UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENGENHARIA DE MATARIAIS
LABSOLDA - UFSC
Relatório de Estágio Curricular II
Período: 08 de Setembro de 2008 a 19 de Dezembro de 2008
Aluno: Hellinton Direne Filho
Matrícula no: 06137013
Orientador: Tiago Vieira Cunha, Fisc.
“concordamos com o conteúdo deste”
Campus Universitário - UFSC
Caixa postal: 476
Bairro: Trindade - CEP: 88040-900 - Florianópolis - SC
Telefone: (48) 3721-9471 - (48) 3234-2783
Fax: (48) 3234-6516
Agradecimentos
A minha família que não mede esforços para me ajudar sempre que preciso.
Ao Prof. Jair Carlos Dutra pela oportunidade cedida para realização do estágio
no laboratório.
Ao coordenador de estágio Tiago Vieira Cunha, sempre muito assíduo para
com suas responsabilidades, ajudando e instruindo adequadamente os
bolsistas.
Ao colega de estágio Mateus Barancelli, pelas instruções e auxilio nas
atividades desenvolvidas no laboratório.
Aos demais pesquisadores e bolsistas do Laboratório, Cirino, Ricardo,
Evandro, Ivan, Ezequiel, Marcelo, Renon, Jonatas, Eduardo, Marcia, Locatelli,
Regis, Alexandre, Felipe, Vinícius, Henrique e aos professores Niño e Cleide,
sempre contribuindo para que os trabalhos pudessem fluir adequadamente.
À comissão de estágios e aos senhores Antônio Pedro Novaes, Berend
Snoeijer e Germano Riffel, pela atenção dedicada aos alunos durante o período
de estágio.
Sumário
1. Introdução .................................................................................................................................... 1
2. Técnica de Soldagem Plasma-Keyhole ....................................................................................... 2
2.1. Introdução ............................................................................................................................ 2
2.2. O Processo Plasma ............................................................................................................. 2
2.3. O Papel do Plasma na Soldagem a Arco ............................................................................ 5
2.4. O Keyhole na Soldagem Plasma ......................................................................................... 5
3. Procedimento Experimental ......................................................................................................... 6
3.1. Bancada de Ensaios Plasma-Keyhole ................................................................................. 6
3.2. Fonte de Soldagem .............................................................................................................. 7
3.3. Módulo Plasma .................................................................................................................... 7
3.4. Tocha de Soldagem e Eletrodos .......................................................................................... 8
3.5. Alimentador de Arame ......................................................................................................... 8
3.6. Medidor de Vazão ................................................................................................................ 9
3.7. Consumíveis ........................................................................................................................ 9
3.7.1.Metal de Adição .................................................................................................. 9
3.7.2.Gás de Plasma .................................................................................................... 10
3.7.3.Gás de Proteção ................................................................................................. 10
3.7.4 Gás de Purga ...................................................................................................... 10
4. Ensaios Plasma-Keyhole ............................................................................................................. 10
4.1. Materiais e Métodos ............................................................................................................. 11
4.1.1.Bocal Constritor ...................................................................................................... 11
4.1.2.Eletrodos ................................................................................................................. 11
4.1.3.Material de Adição .................................................................................................. 12
4.1.4.Gases de Plasma e Proteção ................................................................................. 13
4.1.5.Gás de Purga .......................................................................................................... 14
4.1.6.Distancia Bocal-Peça.............................................................................................. 15
4.1.7.Velocidade de Soldagem ........................................................................................ 15
4.1.8 Corrente de Soldagem ............................................................................................ 16
4.2.Abertura e Fechamento do Keyhole ...................................................................................... 17
5. Resultados ................................................................................................................................... 18
5.1. Macrografia .......................................................................................................................... 18
5.2. Micrografia ........................................................................................................................... 20
5.3. Microdureza ......................................................................................................................... 24
6. Conclusão .................................................................................................................................... 26
7. Consideraçoes Finais .................................................................................................................. 27
8. Referências Bibliográficas ........................................................................................................... 28
1. Introdução
O presente relatório descreve a principal atividade desenvolvida durante o
período de estágio no LABSOLDA – Laboratório de Soldagem da Universidade
Federal de Santa Catarina.
O
LABSOLDA
possui
inúmeros
projetos
no
que
concerne
o
desenvolvimento de processos de soldagem. Além da atividade descrita,
durante o período de estágio foram realizadas atividades na área da Ciência e
Engenharia dos Materiais, auxiliando os pesquisadores do laboratório no
desenvolvimento de processos e pesquisas na área de soldagem, através de
preparação de amostras e análise microestrutural, tratamentos térmicos,
analises de propriedades mecânicas e analises química. Proporcionando
contato direto com os diferentes processos de soldagem.
A principal atividade realizada foi a determinação dos parâmetros de
soldagem para união de tubos utilizando a técnica de soldagem plasma
keyhole.
1
2. Técnica Keyhole de soldagem Plasma
2.1
Introdução
A soldagem plasma utilizando a técnica keyhole aparece como uma
alternativa de alta produtividade para união de chapas de grande espessura (410 mm). Este processo apresenta vantagens em relação aos processos
convencionais (TIG e MIG/MAG), como possibilidade de realização de
soldagem de qualidade em um único passe, sem necessidade de chanfro,
sendo possível a união em juntas de topo em um único passe. Além disso, em
muitos casos faz-se desnecessária a adição de material, reduzindo o tempo de
operação.
O presente trabalho visa o emprego do processo de soldagem plasma
keyhole na soldagem de tubos de bitolas de 101,6 mm e parede de 8 mm de
aço 1020, com o intuito de determinar os parâmetros ótimos de soldagem,
buscando aliar qualidade e produtividade nas soldas de união dos mesmos.
Devido à baixa tensão superficial do aço carbono e a grande espessura de
parede dos tubos, a determinação dos parâmetros de soldagem torna-se o
objetivo do trabalho.
Os principais parâmetros a serem estabelecidos são os tipos de
corrente, a velocidade de soldagem, o tipo de gás, tanto o gás de plasma
quanto o gás de proteção, bem como a vazão destes gases.
Também se estudou a necessidade da utilização de material de adição,
na tentativa de obter um cordão de melhor geometria e com melhores
propriedades metalúrgicas.
2.2
O
O Processo Plasma
processo
de
soldagem
Plasma
pode
ser
considerado
um
aperfeiçoamento do processo de soldagem TIG, pois, como o processo TIG,
utiliza um eletrodo não consumível de tungstênio e gás inerte para gerar um
arco e formar uma atmosfera protetora na superfície do metal contra a
contaminação gerada por outros gases do ambiente. A principal diferença entre
2
esses processos esta no confinamento do plasma em um bocal constritor, que
confere ao arco uma forma cilíndrica de grande estabilidade e com maior
concentração de energia, o que aumenta a penetração e a eficiência da fusão.
Como resultado deste efeito de constrição, a soldagem Plasma permite
maiores velocidades de deslocamento, penetração total e uniforme com passe
único em chapas de grande espessura, uma menor zona afetada pelo calor,
uma maior tolerância de variação na distância tocha-peça, além da
simplificação nos procedimentos de preparação da junta, como a preparação
do chanfro, os benefícios estão diretamente relacionados com os custos e
tempos de execução da solda.
A configuração básica do bocal constritor é mostrada na Figura 1,
onde estão indicados alguns parâmetros empregados no processo. A distância
da face externa do bocal até o material de base define o parâmetro
denominado distância bocal-peça. O recuo do eletrodo é medido desde a ponta
do eletrodo até a face externa do bocal constritor. As alterações das
características do arco são influenciadas por este fator, o qual define o grau de
constrição e a robustez do jato plasma. O arco é forçado a passar através do
bocal de constrição, o qual altera o perfil do arco que vai em seguida incidir
sobre o material base, em um área de formato circular, similar a do orifício
constritor. Devido a este efeito de constrição se garante que a área da seção
transversal do arco não sofra variação ao longo de sua extensão, desde a sua
saída do orifício constritor até o material base, mesmo que ocorram pequenas
variações na distância tocha-peça.
3
Figura 1: Configuração do bocal e parâmetros empregados no processo
Neste processo são utilizados dois fluxos de gases. O primeiro é o
gás plasma, gás inerte, conhecido como o quarto estado da matéria, é um gás
que quando aquecido e, ao menos parcialmente, ionizado é capaz de conduzir
corrente elétrica. A coluna ionizada de plasma consiste de átomos de carga
positiva (íons), em um número igual de elétrons e átomos, e moléculas neutras.
O segundo fluxo é o gás de proteção que passa por um bocal externo, este gás
é o que vai atuar na proteção da solda contra a contaminação pelo ar
atmosférico, podendo participar ou não da reação com o metal.
Para estabelecer a abertura do arco utiliza-se um equipamento
denominado módulo plasma. Este equipamento gera uma alta tensão em alta
freqüência, para produzir a ionização do gás que fica entre a ponta do eletrodo
e o bocal constritor. Quando isto ocorre, abre-se um pequeno arco entre o
eletrodo de tungstênio e o bocal, denominado arco piloto, este arco abrira o
caminho para o arco principal quando a fonte de soldagem for acionada.
O grau de constrição, a força do arco e a densidade de energia do
arco são funções da corrente, diâmetro e forma do orifício constritor, recuo do
eletrodo, tipo e vazão de gás de plasma e do tipo e vazão do gás de proteção.
4
2.3
O papel do plasma na soldagem a arco
Durante a soldagem a arco, o plasma é produzido por um arco elétrico
que passa através de um gás. O calor do arco ioniza algumas das moléculas
do gás para produzir uma forma positiva de jato plasma formada por uma
corrente de átomos, elétrons, e nêutrons. Através da força do arco constrito,
por passar por um pequeno orifício, o nível da ionização é aumentado, pois se
aumenta o calor. As temperaturas do arco entre 15000 a 27000 K são típicas. A
tocha plasma utiliza um bocal constritor ao redor do eletrodo onde o gás ioniza
em forma de jato plasma e o calor é focado sobre a peça trabalhada. As
características do arco plasma podem ser significativamente alteradas pelo tipo
do gás, vazão do gás, corrente, e a forma e tamanho do bocal constritor.
2.4
O keyhole na soldagem plasma
A soldagem keyhole é geralmente usada quando se quer realizar
soldagens que requerem grandes e totais penetrações em um passe, um
pequeno banho metálico, uma menor zona afetada pelo calor e deformações
mínimas. Alem dessas, as vantagens da soldagem keyhole são: aumento da
possibilidade de se utilizar um chanfro reto, redução de material de adição e o
mais importante a qualidade, produtividade e economias na soldagem.
O grande calor e a força do jato plasma produzem o efeito do keyhole,
onde o arco passa completamente pela peça produzindo um buraco, quando a
tocha se move o metal fundido flui pelos lados do buraco e solidifica-se na
parte de traz formando um banho metálico. Na soldagem plasma keyhole, uma
alta velocidade de vazão de gás passa através da peça de trabalho por uma
área de poucos mm².
O processo plasma keyhole pode ser realizado com ou sem material de
adição. O material de adição oferece, em alguns casos, propriedades
metalúrgicas a peça soldada, podendo atuar sobre o banho metálico deixandoo mais estável ou alterando a sua forma.
5
3. Procedimento Experimental
3.1
Bancada de Ensaios Plasma-Keyhole
A figura 2 mostra a bancada de ensaios montada para a realização dos
ensaios. Os equipamentos que constituem a bancada são: a fonte de
soldagem, o modulo plasma, unidade de refrigeração, mesa giratória, os
dispositivos de controle de vazão de gás, da velocidade da mesa giratória e da
velocidade de arame, estes que estão interligados a um microcomputador
através de uma placa de aquisição de dados e controle, interdata. Desta forma,
o controle da movimentação, assim como da vazão do gás de plasma e dos
níveis de corrente, podem ser executados através de um programa
especialmente desenvolvido para a soldagem plasma que tem a capacidade de
gerenciar o processo. A seguir, se descreve detalhadamente cada um dos
equipamentos do sistema de soldagem e dos dispositivos auxiliares.
Figura 2: Bancada de Ensaios Plasma-Keyhole
6
3.2
Fonte de soldagem
O equipamento é uma fonte de energia para soldagem multiprocesso,
desenvolvida e fabricada pelo LABSOLDA/UFSC que reúne numa mesma
fonte, todas as características necessárias para possibilitar sua utilização em
vários processos de soldagem. Esta fonte possui uma corrente nominal de 350
A para um fator de serviço igual a 100%, sendo que a capacidade de corrente é
da ordem de 600 A. As principais características da fonte seguem na tabela 1:
Tabela 1: Dados técnicos MTE DIGITEC 600
3.3
Módulo Plasma
A finalidade deste módulo é prover o estabelecimento do arco piloto do
processo. Desde que o eletrodo e confinado dentro da tocha a abertura do arco
não é feita dos modos tradicionais, tocando a peça, para tanto foi desenvolvido
o modulo plasma que tem por finalidade promover o estabelecimento do arco
piloto por meio de uma corrente de alta freqüência. Desta forma, quando a fonte
de energia é acionada, já existe um caminho preferencial de gás ionizado e
condutor de eletricidade, facilitando a abertura do arco entre o eletrodo e o
metal de base. O módulo plasma, desenvolvido no LABSOLDA, fornece uma
corrente de partida para a abertura do arco piloto de 7 A.
7
3.4
Tocha de soldagem e eletrodos
A tocha de soldagem PWM-300 é um equipamento para aplicações
automatizadas, desenvolvida para operar em correntes de até 300A, é
designada para ser usada em processos de transferência de arco por plasma
com corrente constante, unindo metais ferrosos e não-ferrosos.
Figura 3: Concepção e Dimensões Tocha de Soldagem Plasma
Os eletrodos utilizados na soldagem plasma são os mesmos da
soldagem TGI, que são constituídos de tungstênio, que é um metal com alto
ponto de fusão, excelente habilidade de emissão de elétron, coeficiente de
elasticidade elevado e baixa pressão de vapor. Por isso, é usado como material
termiônico desde muito cedo. O eletrodo pode ser puro ou de pequenas
proporções de tório, lantânio, cério ou zircônio, para diferentes emissões de
elétrons e grau de resistência do eletrodo.
3.5
Alimentador de arame
Um sistema de adição de arame pode ser utilizado para evitar defeitos devido a
falta de material, como a mordedura, ou/e para melhorar a geometria do cordão
de solda ou, ainda, trazendo propriedades metalúrgicas ao processo, assim o
alimentador adiciona o material na poça de fusão de maneira automática e com
velocidade controlada.
8
3.6
Medidor de Vazão
Como qualquer alteração na vazão de gás plasma, por menor que seja,
altera bruscamente a estabilidade do processo, a vazão do gás plasma deve
ser minimamente controlada por um medidor de vazão de alta precisão. Já para
controlar as vazões de gás de proteção e de purga, medidores convencionais
se adéquam a maioria das aplicações.
3.7
Consumíveis
3.7.1 Material de Adição
Embora a soldagem plasma seja normalmente realizada de maneira
autógena o uso de material de adição pode ser usado para oferecer uma
melhor geometria ao cordão ou oferecer propriedades metalúrgicas reduzindo
defeitos de soldagem, como por exemplo, reduzindo a formação de
porosidades, por meio de elementos desoxidantes, como o silício. O material
utilizado é o mesmo utilizado nos processos MIG/MAG e suas especificações
dependem da composição química do metal de base levando-se em conta as
recomendações e desenvolvimentos em outros processos e dependendo das
propriedades metalúrgicas desejadas. Ele é adicionado de maneira automática
pela frente da poça de fusão.
3.7.2 Gás de Plasma
O gás de plasmas é o gás que envolve o eletrodo de tungstênio e passa
pelo meio da tocha de soldagem. Este gás, quando aquecido, fornece a
passagem para o arco plasma, e a manutenção do arco piloto. Ele deve ser
inerte ao eletrodo de tungstênio para evitar a sua deterioração. Os gases
normalmente utilizados são argônio, hélio, misturas de argônio com hélio ou
misturas de argônio com hidrogênio.
9
3.7.3 Gás de proteção
Como a vazão do gás de plasma não é significativa para formar uma
proteção gasosa, utiliza-se um gás exterior ao bocal constritor para formar uma
proteção gasosa e evitar a contaminação da poça de fusão pelo ar atmosférico.
Estes gases podem ser ativos ao processo, pois não estão em contato com o
eletrodo de tungstênio, assim pode-se utilizar misturas com CO2 ou O2,
dependendo das propriedades desejadas ao material soldado.
3.7.4 Gás de purga
A principal função do gás de purga é evitar a oxidação da raiz em solda
com penetração total, porem também pode ser utilizado para evitar um super
aquecimento do sistema. Qualquer gás pode ser utilizado como gás de purga,
atentando-se a sua afinidade com o metal de base, normalmente utiliza-se um
gás mais barato, como o CO2.
4. Ensaios Plasma-Keyhole
Todos os ensaios foram realizados em pares de tubos de 101,6mm de
diâmetro e espessura de parede de 8mm, fixados de topo.
Os tubos seguem as especificações da norma ASTM A 106, que são para
aplicações de alta temperatura, com composição química definida.
C Máx. Si Min.
0,25
0,1
Co
Cu Máx.
0,4
Mn
P Máx.
0,27/0,93
0,035
Nb
Ti
-
S Máx.
0,035
V Máx.
0,08
Cr Máx.
0,4
W
-
Mo Máx.
0,15
Sn
-
Ni Máx.
0,4
Al
-
Tabela 1: Composição Química segundo norma ASTM A 106
Foi realizada uma analise química para verificar se a composição
química seguia as especificações da norma.
10
C
0,192
Co
0
Si
Mn
P
0,252 0,514 0,022
Cu
Nb
Ti
0,033
0
0
S
0,0015
V
0,0266
Cr
Mo
0,004 0,014
W
Sn
0,024
0
Ni
Al
0,013 0,027
Fe
98,88
Tabela 2: Composição Química dos Tubos
O material mostrou-se compatível a norma, mostrando ser um aço
comum de excelentes propriedades de soldabilidade.
4.1
Materiais e Métodos
4.1.1 Bocal constritor
O diâmetro do bocal constritor tem influencia direta na pressão e no
efeito de constrição do arco. Para soldagens do tipo keyhole recomenda-se
bocais com diâmetros pequenos para aumentar a concentração de energia,
porem quanto menor o diâmetro menor é a corrente de trabalho que pode ser
utilizada, devido a diminuição da resistência do bocal. E quanto maior o
diâmetro do bocal menor é a capacidade de penetração do processo. Portanto
para conciliar efeitos de grandes penetrações, ou seja maiores correntes, e
uma constrição ideal do arco plasma, utilizou-se bocais de 3,2mm de diâmetro
do orifício constritor.
4.1.2 Eletrodos
Os eletrodos utilizados foram de tungstênio puro de 3,2 mm de diâmetro
e 150 mm de comprimento, pois pelo tipo de corrente utilizada, de polaridade
direta, este tipo de eletrodo tende a formar uma ponta abaulada, promovendo
maior estabilidade ao arco. Acredita-se que ângulo de afiação do eletrodo não
exerce influencia na penetração do arco, tendo influencia apenas na largura do
cordão e na abertura do arco, portanto utilizou-se uma afiação de 15º da ponta
do eletrodo, esta afiação que dever ser sempre verificada, pois mesmo
utilizando uma polaridade direta, ou seja eletrodo sendo o pólo negativo, há um
desgaste na ponta do eletrodo. O recuo do eletrodo dentro do bocal constritor é
uma variável critica do processo, e qualquer variação causa alterações nas
11
consepçoes do arco, e deve ser acertado dentro das especificações da tocha
de soldagem. A medida que se reduz o recuo do eletrodo, a largura do cordão
aumenta e são obtidos cordões com menor profundidade de penetração. Esta
variação nas características geométricas do cordão de solda se deve à redução
do efeito de constrição, produzindo uma maior área de incidência do arco sobre
o metal base. A melhor geometria do cordão foi encontrada quando se ajustou
um recuo de eletrodo de 3 mm.
Figura 4: Eletrodo de Tungstênio com a ponta abaulada devido ao desgaste
promovido pelo processo
4.1.3 Material de adição
Em afinidade com o material dos tubos e com intuito de melhorias nas
propriedades metalúrgicas do cordão optou-se pela utilização do arame
ER70S-6, onde cada letra ou número tem o seu significado: a letra E vem de
eletrodo, R designa arame, 70 é o limite de resistência mínima à tração, S vem
do estado físico do arame, no caso sólido e 6 indica a sua composição
química, esta é dada na tabela 3.
12
Composição Química
Elemento
%
Carbono
Manganês
Silício
0,07 – 0,15 1,40 – 1,85 0,80 – 1,15
Fósforo
Enxofre
Cobre
0,025
0,035
0,5 máx.
Tabela 3: Composição Química do arame ER70S-6
De uma forma geral os arames com uma maior quantidade de Carbono,
Silício e Manganês favorecem a deposição de cordões com maior resistência e
dureza. O Silício aumenta a fluidez da poça de fusão, melhorando o formato
dos cordões depositados com elevada velocidade de soldagem, além do fato
do manganês e do silício serem elementos desoxidantes.
4.1.4 Gases de plasma e proteção
Nos primeiros ensaios foi utilizado argônio puro como gás de plasma e
gás de proteção. Nesta situação não foi possível obter resultados satisfatórios,
que merecessem melhores estudos, pois o processo com argônio puro mostrou
grande tendência de formar reforço na raiz e com isso apresentar falta de
material no lado externo do cordão. Nesta situação a adição de arame se
tornava impraticável, pois a poça de fusão não apresentava estabilidade
suficiente, variando seu tamanho e forma, e alem disso, a poça de fusão era
bem reduzida, e como o arame não sai de forma precisa do alimentador
geralmente chegava em uma região não fundida e causava turbulência ao
processo. Para isso foram utilizadas misturas de gases para se ter uma maior
estabilidade no processo. Os melhores resultados tinham sido atingidos com
vazão de gás de plasma de 3,7l/min, vazão de gás de proteção de 15l/min,
porem ainda não eram satisfatórios. Novos ensaios foram realizados e foi
possível atingir resultados um pouco melhores do que os anteriores utilizando
vazão de plasma de 2,8l/min, vazão do gás de proteção de 12l/min. É
importante destacar que a diminuição da vazão do gás de proteção teve um
papel importante para diminuir a turbulência do arco, diminuindo a ocorrência
dos fechamentos do keyhole durante a soldagem. Apesar de alguma melhoria
13
a poça de fusão continuava pequena e instável, de maneira que ficava inviável
a adição de arame.
Diante dos resultados não satisfatórios cogitou-se o uso de uma mistura
de argônio com 5% CO2. Foram realizados alguns cordões com a mistura no
gás de proteção. Pôde-se notar que a poça de fusão parecia estar mais fluida e
nos poucos ensaios realizados não foi possível obter cordões com o keyhole
estável, pois o metal fundido escorria para a raiz da solda.
Diante dos resultados utilizando a mistura (Ar+5%CO2, ativa oxidante) onde a
poça metálica aparentemente ficou mais fluida, foi pensado o uso de uma
mistura redutora (com H2) com o objetivo de diminuir a fluidez da poça de
fusão. Os primeiros ensaios foram realizados utilizando a mistura Ar+3%H2 no
gás de plasma. A utilização do gás com H2 mudou significativamente o
comportamento do banho fundindo. O banho se tornou mais estável, a poça de
fusão se tornou maior e mais estável. Tornou-se possível a adição de arame
sem muitos problemas.
Quando se utiliza o Ar+3%H2 no gás de plasma ocorre grande
instabilidade do arco piloto, sendo que fica difícil manter o arco piloto aceso.
Foi testado utilizar a mistura no gás de proteção e utilizar o Ar no gás de
plasma. O resultado foi muito bom, partindo-se para misturas com maiores
porcentagens de hidrogênio. A melhor estrutura da poça de fusão foi
conseguida quando utilizou-se uma mistura de argônio com 10% de
hidrogênio, como gás de proteção e argônio puro como gás de plasma, pois a
poça tomou dimensões maiores e tornou-se mais estável, sendo possível a
adição de arame de forma que não provocasse turbulência no processo. Os
melhores resultados foram conseguidos com vazão de gás plasma de 3,1l/min
e vazão de gás de proteção de 12,5l/min.
4.1.5 Gás de purga
Devido a aplicação dos tubos, estes são revestidos internamente por
uma borracha. Para evitar a queima da borracha utiliza-se CO2 como gás de
purga a uma vazão de 20l/min, afim de reduzir o aquecimento do processo,
14
alem de prevenir oxidações na raiz da união. Obtendo-se resultados
excelentes, sem a queima da borracha e com uma raiz aceitável.
4.1.6 Distancia bocal-peça
O processo plasma, em teoria, é bastante tolerante quanto a variações
na distancia bocal-peça, principalmente devido a robustez do seu arco. Porem
nos experimentos a distancia mostrou-se influente no processo, onde
pequenas variações comprometiam a penetração, e para tornar o processo
mais preciso utiliza-se uma distancia constante de 12mm, assim é constatado
que a distancia não esta influenciando no processo.
4.1.7 Velocidade de soldagem
O aumento da velocidade de soldagem produz uma redução significativa
na penetração e na quantidade de material fundido na poça de fusão. Esta
variável não tem nenhuma relação direta com as características do arco,
contudo, influencia diretamente na taxa de aquecimento da peça soldada por
unidade de comprimento.
Sendo assim, um aumento ou uma redução do
aporte térmico pode ser pode ser resultado da variação da velocidade de
soldagem.
Nos experimentos iniciou-se com uma velocidade de soldagem
constante de aproximadamente 15 cm/min, porem, o banho metálico tornavase tão quente no decorrer do ensaio, que o material fundido perdia as suas
características de tensão superficial e acabava gotejando para o interior do
tubo.
Partiu-se então para aumentos progressivos na velocidade de soldagem.
Conseguindo resultados satisfatórios com velocidades entre 18 e 20 cm/min,
no entanto, como a velocidade era muito alta para o processo, não se
conseguia a penetração almejada pelo processo, fazendo com que o banho
ficasse turbulento e não fosse possível formar o keyhole na peça, muitas vezes
pela turbulência do processo, não era possível finalizar um cordão, fechando o
15
tubo por inteiro e quando se tinha um cordão inteiro a penetração no início do
cordão era pobre e nem se formava uma raiz.
Tendo em vista uma raiz constante e de boa penetração por todo o
cordão a melhor solução foi adotar uma rampa de velocidade, começando com
uma velocidade menor para que o keyhole fosse aberto e ir aumentando a
velocidade progressivamente durante a soldagem, para que o aporte térmico
do sistema não fosse tão grande e o banho acabasse por permanecer estável.
As velocidades utilizadas partem de 16 cm/min e são aumentadas
progressivamente chegando a 20 cm/mim.
4.1.8 Corrente de soldagem
Um aumento da corrente de soldagem produz um aumento significativo
no volume de metal fundido e, conseqüentemente, nas dimensões do cordão
de solda.
Deu-se inicio aos experimentos utilizando uma corrente constante de
150A, porem como as variáveis neste processo são muito dependentes, cada
vez que se fazia alguma alteração, nos gases, nas distancias, ou em qualquer
outra variável, novas alternativas de corrente tinham de ser testadas, sendo
avaliadas varias concepções.
A concepção com que se obteve os melhores resultados foi utilizando
uma corrente constante de 180A, esta corrente é dita constante pois seus
tempos de pulso e de base são ajustado para que se tenha o mesmo valor de
corrente. A penetração ainda não foi satisfatória e esporadicamente o banho
ficava turbulento e acabava por causar defeitos, como mordeduras, ou até
mesmo chegando a furar a peça devido a grande energia fornecida ao sistema.
Para conseguir uma maior penetração juntamente com um banho menos
turbulento, foi utilizada uma corrente pulsada que variava entre os valores de
230 e 130A com tempo de pulso igual ao tempo de base, tendo uma corrente
média de 180A, os tempo de pulso e base também foram alterados na tentativa
de maiores penetrações, chegando a um tempo de pulsação ideal de 0,5s.
16
Figura 5:: Gráfico da corrente de soldagem, mostrando a freqüência de pulsação e as
corretes de Pico e Base.
4.2
Abertura e fechamento do keyhole
Na literatura encontra-se
encontra se referências citando que a soldagem plasma
pela técnica keyhole em chapas com espessuras de até 3 mm, o arco pode ser
conduzido com um conjunto único de parâmetros desde início ao fim do cordão
sem que este procedimento venha produzir perturbações na poça de fusão.
Entretanto, para a soldagem de chapas mais espessas a perturbação na poça
de fusão se torna mais evidente. Como solução a este tipo de problemas, na
soldagem de chapas de espessura maior que 3 mm, o arco deve ser iniciado e
finalizado em orelhas e que devem ser retiradas ao término da soldagem.
soldage Para
soldagens em tubos, onde é impossível a utilização de orelhas, torna-se
torna
necessário programar um procedimento de inicialização e finalização do
keyhole que permita um controle da fusão do metal, aumentando e diminuindo
gradualmente a corrente e a vazão
zão de gás de plasma. Assim, torna-se
torna
possível
a formação da poça de fusão sem produzir grandes perturbações até que o
jato plasma passe totalmente através do material de base e garante o
fechamento do buraco no fim do processo.
processo
17
Figura 6:: Gráfico da corrente
corrente média utilizada no processo, exemplificando a
rampa de corrente utilizada para o fechamento do keyhole
5. Resultados
Para análise dos resultados
resultados foram retiradas amostras de seção
transversal dos corpos de prova.
Os corpos de prova foram cortados com uma cortadeira manual e
posteriormente preparados metalograficamente.
metalograficamente
5.1
Macrografia
Inicialmente realizou-se
realizou se uma macrografia do cordão, para avaliar sua
qualidade quanto a defeitos estruturais. Para tal foi realizado uma ataque
químico com Reativo de iodo, composto de Iodo em pó, iodeto de potássio e
água destilada em proporções de 1-2-10g.
1
18
Figura 7: Macrografia da seção transversal do cordão de solda, aumento de 10x,
ataque químico com reativo de iodo.
Macrograficamente o que se deve avaliar é: porosidades, falta de
penetração, mordeduras e trincas.
Porosidades: São vazios no cordão de solda que pode ser causados pelo
acumulo de gases durante solidificação. Podem vir a comprometer a
Resistência mecânica do material. Não foi encontrada nenhuma porosidade nos
cordões avaliados.
Falta de penetração: Constata-se falta de penetração quando não se
consegue fundir e preencher completamente a raiz da solda. Pode ser causada
pela falta de energia atribuída ao processo. A falta de penetração causa uma
redução da secção útil da solda alem de ser um concentrador de tensões. No
caso, segundo a norma utilizada pela empresa, a penetração deve ser positiva,
não ultrapassando 1mm de raiz.
Mordeduras: Mordeduras são reentrâncias na localizadas entre o metal
não fundido e o cordão de solda, que podem ser causadas por velocidades de
soldagem elevadas. Também são acumuladores de tensão. Não foi constatado
nenhuma mordedura nos cordões avaliados.
Trincas: São consideradas as descontinuidades mais graves nos cordões
de solda pois são fortes acumuladores de tensão. Trincas resultam da atuação
19
de tensões de tração maiores que o material pode resistir, ou por algum outro
tipo de fragilização, como pela presença de hidrogênio no metal fundido.
A fragilização ou trinca por hidrogênio foi uma preocupação que surgiu
durante os ensaios. Essa descontinuidade é causada pelo acumulo de
hidrogênio atômico no metal fundido, proveniente de fontes externas, como, por
exemplo, o gás de proteção, daí a preocupação, pois porcentagens de
hidrogênio são utilizadas nos gases de soldagem. As trincas ocorrem algum
tempo após a soldagem, o que a torna extremamente crítica, sendo ainda mais
perigosa do que a trinca a quente, pois se não forem tomados cuidados
especiais, como por exemplo, inspeção com ensaios não destrutivos 48h após
a execução da soldagem, surpresas desagradáveis podem ocorrer, colocando
em risco a integridade de peças, equipamentos e estruturas.
A fissuração pelo hidrogênio é conseqüência da ação simultânea de
quatro fatores: 1. A presença de hidrogênio dissolvido no metal fundido; 2. As
tensões residuais associadas a soldagem; 3. A uma microestrutura frágil
(normalmente a martensita) e 4. À baixa temperatura (abaixo de 150ºC).
Nenhum desses fatores, isoladamente, provoca a fissuração a frio.
Como o material em questão não apresenta uma microestrutura frágil e as
temperaturas de trabalhos são muito altas, descartou-se a hipotese da
ocorrência destas descontinuidades.
5.2
Micrografia
Após a preparação metalografica da seção transversal dos corpos de
prova, foi realizado um ataque químico com Nital 2% como reagente, e
posteriormente sua microestrutura foi analisada com auxilio de um microscópio
óptico.
20
a)
c)
b)
d)
Figura 8: Micrografias da seção transversal do cordão de solda, aumento de 500x,
ataque químico com Nital 2%. a) Metal de Base; b) Zona afetada pelo calor refinada;
c) Zona afetada pelo calor grosseira; d) Zona fundida
Com a analise da microestrutura, pode-se perceber, alem da estrutura do
metal de base, três regiões distintas: a zona fundida, zona afetada pelo calor
grosseira e a zona afetada pelo calor refinada.
Devido as taxas de resfriamento percebe-se uma diferença significativa
no tamanho dos grãos de cada região específica. O metal líquido da poça de
fusão esta em contato com um substrato de idêntica composição (a parte não
fundida do metal de base). Portanto, o crescimento de grãos inicia deste
substrato na linha de fusão e progride na direção da linha central da solda. Tal
processo de iniciação é chamado de crescimento epitaxial.
21
Como a zona fundida é a ultima a se solidificar é a que apresenta o
maior crescimento de grãos. Formando uma estrutura de grãos grosseiros com
crescimento epitaxial de uma estrutura orgânica nos contornos dos grãos.
Figura 9: Micrografia da seção transversal do cordão de solda, aumento de 50x,
ataque químico com Nital 2%.Zona fundida
A zona termicamente afetada caracteriza-se por grãos bastante
pequenos, resultado de uma recristalização gerada a partir de deformações
intensas e das altas taxas de temperatura empregadas no processo de
soldagem, permitindo que os grãos sejam refinados durante o processo de
soldagem.
22
Figura 10: Micrografias da seção transversal do cordão de solda, aumento de 50x,
ataque químico com Nital 2%. Zona afetada pelo calor.
O tamanho de grão afeta a ductilidade do material, onde, como mostra a
figura 12, quanto mais refinada a estrutura maior é a ductilidade do material.
23
Figura 12: Gráfico do Tamanho de Grão x Ductilidade
5.3
Microdureza
Para atestar o efeito do crescimento de grão foram realizados ensaios de
microdureza, na mesma seção transversal dos corpos de prova, com um perfil a
2mm da base do cordão de solda e outro a 2mm da parte superior.
Foram realizados ensaios de dureza Vickers com sucessivas endentações
partindo da linha de centro das amostras considerando um espaçamento de
3µm entre cada endentação. Todas as endentações foram realizadas com
endentador de diamante a uma carga aplicada de 100 g durante o tempo de
10s.
Base
DISTANCIA(µm) DUREZA(HV)
-93
177
-90
170
-87
170
-84
172
-81
168
-78
164
-75
169
-72
160
-69
193
-66
162
-63
172
-60
163
24
Superior
DISTANCIA(µm) DUREZA(HV)
-93
177
-90
160
-87
144
-84
159
-81
143
-78
155
-75
150
-72
157
-69
157
-66
169
-63
170
-60
168
-57
-54
-51
-48
-45
-42
-39
-36
-33
-30
-27
-24
-21
-18
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
48
51
54
57
60
63
66
69
72
75
78
81
84
87
90
152
151
157
163
159
175
169
181
170
178
174
201
187
174
177
201
214
215
186
194
178
195
199
201
204
192
199
196
168
170
177
187
178
164
172
153
174
160
157
150
158
162
156
157
158
156
162
155
147
146
-57
-54
-51
-48
-45
-42
-39
-36
-33
-30
-27
-24
-21
-18
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
48
51
54
57
60
63
66
69
72
75
78
81
84
87
90
187
186
193
182
193
214
195
195
206
185
187
202
187
189
186
185
176
181
172
187
176
184
190
191
178
190
188
203
187
187
203
196
190
180
187
183
171
180
171
172
158
154
158
159
157
154
174
166
161
145
Tabela 4: Valores para perfil de microdureza da seca transversal do cordão de solda.
25
220
DUREZA(HV)
210
200
190
Base DUREZA(HV)
180
170
Superior DUREZA(HV)
160
150
140
-100
-50
0
50
100
DISTÂNCIA(µm)
Figura 13: Gráfico dos valores das microdurezas realizadas na seção transversal dos
cordões de solda
Com os ensaios realizados percebe-se que, tanto na base quanto na
parte superior do cordão de solda, a dureza vai diminuindo conforme se
aproxima do metal de base.
Podendo se constatar a influencia no do crescimento de grão na
ductilidade do material, pois a dureza e a ductilidade são fatores opostos, onde
quanto maior a dureza menor a ductilidade do material. E é exatamente o
temos com os perfis de dureza associados ao tamanho de grão de cada região
do cordão de solda. Quanto maior o tamanho de grão maior a dureza e menor a
ductilidade.
6. Conclusão
Apesar dos excelentes resultados obtidos até o momento, os ensaios
continuam em andamento, pois o processo ainda não apresenta uma boa
estabilidade para uma aplicação industrial de grande escala.
Novas concepções ainda devem ser testadas, como posicionamento da
tocha, outras misturas gasosas, diferentes faixas de atuação da corrente de
soldagem ou até outro tipo de material de adição.
Contudo o progresso nos estudos do processo plasma keyhole esta
caminhado
para
uma
consolidação
plena
e
é
factivel
definitivamente, ser aplicado em escala industrial brevemente.
26
que
possa,
7. Considerações Finais
Além da atividade principal destacada neste relatório, muitas outras
atividades
secundárias
foram
realizadas
no
decorrer
do
estágio,
proporcionando um contato direto com diferentes tipos de processos de
soldagem, trazendo um vasto conhecimento dos processos mais utilizados em
grande escala, como os processos MIG/MAG ou TIG, e conhecimentos em
processo menos convencionais, como soldagem PTA (soldagem plasma com
adição de pó metálico).
Proporcionando também um contato direto com a realidade das pesquisas
que são desenvolvidas dentro das universidades, trazendo um contato direto
com o meio acadêmico e com os estudos realizados nos laboratórios.
Vale ressaltar o companheirismo e a dedicação de todos os integrantes do
LABSOLDA, criando um agradável ambiente de trabalho, o que motivava o
desenvolvimento das atividades que tinha de ser realizadas.
27
8. Referências Bibliográficas
•
Welding Handbook. AWS, v.2- Welding process, eighth edition, 1991.
•
PAULA JR. O.S. DE. Desenvolvimento e aplicação da soldagem plasma
pela técnica keyhole, Dissertação de mestrado, UFSC, Brasil 1997.
•
KOU, S. Welding metallurgy. EUA: Wiley – Interscience Publication,
1987
•
DIAZ, Victor Manuel Vergara ; DUTRA, J. C. ; GOHR JUNIOR, Raul .
Estudo da Soldagem Plasma pela Técnica Keyhole com Corrente
Contínua Pulsada Concernente à Influencia das Variáveis sobre a
Geometria da Solda. Soldagem & Inspeção, São Paulo - SP, v. Ano 9-,
n. mar/2004, p. 19-24, 2004.
•
PAULA JÚNIOR, Ó. S. ; DUTRA, J. C. . A Técnica Keyhole na Soldagem
Plasma. Tecnologia Qualidade, Lisboa - Portugal., v. I, n. 30, p. 37-41,
1998.
•
Martikainen, J. K. and Moisio, T. J. I. “Investigation of the effect of
welding parameters on weld quality of plasma arc keyhole welding of
structural steels” Welding Journal, v.72, n. 7, p.329s-340s, July 1993.
•
Instruction manual PWM-300 Welding torch. Migatronic Automation, fist
edition, July/2002.
•
Manual de Instruções MTE DIGITEC 450/600, Laboratório de Soldagem
da Universidade Federal de Santa Catarina, Quinta edição, 03/2002
28