XLI CONSOLDA CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM SALVADOR - BA 12 a 15 de Outubro de 2015 Caracterização de Cordões para Revestimentos Depositados por TIG com Alimentação Automática de Arames (Weld Characterization for Deposited Coatings for TIG Cold Wire Feed) Fabiano Cardoso 1, Fernando Henrique Gruber Colaço 1 1 Instituto Federal de Santa Catarina, Departamento de Mecânica, Jaraguá do Sul, Santa Catarina, Brasil. fernandogruber@ifsc.edu.br Resumo Neste trabalho estudou-se a deposição de revestimentos através do processo TIG com alimentação automática de arame frio utilizando uma fonte de soldagem TIG AC/DC, denominada DPT300. Com arames tubulares autoprotegido de ligas diferentes, mas com característica de resistência ao desgaste, foram realizados cordões de solda em chapas de aço ao Carbono AISI 1020. Utilizou-se um dispositivo para a alimentação de arame único e duplo arame acoplado a um sistema de deslocamento automático para a movimentação da tocha de soldagem. Com velocidade de soldagem, distância entre o eletrodo de tungstênio à peça e inclinação da tocha constante para todas as deposições foram realizados testes preliminares para determinação dos valores de tensão, corrente de soldagem e velocidade de alimentação dos arames para que os cordões fossem depositados de uma forma estável. Com os parâmetros definidos foram depositados os cordões para análise da morfologia (largura, reforço e penetração), diluição e dureza. A morfologia, diluição e dureza das soldas foram realizadas através de um corte transversal e preparação metalográfica para análise de imagens através de estereoscopia ótica. Os cordões depositados com um e dois arames apresentaram percentuais de diluição semelhantes, porém a dureza foi menor para a condição de dois arames. Palavras-chave: Diluição. Dois Arames. TIG. Abstract: In this work we studied the deposition of coatings by TIG with cold wire feed using a source welding TIG AC/DC, called DPT300. With shielded flux cored wires of different alloys, but with wear resistance characteristic, weld beads were performed on carbon steel AISI 1020 piece used a device for the wire feed single and double wire coupled to a displacement system Automatic for moving the welding torch. With the welding speed, the distance between the tungsten electrode and piece of the constant slope torch for all depositions were conducted preliminary tests to determine the values of voltage, welding current and wire feed speed for the beads were deposited in a stably. With defined parameters were deposited strands for analysis of morphology (width, reinforcement and penetration), dilution and hardness. The morphology, dilution and hardness of the welds were made using a cross-section metallographic and preparation for image analysis by optical stereoscopy. The cords deposited with one and two wires showed similar percentage of dilution, but the hardness was lower for the condition of two wires. Key-words: Dilution. Two wires. TIG. 1. Introdução Devido a demanda por componentes com alto desempenho em relação ao desgaste abrasivo é preponderante a utilização de processos de fabricação que proporcionem a obtenção dos mesmos com menor relação custo/beneficio. Uma das principais aplicações de revestimentos depositados por soldagem é a recuperação de peças desgastadas ou danificadas, que geram um grande custo de manutenção, levando ao desenvolvimento de um vasto leque de técnicas conhecidas como revestimento duro, que pode restaurar as partes dando condições de reutilização [1]. Muitos desses reparos tem vida mais longa que o componente original, devido à possibilidade de depositar revestimentos mais resistentes ao desgaste, impacto, abrasão ou corrosão que o material original. Para reduzir estes fenômenos, foram estudadas soluções que visam a aplicação de revestimentos em superfícies para prevenir, minimizar ou recuperar a perda de material pelas diferentes formas de desgaste de metais [2][3][4]. Processos de soldagem que atendem os requisitos de produtividade como arco submerso e arme tubular são
utilizados para este fim, porém existem limitações no processo como dificuldade no manuseio do processo arco submerso e elevada quantidade de respingos no arame tubular. Segundo Oliveira [5], atualmente as principais veias de pesquisa sobre o processo de soldagem estão voltadas ao revestimento de componentes mecânicos onde são exigidas características mecânicas elevadas, como resistência à corrosão, erosão e desgaste. Entre estes os principais estão correlacionados ao desgaste natural e abrasivo ocorrido por condições naturais ou as oriundas do processo. Estes estudos analisam a deposição de cordões de solda sobre as superfícies dos componentes podendo ou não adicionar à microestrutura do metal de base elementos que alteram as características físicas, podendo assim transformar ou adicionar características mecânicas ao componente. De acordo com a American WeldingSociety, o revestimento é definido como: Deposição ou enchimento de metal sobre uma superfície metálica para obtenção das propriedades desejadas e/ou dimensões, sendo que as propriedades desejadas são resistência à abrasão, ao calor e a corrosão[2]. A principal característica que diferencia a soldagem de revestimento para soldagem de união está relacionada a geometria do cordão, para a soldagem de união é desejável maior penetração para garantir a resistência da junta soldada, para revestimentos a geometria esperada é de baixa penetração, maior reforço e largura dos cordoes, garantindo assim recobrir áreas maiores com o menor número de passe, gerando economia de material e tempo[6]. A diluição tem grande influência na formação de carbonetos pelo fato que quanto maior a diluição maior é a interação entre o metal de base e o metal depositado, gerando uma afinidade química entre os materiais, ocasionado uma perda de carbono do material depositado à peça. Por sua vez o carbono é o principal elemento formador dos carbonetos, ductilizado o material depositado [7]. Atualmente os principais processos utilizados para deposição dos cordões de solda de revestimentos são o processo MIG (Metal Inert Gas)/MAG (Metal Active Gas) e o processo de arco submerso por conter características de baixo custo, taxa de deposição (kg/h), versatilidade e frequência de revestimento inferior aos demais processos. Com tudo o processo TIG (Tungsten Inert Gas) vem sendo estudado por pesquisadores para ser utilizado na soldagem de revestimento e, quando somada à automatização, o processo apresenta algumas características superiores aos processos convencionais, devido à grande estabilidade durante o processo de soldagem, o controle preciso das variáveis da soldagem e a qualidade decorrente do processo [8]. O objetivo deste trabalho foi estudar as características dos cordões de solda para revestimento em chapas de aço ao carbono com arame tubular de revestimento duro através do processo TIG utilizando a alimentação automática de um e dois arames variando sua composição; serão avaliados a morfologia (largura, reforço, penetração e percentual de diluição do cordão depositado) e a dureza de cada condição de deposição do sarames. 2. Matérias e Métodos Neste trabalho foi estudado a deposição de cordões de solda pelo processo TIG utilizando a alimentação automática de arame único e com dois arames. Para a realização dos cordões de solda foi utilizado uma fonte de soldagem TIG operando com corrente contínua e polaridade inversa (CC+), denominada DP-T300. Os cordões foram depositados em chapas de aço Carbono AISI 1020, com espessura de 6,5 mm utilizando um sistema de deslocamento controlado da tocha de soldagem desenvolvido no laboratório. A composição química dos arames depositados pode ser vista na Tabela 1. As soldas foram efetuadas utilizando os arames tubulares autoprotegidos resistentes a abrasão encontrados comercialmente mas denominados como FeCrC+Ti, FeCrC+V, FeCrC+B, com 1,6 mm de diâmetro. Tabela 1. Composição química e dureza nominal dos consumíveis. Arame Ligas Composição Química (%) C Si Mn Cr Mo Ti V B FeCrC+Ti 2,00 0,40 1,00 6,50 1,10 6,00 - - FeCrC+V 0,576 1.383 1,810 6,630 0,026-0,036 - FeCrC+B 3,778 0,893 0,176 25,290 - - - 0,270 Com a velocidade de soldagem (Vsol), a distância entre a ponta eletrodo de tungstênio e a peça (DPEP) e o grau de inclinação da tocha de soldagem mantidos constantes para todas as deposições em 2,85 mm/s, 8 mm e 105º em relação a peça, respectivamente. O sentido de soldagem foi positivo, ou seja, a tocha foi empurrando a poça de fusão utilizando uma corrente
de soldagem de 115 Amperes (±3). A velocidade e o grau de alimentação de arame foi 0,84 m/min e 30º, respectivamente, tanto para um quanto para dois arames. A disposição da tocha e a alimentação do arame foi realizada conforme a Figura 1. Figura 1. Disposição da tocha de soldagem e da alimentação do(s) arame(s). Para o deslocamento da tocha de soldagem foi utilizado um sistema tipo robô cartesiano, com possibilidade de variação na velocidade de soldagem, altura do bico de contato e ângulo da tocha, desenvolvido no laboratório do IFSC. Com dispositivo fixado no suporte da tocha possibilitou a deposição dos cordões de forma automática com alimentação de um e dois arames. A formatação dos experimentos pode ser visto na Tabela 2. 1 Amostras Tabela 2. Descrição dos arames depositados. Arames FeCrC+V - FeCrC+B 2 2 arames FeCrC+Ti - FeCrC+V 3 FeCrC+Ti - FeCrC+B 4 FeCrC+Ti 5 1 arame FeCrC+B 6 FeCrC+V Os valores da diluição Dil foram realizados na seção transversal dos cordões de solda medidos través das áreas de penetração Apen e áreas de reforço Aref. As imagens foram obtidas, após preparação metalográfica e ataque químico com Nital 10% por um minuto, utilizando um microscópio estereoscópio Stemi 2000-C. Neste caso, utilizando o software Image Pro Plus, foi realizada a medição da área transversal de material fundido abaixo da linha horizontal da peça, e encontrada a relação com a área transversal total do cordão solidificado. Com isso pôde-se calcular o percentual de diluição dos cordões de solda pela Eq. 1. Dil = Apen x100% Aref+Apen Eq. 1 Utilizou-se o equipamento Microhardness Tester FM-800 a realização das medições de dureza em 5 pontos nos cordões de cada condição de soldagem. As medições foram realizadas em HV na seção transversal utilizando carga de 300g durante 10 segundos, transformados para HRc. Na Figura 2 são mostrados os pontos e a sequencia de medição da microdureza.
Figura 2. Representação esquemática das medições da dureza na zona fundida do cordão de solda. 3. Resultados e Discussão 3.1 Morfologia dos Cordões de Solda Após a deposição dos cordões de solda foram obtidas as imagens da seção transversal de todas as amostras conforme mostrado na Figura 3, as imagens foram avaliadas quando a área de reforço e área de penetração, altura do reforço, profundidade de penetração e largura do cordão de solda. FeCrC+V - FeCrC+B FeCrC+Ti - FeCrC+V FeCrC+Ti - FeCrC+B FeCrC+Ti FeCrC+B FeCrC+V Figura 3. Imagens da morfologia dos cordões de solda depositados com dois e um arames. Através da Figura 3 é possível verificar a variação da geometria dos cordões de solda, para uma melhor análise a Tabela 3 mostra os valores do percentual de diluição dos cordões depositados com um e dois arames. A diluição foi calculada utilizando os valores das áreas de penetração e de reforço dos cordões que também pode ser vistos nesta tabela. Tabela 3. Valores de percentual de diluição e das áreas de penetração e reforço da seção transversal dos cordões de solda depositados com dois e um arames, respectivamente. Amostras Áreas (mm²) Penetração Dp Reforço Dp Diluição (%) FeCrC+V - FeCrC+B 11,92 ± 1,98 21,36 ± 4,13 36,03 ± 4,70 FeCrC+Ti - FeCrC+V 14,38 ± 2,56 20,75 ± 1,42 40,68 ± 3,21 FeCrC+Ti - FeCrC+B 15,50 ± 4,62 22,49 ± 3,27 40,36 ± 5,89 FeCrC+Ti 15,41 ± 2,30 20,66 ± 1,24 42,56 ± 3,95 FeCrC+B 15,28 ± 1,76 17,36 ± 0,78 46,70 ± 3,73 FeCrC+V 10,90 ± 3,28 19,42 ± 1,51 35,41 ± 7,28 Dp
A melhor condição de percentual de diluição ocorreu nas amostras depositadas com dois arames de liga FeCrC+V FeCrC+B. Porém entre as amostras depositadas com dois arames não houve variação significativa nos valores da diluição dos cordões de solda independente das ligas utilizadas. Para as amostras depositadas utilizando somente um arame a condição que apresentou menor diluição foi o arame de liga FeCrC+V e o arame que apresentou maior diluição foi a liga FeCrC+B com uma diferença significativa de aproximadamente 1%. A liga FeCrC+Ti, considerando o desvio padrão, não apresentou diferença significativa em relação aos cordões depositados com um arame. Através dos dados da Tabela 3 pode-se verificar que ao adicionar o arame FeCrC+V no depósito com a liga FeCrC+B percebe-se uma diminuição significativa no percentual de diluição conforme apresenta a condição FeCrC+V FeCrC+B. Essa redução na diluição ocorre devido à redução na área de penetração, nesta condição, causada pela adição de uma liga que apresenta valores menores de percentual de diluição. A Figura 4 apresenta os valores de largura dos cordões de solda para todas as condições de deposição. É possível verificar que o cordão depositado com a liga FeCrC+B apresentou maior largura em relação as outras duas condições de um arame com diferença significativa de 1,2 mm para FeCrC+V e 1,8 para FeCrC+Ti. Essa característica geométrica é interessante quando se pensa em deposição de revestimento, pois apresenta uma maior área coberta para a mesma quantidade de material depositado. 13,5 Largura do Cordão Largura do Cordão [mm] 12,5 11,5 10,5 9,5 Figura 4. Valores de largura dos cordões de solda depositados com dois e um arame, respectivamente. Com relação a condição de deposição com dois arames não é possível verificar uma diferença significativa, mas pode-se dizer que a condição FeCrC+V FeCrC+B apresentou tendência de maior largura no cordão de solda. A Figura 5 mostra os valores de profundidade de penetração das condições de deposição dos cordões de solda. Profundidade de Penetração [mm] 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 Profundidade de Penetração Figura 5. Valores de profundidade de penetração dos cordões de solda depositados com dois e um arame, respectivamente.
A profundidade de penetração do cordão de solda é um fator determinante para o resultado de percentual de diluição por ser a quantidade de metal de base que será misturado ao metal fundido alterando as características desejadas. Na deposição dos cordões de solda com dois arames a variação da profundidade de penetração não foi significativa, porém a condição FeCrC+Ti FeCrC+B apresentou tendência de maior penetração seguindo da condição FeCrC+Ti FeCrC+V. Esta condição de maior profundidade de penetração associada a condição de menor largura do cordão de solda justifica os maiores valores de percentual de diluição das amostras FeCrC+Ti FeCrC+B e FeCrC+Ti FeCrC+V. Para as amostras depositadas com arame único a liga FeCrC+B apresentou o melhor resultado de profundidade de penetração seguido da liga FeCrC+V, com uma diferença significativa de 0,1 mm, e FeCrC+Ti com 0,4 mm. A Figura 6 mostra os valores da altura do reforço nos cordões depositados com dois e um arame. Para as amostras depositadas com dois arames verifica-se uma diferença significativa entre as condições FeCrC+V - FeCrC+B e FeCrC+Ti FeCrC+B de 0,3 mm, a condição FeCrC+Ti FeCrC+V não apresentou variação significativa entre as demais amostras depositadas com dois arames. 3,1 Altura do Reforço 2,7 Altura do Reforço [mm] 2,3 1,9 1,5 1,1 Figura 6. Valores de altura do reforço dos cordões de solda depositados com dois e um arame, respectivamente. Na deposição dos cordões utilizando somente um arame, a liga de FeCrC+Ti apresentou maior altura do reforço, tendo uma diferença significativa de 0,6 mm para a liga de FeCrC+V e 0,9 mm para a liga de FeCrC+B. 3.2. Dureza dos cordões de solda A Tabela 4apresenta os valores de dureza em HRc e desvio padrão na zona fundida para as condições de deposição dos cordões de solda Tabela 4. Valores de dureza da zona fundida dos cordões de solda. Amostras Dureza dos Cordões (HRc) Média Dp FeCrC+V - FeCrC+B 33,15 ± 2,74 FeCrC+Ti - FeCrC+V 55,63 ± 4,85 FeCrC+Ti - FeCrC+B 39,44 ± 1,94 FeCrC+Ti 60,50 ± 1,23 FeCrC+B 42,50 ± 1,72 FeCrC+V 58,90 ± 1,40 Pode-se dizer sobre as amostras depositadas com dois arames que a maior dureza foi visualizada nas ligas FeCrC+Ti FeCrC+V com uma diferença significativa de aproximadamente 10 HRc das ligas de FeCrC+Ti FeCrC+B. Já para as ligas FeCrC+V FeCrC+V essa diferença foi de 15 HRc. Com relação a deposição dos
cordões de solda utilizando somente um arame as ligas de FeCrC+Ti e FeCrC+V não apresentaram diferença significativa entre si, entretanto foram as condições que obtiveram os maiores resultados de dureza. De uma forma geral, os valores de dureza das amostras depositadas com dois arames diferentes foram menores em relação aos valores de dureza dos cordões depositados com um arame, possivelmente devido a interação dos elementos das ligas soldadas. As condições de soldagem que continham FeCrC+B mostraram-se com menor dureza, mas não foi possível dizer que não são resistente ao desgaste abrasivo, em trabalhos futuros serão realizados testes de abrasão para verificar esta qualidade. 4. Conclusões Através da análise da deposição de cordões para revestimentos pelo processo TIG utilizando um e dois arames alimentados continuamente na região de solda, pode-se concluir que: A condição que apresentou melhores características do cordão para revestimento com relação ao percentual de diluição foi a amostra depositada com um arame de liga FeCrC+V com 35 % e para alimentação com dois arames a melhor condição foi FeCrC+V FeCrC+B com 36%. A condição que apresentou maior largura do cordão foi a liga depositada com FeCrC+B, porém este resultado intensifica o aumento do percentual de diluição mesmo apresentando valores menores de profundidade de penetração em 2,6 mm e principalmente valores baixos de altura do reforço. A maior microdureza obtida com a alimentação de um arame foi a liga FeCrC+Ti com 61 HRc e para condição de duplo arame a maior dureza foi FeCrC+Ti FeCrC+V com 56 HRc. A adição da liga FeCrC+B às demais ocasionou a redução da dureza dos cordões de solda. 5. Agradecimentos Os autores expressam o seu agradecimento ao Instituto Federal de Santa Catarina pelo apoio financeiro e disponibilidade de infraestrutura. 6. Referências Bibliográficas [1] HORSFIELD, A. M. Weld Surfacing Processes. In: Weld Surfacing and Hardfacing. p. 88. 1980. [2] BAPTISTA, André Luis de Brito; NASCIMENTO, Ivaldo de Assis do; Revestimentos Duros Resistentes ao Desgaste Depositados por Soldagem Utilizados na Recuperação de Elementos de Máquinas. Spectru Instrumental Científico, 2009. [3]LIMA, Aldemi Coelho; FERRARESI, Valtair Antonio. Análise da Resistência ao Desgaste de Revestimento Duro Aplicado por Soldagem em Facas Picadoras de Cana-de-Açúcar. Soldagem & Inspeção, v 15 (2), p 094-102 74, Abr/Jun 2010. [4] BUCHELY, M. F.; GUTIERREZ, J. C.; LEON, L. M. E TORO, A. The Effect of Microstructure on Abrasive Wear of Hardfacing Alloys. Wear. Vol. 259, p. 52-61. 2005. [5] OLIVEIRA, Waldemiro Eccard de. Estudo do Reparo do Revestimento de Inconel 625E em Aços Baixa Liga sem Tratamento Térmico Pós-Soldagem. 2014. 71 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Pósgraduação em Engenharia Mecânica e Tecnologia dos Materiais, Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, Rio de Janeiro, 2014. [6] GOMES, José Henrique de Freitas. Análise e Otimização da Soldagem de Revestimento de Chapas de Aço ABNT 1020 com Utilização de Arame Tubular Inoxidável Austenítico. 2010. 136 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Mestre em Engenharia de Produção, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2010. [7] COLAÇO, Fernando H. G., MARANHO, Ossimar. Avaliação da Perda de Massa de Revestimento Duro Depositado por Soldagem com Arame Tubular de Liga FeCrC-Ti. Soldagem & Inspeção, v.10, n. 1, p.058-068, 2014. [8] SILVA, Cleiton Carvalho et al. Aspectos metalúrgicos de revestimentos dissimilares com a superliga à base de níquel inconel 625. Soldagem & Inspeção, v. 17, n. 3, p.251-263, 2012.