ESTUDO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE SOLDAGEM SOBRE UM EIXO RECUPERADO COF-2015-0480 Resumo: A soldagem de manutenção é um meio ainda muito utilizado para prolongar a vida útil das peças de máquinas e equipamentos. Ela promove economia para as indústrias, pois reduz as paradas das máquinas e diminui a necessidades de se manter grandes estoques de reposição. Uma situação crítica pode ser citada quando alguns equipamentos e máquinas são retirados de linha ou deixam de ser fabricados. Situações problemáticas como essas são resolvidas pela soldagem de manutenção. Esse procedimento comumente utilizado nem sempre apresenta o controle e acompanhamento adequado do processo. O procedimento mais comum é a usinagem para retirada do defeito, sendo depois executada a soldagem de recuperação e realizada outra usinagem posterior para adequação as dimensões de projeto. Porém, ao realizar a sua recuperação por soldagem, o eixo sofre alterações em relação às propriedades mecânicas e metalúrgicas. Deve ser feita a análise da microestrutura da zona afetada pelo calor (ZAC), e, além disso, como as propriedades sofrem mudanças, as dimensões iniciais de projeto do eixo podem não oferecer a confiabilidade necessária, o que pode acarretar em um novo dimensionamento do eixo com as condições posteriores a recuperação. Desta forma, o presente estudo visa analisar e determinar os parâmetros de soldagem dos eixos, realizar ensaio de dureza e analisar a zona afetada pelo calor (ZAC). Este estudo contextualiza-se na compreensão das modificações sofridas pela peça após a soldagem de manutenção, com essa compreensão serão determinados os parâmetros ótimos de soldagem para elementos na mesma situação. Palavras-chave: Soldagem, Eixos, Parâmetros de Soldagem 1 INTRODUÇÃO Soldagem consiste no processo de união entre duas partes metálicas, utilizando uma fonte de calor, podendo ser aplicada pressão ou não. Ao final do processo tem-se o que se denomina de solda (Brandi, 1992). Este método de união utiliza forças microscópicas (interatômicas ou intermoleculares), e a junção é alcançada através da aproximação dos átomos e moléculas das partes que serão unidas, de maneira que atinjam distâncias bastante pequenas para que ocorra a formação de ligas metálicas (Marques, 2006). A soldagem possui uma área de aplicação bem ampla. É utilizada para fabricar produtos e estruturas metálicas, aviões, navios, pontes, oleodutos e gasodutos, trocadores de calor, componentes eletrônicos, etc (Brandi, 1992). Além disso, muitos processos de soldagem são utilizados na fabricação e recuperação de peças. Ou seja, além de realizar a união entre metais, também são usados com a intenção de depositar material sobre uma superfície, por exemplo, de uma peça, com o objetivo de recuperá-la ou de criar um revestimento com características especiais (Marques, 2006). Os processos de soldagem mais comuns são os processos de fusão a arco. Para o referente projeto, o processo de soldagem utilizado foi a soldagem por arame tubular. Este processo de soldagem, conhecido também por FCAW (Flux Cored Arc Welding), consiste em um processo no qual a união dos metais é obtida através de um arco estabelecido entre um eletrodo tubular de consumo contínuo e a peça, ou seja, consiste de um processo com eletrodo consumível. Este tipo de eletrodo apresenta internamente um fluxo, o qual é responsável pela proteção do arco e da poça de fusão, pela estabilização do arco, pelo ajuste de composição química da solda, dentre outros (Modenesi, 2006). Esta técnica de soldagem pode ser utilizada de duas formas: soldagem auto-protegida, em que toda a proteção necessária na região do arco é feita através do fluxo, ou soldagem com proteção gasosa, em que parte da proteção é fornecida pelo gás. Este processo tem uma série de vantagens, como: elevada produtividade e eficiência, custo relativamente baixo, produz soldas de boa qualidade e aparência. Além disso, tem como principais aplicações os aços carbono e ligados, como o Aço-liga SAE 4340, e esta técnica pode ser utilizada como uma soldagem de fabricação, montagem e manutenção, esta última sendo o foco do projeto (Modenesi, 2006). A soldagem de manutenção pode ser utilizada, por exemplo, na recuperação de eixos de motores elétricos. Devido estes tipos de motores trabalharem intensamente, com o tempo o eixo sofre desgaste, principalmente nas seções onde se encontram acoplados os mancais, formando assim as trincas e necessitando de reparos imediatos. Um dos processos de recuperação do eixo de um motor elétrico se dá da seguinte forma: primeiramente é necessário realizar uma operação de desbaste na região que sofreu desgaste. O local é então preenchido com solda, neste caso, sendo através do processo com arame tubular. O eixo é levado então a um centro de usinagem, onde será feito todo o processo de acabamento, conferindo as dimensões de projeto ao eixo, e, por fim, podem ser feitos tratamentos térmicos posteriores.
No entanto, uma das limitações na recuperação dos eixos através deste procedimento de soldagem, consiste nas alterações metalúrgicas que o metal sofre. Os parâmetros de soldagem, o processo de soldagem e o tipo de material a ser soldado podem provocar alterações na microestrutura do material. O processo de solidificação da zona fundida, por exemplo, pode gerar tensões residuais, ocasionando numa fragilização do metal fundido, assim como da Zona Afetada pelo Calor (ZAC), o que pode levar a formação de uma microestrutura indesejável, alterando as propriedades do eixo. Caso isto aconteça, muitas vezes torna-se necessário realizar um tratamento térmico posterior a soldagem para aliviar as tensões residuais ou uniformizar a microestrutura. Desta forma, o presente estudo visa analisar e determinar os parâmetros de soldagem empregando o processo com arame tubular dos eixos de aço AISI 4340, usinados e posteriormente soldados. Foram realizados o ensaio de microdureza na zona afetada pelo calor (ZAC) e analisada as alterações microestruturais nessa região. Este estudo contextualiza-se na compreensão das modificações sofridas pela peça após a soldagem de manutenção, com essa compreensão serão, posteriormente, determinados os parâmetros ótimos de soldagem para elementos na mesma situação. 2 MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado para o eixo foi o Aço SAE 4340. A composição química está representada na Tab. (1). Tabela 1 - Composição química do Aço SAE 4340 ABNT/SAE C Mn P máx. S máx. Si Ni Cr Mo 4340 0,38-0,43 0,60-0,80 0,03 0,04 0,15-0,35 1,65-2,00 0,70-0,90 0,20-0,30 Fonte: Favorit Aços Especiais O processo de soldagem utilizado para reparar o eixo foi a Soldagem com Arame Tubular. Foi empregado arame E71T-5C (M) e soldagem automatizada para obtenção dos parâmetros de soldagem, onde os valores médios foram: corrente de soldagem (I) = 195A; tensão de soldagem (U) = 23,3V; velocidade de soldagem (V S) = 30cm/min. A metodologia adotada para a realização do ensaio foi realizada em três etapas subdividas conforme apresentado no fluxograma da Fig. (1). Figura 1 - Fluxograma da metodologia utilizada durante o ensaio
A primeira etapa envolveu a usinagem inicial de um eixo SAE 4340 com 0,027 m de diâmetro, para limpeza e adequação ás dimensões de junta necessárias para o projeto. Este é um aço para beneficiamento de alta resistência mecânica, elevada temperabilidade, alta tenacidade e baixa usinabilidade. É destinado principalmente à fabricação de eixos, bielas, virabrequins e peças com alta solicitação mecânica. Logo em seguida foram realizadas as soldagens desse eixo empregando processo de soldagem arame tubular automatizado para controle dos parâmetros de soldagem. Após esse processo foi realizada a usinagem do eixo deixando-o nas dimensões finais. Como o objetivo principal desse trabalho é analisar as principais alterações microestruturais observadas na ZAC e, posteriormente determinar os parâmetros de soldagem adequados, não foi tomado o cuidado de se corrigir os defeitos de soldagem que pudessem aparecer, sendo a soldagem realizada uma única vez com o intuito de observar seu efeito inicial sobre o material. Após a usinagem final, o eixo foi cortado ao meio para realização do ensaio de microdureza e de macrografia e micrografia. 3 RESULTADOS Através da análise macroscópica Fig. (2), foi possível visualizar as diferentes regiões da amostra. As regiões foram numeradas de 1 a 4, sendo definidas da seguinte forma: Região (1) Metal de Solda ou Zona Fundida; Região (2) e Região (3) Zona Afetada pelo Calor (ZAC); Região (4) Metal de Base. Figura 2 - Análise macroscópica da peça ensaiada A Região 2 representada na Fig. (2), é a região que sofreu recristalização devido aos passes de soldagem. Essa região pode apresentar grãos refinados e boa tenacidade. Na Fig. (2) observa-se a presença de defeitos na região do metal de solda, mas como dito anteriormente, o objetivo inicial deste trabalho é analisar a influência no metal de base. Numa fase posterior serão levantados os procedimentos de soldagem adequado para a obtenção de uma solda de qualidade que garanta as propriedades mecânicas necessárias para esse eixo quando em serviço. Na análise microscópica foi possível obter as microestruturas referentes a cada uma dessas 4 regiões. A Zona Fundida ou Metal de solda (Região 1) está ilustrada na Fig. (3) a seguir:
Figura 3 - Microestrutura da Zona Fundida Esta região sofreu alterações na microestrutura devido as interações químicas gás-metal e escória-metal, as quais são benéficas pelo fato da primeira proteger a poça contra os gases da atmosfera, e a segunda tornar possível o aporte de elementos de liga e elementos dessulfurantes e desoxidantes provenientes do fluxo do arame tubular. A Zona Fundida é caracterizada por apresentar vários constituintes no metal de solda, devido a elevada temperatura gerada pelo processo de soldagem, e posterior resfriamento, transformando a austenita em um dos possíveis produtos: Ferrita Acicular AF;Ferrita de Contorno de Grão PF (G);Ferrita Poligonal Intragranular - (PF (I);Ferrita com Segunda Fase Alinhada ou Não Alinhad - FS (A) ou FS (NA); Agregado com Ferrita Carboneto FC; Martensita (M). Num trabalho posterior, após a determinação definido o procedimento de soldagem serão verificados os principais constituintes encontrados na região do metal de solda. Na Região 2 observou-se uma recristalizazção dos grãos da ZAC com grãos grosseiros, essa recristalização pode ser explicada pela ação dos passes subsequentes de soldagem o que provoca uma normalização dos grãos, tornando essa região mais resistente e tenaz. A Figura 4 representa essa região. Figura 4 - Microestrutura da Zona recristalizada Esta região, por sua vez, apresentou microestrutura de Martensita Fina, pois é possível observar as ripas de martensita, porém elas estão bem menores e melhores distribuídas. Isto quer dizer que as suas propriedades mecânicas, como tenacidade e ductilidade, sofreram uma melhora em relação a região 1, devido principalmente ao processo de solidificação ser mais demorado, e não haver tanta diferença entre as temperaturas de máxima austenitização e de solidificação final. A Fig. (5) mostra a Zona Afetada pelo Calor (ZAC).
Figura 5 - Microestrutura da ZAC Na Fig. (5) é possível observar as regiões 2 e 3 da ZAC. A região 2 sofreu refino devido aos passes de soldagem. Mesmos tendo sido realizado uma única camada de soldagem sobre o eixo, essa região sobre influência dos diversos cordões de solda depositados durante o preenchimento do eixo. Por fim, o metal de base (Região 4), está ilustrado na Fig. (6) abaixo: Figura 6 - Microestrutura do Metal de Base Durante o ensaio de soldagem, esta região não sofreu maiores influências ou alterações metalúrgicas, como o esperado. 3.1 Perfil de Microdureza Foi realizado um corte longitudinal no eixo a fim de verificar as variações de dureza em função das diferentes regiões da solda. O perfil de microdureza e a relação entre esta e as fases encontradas na análise metalográfica está apresentado na Figura (7).
Figura 7 - Perfil de microdureza, MB: metal base, ZAC-GF: zona afetada pelo calor grão-fino, ZAC-GG: zona afetada pelo calor grão-grosseiro, MS: metal de solda Observa-se, através do perfil de microdureza apresentado na Fig.(7) que foi encontrada uma dureza mais elevada na ZAC -GG, representada pela região 3 da Fig. (2). Observou-se, ainda, que a dureza tende a diminuir e depois se iguala com a dureza do metal de base. Nessa região da ZAC é observado o refino do grão devido ao efeito térmico da soldagem. 4 CONCLUSÃO Através deste trabalho foi possível identificar, através da análise macrográfica, as diferentes regiões que compõem um material que passou por um processo de soldagem de manutenção. O perfil de microdureza levantado mostrou que ocorre uma região da ZAC-GG que sofre recristalização devido a influência dos cordões de solda, mesmo tendo sido empregado somente uma camada de solda. Para um estudo posterior serão levantados outros parâmetros de soldagem e analisadas a microestrutura dessa região. Será ainda, verificado a influência, sobre a ZAC, de uma outra camada de soldagem para o preenchimento adequado do eixo recuperado. 1. AGRADECIMENTOS À Universidade Federal do Espírito Santo - UFES, pelo apoio nos ensaios de soldagem e usinagem, em especial ao Prof. Dr. Temistócles de Souza Luz. Ao professor Dr. Sandro Griza, do Laboratório de Caracterização do Departamento de Engenharia de Materiais da UFS pelo suporte dado na realização dos ensaios metalográficos. À Nardelli Usinagem que possibilitou o auxílio com as ferramentas de corte.. 2. REFERÊNCIAS Brandi, S. D, Wainer, E. & Mello, F.D.H. Soldagem: Processos e Metalurgia. Editora Edgard Blucher. 1992. IIW Aub-Comission IXJ Guide to the light microscope examination of ferritic steel weld metals. IIQ Doc. IX-1533-88, 1988. JR, William D. Callister. Ciências e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. Ed. LTC, 5 ed. 1991. Marques, P.V, Modenesi, P.J. & Bracarense, A. Q. Soldagem:Fundamentos e Tecnologia. Editora UFMG. 2009. Marques, P.V. & Modenesi, P.J. Introdução aos Processos de Soldagem. Belo Horizonte. Fevereiro, 2006. 3. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.