SOLDAGEM A LASER DE AÇOS ESTRUTURAIS
Celso Roberto Ribeiro
PPG-CEM/UFSCar – DEMa, Via Washington Luís, Km 235, Caixa Postal 676, 13565-905,
São Carlos – S.P., e-mail: [email protected]
Ana Cristina do Carmo Insfran
Pesquisadora
Jorge Fernandez dos Santos
GKSS Research Centre, Geesthacth, Alemanha, e-mail: [email protected]
Nelson Guedes de Alcântara
UFSCar – DEMa, e-mail: [email protected]
Abstract
Laser beam welding is increasingly used in the welding of structural C-Mn steels due
to it high automation and precision, high welding speed and low distortion compared to the
conventional welding process. It is currently possible to weld thicker section plates by the use
of high power laser sources, which is very interesting for the use in naval industry where
welding of big panels are currently. However, the metallurgical and fractures toughness
properties of laser welds and their structural implications for structural steels need to be fully
determined. Therefore, an experimental investigation on the microstructural and fracture
toughness properties of CO2 laser weld joints on 12 mm thick two different C-Mn steel was
carried out. This paper reports the results of steels namely Lloyd D and Lloyd DH36.
Key – Words: laser, weldability, structural steel
Resumo
Existe um interesse crescente na indústria, no uso de processos de soldagem de alta
capacidade de automação, grande velocidade de soldagem e baixa distorção, se comparado
aos processos convencionais. O uso do processos para a soldagem de chapas de seções
espessas, o que o torna um processo interessante para ser aplicado à indústria naval, onde
freqüentemente tem-se a necessidade de soldagens de espessos painéis de grandes dimensões.
As vantagens da soldagem por processo laser – LBW sobre os processos de fusão
convencionais são o grande potencial de produzir soldas com completa penetração autógena e
num único passe com uma reprodutibilidade e alta qualidade. Contudo, existe ainda a
necessidade de uma maior compreensão das propriedades metalúrgicas e mecânicas
associadas a esse processo. Assim, uma investigação experimental na microestrutura e
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39901
propriedades de tenacidade à fratura em juntas soldadas pelo processo de laser por CO2 em
chapas de 12 mm de espessura em chapas de aço para uso em construção naval.
Palavras-Chave: laser, soldabilidade, aços estruturais
Introdução
O processo de soldagem por laser - LBW é um processo que apresenta alta densidade
de energia com uma alta taxa de resfriamento, o que promove a formação de uma
microestrutura tipicamente martensítica e apresenta como características uma junta soldada
com uma
Zona de Fusão – ZF e Zona Termicamente Afetada - ZTA muito estreitas
(aproximadamente 2-3 mm). Uma vez que os valores de dureza característicos dessas regiões
são muito altos, bem acima daqueles especificados em normas e códigos, muito trabalho e
tempo ainda são necessários para a qualificação desses procedimentos 1 - 3.
A variação nas propriedades mecânicas das diferentes regiões de uma junta soldada
pelos processo a arco convencionais, pode influenciar significativamente o comportamento da
junta em serviço. O processo laser tem como característica produzir juntas com uma ZTA e
ZF muito estreitas, o que pode ser vantajoso sobre os processos convencionais, se a junta
soldada apresentar um comportamento mecânico adequado para uma qualificação em serviço.
Contudo, para uma pré-qualificação ou avaliação de defeitos, a determinação das
propriedades mecânicas de uma ZTA e ZF muito estreitas não pode ser feita por
procedimentos padrões de ensaios mecânicos; pois, é freqüente observar em amostras dessas
juntas soldadas, devido a maior resistência da ZF, que em ensaios de tração transversal ocorre
a fratura no metal de base e que ocorre um desvio no caminho da fratura tanto nos ensaios
Charpy-V, como nos ensaios de tenacidade a fratura – CTOD. Dessa forma, todos os
resultados
desse
ensaios
padronizados
podem
prover
informações
incorretas
do
comportamento mecânico de uma junta soldada, devido a interação indesejável entre a zona
de fusão e o metal de base 1- 5.
Assim, a fim de que se possa compreender os processos de deformação e fratura da
junta soldada, deve-se primeiro determinar as propriedades mecânicas locais das pequenas
regiões da ZF e ZTA. Contudo, isso não é tarefa fácil devido ao pequeno tamanho dessas
regiões. A informação completa das propriedades de tenacidade à fratura e tração da ZF e
ZTA é essencial para a pré-qualificação e do completo entendimento da performance da junta
em serviço. Assim, esse trabalho concentra-se nesses aspectos e apresenta as características de
soldabilidade de dois aços estruturais usados na indústria naval 5.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39902
Procedimento Experimental
Material
Dois aços estruturais foram usados nesse trabalho sendo, Lloyd D e o Lloyd DH 36
usados na construção naval, na condição de laminado e normalizado com 12 mm de
espessura. A composição química, bem como o valor do carbono equivalente - Ceq. desses
aços é dada na tabela 1.
Aço
C
Lloyd
D
Lloyd
DH 36
Tabela 1. Composição Química dos aços Lloyd D e DH36
Elementos (% massa)
Si Mn S
P
Cr Mo Nb
Ti
Ni
Cu
Al
Ceq.
0.12 0.25 0.81 0.008 0.015 0.019 0.002 0.001 0.001 0.018 0.009 0.023
0.26
0.11 0.41 1.35 0.003 0.011 0.017 0.002 0.031 0.002 0.019 0.010 0.036
0.34
Procedimentos de Soldagem
A preparação das juntas foi do tipo topo com chanfro reto. Todas as amostras foram
soldadas no Force Institute na Dinamarca, usando um equipamento laser de CO2 Rofin Sinar
170, com uma potência de saída máxima de 18,5 KW para uso em curtos períodos e 17 KW
para um uso contínuo, sendo o diâmetro do feixe de laser antes do foco ótico de
aproximadamente 45 mm.
Um estudo completo dos parâmetros de soldagem desses materiais não foi o objetivo
desse trabalho, assim para a determinação dos parâmetros ótimos de soldagem foi necessário
uma série de soldagens preliminares em cada material. Esses testes foram feitos como
soldagem sobre chapa sem chanfro, uma vez que as diferenças dessas para as soldas reais
podem ser consideradas desprezíveis. Os parâmetros utilizados na soldagem dos aços Lloyd D
e DH36 estão indicadas na tabela 2.
Tabela 2. Parâmetros de soldagem usados para as chapas de 12 mm
Parâmetros
Potência Velocidade
Gás de
Fluxo de Diâmetro Energia de
Aço
Lloyd D
Lloyd
DH36
de soldagem
(mm/s)
33.3
proteção
(kw)
16.5
He
gás
(l/min)
20
da fenda
(mm)
2
soldagem
(J/mm)
8.25
16.5
30
He
20
2
9.17
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39903
Micrografia
A análise microestrutural foi feita por microscopia eletrônica de varredura – MEV,
LEICA Stereoscan 440, com um aumento de 500X. A preparação das amostras consistiu no
corte transversal à direção de soldagem com disco abrasivo. Foi aplicado o embutimento em
baquelite e o desbaste manual com lixas de granulometria 120, 180, 240, 320, 400, e 600.
mesh. No polimento mecânico foi utilizada alumina de 1 e 0,3 µm, o ataque foi feito por
imersão durante 10 segundos em solução de Nital a 2%.
Dureza
Foram realizadas medidas de microdureza, segundo a norma ASTM E 384-89 em um
microdurômetro SHIMATSU, usando carga de 2,94N. As medidas foram tomadas de uma
seção transversal da junta soldada, em uma linha distante de 2 mm do topo da amostra e
espaçadas de 0,25 mm, obtendo-se assim um perfil de variação de dureza.
Tenacidade à Fratura - CTOD
De forma a determinar as propriedades de tenacidade a fratura das regiões do metal de
base, zona termicamente afetada e zona de fusão, foram preparadas amostras de tensão
compacta, com 12mm de espessura e ensaiadas à temperatura ambiente.
Os valores de CTOD foram medidos usando a técnica δ5 com o auxílio de um extensômetro.
Onde δ5 é medido diretamente nas superfícies laterais das amostras em pontos localizados à
2,5 mm de cada lado de uma pré-trinca. Detalhes adicionais sobre a preparação e
procedimento do ensaio são dados em Schwalbe e Koçak 5.
Tração
Amostras padrão de tração foram extraídas das chapas soldadas e testadas a
temperatura ambiente. Para a determinação das propriedades de tração das pequenas regiões
da junta soldada a laser foi necessário o uso de micro-amostras. Dessa forma, essas microamostras foram extraídas do MB, ZTA, e ZF através do processo de eletroerosão.
A preparação das amostras para o ensaio de tração foi realizada em dois estágios: i) extração
de um bloco pré usinado com a zona de fusão no centro e ii) corte das amostras do bloco
paralela a solda, usando eletroerosão com um arame de Cu de 0,1 mm. O esquema da amostra
é ilustrada na figura 1.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39904
Figura 1 - Micro-amostra para ensaio de tração e forma de extração da junta soldada.
Resultados e Discussão
Microestrutura.
Tanto no caso do aço Lloyd D, como do Lloyd DH36 apresentaram microestruturas
tipicamente observadas em aços C-Mn, consistindo de ferrita e perlita no MB, figuras 2a e 3a.
A alta taxa de resfriamento do processo laser resultou na formação substancial de martensita,
particularmente na ZTA, figuras 2b e 3b e ZF, figuras 3b e 3c, não sendo observadas nenhuma
porosidade significativa ou trincas de solidificação aparente.
Os aços Lloyd apresentaram microestruturas martensíticas e bainíticas, figuras 2b e 3b
e ZF, figuras 3b e 3c, respectivamente caraterizam a ZTA e ZF de ambas soldas. Contudo a
ZF do aço Lloyd D consistiu basicamente de bainita.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39905
a) Metal de Base
b) Zona Termicamente Afetada
c) Zona de Fusão
Figura 2 - Microestrutura da junta soldada do aço Lloyd DH36.
a) Metal de Base
b) Zona Termicamente Afetada
c) Zona de Fusão
Figura 3 – Microestrutura da junta soldada do aço Lloyd D.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39906
Dureza
O perfil de microdureza das juntas soldadas por LBW refletem as características
microestruturais descritas acima. Os altos valores de dureza obtidos na ZF variam entre 280 e
450 HV dependendo do Ceq. dos aços apresentados na tabela 1. O Lloyd DH36, figura 4b,
devido ao seu alto Ceq. (0,34), produziu os mais altos níveis de dureza. A presença de um alta
dureza na região da ZF é caracterizado pela alta taxa de resfriamento envolvida. A variação de
dureza em cada amostra depende da quantidade de bainita e martensita envolvida.
O perfil de dureza do aço Lloyd D, figura 4a, contudo, apresentou um valor de dureza
de aproximadamente 250 - 300 HV na ZF devido ao baixo Ceq. (0,26), resultando num baixo
volume fracionário de martensita. As regras das sociedades classificadoras desses aços (4.28)
especificam uma dureza máxima de 380 HV, sendo que o Lloyd D satisfaz essas exigências.
500
500
Topo
450
450
400
Microdureza (Hv 0,3)
Microdureza (Hv 0,3)
Topo
350
300
250
200
400
350
300
250
200
150
150
100
100
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
Distância do centro da solda (mm)
4
5
6
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
Distância do centro da solda (mm)
a)
b)
Figura 4 - Perfil de dureza da junta: a)Lloyd D, b) Lloyd DH36
Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas obtidas do MB, ZF obtidas de ensaios de tração padrão e
com microamostras são dados na tabela 3. Os valores apresentados são baseados nos picos
dos valores obtidos de 20 amostras divididas em dois grupos.
Devido à alta resistência na ZF todas as amostras de tração transversal de todas as
soldas fraturaram no metal de base ao invés da zona de fusão. As curvas de tensão
deformação das amostras extraídas do LBW apresentam comportamento similar ao do MB. A
tabela 3 apresenta os resultados obtido dos ensaios de tração das amostras de LBW. Os
valores apresentados são a média de, no mínimo, tres amostras ensaiadas. Esses resultados
demonstram claramente que, como esperado, os valores de limite de resistência e de
escoamento aumentam progressivamente partindo do metal de base e atingindo o valor
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39907
máximo na zona de fusão, figuras 5a e 5b. Esses resultados demonstram que as propriedades
locais das juntas soldadas por laser podem ser determinadas usando essas técnicas de ensaios.
Como visto acima as juntas investigadas nesse estudo são caracterizadas por uma região
fundida de maior dureza e resistência (baseado nas microestruturas observadas) se comparado
ao metal de base.
Tabela 3 - Resultados dos ensaios de tração das amostra laser
Aço
LE
(MPa)
LR
(MPa)
A
(%)
Lloyd D
Lloyd DH36
Lloyd D
Lloyd DH36
Lloyd D
Lloyd DH36
284
409
535
835
323
431
403
523
635
961
436
550
40
30,8
31,4
24,3
Região
Metal de Base
Zona de Fusão
Transverso
1200
1200
1000
LR
LE
1000
900
900
800
800
Tensão (MPa)
Tensão (MPa)
1100
LR
LE
1100
700
600
500
400
700
600
500
400
300
300
200
200
100
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0
1
2
Número da amostra
a)
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Número da amostra
b)
Figura 5 - Distribuição dos limites de resistência e escoamento ao longo da junta soldada
a) Lloyd D, b) Lloyd DH36.
Propriedade de tenacidade à fratura CTOD
Os ensaios de CTOD foram feitos usando amostras com 12 mm de espessura com prétrinca na ZTA e ZF, ensaiadas à temperatura ambiente. A tabela 4 apresenta os resultados de
tenacidade CTOD obtidos para o MB, ZTA e ZF, com o respectivo valores e tipo de
tenacidade. Os níveis de tenacidade à fratura obtidos na juntas soldadas são geralmente altas.
A ocorrência de fraturas frágeis indicam a presença de microestrutura frágil.
Como mostrado na tabela 4, a zona de fusão de ambas as soldas não apresentaram
nível de tenacidade claramente o mais baixo se comparado com a ZTA, embora observadas
fraturas frágeis.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39908
O uso do ensaio de tenacidade à fratura – CTOD, com a técnica δ5 para a determinação
dos valores de tenacidade é aparentemente um procedimento válido para a avaliação de soldas
a laser de aços estruturais.
Tabela 4 – Propriedades de Tenacidade à Fratura
Local da Pré-trinca
Metal de Base
Zona de Fusão
Zona Termicamente Afetada
CTOD (δ5) – (mm)
Lloyd D
Lloyd DH36
0,86
0,77
0,76
0,11(p), 1,89(m)
0,07(p), 0,44(m)
0,81
0,76
0,08(p), 1,15(m)
0,62
0,58
0,42
0,38
0,36
0,33
0,17(p), 0,40 (m)
0,08(p), 0,31 (m)
(m) fratura dútil; (p) Fratura frágil
Conclusões
As seguintes conclusões podem ser tiradas do trabalho:
Como demonstrado, o ensaio de tração com microamostra é uma técnica que pode ser
usada com sucesso as propriedades mecânicas de um junta soldada por laser.
O uso do ensaio de tenacidade a fratura – CTOD com a técnica D5 é um procedimento
válido para a determinação dos valores de tenacidade de uma junta soldada pelo processo
laser.
O processo laser de soldagem pode ser aplicado com sucesso na união de aços
estruturais ferríticos com espessuras de 12mm, com nenhum defeito aparente e nenhuma
distorção.
A medida de microdureza confirmou a análise microestrutural, exceto pelo material
Lloyd D que apresentou Ceq. = 0,26.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39909
Referências Bibliográficas
1. Insfran, A., Microstructural and Fracture Toughness Evaluation of Power Beam Welded CMn Steels, Technischen Universitat Hamburg, Hamburg, 173 p., October, 1999.
2. Metzbower, E., A., Crystal Properties and Preparation, v. 22-25, p. 655-669, 1989.
3. Martukanitz, R., P., Howell, P., R., Pratt, W., A., Trends in Welding Science and
Technology, International. Conference Proceedings – ASM, p. 271-279, 1993.
4. Kurs, W., Trivedi, R., Transactions of the ASME, v. 114, p. 450-458, 1992.
5. Metzbower, E., A., Bhadeshia, H., K., D., H., Phillips, R., H., Materials Science and
Technology, v. 10, p. 56-59, 1994.
6. Schwalbe, K., H., Koçak, M., International Trends in Welding Science and Technology,
International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, p. 479-494,
1992.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
39910