INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE SOLDAGEM NA DETERMINAÇÃO DA TENACIDADE DA ZAC EM UMA JUNTA DE AÇO ASTM A-36 SOLDADA POR ELETRODO REVESTIDO E7018. Artur Sávio Cunha Cardins (Cardins, A.C); UFERSA Alyson Allan Medeiros Silva (Silva, A.M); UFERSA Francisco Edson Nogueira Fraga (Fraga, F.E.N); UFERSA Camila Elnatana Ramos dos Santos (Santos, C.E.R); UFERSA Rua Eudes Laura Menezes, 63. Presidente Costa e Silva, Mossoró-RN camilaelnatana@outlook.com RESUMO No processo de soldagem a ZAC é uma região da junta onde mais sofre com a elevada temperatura imposta, nela os grãos serão mais afetados e provavelmente apresentarão menores tenacidades. Um aumento da energia de soldagem acarreta no aumento do aporte térmico recebido pela junta e em consequentes alterações significativas das propriedades iniciais do material de base. Essas alterações promovem uma perda de tenacidade na ZAC. Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da energia de soldagem sobre a tenacidade da ZAC (Zona afetada pelo calor) de uma junta de aço A-36 soldada com o eletrodo revestido E7018 variando-se a corrente de soldagem e mantendo a velocidade de soldagem e da tensão. Através da análise dos resultados obtidos constatou-se que, para a maior energia de soldagem (maior corrente), a tenacidade tende a diminuir devido ao elevado aporte térmico recebido pela junta e aumento do tamanho dos grãos. Palavras-chave: Soldagem, Eletrodo revestido, Tenacidade ao impacto, Aço A36. 1. INTRODUÇÃO Wainer et al. (1992) definem soldagem como um processo de fabricação de união entre dois metais, onde é utilizada uma fonte de calor, com ou sem a aplicação de uma determinada pressão. O resultado desse processo é a solda. A soldagem tem suas vantagens e limitações, logo, cabe à determinação adequada do tipo de solda e meio de soldagem afim de que não haja desperdícios de energia e material, e consequentemente uma perda de recursos utilizados nesse processo de união, por parte do profissional responsável. 6040
Dentre todas essas famílias de aços, será aprofundado o estudo das propriedades mecânicas, especificamente a tenacidade, do aço estrutural ASTM A- 36, bem como suas microestruturas na região da zona afetada pelo calor ZAC, onde serão utilizados dois níveis de energias de soldagens, produzindo aporte térmico na realização das soldas através do processo com eletrodo revestido. Para determinar a tenacidade, propriedades mecânica importante para prever a fratura frágil, utilizaremos de ensaio de impacto Charpy utilizando de corpos de provas com juntas soldadas. O aço estrutural A-36 é um aço comumente usado e de baixo custo. Sua boa soldabilidade o torna bastante usado em processos de soldagem, este fato promove o estudo da resistência à tenacidade um ponto importante para determinar a sua fratura. Em uma extensão de uma junta soldada sempre existirá um ponto menos resistente com relação aos outros, este ponto estará localizado na Zona Afetada pelo Calor (ZAC), denominada região de grãos grosseiros. A corrente de soldagem foi variada para que se tenha um aumento na energia de soldagem, ou seja, aumentar o aporte térmico recebido pela junta a ser soldada e quantificar a influência deste aumento na resistência à tenacidade. 2. MATERIAIS E MÉTODOS A seguir são apresentados os materiais que foram selecionados para o desenvolvimento do presente trabalho. É descrito aqui também as etapas da confecção dos corpos de prova, procedimentos e insumos do processo de soldagem e os ensaios mecânicos e metalográficos que se procedeu para fins de alcançar os objetivos propostos. 2.1 Especificação do material de base e preparação das juntas. Inicialmente 6 chapas de aço A-36 foram submetidas a serviços de corte e preparação da junta deixando-as com medida de 100 x 100 milímetros. Seguidamente, as mesmas foram usinadas para elaboração do chanfro em X com ângulo de 60º, conforme Figura 1. Para posteriormente serem preenchidas com soldagem por eletrodo revestido E7018, sendo 3 juntas para cada energia de soldagem. 6041
Figura 1: Junta de topo com ângulo de chanfro 60º 2.2 A soldagem das juntas de topo. A soldagem foi realizada por um soldador habilitado a fim de garantir a repetibilidade dos parâmetros de soldagem em todos os corpos de prova, principalmente a velocidade de soldagem. O eletrodo escolhido para execução do trabalho foi o eletrodo E7018 ESAB. Este eletrodo é indicado na soldagem de aço de baixo/médio carbono que, devido ao seu baixo teor de hidrogênio, garante uma boa estabilidade ao arco. As fontes de energia para eletrodo revestido são de corrente constante. Isso nos permitiu fixar um valor da corrente, mantendo a tensão constante. Apesar da energia de soldagem depender de vários fatores, é comprovado que ao variar apenas um parâmetro teremos uma significativa influência na energia final sobre o metal de base, refletindo diretamente nas alterações das propriedades mecânicas da junta soldada. 2.3 Determinação dos parâmetros e realização da solda O processo com eletrodo revestido proporciona a determinação da corrente desejada de forma manual. Com isso, para obter resultados de tenacidade relevante, escolhemos dois níveis distintos de corrente de soldagem. Em 3 juntas subtemos a soldagem com 110 A, e outras 3 com corrente de 150 A. Os valores da velocidade de soldagem foram cronometrados no momento da operação. A tensão demonstrou pequenas variações durante o processo, graças à habilidade do soldador. Vale salientar que a partir da corrente de soldagem se 6042
faz necessário ajuste de velocidade de soldagem, pois quando aumentamos a corrente, aumentamos também a deposição do metal de solda havendo uma necessidade de aumento da velocidade de soldagem para compensar essa aceleração na deposição do eletrodo. Para enchimento completo do chanfro, primeiro realizou um passe de raiz sendo complementado com um segundo passe de acabamento. A Tabela 1 demonstra os parâmetros registrados na soldagem com corrente de 110A e 150. Corrente de 110A Corrente de 150A Vel. de soldagem (mm/s) Tensão (V) Vel. de soldagem (mm/s) Tensão (V) Junta 1 1,57 21-22 2,23 22-28 Junta 2 1,68 20-25 2,16 27-31 Junta 3 2,06 20-23 2,32 22-26 Tabela 1: Parâmetros de soldagem para a corrente de 110A e 150A. A Tabela 2 abaixo apresenta as médias dos parâmetros de soldagem para cada corrente e suas energias de soldagem correspondentes. Tabela 2: Valores médios de parâmetros e energia de soldagem Após a realização da soldagem da junta obtivemos um resultado final conforme a Figura 2. 6043
Figura 2: Junta de topo com chanfro em X preenchida com solda. 2.4 Preparação dos corpos de prova charpy s. Após a soldagem procedeu-se a usinagem dos corpos de prova Charpy. O modelo de corpo de prova (CP) adotado foi o do tipo A de acordo a norma NBR 6157. De cada junta soldada foram retirados 6 CP s Charpy. Os CP s foram obtidos de modo à junta soldada ficar aproximadamente no meio do CP, a fim de, posteriormente confeccionar o entalhe na ZAC de grãos grosseiros da junta soldada. Os corpos de prova Charpy s foram necessários para determinar a tenacidade da ZAC do material soldado, através do ensaio de impacto. A partir das 3 juntas soldadas de cada energia de soldagem, foram retirados 18 corpos de provas para ensaio de impacto para cada condição de soldagem, totalizando 36 amostras ao todo. Como o presente trabalho avaliará a ZAC, antes da produção do entalhe Charpy, foi necessário o lixamento do material até a lixa 400 para ataque químico com Nital 2% para revelação do local exato do entalhe na Zona Afetada pelo Calor para energias de soldagem distintas. Para melhores resultados as extremidades das juntas soldadas foram descartadas (cerca de 8 mm de cada lado), levando em consideração possíveis defeitos do processo, como falta de penetração no início da soldagem ou rechupes ao final do cordão de solda. Conforme a norma NBR 6157 Determinação da resistência ao impacto em corpos-deprova entalhados simplesmente apoiados a especificação das dimensões e tolerâncias são demonstradas pela Figura 3. 6044
Figura 3: Corpo de prova Charpy 2.5 Metalografia Foram realizadas as metalografias para caracterização do metal de base e as regiões da ZAC das duas condições de energia de soldagem, 109,38 kj/cm e 139,91 kj/cm. Para realização da metalografia as amostra foram lixadas com lixas de 180, 220, 360, 400, 600, 800, 1000 e 1200, respectivamente, seguida de polimento. Após o polimento, as amostras foram atacadas com Nital 2% durante 30 segundos. Com o auxilio do microscópio foram obtidas as fotos das microestruturas. A Figura 4 apresenta a micrografia do aço estrutural A-36. Figura 4: Metalografia do metal de base A Figura 5 apresenta a ZAC do corpo de prova com uma energia de soldagem de 109,38 kj/cm. 6045
Figura 5: Metalografia da junta soldada com energia de soldagem de 109,38 kj/cm. A Figura 6 apresenta a ZAC do corpo de prova com uma energia de soldagem de 139,91 kj/cm. Figura 6: Metalografia da junta soldada com energia de soldagem de 139,91 kj/cm. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Ensaio de impacto. Através do ensaio de impacto Charpy (conforme Norma NBR6157), realizado pelo equipamento modelo JB-W300 com martelo pendular de 300 Joules, foi analisado um total de 45 corpos de prova, sendo 18 CP s para a condição 109,38 kj/cm e mais 18 CP s para a condição 139,91 kj/cm, retirados das juntas soldadas. Para referencial também foram ensaiados 9 CP s do metal de base. 6046
A Tabela 3 quantifica os valores de energia absorvida por cada um e os valores estatísticos. Tabela 3: Valores obtidos no ensaio de impacto, média e desvio padrão. Como o aporte térmico está relacionado com o aumento dos grãos, quanto maior a energia de soldagem, menor será a resistência à tenacidade da junta soldada. Assim, a junta soldada com corrente de 110 A (fornecendo 109,38 kj/cm de energia de soldagem) apresentou ser a mais resistente à tenacidade, apresentando uma energia absorvida média de 98 Joules. Enquanto que a outra comparada (de maior energia de soldagem) apresentou uma energia absorvida média de 78 Joules. De acordo com os estudos de Borba et al. (2014), na região de grãos grosseiros o metal de base atinge temperaturas de picos superiores a 1100ºC provocando a austenitização e o crescimento de grãos de sua estrutura original. Quanto maior o valor do aporte térmico recebido pelo metal de base, menor será a velocidade de resfriamento e mais efetivo será o crescimento do tamanho de grão austenítico. Menores valores de tenacidade em juntas soldadas são atribuídos 6047
a elevados aportes térmicos, que apresentam maiores grãos austeníticos os quais apresentam contornos que não oferecem uma boa barreira à propagação de trincas. Já Colpaert (2008) afirma que uma das maneiras de se obter uma melhor tenacidade em juntas soldadas seria controlar o crescimento dos grãos. A Figura 7 apresenta micrografias das Regiões de Grãos Grosseiros para as duas condições de soldagem. Figura 7: Micrografia de Regiões Grosseiras da ZAC para condições de soldagem distintas. Conforme Figura 7, os grãos se apresentam em maiores tamanhos para uma maior energia de soldagem, assim a trinca encontra menos barreiras para sua propagação facilitando assim sua fratura. Portanto, as amostras soldadas com energia de soldagem de 139,98 kj/cm apresentaram uma menor resistência à tenacidade. Um maior aporte térmico ocasionou uma menor velocidade de resfriamento nessas amostras, fornecendo um maior tempo para crescimento efetivo dos grãos austeníticos. O aço estrutural sem passar pelo processo de soldagem apresentou uma energia absorvida média de 149 Joules, ou seja, a soldagem reduz a resistência à tenacidade do material, cabendo ao engenheiro determinar parâmetros adequados de acordo com cada aplicação. 6048
A determinação da região frágil se torna importante para que se tenha conhecimento de que existe um ponto do material que sempre será menos resistente do que o seu metal de base, tudo isso por influência da energia de soldagem. Este ponto esta localizado na ZAC, onde se encontra a Região Grosseira. 4. CONCLUSÃO Ao fim do presente trabalho, ficou clara a influência da energia de soldagem na ZAC, por meio da variação da corrente. Foi possível observar que, para a maior energia de soldagem houve uma diminuição na resistência à tenacidade do material ensaiado. Logo, as juntas soldadas com maior energia de soldagem absorveram menos energia. Foi possível constatar, por meio da caracterização da microestrutura, que a energia de soldagem 139,98kJ/cm gerou uma ZAC-GG com grãos maiores que aqueles da ZAC-GG gerada pela energia 109,38kJ/cm. O presente trabalho permitiu observar que os resultados de absorção de energia ao impacto estão diretamente relacionados com o tamanho de grão da ZAC- GG. Quanto maior o tamanho de grão, menor será a energia absorvida pela ZAC da junta soldada. Foi possível afirmar, para uma confiabilidade de 95%, que com o aumento da energia de soldagem de 109,38kJ/cm para 139,91kJ/cm, por meio do aumento da corrente, a junta soldada diminui sua resistência à tenacidade na região grosseira da ZAC. TITLE INFLUENCE OF WELDING ENERGY IN THE DETERMINATION OF ZAC TENACITY IN AN ASTM A-36 STEEL BOARD WELDED BY E7018 COATED ELECTRODE. ABSTRACT In the process of welding the ZAC is a region of the joint where it suffers most with the high temperature imposed, in it the grains will be more affected and probably will have lower tenacities. An increase in welding energy results in an increase in the thermal input received by the joint and consequent significant changes in the initial properties of the base material. These changes promote a loss of tenacity in ZAC. 6049
This work aims to analyze the influence of welding energy on the toughness of the ZAC (Affected Zone) of an A-36 steel joint welded with the coated electrode E7018 by varying the welding current and maintaining the welding speed and tension. By the analysis of the obtained results it was verified that, for the greater welding energy (greater current), the tenacity tends to decrease due to the high thermal input received by the joint and increase in the size of the grains. Keywords: Welding, Coated electrode, Impact toughness, A36 steel. REFERENCIAS ALVES, L. F. R. Estudo comparativo da soldagem do aço inoxidável austenítico AISI- 316L utilizando os processos de soldagem TIG, FCAW e MIG/MAG. 2008. Monografia, Centro Universitário de Itajubá, Itajubá. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 06157: Materiais metálicos - Determinação da resistência ao impacto em corpos-de-prova entalhados simplesmente apoiados. 1 ed. Rio de Janeiro: Abnt, 1980. 8 p. BARBEDO, Nancy del Ducca. Avaliação comparativa dos processos de soldagem gmaw e FCAW utilizando aço ASTM A-36 para verificar a soldabilidade, propriedades metalúrgicas e geométricas, e resistência mecânica. 2011. 82 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2011. BORBA, Tadeu Messias Donizete et al. Avaliação da Soldabilidade do Aço Naval EH36 TMCP Soldado por Arco Submerso com Elevado Aporte de Calor. Soldagem & Inspeção, Rio de Janeiro, v. 2, n. 6, p. 19-29, out. 2014. BUENO, Roberto dos Santos. Análise microestrutural de juntas soldadas de aço baixa liga. 2010. 88 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Metalúrgica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010. CALLISTER, Willian D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. 7º Edição. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2012. CAMPOS, Paulo Tancredo de. Caracterização Mecânica e microestrutural de juntas soldadas pelos processos MIG/MAG (GMAW) e Arame Tubular (FCAW). Pontifícia Universidade Católica do Paraná, 2005. 6050
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