ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL NA SOLDAGEM DO MATERIAL SAE J403-1045 PARA QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM Simoni Maria Gheno 1 *, Anderlon Fantim 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 (anderlon.fantim@dedini.com.br) Resumo Este trabalho teve como objetivo mostrar a soldagem do material SAE J403-1045 submetido a procedimentos diferentes, simulando sua utilização no processo inserto-eixo em que, por meio de ensaios mecânicos, o mesmo pode ser utilizado para qualificar um procedimento de soldagem e avaliar suas propriedades. Foram utilizados para este trabalho três corpos de prova do SAE J403-1045 forjado com 19 mm de espessura. A soldagem foi feita pelo processo FCAW com o consumível E 81T1-B2, sendo dois deles com preaquecimento e um sem preaquecimento; após a execução da soldagem, foi feito um ensaio por liquido penetrante e, posteriormente, dois deles foram submetidos ao tratamento térmico de alívio de tensões com parâmetros definidos por meio de uma instrução de tratamento térmico elaborada de acordo com a norma ASME seção VIII Div. I, sendo que, em um deles, foi feito preaquecimento antes da soldagem com 250 C e o outro sem preaquecimento. Na terceira etapa do processo, foram feitos os ensaios mecânicos requeridos pela norma ASME seção IX para qualificação de procedimento, especificamente dois ensaios de tração e quatro dobramento; em cada corpo de prova, foi feita uma análise de suas microestruturas comparando metal-base, ZTA e metal de adição e um perfil de dureza avaliando a dureza entre metal-base, ZTA e metal de adição da face e da raiz dos corpos de prova soldados e um gráfico dos três corpos de prova com todos os pontos de dureza mostrando as diferenças de dureza entre eles. Por meio deste, foi possível avaliar quais as condições de soldagem mais indicadas para a soldagem do inserto-eixo e para outras aplicações do material SAE J403-4045 e a qualificação de um procedimento de soldagem. Palavras-chave: SAE J403-1045. Inserto-eixo. FCAW. Introdução Embora a soldagem, na sua forma atual, seja um processo recente, com cerca de cem anos, a brasagem e a soldagem por forjamento têm sido utilizadas desde épocas remotas. Existem, por exemplo, no Museu do Louvre, um pingente de ouro com indicações de ter sido soldado e que foi fabricado na Pérsia, por volta de 4000 a.c. (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2009; WEISS, 2010). A soldagem era utilizada na Idade Média para a fabricação de armas, armaduras e outros instrumentos cortantes. Suas ferramentas eram fabricadas de ferro e tiras de aço na sua parte cortante e endurecidas por têmpera. Assim, a soldagem foi desde a época mais remota, um processo muito importante na tecnologia metalúrgica mundial. Desde então e até meados do século XIX, foram os únicos processos de que se tem conhecimento (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2009; WAINER et al., 1992). O avanço tecnológico possibilitou estudo de diferentes processos de soldagem nos mais diversos materiais. Dentre os vários materiais estudados em processos de soldagem, está o aço SAE-1045 que é um aço-carbono de baixa temperabilidade, geralmente fornecido na cor preta laminada a quente ou, ocasionalmente, na condição forjado normalizado, com uma grande força de tração típica 570-700 MPa e dureza Brinell 170-210 em qualquer condição (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2009). O SAE-1045 tem uma baixa capacidade de endurecimento por meio de seções com cerca de até 60 milímetros apenas geralmente recomendada como meio adequado para o endurecimento e têmpera. No entanto, não responde satisfatoriamente à nitretação por falta de adequados elementos de liga (CHIAVERINI, 1986, GIMENES, 1997). Uma forma é substituição é o uso do aço SAE J403-1045. A soldagem desse aço é um processo muito comum atualmente no setor metalúrgico porque esse material apresenta boa dureza e resistência elevada. Quando usado em eixos de moendas e após algum tempo de uso, o mesmo se desgasta e esse desgaste pode afetar algum lado em sua extremidade podendo deixá-lo inutilizável; nesse momento, vem a opção de recuperar o mesmo ou quando não é inviável realizar a recuperação, utiliza-se um processo chamado inserto-eixo, que se da pela união de duas partes de dois eixos diferentes do mesmo material unindo uma ponta à outra parte do eixo ou apenas fazem uma usinagem funda removendo toda parte desgastada tornando um tipo de chanfro (DEDINI). Quando essa soldagem é feita, é necessário
tomar alguns cuidados pelo SAE J403-1045 ser um material médio carbono, como um preaquecimento adequado, alívio de tensões, entre outros; esses cuidados nem sempre são tomados no setor metalúrgico, pois encarecem o processo e tomam tempo, podendo, assim, por falta desses cuidados, surgir vários problemas como trincas, descontinuidades e defeitos detectados por ensaios como, ultrassom, partículas magnéticas e liquido penetrante (DEDINI). Um método apropriado para a soldagem do aço SAE J403-1045 é a soldagem a arco com proteção gasosa GMAW (Gás Metal Arcwelding) ou mais conhecido como MIG/MAG que é um processo de soldagem semiautomática em que o eletrodo consumível que, nesse caso, é um arame alimentado quando acionado um gatilho na tocha do equipamento (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2009; FORTES, 2005). Outro método que também pode ser usado é o processo de soldagem com arames tubulares (FCAW Flux Cored ArcWelding) o qual segue os mesmos fundamentos da soldagem MIG/MAG (GMAW), pois se baseia nos mesmos princípios e nos mesmos equipamentos. O que difere um processo de outro é o consumível que, no caso do processo, utiliza-se um arame sólido e, no processo FCAW, utiliza-se um arame com fluxo interno podendo precisar de gás de proteção ou não no caso dos autoprotegidos, e também leva-se em conta a produtividade que, por meio de estudos, já foi provado que o processo FCAW é mais produtivo que o GMAW, e o cordão de solda feito pelo processo FCAW possui um perfil que minimiza as descontinuidades encontradas no dia a dia (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2009; FORTES, 2004). Um terceiro método é a soldagem a arco com eletrodo tubular (FCAW) é um processo no qual a transferência do metal se da pelo aquecimento destes por meio de um arco entre o eletrodo tubular e a peça. O arame tubular apresenta um fluxo internamente que apresenta funções similares ao do revestimento do eletrodo no processo (SMAW). Esse processo de soldagem pode ser otimizado para três tipos de situações: alta produção, alta velocidade de soldagem e soldagem fora de posição (FORTES, 2004; STARLING et al., 2011). O processo FCAW é utilizado para soldar açoscarbono de baixa liga, inoxidáveis na construção de vasos de pressão e tubulações para a indústria química, petrolífera e de geração de energia. Na indústria automotiva e de equipamentos pesados, vem sendo usado na fabricação de partes de chassi, eixo diferencial, cambagem de rodas, componentes de suspensão e outras partes. Arames tubulares com diâmetros menores vêm sendo utilizados no reparo de chassis de automóveis. Marques et al. (2009) relata que este processo é utilizado também na soldagem de algumas ligas de níquel. O método a ser usado depende do tipo de eletrodo desenvolvido, por exemplo, das propriedades mecânicas exigidas, tipo de junta, tipo de adaptador (STARLING et al., 2009; STARLING et. al, 2011). Este estudo visa a mostrar a soldagem do material SAE J403-1045 submetido a procedimentos diferentes, simulando sua utilização no processo inserto-eixo em que, por meio de ensaios mecânicos, o mesmo pode ser utilizado para qualificar um procedimento de soldagem e avaliar suas propriedades. Parte Experimental Material Foi utilizado para realização deste trabalho, o material SAE J403-1045 forjado, fornecido pela AÇOFORJA com certificado de qualidade. Os corpos de prova foram retirados do centro de um eixo forjado pela indisponibilidade de chapa do material e para levar em conta o processo que é feito no inserto-eixo, porém os corpos de prova foram soldados com o processo semiautomático arame tubular (FCAW) diferente do inserto-eixo que é feito pelo processo automático arco submerso (SAW). Os corpos de prova do material SAE J403-1045 foram cortados em uma máquina de corte a plasma CNC para que não houvesse um preaquecimento na área de corte dos corpos de prova evitando qualquer alteração na microestrutura do material. A etapa seguinte do trabalho foi a preparação da montagem dos três corpos de prova do material SAE J403-1045, os quais foram designados por C1, C2 e C3. Processo de Soldagem Os três corpos de prova foram soldados com o processo arame tubular (FCAW), utilizando uma máquina do fabricante EUTECTIC CASTOLIN modelo Migarc 6100 de acordo com as especificações a seguir: (1) C1 Preaquecimento de 250 C; (2) C2 Soldado igual ao C1; (3) C3 Soldado sem preaquecimento. Para a soldagem dos corpos de prova, foi utilizado o arame E 81T1 B2 do fabricante ESAB diferente do E 71T1 que é mais utilizado na indústria para aços-carbono, o 81 B2 diferencia-se pelos seus elementos de liga presentes. O arame tubular rutílico possui aproximadamente 1,2% de Cr e 0,5% de Mo. O OK Tubrod 81 B2 é usado para soldagem mono ou multipasse em todas as posições, excelente aparência e baixo nível de respingo, aliado à alta produtividade. O metal depositado apresenta baixo nível de hidrogênio difusível. É designado para soldagem de aços baixa liga do tipo Cr-Mo resistente ao calor e aços similares. É utilizado na soldagem de fabricação e reparo de caldeiras, tubos e superaquecedores que operam entre 400 e 500 C, dentre outras especificações. A Tabela 1 mostra a composição química do arame E 81T1 B2.
Tabela 1 Composição química arame tubular E 81T1 B2. CONSUMIVEL COMPOSIÇÃO QUIMICA E 81T1 B2 C SI Mn Cr 0,05 0,5 1,1 1,2 A faixa de temperatura de preaquecimento foi definida a partir do cálculo do Ceq (carbono equivalente) que resultou no valor de 0,53%. Nessa concentração de carbono, a literatura sugere uma faixa de 200 a 250 C, por apresentar uma quantidade de C relevante, foi utilizada a faixa máxima especificada de preaquecimento, 250 C. Após o preaquecimento, foi feita a verificação da temperatura por meio de um pirômetro de contato marca ENGRO, modelo TD 620S para confirmar se os corpos de prova estavam dentro dos 250ºC especificados. Depois de atingidos os 250ºC especificados, a máquina de solda foi aferida por um soldador qualificado definindo os parâmetros de soldagem de acordo com a especificação do fabricante do consumível. Após a aferição da máquina, a soldagem foi executada por um soldador qualificado que acompanhou todo o processo. Foram executados onze passes de solda para o enchimento de cada corpo de prova e mais quatro para o acabamento, sendo que foi gasto um tempo médio de 37 segundos para os primeiros dois passes devido à baixa amperagem e à baixa voltagem utilizada e 28 segundos para os demais passes; posteriormente aos passes de enchimento e acabamento, foi retirado o travamento dos corpos de prova a fim de evitar a deformação e, do lado oposto, foi executada a limpeza do passe de raiz com uma esmerilhadeira elétrica, conforme Figura 1. Feito o passe de raiz, foram extraídos os prolongadores fixados em cada ponto do corpo de prova. Figura 1 Lado oposto esmerilhado pronto para ser executado o passe de raiz. Após a soldagem dos três corpos de prova, foi executada a limpeza superficial pelo escovamento manual e, posteriormente à limpeza, foi feito o ensaio visual por líquido penetrante para avaliar alguma descontinuidade superficial que não fosse possível observar a olho nu. Feito o ensaio, percebeu-se que os corpos de prova ficaram todos isentos de descontinuidades, aprovados, assim, para ser feito o tratamento térmico. Tratamento Térmico de Alívio de Tensões Feitos os ensaios após a soldagem dos corpos de prova, realizou-se um tratamento térmico de alívio de tensões nos corpos de prova C2 e C3 por meio de um sistema de aquecimento resistivo Power Machine, com temperatura máxima de atuação igual a 1200 C, potência 100 Kva. O gráfico foi registrado por um registrador modelo PHA 98004, marca Contemp, com 12 pontos e escada de 0 C a 1000 C. O tratamento térmico de alívio de tensões foi executado seguindo uma instrução de tratamento térmico (ITT) que especifica a temperatura de aquecimento, resfriamento e tempo de patamar de acordo com a norma ASME seção VIII Divisão I, edição 2010. O tratamento térmico aplicado foi pelo método resistivo, em que os corpos de prova foram envolvidos em resistências elétricas com cerâmica e fibra de lã. Caracterização microestrutural As análises da microestrutura tanto do material de base quanto das amostras soldadas, foram realizadas em um microscópio Carl Zeiss Axio, da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. A análise microestrutural foi feita nas amostras atacadas com nital 3%, designadas como C1, C2 e C3, com aumento de cem vezes (100x), a fim de caracterizar e diferenciar suas microestruturas. Ensaios Mecânicos de tração e dobramento O ensaio de microdureza Vickers foi feito nas amostras embutidas seguindo a norma PETROBRAS N-0133 J que é o método recomendado para qualificação de procedimento de soldagem. Foram feitos pontos de identação na parte superior do corpo de prova soldado e um para os pontos da parte inferior. Os ensaios de tração foram realizados com uma máquina cujo modelo é Emic DL10000 Cédula: Trd 28 e extensômetro: Trd 1. Para o ensaio de dobramento, foram cortados quatro corpos de prova; cada corpo de prova com espessura de10mm. Foi executado dobramento lateral em ambos os corpos de prova conforme norma ASME (2010) até atingirem o ângulo de 180.
Resultados e Discussão Foram realizados ensaios mecânicos para os corpos de prova visando à qualificação de procedimento de soldagem (ensaio de tração e dobramento), de acordo com a norma ASME seção IX, edição 2010, e ensaios complementares como microdureza Vickers e análise microestrutural. A Tabela 2 mostra a relação entre ensaios requeridos e normas de aplicação. Tabela 2 Ensaios requeridos para qualificação de procedimento. ENSAIO REQUERIDO NORMA QUANTIDADE TRAÇÃO ASME IX Ed 2010 - QW-462.1 2 DOBRAMENTO LATERAL ASME IX Ed 2010 - QW-462.2 4 MICRODUREZA ASME IX Ed 2010 - QW-462.2 - Os ensaios de microdureza Vickers mostraram resultados diferentes nas três amostras. A análise da amostra C1 resultou em um valor de dureza bem elevado na ZTA da parte superior dos pontos identados e na ZTA da parte inferior dos pontos quando comparada às demais amostras (C2 e C3). Essa dureza elevada da amostra C1 possivelmente se deve ao fato de ela não ter sofrido tratamento térmico de alívio de tensões. As amostras C2 e C3 foram tratadas termicamente para alívio de tensões e, em ambas, a diferença no valor da dureza foi muito pequena. O maior valor foi na ZTA, na parte superior da amostra C2, porém o metal de adição das amostras C2 e C3 apresentaram uma dureza um pouco mais elevada que a amostra C1. Os ensaios de tração foram feitos com o objetivo de estudar o comportamento das amostras soldadas. O ensaio foi feito por meio de corpos de prova circular com diâmetro de 12,7 mm. Os corpos de prova foram denominados como (i) C1 - composto pelos corpos de prova CP1 e CP2, (ii) C2 - composto pelos corpos de prova CP3 e CP4, e, (iii) C3 - composto pelos corpos de prova CP5 e CP6. As Figuras 2, 3 e 4 mostram o comportamento desses materiais frente à tensão-deformação. Figura 2 Tensão x deformação para o corpo de prova 1 (C1). Figura 3 Tensão x deformação para o corpo de prova 2 (C2). Figura 4 Tensão x deformação para o corpo de prova 3 (C3).
A partir dos dados de tensão x deformação para os três corpos de prova (C1, C2 e C3) apresentados nas Figura 2, 3 e 4, estão apresentados na Tabela 3 os valores da tensão máxima (Mpa) e da força máxima (Kgf). Após a execução do ensaio de tração e analisando os corpos de prova, verificou-se que as amostras dos três corpos de prova romperam no metal-base, provando assim que a região soldada estava com maior resistência que o metal-base, tais rupturas podem ser observadas na Figura 5. Tabela 3 Resultados dos experimentos de tensão x deformação obtidos por meio do ensaio de tração. CPs Ø dos CPs Tensão Força máxima Área (mm²) (mm) máxima (Mpa) (Kgf) C1 CP1 12,7 126.67 576.5 7446.9 CP1 12,7 126.67 571.6 7383.4 C2 CP3 12,7 126.67 574.4 7420.4 CP4 12,7 126.67 579.0 7479.7 C3 CP5 12,7 126.67 580.0 7492.4 CP6 12,7 126.67 591.9 7646.3 (a) (b) (c) Figura 5 Corpo de prova ensaio de tração: (a) C1 (cp1 e cp2), (b) C2 (cp3 e cp4) e (c) C3 (cp5 e cp6).
Continuando o processo de análise, nos ensaios de dobramento, foram executados dobramento lateral nos corpos de prova conforme norma ASME até atingirem o ângulo de 180, como mostram os resultados apresentados na Tabela 4. Para melhor visualização (Figura 6), foram marcados três pontos no DL1, assim representados: O ponto 1 representa o metal base, o ponto 2 a zona termicamente afetada (ZTA) e o ponto 3, o metal de adição. Essa sequência é a mesma para todos os demais corpos de prova. Conforme apresentado na Tabela 4 e na Figura 6o corpo de prova C1 apresentou três ensaios aprovados e um reprovado (DL 3). O motivo da reprovação foi uma fissura causada por defeitos durantes a soldagem. O corpo de prova 2 (C2) mostrou que todos os ensaios foram aprovados. Analisando os resultados do corpo de prova C3 (Tabela 4), observou-se que os ensaios de dobramentos 2 e 3 mostram fissuras no metal-base, metal de adição e na ZTA. Essas fissuras ocorreram, possivelmente, devido à falta de preaquecimento antes da soldagem ou até mesmo de um pós-aquecimento, pois se um desses procedimentos fosse realizado, o calor escoaria lentamente pela massa do corpo de prova evitando, assim, o resfriamento rápido e poderia, dessa forma, ter um controle do teor de martensita no depósito de solda e na ZTA. Tabela 4 Resultado do ensaio de dobramento. Corpo de prova Quantidade de vezes Resultado DL 1 DL 2 C1 REPROVADO DL 3 Imagem das amostras DL 4 DL 1 DL 2 Figura 6 - Ensaio de dobramento C1 C2 DL 3 DL 4 DL 1 DL 2 REPROVADO Figura 7 - Ensaio de dobramento C2 C3 DL 3 REPROVADO DL 4 Figura 8 - Ensaio de dobramento C3 A Figura 9 mostra a imagem de microscopia ótica da amostra C1 na região de transição ZTA/Metal de adição com fase martensita de aspecto não revenido com presenças discretas de ferrita distribuídas preferencialmente em contornos de grãos e grãos colunares de bainita. A Figura 9(d) mostra os grãos colunares de bainita no metal de adição A Figura 10 mostra a imagem de microscopia ótica da amostra C2. A Figura 10(a) refere-se à matriz perlitica/ferritica, grãos ferriticos tamanho 7 e 8, microestrutura típica de aço médio carbono forjado, normalizado e revenido. A Figura 10(b) mostra a imagem de microscopia ótica da ZTA com fase martensita em decomposição com presença de grãos finos de ferrita, distribuídos preferencialmente em contornos de grãos.
(a) (b) (c) (d) Figura 9 Imagem de microscopia ótica da Amostra C1 com aumento de 100x: (a) Metal-base, (b) ZTA, (c) Transição ZTA/Metal de adição e (d) Metal de adição. (a) (b) (c) (d) Figura 10 Imagem de microscopia ótica da Amostra C2 com aumento de 100x: (a)metal-base, (b) ZTA, (c) Transição ZTA/Metal de adição e (d) Metal de adição. A Figura 11 mostra a microestrutura da amostra C3. Observou-se a matriz perlitica/ferritica, grãos ferriticos tamanho 7 e 8, microestrtutura típica de aço médio carbono forjado, normalizado e revenido. A Figura 11(b) mostra a fase martensita em decomposição com presença de grãos finos de ferrita, distribuídos preferencialmente em contornos de grãos. Na Figura 11(c), foi observada a martensita em decomposição com presença de grãos finos de ferrita, distribuídos preferencialmente em contornos de grãos e grãos colunares de bainita em decomposição e, na Figura 11(d), grãos colunares de bainita em decomposição, microestrutura típica de material bruto de solidificação. (a) (b) (c) (d) Figura 11 Imagem de microscopia ótica da Amostra C3 com aumento de 100x: (a)metal-base, (b) ZTA, (c) Transição ZTA/Metal de adição e (d) Metal de adição. Conclusão Ao longo do desenvolvimento deste estudo, observou-se que a soldagem de aços de médio carbono merece cuidados especiais. Todos os procedimentos experimentais feitos nos corpos de provas C1, C2 e C3 são os mesmos utilizados para qualificação de um procedimento de soldagem (ASME IX, PETROBRAS). Tratando-se do procedimento de inserto-eixo, foi comprovado que o melhor procedimento a ser adotado para a execução da soldagem é a mesma utilizada no corpo de prova C2, onde foi dado um preaquecimento de 250 C. Antes e após a soldagem, foi feito um tratamento térmico de alivio de tensões, o corpo de prova C1 apresentou bons resultados nos ensaios, porém devido à alta dureza encontrada, poderá fragilizar o material ocasionando trincas e fraturas, não podendo assim ser adotado para a soldagem do procedimento inserto-eixo. O corpo de prova C3 apresentou uma dureza mais baixa que os outros e, apesar de ter apresentado um bom resultado no ensaio de tração, foi reprovado no ensaio de dobramento pelo fato de ter apresentado várias fissuras, tanto no metal-base quanto no metal de adição. Considerando os mesmos procedimentos de qualificação de soldagem aplicados em todos os corpos de prova, observou-se que o corpo de prova C3 está reprovado por apresentar várias fissuras no ensaio de dobramento. O corpo de prova C1 ainda precisa de testes adicionais para uma conclusão mais precisa devido ao aparecimento de fissuras no ensaio de dobramento originado de uma inclusão de escória durante a soldagem; o corpo de prova C2 obteve resultado favorável no ensaio de dobramento, por meio do qual foi possível dobrar os quatro corpos de prova requeridos por normas sem que aparecesse fissura alguma em suas extremidades e, dos três, foi o que apresentou um média de dureza nem muito alta nem muito baixa.
Apesar de os três corpos de prova apresentarem resultado favorável no ensaio de tração, o único que foi aprovado e pode ser utilizado para a qualificação de um procedimento de soldagem é o corpo de prova C2. Por meio dessa qualificação, é possível elaborar uma EPS (especificação de procedimento de soldagem) e ser usado como procedimento para soldagem do material SAE J403 1045. Agradecimentos Agradecemos à Fatec-Sertãozinho pelo uso dos laboratórios. Referências CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: Materiais de Construção Mecânica - Volume I. 2. ed. São Paulo: MacGraw- Hill, 1986. DEDINI, I. B. ArquivosTécnicos, p. 126. GIMENES JÚNIOR, L. Tratamento Térmico em juntas soldadas. Coleção Tecnologia Mecânica SENAI, 1. ed., 1997, p. 125-140. MARQUES, P, V.; MONDENESI, P. J.; BRACARENSE, A. Q. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte: Editora UFTM, 2009, p. 181-203. STARLING, C. M. D.; MODENESI, P. J. ; BORBA, T. M. D. Caracterização do cordão na soldagem FCAW com um arame tubular rutílico. Soldagem & Inspeção, 2009, vol.14(4), p. 298.. Caracterização do cordão na soldagem FCAW com um arame tubular metal cored. Soldagem & Inspeção, 2011, vol.16(3), p.285. WAINER, E., BRANDI, S. D., MELO, V.O. Soldagem: Processos e Metalurgia. Edgard Blucher, 1992. WEISS, A. Soldagem. 1. ed. Curitiba: Editora do Livro Técnico, 2010.