Uso do Arame Tubular aws e316LT1-4 na Soldagem do aisi 304 Alexandre de Oliveira Dias1, Edmilson Otoni Côrrea



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Uso do Arame Tubular AWS E316LT1-4 na Soldagem do AISI 304
Alexandre de Oliveira Dias1, Edmilson Otoni Côrrea2, Sebastião Carlos da Costa3.
1. Universidade Federal de Itajubá, UNIFEI, – Engenharia Mecânica - Campus Itabira.

2. Instituto de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá, UNIFEI, Itajubá/MG, Brasil.

3. Instituto de Engenharia de Produção e Gestão, IEPG, Departamento de Engenharia de Produção, Universidade Federal de Itajubá, UNIFEI, Itajubá/MG, Brasil.

1alexandredias@unifei.edu.br
RESUMO
Devido à crescente utilização do processo de soldagem com arame tubular (FCAW), associada às suas características de alta taxa de deposição, alto rendimento e adequadas propriedades mecânicas da junta soldada, este processo vem sendo largamente estudado devido à facilidade de aplicação no campo. No entanto, muitos aspectos a respeito do mesmo ainda não foram bem esclarecidos, principalmente com relação à soldagem de chapas finas de aço inoxidável AISI 304. Neste trabalho, realizou-se uma análise do uso do arame tubular AWS E316LT1-4 na soldagem de simples deposição de chapas de aço inoxidável AISI304, através do modo de transferência pulsado, variando-se a energia de soldagem através da variação da velocidade de soldagem mantendo-se constantes parâmetros já otimizados. O objetivo foi avaliar a relação entre a energia de soldagem com a propriedade mecânica de dureza e as propriedades metalúrgicas através de análises metalográficas. As análises dos perfis de micro-dureza Vickers não mostraram, de forma geral, grandes variações quando submetidos a diferentes níveis de energia de soldagem utilizados. No entanto, observam-se algumas variações, possivelmente devido à heterogeneidade da microestrutura em função de diferentes condições de resfriamento ou a uma maior ativação no depósito na ZF, o qual em função dos elementos metálicos adicionados no fluxo deve ter sofrido transformações metalúrgicas mais intensas.

Palavras-chave: Soldagem de aços inoxidáveis, FCAW, Corrente Pulsada, DOE, micro-dureza Vickers.



INTRODUÇÃO
Entre as opções de execução de soldagens, o processo com arame tubular (FCAW) vem crescendo em utilização em função de algumas peculiaridades, como a facilidade de aplicação no campo(1-4). Este processo possibilita a formação de cordão com alta qualidade e bom aspecto visual, podendo ser utilizado em todas as posições de soldagem através de ajustes adequados de seus parâmetros operacionais. O mesmo apresenta ainda uma alta produtividade, devido a sua elevada taxa de deposição e com um baixo índice de respingos, proporcionando alto rendimento de deposição(5).

Os problemas com materiais relacionados com soldagem são muitos e de difícil solução. Isto se aplica particularmente à soldagem de aços inoxidáveis e de ligas resistentes a altas temperaturas, por exemplo, ligas com alto teor de níquel. As soldas desses materiais não devem ter somente propriedades físicas e mecânicas adequadas, mas precisam também ser compatível com os metais-base no que diz respeito às propriedades de resistência à corrosão e a altas temperaturas(6).

O processo de soldagem por arame tubular assemelha-se muito ao processo MIG, porém não existem trabalhos suficientes a respeito da soldagem de aços inoxidáveis utilizando-se este consumível o qual fornece vantagens significativas, tanto na qualidade do cordão de solda, como na diminuição dos custos de soldagem.

Vários aspectos associados ao estudo do arame tubular têm sido publicados na literatura(1,2,7) e muitos destes estudos se referem ao comportamento e ajuste do processo frente aos diferentes modos de transferências metálicas e sua posterior adaptação às condições de soldagens de chapas finas(3) e em todas as posições. Neste sentido o modo de transferência pulsado de soldagem se mostra como uma das mais adequadas em termos de aplicações.

No modo de transferência pulsado, a corrente oscila entre dois níveis, um baixo (corrente de base) e um alto (corrente de pico); de modo que a corrente média resultante seja inferior a corrente de transição (corrente onde há mudança de transferência globular/spray). A dificuldade operacional desse tipo de transferência está no ajuste dos parâmetros de pulsação que conduza a uma soldagem com um nível de qualidade superior, sendo muitas vezes isto feito normalmente por tentativa e erro. Por isto apesar de muitas vantagens ainda é um processo pouco conhecido e consequentemente aceito no Brasil, sendo seus limites operacionais ainda não muito bem definidos.

No modo pulsado, foram apresentados estudos da soldagem com arame tubular com proteção gasosa, procurando condições adequadas para soldagem na posição plana, estudando a influência dos parâmetros de pulso sobre as características da solda e culminando com a otimização dos resultados e minimizar a variabilidade dos mesmos(1,8).

Segundo Norrish e Richardson(9), é possível neste tipo de transferência controlar o tamanho da gota destacada durante cada pulso e a freqüência de destacamento, desde que o tempo de pulso, amplitude e freqüência sejam independentemente variados. Assim a grande vantagem na utilização do modo pulsado é que, devido à pequena energia fornecida ao processo, é possível executar soldas de pequenas espessuras e fora de posição plana conseqüentemente, baixa aporte térmico, podendo minimizar problemas de deformação e distorção em chapas, principalmente às de pequena espessura.

Devido à crescente utilização do processo de soldagem com arame tubular (FCAW), associada às suas características de alta taxa de deposição, alto rendimento e adequadas propriedades mecânicas da junta soldada, este processo vem sendo largamente estudado(2,4,10) devido à facilidade de aplicação no campo(1). No entanto, muitos aspectos a respeito do mesmo ainda não foram bem esclarecidos, principalmente com relação à soldagem de chapas finas de aço inoxidável AISI 304(10). Assim, neste trabalho, realizou-se uma análise da soldagem com arame tubular AWS E316LT1-4 no modo de transferência pulsado, sendo as variáveis analisadas: corrente de pico, o tempo de pico, a corrente de base e a freqüência, conforme Tab.1. Utilizou-se a técnica estatística de projetos e análise de experimentos (DOE); empregando numa primeira fase o planejamento fatorial fracionário e numa segunda fase fez-se a otimização desses parâmetros com uma replicagem e dois pontos centrais, os 16 corpos-de-prova e os 2 pontos centrais (“center-points”). Em função dos resultados obtidos, foi estabelecida a melhor condição de ajuste das variáveis e traçado o perfil de micro-dureza Vickers nos níveis de energia de soldagem (“heat-input”), variando-se a velocidade de soldagem.



MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização dos testes foram utilizados neste trabalho, corpos-de-prova de chapas de aço inoxidável austenítico AISI 304, cujas dimensões são 80 x 30 x 3,1 mm, em soldagem com simples deposição. O arame tubular utilizado foi o flux-cored AWS E316T1-4 (com proteção gasosa) de 1,2mm de diâmetro. Utilizou-se uma fonte multiprocesso, Inversal 300 com comando digital, a qual permite ajustar os parâmetros de pulso com imposição de corrente. A Fig. 1 mostra os detalhes do banco experimental.



Figura 1. Banco de Testes.
A tocha de soldagem (5), que guia o eletrodo consumível e conduz a corrente elétrica e o gás de proteção para a área de trabalho foi acoplado a um dispositivo de controle de velocidade de movimentação na posição plana (4), onde foi possível ajustar a velocidade de soldagem nos níveis desejados. O comprimento do arame consumido em cada teste, bem como o tempo de soldagem, foi avaliado com o auxílio de um tacômetro acoplado a um medidor de velocidade do arame – MVA-1 (1).

Em função do número de fatores a serem analisados (04) optou-se por utilizar o Delineamento dos Experimentos - fatorial fracionário (2n-1), onde n é o número de parâmetros. Foram utilizados dois pontos centrais e uma replicagem, perfazendo um total de 18 experimentos. A partir do software comercial Minitab versão 14, foram processadas todas as análises estatísticas dos ensaios, sendo os parâmetros mantidos em dois níveis, conforme a Tab. 1.




Parâmetros fixos

Ângulo da tocha: 90o DBCP: 16mm

Tipo de Gás: C25 (75% Ar +25% CO2) Recuo do bico: 5mm

Vazão de Gás: 14 l/min Tensão: 25 Volts

Velocidade de Soldagem: 30 cm/min Polaridade: CC+

Posição = Plana


Parâmetros de análise (variáveis)







Valor Mínimo (-)

Valor Máximo (+)

Corrente de pico (Ip)

A

250

350

Tempo de pico (tp)

ms

2

3

Corrente de base (Ib)

A

60

80

Freqüência

Hz

50

100

Nota: DBCP representa a distância do bico de contato à peça.
Tabela 1. Parâmetros fixos e variáveis aplicadas nos testes.
O reagente utilizado no ataque químico e análise de perfil foi o Vilela (45 ml de Glicerol/Glicerina + 15 ml de HNO3 (1.40) + 30 ml de HCl), com tempo de ataque de segundos a minutos(11).
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na soldagem de deposição foi determinado o perfil de micro-dureza para as energias de soldagem de 450,4 J/mm (Fig. 2-esquerda) e 650,7 J/mm (Fig. 2-direita), através das velocidades de soldagem de 39,3 e 27,2 cm/min, respectivamente. Verificaram-se o não surgimento de fases frágeis nestas temperaturas, comuns em aços austeníticos.

Na menor energia desta etapa, a dureza média encontrada foi HVx = 204,1 HV (HVmín = 174,1 HV e HVmáx = 218,0 HV). Além desses valores mediram-se 5 valores na ZF, com HVmédia = 196,9 HV. Muito embora não haja grandes variações no nível de dureza, percebe-se uma leve tendência de um maior nível de dureza na ZTA comparativamente a ZF, situação esta típica em corpos de prova soldados, principalmente levando em conta as transformações metalográficas mais intensas na ZTA - faixa entre os pontos (-11) e (-5); e (3) e (5) da Fig. 2.



Figura 2 – Perfis de microdureza Vickers no cdp soldado com H = 450,4 J/mm (esquerda) e

H = 650,7 J/mm (direita) na soldagem de simples deposição.

Na maior energia desta etapa, a dureza média encontrada foi HVx = 207,2 HV (HVmín = 192 HV e HVmáx = 237,7 HV). Neste perfil de dureza percebe-se claramente a maior dureza na região fundida, próximo ao eixo y, assim como os menores valores de dureza na ZTA. Esta tendência é oposta ao caso anterior. Provavelmente a maior energia de soldagem provocou uma maior ativação no depósito na ZF, o qual em função dos elementos metálicos adicionados no fluxo deve ter sofrido transformações metalúrgicas mais intensas, ocasionando o aumento de dureza nesta região. Uma maior quantidade de Mo e menor quantidade de Ni na ZF correspondente no arame, justificaria o aumento da dureza nessa região o que também pode ser verificado por Heisterkamp et al.(12) .

Apesar da excelente qualidade do cordão, a possibilidade de contaminação através do ar ou pela umidade do fluxo do arame levou a formação de poros (Fig. 4a) no cdp soldado com H= 650 J/mm. A presença de oxigênio, provocando poros, pode ser comprovada através de sua combinação com o titânio (Rutilo-TiO2), alumínio (Al2O3) e manganês (Mn) no EDS (Fig. 4b). Vale citar que uma vez que o nitrogênio faz parte da composição do aço inoxidável austenítico, é importante que a solidificação da poça de fusão ocorra sem a formação de poros. Em soldagem desses tipos de aços (de alto teor de N2) é essencial evitar defeitos de soldagem, perda de nitrogênio, precipitação de nitretos, etc, que pode reduzir a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas.



(a)

Figura 4 – MEV (modo retro-espalhado) e EDS mostrando a porosidade na soldagem com

H = 650,7 J/mm.



CONCLUSÃO
Em função dos resultados e das análises realizadas no estudo da influência dos parâmetros de pulso na soldagem do aço inoxidável austeníticos AISI-304 com arame tubular AWS E316LT1-4, este trabalho permitiu concluir que:

Análises dos perfis de microdureza não mostraram, de forma geral, grandes variações quando submetidos aos diferentes níveis de energia de soldagens utilizados. Entretanto, algumas variações observadas se devem provavelmente a heterogeneidade da microestrutura em função de diferentes condições de resfriamento.

A análise da micro-estrutura da ZTA mostrou a formação de ferrita ä nos contornos de grão com colônias eutéticas desaparecendo. O esqueleto ferrítico, obtido da transformação incompleta das dendritas de ferrita primária, é retida durante a subseqüente transformação ao estado sólido. A ZTA mais extensa do corpo-de-prova soldado com o maior aporte térmico apresentou finas massas lamelares isoladas (sem estarem interligados), caracterizando uma possibilidade de fusão dos mesmos.

Na condição de como soldado, os resultados obtidos mostraram que o número de ferrita δ foi de aproximadamente 7%, o que conduziu a um modo de solidificação FA (Ferrítico-Austenítico), sem presença de trincas de solidificação.


AGRADECIMENTOS: À FAPEMIG, ESAB, UNIFEI.

REFERÊNCIAS

1. OLIVEIRA, L.M. Uma Investigação da Influência dos Parâmetros de Pulso em Soldagem com Eletrodo Tubular com Proteção Gasosa. 2005, 103p. Dissertação (Mestrado em Projeto e Fabricação) - Departamento de Mecânica, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá.

2. STARLING, D. M. C.; MODENESI, P. J. Avaliação da Transferência de Metal de Arames Tubulares, Soldagem & Inspeção, Brasil, v.11, n.3, p.147-155, 2006.

3. DIAS, A.O. Análise da Influência dos Parâmetros de Pulsação na Soldagem do Aço Inoxidável AISI 304 Através do Arame Tubular AWS E316LT1-4. 2009. 116p. Dissertação (Mestrado em Projeto e Fabricação) - Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá.

4. MARQUES, P.V. et al. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia, 2a edição, Belo Horizonte: UFMG, p. 233-231, 2005.

5. LIMA, A. C.; FERRARESI, V. A. Estudo dos Modos de Transferência Metálica de um Arame Tubular Autoprotegido com Variação na Distância Bico de Contato-Peça , In: CONSOLDA, 31º, São Paulo, 2006, Novembro, p.164-172.

6. BACKMAN, A. Desenvolvimento de Materiais Inoxidáveis para Solda, Suplemento da Construção Pesada, Soldas e Eletrodos, Brasil, p. 20-26, 1977.

7. OLIVEIRA, M.E.J. Estudo dos Parâmetros para Soldagem Fora de Posição com Arame Tubular. 2002. 101p. Dissertação (Mestrado) - UFMG, Belo Horizonte.

9. NORRISH, J.; RICHARDSON, L. F., Metal Transfer Mechanisms, Weld & Metal Fabrication, p.17-22, Jan/Feb. 1988.

10. SCOTTI, A. A Portrait of the Welding Research in Brazil, Soldagem & Inspeção, Brasil, v.13, n.2, p. 160-164, 2008.



11. PETZOW, G. Metallographic Etching-Metallographic and Ceramographic Methods for Revealing Microstructure, American Society for Metals, Metals Park: Ohio, 1978.

12. HEISTERKAMP, F.; HULKA, K.; GRAY, J. M. Metallurgical Concept And Full-Scale Testing of High Toughness, H2S Resistant 0,03%C-0,10%Nb Steel, Niobium Technical Report, CBMM, São Paulo, 1993.

USE OF TUBULAR WIRE AWS E316LT1-4 IN WELDING OF AISI 304
ABSTRACT
Due to the increasing use of the process of welding with cored wire (FCAW), associated to its characteristics of high deposition rate, high yield and suitable mechanical properties of the weld, this process has been widely studied because of its ease of application in the field. However, many aspects regarding the same have not been well understood, especially with respect to welding thin plates of stainless steel AISI 304. This work was performed using an analysis of tubular wire AWS-4 E316LT1 the soldering of simple deposition of AISI304 stainless steel sheets through the transfer mode pulsed varying the heat-input by varying the welding speed being constant parameters already optimized. The objective was to evaluate the relationship between the heat-input with mechanical property of hardness and metallurgical properties through metallographic analysis. The analysis of micro-Vickers hardness not shown, in general, large changes when subjected to different heat input levels used. However, some variations are observed, possibly due to the heterogeneity of microstructure due to different cooling conditions or greater activation in the heat affect zone, which depending on the added metal elements in the flow metallurgical transformations possibly suffered more intense.

Keywords: Welding of stainless steel, FCAW, Pulsed Current, DOE, micro-Vickers hardness.

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