Reparação de moldes de injecção de plásticos por soldadura
B. Silva, I. Pires, L Quintino
IDMEC, Instituto Superior Técnico, Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa,
Portugal
Resumo
Actualmente, a tecnologia de soldadura é uma ferramenta muito utilizada,
quer na fase de fabrico, quer durante o ciclo de vida do molde. No entanto,
apesar da importância desta tecnologia no sector, a grande maioria das
empresas fabricantes de moldes não lhe dá a atenção merecida verificando-se que existe pouco conhecimento sistematizado sobre os
princípios básicos da soldadura de aços-ferramenta, bem como sobre os
diversos processos alternativos de soldadura possíveis de serem utilizados
nesta área.
Face
ao
exposto,
foi
objecto
do
presente
trabalho
a
análise
do
comportamento metalúrgico dos aços AISI P20 e H13, frequentemente
utilizados no fabrico de moldes de injecção de plásticos, após soldadura.
Para o efeito foram realizados vários ensaios onde se analisou a influência
dos parâmetros de soldadura e da realização ou não de pré-aquecimentos
na qualidade das soldaduras obtidas, usando três processos de soldadura
distintos: TIG, Plasma e Laser.
A qualidade das soldaduras foi avaliada com base nas microstruturas das
diferentes regiões, bem como nos perfis de dureza.
1. Introdução
A tecnologia da soldadura é frequentemente utilizada na reparação de
moldes de injecção de plásticos, i.e. em operações que envolvem a
deposição de material nas cavidades moldantes.
Estas reparações podem ocorrer, quer durante o fabrico do molde: devido a
erros de maquinagem ou a alterações ao projecto do molde, como resultado
de mudanças na geometria da peça, quer durante a injecção, onde é
necessário reconstruir algumas zonas localizadas do molde, que devido ao
próprio processo sofreram erosão e desgaste.
As reparações feitas nos moldes são difíceis de contabilizar, uma vez que
um molde pode ser corrigido várias vezes durante a fase de produção e
alterado durante o seu ciclo de vida [1].
A aplicação das tecnologias da soldadura na reparação de moldes não é
uma tarefa fácil devido, quer ao próprio material (constituído por elevados
teores em elementos de liga e aquando da reparação encontrar-se no
estado temperado e revenido), quer à própria geometria dos moldes
(formas
complexas,
espessuras
finas,
zonas
de
difícil
acesso
com
tolerâncias apertadas).
A soldadura dos moldes é, também, extremamente exigente no que se
refere
aos
conhecimentos
mecânicos
e
metalúrgicos,
bem
como
à
experiência do soldador [2-5].
Actualmente, os procedimentos de soldadura aplicados à reparação de
moldes são elaborados tendo como base as recomendações fornecidas pelos
fabricantes de aço [6]. Estas indicações
são
frequentemente
pouco
esclarecedoras relativamente aos fenómenos metalúrgicos que podem
ocorrer quando o material é sujeito a ciclos térmicos de soldadura, que
dependem dos processos e procedimentos utilizados. Este conhecimento é
fundamental
para
definir
procedimentos
de
reparação
correctos
e
adequados a diferentes tipos materiais e geometrias.
A utilização correcta das tecnologias da soldadura na reparação de moldes
poderá ajudar os fabricantes de moldes a obter soldaduras de melhor
qualidade, bem como facilitar a sua implementação, com benefícios claros
em termos de qualidade e custos tanto para os fabricantes como para os
utilizadores dos moldes
2. Materiais e procedimento experimental
De forma a atingir os objectivos propostos, foram realizados vários cordões
de soldadura usando três processos de soldadura distintos: TIG, Laser e
Plasma, em dois materiais base: AISI P20 e H13. Estes são ambos aços
ferramenta largamente utilizados na indústria de moldes, sendo que o
primeiro é um aço temperado e revenido, estudado nessa condição,
enquanto que o segundo é um aço, designado de endurecimento profundo,
que foi estudado nas condições de recozido e de temperado e revenido.
Para os materiais base em estudo utilizou-se o material de adição CARBO TSG CrMo 1, para o aço P20 e o CARBO T-2567, para o H13. A composição
química dos materiais base e dos materiais de adição estão indicados na
tabela 1.
C
Mn
Cr
Mo
V
Si
W
Cu
Ceq
P20
0.4
1.5
1.9
0.2
-
-
-
-
1.07
H13
0.4
-
5.3
1.4
1.0
1.0
-
-
1.94
M.A. P20
0.09
0.95
1.15
0.47
-
0.62
-
0.15
0.58
M.A. H13
0.32
0.29
2.25
-
0.54
0.29
4.12
-
0.93
Tabela 1 – Composição química dos aços P20, H13 e do material de adição respectivo.
A metodologia seguida foi idêntica para os três processos de soldadura,
embora existam algumas diferenças devido às características inerentes aos
próprios processos.
Depois de realizados os cordões, efectuaram-se cortes transversais nos
mesmos, por forma a obter-se amostras para análise metalográfica e para
realização de ensaios de dureza. Estas amostras foram polidas e atacadas
com uma solução de Nital 2%. A dureza vickers foi medida com uma carga
de 1 Kgf (HV1) e com intervalos entre indentações de 0.25mm, que
incluíram o material base, zona afectada pelo calor e zona de fusão (fig1).
ZF
ZAC
MB
Figura 1- Esquema com os pontos de medição de dureza.
2.1. Processos de Soldadura
Realizaram-se ensaios utilizando três processos de soldadura considerados
de elevada qualidade e utilizados em reparação de aços na gama de
composições indicada. A estes processos estão associados ciclos térmicos
diferentes pelo que será expectável obter características diferentes nas
zonas soldadas.
A selecção destes processos deveu-se ao facto de serem os referidos pela
industria e em publicações como os processos mais adequados para este
tipo de reparações, devido a permitirem um bom controlo da entrega
térmica e a obtenção de cordões sem defeitos, metalurgicamente capazes
de suportar as condições de funcionamento dos moldes.
2.1.1. Processo de Soldadura TIG
Com este processo foram depositados cordões em placas de aço com
100mmx60mm e 24mm de espessura, de acordo com o esquema da figura
2, utilizando quatro níveis de intensidades de corrente (90, 100, 110 e 120
A) e duas velocidades de soldadura (7 e 15 cm/min). A velocidade de
alimentação do material de adição foi, em cada ensaio, ajustada de modo a
se obterem cordões com bom aspecto superficial.
Para analisar o efeito da temperatura de pré-aquecimento, utilizaram-se
dois valores de temperaturas: 250 e 350 ºC, e em alguns ensaios não se
efectuou qualquer pré-aquecimento.
Figura 2 - Esquema de deposição dos cordões.
Foram
igualmente
realizados ensaios sobrepondo vários cordões de
soldadura, com o objectivo de avaliar o efeito de ciclos térmicos sucessivos
na microestrutura e dureza dos mesmos (comportamento idêntico ao que se
verifica aquando da construção de castelos), usando dois níveis de
intensidade de corrente (90 e 120A) e duas velocidades de soldadura (7 e
15 cm/min) (fig 3).
Figura 3 – Figura ilustrativa de soldaduras com cordões sobrepostos.
Após soldadura, algumas amostras foram sujeitas a um pós-tratamento
térmico de soldadura (revenido), para a avaliar a possibilidade de se obter
uma distribuição uniforme de dureza no cordão de soldadura, na zona
afectada pelo calor e no metal base. Estes ensaios permitiram analisar a
influência do pós-tratamento térmico nas características dos cordões de
soldadura.
O pós-tratamento foi feito apenas em algumas amostras soldadas a TIG, no
aço P20, uma vez que com outros processos os resultados deveriam ser
idênticos.
2.1.2. Processo de Soldadura por Plasma
Tal como referido anteriormente, para as soldaduras plasma utilizou-se um
procedimento de soldadura idêntico ao do processo TIG. Foram realizados
depósitos simples e sobrepostos usando dois níveis de intensidade de
corrente (75 e 90A) e duas velocidades de soldadura (5 e 7.5cm/min). Foi
utilizada uma temperatura de pré-aquecimento de 350ºC.
2.1.3. Processo de Soldadura Laser
As soldaduras foram realizadas com um laser de Nd-YAG laser. A potência
do pulso variou de 3 a 4.14Kw, a duração do pulso de 7 a 9 ms e a
frequência do pulso manteve-se constante e igual a 8.5Hz. A velocidade de
soldadura utilizada foi de aproximadamente 0.2cm/s. Todas as soldaduras
laser foram realizadas sem pré-tratamento, seguindo as práticas industriais
correntes, não foi igualmente realizado pós-tratamento térmico após
soldadura. Convém referir, no entanto, que antes da realização da
soldadura se passou o feixe laser sobre a zona a soldar (prática comum nas
empresas reparadores de moldes com Laser).
3. Apresentação e discussão dos resultados
3.1. Aspecto superficial dos depósitos
No que diz respeito ao aspecto macroscópico dos cordões depositados,
observou-se que todos os processos dão origem a soldaduras sem defeitos
superficiais visíveis, apesar de os cordões obtidos com Laser serem mais
planos e regulares e apresentarem melhor homogeneidade superficial (fig.
4).
Figura 4 - Aspecto superficial de cordões obtidos pelo processo a) TIG; b) Plasma; c)Laser
No entanto, após o corte e polimento da secção transversal de alguns
cordões feitos com o processo de soldadura Laser, observou-se que alguns
dos depósitos apresentam defeitos causados por fusão incompleta do
material base (fig 5). Estes defeitos podem ser causados por pequenas
variações da velocidade de soldadura (processo manual), ou por outros
factores dependentes da experiência/desempenho do soldador, tais como
posicionamento do fio em relação ao feixe laser.
Figura 5- Depósitos feitos pelo processo de soldadura Laser, ilustrando: a) e c) fusão
incompleta, b) ausência de defeitos
Relativamente às dimensões dos cordões e zona Afectada pelo calor
verificou-se, tal como seria de esperar que para o caso do Laser a Zona
Afectada pelo Calor (ZAC), bem como largura e penetração dos cordões têm
menores dimensões (0.3mm; 0.5-0.9mm e 0.04mm, respectivamente)
comparativamente às dos cordões obtidos por TIG e plasma (1.8mm; 3.36.3mm e 0.8 -1.9mm, respectivamente)
Estes resultados indicam que tanto o processo de soldadura TIG, bem como
o Plasma são mais indicados para reparação de áreas, enquanto o laser
para a deposição de linhas.
3.2. Microestruturas e distribuição da dureza
Aço P20
Relativamente ao aço P20, a análise metalográfica ilustrada na figura 6,
bem como os resultados dos ensaios de dureza (fig 7-9) indicam que em
todos os casos estudados tanto a zona de fusão (ZF), como a Zona Afectada
pelo Calor (ZAC) (dureza Max=726 HV1 e Min=474 HV1) são formadas por
martensite de elevada dureza, e que o Material Base, com uma dureza
média de 300 HV1, é formado por martensite revenida (este aço é fornecido
na condição de temperado e revenido).
Figura 6 - Fotomicrografia SEM de: a) Metal fundido, b) Zona Afectada pelo Calor, c) Metal
Base de uma soldadura TIG feita no aço P20
Comparando os diferentes processos de soldadura entre si, verificou-se que
os resultados são idênticos excepto ao nível da amplitude da dureza,
apresentado o processo Laser valores ligeiramente inferiores, seguindo-se o
Plasma e por fim o TIG.
Figura 7 - Evolução da dureza para o aço P20 soldado por TIG, com pré-aquecimento de 350
ºC.
Figura 8 - Evolução da dureza para o aço P20 soldado por Plasma, com pré-aquecimento de
350 ºC.
Figura 9 – Microestrutura e perfil de dureza para o aço P20 soldado por Laser, sem préaquecimento.
Tendo
por
objectivo
verificar
se
a
deposição
de
cordões
adjacentes/sobrepostos, e consequentemente o efeito térmico a eles
associados, permite revenir a martensite formada no cordão anterior, foram
realizados
três
cordões
adjacentes
com
sobreposição.
Através
dos
resultados destas análises verificou-se que apesar de existir um efeito de
revenido em certas zonas do cordão, que dá origem a uma diminuição de
dureza, esse efeito não é uniforme, continuando, assim, a existir variações
de dureza (fig. 10).
Figura 10 -Evolução da dureza ao longo de uma linha paralela á superfície da placa,
para o caso de três cordões adjacentes com sobreposição, feitos pelo processo TIG
no aço P20, com pré-aquecimento de 350 ºC
Os resultados obtidos indicam que é indispensável a realização de um
revenido após a soldadura, com a finalidade de reduzir e uniformizar os
níveis de dureza na ZAC e na zona de fusão (fig. 11).
Figura 11 - Evolução da dureza ao longo de uma linha paralela á superfície da
placa, após tratamento térmico de revenido, de uma amostra soldada a TIG, no aço
P20.
Aço H13
Relativamente ao aço H13, a análise metalográfica, indica que existe
martensite, tanto na ZAC, como na zona de fusão (tal como se verificou
para o P20). Através dos resultados de dureza, representados nas figuras
12-14, verifica-se que nos limites da ZAC existe uma zona com dureza
inferior à do material base, zona essa que deverá dever-se a fenómenos de
sobre-revenido. Ao contrário do aço P20, onde os problemas se prendiam
com zonas de dureza elevada que podiam ser eliminadas com um
tratamento de revenido após a soldadura, neste caso a única maneira de
eliminar as zonas de baixa dureza que se formam é através de um
tratamento completo de tempera e revenido.
Figura 12- Evolução da dureza para o aço H13 soldado por TIG, com préaquecimento de 350 ºC.
Figura 13- Evolução da dureza para o aço H13 soldado por Laser, sem préaquecimento.
Figura 14-
Evolução da dureza para o aço H13 soldado por Plasma, com pré-
aquecimento de 350 ºC.
Soldando o aço no estado recozido é possível obter após tratamento
térmico de têmpera e revenido uma estrutura idêntica à do material não
soldado (fig 15), tal como se verifica para o caso em que o aço é soldado no
estado temperado e revenido e de seguida sujeito a um tratamento térmico
idêntico. Verificou-se, ainda que apesar do material de adição utilizado não
ser exactamente igual ao material base, origina uma zona de fusão que
responde ao tratamento térmico de forma muito semelhante ao material
base.
Figura 15 - Perfil de dureza, aço H13 soldado no estado recozido e posteriormente,
temperado e revenido.
No que diz respeito à influência da entrega térmica e das temperaturas de
pré-aquecimento
(fig
16),
verifica-se
que
a
dureza
diminui
apenas
ligeiramente com o aumento destes parâmetros (na gama estudada).
A não realização de qualquer pré-aquecimento, é desaconselhada, apesar
dos resultados em termos de dureza serem apenas ligeiramente superiores
aos dos mesmos ensaios realizados com pré-aquecimento, no entanto
deverá ter-se cuidado pois haverá um maior risco de fissuração após
soldadura.
Figura 16 -
Influência da temperatura de pré-aquecimento na distribuição de
durezas, aço H13, processo de soldadura TIG.
4. Conclusões
Os resultados dos ensaios experimentais permitiram concluir:
1 . relativamente aos materiais base:
a) Aço P20
-Após soldadura os cordões apresentam regiões com valores de dureza
superiores aos do material base, valores esses correspondentes a uma
microestrutura martensítia. Nas soldaduras efectuadas sobrepondo vários
cordões (situação idêntica à construção de castelos), verificou-se que
algumas zonas foram revenidas devido aos vários ciclos térmicos impostos.
No entanto, este procedimento não permite a obtenção de uma distribuição
uniforme de durezas entre o metal base, a zona fundida e a zona afectada
pelo calor. Esta só é possível realizando um tratamento térmico de
revenido, após soldadura.
b) Aço H13
-Os resultados foram idênticos aos obtidos com o aço P20, indicando a
presença de martensite tanto na zona afectada pelo calor, como na zona de
fusão. No entanto, para o aço H13 a zona afectada pelo calor apresenta
uma dureza inferior à do material base, devido a um efeito de sobrerevenido.
-Ao contrário do aço P20, onde os “pontos críticos” se devem a regiões de
elevada dureza na zona afectada pelo calor, que podem, no entanto, ser
reduzidos para valores idênticos aos do material base, através de um
tratamento térmico de revenido após soldadura. Para o aço H13 soldado,
quer na condição de temperado e revenido, quer na situação de recozido, a
única maneira de se obterem níveis de dureza idênticos aos do material
base (condição temperado e revenido) é através de um tratamento térmico
completo após soldadura de tempera e revenido.
- A temperatura de pré-aquecimento não provoca grandes alterações ao
nível de valores de dureza, diminuindo apenas ligeiramente o seu valor com
o aumento da temperatura de pré-aquecimento até 350ºC.
2. Relativamente aos processos de soldadura
a) Processos TIG e Plasma:
- As dimensões dos cordões, bem com a zona afectada pelo calor são mais
elevadas comparativamente às dos cordões obtidos por Laser. Estas
características poderão ser uma vantagem na reparação de áreas maiores,
onde é necessário adicionar mais matéria,l com taxas de deposição
superiores.
- Os valores de dureza obtidos são apenas ligeiramente superiores aos
valores apresentados nas soldaduras Laser, possivelmente devido a uma
diminuição do tamanho do grão da autenite, com este último processo.
- Deverá ser realizado um tratamento térmico após soldadura de maneira a
obter-se um perfil de durezas uniforme ao longo do metal base, zona
afectada pelo calor e metal fundido.
b) Processo de soldadura Laser Nd-Yag
-Devido às características deste processo não foi usado qualquer préaquecimento antes da realização das soldaduras.
Os cordões obtidos são uniformes, regulares, de dimensões reduzidas e
isentos de defeitos superficiais. As características destes cordões fazem com
que este processo seja ideal para a reparação de pequenas áreas/detalhes
nos moldes e em postiços.
-Através da análise das secções transversais dos cordões de soldadura
foram detectados em algumas amostras defeitos relacionados com faltas de
fusão. Estes não são detectáveis pelo soldador, e vêm reforçar a
importância da escolha adequada dos parâmetros e procedimentos de
soldadura.
-A zona afectada pelo calor apresenta níveis de dureza diferentes dos do
material base. No entanto, as dimensões reduzidas desta zona fazem com
que não seja necessário a realização de tratamentos térmicos após
soldadura. Convém referir, no entanto, que se for requerido uma maior
qualidade e desempenho do molde o pós-tratamento térmico deverá ser
realizado.
A reparação de moldes por soldadura, se feita correctamente, dá origem a
moldes com boas propriedades e com um desempenho melhorado. As
empresas fabricantes de moldes, bem como as empresas de reparação têm
à sua disposição uma diversidade de processos e procedimentos que,
quando bem seleccionados, levam a um aumento de fiabilidade e duração
da vida molde com o consequente impacto na redução dos custos.
Agradecimentos
Este trabalho foi suportado pelo POCI 2004/FCT/Portugal.
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