AvaliaçÃo das propriedades mecânicas e microestruturais de juntas soldadas com gás acetileno em chapas de açO 1020



Baixar 33.38 Kb.
Encontro29.11.2017
Tamanho33.38 Kb.

AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DE JUNTAS SOLDADAS COM GÁS ACETILENO EM CHAPAS DE AÇO 1020

J. A. da Silva Neto1, A. D. Silvestre1,D. D. S. da Silva2; H. S. Ferreira2; I. B. C. Dias2.


Av. 1º de Maio, 720, Jaguaribe, João Pessoa, PB, Brasil - CEP: 58015-430 / joaotoin@gmail.com
1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba

2Universidade Federal da Paraíba

RESUMO
Dentre os processos de fabricação utilizados, a soldagem tem destaque na industria. Porém, durante o processo de soldagem, as altas temperaturas atingidas alteram as características estruturais do material, consequentemente alterando as suas propriedades mecânicas. Com o ensaio de tração foi observado o declínio das propriedades mecânicas das chapas de aço 1020 soldadas com gás oxiacetileno. Durante o ensaio, os corpos de prova apresentaram fraturas na zona termicamente afetada. As juntas soldadas demonstraram, em média, 8,4% menos resistência a tração do que um corpo de prova não soldado, um declínio de 28,6 MPa comparando-se com um corpo de prova não soldado. O alargamento dos grãos na zona termicamente afetada, conforme visto nas micrografias, tornou o material mais frágil, devido a presença de cementita nos contornos dos grãos. A avaliação das juntas soldadas gerou dados relevantes sobre o processo de soldagem, seus efeitos no aço e seu uso no dimensionamento de projetos.
Palavras-chave: aço 1020, soldagem, oxiacetileno, tração, metalografia.
INTRODUÇÃO
A soldagem é o mais utilizado processo de união de metais utilizado na indústria. Ela é aplicada desde estruturas simples como uma grade, até estruturas complexas e pesadas como uma aeronave. A junta soldada deve apresentar um grau de confiabilidade correspondente à aplicação, para isso devem-se conhecer as suas propriedades mecânicas, evitando exceder os seus limites(1).

Atualmente existem inúmeros processos de soldagem, na qual podemos dividi-los em processos de soldagem por fusão e por deformação. Entre os processos de soldagem por deformação podemos destacar a soldagem por fricção e por difusão. Já entre os processos de soldagem por fusão, os mais comuns, podemos destacar a soldagem com eletrodo revestido, soldagem a plasma, soldagem a laser e a soldagem oxi-gás.

Ao unir dois metais por meio de soldagem, modificamos a sua estrutura física e química, consequentemente alterando as suas propriedades. No dimensionamento de projetos o conhecimento das propriedades do material utilizado é fundamental. Sabendo-se as especificações do material será dada a ele uma aplicação coerente.

O processo de solda a gás, utilizando o gás acetileno, foi escolhido para o experimento por ser muito utilizado na união de chapas de pequena espessura e por oferecer um controle preciso da chama.

Avaliar as propriedades de um metal é muito importante, pois é essencial que ele satisfaça as condições exigidas quando for aplicado. Desta forma, o profissional competente estará atento a estas informações no dimensionamento de seus projetos. O presente trabalho estuda a avaliação da microestrutura de chapas finas de aço 1020 após passar pelo processo de soldagem por fusão oxi-gás.
MATERIAIS E MÉTODOS

Material
O material de estudo consiste de chapas finas de aproximadamente 1,40 mm de espessura de aço-carbono SAE 1020.
Corpos de prova soldados com gás acetileno
O tipo de chama utilizada no experimento foi a neutra, assim obtendo uma taxa de penetração mediana, evitando oxidar o metal e diminuindo contaminação da microestrutura com óxidos. O material de adição utilizado foi o arame para solda Gerdau OXI: R45.

Foram soldadas 30 chapas de dimensões 100 milímetro de comprimento por 80 milímetros de largura. Dessas chapas foram retirados as 10 amostras para análise metalográfica. As chapas foram unidas soldadas apenas de um lado.

Para melhor analisar os efeitos da soldagem no metal, foram utilizadas cinco posições durante o processo de soldagem: plana, sobreposta, horizontal, ascendente e descendente.
Confecção dos corpos de prova para ensaios mecânicos
Os corpos de prova submetidos ao ensaio tração foram confeccionados nas seguintes dimensões: 80 milímetros para o comprimento e 20 milímetros para a largura. Eles foram preparados a partir das chapas soldadas, cortados por uma guilhotina.



Figura 1: Dimensões de corpo de prova para tração.


Em todos os corpos de prova foram usinadas seções na altura do cordão de solda para concentrar as tensões provenientes do ensaio. Concentrar a tensão nesse ponto pode determinar o quanto à solda resistirá, e se resistir, em qual outro ponto do corpo de prova vai ocorrer a ruptura. Além do cordão de solda o ponto mais propício a ruptura é a zona termicamente afetada.


Ensaio de tração
Os ensaios foram realizados em uma máquina de ensaios universal servo-elétrica, modelo AG-X com capacidade de 10kN, fabricada pela Shimadzu. O software utilizado no controle da operação e no recolhimento de dados foi o Trapezium X.

Os ensaios foram executados numa velocidade de 0,5 mm/min. A partir de cada ensaio foram determinadas as seguintes grandezas: Força máxima e de ruptura, tensão máxima e de ruptura, elongamento máximo e de ruptura e a deformação máxima e de ruptura.


Caracterização microestrutural das juntas soldadas
Após a soldagem das chapas algumas foram selecionadas e tiveram partes retiradas para análise metalográfica. Pequenas amostras foram retiradas das seções soldadas e encaminhadas para serem embutidas em uma resina. A resina utilizada foi o baquelite. O embutimento baseia-se no envolvimento da amostra por uma resina, na qual a superfície a ser analisada é preservada. O embutimento facilitou o manuseio e lixamento da amostra.

As amostras passaram pelo embutimento a quente utilizando baquelite Fortel e uma máquina de embutir (Tempo Press, Panambra/Struess). Após o embutimento as amostras foram lixadas.

Para o processo de lixamento foram utilizadas lixas de número 80, 100, 220, 320, 600, 800, 1000 e 1200. O uso de várias lixas com tamanho de grãos decrescente torna a superfície mais plana e melhor de ser polida. Como último processo de aplainamento das amostras, foi utilizado a politriz (DP 9ª, Panambra/Struess) e Alumina Fortel de 1μm.

Com a superfície pronta, as amostras foram atacadas com o reagente químico Nital 1%. Após o ataque as amostras foram analisadas no microscópio modelo Axiotech, fabricado pela Carl Zeiss.


RESULTADOS E DISCUSSÃO

Caracterização do aço 1020
Para obter fotografias da microestrutura da junta soldada, foram realizadas análises microscópicas em laboratório, após a preparação de amostras para tal fim. Em sua análise foram observadas as zonas afetadas pelo calor, como a zona de fusão, zona de superaquecimento e a zona de normalização.

O ensaio metalográfico consiste em preparar o corpo de prova para ser analisado microscopicamente ou macroscopicamente. Nesta análise o objetivo é relacionar a estrutura do material com suas propriedades mecânicas, seu processo de fabricação e com o desempenho de suas funções(3).

Baseado nos conhecimentos teóricos e práticos sobre soldagem oxiacetilênica é normal prever que este processo crie zonas afetadas pelo calor. As análises metalográficas feitas nas juntas soldadas tiveram por objetivo principal observar estas zonas afetadas pelo calor.

Na micrografia A da Fig. 2 pode-se observar duas zonas distintas. A zona de superaquecimento, indicada pelo ponto (1), caracterizada pela presença de grãos grandes. Já na região indicada pelo ponto (2), conhecida como zona de normalização, nota-se que como não foi tão afetada pela alta temperatura, pois seus grãos não apresentam um grande aumento. O tamanho dos grãos é evidenciado pela concentração de cementita nos contornos. Na micrografia B é evidenciado a concentração de cementita nos contornos de grãos, que teve sua precipitação favorecida pela presença de oxigênio no metal(3).






AA

Figura 2: Micrografia da junta soldada. (A) Em aumento de 100x, 1: Zona de superaquecimento; 2: Zona de normalização. (B) Concentração de perlita em aumento de 200x



Ensaio de tração na juntas soldadas
As propriedades mecânicas da junta soldada foram analisadas para avaliar os efeitos gerados pelo processo de soldagem oxiacetilênica, assim como a análise da microestrutura. O principal parâmetro observado foi a resistência a tração. Baseados nesse parâmetro foram comparados os valores obtidos dos corpos de prova não soldados e os valores obtidos dos corpos de prova soldados nas diversas posições de soldagem. Os resultados numéricos obtidos do ensaio de tração foram comparados com os valores já padronizados do aço 1020 laminado a frio, que é 420 MPa(4).
Tabela 1: Valores do ensaio de tração


Posição de soldagem

Valor médio de tensão máxima (MPa)

Desvio padrão

Erro positivo (MPa)

Erro negativo (MPa)

Sobreposta

381,67

63,03

44,70

318,64

Plana

366,00

21,92

387,92

344,08

Horizontal

349,92

06,05

355,97

343,87

Ascendente

334,41

14,83

349,24

319,58

Descendente

129,11

01,16

130,27

127,95

Corpo de prova não soldado

340,80

17,20

358,00

323,60

Como pode ser visto na Tab. 1 há valores distintos variando com as diferentes posições de solda utilizadas no experimento. O cálculo do desvio foi feito para ilustrar as variações decorrentes do ensaio em virtude das mudanças no processo de soldagem.

Um dado intrigante no gráfico é o valor de tensão máxima suportada do corpo de prova não soldado. Apesar de ter sido fabricado da mesma chapa que foi soldada, ele apresenta este valor inesperado devido a maneira que foi confeccionado diferente dos outros. Dentre os corpos de prova, aqueles que foram soldados na posição sobreposta destacaram-se na tensão máxima suportada, pois foram os únicos que sofreram carga de cisalhamento. Em consequência deste fato as rupturas que ocorreram durante o ensaio localizaram-se na zona termicamente afetada, por ser uma zona frágil com grãos largos. Quanto aos outros corpos de prova, soldados nas outras posições, romperam na junta soldada no ensaio de tração. Alguns corpos de prova não apresentam a ruptura visivelmente. Nestes casos o corpo de prova se mantém unido por pequenas partes que não romperam.

CONCLUSÕES
O estudo demonstra que soldas mais uniformes e com maior taxa de penetração apresentam resultados mais eficientes e confiáveis, revelando que a qualidade da solda e a habilidade do soldador influenciam nas suas características estruturais.

É evidente que as propriedades mecânicas foram alteradas pelo processo, pois os valores de tensão máxima declinaram consideravelmente em relação ao aço laminadas a frio com valores variando de 39 a 291 MPa para as diferentes posições de soldagem. As comparações evidenciam esta queda devido à junta soldada e a zona termicamente afetada gerada pelo processo.

A análise microestrutural comprovou que houve queda na resistência do material na zona termicamente afetada devido ao aumento dos grãos consequentes do aquecimento. Além disso, a presença de oxigênio, derivado da mistura dos gases no processo, foi fator influente na precipitação da cementita nos contornos dos grãos. A presença da cementita tornou a estrutura mais frágil, devido à maior concentração de carbono em relação à distribuição da perlita, fato este que durante os ensaios de tração houve rupturas nas ZTAs.

Foram evidenciados grãos de ferrita contornados por cementita e ferrita por meio da estrutura. Também foram observadas as zonas afetadas pelo calor como a zona de fusão e a zona de superaquecimento, evidenciadas, principalmente, pelo tamanho dos grãos.

Conclui-se que este processo de soldagem é indicado a estruturas de baixo grau de confiabilidade e que não sofrerão grandes solicitações mecânicas. Apesar de suas limitações, seu uso não é desencorajado em virtude do baixo custo de produção e da fácil operacionalidade, embora se deva considerar o tipo de solicitação para determinar o nível de eficiência e consequentemente à qualidade da solda.
REFERÊNCIAS
[1] SIQUEIRA, Milton L. Seleção dos Processos de Soldagem. Disponível em: <http://vsites.unb.br/ft/enm/vortex/ftp/TecMec2/Selecao.pdf> Acesso em: 04. Nov. 2010.

[2] ROHDE, Regis A. Metalografia Preparação de amostras. Disponível em: <http://www.urisan.tche.br/~lemm/metalografia.pdf> Acesso em: 05. Jun. 2010. p. 6.

[3] COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3 ed. São Paulo: Edgar Blücher, 1974. p. 195.

[4] ASM INTERNATIONAL. Metals Handbook Desk Edition. 2 ed. American Society for Metals, 1998. CD-ROM.




EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURAL OF WELDED JOINTS WIHT ACETYLENE GAS IN 1020 STEEL PLATES
ABSTRACT
Among the manufacturing processes used, the welding is highlighted in industry. However, during the welding process, the high temperatures reached alter the structural characteristics of the material, consequently altering its mechanical properties. With the traction test was observed the decline of the mechanical properties of 1020 steel plates welded with oxyacetylene gas. During the test, the specimens showed fractures in the heat affected zone. The welded joints showed, on average, 8.4% less tensile strength than a specimen not a soldier, a decline of 28.6 MPa compared with a specimen not a soldier. The enlargement of the grains in the heat affected zone, as seen in the micrographs, the material became more fragile due to the presence of cementite in the grain boundaries. The evaluation of the welded joints produced relevant data on the welding process, its effect on steel and its use in the design of projects.
Keywords: 1020 steel, welding, oxyacetylene, traction, metallography.



©ensaio.org 2017
enviar mensagem

    Página principal