Analise microestrutural de uma junta soldada de um aço 1045 soldado pelo processo eletrodo revestido com consumivel E7018

CENTRO PAULA SOUZA

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ITAQUERA

PROFESSOR MIGUEL REALE

ANALISE MICROESTRUTURAL MEDIANTE AOS PARMETROS DE

SOLDAGEM POR ELETRODO REVESTIDO E6013 COM AO ABNT

1045

DENILSON RIBEIRO

JEFERSON JOS DE CARVALHO

So Paulo

2015

CENTRO PAULA SOUZA

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ITAQUERA

PROFESSOR MIGUEL REALE

ANALISE MICROESTRUTURAL MEDIANTE AOS PARMETROS DE

SOLDAGEM POR ELETRODO REVESTIDO E6013 COM AO ABNT

1045

DENILSON RIBEIRO

JEFERSON JOS DE CARVALHO

So Paulo

2015

Trabalho realizado como requisito

para a concluso do Curso de

Tecnologia em Mecnica:

Processos de Soldagem.

Orientador: Prof. Dr. Paulo

Henrique Ogata.

Resumo

O presente trabalho visa investigar duas peas de ao ABNT 1045 soldadas

pelo processo eletrodo revestido E6013 com polaridade direta e inversa sem pr-

aquecimento da chapa. As microestruturas da zona afetada pelo calor (ZAC) foram

comparadas em diferentes regies, caracterizando o incio, duas regies

intermedirias e o final do procedimento de soldagem. As microestruturas foram

correlacionadas aos clculos de taxa de resfriamento, aporte trmico e determinao

da espessura chapa pela equao de Adams.

Houve engrossamento das ripas de martensita nas duas condies de

polarizao. As propriedades mecnicas foram obtidas a partir de medidas de

dureza Vickers.

Palavras-chave:

Ao ABNT 1045, processo eletrodo revestido E6013, martensita, polarizao

direta e inversa.

Abstract

This study aims to investigate two steel pieces of ABNT 1045 welded by shielded

metal arc welding E6013 process with forward and reverse polarity without

preheating the plate. The microstructure of the heat affected zone (HAZ) were

compared in different regions, featuring the outset, two intermediate regions and end

of the welding procedure to cooling rate calculations, heat input and determining the

thickness plate by Adams equation.

There was thickening of martensite laths in the two polarity conditions. The

mechanical properties were obtained from Vickers hardness measurements.

Keywords:

AISI 1045, shielded metal arc welding E6013 process, martensite, forward and

reverse polarity.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Esquema bsico de interligao do equipamento de soldagem por eletrodo

revestido [2] ............................................................................................................... 18

Figura 2: Juntas tpicas e posies de soldagem segundo ASME. [5] ...................... 20

Figura 3: Eletrodo revestido. [1] ................................................................................ 20

Figura 4: Vista frontal de uma chapa soldada com eletrodo rutlico nas polaridades

CA, CC- e CC+ respectivamente A Polaridade alternada; B- Polaridade inversa; C-

Polaridade direta. [7] ................................................................................................ 26

Figura 5: Ciclo trmico. [1]......................................................................................... 29

Figura 6: Grfico exemplo de repartio trmica. [1] ................................................. 30

Figura 7: Representao da distribuio de calor chapa fina (bidimensional). [1]..... 31

Figura 8: Representao da distribuio de calor chapa grossa (tridimensional). [1] 32

Figura 9: Diagrama de fases Fe-Fe3C. [8] ................................................................ 33

Figura 10: Representao esquemtica da microestrutura para uma liga ferro

carbono hipoeutetide. [9] ......................................................................................... 34

Figura 11: Fotomicrografia de um ao hipoeutetide mostrando a microestrutura da

perlita. Ferrita- fase clara e Fe3C camadas finas. [9] .............................................. 35

Figura 12: Esquema de uma curva de resfriamento continuo de um ao ABNT 1045.

.................................................................................................................................. 36

Figura 13: Diagrama de transformao isotrmica de ao hipoeutetide. [10].......... 37

Figura 14: Zona afetada pelo calor. [11] .................................................................... 40

Figura 15: Indentador de dureza Vickers. ................................................................. 42

Figura 16: Fresa VEKER modelo VK-430VP............................................................. 43

Figura 17:Equipamento utilizado no processo de soldagem ..................................... 44

Figura 18: Corte das amostras aps procedimento de soldagem ............................. 45

Figura 19: Sentido do processo de soldagem nas chapas de ao ABNT 1045 nas

polaridades da corrente direta (a e b) e inversa (c e d).Error! Bookmark not

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Figura 20: Penetrao em funo do aporte trmico e polaridade de corrente. ........ 54

Figura 21: rea do metal de solda em relao ao aporte trmico e polaridade da

corrente ..................................................................................................................... 55

Figura 22: rea da ZAC em funo do aporte trmico e polaridade da corrente ...... 55

Figura 23: Diluio em funo do aporte trmico e polaridade da corrente .............. 56

Figura 24: Macrografia dos cordes de solda depositados sobre a chapa de ao

ABNT 1045 nas polaridade direta (a,b,c,d) e inversa (e,f,g,h)................................... 58

Figura 25: macrografia referenciando regies de obteno de micrografias com

aumento de 50x; 200x e 1000x com microscpio ptico. .......................................... 61

Figura 26: Espessura mdia em micrometros das ripas de martensita. .................... 62

Figura 27: Zona de ligao. (a) amostra 1A; (b) amostra 1B; (c) amostra 1C; (d)

amostra 1D ................................................................................................................ 63

Figura 28: Zona de ligao. (a) amostra 2A; (b) amostra 2B; (c) amostra 2C; (d)

amostra 2D ................................................................................................................ 65

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Dimetros recomendados de cabos para soldagem segundo a norma NBR

68850-85. [2] ............................................................................................................. 18

Tabela 2: Valores de referncia para eletrodos de 4mm [1] ...................................... 23

Tabela 3 - Elementos adicionados ao revestimento. [1] ............................................ 23

Tabela 4: Especificaes AWS para eletrodos revestidos. [6] .................................. 24

Tabela 5 - Eficincia trmica de alguns processos de soldagem. [1] ........................ 28

Tabela 6 composio qumica do ao ABNT 1045 ................................................. 43

Tabela 7 Parmetros de soldagem ........................................................................ 45

LISTA DE SMBOLOS

C

O2

N2

TiO2

MPa

CO

CO2

Mn3O4

SiO2

Fe(NO3)3

A

CaCO3

Fe-Mn

FeO

Na

K

Fe-Si

Fe-Cr

Fe-Ni

C

Mn

S

P

Si

Temperatura em graus Celsius

Molcula de oxignio

Gs nitrognio

Oxido de titnio

Megapascal

xido de carbono

Dixido de carbono

xido de mangans

Slica

Nitratos de ferro

Ampre

Carbonato de clcio

Ferro mangans

xido de ferro (II)

Sdio

Potssio

Ferro silcio

Ferro cromo

Ferro nquel

Carbono

Mangans

Enxofre

Fsforo

Silcio

CA ()

CC (+)

CC (-)

V

I

v

CE

Mo

V

Cu

gf

m

mm/s

J/s

kJ/mm

T

kg

m

kgK

K

K/s

Corrente alternada

Corrente continua com polaridade direta

Corrente continua com polaridade inversa

Eficincia de transferncia

Tenso em volts

Corrente eltrica

Velocidade de soldagem

Carbono equivalente

Molibdnio

Vandio

Cobre

Grama fora

Micrometro

Milmetros por segundo

Joule por segundo

Quilo Joule por milmetro

Adimensional de Adams

Quilo grama

Metro cubico

Quilo grama multiplicado por Kelvin

Kelvin

Kelvin por segundo

ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT

Ao 1045

NBR 6880-85

ASME

AWS

TIG

MIG/MAG

ZAC

CCC

CFC

TTT

RPM

ZF

N-133

DIN -50133

Associao Brasileira de Normas Tcnicas

Ao com 0,45% de carbono

Norma brasileira para a classificao dos cabos de cobre

Sociedade Americana dos Engenheiros Mecnicos

Sociedade Americana de Solda

Tungstnio inerte gs

Gas Metal Arc Welding

Zona afetada pelo calor

Cubico de corpo centrado

Cubico de face centrada

Tempo, temperatura e transformao.

Rotaes por minuto

Zona fundida

Norma de soldagem estabelecida pela Petrobrs

Ensaios de materiais metlicos

1. SUMRIO

1 Introduo e justificativas ...................................................................................... 14

2 Objetivo ................................................................................................................. 15

3. Reviso Bibliogrfica ............................................................................................. 16

3.1 Caractersticas do processo ................................................................................ 16

3.2 Fundamentos do processo .................................................................................. 16

3.2.1 Influncia da atmosfera na poa de fuso ........................................................ 16

3.2.2 Oxignio ........................................................................................................... 17

3.2.3 Nitrognio ......................................................................................................... 17

3.3 Processo de eletrodo revestido ........................................................................... 17

3.3.1 Porta eletrodos ................................................................................................. 18

3.3.2 Cabos flexveis ................................................................................................. 18

3.3.3 Pina de ligao ............................................................................................... 19

3.3.4 Fonte de energia .............................................................................................. 20

3.4 Posies de soldagem ........................................................................................ 20

3.5 Consumveis ........................................................................................................ 20

3.5.1 Alma ................................................................................................................. 20

3.5.2 Revestimento ................................................................................................... 21

3.5.3 Funes do revestimento ................................................................................. 21

3.5.4 Funo eltrica ................................................................................................. 21

3.5.5 Funo metalrgica .......................................................................................... 21

3.5.6 Funo mecnica e operatria ......................................................................... 22

3.5.7 Classificao dos eletrodos revestidos............................................................. 22

3.5.8 Classificao em relao espessura ............................................................. 22

3.5.9 Determinao da corrente atravs da classificao da espessura do

revestimento .............................................................................................................. 22

3.5.10 Classificao em relao composio qumica ........................................... 23

3.5.11 Classificao do eletrodo rutlico .................................................................... 23

3.5.12 Especificao AWS para eletrodos revestidos ............................................... 24

3.6 Parmetros de soldagem .................................................................................... 25

3.8 Energia de soldagem ou aporte trmico .............................................................. 27

3.9 Diluio................................................................................................................ 28

3.10 Ciclo trmico ...................................................................................................... 29

3.11 Gradiente trmico .............................................................................................. 30

3.12 Diagrama de equilbrio Fe-C ............................................................................. 33

3.13 Diagrama de equilbrio Fe-C de um ao hipoeutetide ..................................... 34

3.14 Diagrama de transformao tempo e temperatura ............................................ 35

3.15 Nucleao e crescimento do gro ..................................................................... 38

3.16 Solidificao da poa de fuso .......................................................................... 38

3.17 Transformao da zona fundida ........................................................................ 39

3.18 Zona afetada pelo calor do ao ABNT 1045 ...................................................... 39

3.18.1 (Zona 1) Solidificao do metal de solda ........................................................ 41

3.18.2 (Zona 2) Linha de fuso ................................................................................. 41

3.18.3 (Zona 3) Gros grosseiros .............................................................................. 41

3.18.4 (Zona 4) Gros finos....................................................................................... 41

3.18.5 (Zona 5) Regio intercrtica ............................................................................ 41

3.18.6 (Zona 6) Regio subcrtica ............................................................................. 42

3.18.7 (Zona 7) Regio no afetada (metal de base) ................................................ 42

3.19 Ensaio mecnico de microdureza Vickers (HV) ................................................ 42

4. Materiais e Mtodos .............................................................................................. 43

4.1 Preparao das amostras para ensaios metalogrficos ...................................... 45

4.2 Equipamentos para os ensaios mecnicos ......................................................... 46

5. Resultados e Discusses ...................................................................................... 47

5.1 Identificao das regies analisadas aps procedimento de soldagem 47

5.2 Clculo da velocidade de soldagem .................................................................... 49

5.2.1 Polaridade direta .............................................................................................. 49

5.2.2 Polaridade inversa ............................................................................................ 49

5.3 Aporte de calor .................................................................................................... 49



5.4 Determinao chapa fina ou chapa grossa ......................................................... 51



5.5 Clculo da velocidade de resfriamento................................................................ 52



5.6 Determinao de resultados utilizando metalografia quantitativa via software

ImageJ .................................................................................................................... 54

5.7 Macrografias das amostras soldadas com polarizao direta e inversa ............. 56

5.8 Analise microestrutural ........................................................................................ 60

5.9 Caracterizao da zona de ligao para as polarizaes direta e inversa .......... 62



5.9.3 MICRODUREZA VICKERS ...................................................................................... 66

6. Concluses ........................................................................................................... 68

7. Referncias Bibliogrficas ..................................................................................... 69

14

1 Introduo e justificativas

Soldagem a operao responsvel pela unio de duas ou mais peas,

assegurando a continuidade das propriedades fsicas e qumicas do material, sendo

largamente usada na fabricao de peas equipamentos e estruturas. Considerando

a necessidade de se obter uma boa relao entre resistncia mecnica e resistncia

fratura, o ao ABNT 1045 ainda muito utilizado no Brasil para esses fins, sendo

que para solda-lo, o processo de soldagem por eletrodo revestido, dentre tantos

outros, ainda pode ser considerado uma excelente opo devido a sua versatilidade,

custo e facilidade de execuo do processo.

Nesse contexto, o desconhecimento do soldador ou a simples

desconsiderao de certos parmetros como: temperabilidade e velocidade de

resfriamento do ao 1045 podem resultar em problemas graves e inesperados. Aps

uma operao de soldagem o material pode se tornar extremamente frgil e

suscetvel a trincas. Para evitar problemas, o projeto de soldagem deve

correlacionar a microestrutura com as propriedades mecnicas desejadas,

assegurando a qualidade do resultado final do processo.

Em um ao com 0,45% de carbono, recomenda-se a utilizao de um pr-

aquecimento com temperatura mdia de 200C, para que diminua o gradiente de

temperatura fornecida pela energia de soldagem e evite a formao de fases frgeis

como a martensita. Investigar a influncia da temperabilidade e a ausncia do pr-

aquecimento durante o procedimento de soldagem nas polaridades direta e inversa,

em relao s propriedades mecnicas obtidas no final da operao muito

importante. A desconsiderao desses parmetros podem causar falhas e danos a

estruturas e equipamentos, assim como, ocasionar prejuzos econmicos a uma

indstria, como por exemplo uma parada na produo para reparos em peas que

quebraram por algum defeito de fabricao, ou at mesmo riscos a integridade fsica

de pessoas, como a queda de uma ponte.

15

2 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo correlacionar as variveis envolvidas no

processo de soldagem por eletrodo revestido usando polarizao direta e inversa

sem preaquecimento da chapa. As variveis estudadas foram correlacionadas as

microestruturas resultantes na zona afetada pelo calor com os clculos de aporte de

calor, espessura da chapa e taxa de resfriamento.

16

3 Reviso Bibliogrfica

3.1 Caractersticas do processo

Soldagem com eletrodo revestido um processo do qual ocorre a abertura de

um arco eltrico, estabelecido entre o metal base e o eletrodo. Durante o processo a

pea de trabalho e o eletrodo so fundidos e esta regio protegida dos gases

oxignio e nitrognio presentes na atmosfera por uma coluna gasosa (O2 e N2),

como tambm por meio de um banho de escria (resduo originado da fuso de

certos componentes qumicos, como o xido de titnio (TiO2) provenientes da

queima do revestimento do eletrodo. [1]

A soldagem comea quando um curto circuito estabelecido atravs de um

contato entre a extremidade do eletrodo e a superfcie da pea de trabalho gerando

um arco eltrico. O calor intenso do arco derrete o metal base e a extremidade do

eletrodo. Durante o processo formam-se rapidamente glbulos de metal fundido na

ponta do consumvel, que se transferem atravs do arco para a poa de fuso

adicionando o material desejado. Tanto na posio plana como na horizontal, a

transferncia de metal induzida pela fora da gravidade, expanso do gs e por

foras eltricas e eletromagnticas. Para soldas em outras posies, a gravidade se

ope a essas foras. [1,2]

3.2 Fundamentos do processo

3.2.1 Influncia da atmosfera na poa de fuso

A falta de revestimento do eletrodo causa a perda da resistncia mecnica

podendo se tornar inferior a 250 Mpa, pois falta da proteo gasosa proporciona

contaminaes dos gases nitrognio e oxignio em relao ao metal do eletrodo que

por sua vez acaba se tornando nitretado e oxidado. [1,2]

17

3.2.2 Oxignio

Mediante a presena de oxignio durante a fuso, ocorre transformao do

carbono em xido de carbono (CO), dixido de carbono (CO2) e mangans em xido

de mangans (Mn3O4). O oxignio envolvido em todo processo proporciona a

formao de uma escria de slica (SiO2), devido a preferncia do silcio por esse

gs. Todas essas transformaes podem proporcionar a perda das propriedades

mecnicas no resultado final, por esse motivo necessrio presena de elementos

de liga no revestimento do eletrodo para que seja atingida uma composio qumica

desejada. [1]

3.2.3 Nitrognio

As altas temperaturas, geradas pelo estabelecimento do arco eltrico,

proporcionam a formao do nitrato de ferro. Nessas condies, mesmo que seja

em pequenas propores, a solda se tornar frgil devido baixa resilincia obtida

no resultado final. [1,2]

A presena de nitratos de ferro Fe(NO3)3 proporcionam um aumento substancial

da dureza e resistncia trao, porm diminui rapidamente o alongamento a

ruptura, estrico, fadiga e resilincia. [1,2]

3.3 Processo de eletrodo revestido

O curto circuito comea com uma fonte geradora de energia que estabelece uma

conexo eltrica atravs dos cabos de solda, um porta eletrodo, pina para ligao a

pea, metal base, e um eletrodo (figura 1). Um dos dois cabos a partir da fonte de

alimentao est ligado a garra negativa e o outro ao porta eletrodo. [1,2]

18

Figura 3-1: Esquema bsico de interligao do equipamento de soldagem por eletrodo revestido [2]

3.3.1 Porta eletrodos

Serve para prender o eletrodo atravs de suas garras de contato. Possui as

partes externas totalmente isoladas e varia seu tamanho, peso e isolao de acordo

com a intensidade de corrente aplicada durante o processo. Esses fatores de

dimensionamento influenciam diretamente na fadiga do soldador, devendo ser

considerado na aplicao do projeto de soldagem. [1,2]

3.3.2 Cabos flexveis

So responsveis pelo transporte da corrente eltrica que transita da fonte de

energia para pea de trabalho, como tambm seu caminho contrrio. [1,2]

Segundo a norma NBR 6880-85, mostra os dimetros recomendados para cabos de

soldagem, porm para o seu dimensionamento tambm devem ser considerado os

seguintes parmetros: [2]

19

Tabela 3-1 Dimetros recomendados de cabos para soldagem segundo a norma NBR 68850-85 [2].

Corrente de soldagem: Quanto mais elevada a sua intensidade maior ser o

dimetro do cabo, pois proporcionar uma menor chance de superaquecimento,

devido a um menor numero de colises dos tomos do seu interior com os eltrons

em deslocamento. [1,3]

Ciclo de trabalho do equipamento: a relao entre o perodo de soldagem

(Arco Aberto) em um determinado perodo de tempo. O cabo segue o mesmo

propsito de dimensionamento em relao a corrente de soldagem. [1]

Comprimento total dos cabos do circuito: a fuga de corrente em cabos eltricos

de longa distncia se traduz em queda de tenso e aumento da corrente em

ampres devido resistncia passagem dos eltrons pelo condutor (fio) de acordo

com a distncia a ser percorrida. [1,3]

3.3.3 Pina de ligao

Proporciona o aterramento e fechamento do circuito para o deslocamento da

corrente eltrica e so conectados ao cabo de interligao. [2]

20

3.3.4 Fonte de energia

Tem funo de produzir sadas, variar e permitir os ajustes de corrente e tenso

para que possa ser possvel obter os seus valores desejados durante o

procedimento de soldagem. [4]

3.4 Posies de soldagem

As juntas tpicas e posies de soldagem so regidas pela norma QW-461.3

ASME seo IX e podem variar de acordo com especificao do eletrodo, porm o

eletrodo E6013 que ser utilizado no projeto poder ser usada na posio plana 1G

[5].

Figura 3-2: Juntas tpicas e posies de soldagem segundo ASME IX. [5]

3.5 Consumveis

Os eletrodos revestidos so constitudos de uma alma metlica, um

revestimento orgnico e/ou mineral figura 3-3. [1]

Figura 3-3: Eletrodo revestido. [1]

3.5.1 Alma

O eletrodo, devido ao seu ncleo metlico do qual denominado de alma,

proporciona a conduo da corrente eltrica. No h necessidade de que a

21

composio qumica do ncleo metlico do eletrodo seja a mesma do metal de base,

pois o ajuste da composio qumica desejada ser feito por componentes

presentes no revestimento. [1]

3.5.2 Revestimento

Tem como objetivo proporcionar a melhora da conduo e estabilidade do arco

eltrico, proteger a poa de fuso contra os gases presentes na atmosfera externa a

ela, adicionar elementos qumicos para a obteno da composio qumica

desejada. [1]

3.5.3 Funes do revestimento

As funes do revestimento podem ser classificadas nos seguintes grupos:

3.5.4 Funo eltrica

No processo de soldagem por eletrodo revestido o surgimento do arco eltrico

proporciona a formao de uma coluna gasosa (O2 e N2), onde est presente uma

grande quantidade de ons. Essa ao ionizante pode ser atribuda aos silicatos

presentes no revestimento, permitindo uma melhor conduo e estabilidade do arco,

proporcionado pelo grande numero de ons positivos e eltrons que se atraem. [1,2]

3.5.5 Funo metalrgica

Depositar escria que protegera o banho de fuso do resfriamento rpido,

funcionando como um importante isolante trmico. Tambm tem o objetivo de evitar

a formao de poros devido liberao dos gases retidos no interior do metal

depositado. [1]

22

3.5.6 Funo mecnica e operatria

A fuso do eletrodo permite a formao de uma concavidade denominada de

cratera. Essa depresso proporciona o direcionamento do arco eltrico e das gotas

do metal fundido. [1]

3.5.7 Classificao dos eletrodos revestidos

Os eletrodos revestidos so classificados em relao aos seguintes parmetros:

3.5.8 Classificao em relao espessura

De acordo com a espessura do revestimento possvel determinar os nveis de

corrente a serem empregados, tambm determina a classifica-los em:

Peculiar ou fino: espessura inferior a 10% do dimetro da alma, por tal motivo,

empregado quando se realiza servios que exigem baixos nveis de

corrente, pois est proporcional a espessura do revestimento. [1]

Semi-espesso: Espessura entre 10 a 20% do dimetro da alma. [1]

Espesso: Espessura entre 20 a 40% do dimetro da alma. [1]

Muito espesso: espessura superior a 40% do dimetro da alma. [1]

3.5.9 Determinao da corrente atravs da classificao da

espessura do revestimento

Todos os eletrodos trabalham com uma faixa de corrente da qual permite uma

execuo de soldagem ideal. O limite mximo da faixa aquele no qual a

intensidade da corrente queima e danifica o revestimento. O limite mnimo no

proporciona uma boa estabilidade do arco, pois no alcana valores que variam de

acordo com a espessura do revestimento (2), que permitam condies de criar uma

coluna gasosa e ionizante boa o suficiente para o deslocamento e atrao dos

eltrons em relao aos ons positivos. [1]

23

Tabela 3-2: Valores de referncia para eletrodos de 4mm [1]

Tipo de revestimento Intensidade de corrente

Fino 130A

Semi-espesso 150A

Espesso 170A

Muito espesso 200 a 220A

3.5.10 Classificao em relao composio qumica

Um conjunto de diferentes elementos qumicos faz parte do revestimento do

eletrodo, dos quais realizam funes diferentes. [1]

Tabela 3-3 - Elementos adicionados ao revestimento. [1]

Funes desejadas Elementos adicionados

Formadores de gs Celulose, dolomita, CaCO3, etc.

Formadores de escria e materiais

fundamentais

Argila, talco, TiO2, CaCO3, Fe-Mn, FeO,

feldspato, asbestos, etc.

Estabilizadores de arco TiO2, ilmenita, silicatos de Na e K, etc.

Desoxidante Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Cr, etc.

Elementos de liga Fe-Ni, Fe-Mn, Fe-Cr, etc.

O elemento usado como base aquele que est mais presente no revestimento.

[1]

Dentro de 5 grupos de revestimentos (oxidante, cido, rutlico, celulsico e

bsico) apenas o revestimento rutlico ser utilizado, devido as exigncias do

projeto.

3.5.11 Classificao do eletrodo rutlico

Esses eletrodos possuem em sua composio qumica mais de 20% de xido

de titnio TiO2, sendo este o elemento predominante. Este componente permite uma

24

boa estabilidade do arco e uma pequena quantidade de respingos. [1]

Caractersticas decorrentes do eletrodo rutlico:

Escria: Densa, abundante e de fcil destacamento. [1]

Posio de soldagem: Todas. [1]

Corrente: Podem ser utilizados tanto na corrente contnua com na alternada,

sendo que produzira um cordo de bom aspecto de mdia e baixa

penetrao. [1]

Composio qumica segundo a norma AWS A5.1 para o eletrodo E6013:

Carbono C, Mangans Mn, Enxofre S, Fsforo P, Silcio Si (C: 0.12;

0.3Mn0.6; S: 0.035; P: 0.04; Si: 0.35). [6]

3.5.12 Especificao AWS para eletrodos revestidos

A tabela 3-4 mostra a identificao dos eletrodos segundo a

AWS American Welding Society (Sociedade Americana de Solda), padro aceito

em todo o mundo. [1]

Tabela 3-4: Especificaes AWS para eletrodos revestidos. [6]

A especificao utilizada com base no projeto, devido ao ao carbono 1045,

ser a (AWS A 5.1) para o E6013. [7]

25

Figura 3-4 Especificao AWS A5.1. [7]

3.5.13 E6013 A resistncia mnima trao do metal depositado de 60ksi,

aproximadamente 430 MPa. A soldagem com este eletrodo pode ser realizada em

todas as posies e, em correntes CA (alternada), CC+ (inversa) ou CC-(direta). O

seu revestimento do tipo rutlico e ligado com silicato de potssio. [6]

3.6 Parmetros de soldagem

Para o processo soldagem eletrodo revestido existem alguns parmetros que

devem ser levados em considerao como o dimetro do eletrodo, polaridade,

corrente, comprimento do arco e velocidade de soldagem. Estes parmetros foram

discutidos a seguir. [1]

Dimetro do eletrodo: A intensidade da corrente varia em relao espessura

do eletrodo (maior dimetro necessita de maior corrente). O dimetro do eletrodo

escolhido em funo da espessura do metal base. Se um eletrodo tiver um dimetro

muito pequeno em relao ao metal base, a corrente utilizada para realizar a fuso

do eletrodo no ser suficiente para fundir o metal base.[1]

Polaridade da corrente: Influencia diretamente na geometria do cordo, pois a

polaridade muda o tipo de transferncia da corrente proporcionando diferenas na

26

relao de calor entre a pea de trabalho e o eletrodo. Existem trs tipos de

polaridade aplicados ao processo, como:

Corrente alternada CA (): a corrente alternada tem como caracterstica

penetrao e taxa de fuso mdia.

Polaridade inversa CC (+): a polaridade inversa tem como caracterstica maior

penetrao e taxa de deposio do eletrodo e uma menor taxa de fuso.

Polaridade direta CC (-): a polaridade direta tem como caracterstica maior

taxa de fuso do metal base e menor penetrao e taxa de deposio do

eletrodo.

A figura 3-5 apresenta as caractersticas do cordo de solda em relao a

polaridade da corrente aplicada ao processo de soldagem por eletrodo revestido.

Figura 3-5: Vista frontal de uma chapa soldada com eletrodo rutlico nas polaridades CA, CC- e CC+ respectivamente A Polaridade alternada; B- Polaridade inversa; C- Polaridade direta. [8]

A figura A representa a polaridade em soldagem por corrente alternada, com

media deposio de material, a figura B representa a polaridade inversa com maior

penetrao e a figura C representa a soldagem na polaridade direta menor

penetrao, porm, maior fuso do metal base. [8]

O presente trabalho ir utilizar a polaridade inversa e direta.

1. Corrente de soldagem: A intensidade da corrente influencia na geometria do

cordo, como: volume, largura e penetrao da poa de fuso. [1]

A B C

27

2. Comprimento do arco: um parmetro que depende da habilidade do

soldador. Caso o arco seja formado a grandes distncias causa muitos respingos e

uma m proteo da poa de fuso, em contrapartida um arco formado a curta

distncia gera uma largura desproporcional do cordo de solda. [1]

3. Velocidade de soldagem: Tambm influencia na geometria do cordo.

Velocidade alta proporciona cordes estreitos; velocidade baixa resulta em cordes

largos (este fato pode ser compreendido se pensarmos na quantidade de calor por

unidade de rea, se o tempo muito alto, a realizao da operao prolongada).

[1]

3.7 Velocidade de soldagem

a relao entre a distncia de soldagem pelo tempo de execuo do

procedimento, podendo ser verificada pela equao 3-1. [1]

=

(3-1)

v Velocidade de soldagem

d - Distncia

t Tempo

3.8 Energia de soldagem ou aporte trmico

a quantidade de calor por unidade de comprimento fornecida a um material

como mostra a equao 3-2. Quando adicionado, proporciona ciclos trmicos de

curta durao que causam modificaes microestruturais e consequentemente nas

propriedades mecnicas do metal base. [1]

28

= .

(3-2)

Embora cada processo tenha uma eficincia trmica diferente

Tabela 3-55, ela pode variar pouco dentro de cada processo, sendo assim para

aumentar a energia de soldagem e consequentemente a quantidade de calor por

unidade de rea fornecido a pea, ser necessrio realizar a modificao de alguns

parmetros como diminuir a velocidade de soldagem e ou aumentar a tenso e

corrente. [1]

Tabela 3-5 - Eficincia trmica de alguns processos de soldagem. [1]

Processo EficinciaTrmica (%)

TIG 20 - 50

MIG 70 - 85

EletrodoRevestido 70 - 80

Arco Submerso 90 - 99

3.9 Diluio

Representa a quantidade de massa fundida de metal de base em relao

massa total do cordo de solda e pode ser verificada pela equao a seguir. [1].

29

(3-3)

A: rea com participao do metal (metal de solda)

B: rea total do cordo de solda

3.10 Ciclo trmico

Ciclo trmico a variao de temperatura (T) em funo do tempo (t). Atravs

da (3-6) possvel compreender o comportamento do resfriamento em funo

desses dois parmetros. [1]

Figura 3-6: Ciclo trmico. [1]

Na equao a seguir possvel calcular a velocidade de resfriamento atravs

da variao de temperatura pela variao de tempo em um dado ponto, permitindo

que seja possvel prever a microestrutura que ser obtida. [1]

=

(3-4)

Vr = Velocidade de resfriamento

dT = Variao de temperatura

30

Dt = Variao de tempo de resfriamento

O ciclo trmico est altamente relacionado com as transformaes de fase que

ocorrem em funo do resfriamento, permitindo obter o entendimento da

microestrutura que ser formada pode sofrer alteraes devido aos seguintes fatores

[1].

Tanto a temperatura mxima quanto a velocidade de resfriamento esto

diretamente ligadas s propriedades fsicas do metal de base.

A velocidade de resfriamento inversamente proporcional temperatura

inicial da pea e aporte trmico empregado.

A rea da ZAC diretamente proporcionou a temperatura de preaquecimento.

O aumento do aporte trmico responsvel por reduzir o gradiente trmico e

diminui a velocidade de resfriamento.

3.11 Gradiente trmico

So picos de temperatura, obtidos atravs dos ciclos trmicos, atingidos

em funo de cada regio extenso da zona afetada pelo calor (ZAC). [1]

Figura 3-7: Grfico exemplo de repartio trmica. [1]

31

Dois materiais iguais em sua composio qumica, porm diferentes em

suas dimenses no tero reparties trmicas iguais, pois os ciclos trmicos

para materiais mais espessos so diferentes, devido a sua capacidade de

conduzir calor ser maior, logo a microestrutura no ser a esperada. [1]

Atravs das dimenses de uma chapa possvel se determinar a

velocidade de resfriamento e assim ter parmetros para determinar os picos

de temperatura em funo do tempo figura 11. [1]

Em uma chapa fina o fluxo de calor bidimensional figura 3-8

representado pela equao 3-4.

Figura 3-8: Representao da distribuio de calor chapa fina (bidimensional). [1]

= 2 (

) ( ) (3-5)

32

Em uma chapa grossa os fluxos de calor so tridimensionais.

Figura 3-9: Representao da distribuio de calor chapa grossa (tridimensional). [1]

= ( )

(3-6)

A definio de uma chapa fina ou grossa dada na equao 3-6, onde

utilizado o adimensional de Adams, sendo que um valor abaixo de 0,75

caracteriza uma chapa bidimensional e superior uma tridimensional.

=

( )

(3-7)

33

3.12 Diagrama de equilbrio Fe-C

So mapas que permitem prever as fases e microestrutura do ao carbono em

funo da temperatura e composio de cada componente figura 3-10.

considerado um diagrama binrio, pois envolve dois componentes, ferro (Fe) e

carbono (C). [9,10]

Figura 3-10: Diagrama de fases Fe-Fe3C. [8]

Atravs do diagrama pode se identificar as seguintes fases:

Ferro-: Soluo slida de carbono em Ferro- (CCC). Apresenta solubilidade

de 0,008% de C a temperatura ambiente de no mximo 0,02% a 727C.

34

Austenita-: Soluo slida intersticial de carbono no ferro-CFC). Consegue

dissolver um teor de C muito mais alto do que a ferrita (at 2,11% a 1148 C).

Cementita: Carboneto de ferro de estrutura ortorrmbica. representada por

uma linha vertical passando pela composio de 6,7% C.

FERRO-: soluo de carbono em ferro com estrutura CCC, existente a altas

temperaturas (acima de 1394C).

3.13 Diagrama de equilbrio Fe-C de um ao hipoeutetide

Esse ao uma liga de ferro-carbono com composio superior a 0,022% e

inferior a 0,76% de carbono. Ser abordada devido ao ao empregado no projeto

possuir 0,45% de carbono. A formao de suas microestruturas est representada

na figura 3-11. [10]

Figura 3-11: Representao esquemtica da microestrutura para uma liga ferro carbono

hipoeutetide. [10]

35

Nesse tipo de ao forma-se uma fase denominada de perlita figura 3-12. A sua

formao consiste em camadas alternadas de ferrita- e Fe3C (carboneto de ferro,

um composto cristalino, duro e quebradio, encontrvel em alguns aos e no ferro

fundido sob a forma de lminas ou plaquetas). [10].

A figura 3-12 representa uma imagem obtida de uma microestrutura de um ao

hipoeutetide onde possvel de visualizar os diferentes microconstituintes como a

ferrita e perlita.

Figura 3-12: Fotomicrografia de um ao hipoeutetide mostrando a microestrutura da perlita. Ferrita-

fase clara e Fe3C camadas finas. [10]

Por volta de 875C, ponto c, a microestrutura presente ser constituda de

apenas austenita. Quando o resfriamento atingir o ponto d, aproximadamente 775C,

comeara a se formar o ferro- nos contornos de gros da austenita presente. No

ponto e, existe uma maior proporo de ferro- sendo que as partculas de

cresceram mais ainda. No ponto f, toda a austenita anteriormente presente se

tornar em perlita. A ferrita formada antes da linha de temperatura Te denominada

de ferrita-proeutetide, porm a que se forma depois denominada de ferrita

eutetide. [10]

3.14 Diagrama de transformao tempo e temperatura

Para a analise de cada transformao elaborado um estudo atravs da curva

TTT (tempo, temperatura e transformao). A figura 3-13 apresenta a grfico de

temperatura em relao ao Log do tempo.

36

Figura 3-13: Esquema de uma curva de resfriamento continuo de um ao AISI 1045 temperado, as

linhas Ms e Mf indicam inicio e fim da transformao martensitica, P perltico e B baintico. [11].

Aplicado para analise microestruturais durante o resfriamento de uma junta

soldada, cada um desses constituintes est ligado ao ferro-carbono. Podendo haver

alteraes em analises devido a presena em diferentes concentraes de

elementos de liga e composio qumica presentes. [12]

Altas velocidades de resfriamento fazem com que o material transforme em uma

das microconstituintes a seguir:

Bainita: constituinte formado quando a austenita resfriada rapidamente at

certa temperatura, usualmente na faixa entre 200 e 400C, e estabilizada sua

temperatura por certo tempo. A bainita uma disperso de

carbetossubmicroscpicos em uma matriz altamente deformada e que contm mais

de 0,02% C. [12]

Martensita: constituinte que pode ser formado quando a austenita resfriada

de maneira brusca, como no tratamento trmico de tmpera. uma fase

extremamente dura e frgil, na qual todo o carbono fica aprisionado em soluo

slida supersaturada. O carbono em excesso distorce a estrutura cristalina,

tornando-a tetragonal de corpo centrado (TCC). [12]

Ensaio facilmente reproduzido em laboratrio, da seguinte forma: obteno de

corpos de prova de ao de pequenas dimenses, que ao ser esfriado em

37

velocidades diferentes, sendo que o resfriamento ocorre em toda sua seo ao

mesmo tempo. So aquecidos at o campo austentico, em seguida so

mergulhados em banho liquido (Sal ou Chumbo fundido) em temperaturas variveis

(720C a 670C) abaixo da zona critica de maneira controlada e de forma

decrescente at se formar sua estrutura caracterstica (ferrita mais perlita, somente

perlita, ou perlita mais cementita). [12]

O processo de transformao acompanhado pelo exame da microestrutura

atravs de microscpio ptico, se no houve transformao, a observao

evidenciar o fato detectando a presena de outro constituinte estrutural. O que se

evidenciar atravs do diagrama de transformao isotrmica conforme figura 3-14

apresenta o diagrama de transformao isotrmica. [13]

Figura 3-14: Diagrama de transformao isotrmica de ao hipoeutetide as linhas Mi e Mf indicam

inicio e fim da transformao martensitica, respectivamente. P, F e A indicam campo perltico, ferrtico

e austenitico. [13]

O diagrama de transformao isotrmica demonstra as diferentes

microestruturas possveis de se obter a partir do tempo de resfriamento, o que

permite determinar diferentes formaes de fase em relao ao resfriamento, tendo

como exemplo a formao da martensita, que necessita de uma alta taxa de

resfriamento para sua formao. [13]

38

3.15 Nucleao e crescimento do gro

A solidificao ocorre na passagem do estado liquido da poa de fuso para o

estado solido, envolvendo a mudana da estrutura cristalina: Amorfo para CCC

(Cubico Corpo Centrado), provocando a contrao de volume no metal analisado,

ainda podendo ocasionar a mudana das propriedades qumicas devido aos

fenmenos de micro e macro segregao. O que determina as propriedades

mecnicas, qumicas e fsicas do material. [2]

A solidificao do metal acorre atravs da nucleao e crescimento do gro,

formando sua rede cristalina CCC, caso no haja interferncia de agentes externos

a nucleao homognea. Caso o material apresente impurezas, inoculantes como:

carbetos de titnio ou vandio; os mesmos podem servir como ncleos existentes no

material e esta condio chamada de nucleao heterognea. O crescimento

passando pela interface slido-lquido pode ser atomicamente difusa ou plana,

geralmente em metais ou ligas, apresenta em uma mesma variao de temperatura

um crescimento continuo e rpido. [2]

3.16 Solidificao da poa de fuso

Na zona de ligao entre a solda e o metal base gerada uma zona de fuso

parcial, a partir desta zona ocorre solidificao da solda e o crescimento dos gros

seguindo a orientao da rede cristalina dos gros da regio parcialmente fundida

(crescimento epitaxial), alm de existir o crescimento competitivo que determinado

pela direo do gradiente de extrao de calor e direo do reticulado cristalino

(100). [2]

O crescimento epitaxial e o competitivo podem ser influenciados pelo gradiente

trmico, velocidade de solidificao e concentrao de soluto e esses parmetros

determinam durante a solidificao da poa de fuso se a estrutura final ser

grosseira ou refinada. [2,13]

A velocidade de solidificao proporcional ao gradiente trmico, que pode ser

determinado na poa de fuso pela diferena entre temperatura media do arco na

poa e a temperatura lquidos do material, aproximadamente 1520C para o ao

ABNT 1045.

39

3.17 Transformao da zona fundida

A transformao do metal de solda ocorre em condies fora do equilbrio e com

velocidade de resfriamento alta. Os fatores considerveis para determinar a

microestrutura final do metal de solda so: elementos de liga, concentrao,

composio qumica, incluses no metlicas, tamanho do gro da austenita

anterior e ciclo trmico de soldagem. [2,13]

3.18 Zona afetada pelo calor do ao ABNT 1045

O ao carbono 1045 apresenta mdia soldabilidade como pode ser verificado

pela equao 3-8 (formula do carbono equivalente (CE)) que tem como objetivo

fornecer informaes sobre a temperabilidade do ao (capacidade de endurecer o

ao atravs do arrefecimento brusco), e tambm o quanto est suscetvel a trincas

mediante a aplicao de calor. [1]

(3-8)

Para este material, levando em considerao no mximo 0,90% de mangans e

0,45% de carbono, aplicando-se a formula ser obtido um valor aproximado de

0,60% de carbono equivalente. Portanto, para 0,40

40

em sua estrutura denominada de Zona Afetada pelo Calor (ZAC) podendo ser

subdividida em outras regies conforme indicado na figura 3-15. Nestas regies do

ao carbono que so afetadas pelo calor encontra-se diferentes caractersticas da

microestrutura das quais podem ser listadas como (zona 1) zona de solidificao do

metal de solda, (zona 2) linha de fuso, (zona 3) regio de gros grosseiros, (zona

4) regio de gros finos, (zona 5) regio intercrtica, (zona 6) regio subcrtica, (zona

7) metal base. [14].

Figura 3-15: Zona afetada pelo calor. [14]

As regies da figura 3-15 so abordadas a seguir.

41

3.18.1 (Zona 1) Solidificao do metal de solda

a regio na qual a temperatura de processamento suficiente para fundir os

materiais envolvidos, ou seja, parte de metal base juntamente com parte do metal de

adio passam para a forma lquida formando a poa de fuso. [14]

3.18.2 (Zona 2) Linha de fuso

Regio de ligao que est entre a zona fundida e a zona afetada pelo calor.[14]

3.18.3 (Zona 3) Gros grosseiros

Regio adjacente linha de fuso com temperaturas de 1100 e 1500 C

aproximadamente, onde se obtm a fase austenita. A alta velocidade de

aquecimento causada pelos ciclos de soldagem proporciona um superaquecimento

dessa fase resultado em uma microestrutura de gros grosseiros. [14]

3.18.4 (Zona 4) Gros finos

ZAC de gros finos Regio com aquecimento de 900 a 1100 C

caracterizada pelo menor tamanho de gro na microestrutura do ao, sendo que

quanto mais afastada da poa de fuso mais finos sero os gros e

consequentemente maior sua tenacidade. [14]

3.18.5 (Zona 5) Regio intercrtica

Regio com aquecimento entre 727 a 910C aproximadamente, caracterizada

pela transformao parcial da austenita. A microestrutura resultante ser refinada,

porm dependendo da velocidade de resfriamento, esta austenita pode decompor-se

em perlita, bainita. [14]

42

3.18.6 (Zona 6) Regio subcrtica

Regio com aquecimento entre 600 a 727C, da qual no possui nenhuma

transformao austentica, porm o ao pode sofrer efeitos da temperatura, pois

esta regio pode ser revenida (reaquecimento das peas temperadas, a

temperaturas de por volta de 50C abaixo da linha inferior de transformao do ao)

e consequentemente, apresentar queda da resistncia mecnica ou dureza, em

relao ao metal base. [14]

3.18.7 (Zona 7) Regio no afetada (metal de base)

a regio constituinte da junta soldada que no sofreu qualquer alterao em

suas caractersticas fsicas, qumicas ou metalrgicas mediante a aplicao de calor.

[1]

3.19 Ensaio mecnico de microdureza Vickers (HV)

O ensaio de dureza Vickers empregado de maneira a detectar as

heterogeneidades na junta soldada, devido s transformaes metalrgicas

associadas ao ciclo trmico durante a soldagem. De maneira que permita identificar

as transformaes que comprometam a qualidade no material soldado, atravs do

surgimento de microestruturas que fragilizem ou comprometam o bom desempenho

do projeto. [15]

O indentador possui forma de pirmide, e a carga aplicada para ensaio de mico

dureza pode variar de 1gf a 1000 gf.

Figura 3-16: Indentador de dureza Vickers.

O mtodo de ensaio tem como referncia a norma Petrobrs N-133 e os valores so

estabelecidos conforme norma DIN 50133 [15].

43

4 Materiais e Mtodos

Os procedimentos de soldagem foram realizados em chapas de ao ABNT

1045 com 60 x 120 X 16 mm, cuja composio qumica encontra-se na Tabela 4-1.

Tabela 4-1 composio qumica do ao ABNT 1045

C Mn Si P S Cr Ni

0,470 0,680 0,310 0,013 0,008 0,010 0,020

As superfcies foram retificadas com fresa VEKER modelo VK-430VP (Figura

4-1) com pastilha de ao duro a 1000 RPM para manter as mesmas condies da

superfcie a ser depositado o metal de solda sem interveno da camada de xido.

Figura 4-1: Fresa VEKER modelo VK-430VP

As chapas foram soldadas pelo processo eletrodo revestido em ambiente sem

controle de agentes externos, de maneira a simular uma soldagem em campo. A

profundidade de penetrao e a taxa de deposio foram analisadas usando duas

condies de polarizao: direta e inversa. Todos os parmetros aplicados ao

processo foram determinados dentro do limite estabelecido pelo fabricante do

eletrodo, evitando assim a perda de suas propriedades qumicas e mecnicas. O

44

equipamento utilizado no processo de soldagem foi da marca MILLER ELECTRIC

DYNASTY 200 (Figura 4-2) e o eletrodo revestido Eletrodo GD 13 3,25.

Figura 4-2: Equipamento utilizado no processo de soldagem

Os parmetros utilizados no procedimento de soldagem encontram-se na

tabela 4-2.

A corrente de soldagem aplicada no material foi conferida durante todo o

processo de modo simultneo no prprio equipamento de soldagem. O tempo de

soldagem foi de 55 segundos para a polaridade direta e 63 segundos para a

polaridade inversa.

O material base no foi submetido pr-aquecimento e aps o procedimento

de soldagem no foi realizado tratamento trmico.

45

Tabela 4-2 Parmetros de soldagem

N Pea Corrente

(A) Polaridade

Tenso

(V) Aspecto superficial

Espessura

(mm)

1A 115 Inversa 27,5 Retificado 16

1B 115 Inversa 27,5 Retificado 16

1C 115 Inversa 27,5 Retificado 16

1D 115 Inversa 27,5 Retificado 16

2A 115 Direta 22,2 Retificado 16

2B 115 Direta 22,2 Retificado 16

2C 115 Direta 22,2 Retificado 16

2D 115 Direta 22,2 Retificado 16

4.1 Preparao das amostras para ensaios metalogrficos

As chapas soldadas usando polarizao direta e inversa foram cortadas com

uma serra de fita com lubrificao. Os detalhes podem ser observados na Figura

4-3.

Figura 4-3: Corte das amostras aps procedimento de soldagem

46

As amostras cortadas foram preparadas metalograficamente para a

visualizao macroscpica e microscpica. O procedimento de preparao foi o

mesmo para as duas visualizaes. Iniciando pela etapa de lixamento, onde a

superfcie lixada por lixas 180, 320, 600, 800, 1200, 2500,3000 girando 90 ao

mudar de uma lixa para outra. A seguir as amostras foram polidas usando um pano

de polimento com pasta de diamante 3m. Em seguida atacada com nital 5%

(ensaio macroscpico) e nital 2% (ensaio microscpico) por 2 segundos. A

caracterizao da rea da zac, diluio e penetrao do metal de solda foi realizada

no equipamento Trinocular com iluminao da marca Quimis modelo Q764ZT-Led

com cmera de vdeo acoplada e conectada ao computador com software de

aquisio de imagem. As micrografias foram realizadas no Microscpio ptico (Carl

Zeiss, AXIO vertical A1).

4.2 Equipamentos para os ensaios mecnicos

O microdurmetro da marca ZWICK (Figura 4-4) foi utilizado para realizao do

ensaio de microdureza Vickers com carga de 500 gf.

Figura 4-4: Microdurmetro ZWICK

47

5 Resultados e Discusses

a. Identificao das regies analisadas aps procedimento de

soldagem

As amostras foram cortadas em trs partes e caracterizadas em quatro regies

distintas. Esse procedimento foi feito para verificar a influncia do gradiente de

temperatura na microestrutura da zona afetada pelo calor. O incio e o fim do

procedimento de soldagem foram indicados na Figura 5-1.

Figura 5-1: Sentido do procedimento de soldagem

As imagens referenciadas na figura 5-1 destacam o sentido do procedimento

de soldagem por eletrodo revestido, onde possvel de visualizar a diferena no

aspecto do cordo de solda em relao as polaridades de soldagem.

48

A partir do sentido de soldagem destacam-se determinadas regies por meio de

corte com serra de fita, lixamento e polimento da amostra e ataque qumico com nital

2%, com intuito de analisar a microestrutura resultante do processo de soldagem por

eletrodo revestido, conforme figura 5-2.

Figura 5-2: Microestrutura da zona de ligao com aumento 50x.

A partir das figuras apresentadas verifica-se a evoluo microestrutural da

zona de ligao ao longo do procedimento de soldagem adotado. Destaca-se a

diferente estrutura entre as amostras analisadas.

A caracterizao da zona de ligao ser detalhada no tem 5.8 e 5.9.

49

5.2 Clculo da velocidade de soldagem

A velocidade de soldagem define a quantidade de calor cedido pea, sendo

necessrio uma velocidade media onde seja possvel ceder uma quantidade de calor

necessria sem causar alteraes bruscas metalrgicas devido a concentrao

trmica resultante de uma baixa velocidade ou caso seja alta a velocidade a

quantidade de energia cedida no ser suficiente para uma soldagem adequada.

5.2.1 Polaridade direta

O clculo da velocidade de soldagem para a polaridade direta foi efetuado a

partir da equao 3-1, da qual demonstra a relao de milmetros por segundo

obtida durante o procedimento.

=

120

55 = 2,18 /

(3-1)

5.2.2 Polaridade inversa

O clculo da velocidade de soldagem para a polaridade inversa foi efetuado a

partir da equao 3-1, da qual demonstra a relao de milmetros por segundo

obtida durante o procedimento.

=120

63 = 1,9 /

(3-1)

5.3 Aporte de calor

A energia de soldagem a energia introduzida no arco eltrico, sendo

necessrio um dimensionamento de forma a evitar a perda de energia ou a

50

concentrao de energia. Essas variaes de energia podem provocar alteraes

metalrgicas e possvel formao de microestruturas frgeis.


O clculo do aporte trmico de soldagem para a polaridade direta foi efetuado a

partir da equao (3-2).

/ = 115 23,2 = 2668 /

= 0,75 2668 /

2,18 /= 0,918/

(3-2)


O clculo do aporte trmico de soldagem para a polaridade direta foi efetuado a

partir da equao (3-2).

= 0,75 3162,5 /

1,9 /= 1,24 /

/ = 115 27,5 = 3162,5 /

(3-2)

Os aportes trmicos variaram devido distncia de trabalho, diferente e no

proposital estabelecida para cada uma das peas (polaridade direta e inversa) em

relao ao eletrodo, sendo respectivamente: 0,918 kJ/mm e 1,24 kJ/mm. Quando

efetuado a soldagem na polaridade inversa verifica-se o aumento da energia de

soldagem, fato que pode ser atribudo a uma maior variao da distncia de trabalho

entre o eletrodo e a pea. Para essas condies, ocorre uma menor velocidade de

resfriamento do que para a polaridade direta.

51

5.4 Determinao chapa fina ou chapa grossa

A determinao do termo chapa fina ou chapa grossa feito pela

transferncia de calor na pea, no se relaciona diretamente a espessura da pea.

Este procedimento fundamental para se determinar o possvel tratamento trmico

ou o controle da velocidade de resfriamento evitando a formao de martensita.


O clculo para a determinao de chapa para a pea soldada na polaridade

direta foi efetuado a partir da equao (3-7).

T = 16mm 7830

3

486

(1538 25)

0,918/

T = 0,016m 7830

3

0,486

1786,15

918/

= 0,016 7404

= 0,016 86,04

= 1,37

(3-7)


O clculo para a determinao de chapa para a pea soldada na polaridade

inversa foi efetuado a partir da equao (3-7).

52

T = 16mm 7830

3

486

(1538 25)

1,24/

T = 0,016m 7830

3

0,486

1786,15

1240/

= 0,016 5481

= 0,016 74,03

= 1,18

(3-7)

As duas peas entram em condio de chapa grossa, porm pea referente

polaridade direta apresenta um valor maior do adimensional de Adams,

proporcionando uma maior condio de velocidade de resfriamento para essa

varivel do que a polarizao direta.

5.5 Clculo da velocidade de resfriamento

A velocidade de resfriamento permite a analise dos caminhos para a extrao do

calor, tendo em vista que uma chapa grossa resfria de maneira mais rpida que uma

chapa fina.


O clculo para a determinao da velocidade de resfriamento da pea soldada

na polaridade direta foi efetuado a partir da equao (3-6).

53

Vr =20,0529

J

s x mm x K (1786,15)

918

Vr =0,332 3190

918

J

s x mm x K

Vr = 1,15 K/s

(3-6)


O clculo para a determinao da velocidade de resfriamento da pea soldada

na polaridade inversa foi efetuado a partir da equao (3-6).

Vr =20,0529

J

s x mm x K (1786,15)

1240

Vr =0,332 3190

1240

J

s x mm x K

Vr = 0,85 K/s

(3-6)

O resfriamento da pea foi maior na polaridade direta, ao fato atribui-se um

menor aporte trmico a ela empregado (0,918/) contra (1,24 /) da

polaridade inversa, pois quantidades menores de energia de soldagem cedida

pea proporcionam velocidades de resfriamento maiores, podendo ser consideradas

inversamente proporcionais.

54

5.6 Determinao de resultados utilizando metalografia quantitativa

via software ImageJ

A polaridade da corrente sendo uma varivel essencial da soldagem por eletrodo

revestido tem influncia na extenso atingida pelo cordo de solda, demonstrado na

figura 5-3, alm de implicar na energia de soldagem tornando-se um fator a ser

considerado na formao de rede cristalina, sendo fundamental para se dimensional

os possveis efeitos na zona afetada pelo calor (ZAC).

Figura 5-3: Extenso do cordo de solda em funo do aporte trmico e polaridade de corrente.

A rea do metal de solda altamente influenciada pela polaridade e aporte

trmico, pois na polaridade inversa essa rea tende a ser maior devido a uma maior

taxa de deposio do metal de adio, porm esse efeito intensificado quando

ocorre o aumento do aporte trmico conforme se observa na figura 5-4.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

A B C D

Exte

nso

(m

m)

Direta Inversa

55

Figura 5-4: rea do metal de solda depositado em relao ao aporte trmico e polaridade da corrente

A energia de soldagem em decorrncia do processo fundamental para definir a

zona afetada pelo calor (ZAC), e possvel formao de microconstituintes que

podem fragilizar a estrutura, podendo ser notado figura 5-5 que o calor transferido

pera a pea em trabalho com polaridade inversa ocasionou uma regio maior da

ZAC no inicio do processo e ao final do processo a taxa de resfriamento foi

fundamental para definir uma rea menor afetada devido conduo de calor da

pea.

Figura 5-5: rea da ZAC em funo do aporte trmico e polaridade da corrente

A diluio definida pela quantidade percentual de metal base que entra na

composio do metal de solda. Apresentou um elevado valor no inicio da soldagem

0

5

10

15

20

25

30

A B C D

re

a (

mm

)

Direta Inversa

15

20

25

30

35

40

45

A B C D

re

a (

mm

)

Direta Inversa

56

conforme figura 5-6, o que pode implicar no aparecimento de possveis falhas no

equipamento, tornando o pr-aquecimento fundamental por se tratar de um ao

mdio carbono, evitando o surgimento de microconstituintes como a martensita o

que fragiliza a estrutura se no passar por tratamento trmico posterior para alivio de

tenses.

Figura 5-6: Diluio em funo do aporte trmico e polaridade da corrente

5.7 Macrografias das amostras soldadas com polarizao direta e

inversa

Na Error! Reference source not found.5-7 so apresentadas as macrografias

das chapas soldadas pelo processo eletrodo revestido (E6013) com polaridade

direta e inversa para cada uma das amostras do ao 1045. Verifica-se nestas

macrografias que existe uma influncia do aporte de calor e da polaridade nas

dimenses dos cordes de solda, da zona fundida (ZF) e nas respectivas zonas

afetadas pelo calor (ZAC).

As amostras (a), (b), (c) e (d) da figura 5-7 foram efetuadas na polaridade direta

e as amostras (e), (f), (g) e (h) da figura 5-7 na polaridade inversa, sendo que para

cada amostra foi utilizado o mesmo material de adio. Comparando as

macrografias para as duas condies, verificou-se que houve influencia do operador

na formao da ZAC. O aporte trmico utilizando polarizao inversa foi maior se

comparado com a polarizao direta, possivelmente a distancia entre o eletrodo e a

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

A B C D

Dilu

io

(%

)

Direta Inversa

57

pea foi maior neste caso. Quanto maior distncia de trabalho, maior a diferena

de potencial entre o eletrodo e o corpo de prova. Esta ocorrncia resulta em um

aumento na penetrao do metal de adio sobre o metal base, ou seja, haver uma

maior: diluio, comprimento do cordo, na rea e altura da ZAC.

Os parmetros de soldagem, velocidade, corrente e tenso so primordiais para

obteno de maiores ou menores aportes trmicos, desse modo, embora fosse

esperado uma menor rea da ZAC para amostra 2. Verifica-se nesta amostra uma

menor taxa de fuso para a polaridade inversa, possivelmente esta maior energia de

soldagem pode ser resultado do aumento da tenso ocasionada por uma maior

distncia de trabalho.

58

Figura 5-7: Macrografia dos cordes de solda depositados sobre a chapa de ao ABNT 1045 nas polaridade direta (a,b,c,d) e inversa (e,f,g,h).

59

A rea correspondente ao metal de adio foi medida para as diferentes regies

da chapa. A extenso do cordo de solda e a ZAC para as diferentes amostras

usando uma mesma polaridade podem ser acompanhadas nas figuras 5-3 e 5-4,

assim percebe-se que houve uma variao em suas respectivas reas.

A figura 5-7 (a) mostra um cordo com uma rea do metal de solda

relativamente maior em relao s demais amostras dessa mesma pea (figura 5-4).

A esse fato atribui-se a uma maior energia de soldagem inicial que permitiu grande

diluio, porm a grande rea da ZAC no est relacionada apenas com o grande

aporte trmico, mas tambm a temperatura inicial da pea (temperatura ambiente) e

ao grande gradiente trmico gerado pela conduo do calor devido espessura

deste ao.

A figura 5-7(b) e (c), mostram cordes de menor rea do metal de solda do que

em relao primeira amostra (figura 5-4) fato que pode ser atribudo a uma menor

energia de soldagem nessas duas regies do que em relao primeira, porm

houve uma maior penetrao do metal de adio 1, consequncia de uma maior

temperatura proveniente dos ciclos trmicos da qual proporcionou uma maior

quantidade de calor nessas amostras que por sua vez facilitou a penetrao.

O final da solda figura 5-7 (d), regio da qual a energia de soldagem

interrompida, a polaridade direta proporcionaram a obteno de um cordo com uma

menor rea do metal base em relao as demais amostras da pea 1. Porm devido

a ZAC de maior rea em relao s demais, foi possvel verificar que essa foi uma

regio que recebeu um elevado aporte trmico figura 5-5.

A polaridade inversa empregada na segunda pea proporciona cordes com

maior rea do metal de base, devido a sua maior taxa de deposio.

A figura 5-7 (e) apresenta o cordo de maior rea do metal de base entre todas

as amostras, fato do qual pode ser atribudo no s polaridade, como tambm a

uma grande energia de soldagem empregada no incio do processo. Embora na

polaridade direta apenas 30% do calor esteja concentrado na pea e

consequentemente a ZAC acabe por ter uma menor rea devido a uma menor taxa

de fuso, possvel identificar o contrrio em relao a essa amostra, devido ao

grande aporte trmico a ela empregado 1,24kJ/mm.

As amostras da figura 5-7 (f) e (g) possuem caractersticas semelhantes

apresentando valores parecidos em relao extenso do cordo, rea do cordo,

ZAC e diluio (figuras 5-3, 5-4, 5-5 e 5-6). A esse fato pode ser atribudo a um

60

aporte trmico e padres de soldagem (distncia e velocidade) semelhante para

essas duas regies.

O cordo da figura 5-7 (h), possui caractersticas semelhantes ao do cordo

apresentado na figura 5-7 (d), isso porque a energia de soldagem interrompida

repentinamente, porm ao contrrio da ltima amostra da primeira pea, esse

cordo ira apresentar menor ZAC, sendo que pode se atribuir ao fato uma menor

energia de soldagem empregada nesse momento.

5.8 Analise microestrutural

A figura 5-8 mostra a microestrutura do metal de adio (regio 1), zona afetada

pelo calor (regio 2) e metal base (regio 3).

Na microestrutura da regio 1 percebe-se o crescimento de dendritas,

decorrente da alta taxa de resfriamento nesta regio. Na zona ligao, regio

prxima a zona afetada pelo calor, nota-se a presena de ferrita e martensita em

toda a regio analisada. A formao de martensita atribuda execuo do

procedimento de soldagem sem a realizao do pr-aquecimento de

aproximadamente (200 C).

A microestrutura do metal base (regio 3) composta por ferrita no contorno de

gro e matriz perltica.

61

Figura 5-8: macrografia referenciando regies de obteno de micrografias com aumento de 50x; 200x e 1000x com microscpio ptico, respectivamente a regio (1) representa o metal de solda, regio (2) zona de ligao e regio (3) metal base.

62

5.9 Caracterizao da zona de ligao para as polarizaes direta e

inversa

As zonas de ligao obtidas por soldagem com polarizao direta e inversa para

as diferentes regies da chapa podem ser acompanhadas respectivamente na

Error! Reference source not found. e Error! Reference source not found..

Caracterizando estas regies percebe-se que a matriz martenstica. A formao de

martensita est relacionada a rpida extrao de calor desta regio. Nos instantes

iniciais, o material est na temperatura ambiente, ou seja, a microestrutura

resultante para esta regio sofreu o maior gradiente de temperatura.

A velocidade de resfriamento brusca no incio do procedimento de soldagem,

devido rpida extrao de calor pela chapa (temperatura ambiente), criam

condies de transformao fora do equilbrio, proporcionando a formao inicial de

martensita fina. Nas demais regies, a martensita apresenta ripas mais grossas se

comparadas com as martensitas presentes no incio do procedimento. Em relao

amostra 2A devido a espessura mdia das agulhas de martensita, possvel notar

que o gradiente trmico, quando soldado na polaridade direta, relativamente

menor que na inversa, como se observa na figura 5-8.

Figura 5-9: Espessura mdia em micrometros das ripas de martensita.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A B C D

Esp

essu

ra (

m

)

Direta (0,918KJ/mm) Inversa (1,24KJ/mm)

63


Figura 5-10: Zona de ligao. (a) amostra 1A; (b) amostra 1B; (c) amostra 1C; (d) amostra 1D

A amostra 1B mostra uma espessura mdia um pouco maior das agulhas de

martensita em relao amostra 1A, fato atribudo aos ciclos trmicos, que

proporcionam sucessivos aquecimentos nas demais regies da pea, tambm existe

uma maior quantidade de calor gerado no metal base devido polaridade ser direta.

O aquecimento involuntrio criado no material, devido alta energia de soldagem

empregada na regio do incio da solda (amostra 1A) proporcionou um menor

gradiente de temperaturas entre o calor gerado pelo metal de adio e o metal base,

e consequentemente aumentou a espessura mdias das agulhas de martensita para

1B. possvel observar que essa condio ainda no suficiente para proporcionar

um aumento significativo da espessura das agulhas dessa fase (figura 5-9), pois a

distribuio de calor embora exista, ainda no completa e uniforme para todas as

50 m 20 m

10 m

64

regies da pea e no evita os danos causados pela grande extrao do calor e

velocidade de resfriamento.

A amostra 1C mostra que os ciclos trmicos, gerados pelo aporte trmico, eleva

temperatura possibilitando o aumento da difuso do carbono (que inexpressiva em

baixas temperaturas), de forma que ficam facilitadas reaes metalrgicas que

levem formao de uma maior espessura mdia das agulhas de martensita.

Embora a amostra 1B se assemelhe a essa em relao ao aporte trmico a ela

fornecido, tambm foi possvel identificar uma modificao em relao a sua forma

se tornando mais grosseira.

Na amostra 1D ocorre um aumento considervel da espessura das agulhas de

martensita. Este fato pode ser atribudo a uma maior energia de soldagem fornecida

pea neste estgio. Uma vez que a ZAC dessa amostra a maior dessa pea e o

gradiente trmico j muito baixo, pois o calor j est bem distribudo por todo metal

base. Uma alta energia de soldagem proporciona uma menor velocidade de

resfriamento, sendo que devido ao calor j presente na pea proveniente dos ciclos

trmicos das regies passadas, a temperatura se estabiliza a um patamar que,

embora ainda esteja em uma condio metaestvel, proporciona a formao das

agulhas de martensita com aspectos mais grosseiros possuindo maior espessura

mdia.

65


Figura 5-11: Zona de ligao. (a) amostra 2A; (b) amostra 2B; (c) amostra 2C; (d) amostra 2D

Mesmo com um maior aporte trmico do que em relao primeira pea, que

reduziria a velocidade de resfriamento, podemos levar em considerao que h

apenas uma concentrao de 30% de calor empregado na pea, assim proporciona-

se maiores condies para uma maior extrao do calor influenciando diretamente

no aumento do gradiente trmico e menores condies para que se ocorra a difuso

do carbono, proporcionando uma formao de matriz martensitica com ripas de

espessura mdia de 0,27 m na amostra 2A.

A amostra 2B mostra que houve aumento na espessura das ripas de martensita

em relao amostra 2A e 1B (figura 5-9). Esse fato pode ser atribudo a grande

quantidade de calor extrada pelo material proveniente da amostra 2A, que por sua

vez possivelmente proporcionou uma menor velocidade de resfriamento desde a

amostra anterior, assim houve condies suficientes para aumentar as condies

50 m 20 m

100 m 50 m

66

para difuso do carbono proporcionando um aspecto mais grosseiro das ripas de

martensita em relao amostra 2A.

Na amostra 2C, embora o aporte trmico seja semelhante a da amostra 2B,

possvel notar a formao de martensita mais grosseira do que em relao as duas

regies anteriores. Essa formao possivelmente pode ser atribuda ao fato de que o

gradiente trmico tenha se reduzido ainda mais devido a uma menor extrao de

calor nesta regio.

Na amostra 2D, embora mantenha o mesmo padro quanto ao gradiente trmico

apresentado na amostra 2C, possvel identificar pela figura 5-9 que a espessura

mdia das agulhas teve um aumento considervel (8,5664m). Nessa amostra o

calor j esta uniformemente distribudo, uma vez que o gradiente de temperatura e a

velocidade de resfriamento diminuem at certo limite. A martensita nesta regio se

assemelha com martensita revenida.

Porm claramente possvel notar que a soldagem na polaridade inversa cria

maiores condies para o aumento da espessura das ripas de martensita,

principalmente nas duas regies finais onde a velocidade de resfriamento

possivelmente menor.

5.9.3 MICRODUREZA VICKERS

As figuras 5-12 e 5-13 esto ilustrando o perfil de dureza obtido ao longo do

corpo de prova, para a soldagem com polaridade da corrente direta e inversa.

Figura 5-12: Perfil de microdureza HV0,5 na amostra soldada com polaridade direta.

150

200

250

300

350

400

450

500

Regio A Regio B Regio C Regio D Metal Base Metal deSolda

Mic

rod

ure

za H

V0

,5

67

Figura 5-13: Perfil de microdureza HV0,5 na amostra soldada com polaridade inversa.

O ponto A na soldagem com polaridade direta teve uma dureza maior em

relao ao ponto B, o que no ocorre na polaridade inversa. O ponto C e D apesar

de possuir dureza menor que no inicio da soldagem (A), esto com valores acima do

metal base, mas com o aporte de calor reduzido teve um valor menor.

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Regio A Regio B Regio C Regio D Metal Base Metal deSolda

Mic

rod

ure

za H

V0

,5

68

6 Concluses

Na amostra usando polarizao direta, as ripas de martensita

apresentaram-se refinadas, com exceo da amostra 1D, regio que

recebeu maior aporte trmico e da qual j estava com uma maior

concentrao de calor proveniente dos ciclos trmicos das regies

anteriores da pea.

Na amostra usando polarizao inversa, apresentou uma maior ZAC. As

ripas de martensita apresentaram-se mais grosseiras em relao a

amostra utilizando polarizao direta.

A espessura das ripas de martensita est relacionada taxa de

resfriamento.

A anlise do perfil de dureza, pode-se verificar que o refinamento das

ripas de martensita est relacionada com uma condio de maior

velocidade de resfriamento, acarretando uma menor difuso do carbono e

consequentemente maiores valores de dureza.

69

7 Referncias Bibliogrficas

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So Paulo, SP: Editora Senai-SP, 2013.

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SP: Prentice Hall/Pearson, 2004.

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Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais,

Minas Gerais, 2009.

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[8] Adaptado de, http://www.abcm.org.br/anais/creem/2001/anais/a05_18.html

[10/03/2015].

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Metalurgia da Soldagem. Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de

Engenharia Metalrgica e de Materiais, Minas Gerais, 2012.

[10] CALLISTER, W. D. Cincia e Engenharia de Materiais: Uma Introduo. 7. Ed.

Rio de Janeiro, RJ: LTC Livros Tcnicos e Cientficos Editora S.A, 2008.

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[12] SILVA, Mauricio de Carvalho. Determinao experimental da tenacidade

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Cincias Exatas e Tecnologia, Ncleo de Engenharia Mecnica, Universidade

Federal de Sergipe, Sergipe, 2011.

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[15] ARIZA, Echeverri Edwan Anderson. Analise numerica e experimental das

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1045, 4110 e 4340. Mestrado (Engenharia Metalrgica) - Escola Politcnica,

Universidade de So Paulo, So Paulo, 2012.

1.

Documents

Analise microestrutural de uma junta soldada de um aço 1045 soldado pelo processo eletrodo revestido com consumivel E7018