Evaluation of the Connection Line in Dissimilar Welding with Low Alloy and Low Carbon Wire using the Gmaw Process

I. INTRODUÇÃO

A união entre materiais é uma prática muito comum em diversos seguimentos e atividades industriais, contudo, há setores como petroquímicos, plantas eólicas e reatores nucleares que necessitam de soldagem com materiais de diferentes características [1] [2].

Adotando esses conceitos, tem-se tornado comum estudos com soldagem em aço carbono utilizando arame de aço inoxidável, aplicando-se essa técnica em situações onde há locais que sofrem com corrosão e umidade, por exemplo, na indústria petroquímica [1] [2] [3] [4].

No entanto, quando realizado o processo de soldagem, as propriedades do material de base são alteradas devido as temperaturas de fusão, que ocorre com alto ciclo térmico de soldagem, o que resulta em mudanças microestruturais na zona de ligação (ZL) e na zona termicamente afetada pelo calor (ZTA) [1] [5].

Com a soldagem dissimilar, tem-se oportunidades promissoras relacionadas ao design dos produtos com diferentes combinações bimetálicas, capaz de aproveitar com efetividade as propriedades e características únicas de cada material [2] [6].

A soldagem de metais dissimilares tem sido cada vez mais adotada em diversos setores para aprimorar a funcionalidade e a eficiência estrutural. Para obter juntas soldadas de alta qualidade e sem defeitos, é fundamental compreender de forma abrangente as inter-relações entre as alterações microestruturais causadas pela soldagem e as características de desempenho do material, especialmente suas propriedades mecânicas [7].

Pesquisas mostram que a soldagem a arco elétrico a gás (GMAW) com transferência de curto-circuito é eficaz para unir aços de baixo carbono e martensíticos em aplicações automotivas [8].

A interface entre materiais diferentes em juntas soldadas é frequentemente a região mais crítica devido à presença de fases duras perto da linha de fusão. Procedimentos de soldagem adequados, podem ajudar a minimizar problemas de fragilização da junta [9]. No geral, a soldagem de materiais diferentes oferece vantagens em várias aplicações, mas requer consideração cuidadosa das propriedades do material e técnicas de soldagem para garantir a confiabilidade da junta e a resistência mecânica.

II. MATERIAIS E MÉTODOS

A seguir serão apresentados os materiais utilizados nessa pesquisa e os métodos para preparação e ensaios das amostras.

2.1 Soldagem das Chapas

As peças foram unidas em um único passe, com junta de topo e passe raiz, conforme pode ser observado na Fig. 01, na versão utilizando o eletrodo AWS A5.18 ER7oS-6 e eletrodo AWS A5.36 E110C-MG.

Fonte: Do autor

Figura 1: União das peças por solda

2.2 Espectrometria De Emissão Óptica

Para caracterização química das amostras utilizou-se o espectrômetro da fabricante BRUKER modelo Q2 ION. No ensaio em questão, foi utilizado potência de 400 Watts por um período de 30 segundos. Salienta-se o ensaio em triplicata para validação do método.

A Tab. 1 traz os resultados obtidos para caracterização química do arame AWS A5.36 E110C-MG. Conforme detalhado, este material é empregado para soldagens de aços de baixa liga, com um valor de aproximadamente 0,567% para o elemento cromo, bem como 0,386% para molibdênio.

Tabela 1: Análise química AWS A5.36 E110C-MG

Desta forma, conforme o fabricante e norma AWS A5.36, o arame em estudo fica próximo ao recomendado. Salienta-se o baixo teor de carbono que compõe este arame [10] [11].

A Tab. 2 traz os resultados obtidos para o arame de soldadura AWS A5.18 ER70S-6.

Tabela 2: Análise química AWS A5.18 ER70S-6

Conforme pode ser observado, os valores de silício (Si) e manganês (Mn) estão abaixo do recomendado conforme norma. Entretanto, este arame fica com características próximas do arame ER70S-3.

A Tab. 3 detalha a composição química para o material de base. Ressalta-se o uso deste material devido à alta demanda de consumo na indústria, como no setor civil [14], construções estruturais [15], entre outros

Tabela 3: Análise química SAE 1015

Os valores dos elementos químicos para o material de base SAE 1015 ficaram conforme indicado pela norma, exceto para o fósforo (P), que apresentou um valor inferior.

2.3 Soldagem e aquisição de dados

Para soldagem das amostras foi utilizada a máquina de soldagem da marca IMC modelo

DIGplus A7, paralelamente foi feito uso de uma ferramenta de aquisição de dados denominada SAP 3SR.

A Tab. 4 traz os parâmetros utilizados para soldagem dos arames em estudo.

Tabela 4: Parâmetros de Soldagem para Arame ER70S-6 e E110C-MG

2.4 Microdureza Vickers

A fim de se obter os dados referente a caracterização mecânica, foram realizados ensaios de microdureza Vickers, utilizando o microdurômetro da marca SHIMADZE , modelo HMV-2TADW, com cargas de 4,903 Newtons para ambos os arames. O tempo de aplicação foi de 10 segundos, com um total de 15 indentações. A Fig. 2 demonstra a estratégia do ensaio de microdureza Vickers, onde iniciou-se a endentação no metal de base (SAE 1015), na sequência passando na zona termicamente afetada pelo calor até chegar na região de soldagem.

Fonte: Do autor

Figura 2: Estratégia do Ensaio de Microdureza Vickers

2.5 Câmera Termográfica

Durante o processo de soldagem, as temperaturas de trabalho podem variar dependendo das condições de deposição e do ambiente. Para controlar o processo e analisar as propriedades mecânicas, foi optado por monitorar a temperatura durante a deposição do material. A coleta de dados foi feita por meio de uma câmera termográfica, possibilitando a análise das informações capturadas, como ilustrado na Fig. 3 que mostra a peça em soldagem com destaque para a poça de fusão.

Fonte: Do autor

Figura 3: Avaliação Térmica da Poça de Fusão no Momento da Soldagem

Dessa forma para a aquisição da temperatura durante o processo de solda, foi utilizada uma câmera termográfica OPTRIS, modelo PI o8M, com capacidade de capturar imagens térmicas na faixa de 575 a 1900 °C, permitindo monitorar e registrar as variações de temperatura durante o processo de solda.

Os pontos de medição de temperatura iniciaram na poça de fusão e seguiram em sentido linear em direção a soldagem.

2.6 Metalografia

Para realizar o ensaio de metalografia foi utilizado um microscópio Olympus modelo SC30, seguindo a norma ABNT NBR 15454. O ácido utilizado foi o Nital com 2%. Para o arame de soldadura AWS A5.36 E110C-MG foi adotado o tempo de 10 segundos de ataque químico, e para o arame AWS A5.18 ER70S-6 foram considerados 5 segundos de ataque ácido.

III. ANÁLISE DOS RESULTADOS

A seguir serão discutidos os resultados obtidos com essa pesquisa.

3.1 Análise Metalográfica Junta Soldada Com Arame de Baixo Carbono ER70s-6

A Fig. 4 demonstra a linha de ligação entre material soldado ER70S-6 e aço SAE 1015.

Fonte: Do autor

Figura 4: Metalografia da linha de ligação entre aço SAE 1015 e arame de soldagem AWS A5.36 ER70S-6

A Fig. 5 detalha a linha de ligação e destaca a estrutura presente na região da solda, que é constituída de ferrita de Widmanstätten (FW).

Fonte: Do autor

Figura 5: Ferrita de Widmanstätten (FW) Na Região de Solda

3.2 Análise Metalográfica Junta Dissimilar com arame de baixa liga AWS A5.36 E110C-MG

A Fig. 6 traz a soldagem do arame de baixa liga AWS A5.36 E110C-MG. Nota-se que há diferença significativa entre a região de solda e o material de base. O material adicionado possui tamanho de grãos finos, o que aumenta a dureza do material. Já a região que foi afetada pelo calor, é constituída de ferrita de Widmanstätten (FW).

Fonte: Do autor

Figura 6: Região de ligação entre material soldado AWS A5.36 E110C-MG, e material de base SAE 1015 A Fig. 7 demonstra a ferrita de Widmanstätten (FW) na zona termicamente afetada pelo calor.

Fonte: Do autor

Figura 7: Ferrita de Widmanstätten (FW) na zona termicamente afetada pelo calor

3.3 Análise de microdureza Vickers para junta dissimilar com arame de baixa liga E110C-MG e junta com arame de baixo carbono ER70S-6

A Fig. 8 traz os resultados de microdureza para os arames em estudo. De acordo com a análise, para o arame AWS A5.36 E110C-MC, nota-se um aumento acentuado de dureza ao chegar na zona termicamente afetada pelo calor (ZTA).

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Figura 8: Gráfico de microdureza Vickers para ambos os arames em estudo. (ZTA) Zona Termicamente Afetada pelo calor, (MB) Material de Base

Para o arame AWS A5.36 E110C-MG, a média de microdureza na região de soldagem "B" apresentou valores de 272 ± 5 HV, entretanto, para a região do material de base (MB), o resultado foi de 172 ± 7 HV.

Contudo, ao se tratar do arame de soldadura AWS A5.18 ER70S-6, na região do material de base a microdureza ficou muito próximo, com 164 ± 11

HV, e para região de soldagem obteve-se um aumento, ficando em 206 ± 15 HV.

3.4 Análise termográfica para junta dissimilar com arame de baixa liga E110C-MG e junta com arame de baixo carbono ER70S-6.

A Fig. 9 detalha a avaliação térmica para os arames em estudo. Conforme figura, o primeiro ponto traz as temperaturas para a poça de fusão, onde chega a 1650,2 °C e 1618,4 °C para os arames E110C-MG e ER70S-6, respectivamente.

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VI. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Conforme literatura, soldas com diferentes características estão se tornando essenciais para atender a área de metalurgia. Dessa forma, conforme comparação entre a soldagem com arame AWS A5.18 ER70S-6 e a soldagem com arame AWS E110C-MG, há diferenças entre microestrutura e microdureza. Contudo, ressalta-se às elevadas temperaturas para poça de fusão, bem como para fundir os materiais. Dessa forma, ao comparar as microdureza na região de soldagem, obteve-se um aumento de 24% para o arame AWS A5.36 E110C-MG, o que pode ser explicado por este material possuir cromo e molibdênio em sua estrutura. A avaliação metalográfica demonstrou tamanho de grão fino para o arame AWS A5.36 E110C-MG, sendo o refino de grão outro fator de aumento de microdureza. Contudo, a região da zona termicamente afetada pelo calor demonstra grãos grosseiros, bem como ferrita de Widmanstätten, o que ocorre quando se possui elevadas temperaturas seguidas de resfriamento moderado.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Centro Universitário – UNISATC pelo apoio à pesquisa através do uso de sua estrutura de laboratórios e a Fundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Estado de Santa Catarina – FAPESC pelo apoio financeiro na compra de equipamentos e insumos para a pesquisa.