VERIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E MACROESTRUTURA EM SOLDAS MIG/MAG DE AÇOS ARBL, COM TRÊS TIPOS DE GASES. M.Sc. Carlos Alberto Soufen (1) Dr. Yukio Kobayashi (1) Dr. Gilberto Magalhães Bento Gonçalves (1) Físico Hamilton José de Mello (1) (1) - Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho UNESP Bauru. E-mail: casoufen@bauru.unesp.br RESUMO A necessidade atual de diminuição do consumo de combustível, devido aos altos custos do barril de petróleo no mercado internacional e o alto custo do transporte terrestre, tras para o foco das atenções a indústria naval, talvez o principal meio de transporte em massa. A indústria naval é a área da fabricação em que os aços pelas suas características são de fundamental importância e podem ser considerado o material ideal. Particularmente os aços de alta resistência e baixa liga (ARBL), são aços que trouxeram grande capacidade de desenvolvimento nesta tecnologia construtiva. Considerando os processos de soldagem à arco, os de proteção gasosa e arame sólido consumível (MIG/MAG), são os que oferecem as melhores produtividades, em função da característica de serem semi-automáticos, com possibilidade de automação total. Levando-se em conta as peculiaridades referidas acima, este trabalho procurou congregar a soldagem MIG/MAG de aços estruturais utilizando três tipos de proteção gasosa. A avaliação realizada fixou-se na comparação das propriedades mecânicas e macroestruturais. Os resultados mostraram que a utilização da proteção gasosa com CO 2 puro atingiu as propriedades mecânicas necessárias especificadas, porém, as outras duas formas de proteção gasosa (75 % de argônio + 25% de dióxido de carbono e 97% de argônio + 2% de dióxido de carbono + 1% de hidrogênio), além de terem, também, comportamento semelhante ao da proteção com CO 2 puro, comseguiram uma melhora em função do limite de escoamento. Palavras Chave: ARBL, Soldagem, MIG/MAG, Gases. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43101
1. INTRODUÇÃO O transporte naval é sem dúvida nenhuma a melhor opção, para o transporte de produtos que necessitam grandes volumes e tonelagem, isto é conseguido pelo seu menor custo se comparado com os outros meios de transporte. Com os atuais níveis de encargos sociais, e a ocorrência da globalização em todos os níveis econômicos de nossa sociedade, as empresas em geral necessitam melhorar sua competitividade, sendo necessário como fator primordial para a sobrevivência a melhoria da eficiência e da qualidade das embarcações. Com o processo de ajustes do estado que estamos passando, há uma grande tendência e boas perspectivas futuras para este tipo de construção, principalmente se inserirmos as atuais possibilidades do transporte fluvial. Os aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL), trouxeram grande capacidade de desenvolvimento nesta tecnologia construtiva. Dentre os processos de soldagem, os de proteção gasosa e arame sólido consumível, é um dos que possuem as melhores características de boa eficiência e produtividade, em função de serem semi-automático, com possibilidade de automação total. A automação total vem crescendo em nosso País, e a soldagem MIG/MAG é a de melhor possibilidade para isto, em trabalho publicado recentemente [1], Tremonti demostra que a soldagem robotizada trás benefícios exemplares para a indústria, com ganho de produtividade muito grande. Em função das características expostas anteriormente, estes foram os processos utilizados como opção deste trabalho. As verificações dos efeitos das alterações da proteção gasosa foram feitas em um primeiro momento através da determinação das propriedades mecânicas (resistência e tenacidade). 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Nas últimas décadas grandes desenvolvimentos na tecnologia do aço alta resistência e baixa liga (ARBL) aconteceram, justamente com o intuito de aumentar-se a resistência mecânica, tenacidade e soldabilidade. Estes desenvolvimentos ocorreram principalmente em função da compreensão da correlação entre microestrutura e propriedades. Grande aumento no limite de escoamento passou a ser conseguido com o refino de grãos, através do endurecimento por precipitação, conseguido pela formação de diversos carbonetos, como os de Vanádio, Nióbio e Titânio. Com isto foram conseguidos estruturas de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43102
menor peso, com diminuição de aproximadamente 30% em peso, sendo que a soldagem exigiu a redução do teor de carbono, que para manter a resistência mecânica aumentou-se o teor de manganês [2]. A soldagem com proteção gasosa e arame sólido consumível é um processo com boas condições de utilização, se o objetivo for as características de automação, tornando-se em função disto, um dos que possuem maior eficiência [3]. Considera-se que a função do gás de proteção é meramente para proteger da contaminação a atmosfera ao redor do arco sobre o metal líquido na fusão, e na ocorrência da solidificação. De fato, o gás de proteção não somente melhora e protege a poça de fusão e a área soldada, mas também afeta a estabilidade do arco, a gota de solda, propriedades mecânicas, eficiência do processo e proteção, a formação de fumos, e a geometria da solda [4]. A eficiência de proteção é comandada pelas propriedades químicas e físicas do gás de proteção. Uma análise da estabilidade do arco é necessária para se entender os procedimentos. O potencial de ionização, e a dissociação potencial são indicações da estabilidade do arco. Em geral, baixo potencial de ionização melhora a estabilidade do arco [5]. Enquanto as propriedades do metal de solda são controladas pela composição do consumível, o gás de proteção pode influenciar a integridade mecânica da junta toda. Isso ocorre, uma vez que pode-se controlar a porosidade; controlando-se as características da fusão; controlando-se a recuperação dos elementos de liga, o que evidentemente influencia a microestrutura. Defeitos de fusão podem ser minimizados pela seleção correta do gás, dando uma melhor tolerância para a variação das outras variáveis do processo e um aumento no aporte de calor. Há vários tipos de misturas de gases de proteção, entre 50% à 55% das aplicações de aços carbonos comuns a soldagem GMAW/MAG é utilizada, e destas é estimado que 80% dos gases utilizados sejam misturas de Ar/CO 2 /O 2. Na Europa a combinação Ar/CO 2 são mais comumente utilizados [6]. O objetivo do presente trabalho é de levar-se em consideração as características anteriormente discutidas, verificando-se as melhores condições de aplicação, para os diversos tipos de gases mais utilizados, em aço estrutural alta resistência e baixa liga. Para isto as propriedades mecânicas e macroestrutura serão analisadas. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43103
3 - MATERIAIS E MÉTODOS Como metal de base para as soldas foi utilizado o aço ASTM A 131 AH 36, bastante utilizado na industria naval. Para a execução das soldas foi utilizado o arame consumível AWS classe ER80S-G da norma AWS A5.28, com diâmetro de 1,6 mm. Os gases empregados foram misturas definidas como: 100% de CO 2, mistura 75% de Ar e 25% de CO 2 (nome comercial C25), mistura 97% de Ar, 1% de H2 e 2% de CO2 (nome comercial I43). Assim foram selecionadas as características de deposição para o melhor tipo de cordão e retiradas as amostras para as análises e comparações pertinentes. As chapas foram cortadas em três tiras para cada situação de aplicação e tipo de gás, através de oxicorte, sendo que o seu comprimento foi retirado no sentido paralelo ao de laminação, na dimensão de 120 x 250 x19,0 mm, tamanho este limitado por nossos equipamentos de corte e usinagem. A geometria da junta está de acordo com o código ASME, seção IX. As solda foram executadas com uma fonte do tipo inversora MAXTRON 450 MILLER com cabeçote alimentador de arame 5-64M, microprocessada. Para o registro da vazão do gás foi utilizado um medidor de vazão digital MVG-1 LABSOLDA UFSC tudo conseguido através de um projeto fomentado junto a FAPESP. Para o registro da tensão e corrente elétrica de soldagem, foi utilizado um sistema computacional de monitoração de procedimento de soldagem. A fim de se manter constante os parâmetros velocidade e altura de soldagem foi utilizado uma máquina de corte portátil MC-46, White Martins S/A. As macrografias do cordão de solda foram feitas com o intuito de caracterizar a diluição do metal de base, sendo que a preparação dos corpos de prova foram realizadas segundo o método convencional, com polimento final efetuado com alumina de 1 µm. O ataque químico para a revelação da macroestrutura foi feita com uma mistura de 85 ml de água destilada, 15 ml de ácido nítrico, e 5 ml de álcool etílico. No ensaio de tração utilizou-se corpos de prova segundo a norma B. S. 709:1983, retirados na longitudinal do cordão de solda, executados em uma máquina universal Instron, modelo TT-DM-L, com capacidade de 100 KN e a velocidade do travessão de 0,5 mm/min. Para a determinação da tenacidade do metal de solda utilizou-se o método Charpy, corpo de prova tipo A (entalhe em V) segundo a norma ASTM E-23-86. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43104
4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 1 mostra os valores das condições de soldagem usadas para cada tipo de gás utilizado, sendo que para cada condição foi utilizado três amostras para posterior comparação e análise estatística. A altura da tocha à peça foi fixada em 15 mm para todas as condições de soldagem. Tabela 1 Condições de Soldagem para cada tipo de gás utilizado Gás de Vel. Do Vel. Da Vazão Diâmetro Indutância Tensão Corrente Aporte Proteção Arame Solda do Gás Eletrodo de Calor (m/min) (cm/min) (lts/min) (mm) (%) (V) (A) (J/mm) CO 2 5.9 17.5 19 1.6 70 32.4 ± 0,2 380 ± 8 70 ± 1,5 C25 6.1 17.5 19 1.6 70 32.4 ± 0,2 385 ± 5 71 ± 1,0 I43 5.5 17.5 19 1.6 70 32.0± 0,2 375 ± 5 69 ± 1,0 Analisando-se a Tabela 1, verifica-se que houve uma pequena variação do aporte de calor teórico proposto para cada situação de soldagem, o que permite considerá-lo constante, pois é ele que comanda a microestrutura e com isto as propriedades mecânicas. Os dados retirados do ensaio de tração são mostrados na Tabela 2, onde σr = limite de resistência, σe = limite de escoamento, E = alongamento máximo e A = estricção. Observa-se que o σr em todas as situações de soldagem atingiram o especificado pela literatura [7], o σe foi inferior ao exigido para todas as condições soldadas. Entretanto o gás estipulado pela literatura é um pouco diferente dos gases utilizados na referida pesquisa. Uma condição que ficou bem salientada na sua desqualificação foi aquela que utilizou o gás CO 2 como meio de proteção. A literatura explica que ocorre o aprisionamento de O 2 na poça de fusão, que teria provocado esta queda. Fazendo as devidas comparações, a condição que deu melhores propriedades foi a soldada pelo gás C25. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43105
Tabela 2 Dados obtidos do Ensaio de Tração, para cada condição de soldagem. C.P. Tipo de Gás σr (MPa) σe (MPa) E (%) A (%) CO 2 568 ± 36,0 406 ± 18,0 22 ± 1,5 71 ± 5,0 C25 601 ± 7,0 471 ± 23,0 24 ± 1,0 68 ± 1,5 I43 593 ± 14,0 442 ± 9,0 25 ± 1,0 68 ± 1,0 Metal de Base 560.0 451.0 27.0 76.0 Metal de Solda [7] 542.0 500.0 24.0 - Os dados dos ensaios de impacto estão mostrados na Tabela 3, as condições mínimas de energia absorvida (Eabs) é dada pela literatura como 34J, à 29 ºC [7]. Tabela 3 Dados dos ensaios de impacto para cada situação de soldagem, Charpy V. Tipo de Gás Temp. (+25ºC) Temp. (0ºC) Temp. (-30ºC) Temp. (-50ºC) Temp. (-70ºC) CO 2 71 ± 13,0 50 ± 21,0 32 ± 21,0 15 ± 6,0 7,5 ± 1,0 C25 114 ± 15,0 54 ± 15,0 42 ± 7,0 26 ± 3,0 17 ± 2,0 I43 123 ± 7,0 71 ± 24,0 38 ± 14,0 20 ± 5,0 11 ± 1,0 Desta tabela, percebe-se que a condição soldada com o gás 100% de CO 2, está abaixo do especificado na literatura. Evidentemente que isto exclui a possibilidade de utilização do CO 2 como gás de proteção. Já para os demais atingiu-se o esperado, sendo que o I43 está bem próximo. As Figuras abaixo mostram um corte transversal, das diversas soldas executadas. Percebe-se que as macrografias estão com suas características, em perfeito estado sem porosidades, e boa penetração. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43106
FIGURA 1. Fotomacrografia da solda com CO 2 FIGURA 2. Fotomacrografia da solda com C25 FIGURA 3 Fotomacrografia da solda com I43. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43107
5 CONCLUSÃO A geometria do chanfro utilizado foi a adequada para a retirada dos corpos de prova e execução de todos os ensaios, tanto os de tração, como os de impacto. Nas soldas executadas com o gás de proteção CO 2 obteve-se propriedades mecânicas menores que as exigidas como mínimo necessário para sua aprovação. Nas soldas executadas com os gases de proteção C25 e I43, conseguiu-se boas propriedades mecânicas, mas o limite de escoamento ficou abaixo do mínimo necessário. O gás de proteção I43 foi o que proporcionou menor penetração, porém com uma maior largura do cordão, visualisadas através das macrografias. 6 AGRADECIMENTOS WHITE MARTINS S/A. pela seção dos cilindros de gases. COSIPA Companhia Siderúrgica Paulista S/A pela seção das chapas. Ao Laboratório de Materiais da Escola de Engenharia de São Carlos pela utilização de seus equipamentos para determinação das propriedades mecânicas. 7 - BIBLIOGRAFIA [1] TREMONTI, M. A.; ALVES, A. S. - Soldagem & Inspeção - ANO 4 - N 12 - dez/1998 [2] PICKERING, F. B. - Physical Metallurgy and the Design of Steel - London 1978-275p. [3] METALS HANDBOOK - Welding, Brasing and Soldering -Vol. 6-1987 - pg 153. [4] HILTON, D. E., NORRISH, J. Shieding Gases for Arc Welding Welding & Fabrication - may/june 1988 pg 191-196. [5] ALLUM, C. J. Nitrogen Absorção from Welding Arcs IIW Doc. July 1987. [6] STENBACKA,N. E., SVENSON, O. Some Observations on Pore Formation in Gas Metal Arc Welding Scandinavian Journal Metallurgy pg 16 1987. [7] Catálogo ESAB Welding & Cutting Products Hanover - Pennsylvania 1996. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43108
6- ABSTRACT The naval industries is the manufacturing area that employ a plenty of especialized service in relation the other ones. The steel, in reason of its appropriate properties, can be considered a excellent material for that type of use. Particularly, the high strenght and low alloy steel (HSLA), brought large advance in this area. Talking the processes of welding to the arc, that one of type gaseous protection and the consumable solid wire (MIG/MAG) are one of the highest productions rate. This fact is due to the great possibilities to became this process in semi-automatized, or until totally automatized. For the peculiarities related former, this work intend to use three types of gaseous protection in the mig/mag welding in structural steel. The study made was concerning the mechanical and macrostructural properties. The results shown that the gaseous protection with pure Co 2 reached the necessary mechanical properties as specified in the construction codes. However, the other types of gaseous protection (75 % of argon + 25% of carbon dioxide and 97% of argon + 2% of carbon dioxide + 1% of hydrogen), have the same behavior than the pure Co 2 gas, besides an improvement of the yeld strenght. Words key: HSLA steel, Welding, Mig/mag, Gases. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 43109