INFLUÊNCIA DOS GASES DE PROTEÇÃO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E TENSÕES RESIDUAIS DE JUNTAS SOLDADAS DE LIGA DE ALUMÍNIO AA5086 PELO PROCESSO GTAW Marcos C. Melado 1, mmelado@gmail.com Cássio Barbosa 2, cassio.barbosa@int.gov.br Mateus C. Martins 1, mateuscampos@id.uff.br Maria Cindra Fonseca 1, mcindra@vm.uff.br 1 UFF - Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia/Departamento de Engenharia Mecânica/PGMEC, Niterói-RJ, Brasil, Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, Sala 302, CEP 24210-240, São Domingos, Niterói-RJ, Brasil, E- mail: mcindra@vm.uff.br 2 INT Instituto Nacional de Tecnologia, Rio de Janeiro-RJ. Resumo: Chapas de liga alumínio-magnésio AA5086 foram soldadas pelo processo GTAW usando diferentes gases de proteção. Neste processo, os gases de proteção têm importante papel, pois influenciam na qualidade das juntas e, consequentemente nas propriedades mecânicas das mesmas. O presente trabalho tem como objetivo analisar a influência do uso de diferentes misturas gasosas no processo de soldagem GTAW e nas propriedades mecânicas e tensões residuais geradas na soldagem de chapas de liga de alumínio AA5086. O estudo revelou que as diferentes misturas gasosas resultaram em diferentes níveis de tensões residuais superficiais heterogêneas. Uma nova mistura gasosa foi testada (Ar + N2O + O2) e as tensões residuais geradas nestas juntas se apresentaram mais homogêneas. A soldagem, tanto com proteção gasosa de argônio puro, quanto com o uso de mistura gasosa de argônio com hélio ocasionou uma queda considerável nos valores da tensão limite de escoamento das juntas, sendo, entretanto, menos acentuada na junta soldada com a mistura nova. Análises de microdureza e caracterização microestrutural das juntas complementaram o presente estudo, mostrando que a nova mistura gerou menor porosidade nas juntas. Palavras-chave: Soldagem GTAW, Gases de proteção, Liga de alumínio AA508, Propriedades mecânicas, Tensões residuais. 1. INTRODUÇÃO As ligas Al-Mg constituem um importante grupo de ligas de alumínio, que não sendo tratáveis termicamente, são endurecíveis por solução sólida e encruamento (trabalho mecânico). O magnésio como principal elemento de liga, além de melhorar a resistência mecânica, permite que essas ligas mantenham uma elevada ductilidade, bem como excelente resistência à corrosão e boa soldabilidade (Barbosa, 2014; Hacht, 1984). A liga de alumínio ASTM 5086 é amplamente utilizada na indústria metal-mecânica, por combinar boa característica de soldagem e elevada resistência à corrosão em meios marinhos, além de apresentar boa resistência mecânica e dureza. Ela é usada para aplicações estruturais, tais como componentes aeroespaciais, na indústria automobilística, cabeçotes e blocos de motores, na indústria naval e de petróleo e gás (Praveen & Yarlagadda, 2005; Kumar & Sundarrajan, 2009). Dentre os processos de soldagem, o processo de soldagem TIG GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) apresenta excelente qualidade e acabamento dos componentes soldados e é particularmente indicado para a soldagem de ligas alumínio (Hacht, 1984; Kumar & Sundarrajan, 2009). Neste processo, os gases de proteção têm importante papel, pois influenciam na velocidade do processo, na estabilidade do arco, na qualidade das juntas e, consequentemente nas propriedades mecânicas e microestruturais das mesmas (Prakash et al.,2003; Peasura & Watanapa, 2012). Entretanto, nos processos de soldagem a geração de tensões residuais e distorções é um dos maiores problemas, que deve ser considerado e analisado, a fim de garantir uma longa vida em serviço do componente soldado, pois podem se somar às tensões de serviço e provocar a ruptura prematura da estrutura ou do componente, dependendo da natureza e magnitude das tensões (Withers et al., 2008; Pedrosa et al., 2011). No presente trabalho o principal objetivo é analisar a influência do uso de diferentes misturas gasosas no processo de soldagem GTAW nas propriedades mecânicas e microestruturais bem como nas tensões residuais geradas na soldagem de chapas de liga de alumínio AA5086. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Foram estudadas amostras de liga de alumínio AA5086 fabricada conforme a norma ASTM B-928-04, têmpera H- 116, na forma de chapa de 6,35 mm de espessura. A composição química e as propriedades mecânicas do material estão apresentadas nas Tab. 1 e 2, respectivamente.
Tabela 1. Composição química da liga AA5086 (% em peso). Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Balanço 0,40 0,50 0,10 0,45 4,0 0,15 0,25 0,15 Tabela 2. Propriedades mecânicas da liga AA5086. Limite de Escoamento LE Limite de Resistência LR Dureza (MPa) (MPa) 205 335 88 As amostras foram soldadas pelo processo TIG (máquina de solda KEMPPI, modelo Master TIG, 3500 W, CA/DC) com corrente alternada, na posição plana, conforme os parâmetros apresentados na Tab. 4. Como metal de adição foi usado vareta de liga de alumínio AA5083,TIG-Harris, com diâmetro de 3,2 mm. Em ambas as amostras foi utilizada uma barra de travamento para evitar empeno das chapas e um back de cobre durante o 1º passe (passe de raiz). Amostra Tabela 3. Parâmetros utilizados na soldagem das amostras. Mistura Gasosa Vazão (L/min) Corrente (A) Velocidade Soldagem (mm/min) 1º Passe (Raiz) 2º Passe (Enchimento) 1 Ar puro 10 202 150 80 2 Ar + He 10 202 150 100 3 Ar + N2O + O2 10 202 150 80 As tensões residuais superficiais das amostras soldadas foram medidas nas direções longitudinal (L) e transversal (T) ao cordão, na região do metal de solda (MS), Zona Termicamente Afetada (ZTA) e no Metal de Base (MB), nos pontos indicados na Fig.(1). Figura 1. Posições de medições das tensões residuais A análise das tensões residuais foi realizada utilizando o analisador de tensões Xstress3000, Fig. (2), por difração de raios-x, pelo método do sen², com incerteza de ±12 MPa, usando radiação Cr α ( Cr α = 2,29092 Å), difratando o plano (222) do alumínio e ângulo 2θ = 156,98º.
Figura 2. Analisador de tensões XStress3000: Sistema de medição. Foram realizadas micrografias das amostras de cada condição de soldagem. As amostras foram lixadas e polidas. As amostras foram atacadas com uma solução de 2 ml de HF em 100 ml de água. O tempo de ataque foi de 90 s no MS e ZTA e de 60 s no MB. As amostras foram analisadas quanto à porosidade das juntas soldadas por MO e MEV. O ensaio de tração foi realizado de acordo com a norma ASTM B557M, sendo confeccionados 4 corpos de prova para cada condição de soldagem e do metal de base. O ensaio de microdureza Vickers foi realizado com uma carga de 25 g por 15 s. Foi realizada medição de microdureza no topo, centro e raiz da junta soldada na região do MS, ZTA e MB, como apresentado na Fig. (3). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Figura 3. Pontos de medição de microdureza na junta soldada. As tensões residuais, longitudinais (L) e transversais (T), foram analisadas no metal de solda (MS), na zona termicamente afetada (ZTA) e no metal de base (MB) em cada amostra após a soldagem. Os resultados estão apresentados na Fig. (4). (a) (b) Figura 4. Tensões residuais após a soldagem: a) longitudinais; b) transversais.
Analisando os resultados apresentados na Fig. 4a é possível perceber que as tensões residuais longitudinais nas juntas, de cada condição de soldagem, tiveram um comportamento homogêneo e trativo na ZTA e no MB, enquanto que no MS as tensões foram compressivas na soldagem com a nova mistura (Ar + N 2 O + O 2 ) e trativas com a mistura Ar+He e Ar puro. As elevadas tensões residuais longitudinais de tração presentes na ZTA podem ter contribuído para a redução da resistência mecânica da junta, pois todos os corpos de prova de tração romperam na ZTA. Na direção transversal (Fig.4b), o comportamento das tensões residuais nas amostras soldadas com proteção de Ar+He e com a nova mistura gasosa (Ar+N 2 O+O 2 ) foi bastante similar, sendo que as tensões no MS e na ZTA são de baixa magnitude e nestas amostras o MB apresentou elevada nível de compressão. Entretanto, assim como ocorreu no sentido longitudinal, na junta soldada com proteção de Ar puro o estado de tensões residuais pode ser considerado o mais crítico, com tensões trativas da ordem de 50% do limite de escoamento do material no MS e no MB. Em todas as micrografias observa-se a presença de poros no MS, Fig.(5), principalmente nas juntas soldadas com as proteções gasosas de Ar puro e Ar+He. Na Fig.(5c), que representa a junta soldada utilizando a mistura nova, é possível observar, qualitativamente, que a formação de porosidade foi muito inferior em relação às juntas soldadas com Ar puro e Ar+He, além de apresentar grãos mais refinados em sua matriz. Ainda na Fig.(5c) nota-se a presença de uma trinca, que pode ter surgido em função do alinhamento dos poros. (a) (b) (c) Figura 5. Microscopia óptica do metal de solda nas condições: a) Ar puro; b) 75%Ar + 25%He; e c) Ar + 200ppm N2O + 200ppm O2 (Aumento de 200X). As análises por MEV Figs. (8), (9) e (10) mostraram que a junta soldada com Ar puro (Fig.8) apresentou, qualitativamente, um perfil de porosidade mais crítico enquanto que a junta soldada com a nova mistura apresentou menor porosidade (Fig.10) (a) (b) (c) Figura 6. MEV: Junta soldada com proteção de argônio puro - a) aumento 200X; b) aumento de 400X; e c) aumento 1000X.
(a) (b) (c) Figura 7. MEV: Junta soldada com mistura de argônio com hélio - a) aumento 200X; b) aumento de 400X; e c) aumento 1000X. (a) (b) (c) Figura 8. MEV: Junta soldada com a mistura nova (Ar+N2O+O2) - a) aumento 200X; b) aumento de 400X; e c) aumento 1000X. A Fig. (9) apresenta os valores (média) da tensão limite de escoamento (σ LE ) e de resistência (σ LR ) obtidos nos ensaios de tração realizados no metal de base e em cada condição de soldagem. Amostra LE (MPa) LR (MPa) MB 215 325 Ar puro 132 278 Ar + He 136 285 Ar +N2O + O2 142 285 Figura 9. Resistência mecânica das juntas soldadas. Como pode ser observado na Fig. (9), todas as juntas soldadas apresentaram, de um modo geral, limite de resistência e limite de escoamento equivalente. Para todas as condições de soldagem, o limite de resistência ficou cerca de 12% menor comparado ao metal de base e o limite de escoamento teve uma redução de 38% (para as amostras soldadas com argônio puro e argônio com hélio) e de 33% (para a amostra soldada com a mistura nova). Sendo assim, a junta soldada com a mistura nova apresentou resistência ao escoamento melhor em relação as demais juntas soldadas, principalmente quando comparada à amostra soldada com argônio puro, onde a diferença foi de 10MPa. Em ambas as condições de soldagem, todos os cps romperam na ZTA. Pode ter ocorrido a influência das tesnsões residuais trativas, encontradas nesta região.
Os resultados (médias) de microdureza Vickers para cada condição de soldagem estão apresentados na Fig.(10). Gás de Proteção Metal Base E ZTA E MS ZTA D Metal Base D Ar puro 65 59 62 60 66 Ar + He 66 58 63 60 66 Ar+N 2 O+O 2 66 63 66 63 66 Figura 10. Microdureza Vickers nas juntas soldadas. As amostras soldadas com proteção de argônio e argônio com hélio apresentaram valores médios de microdureza similares e inferiores aos do MB (66HV), tanto na ZTA (59HV) como no metal de solda (63HV). A nova mistura (Ar + N2O + O2) proporcionou uma junta com valores médios de microdureza, na ZTA (63HV) e no MS (65HV), próximos ao do metal de base. 4. CONCLUSÕES O presente trabalho permite as seguintes conclusões: As misturas gasosas de argônio com hélio e a nova mistura (Ar + N2O + O2) proporcionaram juntas com melhor estado de tensões residuais em relação à junta soldada com proteção de argônio puro. As análises microestruturais mostraram presença de porosidade no metal de solda em todas as juntas. Entretanto, a nova mistura proporcionou menor porosidade, grãos mais refinados no metal de solda e menos grosseiros ZTA. O processo de soldagem reduziu a tensão limite de escoamento das juntas com as proteções convencionais em cerca de até 40% e com relação à junta soldada com a nova mistura, ela apresentou melhor desempenho com redução de 33% no limite de escoamento. A nova mistura proporcionou uma junta com valores de microdureza na ZTA e no MS próximos ao do metal de base e superior aos das amostras soldadas com as proteções convencionais (Ar puro e Ar + He). 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, CAPES e FAPERJ, pelo apoio financeiro e à White Martins, especialmente ao Engº Jeferson Costa, pela soldagem das amostras. 6. REFERÊNCIAS Barbosa, C.; Metais não Ferrosos e suas Ligas Microestrutura, Propriedades e Aplicações, Editora E-papers, 2014. 532 pgs. Hatch JE. Aluminum: Properties and Physical Properties. ASM (American Society for Materials), Materials Park, Ohio, USA. 1984. Parkash J, Tewari SP, Srivastava BK. Shielding Gas for Welding of Aluminium Alloys by TIG/MIG Welding-A Review. International Journal of Modern Engineering Research, 2003; Vol.1, Issue.2, pp-690-699. Praveen P, Yarlagadda PKDV. Meeting challenges in welding of aluminum alloys through pulse metal arc welding. Journal of Materials Processing Technology. 2005; 164-165: 1106-1112. Kumar A, Sundarrajan S. Optimization of pulsed TIG welding process parameters on mechanical properties of AA 5456 Aluminum alloy weldments. Materials and Design. 2009; 30: 1288-1297. Peasura P, Watanapa A. Influence of Shielding Gas on Aluminum Alloy 5083 in Gas Tungsten Arc Welding. Procedia Engineering. 2012; 29: 2465-2469. Withers PJ, Turski M, Edwards L, Bouchard PJ, Buttle DJ. Recent advances in residual stress measurement. International Journal of Pressure Vessels and Piping 2008; 85: 118-127. Pedrosa PD, Rebello JMA, Cindra Fonseca MP. Residual stress state behaviour under fatigue loading in duplex stainless steel. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, v. 46, p. 298-303, 2011.
7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.
INFLUENCE OF SHIELDING GAS IN MECHANICAL PROPERTIES AND RESIDUAL STRESSES OF ALUMINUM ALLOY AA5086 WELDED JOINTS BY GTAW PROCESS Marcos C. Melado 1, mmelado@gmail.com Cássio Barbosa 2, cassio.barbosa@int.gov.br Mateus C. Martins 1, mateuscampos@id.uff.br Maria Cindra Fonseca 1, mcindra@vm.uff.br 1 UFF - Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia/Departamento de Engenharia Mecânica/PGMEC, Niterói-RJ, Brasil, Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, Sala 302, CEP 24210-240, São Domingos, Niterói-RJ, Brasil, E- mail: mcindra@vm.uff.br 2 INT Instituto Nacional de Tecnologia, Rio de Janeiro-RJ. Abstract: Aluminum alloy AA5086 plates were welded by GTAW process with alternating current, using different shielding gases. The influence of the shielding gas was evaluated on the residual stresses (generated by the welding process), on the mechanical and microstructural properties of welded joints and compared to the base metal. The study has revealed that the different gas mixtures resulted in different levels of heterogeneous surface residual stresses. A new gas mixture was tested (Ar + N2O + O2) and the residual stresses generated in these joints are presented more homogeneous. The welding with the pure argon shielding gas, as with the use of argon gas mixture with helium resulted in a considerable drop in values of yield strength, being, however, less pronounced in the welded joint with the new mixture. Microhardness and microstructural characterization performed by optical and scanning electron microscopy, complemented the results, showing that the new mixture generated welded joints with lower porosity. Key Words: GTAW welding, shielding gas, mechanical properties, Aluminum Alloy AA508, residual stresses.