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CONDIÇÕES DE SOLDAGEM EM CAMPO DO AÇO SAE 1045 PELO PROCESSO

DE ELETRODO REVESTIDO (SMAW)

J. C. V. Santos1; A. A. A. Diniz2; J.V.C. Souza1; O. M. M. Silva3; E. A. Raymundo2, C.

E.F. Santos2

1FEG-UNESP – Av. Ariberto F. da Cunha, 333, Guaratinguetá – SP, CEP. 12516-

410, Brasil

2FATEC – Pindamonhangaba – SP, Brasil; 3DCTA/IAE/AMR – S. J. C. - SP, Brasil.

[email protected]

RESUMO

Os processos de soldagem é um dos mais importantes processos utilizado no

mundo moderno. Dentro os processos de soldagem, o eletrodo revestido (SMAW)

apresenta grande aplicabilidade industrial, em função das possibilidades de

execução, baixo custo e aplicações em todas as posições. O objetivo deste trabalho

é soldagem de chapas de aço SAE 1045, pelo processo SMAW, usando eletrodos

AWS 7018, com diâmetro de 3,2 mm., com a finalidade de reproduzir possíveis

condições de soldagem em campo. Para esse fim foi utilizado a seco em estufa de

acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodo molhado (imerso em água por 48

horas), com corrente de 100 A, velocidade média de soldagem de 13 cm/min. As

análises foram realizadas zona de fusão (ZF), zona termicamente afetada (ZTA) e

material base (MB), utilizando líquido penetrante, microscopia óptica, ensaios

mecânicos de impacto e dureza. Os resultados mostraram que as chapas soldadas

com eletrodo molhado apresentaram maiores quantidades de defeitos, enquanto que

o eletrodo condicionado de acordo com o fabricante apresentou junta isenta de

defeitos, sendo importante o soldador seguir as recomendações dos fabricantes de

eletrodo.

Palavra chave: Soldagem; Aço SAE 1045; Eletrodo revestido (SMAW); Condições

de soldagem; zona termicamente afetada (ZTA).

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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INTRODUÇÃO

A melhoria da qualidade de soldagem tem tido um contínuo desafio nas

industrias metal mecanica, com exploração de novos processos e tecnicas de

soldagem. Entre os processos de soldagem mais estudado, esta a soldagem por

eletrodo revestido (SMAW), que pode apresentar inumeros defeitos em função do

operador e condições dos materiais aplicados [1]. Muitas investigações têm sido

realizadas para determinar o efeito dos parametros de soldagem, nas mudanças

microestruturais e nas propriedades mecânicas das juntas soldadas [2,3]. Entretanto

o processo de soldagem por SMAW, ainda apresenta vantagens de aplicações

devido ser um processo que pode ser aplicado em todas as posições, convergindo

com a necessidades das aplicações industriais [4]. No processo de soldagem por

eletrodo revestido, essa melhoria pode ser alcançada ou prejudicada dependendo

das condições de operação e da experinecia do operador. fato comum aos

processos de soldagem é que a soldabilidade é uma propriedade tecnológica que

representa a maior ou menor habilidade do metal base em suportar tais condições,

obtendo-se um produto capaz de atender às especificações da qualidade requerida

[5]. No desenvolvimento e melhoria de desempenho de materiais para aplicações

estruturais, a soldabilidade ocupa lugar de destaque dentre os requisitos do cliente e

das especificações técnicas do projeto [6].

Portanto o objetivo deste trabalho foi analisar as propriedades mecânicas e

microestruturais da junta soldada de um aço SAE 1045 pelo processo SMAW,

utilizando o eletrodo E 7018 com chanfro em V, nas condições possíveis de trabalho

em campo: utilizado a seco em estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e

eletrodo molhado (imerso em água por 48 horas), com corrente de 100 A, velocidade

média de soldagem de 13 cm/min. As juntas soldadas foram caracterizadas com

auxilio do microscópio óptico, durômetro e maquina de ensaio de impacto.

Metalurgia da Soldagem

No processo de soldagem, são formadas diferentes regiões onde o ciclo

térmico exerce seu efeito. Essas regiões são designadas como região de poça

fundida ou zona de fusão (ZF) reproduz em pequena escala todos os fenômenos

que normalmente ocorrem durante a solidificação de uma liga metálica, como


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nucleação e crescimento de cristais, formação de estruturas de grãos colunares ou

equiaxiais, segregação e porosidades. A zona termicamente afetada (ZTA) é a

região em que normalmente ocorrem transformações no estado sólido durante a

soldagem. No período de permanência em alta temperatura na soldagem dos aços,

nessa zona ocorrem transformações de fase e, portanto mudanças microestrurais

marcantes, que pode promover a ocorrência fenômenos críticos como

transformações martensíticas, crescimento de grãos e precipitações de carbonetos

duros [7].

No resfriamento de junta soldada podem ocorrer transformações no estado

sólido que são dependentes da composição do aço e dos parâmetros do processo

de soldagem, além das dimensões do material. Na ZTA vários fenômenos podem

ocorrer, sendo importante minimizar a presença de martensita e crescimento de grão

em função da redução na resistência mecânica e tenacidade [8].

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O processo de soldagem utilizado foi o Shielded Metal Arc Welding (SMAW),

utilizando uma maquina da marca GSX 750 ITAIPU, eletrodos AWS E7018 da marca

LINCOM, com diâmetro de 3,2 mm de diâmetro. O metal de base utilizado foi chapas de o

aço SAE 1045, com (comprimento de 350mm. x largura de 80mm. e espessura da

parede de 6,8mm.), com corrente de 100 A, voltagem de 24 V e velocidade média de

soldagem de 13 cm/min., nas condições seco em estufa de acordo com a norma

Petrobrás N133 e eletrodo totalmente molhado (imerso em água por 48 horas),

denominados CP1, CP2 e CP3. As composições química do aço SAE 1045 e do

eletrodo AWS E7018 são mostrados na Tabela 1. As caracterizações iniciais foram

realizadas utilizando o ensaio por Liquido Penetrante (LP), seguida com aplicação do

revelador, com tempo de 10 minutos de intervalo, conforme a norma NBR NM

334:2012 [9]. Em seguida as amostras foram retiradas na direção perpendicular ao

sentido da solda, sendo cortados com uso cortadeira de laboratório denominada

cutoff, posteriormente embutidas e submetidas às etapas de lixamento, com as lixas

180, 220, 320, 400, 600, 1200, e polimento, em panos com pasta de diamante de

6μm, 3μm, 1μm e 0,25μm. Posteriormente as amostras foram atacados utilizando

ataque químico denominado Nital com 3% por 10 segundos para exame

metalográfico, com o uso de um microscópico esteroscópico para identificação das


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regiões de ZF, ZTA e MB. Após identificação das regiões foi utilizado microscópico

óptico Olympus BX51M 1000X para análise das microestruturas.

Para os ensaios de impacto foi utilizado uma máquina (Time Group INC. JB-

W300A), com martelo pendular com capacidade de até 300J e o tipo de entalhe

utilizado foi Charpy tipo A. Para retirada dos corpos de provas das chapas foi

utilizado processo de usinagem por fresamento, de acordo com norma ASTM 23-04

(dimensões de 5 x 10 x 55 mm) [10]. Para cada condição foram retirados nove

corpos de prova, e os entalhes foram realizados com o uso de uma maquina

brochadeira da marca Time Group INC. LS71-UV, nas regiões; metal de base (MB)

zona termicamente afetado (ZTA) e zona fundida (ZF), conforme ilustrado na Figura

1. Os ensaios de dureza foram realizados em corpos de provas preparados

metalograficamente utilizando um durômetro Analógico da marca Pantec, modelo

RASN RS+187,5 kgf, penetrador cônico de diamante (120°) aplicando uma carga de

60 Kgf. Foram realizados 12 endentações em cada região (ZTA, ZF e MB) dos

corpos de provas, para obtenção de desvio padrão.

Tabela 1: Composição química do aço SAE 1045 e do eletrodo E7018

SAE/AWS C % S Al Si P Cr Mn Ni Cu

1045 0,48 0,0241 0,003 0,18 0,020 0,05 0,66 0,04 0,10

E 7018 0,30 0,035 - 0,45 0,035 - 0,75 - -

Fig.1. Ilustra as regiões de retirados dos CDPs para os ensaios (MB, ZTA e ZF).


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RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados obtidos mostram que as condições de uso dos eletrodos

promovem variações microestruturais importantes, que apresenta significativas

mudanças das propriedades mecânicas.

Análise da microestrutura do metal de base A análise do reconhecimento prévio do aspecto microestrutural do metal base

se torna importante para evidenciar as diferenças microestruturais promovidas pelo

processo de soldagem, conforme Figura 1.

Fig. 2. Microestrutura do aço SAE 1045, atacada com Nital 3%

Analisando a microestrutura do metal de base (SAE 1045), observou que as

fases predominantes são ferrita(F) e perlita(P). Entretanto essas fases podem ser

mudadas durante o processo de soldagem, em função da taxa de aquecimento e

resfriamento e dos elementos de ligas existente no eletrodo e no material base.

Analise dos resultados obtidos pelo ensaio de liquido penetrante (LP) A análise utilizando liquido penetrante se faz importante neste trabalho para

reproduzir as condições utilizadas nas indústrias, e tem como objetivo identificar

possíveis falhas ocorridas durante o processo de soldagem. Os corpos de prova

(juntas soldadas) foram preparados de acordo com a norma NBR NM 334:2012. Os


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testes foram realizados nas juntas soldadas sob as condições de eletrodos seco em

estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodos totalmente molhado

(imerso em água por 48 horas), denominados CP1 e CP2, respectivamente, Figura

3a) e 3b). Analisando os resultados podemos observar os CDPs soldados sob as

condições do fabricante não apresentaram defeitos visíveis a olho nu, enquanto que

os totalmente molhados apresentaram defeitos superficiais denominados poros.

Esses resultados evidenciam a importância do controle de juntas soldadas utilizando

o processo de análise por liquido penetrante, o qual é muito utilizado nas indústrias

metal mecânico.

Fig. 3: a) CDP com liquido penetrante aplicado (CP1 e CP2); b) CDP após a

aplicação do revelador (CP1 e CP2).

Análise das macrografias das juntas soldadas O uso de análises por macrografias em juntas soldadas têm como objetivo

importante para identificar as regiões distintas da ação do calor durante a soldagem,

bem como revelar defeitos preliminares em soldagem. Para obtenção das Figuras

4a) e 4b), as amostras foram atacadas com uma solução contendo 10% nital por

10segundos. As condições dos eletrodos utilizados são representados sob: eletrodo

seco em estufa de acordo com a norma Petrobrás N133 e eletrodos totalmente

molhado (imerso em água por 48 horas), denominados CP1 e CP2,

respectivamente.

CP1 CP2 CP1 CP2


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Fig. 4: a) Macrografia do CP1 e b) Macrografia do CP2.

A Figura 4 mostra os aspectos das juntas soldadas, podendo ser observado às

distintas regiões da ZTA, ZF e MB. As análises macrográfica mostra a influência das

condições das juntas soldadas, sendo observado que no CP1 não apresenta

defeitos aparentes, enquanto que no CP2 pode ser observado á presença de um

poro (PO) na superfície do cordão de solda, possivelmente causou vacância de

oxigênio devido a alta temperatura e o rápido resfriamento em função da utilização

do eletrodo totalmente molhado, o qual possui em sua estrutura quantidades

excessiva de oxigênio contido na água.

Análise das microestruturas das juntas soldadas Essas análises se fazem importante a fim de identificar as variações

microestruturais ocorridas nas juntas soldadas na região da zona fundida que

apresenta as mudanças mais significativas em função das condições dos eletrodos

utilizados.

Zona fundida (ZF) As caracterizações foram obtidas em função das observações qualitativas dos

constituintes, conforme sua morfologia em função das condições de uso dos

eletrodos na junta soldadas, destacando a ZF, denominada CP1 e CP2,

representadas nas Figura 5a) e 5b) respectivamente.

CP1 CP2


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Fig. 5a) Micrografia do CP1.

Fig. 5b) Micrografia do CP2

Analisando as Figura 5a) podemos observar a presença de uma microestrutura

é composta basicamente de Ferrita primaria de contorno de grão (PF(G)) e Ferrita

acicular (AF), Ferrita de segunda fase alinhada (FS (A)) e Ferrita de segunda fase

não alinhada (FS (NA)), enquanto que na Figura 5b) podemos observar que com o

uso do eletrodo totalmente molhado, a umidade promoveu a redução da PF(G),

houve o surgimento de PF (I), sendo isto uma consequência da redução da taxa de

resfriamento da ZF, em conjunto com possíveis variações dos parâmetros de

soldagem utilizados. Pode concluir que com a umidade aumentada no eletrodo, o

resfriamento torna-se mais lentos, e isso induzem a difusão do carbono que

promove a nucleação de ferrita primária no interior dos grãos austeníticos gerando


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PF (I) ou nos contornos dos grãos gerando PF(G). Fazendo um comparativo entre

as microestruturas obtidas das Figura 5a) e 5b) podemos observar importantes

mudanças microestruturais, as quais refletem na redução das propriedades

mecânicas das juntas soldadas.

Avaliação das propriedades mecânicas Os resultados dos ensaios de impacto e dureza confirmam as diferenças

observadas nas microestruturas das juntas soldadas em diferentes condições de

soldagem. nesta avaliações serão utilizados as regiões da ZTA, ZF e MB.

Análise dos resultados obtidos nos ensaios de impacto

A Tabela 2 mostra os resultados obtidos nos ensaios de impacto para as

condições utilizadas. Analisando as regiões soldadas ZTA, ZF e MB, podemos

observar grandes diferenças de energias absorvidas.

Tab. 2. Leitura do ensaio de impacto (CPI = Eletrodo seco e mantido em estufa e

CP2 = eletrodo totalmente molhado)

Analisando os resultados obtidos na Tabela 2, para efeito comparativo entre as

condições de armazenamento dos eletrodos em função das resistências mecânica

dos corpos de prova observou que o CP1 apresentou maior resistência ao impacto

do que o CP2 tanto na ZF quanto na ZTA. Para o metal de base, os valores são

iguais devido ao fato de não terem sido afetados pelo processo. Os resultados

Condição de armazenagem

CP1

CP2

MEDIAS

Região do entalhe

Resistência ao impacto

J/cm2

Energia absolvida

Ak(J)

Resistência ao impacto

J/cm2

Energia absolvida

Ak(J)

ZTA 21,96 ± 5 17,53 ± 4 19,43 ± 4 15,57 ± 4

ZF 83,26 ± 9 66,6 ± 8 60,86 ± 8 48,67 ± 7

MB 13,36 ± 4 10,67 ± 3 13,33 ± 4 10,67 ± 3


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observados acima mostram que a tenacidade à fratura da ZF é influenciada pela

presença da AF e aumenta com o aumento desta. entretanto os resultados obtidos

converge com os aspectos observados nas microestruturas das região ZF, e

converge com os estudos realizados por Maciel, et AL (1997) [11]. Assim estes

resultados confirmam a importância do armazenamento dos eletrodos seguindo as

recomendações dos fabricantes.

Análise dos resultados dos ensaios de dureza A Tabela 3 mostra os resultados os resultados obtidos nos ensaios de dureza

utilizando diferentes condições de soldagem nas regiões do MB, ZTA e ZF. as

medidas de dureza foram realizadas na seção transversal da junta na direção da

espessura para o metal de solda e para a ZTA com o objetivo de avaliar o efeito das

alterações microestruturais provocadas pelos condições dos eletrodos utilizados.

Tab.1. Resultados dos ensaios de dureza realizados nas juntas soldadas

Materiais Localizações das medições

Medias das Dureza [HRA]

CP1

MB 54,04

ZTA 58,75

ZF 56,29

CP2

MB 54,08

ZTA 55,87

ZF 53,08

Analisando os valores de dureza obtidos nos CP1 e CP2 para o MB, ZTA e

ZF, podemos observar que os valores de dureza apresentam menores valores para

o CP2 que utilizou eletrodo molhado devido possivelmente a falta de fusão nas

regiões da ZTA e ZF, onde a presenças de altas temperaturas. Provavelmente essas

regiões formaram poros e vazios, o que causa redução de dureza na microestrutura

das juntas soldadas. Entretanto os maiores valores de dureza obtidos no CP1

podem estar relacionados à formação de carbonetos devido ao alto teor de carbono

existente no aço SAE 1045. Isto é possível concluir devido à dureza é um fenômeno


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inversamente proporcional à tenacidade a fratura que têm como características

maior absorção de energias.


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CONCLUSÕES

Os resultados obtidos nos ensaios de impacto e dureza confirmam que os

corpos de prova que foram soldados com eletrodos molhados apresentaram

menores valores quando comparados aos realizados com eletrodos que foram

armazenados de acordo com as recomendações dos fabricantes.

As imagens obtidas por macrografia e micrografia mostram a importância do

uso em soldagem dos eletrodos armazenados de acordso com as recomendações

dos fabricantes. O uso do eletrodo molhado promoveu aumento dos indices de

defeitos nas juntas soldada, em comparação com os eletrodos que foram mantidos

em estufa até a hora da soldagem.

Os resultados obtidos neste trabalho vem de encontro com os avanços

tecnológicos nas indústrias metal mecânica, confirmando a importância das

condições de soldagem na redução de custos, evitando retrabalho ou falhas de

componentes em serviços.


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Microestructura y Dureza com elTiempo de Enfriamiento em Metales de Soldadura

de Aceros de Alta Resistencia e Baja Aleacón. v. 08, InformacionTecnologica, La

Serena – Chile, 1997.


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WELDING CONDITIONS IN FIELD OF SAE 1045 STEEL BY SHIELDED METAL

ARC WELDING (SMAW)

J. C. V. Santos1; A. A. A. Diniz2; J.V.C. Souza1; O. M. M. Silva3; E. A. Raymundo2, C.

E.F. Santos2

1FEG-UNESP – Av. Ariberto F. da Cunha, 333, Guaratinguetá – SP, CEP. 12516-

410, Brasil

2FATEC – Pindamonhangaba – SP, Brasil; 3DCTA/IAE/AMR – S. J. C. - SP, Brasil.

[email protected]

ABSTRACT

The welding process is the most important process using in world modern.

without of welding process, the Shielded Metal Arc Welding (SMAW) present

important industrial applicability due to at facility to apply, low cost and application in

all positions. The objective this paper is welding of steel plate of SAE 1045 by

SMAW, using electrode AWS 7018 with 3.2 mm in diameter with objective to

reproduce real conditions in industrial field. For this has been used electrode in dry

conditions of agreement with standard N133 Petrobras and immerse in water by 24

h, current of 100A, welding speed of 13cm/mm. The analyses were examined in the

heat-affected zone (HAZ), fusion zone (ZF) and base metal (BM), using penetrate

liquid (PL), optic microscopic, mechanical tests of impact and hardness. the results

showed that the steel plate welding with electrode in the condition of standard N133

to presented low defects while that the immerse in water by 24 h presented porous,

reduction of hardness and low energy absorption. These results recommend using

fabricant conditions to promote at cost reduction and re-work.

Keywords: Welding; SAE1045 steel; Shielded Metal Arc Welding (SMAW); Welding

condition and heat-affected zone (HAZ).


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