite de Escoamento; LR: Limite de Resistência; AL: Alongamento; BM: Base de Medida Inicialmente serão realizadas análise de verificação de composição química, análise metalográfica, ensaios mecânicos de tração longitudinal e transversal e curva de transição Charpy. 2.2. Ensaio de Soldabilidade Tekken O ensaio Tekken avalia a suscetibilidade dos aços ao trincamento a frio, tanto na ZF, como na ZTA e também auxilia na escolha da temperatura mínima de préaquecimento necessária para a soldagem. Esse ensaio é caracterizado pelo emprego de um chanfro em Y, como mostra o esquema da figura 1, motivo pelo qual também é denominado ensaio com chanfro Y Figura 1 Representação esquemática dos CPs para ensaio Tekken 3
Na tabela 3, são apresentados os parâmetros de soldagem que pretende-se avaliar.no processo de soldagem serão empregados dois níveis de aportes térmicos, 1,5 e 3,0 KJ/mm, comumente utilizados na industria de fabricação de maquinas agriculas, guindastes e equipamentos em gerais que utilizam açõs ARBL. Tabela 3: Parâmetros de soldagem FCAW que se pretende avaliar nesse trabalho. Consumível (AWS) Corrente (A) Tensão (v) Velocidade (mm/min) Aporte de Calor (kj/mm) A5.28 E110C-G 270±10 28±2 300±20 1,5±0,1 1,6 mm Ø 310±10 32±2 300±10 3,0±0,1 Obs: Temperatura de preaquecimento e entre passes devem ser as mesmas determinadas no ensaio de Tekken 2.3. Avaliação das Juntas Soldadas As amostras do aço SINCRON-WHS-800T serão soldadas pelo processo de soldagem arame tubular com proteção gasosa (FCAW-Flux Cored Arc Welding). A geometria da junta soldada, bem como, suas dimensões está ilustrada na tabela 4. Tabela 4: Projeto de junta a ser utilizado Espessura (e) Abertura da raiz (F) Ângulo do chanfro Geometria da juntas (mm) (mm) (A ) 40,50 10 +/- 2 mm 30 +/- 5 mm 2.3.1 Análise Metalográfica das Juntas Soldadas Serão avaliados os aspectos macrográficos e micrográficos das juntas soldadas, com o auxílio da microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). 2.3.2 Ensaios mecânicos das Juntas Soldadas Serão realizados ensaios de tração e charpy. A figura 2 representa esquematicamente a posição dos corpos de prova em relação ao cordão de solda. Os corpos de prova serão confeccionados conforme o código ASME seção IX e ensaiados de acordo a norma ASTM A370. A tenacidade das juntas soldadas será avaliada através do ensaio de impacto Charpy, conforme norma ASTM E23. Os ensaios serão realizados na temperatura de -10ºC. Os Corpos de provas (CPs) serão do tipo full size nos dimensioais ( 10 x 10 x 55 mm) e amostrados a ¼ da espessura, transversalmente ao cordão de solda. Serão amostrados CPs localizados nas seguintes regiões da Zona termicamente afetada (ZTA): linha de fusão (LF), LF + 1 mm, LF + 3 mm,lf + 5 mm. Também será avaliado a tenacidade Charpy do cordão de solda (CS), para cada posição serão ensaiados 4 cps. 4
Posteriormente aos ensaios de impacto Charpy, serão avaliadas a superfície de fratura de alguns CP s, a fim de evidenciarmos o mecanismo de fratura operante. Esta analise será realizada com auxilio do Microscópio eletrônico de varredura-mev. Figura 2 Ilustração dos locais para amostragem dos cps de Charpy,Tração e metalografia. 3. Infra-Estruturas e Recursos Necessários Toda etapa experimental deste projeto será realizada com recursos próprios e nos laboratórios da Usiminas. (i) Laboratório de ensaios mecânicos e metalográficos 1. Preparação de corpos de prova e realização de ensaios de tração nas direções transversal e longitudinal em relação ao sentido de laminação. Os ensaios serão realizados à temperatura ambiente. 2. Determinação das curvas de transição dúctil-frágil através da realização de ensaio de Impacto Charpy, em corpos de prova retirados transversalmente ao sentido de laminação. 3. Ensaio de Tração e Charpy das Juntas Soldadas. (ii) Laboratório do centro de pesquisa e desenvolvimento: 1. Ensaio Tekken; 2. Avaliação das Juntas Soldadas; 3. Análise Metalográfica das Juntas Soldadas; 4. Cronograma de Execução O desenvolvimento do estudo deverá seguir as seguintes etapas: 1. Revisão bibliográfica; 2. Realização dos testes; 3. Defesa de proposta; 4. Análise dos resultados; 5
5. Discussão dos resultados; 6. Defesa da dissertação. Tabela 4.1 - Cronograma de desenvolvimento da dissertação Período Etapa 1 2 3 4 5 6 1T17 2T17 3T17 4T17 1T18 2T18 3T18 4T18 5. Referências Bibliográficas MODENESI, P.J. Soldabilidade dos aços transformáveis. Apostila técnica. Belo Horizonte, MG:UFMG 2010. MODENESI, P.J. Soldabilidade de algumas ligas metálicas. Apostila técnica. Belo Horizonte, MG:UFMG 2011. ARAÚJO, C.S. Revisão Bibliográfica sobre Resfriamento Acelerado de Chapas Grossas. Relatório Parcial de Estudo de P&D. (2006) CALOI, Giselle.; Análise da Soldabilidade do Aço API 5LX80 por meio dos Testes Tekken e de Implante. Tese de Mestrado. Rio de Janeiro, RJ: PUCRJ, 2008. KASUYA, T.; YURIOKA, N.; Determination of Necessary Preheat Temperature to Avoid Cold Cracking under Varying Ambient Temperature. Welding & Joining Research Center. Nippon Steel Corporation, 1995. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEER - ASME, SECTION AND IX Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures, Welders, Brazer, and Welding and Brazing Operators. (QW462). 2008 AMERICAN STANDARDS FOR TESTING MATERIALS - ASTM E23. Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials.2008 6