UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E EDUCAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC : CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA RELATÓRIO TÉCNICO CIENTÍFICO Período: 01/ Setembro / 2016 a 06/ Março/ 2017 (X) PARCIAL ( ) FINAL IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Estudo do processo GMAW-CW aplicado no ultra narrow gap. Nome do Orientador: Eduardo de Magalhães Braga. Titulação do Orientador: Doutor em Engenharia Mecânica. Faculdade: Engenharia Mecânica. Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia. Laboratório: Laboratório de Caracterização de Materiais Metálicos (LCAM). Nome do Bolsista: Francisco Ferreira Barbosa Junior. Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq AF ( ) PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador (X) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( ) PIBIC/PRODOUTOR ( ) PIBIC/PE-INTERDISCIPLINAR ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/PIBIT
1 Introdução A união de materiais na produção e fabricação de componentes metálicos através do processo de soldagem existe há muitos anos. Após a segunda guerra mundial, o processo sofreu grande avanço com a introdução do procedimento utilizando fusão a arco, obtendo-se componentes mais complexos e de melhor qualidade (MACHADO, 1996). Atualmente, com o avanço tecnológico, estão sendo desenvolvidos múltiplos processos e variadas técnicas, com o intuito de agilizar o tempo de produção e aumentar a qualidade do produto, para assim atender a demanda do mercado de maneira satisfatória (ASSUNÇÃO, 2013). O processo GMAW com adição de arame frio (GMAW-CW) foi desenvolvido para ser uma alternativa técnica e econômica, com o intuito de melhorar a produtividade sem acarretar defeitos a junta soldada (BACELAR; FERRAZ, 2005; SÁBIO, 2007). Esse processo utiliza um arame não energizado que é introduzido na poça de fusão juntamente com o arame energizado, somando mais material depositado sobre a junta soldada. A proteção gasosa é feita somente por um gás de proteção, sendo ele inetrte, ativo ou mistura de ambos (CABRAL, 2011). Dentre as técnicas de soldagem utilizadas, existe a do chanfro estreito, também conhecida como narrow gap. A técnica foi desenvolvida por volta de 1960 e é utilizada principalmente na soldagem de tubos, com o intuito da obtenção de menor custo e tempo de soldagem (NORRISH, 2006; MONDENESI, 1990). Além disso, o uso do chanfro estreito tem-se mostrado melhores resultados de tensão residual do que os chanfros convencionais. Nesse trabalho, utilizou-se um chanfro estreito de 4 mm, caracterizado como ultra narrow gap. O uso desse procedimento teve como objetivo a diminuição da ZTA (Zona Termicamente Afetada), a qual também está ligada ao surgimento de tensões internas, além da obtenção de uma junta soldada mais uniforme. 2 Justificativa O mercado demanda que os processos de soldagem sejam mais rápidos e que produzam produtos de maior qualidade, sem a presença de falhas que possam provocar danos ao material. Estudos consolidados mostram que a técnica narrow gap se adéqua as expectativas do mercado, tendo um baixo custo e um menor tempo de soldagem, além de se reduzir as tensões internas do material. Pesquisas realizadas no Laboratório de
Caracterização dos Materiais Metálicos (LCAM) mostram que o processo GMAW-CW apresenta melhores resultados nas soldagens de chanfro do que o processo convencional. 3 Objetivos 3.1 Objetivo geral Verificar a viabilidade do processo de operação utilizando a técnica do narrow gap com 4 mm. 3.2 Objetivos específicos Determinar a influência do processo GMAW-CW com a técnica de ultra Narrow Gap na ZTA. Caracterizar a junta soldada pela técnica do narrow gap, através da análise microestrutural e propriedades mecânicas, por ensaio de microdureza Vickers. 4 Materiais e métodos 4.1 Materiais Neste trabalho foram usados os seguintes materiais para a execução da solda: fonte de soldagem eletrônica Digiplus A7 de 400A, figura 1.1, o alimentador de arame principal ( IMC STA-20D), Erro! Fonte de referência não encontrada..2, o alimentador adicional para o arame frio (ESAB MEF 30),Erro! Fonte de referência não encontrada..3. A tocha de soldagem usada foi uma GMAW TBi 511 automatizada, Erro! Fonte de referência não encontrada..4, resfriada à água com corrente máxima de 400 A. O gás de proteção utilizado foi uma mistura de 20% de CO2 e 80% de Argônio numa vazão de 15 l/min. Figura 1 Bancada de soldagem
Fonte: Autoria própria O metal de base utilizado foi um aço estrutural normalizado de classificação ASTM A131 grau A, normalmente utilizado na construção naval, com baixo nível de carbono. O arame utilizado foi AWS ER 70S-6, tanto como energizado quanto como o não energizado, apenas que com diâmetros diferentes. O arame eletrodo tinha diâmetro de 1,2 mm e o arame frio 1,0 mm. A composição do aço naval e o do arame estão sendo amostradas pela Tabela 1. Tabela 1 Composição natural para o metal de base e arame utilizados Fonte: ASTM A. 131/A.131M (2013); AWS A5.18/A5. 18M: 2005 (2005) 4.1 Métodos Os experimentos foram realizados, com o processo de soldagem GMAW-CW em 3 corpos de prova, cuja dimensões são de 16mm de espessura, 140mm de comprimento e 166mm de largura com uma abertura do chanfro de 4mm segundo a técnica do narrow gap, assim como demonstrado na Figura 3, e para evitar problemas se manteve o DBCP (Distancia Bico de Contato e Peça) de 22 mm. Figura 3 - Modelo ilustração da peça Fonte: autoria própria
Os parâmetros para os passes de raiz foram os mesmos para todas as peças e foram feitos a uma voltagem de 28 V a uma taxa de alimentação de arame energizado de 9m/min com uma razão de arame frio de 3,2m/min e uma velocidade de soldagem de 40cm/min, enquanto que os passes de enchimento, demonstrado na Erro! Fonte de referência não encontrada.3, tiveram voltagem de 33V, com taxas de alimentação de arame energizado de 12m/min com uma razão de arame frio de 80% e com as velocidades de soldagem de 60, 70 e 80cm/min., analisou-se os corpos de prova 10, 11 e 12. O deslocamento da tocha foi realizado na versão automática e em corrente contínua com polaridade positiva (CC+). O ângulo entre a tocha e o injetor auxiliar de arame no processo GMAW-CW foi de 46,5, o ângulo de trabalho e o ângulo de ataque de 90, medidos em relação à mesa de soldagem conforme ilustra a Figura 5. Figura 5 Bico para soldagem GMAW com arame frio Fonte: autoria própria A seguir, os corpos de prova foram preparados seguindo técnicas padrão de metalografia. E depois, foram atacados com Nital 5% e para fazer macrografia e micrografia, e logo em seguida realizou-se o ensaio de microdureza Vickers fazendo 42 microendentações no cordão de solda conforme ilustrado na figura 6. Figura 6 Ilustração de um ensaio de microdureza
Fonte: Assunção, 2016 5 Resultados 5.1 Micrografias dos corpos de prova Figura 2- Micrografia CP10 Fonte: autoria própria No CP10, pode ser observado pela macrografia que não foram encontradas descontinuidades nas juntas soldadas e que se conseguiu encher o cordão com apenas 2
passes que foi retirada na parte da solda, contém uma predominância de ferritas acicular com pequena variedade de contorno de grão. A Figura 27(c) foi capturada na região próximo a 7(a) e possui predominância de ferrita acicular com a presença de ferrita com segunda fase alinhada e não alinhada, ferrita poligonal e ferrita de contorno de grão. As Figura 27(b) e (d) foram capturadas na zona de fronteira da ZTA com o cordão de solda e demonstram grãos grosseiros que foram transformados pelo ciclo térmico de soldagem, além disso, as microestrutura observada da ZTA é ferrítica onde predomina a ferrita de segunda fase não alinhada e ferrita poligonal. Figura 8 - Micrografia CP11 Fonte: autoria própria
No CP11, a macrografia não apresenta problemas com exceção de uma pequena descontinuidade localizada perto da área de encontro dos dois cordões. A região da Figura 8 (a) e a Figura 8 (d), foram retiradas do metal de solda e mostram uma predominância de ferrita acicular com pequena variedade de contorno de grão. A Figura 8 (b) e (c), foram realizadas na zona de fronteira da ZTA e demonstram grãos grosseiros que foram transformados novamente pelo ciclo térmico de soldagem. A microestrutura observada na ZTA é ferrítica onde predomina a ferrita de segunda fase não alinhada. Figura 9 Micrografia CP12 Fonte: autoria própria No CP12, a macrografia mostrou problemas na raiz, mostrando duas descontinuidades nas paredes, se especula que a causa tenha sido por falta de fusão, fato
constatado como característica da técnica do narrow gap. Na Figura 9 (a), retirada da fronteira da ZTA com o cordão, mostra grãos grosseiros causados pelo reaquecimento da área devido aos passes. As Figura 9 (b) e (c), se passaram na junta soldada, eles mostram uma predominância de ferrita acicular com pequena variedade de contorno de grão. A Figura 9 (d), retirada da fronteira com a ZTA, mostra uma microestrutura de segunda ordem não alinhada e de contorno de grão. 5.2 Microdureza Figura 10 Fonte: autoria própria Os gráficos mostrados na figura 10 representam os dados obtidos pelo ensaio de microdureza, onde no primeiro gráfico o CP10 que demonstra que o metal de solda mantém uma dureza média de 210HV até chegar à área da ZTA, desenvolvendo uma queda nos valores conforme o afastamento do centro da junta soldada porém, no metal de base é possível de notar um resultado quase que constante apesar de que mais abaixo do encontrado na solda com uma média de 150HV, isso significa que o metal de base possui uma dureza menor que a obtida pela zona fundida, esse comportamento é normal em
soldas. Os Gráficos do CP11 e CP12 mostram uma media de dureza similar a peça CP10, mostrando inclusive um desvio padrão menor. Os gráficos mostram uma tendência similar onde os pontos que correspondem a área do metal de solda mantêm uma média que, fica um pouco acima de 200HV, e após chegar a ZTA mostram uma queda que para de decair quando chega no metal de base aonde começa a apresentar um valor de vickers que varia menos, novamente com uma média de 150HV. PUBLICAÇÕES Não há publicações referentes ao período. 6 Conclusão Determinar a influência do processo GMAW-CW com a técnica de ultra Narrow Gap na ZTA. Em andamento Caracterizar a junta soldada pela técnica do narrow gap, através da análise microestrutural e propriedades mecânicas, por ensaio de microdureza Vickers. Para o CP 10 a microestrutura apresentou características que favorecem a dureza com a predominância de ferrita acicular, porem apresentando ferrita poligonal e de segunda fase. Essas análises serão melhores estudadas posteriormente. A microdureza apresentou microdureza semelhantes, na faixa de 210HV na zona fundida que são similares em todos os corpos de prova e que são mais elevados que o metal de base.
7 Referências Bibliográficas BACELAR, A. R. C.; FERRAZ, A. C. Estudo da Viabilidade Operacional do Processo de Soldagem MAG com Alimentação de um Arame Frio. Belém. 2005. 51p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) Curso de Engenharia Mecânica, UFPA, Belém. 2005. ASSUNÇÃO, P. D. C. Estudo da Viabilidade do Processo de Soldagem GMAW-DCW. 2013. 173p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal do Pará, Belém. MACHADO, I. G., Soldagem e Técnicas Conexas Processos: Livro, Porto Alegre, 1996. CABRAL, T. S. et al. Desenvolvimento e Estudo da Viabilidade de um Injetor de Arame Adicional para o Processo de Soldagem MIG/MAG e FCAW. 2011. Anais ABCM. Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Caxias do Sul. MONDENESI, P. J. Statistical modelling of the narrow gap gas metal arc welding process. [s.1] Cranfield University, 1990 NORRISH, J. Advanced Welding Processes. In: Woodhead Publishing. 1st. Ed. Cambridge, England: Woodhead Publishing, 2006. p. 304.
Parecer do Orientador O projeto transcorreu normalmente, sem grandes contratempos. Todas as metas foram cumpridas. A metodologia empregada no trabalho foi também aproveitada pelos alunos de mestrado e doutorado, gerando um padrão para ensaios. Os resultados estão satisfatórios e totalmente de acordo com os objetivos do projeto. Os dados obtidos têm muito mérito, pois trata-se de um trabalho inédito. O aluno desenvolveu seu trabalho adequadamente, mostrando interesse em aprender, responsabilidade e se apresentou bem estimulado. Neste sentido, desenvolveu seu trabalho dentro dos padrões de normas e com bastante mérito. Estamos na fase de elaboração de artigo para publicação. O bolsista desenvolveu seu trabalho dentro da normalidade que todo bom aluno desenvolve. Desenvolveu atividades de pesquisa bibliográfica, manuseio de equipamentos e máquinas, preparação de amostras, realização de ensaios e análise e discussões dos resultados. Mostrou habilidade, assiduidade, responsabilidade e presteza no desenvolvimento do seu trabalho. DATA:_06/_03_/_2017 ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO
FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO : 1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorreram mudanças significativas, elas foram justificadas? 2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com os objetivos propostos? 4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista? Comentar sobre a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados para publicação? Em que tipo de veículo? 5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório 6. Parecer Final: Aprova do ( ) Aprovado com restrições ( ) (especificar se são mandatórias ou recomendações) Reprovado ( ) 7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório. Data : / /.
Assinatura do(a) Avaliador(a)