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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

LUIZ PAULO DA SILVA CRUZ JUNIOR / 04021007801 TÁRCIO DOS SANTOS CABRAL / 01021003201

ESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM MIG PARA O PREENCHIMENTO DE CAVIDADES PELA TÉCNICA DE CAMADAS

SUCESSIVAS

BELÉM 2008

ii

LUIZ PAULO DA SILVA CRUZ JUNIOR

TÁRCIO DOS SANTOS CABRAL

ESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM MIG PARA O PREENCHIMENTO DE CAVIDADES PELA TÉCNICA DE CAMADAS

SUCESSIVAS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

a Universidade Federal do Pará, Centro

Tecnológico, Curso de Engenharia Mecânica

para obtenção do grau de Engenheiro

Mecânico.

Orientador: Prof. Dr. Eduardo de Magalhães

Braga

BELÉM 2008

iii

LUIZ PAULO DA SILVA CRUZ JUNIOR / 04021007801 TÁRCIO DOS SANTOS CABRAL / 01021003201

ESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM MIG PARA O

PREENCHIMENTO DE CAVIDADES PELA TÉCNICA DE CAMADAS SUCESSIVAS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

para a obtenção do grau de Engenheiro

Mecânico pela Universidade Federal do Pará.

Submetido à banca examinadora constituída

por:

______________________________________

Prof. Eduardo de Magalhães Braga, D.Sc.

UFPA

Orientador

______________________________________

Prof. Msc. Alberto Dias Sábio

CEFET/PA

Membro Externo

______________________________________

Eng. Fábio Luis Castro Marinho

Eletronorte/PA

Membro Externo

Julgado em 03 de fevereiro de 2009.

Conceito: ______________________

BELÉM 2008

iv

À minha esposa, Rosângela

Aos meus filhos, Luiz Paulo Neto e Aimée.

À minha mãe, Rosângela Nazaré.

Ao meu pai, Luiz Paulo.

v

AGRADECIMENTOS LUIZ PAULO

Aos meus pais, pela educação, apoio e lição de vida transmitida.

À minha esposa Rosângela e aos meus filhos Neto e Aimée, pelo carinho

transmitido em todas as situações e compreensão nos momentos de minha

ausência.

À minha irmã Alessandra, meu cunhado Elton, minha sogra Raimunda, ao

grande amigo Daniel Vergueiros (in memorian), a meu tio Antônio Carlos, minha tia e

segunda mãe Carmem Eunice (in memoriam), meu avó e padrinho Raimundo

Sidemar, pelo apoio nos momentos mais adversos que eu e minha familia vivemos

ao longo do curso.

À Universidade Federal do Pará, ao Curso de Engenharia Mecânica e ao

Instituto de Tecnologia, por proporcionar as condições necessárias para realização

deste trabalho.

Ao professor orientador, Eduardo de Magalhães Braga, pela confiança

depositada e pela orientação que se fez presente nos momentos decisivos deste

trabalho.

Ao Prof. Dr. Carlos Alberto Mendes da Mota, pela contribuição técnica

científica dedicada a este trabalho.

Aos professores da Universidade Federal do Pará, pelos conhecimentos

transmitidos nas disciplinas do curso de Engenharia Mecânica.

Aos colegas de trabalho do Getsolda, Tárcio Cabral, Andrew Vinicius e

Ângelo, pelo apoio, incentivos e sugestões.

Luiz Paulo da Silva Cruz Junior

vi

AGRADECIMENTOS TÁRCIO CABRAL

Ao Criador por ter me dado serenidade e determinação para a realização

deste trabalho.

Aos meus pais Walter Matos Cabral (in memorian) e Maria de Nazaré dos

Santos Cabral e minhas irmãs pelo grande amor, educação, dedicação e sacrifício

em favor dos meus estudos. A vocês dedico todo o meu amor e minhas conquistas.

À minha irmã Tatiana Cabral pela convivência, apoio e ajuda nos momentos

em que mais precisei.

A meus amigos Luiz Paulo, Andrew, Ângelo, Fábio e Thiago membros do

GETSOLDA, pela ajuda, companheirismo e amizade.

Ao meu orientador, Professor Dr. Eduardo de Magalhães Braga, pela

orientação, incentivo, aconselhamento, respeito e, acima de tudo, pela amizade;

Ao Prof. Dr. Carlos Alberto Mendes da Mota, pela contribuição técnica

científica dedicada a este trabalho.

Aos professores da Universidade Federal do Pará, pelos conhecimentos

transmitidos nas disciplinas do curso de Engenharia Mecânica.

A todos os meus amigos e amigas que eu conheci durante a vida e que de

alguma forma contribuíram para minha formação pessoal, acadêmica e profissional.

Tárcio dos Santos Cabral

vii

"Aquele que se enamora da prática sem a ciência é como um navegante que entra

no navio sem timão ou sem bússola, que jamais tem a certeza de onde vai. Sempre

a prática deve ser edificada sobre a boa teoria.”

Leonardo da Vinci

viii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ...................................................................................... xi LISTA DE TABELAS ..................................................................................... xiv LISTA DE SIMBOLOGIAS ............................................................................. xv RESUMO........................................................................................................ xvi

CAPITULO 1 1 INTRODUÇÃO 01 1.1 Contextualização ..................................................................................... 02

1.2 Objetivos Gerais ...................................................................................... 04

1.3 Objetivos específicos .............................................................................. 04

CAPITULO 2 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 05 2.1 Conceitos gerais do processo de soldagem GMAW .......................... 05 2.2 Transferência metálica do processo GMAW ........................................... 06

2.2.1 Transferência por curto-circuito ............................................................ 07

2.2.2 Transferência globular .......................................................................... 08

2.2.3 Transferência por aerossol (spray arc) ou goticular ............................. 09

2.3 Equipamentos ........................................................................................ 10 2.4 Gás de Proteção .................................................................................... 11 2.4.1 Argônio (Ar) .......................................................................................... 12

2.4.2 Misturas binárias .................................................................................. 13

2.4.2.1 Argônio-oxigênio ............................................................................... 13

2.4.2.2 Argônio + 2% de Oxigênio ................................................................. 13

2.5 Aço Inoxidável ....................................................................................... 13 2.6 Características da poça de fusão ........................................................ 15 2.7 Descontinuidades em Juntas soldadas .............................................. 16 2.8 Microdureza ........................................................................................... 17

ix

CAPÍTULO 3 2 EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA EXPERIMENTAL 19 3.1 Materiais e equipamentos utilizados ................................................... 19 3.1.1 Consumíveis ......................................................................................... 19

3.1.1.1 Arame Eletrodo ................................................................................. 19

3.1.1.2 Gás de proteção ................................................................................ 19

3.1.1.3 Metal de base .................................................................................... 20

3.1.1.4 Material de ensaio líquido penetrante ............................................... 20

3.1.2 Equipamentos ...................................................................................... 21

3.1.2.1 Fonte de energia ............................................................................... 22

3.1.2.2 Sistema de alimentação do arame (cabeçote) .................................. 23

3.1.2.3 Pistola de soldagem .......................................................................... 23

3.1.2.4 Sistema de posicionamento da pistola de soldagem ......................... 25

3.1.2.5 Sistema de Aferição e Aquisição Portátil ........................................... 25

3.1.2.6 Programas computacionais ............................................................... 26

3.1.2.7 Microcomputador ............................................................................... 27

3.1.2.8 Equipamentos auxiliares para confecção de amostras

metalográficas ................................................................................... 27

3.1.2.8.1 Máquina de serrar de fita ................................................................ 27

3.1.2.8.2 Máquina de corte (cut-off) .............................................................. 28

3.1.2.8.3 Lixadeira e politriz........................................................................... 28

3.1.2.8.4 Microdurômetro .............................................................................. 29

3.1.2.8.5 Sistema de Aquisição Óptico Computadorizado ............................ 29

3.2 Metodologia experimental .................................................................... 30 3.2.1 Parâmetros operacionais da soldagem ................................................ 30

3.2.2 Obtenção das amostras ....................................................................... 31

3.2.3 Análise de defeitos superficiais por Líquido Penetrante ....................... 33

3.2.4 Obtenção dos corpos de prova soldados ............................................. 34

3.2.5 Macrografia .......................................................................................... 35

3.2.6 Determinação dos parâmetros geométricos ......................................... 36

3.2.6.1 Análise do coeficiente de diluição ..................................................... 36

3.2.7 Morfologia dos passes de revestimento em sobreposição ................... 37

3.2.8 Determinação do perfil de dureza no revestimento e substrato ........... 38

x

CAPÍTULO 4 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 39 4.1 Resultado da avaliação dos oscilogramas de corrente e tensão ..... 39 4.2 Resultado da qualidade superficial do cordão ................................... 45 4.3 Resultado da análise de defeitos superficiais por

Líquido Penetrante................................................................................. 46 4.4 Resultado das características geométricas ........................................ 47 4.5 Resultado da morfologia dos passes de revestimento em

sobreposição .......................................................................................... 50 4.6 Resultado dos ensaios de dureza ........................................................ 52

CAPÍTULO 5 5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 54 5.1 Conclusões ............................................................................................ 54 5.2 Sugestão para trabalhos futuros ........................................................ 54 CAPÍTULO 6 6 AGRADECIMENTOS 56 CAPITULO 7 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 57

xi

LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO 1 Figura 1.1 - Zona erodida pelo efeito da cavitação na pá de uma turbina

Francis ........................................................................................ 01

Figura 1.2 – Cavitação em um perfil aerodinâmico ........................................ 02

Figura 1.3 - Soldadores entre as pás da turbina ............................................ 03

CAPÍTULO 2 Figura 2.1 - Desenho esquemático do processo GMAW ............................... 05

Figura 2.2 - Modos de transferência do metal ................................................ 06

Figura 2.3 - Imagens reais do modo de transferência do metal por: curto-

circuito (a), globular (b) e aerossol ou goticular (c) ..................... 07

Figura 2.4 – Representação da transferência por curto-circuito ..................... 07

Figura 2.5 – Transferência por curto-circuito na posição vertical ................... 08

Figura 2.6 – Transferência globular ................................................................ 09

Figura 2.7 – Transferência globular na posição vertical ................................. 09

Figura 2.8 – Tipo de transferência aerossol ou goticular ................................ 10

Figura 2.9 – Esquema representativo da soldagem MIG/MAG ...................... 11

Figura 2.10 – Perfil de cordões de solda feitos com diferentes gases ........... 12

Figura 2.11 – Ângulo de molhabilidade .......................................................... 13

Figura 2.12 – Fenômeno da passividade ....................................................... 14

Figura 2.13 – Parâmetros de espaçamentos mínimos entre indentações

vickers de acordo com a norma ASTM E384 .............................. 18

CAPÍTULO 3 Figura 3.1 – Material para ensaio líquido penetrante; (a) Penetrante, (b)

revelador ................................................................................... 20

Figura 3.2 – Fonte retificadora de tensão constante ...................................... 22

Figura 3.3 – Cabeçote de alimentação MEF 30 ............................................ 23

Figura 3.4 – Esquema da tocha de soldagem MIG/MAG ............................... 24

Figura 3.5 – Bocal da pistola de soldagem MIG/MAG visto em corte ............ 24

xii

Figura 3.6 – Detalhes do sistema de posicionamento da pistola de

soldagem ................................................................................... 25

Figura 3.7 – (a) Sistema de aferição e aquisição portátil (SAP 1) (b) Modo

de exibição dos valores de trabalho .......................................... 26

Figura 3.8 – Exemplo do modo de exibição dos dados em tela ..................... 26

Figura 3.9 – Máquina de serra de fita ............................................................. 27

Figura 3.10 – Máquina de corte metalográfico ............................................... 28

Figura 3.11 – Lixadeira Politriz ....................................................................... 29

Figura 3.12 - Microdurômetro utilizando ensaio de microdureza

do tipo Vickers ........................................................................... 29

Figura 3.13 – Sistema computadorizado para aquisição

e análise de imagens ............................................................... 30

Figura 3.14 - Esquema representativo da variação da distância do bico de

contato peça (DBCP) ................................................................ 31

Figura 3.15 - Esquema representativo dos cordões de solda depositados

sobre o aço inoxidável AISI 304 ................................................ 32

Figura 3.16 – Aspecto do corpo de prova após aplicação do revelador ......... 33

Figura 3.17 – Imagem de um corpo de prova sendo cortado na

serra de fita ............................................................................... 34

Figura 3.18 – Esquema do seccionamento transversal dos corpos

de prova .................................................................................... 35

Figura 3.19 – Esquema das Características Geométricas ............................. 36

Figura 3.20 – Diluição medida na seção transversal de (a) um cordão

depositado sobre chapa e (b) uma solda de topo ..................... 37

Figura 3.21 – Detalhes da soldagem em sobreposição ................................. 37

Figura 3.22 – Esquema da disposição do perfil de durezas analisadas e

sentido das indentação na seção transversal das amostras ..... 38

Figura 3.23 – Esquema da disposição do perfil de durezas analisadas ......... 38

CAPÍTULO 4 Figura 4.1 – Oscilogramas de corrente e tensão para o CP 01 e

DBCP 15 mm ............................................................................. 39

Figura 4.2 – Oscilogramas de corrente e tensão para o CP 02 e

DBCP 16 mm ............................................................................. 40

xiii


DBCP 17 mm ............................................................................. 40


DBCP 18 mm ............................................................................. 41


DBCP 19 mm ............................................................................. 41


DBCP 20 mm ............................................................................. 42


DBCP 21 mm ............................................................................. 42


DBCP 22 mm ............................................................................. 43


DBCP 23 mm ............................................................................. 43


DBCP 24 mm ........................................................................... 44


DBCP 25 mm ........................................................................... 44

Figura 4.12 – Aspecto superficial dos cordões depositados do CP 01 DBCP

15 mm ....................................................................................... 45

Figura 4.13 – Aspecto superficial dos cordões depositados do CP 13 DBCP

25 mm ....................................................................................... 45

Figura 4.14 – Análise por líquido penetrante do CP11 e DBCP 23mm .......... 46

Figura 4.15 – Análise por líquido penetrante do CP09 e DBCP 21mm .......... 46

Figura 4.16 – Valores de largura, reforço e penetração em relação ao

DBCP ........................................................................................ 48

Figura 4.17 – Diluição em função do DBCP ................................................... 49

Figura 4.18 – Análise macrográfica e geométrica do CP01 e DBCP 15 mm . 49

Figura 4.19 – Morfologia geométrica dos passes de revestimento ................ 50

Figura 4.20 – Ocorrência de falta fusão no revestimento do CP01 e DBCP

15 mm ....................................................................................... 51

Figura 4.21 – Influência do aumento da DBCP sobre a microdureza ............. 53

xiv

LISTA DE TABELAS CAPÍTULO 2 Tabela 2.1 – Algumas aplicações dos aços inoxidáveis ................................. 15

Tabela 2.2 - Comparação da descontinuidade com método de inspeção ...... 17

Tabela 2.3 – Técnicas de ensaio de dureza ................................................... 18

CAPÍTULO 3 Tabela 3.1 – Composição química do arame eletrodo AWS ER 309L (%) .... 19

Tabela 3.2 – Composição química aço AISI 304 (%) ..................................... 20

Tabela 3.3 – Parâmetros operacionais de soldagem para a posição plana ... 32

CAPÍTULO 4 Tabela 4.1 - Características geométricas das soldas de revestimento .......... 47

xv

LISTA DE SIMBOLOGIAS

A ⇒ Ampére

AISI ⇒ American Iron and Steel Institute

Al ⇒ Alumínio

Ar ⇒ Argônio

ASTM ⇒ American Society os Testing and Materials

AWS ⇒ American Welding Society

C ⇒ Carbono

CC+ ⇒ Corrente continua positiva

Cd ⇒ Cádimo

CFC ⇒ Cúbica de face centrada

cm ⇒ Centímetro

CP ⇒ Corpo de prova

Cr ⇒ Cromo

DBCP ⇒ Distância bico de contato peça

kgf ⇒ Kilograma-força

KW ⇒ Kilowatt

g ⇒ Grama

GMAW ⇒ Gas Metal Arc Welding

in ⇒ Polegada m ⇒ Metro

MAG ⇒ Metal Active Gas

MIG ⇒ Metal Inert Gas

min ⇒ Minuto

mm ⇒ Milímetro

O2 ⇒ Gás Oxigênio

SAE ⇒ Society of Automotive Engineers

V ⇒ Volt

ZF ⇒ Zona fundida Zn ⇒ Zinco % ⇒ Percentagem

δ ⇒ Coeficiente de diluição

xvi

RESUMO

Este trabalho faz parte de uma pesquisa maior do “Desenvolvimento e

Construção de Sistema Robotizado para Reparos de Falhas de Cavitação em

Turbinas Hidráulicas” em que são parceiras a Centrais Elétricas do Norte do Brasil

S/A - ELETRONORTE, UNB e a UFPA, neste trabalho buscamos gerar

conhecimento técnico, visando o aumento da eficácia no reparo e manutenção, por

soldagem, de turbinas hidráulicas erodidas por cavitação. Foi utilizado o processo

MIG automatizado em simples deposição sobre chapas de aço AISI 304. Quatro

cordões de solda foram depositados com uso do arame AWS ER 309L de 1.2 mm

com sobreposição de 30%, tendo como gás de proteção a mistura 98Ar 2O2 na

vazão de 15l/min. Como meio de simular a profundidade das cavitações, variou-se a

distância bico de contato peça – DBCP de 15 a 25 mm. Como variáveis de reposta

foi analisado os oscilogramas de tensão e corrente, a sanidade superficial, as

características geométricas e a microdureza. Os resultados mostraram que, através

dos oscilogramas o modo de transferência foi predominante por aerossol até o

DBCP de 20mm, a partir desse o modo mostrou-se curto-circuito/aerossol. As

superfícies de todos os cordões de solda mostraram-se sem descontinuidades. Os

valores de largura, reforço e penetração não foram afetados com a variação da

DBCP. Os valores de diluição foram considerados elevados para soldagens de

revestimentos e os valores de microdureza obtidos demonstram que o substrato

sofreu modificações na sua estrutura metalúrgica, apresentando valores muito

inferiores no metal de adição em relação ao substrato.

Palavras chaves: Soldagem, MIG, Turbinas hidráulicas, Preenchimento de

cavidades, Erosão por cavitação.

1

CAPÍTULO 1 1 INTRODUÇÃO

No contexto atual do mundo relativo á pesquisa de novos materiais mais

resistentes e mais leves (ligas metálicas, novos compósitos, materiais

biodegradáveis, etc.), percebemos a cada dia a introdução desses materiais no

nosso cotidiano, tais avanços implementam a nova geração de turbinas hidráulicas

já produzidas totalmente em aço inox, contudo não podemos desfrutar desses

avanços porque seria inviável economicamente uma eventual troca das turbinas já

instaladas, portanto, devemos aperfeiçoar as técnicas de manutenção, no nosso

caso devemos tentar evitar o fenômeno da erosão por cavitação que ainda é um dos

problemas enfrentados pelas nossas empresas geradoras de energia elétrica. A

erosão por cavitação (Fig. 1.1) é basicamente entendida como a perda progressiva

de material de uma superfície sólida por conseqüência do colapso de bolhas de

vapor formadas num líquido à pressão e temperaturas críticas.

Figura 1.1 - Zona erodida pelo efeito da cavitação na pá de uma turbina Francis

(Bonacorso, 2004).

2

A cavitação é um fenômeno que pode ocorrer em máquinas hidráulicas, ou

em qualquer escoamento de líquidos, caracterizando-se pela vaporização do fluido

de trabalho nas regiões da máquina onde a pressão estática atinge o valor da

pressão de vaporização do líquido.

Ao ser atingida esta pressão, o líquido evidentemente se vaporiza e as bolhas

formadas são levadas pela inércia do escoamento, ou arrastadas pela corrente, até

regiões de pressões mais elevadas, onde novamente o vapor se condensa.

Quando a condensação ocorre, a energia liberada é transferida para as

moléculas de líquido. Estas se aceleram até velocidades muito elevadas, da ordem

de uma centena de metros por segundo. Pode haver então o choque inelástico das

moléculas do líquido em velocidade elevada contra as superfícies sólidas adjacentes

(Figura 1.2 - Ximenes, 2008).

Figura 1.2 – Cavitação em um perfil aerodinâmico (Ximenes, 2008).

1.1 Contextualização

A erosão por cavitação em turbinas hidráulicas é um fenômeno dos mais

indesejáveis e nocivos responsável por grandes perdas e danos no setor elétrico.

Hoje no país, cerca de 75 % das usinas hidroelétricas estão operando com algum

tipo de problema de cavitação em seus equipamentos. Além da erosão dos

componentes de uma unidade hidráulica de geração, a cavitação produz também

vibrações, ruídos e a redução do rendimento da turbina. O aumento do consumo de

energia elétrica no Brasil faz com que algumas turbinas hidráulicas operem fora da

3

faixa nominal garantida pelo fabricante, proporcionando um maior crescimento da

taxa de erosão por cavitação nestas unidades.

A grande maioria das turbinas hidroelétricas do Brasil é constituída de aço

carbono revestida de com uma camada de aço inox. O revestimento se faz

necessário a fim de evitar danos extremos por corrosão, erosão e outros tipos de

problemas derivados da ação da natureza e do homem. Os custos com reparos são

consideráveis, isso sem levar em consideração a maior conseqüência, que é a

parada da unidade hidráulica por vários dias para recuperação das superfícies

erodidas por cavitação (Bonacorso, 2004).

Os reparos das superfícies erodidas por cavitação são realizados no local e,

na maioria das vezes, de forma manual por uma equipe de soldadores.

Figura 1.3 - Soldadores entre as pás da turbina (Bonacorso, 2004).

Eis as dificuldades técnicas e econômicas advindas deste tipo de operação:

• O trabalho é insalubre;

• Os locais são de difícil acesso e posições de soldagem desfavoráveis,

como mostra a Figura 1.3;

• A qualidade do reparo depende fortemente da habilidade do soldador;

4

• Intenso e demorado trabalho de esmerilhamento após a tarefa de

soldagem para obter uma superfície com grau de acabamento

adequado;

• Trabalho adicional relativo à correção de defeitos de porosidade na

superfície recuperada;

• Envolve um consumo maior de material de deposição;

• Deterioração progressiva da forma geométrica original das pás da

turbina após sucessivas intervenções de recuperação manual.

• Curto espaço de tempo para a realização da manutenção, devido os

altos custos com a parada da unidade hidráulica.

1.2 Objetivos Gerais

Especificar os procedimentos de soldagem MIG, para o reparo e manutenção

no preenchimento de cavidades encontradas nas pás de turbinas hidráulicas

erodidas por cavitação pela técnica das camadas sucessivas.

1.3 Objetivos Específicos

• Avaliar os oscilogramas de corrente e tensão;

• Avaliar o aspecto visual dos cordões de solda depositados;

• Avaliar a integridade do cordão de solda depositado (Análise de

Líquido Penetrante);

• Avaliar as características geométricas das soldas;

• Avaliar as propriedades mecânicas (microdureza) dos cordões de solda

versus variação da altura da tocha (DBCP).

5

CAPÍTULO 2 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Conceitos gerais do processo de soldagem GMAW

Na soldagem ao arco elétrico com gás de proteção (GMAW – Gas Metal Arc

Welding), também conhecida como soldagem MIG/MAG (MIG – Metal Inert Gas e

MAG – Metal Active Gas), um arco elétrico é estabelecido entre a peça e um

consumível na forma de arame. O arco funde continuamente o arame à medida que

este é alimentado à poça de fusão. O metal de solda é protegido da atmosfera pelo

fluxo de um gás (ou mistura de gases) inerte ou ativo (Fortes, 2005). A Figura 2.1

mostra o desenho representativo, em corte, do processo de soldagem GMAW,

detalhando as partes que o compõe.

Figura 2.1 - Desenho esquemático do processo GMAW.

O conceito básico de GMAW foi introduzido nos anos 20, e tornado

comercialmente viável após 1948. Inicialmente foi empregado com um gás de

proteção inerte na soldagem do alumínio. Conseqüentemente, o termo soldagem

MIG foi inicialmente aplicado e ainda é uma referência ao processo.

Desenvolvimentos subseqüentes acrescentaram atividades com baixas densidades

6

de corrente e correntes contínuas pulsadas, emprego em uma ampla gama de

materiais, e o uso de gases de proteção reativos ou ativos (particularmente o dióxido

de carbono, CO ) e misturas de gases. Esse desenvolvimento posterior levou à

aceitação formal do termo GMAW – Gas Metal Arc Welding para o processo, visto

que tanto gases inertes quanto reativos são empregados. No entanto, quando se

empregam gases reativos, é muito comum usar o termo soldagem MAG (MAG –

Metal Active Gas).

O processo de soldagem funciona com corrente contínua (CC), normalmente

com o arame no pólo positivo. Essa configuração é conhecida como polaridade

reversa. São comumente empregadas correntes de soldagem de 50 A até mais que

600 A e tensões de soldagem de 15 V até 32 V. Um arco elétrico autocorrigido e

estável é obtido com o uso de uma fonte de tensão constante e com um alimentador

de arame de velocidade constante (Fortes, 2005).

2.2 Transferência metálica do processo GMAW

O processo GMAW inclui três técnicas mais usuais e distintas de

transferência metálica que são: curto-circuito (short arc), globular (globular) e

aerossol (spray arc) ou goticular. Conforme podemos observar no desenho

esquemático da Figura 2.2, essas técnicas descrevem a maneira pela qual o metal é

transferido do arame para a poça de fusão.

Figura 2.2 - Modos de transferência do metal.

7

Os fatores que determinam o modo de transferência de metal são a corrente

de soldagem, o diâmetro do arame, o comprimento do arco (tensão), as

características da fonte e o gás de proteção.

A Figura 2.3 apresenta as imagens reais do modo de transferência do metal

por: a) curto-circuito; b) globular e c) aerossol.

Figura 2.3 – Imagens reais do modo de transferência do metal por: curto-circuito (a),

globular (b) e aerossol ou goticular (c) (Miranda, 2002).

2.2.1 Transferência por curto-circuito

Na transferência por curto-circuito (short arc, dip transfer, microwire) a

transferência ocorre quando um curto-circuito elétrico é estabelecido. Isso acontece

quando o metal fundido na ponta do arame toca a poça de fusão. Essa técnica de

soldagem é particularmente útil na união de materiais de pequena espessura em

qualquer posição, materiais de grande espessura nas posições vertical e sobre

cabeça, e no enchimento de largas aberturas. A soldagem por curto-circuito também

deve ser empregada quando se tem como requisito uma distorção mínima da peça.

O metal é transferido do arame à poça de fusão apenas quando há contato entre os

dois, ou a cada curto-circuito. O arame entra em curto-circuito com a peça de 20 a

200 vezes por segundo (Miranda, 2002).

A Figura 2.4 ilustra os sinais de tensão e de corrente de soldagem com as

respectivas imagens da transferência por curto-circuito. Assim as linhas pontilhadas

indicam os instantes nos quais as imagens foram obtidas.

8

Figura 2.4 – Representação da transferência por curto-circuito (Miranda, 2002).

A Figura 2.5 mostra a soldagem na posição vertical com transferência por

curto-circuito.

Figura 2.5 – Transferência por curto-circuito na posição vertical (Miranda, 2002).

2.2.2 Transferência globular

A transferência globular (globular) ocorre quando as gotas de metal fundido

são muito grandes e movem-se em direção à poça de fusão sob a influência da

gravidade.

Quando a corrente e a tensão de soldagem são aumentadas para valores

acima do máximo recomendado para a soldagem por curto-circuito, a transferência

de metal começará a tomar um aspecto diferente. Essa técnica de soldagem é

comumente conhecida como transferência globular, na qual o metal se transfere

9

através do arco. Usualmente as gotas de metal fundido têm diâmetro maior que o do

próprio arame, conforme podemos ver na Figura 2.6. Esse modo de transferência

pode ser instável, com respingos e curtos-circuitos ocasionais.

Figura 2.6 – Transferência globular (Miranda, 2002).

A transferência globular se restringe, normalmente, à posição plana pelo fato

da força gravitacional ser dominante, de maneira que para soldagem fora de posição

a gota pode não atingir a poça de fusão adequadamente, como visualizado na

Figura 2.7.

Figura 2.7 – Transferência globular na posição vertical (Miranda, 2002).

2.2.3 Transferência por aerossol (spray arc) ou goticular.

Na transferência por aerossol (spray arc), pequenas gotas de metal fundido

são desprendidas da ponta do arame e projetadas por forças eletromagnéticas em

direção à poça de fusão. As gotas que saem do arame são muito pequenas,

proporcionando boa estabilidade ao arco. Curtos-circuitos são raros. Poucos

respingos são associados com essa técnica de soldagem.

A soldagem em aerossol pode produzir altas taxas de deposição do metal de

solda. Portanto essa técnica de soldagem é geralmente empregada para unir aços

de espessura 2,4 mm e maiores, exceto na soldagem de alumínio ou cobre, o

processo de arco em aerossol fica geralmente restrito apenas à soldagem na

posição plana por causa da grande poça de fusão. No entanto, aços carbono podem

ser soldados fora de posição usando essa técnica com uma poça de fusão. A

10

transferência aerossol (goticular) pode ser classificada em três tipos básicos

(Miranda, 2002): projetada, com elongamento e rotacional, conforme pode ser visto

pela representação na Figura 2.8: a) goticular projetada; b) goticular com

elongamento e c) goticular rotacional (Miranda, 2002).

Figura 2.8 – Tipo de transferência aerossol ou goticular (Miranda, 2002).

2.3 Equipamentos

O equipamento de soldagem MIG/MAG pode ser semi-automático e

automático. No equipamento semi-automático, a alimentação do arame consumível

é realizada automaticamente pela máquina e as demais operações de soldagem

pelo soldador. Entretanto, o equipamento automático o soldador não interfere no

processo, apenas regula o equipamento antes da operação de soldagem.

A Figura 2.9 ilustra um modelo esquemático do conjunto para soldagem

MIG/MAG, composta por quatro elementos básicos:

a)

b) c)

11

• Tocha de soldagem e acessórios;

• Motor de alimentação do arame;

• Fonte de energia;

• Cilindro de gás.

A fonte de energia pode ser um gerador ou um retificador, ambos com

características de potencial constante. A soldagem pelo processo MIG/MAG é

geralmente feita em corrente contínua, que pode até ser pulsada. Há estudos para

desenvolver o processo para a corrente alternada (WAINER, 1992).

Figura 2.9 – Esquema representativo da soldagem MIG/MAG.

2.4 Gás de proteção

O gás de proteção é alimentado por um sistema adequado através do bocal

da pistola de soldagem, para proteger o arame, o arco e a poça de fusão. Segundo a

natureza e composição, o gás de proteção tem influência nas características do

arco, no tipo de transferência de metal, na velocidade de soldagem, nas perdas por

projeções, na penetração e na geometria da solda, (Figura 2.10). Além disso, o gás

também pode afetar a composição química da solda pela perda ou adição de

elementos químicos, a temperatura da poça de fusão, a sensibilidade à fissuração e

porosidade, bem como a facilidade na execução da soldagem em diversas posições

(Altmann, 2008).

12

Figura 2.10 – Perfil de cordões de solda feitos com diferentes gases.

As propriedades básicas dos gases de proteção que afetam o desempenho

do processo de soldagem incluem:

• Propriedades térmicas a temperaturas elevadas;

• Reação química do gás com os vários elementos no metal de base e no

arame de solda;

• Efeito de cada gás no modo de transferência de metal.

2.4.1 Argônio (Ar)

O argônio é um gás inerte que é usado tanto puro quanto em combinações

com outros gases para alcançar as características de arco desejadas na soldagem

de metais ferrosos e não ferrosos. Quase todos os processos de soldagem podem

utilizar o argônio ou misturas de argônio para alcançar boa soldabilidade,

propriedades mecânicas, estabilidade do arco e produtividade. O argônio é

empregado puro em materiais não ferrosos como o alumínio, ligas de níquel, ligas

de cobre e materiais reativos que incluem o zircônio, titânio e tântalo. O argônio

proporciona excelente estabilidade ao arco no modo de transferência por aerossol,

boa penetração e ótimo perfil do cordão na soldagem desses metais. Algumas

soldas em curto-circuito de materiais de pequena espessura são também viáveis.

Quando usado na soldagem de metais ferrosos, o argônio é normalmente misturado

com outros gases como o oxigênio, hélio, hidrogênio, dióxido de carbono e/ou

nitrogênio (Fortes, 2005).

13

2.4.2 Misturas binárias

2.4.2.1 Argônio-oxigênio

A adição de pequenas quantidades de O2 ao argônio estabiliza muito bem o

arco elétrico, aumenta a taxa de fusão do arame, abaixa a corrente de transição

para transferência em aerossol, e melhora a molhabilidade e o perfil do cordão de

solda. A poça de fusão fica mais fluida e permanece no estado líquido por mais

tempo, permitindo que o metal flua até os cantos do chanfro. Isso reduz as

mordeduras e ajuda a manter achatado o cordão de solda (Fortes, 2005).

2.4.2.2 Argônio + 2% de Oxigênio

Essa mistura é utilizada na soldagem MIG com transferência em aerossol de

aços carbono, aços de baixa liga e aços inoxidáveis. Ela proporciona uma ação extra

de molhabilidade sobre a mistura a 1% O2. As propriedades mecânicas e a

resistência à corrosão das soldas feitas com adições de 1% O2 e 2% O2 são

equivalentes (Fortes, 2005).

A molhabilidade é o modo como o metal de solda se mistura com o metal de

base, podendo ser analisada qualitativamente através do ângulo de molhabilidade

ou ângulo de contato como mostra a Figura 2.11.

Figura 2.11 – Ângulo de molhabilidade (katano, 2007).

2.5 Aço Inoxidável

Os aços inoxidáveis são aços de alta liga, geralmente contendo cromo,

níquel, molibdênio em sua composição química. Estes elementos de liga, em

particular o cromo, conferem uma excelente resistência à corrosão quando

14

comparados com os aços carbono. Eles são, na realidade, aços oxidáveis. Isto é, o

cromo presente na liga oxida-se em contato com o oxigênio do ar, formando uma

película, muito fina e estável, de óxido de cromo. Ela é chamada de camada

passiva, Figura 2.12, e tem a função de proteger a superfície do aço contra

processos corrosivos. Para que a película de óxido seja efetiva, o teor mínimo de

cromo no aço deve estar ao redor de 11%. Assim, deve-se tomar cuidado para não

reduzir localmente o teor de cromo dos aços inoxidáveis durante o processamento

(Quintana, 2005).

Figura 2.12 – Fenômeno da passividade. Fonte: www.sazi.com.br.

Os aços inoxidáveis são classificados, segundo a sua microestrutura, em:

aços inoxidáveis austeníticos, aços inoxidáveis ferríticos e aços inoxidáveis

martensíticos. Existem outras variantes destes grupos, como, por exemplo, os aços

inoxidáveis duplex (que possuem 50% de ferrita e 50% de austenita) e os aços

inoxidáveis endurecíveis por precipitação (Quintana, 2005).

A solução sólida de carbono em ferro delta chama-se de ferrita delta, a

solução sólida de carbono em ferro gama chama-se de austenita e a solução sólida

de carbono em ferro alfa chama-se ferrita alfa ou simplesmente ferrita.

A composição química junto com o processamento termo-mecânico, confere

aos aços inoxidáveis propriedades diferentes. Assim, cada grupo de aço inoxidável

tem uma aplicação. A Tabela 2.1 mostra algumas aplicações dos aços inoxidáveis.

15

Tabela 2.1 – Algumas aplicações dos aços inoxidáveis.

Tipo de aço inoxidável Aplicação

Austenítico (resistente à corrosão)

• equipamentos para indústria química e petroquímica

• equipamentos para indústria alimentícia e farmacêutica

• construção civil • baixelas e utensílios domésticos

Ferrítico (resistente à corrosão,

mais barato)

• eletrodomésticos (fogões, geladeiras, etc.)

• balcões frigoríficos

• moedas

• indústria automobilística

• talheres

Martensítico (dureza elevada)

• cutelaria

• instrumentos cirúrgicos como bisturi e pinças

• facas de corte

• discos de freio

Fonte: www.acessita.com.br.

Os aços inoxidáveis austeníticos possuem estrutura cúbica de face centrada

(CFC). Esta estrutura ocorre pela presença de elementos austenitizantes tais como

Níquel, Manganês e Nitrogênio. Estes aços são não-magnéticos na condição de

recozidos e podem ser endurecidos somente por trabalho a frio. Possuem

usualmente excelentes propriedades criogênicas e boa resistência mecânica em

altas temperaturas. O conteúdo de Cromo varia de 16 a 26%; Níquel até níveis

próximos a 35% e Manganês próximo a 15% (Metals Handbook, 1990).

2.6 Características da poça de fusão

Nos processos de soldagem, a zona fundida (ZF) pode ser formada sob as

mais diversas condições. Nos processos mais comuns, isto é, na soldagem a arco

com eletrodo consumível, o metal de adição fundido é transferido para a poça de

fusão na forma de gotas, aquecidas a temperaturas muito elevadas, acima de 2.000

ºC, no caso de aços (Marques, 2005).

16

Nas partes mais quentes da poça de fusão, localizadas logo abaixo do arco, o

metal de adição é misturado, sob intensa agitação, ao metal de base fundido. Na

parte posterior da poça, a temperatura cai e ocorre solidificação. Nas regiões

superaquecidas ocorre uma intensa interação do metal fundido com os gases e

escórias presentes na região do arco. Estas interações envolvem absorção de gases

(por exemplo, hidrogênio pelo aço, alumínio ou cobre), a redução de óxidos, com a

transferência de oxigênio para o metal, a transferência de elementos de liga e

impurezas do metal fundido para a escória, ou vice-versa, e a volatilização de alguns

elementos (por exemplo, Zn, Cd, Cr e Al) (Marques, 2005).

A composição química final da ZF depende da intensidade destas interações,

das composições químicas do metal de base e de adição e da participação relativa

destes na formação da ZF. Esta participação relativa é conhecida com “coeficiente

de diluição” (δ). Ou seja, chama-se diluição a quantidade de metal de base que se

funde e participa da constituição do metal de solda (Marques, 2005).

2.7 – Descontinuidades em Juntas soldadas

A norma Petrobrás N-1738 define descontinuidades como a interrupção das

estruturas típicas de uma peça, no que se refere à homogeneidade de

características físicas, mecânicas ou metalúrgicas. Não é necessariamente um

defeito. A descontinuidade só deve ser considerada, quando, por sua natureza,

dimensões ou efeitos acumulado, tornar inaceitável, por não satisfazer os requisitos

mínimos da forma técnica aplicável.

Os tipos de descontinuidades mais freqüentes em juntas soldadas são: falta

de fusão, falta de penetração, mordedura, porosidade, inclusão de escória e trincas.

Segundo Brandi (1997), as descontinuidades que são geralmente

encontradas no ensaio de líquido penetrante são a porosidade e as trincas conforme

Tabela 2.2.

17

Tabela 2.2 - Comparação da descontinuidade com método de inspeção (Brandi, 1997).

Métodos de Inspeção Descontinuidades RD US LP PM EV CP Porosidade AP D AP¹ D² AP¹ D Inclusão de escória AP AP NA D² NA D Falta de Fusão D AP NA NA NA D Falta de Penetração AP AP NA NA NA D Mordedura AP D D D AP D Trincas D AP AP¹ AP² AP¹ AP

RD – Exame radiográfico; US – Exame por ultra-som; LP – Exame por líquido penetrante; PM – Exame por partícula magnética; EV – Exame visual; CP – Exame por correntes parasitas; AP – Aplicável; D – Depende; NA – Não aplicável; 1 –Superficial; 2 – Superficial e sub-superficial.

2.8 Microdureza

A microdureza consiste na impressão de uma pequena marcação na

superfície do material analisado, através de um penetrador com o formato de um

losango, o resultado é adquirido pela análise desta marcação, que indica a medida

de microdureza de todo o material ou apenas da área superficial.

Em algumas situações práticas, ocorre a necessidade de determinação da

dureza de pequenas áreas do corpo-de-prova. O ensaio de microdureza produz uma

impressão microscópica e se utiliza de penetradores de diamante e cargas menores

que 1kgf (Garcia, 2000). Fornecendo um perfil de microdureza como uma função da

profundidade ao longo da seção de uma amostra. A dureza é computada em escala

absoluta através da divisão da força aplicada pela área da impressão (Norton, 2000).

A dureza é mais freqüentemente medida em uma das três escalas: Brinell,

Rockwell ou Vickers. (Tabela 2.3). As amostras utilizadas para os ensaios de dureza

foram as mesmas selecionadas para as análises macrográficas.

18

Tabela 2.3 – Técnicas de ensaio de dureza. (Callister, 2002)

Figura 2.13 – Parâmetros de espaçamentos mínimos entre indentações vickers de

acordo com a norma ASTM E384.

19

CAPÍTULO 3 3 EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Este capítulo apresenta a descrição e especificação dos materiais, os

equipamentos e a metodologia experimental utilizados neste trabalho.

3.1 Materiais e equipamentos utilizados

3.1.1 Consumíveis

Para a execução dessa pesquisa, são descritos, a seguir, os seguintes

materiais de consumo

3.1.1.1 Arame eletrodo

Na fase experimental deste trabalho foi utilizado um arame maciço da classe

AWS ER 309L conforme norma AWS – A 5.9.

Para a execução do experimento foi adotado um consumível com diâmetro de

1.0 mm.

A Tabela 3.1 apresenta, conforme dados do fabricante, a composição química

dos principais agentes de liga desse arame eletrodo, conforme norma AWS – A 5.9.

Tabela 3.1 – Composição química do arame eletrodo AWS ER 309L (%).

Composição Química (%)

C Mn Si Cr Ni Mo

0,03 1,5 0,75 23,0 13,0 0,1

Fonte: Conforme fabricante

3.1.1.2 Gás de proteção

O gás de proteção empregado neste trabalho foi a mistura de 98% Argônio

(Ar) + 2% Oxigênio (O2).

20

Indicado para a soldagem de aços inoxidáveis, pelo processo de soldagem

MIG com transferência por aerossol. Com esta pequena adição de oxigênio ao

argônio temos uma melhoria na estabilidade do arco voltaico e também uma

redução na corrente de transição o que facilita a transferência por aerossol.

3.1.1.3 Metal base

Chapas laminadas de aço inoxidável AISI 304.

Os corpos de prova foram seccionados, a partir de chapas laminadas, nas

seguintes dimensões; largura: 101,6mm; comprimento: 150mm; espessura: 12,7mm.

A tabela 3.2 mostra a composição química do metal de base.

Tabela 3.2 – Composição química aço AISI 304 (%).

Composição Química (%)

C Mn Si Cr Ni

0,066 1,10 0,75 18,34 8,53

Fonte: Conforme fabricante

3.1.1.4 Material de ensaio líquido penetrante

A Figura 3.1 apresenta o material utilizado no ensaio por líquido penetrante

para a detecção de descontinuidades superficiais.

(a) (b)

Figura 3.1 – Material para ensaio líquido penetrante; (a) Penetrante, (b)

Revelador.

21

Dados técnicos:

a) Penetrante: VP-30 lavável a água N°: 02

Fabricante: Met-L-Chek

b) Revelador: D-70 N° 03

Fabricante: Met-L-Chek

3.1.2 Equipamentos

A bancada de ensaio para a realização deste trabalho experimental foi

composta pelos seguintes equipamentos:

• Fonte de soldagem com o respectivo cabeçote;

• Pistola de soldagem;

• Mesa de soldagem;

• Sistema de posicionamento da pistola de soldagem;

• Sistema de Aferição e Aquisição Portátil, em tempo real, dos valores

de corrente, de tensão, da velocidade de alimentação de arame e da

vazão de gás de proteção;

• Programas computacionais, dentre outros.

Os equipamentos citados acima são descritos a seguir.

22

3.1.2.1 Fonte de energia

A Figura 3.2 mostra a fonte utilizada no trabalho.

Figura 3.2 – Fonte retificadora de tensão constante.

Dados técnicos:

Tipo: Fonte retificadora de tensão constante

Modelo: LAB 320

Fabricante: ESAB

Corrente Nominal: 320 A

Tensão de alimentação: 200, 380 ou 440 V, trifásico

Tensão em vazio: 17 - 44 V

Potência máxima consumida: 11,5 KW

Fator de Trabalho: 100%

23

3.1.2.2 Sistema de alimentação do arame (cabeçote)

A Figura 3.3 mostra o cabeçote utilizado no trabalho.

Figura 3.3 – Cabeçote de alimentação MEF 30.

Dados técnicos:

Modelo: MEF 30

Fabricante: ESAB

Alimentação elétrica (VCA - 50/60 Hz)

Velocidade de avanço do arame 1,50 - 22,00 m/min.

Diâmetros de arame 0,60 - 1,60 mm.

3.1.2.3 Pistola de soldagem

Dados técnicos:

Fabricante: Binzel

Modelo: MB 501 D

Capacidade de corrente: 500 A.

A pistola de soldagem utilizada neste trabalho foi do tipo “push”, conforme

especificação e características listadas abaixo. A Figura 3.4 mostra detalhes desta

pistola.

24

Figura 3.4 – Esquema da tocha de soldagem MIG/MAG.

A Figura 3.5 mostra o bocal da pistola visto em corte, tipo “Push”, refrigerada

à água com cabo de 3m, equipada com conduíte de aço.

Figura 3.5 – Bocal da pistola de soldagem MIG/MAG visto em corte.

25

3.1.2.4 Sistema de posicionamento da pistola de soldagem

Foi utilizado no experimento um sistema de posicionamento e deslocamento

automático da pistola de soldagem (Figura 3.6), conforme as seguintes

especificações:

Modelo: Tartílope V1

Fabricante: IMC/LABSOLDA – UFSC

Faixa de velocidade de deslocamento: 5 a 160 cm/min

Resolução: 0,2 cm/min

Figura 3.6 – Detalhes do sistema de posicionamento da pistola de soldagem.

3.1.2.5 Sistema de Aferição e Aquisição Portátil

Modelo SAP1 (Figura 3.7), equipado com sistema de instrumentação de

medição e aferição, em tempo real, dos valores da corrente, da tensão, da

velocidade de alimentação de arame e da vazão de gás de proteção; fabricante: IMC

/ Labsolda-UFSC.

26

(a) (b)

Figura 3.7 – (a) Sistema de aferição e aquisição portátil (SAP 1), (b) Modo de

exibição dos valores de trabalho.

3.1.2.6 Programas computacionais

3.1.2.6.1 Oscilos (Software comercial)

Oscilos tem por objetivo simular um osciloscópio de memória digital e

possibilita a leitura de dois sinais analógicos de tensão, podendo ser utilizado para

fazer a aquisição de qualquer grandeza física que possa ser convertida em tensão,

como por exemplo temperatura, corrente, pressão, etc. (Figura 3.8).

Fabricante - IMC/ Labsolda - UFSC

Figura 3.8 – Exemplo do modo de exibição dos dados em tela.

3.1.2.6.2 AutoCad (Software comercial)

Programa utilizado para realização das cotagens das zonas afetas pela

soldagem e cálculo das áreas.

Fabricante – Autodesk.

27

3.1.2.6.3 Excel (Software comercial)

Programa utilizado para desenvolvimento de tabelas, gráficos e etc.

Fabricante – Microsoft.

3.1.2.6.4 Origin (Software comercial)

Programa utilizado para desenvolvimento gráficos e etc.

Fabricante – OriginLab Corporation.

3.1.2.7 Microcomputador

Modelo: Intel Core2 Duo 2.20GHz

Fabricante: Intel

3.1.2.8 Equipamentos auxiliares para confecção de amostras metalográficas

3.1.2.8.1 Máquina de serrar de fita

A máquina automática de serrar, Figura 3.9, modelo FM 18 e fabricante

FRANHO- Máquinas e Equipamentos S/A, para corte dos corpos de prova.

Figura 3.9 – Máquina de serra de fita.

28

3.1.2.8.2 Máquina de corte (cut-off)

Dados técnicos:

Modelo – COR 40;

Fabricante – Arotec;

Potência – 1,5 CV;

Voltagem – 220 V trifásico.

Figura 3.10 – Máquina de corte metalográfico.

3.1.2.8.3 Lixadeira e politriz

O processo de polimento foi efetuado na politriz identificada na Figura 3.11,

especificada a seguir.

Dados técnicos:

Modelo – PLF;

Fabricante – Fortel Indústria e Comércio Ltda;

Velocidades – 125/250 rpm na chave e 300/600 rpm na chave + polia;

Voltagem – 220 V trifásico.

29

Figura 3.11 – Lixadeira Politriz. 3.1.2.8.4 Microdurômetro

Modelo HMV-2, com penetrador piramidal de diamante, ângulo entre faces:

136º, lentes objetivas com aumento 40 X, faixa de medição efetiva: 250 μm (a 40 X),

resolução de 0,01 μm (Figura 3.12).

Figura 3.12 - Microdurômetro utilizando ensaio de microdureza do tipo Vickers.

3.1.2.8.5 Sistema de Aquisição Óptico Computadorizado (Analisador de Imagens)

Utilizado para a visualização das microestruturas após o ensaio metalográfico.

Modelo: Leica DMR, equipado com câmera digital JVC-TK 138 OU e

microcomputador Q 550 IW1 com programa de análise de imagens “Leica QWIN”.

30

Fabricante: Leica. Resolução: 50 a 500X. Esse equipamento é mostrado na Figura

3.13.

Figura 3.13 – Sistema computadorizado para aquisição e análise de imagens.

3.2 Metodologia experimental

Neste tópico é apresentada a metodologia experimental empregada para a

determinação dos parâmetros de soldagem utilizados no processo de soldagem

MIG, os defeitos superficiais dos cordões de solda, a geometria do cordão de solda

(diluição) e as propriedades mecânicas (microdureza) dos cordões de solda

depositados.

3.2.1 Parâmetros operacionais da soldagem

Como meio de simular as cavidades das pás das turbinas foram realizados

procedimentos onde foram mantidos os valores de aporte térmico (corrente, tensão

e velocidade de soldagem) e variado a distância bico de contato peça – DBCP em

dez níveis (de 15 a 25 mm). O valor de referência para a tomada de comparação foi

o valor de 15 mm (simulando uma superfície sem cavidade). Simulando uma

cavidade de 1 mm, o DBCP será de 16 mm e assim sucessivamente até uma

simulação da cavidade de 10 mm com o DBCP de 25 mm.

31

Primeiramente realizamos os ensaios com o valor de referência para o DBCP

em 15 mm, para a determinação do pacote operacional correspondente. A Figura

3.14 mostra a variação dos valores de DBCP como forma de uma melhor

visualização dos procedimentos de simulação das cavidades.

Figura 3.14 - Esquema representativo da variação da distância do bico de contato

peça (DBCP).

3.2.2 Obtenção das amostras

Foram serradas 11 amostras na serra de fita, preparadas e soldadas com

quatro cordões de solda (simples deposição) depositadas sobre aço inoxidável

austenítico AISI 304, na posição plana, nas dimensões de 150 x 101,6 x 12,7 mm,

com sobre posição de 30% entre os cordões, conforme esquematizado na Figura

3.15. Os experimentos foram obtidos empregando o processo de soldagem MIG em

uma bancada de soldagem ajustada para operação automatizada, na posição plana.

Este trabalho foi realizado com o emprego de um arame eletrodo maciço de

aço da classe AWS ER 309L, com diâmetro de 1mm.

Como gás de proteção utilizou-se o Ar + 2% O2 com uma vazão de 15 l/min.

Não foi realizada a medição de temperatura inter-passe.

Foi utilizada para a realização das soldagens uma fonte eletromagnética no

modo tensão constante, polaridade reversa, com o sistema SAP-1 de aquisição dos

32

dados de corrente, tensão, velocidade de alimentação de arame e vazão de gás.

Para o controle do deslocamento automático da tocha utilizou-se o sistema

TARTILOPE V1. A Tabela 3.3 mostra os parâmetros operacionais utilizados neste

trabalho.

Tabela 3.3 – Parâmetros operacionais de soldagem para a posição plana.

DBCP (mm)

I (A)

U (V)

Vs (cm/min)

Va (m/min)

Vazão de gás

(L/min)

15 173,16 26,83 30 8 15

16 161,83 27,22 30 8 15

17 158,96 27,28 30 8 15

18 156,88 27,55 30 8 15

19 140,46 27,50 30 8 15

20 135,53 27,74 30 8 15

21 115,90 25,68 30 8 15

22 113,56 25,50 30 8 15

23 112,86 25,89 30 8 15

24 115,00 26,50 30 8 15

25 110,67 26,59 30 8 15

Figura 3.15 - Esquema representativo dos cordões de solda depositados sobre o aço

inoxidável AISI 304.

Após análise superficial dos cordões de solda emprega-se o ensaio não

destrutivo de líquido penetrante.

33

3.2.2 Análise de defeitos superficiais por Líquido Penetrante

O ensaio consiste em aplicar um líquido penetrante sobre a superfície a ser

ensaiada. Após remover o excesso da superfície, faz-se realçar na descontinuidade

o líquido penetrante retido, utilizando-se para isso um revelador. A imagem da

descontinuidade, ou seja, o líquido penetrante contrastando com o revelador fica

então visível.

Para o nosso ensaio utilizou-se o produto em spray Metal-Chek, tanto para

liquido penetrante o modelo VP-30, quanto para o revelador modelo D 70. Na Figura

3.16 podemos ver um corpo de prova após a aplicação do revelador.

Figura 3.16 – Aspecto do corpo de prova após aplicação do revelador.

O critério de aceitação de descontinuidades deve seguir a norma ou

especificação aplicável ao produto ou componente fabricado e inspecionado.

Para a inspeção foi utilizado a norma ASME Sec. VII Div.1 Apêndice 8 que é

semelhante a ASME Sec. VII Div. 2 Art. 9-2 par. 9-230 - que informa em sua

regulamentação (na avaliação das indicações - uma indicação é uma evidência de

uma imperfeição mecânica. Somente indicações com dimensões maiores que

1.5875 mm. deve ser considerada como relevante), é aplicável para soldas e

componentes inspecionados por liquido penetrante.

34

3.2.3 Obtenção dos corpos de prova soldados

As amostras dos corpos de prova soldados para a análise geométrica,

metalográfica e do perfil de dureza foram obtidas através de corte, primeiramente na

máquina de serra de fita, vista na Figura 3.17, após utilizou-se o cut-off, para a

obtenção das amostras. De cada DBCP realizada, Tabela 3.3, foi retirada 1 (uma)

amostra, totalizando 11 (onze) amostras.

Figura 3.17 – Imagem de um corpo de prova sendo cortado na serra de fita.

As amostras dos corpos de prova, soldados foram seccionados

transversalmente na área onde o revestimento ficou mais plano.

Através do seccionamento transversal dos corpos de prova foram obtidas

amostras com 12 mm de espessura, 12,7 mm de altura e 35 mm de largura,

conforme o esquema da Figura 3.18.

35

Figura 3.18 – Esquema do seccionamento transversal dos corpos de prova.

3.2.4 Macrografia

Consistiu no exame do aspecto de uma superfície plana seccionada de uma

amostra, devidamente lixada e atacada por reagente adequado. Por seu intermédio

têm-se uma idéia de conjunto referente à homogeneidade do material, à distribuição

e natureza de falhas, impurezas; ao processo de fabricação.

Para a análise de diluição e dimensão do metal de adição, foi examinado o

aspecto plano dos cordões de solda.

O lixamento foi iniciado com a lixa número 100, em direção perpendicular aos

riscos já existentes, passando-se sucessivamente para lixas de granulação mais fina

até chegar à lixa número 1200.

Posteriormente as amostras sofreram ataque com o reagente Marble (50 ml

de HCl, 10g de CuSO4, 50 ml de H2O de água destilada) em um recipiente os corpos

de prova foram mergulhados no reagente durante 1 minuto, para que fossem

reveladas as áreas de metal de adição, zona parcialmente fundida e metal de base.

36

3.2.5 Determinação dos parâmetros geométricos

As características geométricas das soldas de revestimento são

apresentadas nesta seção. As características geométricas da solda foram definidas

pela área de sua seção transversal a partir da largura (L), da penetração (P) e do

reforço (R), conforme figura 3.19. Neste trabalho, a avaliação da geometria foi

realizada através da análise dimensional na seção transversal dos corpos de prova

soldados. As medições da largura, do reforço e da penetração foram feitas com o

auxílio do programa comercial de computação gráfica, usado na modelagem de

sólidos 3d e na medição da geometria das amostras soldadas, logo após o ensaio

macrográfico.

Tanto os valores da penetração quanto do reforço foram obtidos pelas médias

dos valores de cada cordão. A largura foi obtida pela soma da largura de todos os

quatro cordões depositados.

Figura 3.19 – Esquema das Características Geométricas.

3.2.5.1 Análise do coeficiente de diluição

Para o cálculo do coeficiente de diluição utilizamos a equação 3.1.

δ = 100×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+ BAA

Equação 3.1

Onde:

δ → coeficiente de diluição;

A + B→ área total do cordão de solda;

B → área fundida do metal de solda.

37

A Figura 3.20 apresenta a diluição medida na seção transversal.

(a) (b)

Figura 3.20 – Diluição medida na seção transversal de (a) um cordão depositado

sobre chapa e (b) uma solda de topo. (Marques, 2005).

A diluição pode ser medida em macrografias da seção transversal de soldas,

com mostra a figura 3.20. Seu valor pode variar entre 100% (soldas sem metal de

adição) e 0% (brasagem).

3.2.6 Morfologia dos passes de revestimento em sobreposição

A metodologia empregada no ajuste das sobreposições foi empírica sem

auxílio de instrumentação automatizada. A Figura 3.21 apresenta os detalhes da

sobreposição dos cordões de solda.

Figura 3.21 – Detalhes da soldagem em sobreposição.

38

3.2.7 Determinação do perfil de dureza no revestimento e substrato

Conforme a norma ASTM E384, a carga de teste e o tempo de aplicação

foram de 4,903N e 15s, respectivamente. No substrato e no metal de adição, foi

mantido um espaçamento de 0,5mm entre perfis adjacentes e de 0,5mm entre

indentações verticalmente consecutivas (Figura 3.23). As impressões foram

realizadas a partir do topo do metal de adição descendo 8mm em direção ao

substrato (Fig. 3.22), totalizando 48 indentações. Assim com 8mm obtivemos a

análise até aproximadamente metade do substrato. O perfil de dureza foi também

avaliado em uma chapa bruta de laminação (isenta de soldas), utilizando os mesmos

critérios acima especificados.

Figura 3.22 – Esquema da disposição do perfil de durezas analisadas e sentido das

indentação na seção transversal das amostras.

Figura 3.23 – Esquema da disposição do perfil de durezas analisadas (adaptado de

Marinho, 2007).

39

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Resultado da avaliação dos oscilogramas de corrente e tensão

Durante a realização dos experimentos com as DBCP de 15 a 25 mm, para a

posição plana, foram realizadas as aquisições em tempo real dos valores da

corrente e tensão de soldagem. As Figuras 4.1 a 4.11 mostram os oscilogramas de

tensão e corrente das referidas deposições. Observa-se por estas Figuras um

comportamento homogêneo da variação da corrente e tensão em relação ao tempo,

até a DBCP de 20 mm, mostrando desta forma uma estabilidade de arco. Muito

provavelmente esta estabilidade esteja relacionada com a adequada sinergia

realizada entre os valores dos parâmetros do processo o que infere ao modo de

transferência da gota por spray, além da utilização do gás de proteção Ar + 2% O2.

Já para as DBCPs de 21 a 25 mm nota-se um aumento continuo da tensão em

relação ao tempo, que induz a uma maior instabilidade do arco causando, muito

provavelmente, mudança do modo de transferência da gota para o modo mesclado

(predominante curto-circuito + aerossol).

Figura 4.1 – Oscilogramas de corrente e tensão para o CP 01 e DBCP 15 mm.

40



41



42



43



44



45

4.2 Resultado da qualidade superficial do cordão

As Figuras 4.12 e 4.13 representam o aspecto superficial dos cordões de

solda realizados pelos diferentes valores trabalhados de DBCP. Pelos resultados

encontrados observam-se bons aspectos superficiais, com pouca salpicagem. Outro

aspecto observado é que os 30% de sobreposição planejada resultou em uma

superfície com pouca irregularidade mesmo tendo sido observado uma variação

maior na tensão de soldagem quando do uso das DBCPs acima de 19 mm.

Figura 4.12 – Aspecto superficial dos cordões depositados do CP 01 DBCP 15 mm.

Figura 4.13 – Aspecto superficial dos cordões depositados do CP 13 DBCP 25 mm.

46

4.3 Resultado da análise de defeitos superficiais por Líquido Penetrante

Em análise das dos corpos de prova, verificou-se que nenhum cordão de

solda apresentou qualquer descontinuidade da junta soldada. Estes resultados

corroboram com os dados encontrados para a estabilidade do arco e inspeção visual

e como conseqüência um bom aspecto do cordão, conforme as Figuras 4.14 e 4.15.

Figura 4.14 – Análise por líquido penetrante do CP11 e DBCP 23mm.

Figura 4.15 – Análise por líquido penetrante do CP09 e DBCP 21mm.

47

4.4 Resultado das características geométricas

A Tabela 4.1 mostra os resultados do estudo das características referentes

aos valores da penetração (P), reforço (R) e largura (L) para os experimentos

efetuados. Por esta Tabela verifica-se o aumento da tensão, e a diminuição da

corrente com o aumento da DBCP até a DBCP de 20 mm. Como as soldagens com

a tensão média de 27 V apresentaram muita instabilidade e defeitos superficiais

quando do uso da DBCP de 21 mm, adotou-se um valor médio de 25 V para a

tensão com o intuito da melhoria da estabilidade do arco e qualidade da solda, o que

ocorreu. A partir do valor da DBCP de 21 mm manteve-se o valor médio de 25 V,

ocorrendo pequena oscilação sobre este valor de tensão quando do aumento da

DBCP.

Tabela 4.1 - Características geométricas das soldas de revestimento.

Corpo de

Prova (CP)

DBCP (mm)

I (A)

U (V)

Penetração Média (mm)

Reforço Médio (mm)

Largura (mm)

Diluição (%)

01 15 173,16 26,83 2,36 4,39 20,26 22,50

02 16 161,83 27,22 2,20 4,17 22,55 21,87

03 17 158,96 27,28 2,13 4,48 22,16 20,40

04 18 156,88 27,55 2,18 4,67 22,06 19,98

05 19 140,46 27,50 2,29 4,72 20,42 19,41

06 20 135,53 27,74 1,95 4,35 25,70 21,00

09 21 115,90 25,68 2,01 4,36 25,78 21,11

10 22 113,56 25,50 1,97 3,95 25,81 22,85

11 23 112,86 25,89 2,49 3,54 26,71 30,69

12 24 115,00 26,50 2,30 3,61 28,23 27,76

13 25 110,67 26,59 1,83 3,77 29,15 22,51

Para uma melhor visualização, os resultados da Tabela 4.1 são apresentados

de maneira gráficas, em função da DBCP, na Figura 4.16 (mostra a variação da

largura, do reforço e da penetração em função da variação da DBCP). Por essa

Figura observamos curvas de crescimento da largura, da diminuição do reforço e

48

penetração com o aumento dos valores da DBCP. Constatou-se que a variação da

DBCP, nestes valores, não afetou significativamente a largura, o reforço e a

penetração.

Figura 4.16 – Valores de largura, reforço e penetração em relação ao DBCP.

A Figura 4.17 mostra o efeito do aumento do DBCP em relação à diluição da

soldagem. Por esta Figura observa-se que a diluição não variou com o aumento da

DBCP. Observa-se também que a diluição apresentou valores considerados

elevados para soldagem de revestimentos, variando entre 19,41 % para a DBCP de

19 mm e 30,69 % para a DBCP de 23 mm.

49

Figura 4.17 – Diluição em função do DBCP.

A Figura 4.18 mostra as seções transversais dos diversos cordões de solda.

Por esta figura podemos observar, de modo geral, o perfil das soldas de

revestimento e as medidas para a largura, o reforço e a penetração. Em geral os

perfis ficaram satisfatórios e a superfície dos cordões apresentou baixa

irregularidade, mas que provavelmente pode melhorar com a variação no ângulo de

ataque.

Em média o valor para a penetração ficou em 2,12 mm. Para o reforço estes

valores variaram, ficando entre 4,46 mm e 3,84 mm o que está de acordo com a

norma N-1707 da Petrobras e a largura em 22 mm, 19 mm e 27,13 mm antes e após

a DBCP de 20 mm respectivamente.

Para a análise da diluição verificamos que com o aumento dos valores da

DBCP houve a diminuição da potência do arco, porém seu valor, em média se

manteve constante em 23,9 %.

Figura 4.18 – Análise macrográfica e geométrica do CP01 e DBCP 15 mm.

0

5

10

15

20

25

30

35

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Dilu

ição

(%)

DBCP (mm)

50

4.5 Resultado da morfologia dos passes de revestimento em sobreposição

A Figura 4.19 ilustra a morfologia geométrica dos passes de revestimento em

sobreposição, caracterizando o aspecto superficial, a planicidade do revestimento.

Observa-se nestas imagens a configuração da área da seção transversal dos

passes mostrando na parte central o perfil da penetração.

Figura 4.19 – Morfologia geométrica dos passes de revestimento.

Na figura 4.20 pode-se verificar a ocorrência de falta de fusão na interface

entre os passes e o substrato.

Este defeito ocorreu em todas as soldagens realizadas, tal fato tende a

descaracterizar uma soldagem de revestimento, podendo gerar concentrações de

tensões internas que são indesejáveis durante o serviço, reduzindo a vida útil do

revestimento. Segundo Quintana (2005), uma forma de reduzir esses vazios seria

empregar o processo MIG Pulsado, conforme o autor, em seu trabalho prevê a

utilização do processo MIG Pulsado para obtenção da diminuição dos vazios nas

interfaces da linha de convergência entre os passes. Contudo o referido pesquisador

ao empregar esse processo, observou um aumento na corrente de soldagem e

formação de irregularidades ao longo da superfície dos cordões. Outra forma de

melhorar os resultados seria variar a distância entre passes, a velocidade de

alimentação do arame ou a inclinação lateral da tocha de soldagem.

51

Figura 4.20 – Ocorrência de falta fusão no revestimento do CP01 e DBCP 15 mm.

52

4.6 Resultado dos ensaios de dureza

A análise de microdureza seguiu o critério adotado no item 3.2.7. Após as

medições calculou-se as médias dos valores em cada ponto.

A Figura 4.21 mostra a Influência do aumento da DBCP sobre a microdureza.

Por esta figura podemos ver que há um aumento na dureza partindo do metal de

solda para o substrato. Na região de transição do cordão de solda, há um salto nos

valores de microdureza variando de aproximadamente 218 HV até aproximadamente

265 HV. Como o aço inoxidável austenítico não é endurecível por tratamento

térmico, mas o é por trabalho a frio, entende-se que os efeitos dos ciclos térmicos da

soldagem não afetariam a sua resistência mecânica (Quintana, 2005). No entanto,

pode-se inferir que as tensões residuais e as deformações inerentes a operação de

soldagem tenham, também, uma parcela de contribuição na elevação da dureza

observada na região adjacente ao metal de solda (Peixoto, 2005).

Percebe-se que a dureza no metal de adição se mantêm acima de 120 HV, e

tende a aumentar ao avançar na seção vertical do cordão em sentido ao centro do

substrato. Na zona de transição (destacada pelo retângulo) se observa, que esta

taxa de elevação da dureza é mais acentuada.

Para efeito de comparação foi medida a microdureza do metal de base em um

corpo de prova isento de soldas. O valor médio encontrado ficou em torno de 455,91

HV, que está bem acima da dureza do metal de solda e da zona de transição

analisada. Há um indicativo de que o calor envolvido na deposição dos

revestimentos tenha promovido o alívio das tensões residuais do processo de

laminação no metal de base. Esta constatação é suportada pelo fato de que os

valores de dureza no metal de base após as soldagens, serem significativamente

menores do que aqueles observados antes das mesmas.

53

Figura 4.21 – Influência do aumento da DBCP sobre a microdureza.

120

140

160

180

200

220

240

260

280

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Dureza (HV)

Sentido de Avanço dos Perfis de Indentações (mm)

DBCP 15mm

DBCP 16mm

DBCP 17mm

DBCP 18mm

DBCP 19mm

DBCP 20mm

DBCP 21mm

DBCP 22mm

DBCP 23mm

DBCP 24mm

DBCP 25mm

Metal de Solda Zona de Transição

53

54

5 CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 5.1 Conclusões

Baseado nos resultados experimentais obtidos neste trabalho as seguintes

conclusões foram estabelecidas:

• Os oscilogramas de tensão e corrente mantiveram-se estáveis até o DBCP de

20 mm, após este DBCP foi feita uma correção na tensão de soldagem, onde

conseguimos uma boa estabilidade para os DBCPs subseqüentes;

• Resultados satisfatórios foram encontrados no aspecto superficial dos

cordões de solda;

• Os valores de largura, reforço e penetração não foram afetados com a

variação da DBCP;

• Os valores de diluição foram considerados elevados para soldagens de

revestimentos;

• Os valores de microdureza obtidos demonstram que o substrato sofreu

modificações na sua estrutura metalúrgica, apresentando valores muito

inferiores no metal de adição em relação ao substrato.

• Ao analisar o gráfico de microdureza, concluímos que os pontos obtidos não

foram suficientes para caracterizar todo o perfil que havíamos planejado

desde o metal de solda passando pela zona de transição até o metal de base,

esses pontos só retrataram o metal de solda e a zona de transição.

5.2 Sugestões para trabalhos futuros

• Fazer um estudo mais aprimorado com relação a sobreposição dos cordões,

efetuar os passes com outros valores de sobreposição;

• Quantificar a temperatura entre passes;

• Analisar as estruturas micrográficas dos cordões relacionando com a DBCP;

• Analisar as estruturas micrográficas dos cordões de solda com a microdureza;

• Encontrar as características econômicas das soldagens;

55

• Realizar ensaio de arrancamento no metal de adição para avaliar a

tenacidade e efeitos relativos às alterações metalúrgicas causadas pelo

processo de soldagem.

56

6 AGRADECIMENTOS

Agradecemos a ELETRONORTE, a UFPA e a UNB, pelo incentivo e pela

oportunidade de participar deste projeto. Agradecimento especial ao nosso

orientador Prof. Dr. Eduardo Magalhães Braga da Universidade Federal do Pará,

pela orientação neste trabalho.

57

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7.1 Referências Citadas

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