ANÁLISE DO ELETRODO E7018 CONFORME A NORMA SFA-5.1/SFA-5.1M Simoni Maria Gheno 1*, Fábio Edson Mariani 2 1 Profª. Doutora da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 (gheno@fatec.sp.gov.br) 2 Tecnologia em Mecânica: Processos de Soldagem - Fatec Sertãozinho (mariani.fabioe@gmail.com) Resumo Este estudo teve como principal objetivo a realização de ensaios mecânicos e técnicas para a análise do eletrodo revestido fabricado com características de baixo hidrogênio. O sistema de análise do eletrodo foi seguido conforme os procedimentos ditados pela norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M edição 2010. O ensaio de tração foi feito somente com o metal de solda para estudos de suas propriedades mecânicas. O ensaio de impacto Charpy teve como objetivo avaliar a solidez da solda. A solda de filete foi analisada conforme os critérios de aceitação regidos pela norma, assim como o teste de fratura que visa ao exame da usabilidade do eletrodo. Para este teste de fratura, foram soldadas duas juntas em ângulo na posição vertical ascendente e sobrecabeça, já os demais corpos de prova foram soldados na posição plana. A intensidade de corrente elétrica utilizada variou para cada tipo de posição de soldagem. A posição de soldagem plana teve maior intensidade que a posição vertical ascendente e sobre cabeça. A soldagem de todos os corpos de prova foi realizada somente com corrente elétrica inversa visando ao uso do eletrodo em soldas de responsabilidade. Palavras-chave: Análise de eletrodo. Eletrodo revestido. Baixo hidrogênio. Introdução Os eletrodos revestidos são largamente utilizados em diversos ramos da indústria metal-mecânica, seja ela metalúrgica de fabricação de caldeiras a vapor onde a soldagem deve ser de grande responsabilidade, seja em uma simples serralheria onde a inclusão de impurezas na solda não altera no trabalho realizado nos portões e janelas (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2009). Baseando-se na indústria metalúrgica, para a soldagem ser de grande responsabilidade, dois requisitos são de extrema importância, a mão de obra qualificada, como soldadores avaliados e certificados por órgãos como AWS (American Welding Society) e ASME (American Society of Mechanical Engineers) e o consumível utilizado. A soldagem com eletrodos revestidos é obtida por meio do calor gerado pelo arco elétrico estabelecido entre a extremidade do eletrodo e o metal-base. Este calor é responsável por fundir parcialmente a peça de trabalho, a alma do eletrodo e o revestimento (STARLING, MODENESI, 2006). Nesse momento, ocorre a transferência metálica que será depositada com o auxílio do arco elétrico, formando assim a poça de fusão. Essa poça fundida é protegida pelos gases provenientes da decomposição do revestimento. Esse método de soldagem é denominado em normas como SMAW (Shielded Metal Arc Welding) (WEISS, 2010). Segundo Owczarski (1979), alguns fabricantes variam os elementos e valores dos eletrodos revestidos para atender às necessidades específicas de cada cliente. Por exemplo, alguns eletrodos são fabricados para facilitar operação, soldar fora de posição, extrarresistente a trincas ou facilidade de remoção de escória. A inclusão de uma ou mais dessas qualidades requer ajustes de composição química do material revestido. Os eletrodos revestidos são os consumíveis utilizados no processo de soldagem SMAW e classificados segundo a AWS (American Welding Society) como eletrodos revestidos AWS A5.1 (aço-carbono) e AWS A5.5 (aços de baixa liga) (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2009; Norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M, 2010). São compostos por vareta metálica (alma) e revestimento. A extremidade que entra em contato com a peça para a soldagem é chamada de ponta de arco, o outro extremo onde tem o contato elétrico com o porta-eletrodo (FBTS, 2007). A norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M avalia os ensaios mecânicos e testes os eletrodos revestidos para a soldagem de aço-carbono. Os critérios aplicados para a classificação dos eletrodos revestidos são o tipo de corrente de soldagem, tipo de revestimento, posição da soldagem, propriedades mecânicas do metal de solda (FBTS, 2007). O não cumprimento de alguma das exigências acarreta a desclassificação do consumível. Entre os ensaios e testes, são requisitados o ensaio de tração, impacto Charpy, análise química e teste de fratura na solda de filete. Se em qualquer ensaio ou teste realizado, os resultados obtidos não atenderem aos critérios de aceitação exigidos pela norma, o procedimento deve ser refeito mais duas vezes; caso continue não atendendo aos requisitos, os eletrodos deverão ser reciclados. Se o processo de análise for aprovado, os eletrodos poderão ser comercializados e possivelmente utilizados em soldagens de grandes exigências.
Para este trabalho foi estudado um eletrodo revestido com características de baixo hidrogênio, todo o desenvolvimento foi realizado obedecendo à norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M edição 2010. Parte Experimental Material-base para a soldagem Para a construção dos corpos de prova, foram utilizados como material-base chapas de aço-carbono ASTM A36. Algumas amostras desse material foram preparadas pelo processo de metalografia para a caracterização do material-base pelas técnicas de microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Em ambos os métodos, as amostras foram atacadas com o reagente Nital 3%: 97% de álcool + 3% de ácido nítrico (HNO 3). A análise de microscopia óptica foi realizada no equipamento ZEISS AXIO com aplicações de 200 e 500x. A superfície da amostra também foi analisada pelo microscópio eletrônico de varredura Phlips XL 30 FEG, do Laboratório de Caracterização Estrutural (LCE) da UFSCar. Além disso, fez-se necessária a análise da composição química a qual foi realizada em um espectrômetro por emissão óptica da EESC USP. Para a confecção dos corpos de prova, foram utilizadas quatro chapas com dimensões diferentes para a realização dos ensaios e testes requeridos pela norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M (2010). Os corpos de prova para o ensaio de tração e impacto foram retirados da mesma chapa soldada. As amostras para os ensaios mecânicos foram obtidas por meio do processo de usinagem. O consumível analisado foi o eletrodo revestido do tipo ASME SFA-5.1 E7018. O fabricante do eletrodo de baixo hidrogênio é a empresa Fenix Ribeirão e Comércio de Soldas Ltda. A Tabela 1 apresenta a descrição do eletrodo revestido fornecida pelo fabricante. Tabela 1 Descrição do eletrodo AWS SFA-5.1 E7018. Seção da alma x Comprimento do eletrodo Pressão exercida pela prensa de extrusão na fabricação Número de camadas de revestimento 4,00 x 450,00 mm 100 a 120 kgf 1 camada Preparação dos corpos de prova soldados pelo processo SMAW A soldagem dos corpos de prova foi realizada conforme determina a norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M (2010). Os ensaios e testes solicitados para a análise do eletrodo estudado são apresentados na Tabela 2, juntamente com as posições de soldagem para cada corpo de prova. Os corpos de provas foram soldados com o auxílio de uma fonte de energia retificadora, cujo fabricante é a indústria ESAB S/A, modelo OrigoArc 458t. A corrente elétrica utilizada para a soldagem de todas as amostras foi a contínua inversa. Todas as amostras foram soldadas no laboratório de soldagem da empresa Sematec Indústria e Comércio Ltda., por um soldador certificado pela AWS no método de soldagem com eletrodo revestido. Tabela 2 Ensaios e testes solicitados para a análise do eletrodo. Ensaios e testes requeridos Posição de soldagem Tração e Impacto Plana Análise química Plana Teste de fratura Vertical ascendente e Sobrecabeça A soldagem foi realizada em uma junta de topo. O chanfro em forma de V foi fabricado com o ângulo de chanfro igual a 20. A abertura de raiz foi definida com uma distância de 16 mm entrechapas. Antes da soldagem, essas chapas passaram pelo processo de montagem e ficção para evitar os defeitos de desalinhamento e embicamento. O chanfro e a superfície, aproximadamente 20 mm de cada lado das bordas conforme requer a norma Petrobras N-133 (2005), foram limpos com o uso de uma esmerilhadeira. Isso é realizado para evitar possível contaminação no metal de solda. Com o suprimento de um maçarico, foi realizado o preaquecimento sobre a junta. Conforme a norma Petrobras N-133 (2005, p. 2), o preaquecimento realizado com chama, onde a temperatura só passa a ser medida do lado da fonte, o aquecimento deve ser interrompido pelo menos por um minuto, para cada 25 mm de espessura da peça, antes de sua medição. Assim foi realizado, respeitando um minuto antes de fazer a medição da temperatura da chapa. A norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M (2010) requer para esse corpo de prova que a temperatura de preaquecimento esteja a partir de 105 C no mínimo. Para análise dessa temperatura, foi utilizado um lápis de fusão de 107 C. Quando este se fundia ao tocar sobre a peça, sabia-se que a temperatura era superior a 107 C. O local de medição da temperatura foi aproximadamente na metade do comprimento da chapa e entre 6 a 15 mm da borda do chanfro. Para a realização de interpasses na solda, a norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M (2010) preconiza que a temperatura esteja entre 105 e 175 C. Para a análise dessa temperatura, foram utilizados dois lápis de fusão, um de 107 e outro de 135 C. O local de medição da temperatura de interpasses foi sobre o mesmo ponto de medição para o preaquecimento. Foram utilizadas sete
camadas sendo todas construídas com dois cordões de solda por camada. Os dados de parâmetros do processo como aporte de calor, corrente elétrica, tensão e velocidade de soldagem são apresentados na Tabela 3. Tabela 3 Parâmetros utilizados na soldagem do corpo de prova para os ensaios de tração e impacto. Parâmetro de soldagem Valor médio Velocidade de soldagem 1,44 mm/s Corrente elétrica de soldagem 168 A Tensão elétrica de soldagem 21,4 V Aporte de calor 2,5 kj/mm Para a soldagem desse corpo de prova, a chapa foi limpa com o uso de uma esmerilhadeira em toda sua superfície para a deposição do consumível. A soldagem foi realizada na posição plana, com corrente elétrica contínua, polaridade indireta. Segundo a norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M (2010), a temperatura de preaquecimento não deve ser inferior a 15 C e a temperatura de interpasse não deve exceder 150 C. Nestas condições, a chapa foi soldada à temperatura ambiente (25 C) e, para a manutenção da temperatura de interpasses, foi utilizado um lápis de fusão de 135 C. A remoção da escória foi realizada com a picadeira; em seguida, a esmerilhadeira foi usada novamente para a remoção de impurezas e óxidos antes do interpasse. Foram realizados dois cordões de solda sendo cada um com quatro camadas. A largura de cada passe de solda em cada camada foi superior a três vezes o diâmetro da alma do eletrodo revestido. A Tabela 4 mostra os dados utilizados como parâmetros de soldagem deste corpo de prova. Tabela 4 Parâmetros utilizados na soldagem do corpo de prova para análise química. Parâmetro de soldagem Valor médio Velocidade de soldagem 1,41 mm/s Corrente elétrica de soldagem 168 A Tesão elétrica de soldagem 21 V Aporte de calor 2,5 kj/mm Antes da soldagem, a superfície das chapas foi limpa conforme determina a norma Petrobras N-133 (2005). As chapas foram montadas e ponteadas para obter uma melhor fixação. Em seguida, as chapas foram soldadas na posição vertical ascendente e sobrecabeça, assim como a norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M (2010) requer para o eletrodo utilizado. A solda foi realizada em apenas um dos lados da articulação. Dois eletrodos foram utilizados, o primeiro foi totalmente consumido em aproximadamente 200 mm. A limpeza da solda foi restrita à remoção da escória usando a picadeira e escova de aço. A soldagem foi realizada à temperatura ambiente. Para uma análise macroscópica, uma amostra das duas juntas soldadas foi preparada pelo processo de metalografia (Tabela 5). Em seguida, foram atacadas com Nital 3%. Com o estereoscópio fornecido pela Fontel Indústria e Comércio Ltda.. modelo KEB 300, foi possível analisar as dimensões do cordão de solda com um aumento de 20x. Tabela 5 Parâmetros utilizados na soldagem dos corpos de prova para o teste de fratura. Parâmetro de soldagem Valor médio Velocidade de soldagem 1,56 mm/s Corrente elétrica de soldagem 146 A Tensão elétrica de soldagem 20,1 V Aponte de calor 1,9 kj/mm Ensaio radiográfico Para a realização do ensaio radiográfico, a junta de topo soldada foi esmerilhada para a remoção do reforço da solda e do mata-junta; em seguida, foram retirados cerca de 25 mm de suas extremidades. Este último procedimento é feito para evitar o início e o final da soldagem. A empresa responsável pelo ensaio radiográfico foi a JLM Inspeções e Manutenção Ltda.. A entidade é autorizada e registrada pela autarquia federal CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) em radiografia industrial. Ensaio de tração O equipamento utilizado para o ensaio de tração foi produzido pela empresa Emic Equipamentos e Sistemas de Ensaio Ltda.. modelo DL10000. Ensaio de impacto O ensaio de impacto Charpy foi realizado no laboratório de ensaios mecânicos da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. O fabricante do equipamento é a Time Group Inc. Modelo JB-W300A.
Ensaio visual da solda O ensaio foi realizado de duas maneiras, com lente de aumento e a olho nu. O primeiro foi empregado antes do dobramento no teste de fratura, e o segundo se aplicou após o dobramento. O tipo de lente utilizada foi a lente dupla com 3,5x de aumento. A distância de trabalho da lente foi em média 85 mm, seu poder de resolução é de 0,025 mm. A fonte de iluminação utilizada para o ensaio foi uma lâmpada com capacidade de gerar 1200 lux. O ângulo do feixe de luz em relação à superfície examinada foi no mínimo 30. Teste de fratura O teste de fratura foi realizado nos corpos de prova soldados em junta de ângulo com o auxílio de uma morsa e uma alavanca. Resultados e Discussão A microestrutura do aço ASTM36 foi analisada por microscopia ótica (MO) e eletrônica de varredura (MEV). A Figura1 mostra a microestrutura característica do material observada por MO. Figura 1 Microestrutura do material do ASTM A36 (MO). Ataque químico Nital 3%, aumento 500x. A análise dessa microestrutura pelo microscópio eletrônico de varredura está apresentada na Figura. 2. A imagem da esquerda mostra os elétrons secundários (SE), ou seja, da superfície do material, enquanto a da direita mostra os elétrons retroespalhados (BSE) do aço ASTM36, cujo objetivo foi analisar o mapeamento composicional da amostra. Não foi observada alteração microestrutural alguma. Figura 2 Microscopia eletrônica de varredura do ASTM A36 (Imagens de elétrons secundários). Ataque químico Nital 3%, aumento 4000x. LCE UFSCar. A análise química do material-base foi realizada com um espectrômetro de emissão ótica, e os resultados estão apresentados na Tabela 6. O ensaio de inspeção radiográfica (ASTM) não apresentou nenhum tipo de defeitos ou descontinuidades, sendo assim aprovado. Os ensaios de tração mostraram como resultado um limite de resistência à tração de 498MPa, limite elástico até 0,2% de 406Mpa e alongamento de 22%.
Tabela 6 Composição química em percentagem em peso do aço ASTM A36 analisada pelo espectrômetro por emissão óptica da EESC - USP. Queima C Mn Si P S Cu Primeira 0,0875 0,4767 0,0090 0,0187 0,0058 0,0060 Segunda 0,0845 0,4729 0,0089 0,0190 0,0057 0,0063 Média 0,0860 0,4748 0,0089 0,0188 0,0057 0,0061 As amostras para o ensaio de impacto Charpy foram extraídas da solda realizada na junta soldada também pelo processo de usinagem. Para a avaliação do ensaio, dois resultados foram descartados, ou seja, o menor e o maior valor de energia absorvida. O resultado obtido da média é 28,2 J. A Figura 3 demonstra as amostras ensaiadas. Figura 3 Amostras ensaiadas pelo método de impacto Charpy. Os valores obtidos na análise química feita na Welding Soldagem e Inspeção Ltda. e os requeridos pela norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M (2010) são mostrados na Tabela7. Tabela 7 Análise química do metal de solda. Elementos químicos (%) Especificado (1) Obtido C 0,150 0,052 Mn 1,600 1,000 Si 0,750 0,269 P 0,035 0,018 S 0,035 0,002 Ni 0,300 0,051 Cr 0,200 0,092 Mo 0,300 0,014 V 0,080 0,013 Limite de combinação para Mn + Ni + Cr + Mo + V 1,75 1,17 (1) Valor máximo especificado. Antes de realizar o teste de fratura, as duas juntas soldadas em ângulo passaram pela inspeção visual usando uma lente com 3,5x de aumento. Nenhum defeito ou descontinuidade foi encontrado. Com a ajuda de um calibre de múltiplas finalidades, foi realizada nas duas juntas a medição das pernas de solda e da altura do cordão de solda. Para descobrir a convexidade do cordão de solda, foi realizado um estudo trigonométrico. Por fim, o teste de fratura foi realizado nas juntas soldadas, evidenciando, assim, a raiz da solda. Essa raiz foi analisada visualmente sem a ajuda de uma lente de aumento. Nas duas soldas realizadas na posição vertical ascendente e sobrecabeça, não foi encontrado nenhum tipo de defeito ou descontinuidade em toda a extensão da raiz da solda. A Figura 4 apresenta as chapas dobradas e a Figura 5 mostra a raiz da solda analisada para as duas posições.
Figura 4 Chapas dobradas. (a) (b) Figura 5 (a) Raiz da junta soldada na posição vertical ascendente (b) Raiz da junta soldada na posição sobrecabeça. Conclusão Todas as soldas feitas neste estudo foram realizadas com sucesso com o eletrodo analisado. Os resultados obtidos no ensaio de tração permitem enquadrar o eletrodo revestido analisado na norma regulamentadora ASME SFA- 5.1/SFA-5.1M edição 2010. Os dados colhidos pelo ens/aio de impacto Charpy, que para este estudo avaliou a solidez da solda, atenderam aos requisitos estabelecidos pela norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M edição 2010, assim como a composição química da solda obtida permitiu enquadrar o material analisado como similar ao analisado por essa norma.
A inspeção visual feita nas juntas de ângulo na posição vertical ascendente e sobrecabeça permite inserir os elementos do cordão de solda no critério de aceitação da norma ASME SFA-5.1/SFA-5.1M edição 2010, e os resultados apresentados nos testes de fratura realizados na junta soldada em posição vertical ascendente e sobrecabeça atenderam às condição requeridas por essa norma. A junta em ângulo soldada na posição vertical ascendente apresentou melhor penetração quando comparada com a junta soldada na posição sobrecabeça. Esse fato está associado à força da gravidade atuante na poça de fusão. Em ambas as soldas, a força gravitacional é atuante, porém na soldagem na posição sobrecabeça, essa força é mais intensa. Agradecimentos Agradecemos à Fatec-Sertãozinho pelo uso dos laboratórios. Referências FBTS. Inspetor de soldagem. São Paulo: Fundação Brasileira de Tecnologia da Soldagem, 2007. MARQUES, P, V.; MONDENESI, P. J.; BRACARENSE, A. Q. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte: Editora UFTM, 2009, p. 181-203. OWCZARSKI, W. A. Introductory welding metallurgy. 3. ed. Miami: American Welding Society, 1979, p. 6-10. NORMA ASME SFA-5.1/SFA-5.1M. Specification for carbon steel electrodes for shielded metal arc welding, 2010 STARLING, C. M. D.; MODENESI, P. J. Avaliação da Transferência de Metal de Arames Tubulares. Soldagem e Inspeção, 2006; vol. 11, p. 147-155. WEISS, A. Soldagem. 1. ed. Curitiba: Editora do Livro Técnico, 2010.