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FUNDAÇÃO CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DE
MATERIAIS
ESTUDO DA CARACTERIZAÇÃO DO CONSUMÍVEL NACIONAL NA
SOLDAGEM DO AÇO 80 HLES PELO PROCESSO DE ELETRODO REVESTIDO
NA CONSTRUÇÃO DE SUBMARINOS
LUIZ ANTONIO DA SILVA
DISSERTAÇÃO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS MESTRADO PROFISSIONAL UEZO
Rio de Janeiro, 28 de novembro de 2017.
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DE
MATERIAIS
ESTUDO DA CARACTERIZAÇÃO DE CONSUMÍVEL NACIONAL NA
SOLDAGEM DO AÇO 80 HLES PELO PROCESSO DE ELETRODO REVESTIDO
NA CONSTRUÇÃO DE SUBMARINOS
Orientador
Prof. Mauro Carlos Lopes Souza, DSc
Rio de Janeiro, 28 de novembro de 2017.
Dissertação de Mestrado apresentada
ao Programa de Pós-Graduação em Ciência
e Tecnologia de Materiais do Centro
Universitário da Zona Oeste – UEZO, como
parte integrante dos requisitos necessários
para obtenção do título de Mestre em
Ciência e Tecnologia de Materiais.
ESTUDO DA CARACTERIZAÇÃO DE CONSUMÍVEL NACIONAL NA
SOLDAGEM DO AÇO 80 HLES PELO PROCESSO DE ELETRODO REVESTIDO
NA CONSTRUÇÃO DE SUBMARINOS
Dissertação de Mestrado apresentado ao Programa de Pós-Graduação em
Ciência e Tecnologia de Materiais do Centro Universitário da Zona Oeste – UEZO,
como parte integrante dos requisitos necessários para obtenção do título de Mestre
em Ciência e Tecnologia de Materiais.
LUIZ ANTONIO DA SILVA
Aprovado por:
_______________________________________________
Prof. Mauro Carlos Lopes Souza, DSc. (Orientador) Universidade Estadual da Zona Oeste – UEZO
_______________________________________________
Prof. Carlos Alberto Martins Ferreira, DSc. Universidade Estadual da Zona Oeste – UEZO
_______________________________________________
Prof. Joanes Silva Dias, DSc. CEFET-RJ
Rio de Janeiro, 28 de novembro de 2017.
Aos meus pais, Manoel (In memoriam) e Antônia que sempre acreditaram em
mim, à minha esposa Cristiani, pela paciência e apoio incondicional, às minhas
filhas, Júlia e Laís, que estiveram sempre ao meu lado querendo saber sobre o que
eu estava escrevendo e quando iria terminar. “Obrigado pela torcida meninas”.
Direi do Senhor: Ele é o meu Deus, o meu refúgio, a minha fortaleza,
e nele confiarei
Salmos 91:2
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, à Deus, qυе me deu esta oportunidade, muita força, garra e
perseverança ao longo da minha vida e ao final de mais uma etapa, e em seguida
buscar ainda mais conhecimento para passar adiante.
À UEZO, sеυ corpo docente, direção, е administração que buscam manter o
ensino e incentivar novos alunos a seguir no rumo da pesquisa e desenvolvimento
do ensino brasileiro.
Aos meus amigos de classe da UEZO que nestes dois anos pudemos trocar
várias experiências e aos grandes momentos que estivemos juntos em sala de
aula, em especial aos amigos Eng. Marcelo Ferraz e ao Eng. Rogério Nunes, por
quem me ajudou tenho muita consideração.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Mauro Carlos Lopes Souza, muito obrigado pelo
apoio, que em todos os momentos que necessitei, lá estava ele para me auxiliar.
Agradeço aos professores, dos quais ao longo destes anos que estivemos
juntos, tive a honra em conhecê-los melhor, poder abstrair em suas aulas os seus
conhecimentos, partilhar sobre diversos assuntos sobre experiência profissional e
vida pessoal.
Aos amigos da ICN, Sr. Paulo Gualhano, que realizou as usinagens das
amostras em um tempo rápido e com muita perfeição, agradecimento em especial
ao amigo Eng. Ralf H. Kohl e seus técnicos de laboratório de análises
metalógraficas, Marcos Felipe, Marcos Vinícius e Vivian Kaline, que
acompanharam nas confecções dos corpos de prova e realizaram todos os
ensaios mecânicos e metalógraficos. Agradeço também ao soldador Anderson
Rodrigues pela dedicação e seu profissionalismo, ao esmerilhador e maçariqueiro
Wladimir e Valdir, ao pessoal do preaquecimento e ao grande mestre Sr. Antônio
Gonçalves de Souza à quem tenho carinho e grande admiração e ao amigo Eng.
Bruno C. Ferreira quem me ajudou nas correções.
Um muito obrigado especial ao Prof. Dr. Sérgio Souto Maior, que me auxiliou
na interpretação das amostras e esteve sempre prestativo em passar o seu
conhecimento.
i
RESUMO
SILVA, Luiz Antônio Da. Estudo da caracterização do consumível nacional na
soldagem do aço 80 HLES pelo processo de eletrodo revestido na construção de
submarino. Dissertação (Mestrado Profissional). Programa de Pós-Graduação em
Ciência e Tecnologia de Materiais – Centro Universitário Estadual da Zona Oeste
2017.
Estudo visa analisar a microestrutura da junta soldada e propriedades mecânicas das
amostras, na soldagem do aço de fabricação Francesa 80 HLES, utilizado nos cascos dos
submarinos para a construção naval brasileira. Foram realizadas soldagens multipasse,
utilizando o processo de eletrodo revestido, de acordo com as normas AWS/ASME SFA
A5.5/A5.5M: 2006 e ISO EN4063, cuja classificação é E11018G Ø 3,2 mm, especificação
NCSW 110G. Utilizou-se a posição plana, em junta de topo, em “X”, formada por duas
chapas, de espessura 30 mm. Conforme a Norma ISO EN 6947:1990, foi utilizada uma
EPS. Os consumíveis são de procedência Francesa, fabricado pela Air Liquide. Foram
utilizadas resistências elétricas, para o pré e pós-aquecimento. Em seguida fez-se o
monitoramento eletrônico, que gerou um gráfico, necessário para controle de temperatura
de interpasse evitando trincas a frio, durante o processo. Cinco horas, após a soldagem, as
juntas foram inspecionadas, conforme os requisitos das normas Européias [EN 910
Destructive tests on welds in metallic materials — Bend tests, EN 970, Non-destructive
examination of fusion welds — Visual examination; EN 1320, Destructive tests on welds in
metallic materials — Fracture test; EN 1435, Non-destructive examination of welds —
Radiographic examination of welded joints]. As inspeções visuais mostraram perfeita
integridade do cordão e juntas. Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram boa
continuidade da solda e a ausência de defeitos. Os resultados da macrografia, gamagrafia,
RX e US, mostraram que todos os cordões e passes das soldas foram distribuídos de
maneira homogênea. A microscopia óptica mostrou na ZTA boa distribuição da ferrita,
principalmente da ferrita colunar, com pequena formação de Bainita, durante o
resfriamento. Na MS foram observados ferrita acicular circundada por ferrita primária.
Conclui-se, assim, que o consumível nacional utilizado pode substituir o consumível
francês, de maneira satisfatória.
Palavras chave: Eletrodo Revestido; Soldagem; Ensaios Destrutivos; Macrografia e
Micrografia; Aço 80 HLES; Consumível Nacional; Controle de Temperatura.
ABSTRACT
SILVA, Luiz Antônio Da. Study of the characterization of the national
consumable in the welding of the HLES 80 steel by the coated electrode process in
the construction of submarine. Dissertation (Professional Master's). Postgraduate
Program in Materials Science and Technology - Centro Universitário Estadual da
Zona Oeste 2017.
The aim of this study is to analyze the welded joint microstructure and mechanical
properties of the samples, in the welding of the steel of French manufacture 80 HLES, used
in the hulls of the submarines for the Brazilian naval construction. Multipass welds were
used, using the coated electrode process, according to the standards AWS / ASME SFA
A5.5 / A5.5M: 2006 and ISO EN4063, whose classification is E11018G Ø 3.2 mm,
specification NCSW 110G. The flat position was used as the Butt welding joint in "X",
formed by two plates, 30 mm thick. According to ISO Standard EN 6947: 1990, EPS was
used. The consumables are of French origin, manufactured by Air Liquide. Electrical
resistances were used for pre and post-heating. Then, the electronic monitoring was
performed, which generated a graph, necessary to control the temperature of the interpass,
avoiding cold cracks, during the process. Five hours after welding, the joints were
inspected, according to the requirements of the European standards [EN 910 Destructive
tests on welds in metallic materials - Bend tests, EN 970, Non-destructive examination of
fusion welds - Visual examination; EN 1320, Destructive tests on welds in metallic materials
- Fracture test; EN 1435, Non-destructive examination of welds - Radiographic examination
of welded joints]. Visual inspections showed perfect weld beads integrity and joints. The
results of the mechanical tests showed good continuity of the weld and absence of defects.
The results of the macrography, gammagraphy, RX and US, showed that all weld beads
and passes were homogeneously distributed. Optical microscopy showed in the ZTA good
ferrite distribution mainly of the columnar ferrite, with little formation of Bainite, during the
cooling. In the MS were observed acicular ferrite surrounded by primary ferrite. It is
concluded, therefore, that the domestic consumable used can satisfactorily replace French
consumables.
Keywords: Coated Electrode Welding; Welding Procedures; Destructive Testing;
macrography and micrography; Steel 80 HLES; National Consumable.
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Diagrama de soldagem com eletrodo revestido ........................................... 7
Figura 2 – Solubilização do hidrogênio ......................................................................... 8
Figura 3 – Trincas causadas devidas o acumulo de hidrogênio .................................... 9
Figura 4 – Desprendimento do hidrogênio em banho de óleo mineral. ....................... 10
Figura 5 – Composição química do metal de base 80 HLES. ..................................... 16
Figura 6 – Tabela comparativa entre os aços HY, HLES e HSLA e DQ. .................... 16
Figura 7 – Posições de soldagem. .............................................................................. 17
Figura 8 – Variáveis essenciais. .................................................................................. 18
Figura 9 – Nomenclaturas do processo ER, segundo a ISO 4063. ............................. 18
Figura 10 - Geometria do chanfro duplo "V" ou “X” e o “GAP”. ................................... 20
Figura 11 – Croqui da chapa 80 HLES para a soldagem ............................................ 21
Figura 12 - Sistema de preaquecimento (resistências e termopares) montado. ......... 22
Figura 13 - Máquina de tratamento térmico e registrador gráfico. ............................... 22
Figura 14 – Layout das resistências instaladas nas chapas. ...................................... 23
Figura 15 - Detalhes da distribuição dos passes e camadas ...................................... 25
Figura 16 - Gráfico de temperatura de pré e pós-aquecimento. .................................. 26
Figura 17 - Suscetibilidade à ocorrência de trincas na ZTA. ....................................... 32
Figura 18 – Microestrutura do Metal de base da chapa 80HLES ................................ 36
Figura 19 – Denominação do grupo de material. ........................................................ 36
Figura 20 - Distribuição dos cordões e passes nas posições (PA/1G) e (PE/4G). ...... 38
Figura 21 – Distribuição das camadas posição PA e PE. ........................................... 41
Figura 22 - Macrografia da região do cordão de solda ................................................ 44
Figura 23 - Transições das Zonas MB-ZTA-MS-ZTA-MB ........................................... 45
Figura 24 – Layout das amostras para confecção dos corpos de prova. .................... 47
Figura 25 - Geometria do corpo de prova cilíndrico - tração longitudinal (MS). .......... 48
Figura 26 - Geometria retangular do corpo de prova - tração transversal. .................. 49
Figura 27 – Equipamento utilizado para a realização dos testes de dobramento. ...... 50
Figura 28 - Posicionamento do corpo de prova para dobramento. ............................. 51
Figura 29 - Corpos de provas para ensaio de dobramento. ........................................ 52
Figura 30 - Pontos para medição de micro dureza Vickers. ........................................ 53
Figura 31 – Localização dos corpos de provas MS e ZTA .......................................... 54
Figura 32 - Máquina de ensaio de impacto. ................................................................ 55
Figura 33 - Resfriamento em banho de imersão (-20ºC) para ensaio de impacto. ..... 55
Figura 34 - Geometria do corpo de prova para ensaio de impacto Charpy. ................ 56
Figura 35 - Aspecto da região do corpo de prova após ensaio de impacto. ................ 57
Figura 36 - Fotos comparativas do aspecto da fratura dúctil / frágil. ........................... 57
Figura 37 - Foto do CP 1 consumível importado. ........................................................ 60
Figura 37 - Foto do CP 2 consumível Nacional ........................................................... 61
Figura 38 – Ensaio Visual, líquido penetrante, Partícula Magnética e RX, . ............... 62
Figura 39 - Micrografia da região MB aumento de 500x, Estrutura Ferrita primária .... 63
Figura 40 - Micrografia da região ZTA aumento de 500x, Estrutura de Ferrita ........... 64
Figura 40 - Micrografia da região MS - aumento de 500 X. ......................................... 65
Figura 41 – Corpo de provas com rompimento forma “taça e cone”. .......................... 67
Figura 42 – Resultados do ensaio de tração transversal – fratura Dúctil .................... 68
Figura 43 – Corpo de provas com rompimento forma taça-cone. ............................... 70
Figura 45 – Resultados do ensaio de tração transversal – fratura Dúctil .................... 71
Figura 45 - Fratura após ensaio de tração longitudinal no MS .................................... 72
Figura 46 - Fratura após ensaio de tração longitudinal no MS. ................................... 74
Figura 47 - Após ensaio de dobramento lateral. ......................................................... 74
Figura 48 - Após ensaio de dobramento lateral. ......................................................... 75
Figura 49 – Resultado do ensaio de dureza – Eletrodo Importado 1. ......................... 76
Figura 50 – Resultado do ensaio de dureza – Eletrodo Nacional 2. ........................... 77
Figura 51 - Resultado do teste de impacto e comparativo ZTA e MS. ........................ 80
Figura 52 – Resultado do teste de impacto e comparativo ZTA e MS. ....................... 81
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – teores usuais de Nitrogênio ......................................................................... 7
Tabela 2 – Teores usuais de Nitrogênio ...................................................................... 11
Tabela 3 – Composição química do eletrodo Importado versus Nacional................... 13
Tabela 4 – Temperaturas mínimas de preaquecimento e interpasses (IIW,1988). ..... 27
Tabela 5 – Temperaturas de pré-aquecimento para aço e ferro fundido .................... 30
Tabela 6 - Teor de hidrogênio difusível nos processos de soldagem ......................... 31
Tabela 7 – Relação entre CE e soldabilidade. ............................................................ 31
Tabela 8 – Sistema Microconstituinte dos metais de solda (IIW, 1988) ...................... 35
Tabela 9 – Comparativo do eletrodo E 11018G (% em peso) por fabricante .............. 39
Tabela 10 – Comparativo do eletrodo E 11018G (% em peso) por fabricante ............ 40
Tabela 11 - Especificações técnicas da máquina de solda. ........................................ 42
Tabela 12 - Parâmetros de soldagem junta de topo. .................................................. 43
Tabela 13- Preparação dos Corpos de prova. ........................................................... 47
Tabela 14- Análise química dos consumíveis Nacional e Importado. ........................ 58
Tabela 15- Resultados de tração transversal para o eletrodo Nacional. ..................... 66
Tabela 15 - Resultados de tração transversal para o eletrodo Importado. .................. 69
Tabela 16- Resultados de tração longitudinal para o eletrodo Importado. .................. 71
Tabela 17 - Resultados de tração longitudinal para o eletrodo Nacional. ................... 73
Tabela 18 - Resultado ensaio de dobramento eletrodo Nacional. ............................... 75
Tabela 19 - Resultado ensaio de dobramento eletrodo Importado. ............................ 76
Tabela 20 - Resultado do ensaio de dureza região Metal de Base. ............................ 77
Tabela 21 - Resultado do ensaio de dureza região ZTA. ............................................ 78
Tabela 22 - Resultado do ensaio de dureza região MS. ............................................. 79
Tabela 23 - Resultado do ensaio de impacto eletrodo Importado. .............................. 80
Tabela 24 - Resultado do ensaio de impacto eletrodo Nacional ................................. 81
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Nacional ..................................... 66
Gráfico 2 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Importado ................................... 69
Gráfico 3 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Importado ................................... 72
Gráfico 4 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Nacional ..................................... 73
LISTA DE ABREVIATURAS
ARBL Alta Resistência e Baixa Liga
AF Ferrita Acicular Al Alongamento ASM International American Society Materials International ASTM American Society Tests Materials ASME American Society of Mechanical Engineers AWS American Welding Society BA Bainita ASW Arc Submerge Welding C Carbono CE Carbono Equivalente CO/MO Óxido de carbono CP Corpo de prova Cr Cromo Cu Cobre DIN Deutsche Industrie Norm E Energia de soldagem EPS Especificação de Procedimento de Soldagem FP Ferrita Poligonal NF
Norma Francesa EN Euro Norm GAP Espaço ou distância entre chapas HEAT INPUT Aporte térmico HY High Yeld HLES Haute Limite Élastique Acier HLSA High Low Strength Steel HV Dureza Vickers IIW International Institute of Welding
I Amperè
ISO International Society Organization J/cm Joule por centímetro
kVA kilo Volt Amperè
LP Líquido penetrante
M Martensita MPa Mega Pascal
Mn Manganês
MMA Manual Metal Arc Welding
Mo Molibidênio MS Metal de Solda Nb Nióbio ŋ Rendimento do arco Ni Níquel PA Posição plana PM Partícula Magnética PF Ferrita contorno de grão RX Raio “X” ou gamagrafia S Enxofre
SAW Shielded Arc Welding SMAW Shielded Manual Arc Welding Si Silício
Ti Titânio U Tensão US Ultrassom V Vanádio V Volts Vs Velocidade de soldagem
VK Vickers
Zn Zinco ZF Zona Fundida ZTA Zona Termicamente Afetada
SUMÁRIO
RESUMO ............................................................................................................. i
ABSTRACT ......................................................................................................... ii
ÍNDICE DE TABELAS ......................................................................................... v
ÍNDICE DE GRÁFICOS ..................................................................................... vi
LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................. vii
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 1
2 OBJETIVOS ................................................................................................ 4
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................. 4
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 5
3.1 O aparecimento do Eletrodo Revestido na soldagem ....................... 5
3.2 Influência do revestimento ................................................................ 7
3.3 Fontes de Hidrogênio ........................................................................ 9
3.4 Metalurgia do Metal Fundido ........................................................... 10
3.5 Composição química do eletrodo Importado versus Nacional. ....... 12
3.6 Influência dos elementos de liga na composição química. ............. 13
3.7 Influência da Composição Química na Região da solda. ................ 15
3.8 Nomenclatura para posições de solda conforme a Norma E287-1 . 17
3.9 Variáveis essenciais para soldagem em Aços HLES. ..................... 17
3.10 Processo de solda aliado ao número de referência ........................ 18
3.11 Descrições do Código da EPS conforme a NF EN 287-1. .............. 19
3.12 Procedimento de Soldagem ............................................................ 20
3.13 Pré-aquecimento antes da soldagem no aço 80HLES .................... 24
3.14 Pós-aquecimento ............................................................................ 27
3.15 Aporte térmico ................................................................................. 27
3.16 Análise química ............................................................................... 29
3.17 Carbono equivalente em função do metal de base ........................ 29
3.18 Classificação dos Constituintes do Metal de Solda ......................... 34
4 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................ 36
4.1 Material de Base ............................................................................. 36
4.2 Soldagem ........................................................................................ 37
4.2.1 Solda com metal de adição – eletrodo importado ........................... 39
4.2.2 Solda com metal de adição – eletrodo Nacional ............................. 40
4.3 Macrografia ..................................................................................... 44
4.4 Micrografia ...................................................................................... 45
4.5 Ensaios Mecânicos ......................................................................... 46
4.5.1 Ensaios não destrutivos .................................................................. 46
4.5.2 Ensaios destrutivos ......................................................................... 46
4.5.3 Ensaio de tração ............................................................................. 48
4.5.4 Ensaio de dobramento .................................................................... 50
4.5.5 Ensaio de dureza ............................................................................ 53
4.5.6 Ensaio de Impacto Charpy .............................................................. 54
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................. 58
5.1 Análise química ............................................................................... 58
5.2 Macrografias CP 1( importado) e CP 2. (Nacional) ......................... 59
5.3 Ensaios Não Destrutivos dos CP1 Importado e CP2 Nacional. ...... 61
5.4 Gamagrafia, RX e US para os dois CP’s 1 e 2. .............................. 63
5.5 Micrografia ...................................................................................... 63
5.6 Ensaios de transversal de tração – Eletrodo Nacional .................... 65
5.7 Ensaios de tração Longitudinal – Importado ................................... 71
5.8 Ensaios de tração Longitudinal – Nacional ..................................... 73
5.9 Ensaios de dobramento lateral - Eletrodo Nacional ........................ 74
5.10 Ensaios de dobramento lateral - Eletrodo Importado ...................... 75
5.11 Ensaio de dureza ............................................................................ 76
5.12 Ensaio de Impacto Charpy .............................................................. 80
6 CONCLUSÃO ........................................................................................... 82
7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS .......................................... 83
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................. 84
1
1 INTRODUÇÃO
Os aços de alta resistência e baixa liga, aplicados em construções navais e
marítimas, desde 1960, tem acelerado o desenvolvimento de novos consumíveis,
de forma a realizar depósitos mais tenazes e resistência mecânica compatível com
o metal de base.
Com o advento destas novas tecnologias e novos materiais, os processos de
fabricação foram se aprimorando e buscando melhores combinações de
elementos de ligas com a adição de elementos como o Manganês, Níquel, Cromo
e Cobre, e microligados com Nióbio, Vanádio e Titânio para empregar e encontrar
a melhor sinergia entre os consumíveis e os processos de soldagem, empregada a
estas características específicas, voltadas para a área da construção naval no
país.
Os aços aplicados em construções navais vêm sendo utilizados em situações
onde a corrosão aliada à resistência mecânica, tenacidades estáticas e dinâmicas
são exigidas, neste caso os aços convencionalmente utilizados na fabricação de
submarinos são das famílias HY80, HSLA 80, DQ80, HY 100, HSLA 100, DQ 100,
HY 130, HSLA 130, DQ 130 e DQ-RHA, HLES 60 e HLES 80 e por se tratar do
processo de transferência de tecnologia ser de procedência Francesa, neste
trabalho os testes serão realizados no aço HLES 80 que é similar ao aço HY 100.
Entre o final da década de 1980 e 1990, países como, Alemanha, Estados
Unidos, Inglaterra e Japão, já utilizavam na fabricação de submarinos os aços das
famílias descritas acima.
Contudo com as pesquisas de novas alternativas para novos materiais,
continuam promovendo o desenvolvimento de novos aços estruturais microligados
que atendam a requisitos de resistência mecânica e tenacidade cada vez mais
severa no caso de equipamentos submersos, embarcações militares e
submarinas, que trabalham em severas condições de operação e qualquer erro
pode ser fatal.
2
Outros aspectos igualmente desejáveis, como a supressão de tratamentos
térmicos e melhor soldabilidade do produto, tornam essa evolução ainda mais
complexa. Como a melhoria da soldabilidade do produto, exige a minimização do
teor de carbono do material, esses novos aços precisam dispor de mecanismos de
endurecimento que dispensem a presença desse elemento com estudos voltados
a adição de outros elementos de liga como, por exemplo, Boro, titânio e etc.
Desta maneira, verificou-se a possibilidade de se buscar/desenvolver
consumíveis que mantivessem as mesmas características mecânicas, físicas e
metalúrgicas e que sejam similares ou iguais ao consumível importado, utilizados
hoje, na construção do submarino brasileiro, de modo a proporcionar uma boa
confiabilidade, produzindo soldas de boa qualidade.
Será apresentado o estudo sobre caracterização microestrutural e da
soldabilidade do consumível nacional, aplicado na soldagem do aço 80 HLES de
fabricação Francesa, que não possui uso aplicado exclusivamente à produção de
submarinos, também poderá ser encontrado como exemplo na construção de
Pontes, como a de maior vão livre do mundo, com 1.600 metros, localizada na
Dinamarca, chamada de Ponte Grande “Belt”, construída em 1987, ou em
quaisquer tipos de veículos militares, que são preferencialmente escolhidos devido
à sua facilidade em ser soldado por ser um aço estrutural.
A caracterização tem como objetivo verificar regiões de solda, Metal de solda
(MS) e zona termicamente afetada (ZTA) e metal de base (MB) quanto suas
análises, suas propriedades de acordo com os certificados dos fabricantes:
Metalógraficas: Análise microestrutural, por meio de metalográfia;
Macrografias: Análise das Zonas;
Analise química: Consumíveis e chapa (Certificados de materiais)
Mecânicas: Ensaios de tração, microdureza Vickers, ensaio de
dobramento lateral e de impacto Charpy.
3
Tanto os aspectos metalúrgicos (soldagem e análise microestrutural) quanto os
das propriedades mecânicas (ensaios mecânicos), serão avaliados segundo os
procedimentos utilizados dentro de normas voltadas para a construção do submarino
brasileiro de acordo com especificações e diretrizes do fabricante.
A condução para a realização dos ensaios tem como premissa obedecer aos
procedimentos de tratamento térmicos aplicados durante a fase de soldagem.
De acordo com a recomendação do fabricante deve-se verificar na prática, o
controle da temperatura de aquecimento da chapa antes do início da soldagem, que
consiste no pré-aquecimento, por meio de resistências elétricas, observando os
parâmetros de temperatura mencionados, estão de acordo com a especificação do
procedimento de soldagem (EPS).
Verificar o ponto ideal de liberação da solda, bem como o controle de
temperatura, durante a realização dos passes/camadas, após o término da solda.
O pós-aquecimento, é monitorado através de controlador gráfico e o processo
tem a função de assegurar a total retirada do hidrogênio remanescente a fim de evitar
a trinca à frio.
O processo por eletrodo revestido foi utilizado para comparar o comportamento
entre o consumível nacional e o importado.
Com tudo deve gerar evidências experimentais que mostrem suas
características mecânicas, físicas e metalúrgicas e assim se tornar uma alternativa
econômica e tecnicamente interessante, com a utilização do consumível nacional na
soldagem da fabricação dos cascos dos submarinos brasileiros, utilizando o mesmo
aço 80 HLES, reduzindo o custo de fabricação.
4
2 OBJETIVOS
Neste trabalho pretende-se caracterizar e comparar através de ensaios
mecânicos e metalúrgicos o comportamento da soldagem pelo processo eletrodo
revestido, em corpos de provas, utilizando o consumível nacional e importado.
Atualmente o consumível empregado é o importado, utilizado na construção de
submarinos aplicados na soldagem aço de construção 80 HLES também importado.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Estabelecer um estudo comparativo entre as características mecânicas e
metalúrgicas de cada um dos consumíveis separadamente, realizando as
soldagens em juntas de topo.
Seguir corretamente os parâmetros pré-estabelecidos em EPS, a preparação
da junta bem como as temperaturas de preaquecimento, interpasses e pós-
aquecimento do aço, durante a fase de soldagem;
Identificar as microestruturas formadas nas juntas soldadas nas regiões do
Metal de Base (MB), Metal de Solda (MS) e na Zona Termicamente Afetada
(ZTA);
Comparar através de ensaios destrutíveis as propriedades mecânicas e
metalúrgicas dos consumíveis soldados no aço 80 HLES e comprovar que se
o mesmo possui condições de ser utilizado na substituição do consumível
importado.
Verificar os valores obtidos, compará-los e gerar relatório.
5
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Aços ARBL, HSLA, HY ou HLES – Alta Resistência e Baixa Liga, apresentam
maior resistência mecânica, aliada com uma elevada tenacidade, quando comparados
com os aços anteriores de composição similar. São basicamente aços baixo carbono
ou aços carbono-manganês com pequenas adições (em geral inferiores a 0,1%) de
alumínio, vanádio, titânio ou nióbio, podendo conter ainda adições de cobre,
molibdênio, níquel ou cromo [1,2].
Suas características mecânicas resultam principalmente de sua granulação fina e
os fenômenos de precipitação dependentes de sua composição química e de seu
processo de fabricação. Este envolve, em geral, um controle estrito da temperatura e
quantidade de deformação em seus passes, seguida por um resfriamento acelerado e
ao final por um tratamento térmico de normalização.
Por questões de segredos comerciais, cada fabricante muda na nomenclatura dos
aços produzidos por eles, no caso do aço classe HY, são cobertos, por exemplo,
pelas especificações ASTM A514 e A517, e por especificações da marinha americana
e o 80 HLES pela Marinha Francesa conforme norma LDA n° E0181/AQ Rev. 7.
Estes aços, por outro lado requerem eletrodos específicos e que atendam aos
requisitos físicos e mecânicos além dos procedimentos especiais de soldagem para
produzirem uma microestrutura compatível com o metal de base.
3.1 O aparecimento do Eletrodo Revestido na soldagem
O processo de soldagem a arco elétrico com o uso de eletrodo revestido é
considerado um dos mais importantes dos processos que utilizam a fusão, teve seu
desenvolvimento de forma bastante lenta, visto por possuir características complexas.
Após a descoberta do arco elétrico em 1800 por Humphry Davy, houve pouco
desenvolvimento em solda elétrica até 1880, quando os russos Nikolay Bernardos e
Stanislav Olszewsky desenvolveram um processo baseado em um arco elétrico,
estabelecido entre um eletrodo de carvão e a peça a ser soldada e em seguida
obtiveram suas patentes em 1885 (patente Britânica) e entre 1890 e 1900 a
Americana.
6
Em 1888, houve o desenvolvimento da soldagem com eletrodo metálico nú.,
durante os anos seguintes, a soldagem por arco, passou a ser realizada com
eletrodos nus destituidos de revestimento, que eram consumidos na poça de fusão e
tornavam-se parte do metal de solda.
As soldas eram de baixa qualidade devido ao nitrogênio e ao oxigênio na
atmosfera formando óxidos e nitretos prejudiciais no metal de solda.
O passo seguinte foi a criação de um mecanismo que proporcionasse uma
proteção a fim de minimizar a quantidade de nitrogênio no deposito do metal sobre a
peça.
Em 1904, foi apresentada a solução de envolver em um arame nú, uma camada
de “cal” [3] e apartir deste momento, foi inventado o primeiro eletrodo revestido, cuja
função era facilitar a abertura do arco e aumentar sua estabilidade.
Logo após, Oscar Kjellberg fundou a ESAB e em 1907, patenteou o processo de
soldagem a arco com eletrodo revestido.
A partir deste desenvolvimento, até os dias atuais, a origem dos eletrodos no
campo da soldagem tiveram várias mudanças que resultaram em acrescentar
misturas de minerais, ferros-liga, e em aluguns casos com substâncias orgânicas,
ligadas com silicato de sódio ou de potássio.
Em 1927, o desenvolvimento de um processo de extrusão reduziu o custo do
revestimento de eletrodos, permitindo aos fabricantes produzirem misturas de
revestimento mais complexas concebida para aplicações específicas, melhorando
assim muito a qualidade do metal de solda e proporcionando aquilo que muitos
consideram o mais significativo avanço na soldagem por arco elétrico.
Na década de 1950 os fabricantes introduziram pó de ferro no revestimento,
tornando-se possível aumentar a velocidade de soldagem.
7
Atualmente a Soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido, a sigla vem do
Ingles Shielded Metal Arc Welding – SMAW, também conhecida como soldagem
Manual a Arco Elétrico (Manual Metal Arc MMA)[4].
.
Figura 1 – Diagrama de soldagem com eletrodo revestido
Fonte: ESAB BR 2005.
3.2 Influência do revestimento
As características de um eletrodo revestido e propriedades do metal
depositado, figura 1, podem ser alteradas pela forma de como o revestimento é
composto, portanto a sua preparação os direciona para seus fins específicos,
julgados pela qualidade do metal depositados por eles, composição química do
metal de solda, composição química do metal de base, o grau de diluição. Reação
físico-química na fase liquida tais como a absorção de hidrogênio, de nitrogênio,
oxigênio do ambiente, a oxidação de alguns elementos de liga e sobre tudo pela
facilidade com que ele pode ser usado pelo soldador, que exerce papel importante
no resultado final da solda [5].
Teores usuais de nitrogênio na zona fundida de aços baixo carbono para
diferentes processos de soldagem, mostrados na tabela 1.
Tabela 1 – teores usuais de Nitrogênio
Fonte: Paulo J. Modenesi –Soldabilidade dos Aços Temperados
8
A presença de nitrogênio na ZF afeta marcadamente as propriedades
mecânicas do metal de solda com mostrado na figura 2.
De uma maneira geral, observa-se um aumento nos limites de resistência e de
escoamento e uma diminuição acentuada da ductilidade e da tenacidade da solda, à
medida que o teor de nitrogênio aumenta. Estes efeitos estão associados
principalmente com a precipitação de nitretos.
O oxigênio, nitrogênio, e o hidrogênio, quando presente na atmosfera do arco,
pode ser absorvido pelo metal fundido.
O hidrogênio se origina principalmente da quebra pelo calor do arco de
moléculas de água e de substâncias orgânicas. Essas podem ser originárias de várias
fontes como: graxas, gorduras, ferrugem e umidade na superfície das peças, fluxo ou
revestimento de eletrodos úmidos, de contaminações no gás de proteção e da própria
umidade do ar.
O hidrogênio dissolvido na poça de fusão pode causar respingos e porosidade
na solda, devido à sua evolução na parte posterior da poça e pode, no metal
solidificado, causar problemas de fragilização temporária e de fissuração.
Pode comprimir-se em espaços pequenos na rede de aço devido ao tamanho
muito pequeno, móvel e especialmente em temperaturas mais elevadas.
A solubilidade do hidrogênio no ferro (ou aço) é muito maior na fase gamma
(Ϫ), do que existe em temperaturas mais elevadas do que na fase alfa (α), que existe
na temperatura ambiente figura 2.[6]
Figura 2 – Solubilização do hidrogênio
Fonte: (Hobart Institut 2016)
9
As altas temperaturas atingidas no arco elétrico de soldagem podem causar a
dissociação da molécula de hidrogênio, do vapor de água e dos compostos que
contêm hidrogênio. Este hidrogênio, então, pode ser introduzido no cordão de solda.
O hidrogênio se encontra presente no metal sólido como hidrogênio atômico só se
Transforma em hidrogênio molecular em temperaturas abaixo de 100°C.
Também conhecido como trinca atrasado ou trinca a frio, a medida que o gás
hidrogênio se acumula, os níveis de estresse aumentam até formarem rachaduras
(trincas) [9], como mostra na figura 3.
Figura 3 – Trincas causadas devidas o acumulo de hidrogênio
Fonte: (Hobart Institut 2016)
3.3 Fontes de Hidrogênio
Umidade no ar;
Óleo, graxa, tinta, revestimentos na chapa;
Consumíveis de soldagem;
Lubrificantes;
Umidade no revestimento (elétrodos);
Embalagem / armazenamento.
10
Como reduzir as chances de contaminação por hidrogênio
Utilizar consumiveis de baixo hidrogênio;
Melhorar o préaquecimento e pós-aquecimento após solda;
Controle de temperaturas de interpasses;
Mudança do processo de soldagem;
Manuseio de materiais;
Metodo de armazenamento.
A figura 4 abaixo, mostra a quantidade de hidrogênio que sai da amostra, de tres
tipos de consumiveis, 10 minutos depois de mergulhado em óleo mineral.
Figura 4 – Desprendimento do hidrogênio em banho de óleo mineral.
Fonte: (Hobart Institut 2016)
3.4 Metalurgia do Metal Fundido
Os principais gases capazes de interagir com o metal líquido, na soldagem dos
aços, são o oxigênio, nitrogênio, hidrogênio, vapor d'água, monóxido e dióxido
de carbono. Na soldagem a arco, o teor de oxigênio na ZF depende de vários de
fatores, destacando-se a quantidade deste gás na atmosfera do arco, disponibilidade
de desoxidantes, presença e tipo de escória em contato com o metal líquido e os
parâmetros de soldagem. O uso de eletrodos básicos pode-se obter teores inferiores
a 0,05%, desde que o eletrodo seja corretamente usado [7].
11
A tabela 2 mostra a solubilidade do oxigênio no ferro líquido em função da
temperatura.
Tabela 2 – Teores usuais de Nitrogênio
Fonte: Paulo J. Modenesi –Soldabilidade dos Aços Temperados
O oxigênio dissolvido na poça de fusão pode reagir com o carbono, na parte
posterior da poça, causando a formação e evolução de monóxido de carbono
conforme a equação (1).
MO + C → M + CO↑ (1)
Como resultado desta reação, a porosidade pode ser formada na solda.
Este tipo de porosidade pode ser evitado com o uso de desoxidantes que
impeçam a reação entre oxigênio e carbono na poça de fusão.
Silício e o manganês são os desoxidantes mais comumente utilizados para
este fim na soldagem a arco do aço.
Estas mudanças microestruturais ocorrem principalmente na (ZTA) onde há
uma redução de dutibilidade e aumento da dureza que resultam num aumento da
sucetibilidade a fratura frágil e trincas por hidrogênio devido ao calor gerado naquela
região.
Contudo faz se necessário o controle de pré-aquecimento, sobre calor
fornecido pelo processo de soldagem e temperatura entre passes, que são fatores
importantes na soldagem destes aços [8].
12
O conceito de pré-aquecimento em princípio, parece simples, mas na realidade a
questão é, principalmente quando surgem perguntas como:
Quando se deve pré-aquecer?;
Qual é a temperatura de pré-aquecimento?;
Qual o tipo de resistência.
Existem correlações entre o pré-aquecimento e a soldabilidade do aço. As
condições de pré-aquecimento não podem ser determinadas sem o conhecimento das
características gerais da soldabilidade englobadas na sua própria definição, sendo um
conceito que integra múltiplos aspectos diferentes, sendo eles, a saber, se a
soldabilidade do material, suas propriedades, tipo de junta, qual influencia na
estrutura a ser soldada, metal de base, consumíveis, processo de soldagem
empregado e etc. [9].
Dentre outros pontos importantes cabe citar:
Propriedades mecânicas;
Inicio de fissuras ou trincas a frio ou a quente;
Influência do hidrogênio e do nitrogênio
Influências das inclusões;
Influência das tensões, restrições e a deformação;
Efeitos dos ciclos térmicos e a sequência de passes durante a soldagem;
Transformações metalúrgicas devido ao aporte térmico;
Tipo de consumível empregado para o processo;
3.5 Composição química do eletrodo Importado versus Nacional.
Abaixo na tabela 3, apresenta a composição química do eletrodo nacional e o
eletrodo importado, onde os valores apresentados pelos fabricantes mostram
porcentagem abaixo de 0,10% C, valores >1,0%Ni, 0,35 a 0,46 Si, e Mo entre 0,3 e
0,6%, o teor de Vanádio é menor ≤ 0,05 (0,023%) e o Mn com valores entre 1,08 a
1,54 %. Os demais elementos são impurezas encontradas em pequenas quantidades
de elementos de desoxidação. Dentre os principais constituintes do revestimento de
13
eletrodos para o aço carbono, alguns importantes são: Celulose, na forma de α-
celulose; óxido de titânio, na forma de rutilo, silicatos minerais, óxido de ferro,
carbonatos básicos tal como o calcário, fluoreto de cálcio, ferro-silício e silicato de
sódio. [10].
Os eletrodos básicos apresentam um maior volume de revestimento, sendo este
rico em compostos de cálcio, particularmente na forma de carbonato, que permitem a
formação de uma escória com características básicas.
Este revestimento contém, ainda, uma quantidade de pó de ferro para aumentar
a quantidade de metal depositado. Finalmente, uma carga metálica de ferro e
elementos de ligas é usada para fornecer desoxidantes e ajustar a composição
química do metal depositado [11].
A tabela 3 exibem os teores de elementos de liga dos consumíveis.
Tabela 3 – Composição química do eletrodo Importado versus Nacional.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
3.6 Influência dos elementos de liga na composição química.
Entre os elementos apresentados na tabela 3, acima convém destacar os
efeitos de sua presença no consumível [12]:
Carbono (C) - O teor desse elemento foi restrito a um máximo de
0,10%, com o objetivo de se eliminar a ocorrência de trincas a frio
durante a soldagem. Além disso, o material com menos teor de carbono
irá apresentar maior tenacidade [12].
Cobre (Cu) - Seu principal efeito é melhorar a resistência a corrosão do
aço, teores de Cu de 0,25% em peso é suficiente para aumentar a
resistência à corrosão atmosférica em duas vezes em relação ao aço-C,
14
além de promover o aumento do limite de escoamento por sua
precipitação na matriz, sem o cobre, tal efeito é mais acentuado pelo
aumento simultâneo de fósforo [12].
Níquel (Ni) - É adicionado em teores acima de 0,7% com o objetivo de
se evitar os problemas de fragilidade a quente normalmente associado à
presença do cobre nos aços. A adição de 1 a 3% de níquel ao metal de
solda dá a este a capacidade de manter a tenacidade a temperaturas
consideravelmente mais baixas. O metal de solda torna-se frágil a
temperaturas abaixo de -30°C. A presença do níquel também torna o
metal de solda mais resistente à fissuração à temperatura ambiente,
melhora na resistência mecânica e contribui para refinar o grão.
Nióbio (Nb) - Aumenta o limite de resistência e o limite de escoamento
pela formação de carbonitretos [12].
Manganês (Mn) - Elemento de reforço em aços de alta resistência
quando presentes em quantidades superiores a 1%, seu principal efeito
é o formador de solução sólida na Ferrita. O Mn também pode provocar
uma redução na temperatura de austenitização, além de favorecer o
aumento de resistência por precipitação em aços-V e aços-Nb [12].
Silício (Si) - É considerado o mais importante desoxidante de metais de
solda Ferríticos, previne a ocorrência de porosidade e melhora a
soldabilidade. Sakaki ao estudar metais de solda com baixos teores de
Mn, verificou que, enquanto o Si está desempenhando seu papel
desoxidante, há uma elevação de energia no patamar superior e um
deslocamento da curva de transição para temperaturas mais baixa. Por
outro lado, quando a desoxidação estiver completa, um aumento do teor
de Si (.0,4%) será prejudicial à tenacidade[12].
15
Cromo (Cr) - Quando o cromo é adicionado ao metal de solda,
aumentam a resistência à corrosão e à formação de carepa a
temperaturas altas. A combinação do cromo e do molibdênio dá ao metal
de solda a característica de manter os altos níveis de resistência a
temperaturas relativamente altas [12].
Molibdênio (Mo) - Quando o teor de 0,5% Mo é adicionado à solda,
ambos o limite de escoamento e o limite de resistência permanecem
constantes da condição como soldado até a condição com tratamento
térmico de alívio de tensões. A presença do molibdênio também
aumenta a resistência mecânica do metal de solda [12].
3.7 Influência da Composição Química na Região da solda.
Carbono é um dos mais importantes elementos na microestrutura da solda dos
aços. Teores elevados deste elemento não são usualmente usados para se evitar a
formação de martensita maclada.
Em geral, seu teor fica entre 0,05 e 0,15%, nesta faixa o carbono, controla a
principalmente a quantidade de carbonetos formados, como também favorece a
formação de Ferrita acicular em lugar da Ferrita primária de contorno de grão.
Os consumíveis empregados na soldagem do aço HY-80 HY-100 e HLES 80
devem ser especificados de tal maneira que, o teor de elementos de liga do metal de
solda seja menor que o teor de elementos de liga do metal de base, bem como o teor
de Carbono do metal de solda seja inferior a (<0,1%C), que a relação entre a
porcentagem de Manganês (Mn) e Enxofre (S) seja alta e que o teor de níquel seja
bem inferior ao do metal de base, como mostram as figuras 5 e 6 abaixo, [13].
16
Dados extraídos do certificado do metal de base, aço 80 HLES com os dados de
espessura e da composição química, figura 5.
Figura 5 – Composição química do metal de base 80 HLES.
Fonte: Adaptado pelo autor o Certificado do fabricante Arcelor Mittal, 2017.
A figura 6 mostra as composições químicas comparativa dos aços HY, HLES,
HSLA E DQ.
Figura 6 – Tabela comparativa entre os aços HY, HLES e HSLA e DQ.
Fonte: S. LIU e, A.Q. BRACARENSE.
17
3.8 Nomenclatura para posições de solda conforme a Norma E287-1
Através de um sistema de posições de soldagem especifico, a norma estabelece
uma nomenclatura, onde por meio de letras, indicam as posições de soldagem.
Para a preparação das juntas, foram utilizadas as posições PA/PE, conforme
destacado em colorido na figura 7 abaixo:
Figura 7 – Posições de soldagem.
Fonte: Norma AWS D1. 1.
3.9 Variáveis essenciais para soldagem em Aços HLES.
Na figura 8 há informações bem definidas para cada tipo de processo, tipo de junta,
grupo de material, metal de adição, posição de soldagem a ser seguida, dentre
outros, que fazem parte dos procedimentos e que também estão incluídos nas
(Especificações dos procedimentos de soldagens) EPS, que devem ser cumpridos
para a fabricação do produto.
18
Variáveis essenciais para a soldagem de aços classe 80 HLES conforme requisitos do
fabricante.
Figura 8 – Variáveis essenciais.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
3.10 Processo de solda aliado ao número de referência
A Norma INTERNATIONAL STANDARD ISO 4063 - Welding and allied
processes Nomenclature of processes and reference numbers, é utilizada para
identificar cada processo de soldagem com as suas respectivas nomenclaturas.
Como exemplo foi retirado da própria norma, o parágrafo referente ao processo
Eletrodo Revestido SMAW 111, conforme pode ser visto na figura 9 abaixo.
Figura 9 – Nomenclaturas do processo ER, segundo a ISO 4063.
Fonte: Norma ISO 4063.
19
3.11 Descrições do Código da EPS conforme a NF EN 287-1.
Para todas as Especificações do Procedimento de Soldagem (EPS), existem
códigos e simbologias, variáveis essenciais, criadas para facilitar a interpretação de
posições de soldagem, tipo de processo e se há necessidade de haver deposição de
material ou se é autógeno dentre outros.
As Normas AWS, ASME, DIN, trata de uma forma particular deste tipo de
assunto.
A Norma Francesa para o projeto de construção naval subdividiu o processo de
soldagem, de maneira a diferenciar e tornar-se de uma forma mais amigável, o tipo de
simbologia utilizado na área fabril, para evitar uma quantidade de listas, tabelas e
desenhos em vários locais e com isso prevenir a ocorrência de informações
desencontradas por parte de quem irá executar e interpretar seus documentos
durante a construção.
As Nomenclaturas extraídas da norma NF EN 287-1, para o eletrodo revestido.
NF EN 287-1 111 P BW 3 B t30 PE ss mb onde:
- NF EN 287-1: Qualificado de acordo com a regulamentação da Norma padrão;
- 111: Processo de solda: a arco, com eletrodo revestido;
- P: Chapa;
- BW: Junta de Topo;
- 3: Metal de base: 80HLES;
- B: Tipo do Metal de adição: Eletrodo revestido tipo Básico;
- t 30: Dimensões da junta qualificada: 30 mm espessura;
- PE: Posição de Soldagem: Junta de topo, posição sobre-cabeça;
- ss: Tipo de soldagem: Soldagem somente por um lado;
- mb: Modo de montagem da junta: com metal de suporte.
20
3.12 Procedimento de Soldagem
As juntas foram preparadas conforme na figura 11, onde mostra em detalhes a
geometria da junta utilizada.
Durante a fase de montagem foram observados os detalhes tais como a
preparação do bisel, travamento com dispositivos para garantir o alinhamento entre
chapas.
Com um gabarito específico, verifica-se a tolerância entre os espaços da chapa
“GAP”, afim evitarem descontinuidades durante a soldagem tais como (falta de fusão,
porosidade, inclusão de escória, deposição insuficiente e etc.) Vide figura 10.
Em função do tipo de montagem, espessura da chapa o espaço entre chapas
“GAP”, é que se determina EPS específica para cada configuração e isso é o que
determina o tipo de distribuição dos cordões, bem como suas tolerâncias, parâmetros
de soldagem, temperatura de preaquecimento, interpasses e pós-aquecimento,
sequências dos passes a serem realizados para evitar o empenamento da junta a ser
soldada.
Figura 10 - Geometria do chanfro duplo "V" ou “X” e o “GAP”.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
21
Para a preparação deste ensaio foram utilizadas as quatro chapas nas
dimensões de 600 mm x 250 mm x 30 mm (cada), sendo duas juntas de topo BW
(Butt Welding norma NF EN 287-1) figura11, sendo uma junta para a aplicação na
soldagem com eletrodo Nacional e a outra junta, com as chapas das mesmas
dimensões, também de topo (BW), utilizadas na soldagem do eletrodo Importado.
O corte foi realizado com o auxílio de maçarico e em seguida seus (biseis)
chanfros foram usinados em forma de duplo “V” ou “X”, os corpos de provas foram
confeccionados conforme dimensões estabelecidas pela norma NF EN 287-1
“Qualification test of Welders – Fusion Welding”.
Figura 11 – Croqui da chapa 80 HLES para a soldagem
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Após a fase de usinagem, inicia-se a montagem das resistências, termopares,
regulagem dos sensores de controle de temperatura com seus valores iniciais para o
preaquecimento das amostras.
As mesmas são fixadas sobre bancadas, através de dispositivos para que não
sofra empenamento durante a fase de soldagem.
22
O processo consiste em aquecer peça, até uma temperatura pré-determinada,
antes do início de sua soldagem como mostra esquematicamente na figura 12.
Figura 12 - Sistema de preaquecimento (resistências e termopares) montado.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Foi utilizado equipamento de 100 kVA, 80V, 6 vias (6 canais de saída ou 6)
Fonte de energia tanto para o pré-aquecimento e pós-aquecimento da solda, um
registrador gráfico como mostra a figura 13.
.
.
Figura 13 - Máquina de tratamento térmico e registrador gráfico.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
23
As resistências cerâmicas são ligadas em grupos de 1, 2 ou 3 por canal de
controle de saída, conforme a figura 14, cada canal de controle tem seu próprio
controlador de temperatura, que requer um transdutor de termopar para controlar
automaticamente a temperatura da peça dentro dos limites da temperatura de
trabalho de acordo com o procedimento de soldagem EPS vide tabela 4.
Disposição das resistências instaladas na chapa.
Figura 14 – Layout das resistências instaladas nas chapas.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
24
3.13 Pré-aquecimento antes da soldagem no aço 80HLES
Os principais parâmetros para especificar um pré-aquecimento são:
A espessura da peça;
A natureza da composição química;
Condições metalúrgicas do metal;
O nível de restrição a que a junta está sendo submetida;
Processo de soldagem;
Seu aporte de energia,
Número de termopares de controle,
Número de operadores por equipamento, custos e etc.
Durante a soldagem do Aço 80 HLES, que submetido à altas temperaturas
atingidas pelo arco elétrico, podem causar a dissociação da molécula de hidrogênio,
do vapor de água e dos compostos que contêm hidrogênio, pode ser introduzido no
cordão de solda. [14].
O pré-aquecimento consiste em introduzir uma fonte de calor, por meio de
eletricidade com o auxílio de resistências ou missangas de cerâmicas, na junta
soldada, sob temperaturas que variam entre 90°C a 200°C dependendo da espessura
durante um período estabelecido pelo procedimento de soldagem adicional na peça
quando se executa uma solda.
Pode-se aquecer uniformemente toda a peça ou, apenas a região da junta a ser
soldada, o tempo de pré-aquecimento leva em torno de aproximadamente de 2 a 3
horas dependendo da espessura da peça.
25
Seu objetivo é elevar a temperatura à patamares de valores conforme
especificado e após o término do processo de soldagem, manter a junta ou toda a
peça aquecida.
Este procedimento diminui os gradientes térmicos, causando uma redução da
velocidade de resfriamento, possibilitando a formação de uma estrutura mais macia
na ZTA e propiciando um maior tempo para que o hidrogênio escape da peça antes
que se atinjam as temperaturas de fragilização [15, 16].
Este tipo de controle se dá para que não haja interferência da temperatura
ambiente provocando um resfriamento, e sim um monitoramento e controle por meios
de equipamento gráfico a fim de permitir o máximo à retirada do hidrogênio evitando
assim trincas a frio.
Ponto importante neste tipo de aço utilizado na construção do Submarino. Além
disso, este procedimento diminui a umidade superficial da peça, que pode ser uma
fonte de hidrogênio.
A distribuição dos passes evita o empenamento o calor gerado durante a
soldagem e contribui para o alivio de tensões, para a melhoria as propriedades
mecânicas do material de soldagem e ao final do processo, quando todos os cordões
e camadas foram finalizados, dá-se o início ao processo de pós-aquecimento de 5
horas, conforme mostra a figura 15.
Figura 15 - Detalhes da distribuição dos passes e camadas
Fonte: Adaptado pelo autor 2017.
26
Se por algum motivo, houver de queda de energia ou pane no equipamento de
aquecimento, a soldagem deverá ser imediatamente interrompida.
O local será protegido com mantas térmicas para não deixar a temperatura cair,
caso não tiver o restabelecimento da energia e a temperatura continuar caindo,
dependendo da situação o (os) cordões deverá ser removido.
Assim que a energia retornar à junta será inspecionada, aplicando ensaios
específicos e em seguida a junta será novamente aquecida, prosseguindo a soldagem
do ponto em que foi interrompido.
Todo o processo é monitorado via controlador, que gera um gráfico informando
as temperaturas de cada passe executado.
Gráfico a seguir foi gerado pelo monitor onde é controlado o processo de
preaquecimento, indicando o pico onde houve a execução das soldagens e pós-
aquecimento conforme mostrado na figura 16 abaixo.
Figura 16 - Gráfico de temperatura de pré e pós-aquecimento.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
27
Como exemplo a Tabela 4 a seguir, apresenta temperaturas mínimas de pré-
aquecimento e interpasses recomendadas por especificação técnica para fabricação
de plataformas marítimas.
Tabela 4 – Temperaturas mínimas de preaquecimento e interpasses (IIW,1988).
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
3.14 Pós-aquecimento
Após a realização da soldagem, dá-se início a fase de pós-aquecimento, cuja
duração leva em torno de 5 horas, seu objetivo e controlar a velocidade de
resfriamento da junta soldada, tornando menores as tensões residuais, além de
favorecer a difusão do hidrogênio e reduzir a ocorrência altos níveis de dureza na
ZTA.
3.15 Aporte térmico
Durante o processo de soldagem, a junta soldada é submetida a temperaturas
que dependem, basicamente, da energia de soldagem e da temperatura de
preaquecimento.
O uso de um maior aporte térmico diminui as velocidades de resfriamento
durante a soldagem, podendo ser suficiente para reduzir a chance de formação de
trincas, além de, em geral, resultar em uma redução no tempo de soldagem.
Vários fatores, contudo, podem limitar a capacidade de se aumentar o aporte
térmico em uma dada aplicação como a posição de soldagem, velocidade do soldador
durante o processo de movimentação do eletrodo ao longo da junta, o tipo de
28
processo e consumível de soldagem utilizado, a espessura da peça e as propriedades
requeridas para a junta.
Durante a fase de soldagem foi instalado um multímetro para aferir os
parâmetros de tensão e corrente no equipamento de solda, com o auxílio de um
cronômetro foi monitorado a velocidade e o tempo que o soldador levou para executar
um passe com um eletrodo.
A partir da equação 2 abaixo, foi calculado o aporte térmico e comparado com o
estabelecido na especificação do procedimento de soldagem EPS.
Caso os valores encontrados estejam acima dos valores especificados o cordão
ou passe, a soldagem interrompida e o mesmo deverá ser retirado, pois o aporte
térmico ficou acima do estabelecido em procedimento e com isso ira interferir no
tempo de pós-aquecimento da peça.
A energia de soldagem absorvida pela junta soldada, segundo Quites (2002), é
fornecida pela equação (2).
(2)
Onde:
E = Energia de soldagem [J/cm];
η = Rendimento do arco;
U = Tensão de soldagem [V];
I = Corrente de soldagem [A];
v = Velocidade de soldagem [cm/min].
29
3.16 Análise química
A análise química dosa os elementos que intervêm na composição do material,
para aços comuns determinam-se as porcentagens de carbono, manganês, fósforo e
enxofre.
Nos produtos siderúrgicos comuns existem ainda outros elementos tais como o
oxigênio, nitrogênio que também influem nas propriedades do metal.
Os teores verificados nas análises dos elementos químicos estão conforme
certificados dos fabricantes do metal de base já visto na figura 5 e dos metais de
adição para ambos os consumíveis já visto na figura 6 acima.
As análises metalógraficas feitas em ambas às amostras (eletrodo nacional e
Importado) têm como objetivo verificar através do exame visual, com auxílio do
lixamento e o ataque químico, realizado com 5% de Nital sobre a superfície soldada,
se as distribuições dos cordões, estão conforme, se não há nenhuma descontinuidade
aparente, se há possíveis desalinhamentos, empenamentos, se houve completa fusão
nas bordas do chanfro, se há alguma impureza e etc.
3.17 Carbono equivalente em função do metal de base
O que determina a soldabilidade dos aços é o grau de imunidade na ZTA, logo a
escolha correta do eletrodo depende dos componentes químicos, cuja uma das
funções é evitar a trinca a frio naquela região.
Na soldagem com o processo SMAW, os eletrodos de baixo hidrogênio da
classe E11018-G ou E12018 devem ser utilizados para garantir uma resistência
mecânica adequada da solda [17].
O metal base é considerado soldável com o processo SMAW quando o Carbono
Equivalente for <0,40, acima deste nível, cuidados especiais são necessários.
30
Processos de soldagem de baixo hidrogênio devem ser usados e devem ser
necessário utilizar o pré-aquecimento da junta, vide tabela 5.
Tabela 5 – Temperaturas de pré-aquecimento para aço e ferro fundido
Fonte: CHIAVERINI, Aços e ferros fundidos vol. 7.
Para a seleção do consumível, aplicado no aço de construção do submarino (80
HLES),[17] além das propriedades mecânicas, muitas vezes é necessário considerar
detalhes de sua composição química, fórmulas de carbono equivalente (CE) são
utilizadas para estimar a necessidade de cuidados especiais na sua soldagem.
Há literaturas, que possuem diversas expressões para o cálculo do carbono
equivalente, desenvolvidas para diferentes aplicações e faixas de composição
química dos aços.
Uma das mais utilizadas dessas expressões é a adotada pelo Instituto
Internacional de Soldagem (CEIIW) e é: dada pela equação (3).
(3)
Fonte: IIW International Institute of Welding.
31
A Tabela 6 mostra a classificação dos principais processos de soldagem quanto
ao teor de hidrogênio difusível, segundo o Instituto Internacional de Soldagem, IIW.
Tabela 6 - Teor de hidrogênio difusível nos processos de soldagem
Fonte: IIW International Institute of Welding.
A soldabilidade de um aço carbono é determinada pelo teor seu carbono
equivalente.
Quanto menor for a relação do carbono equivalente, menor a probabilidade de
ser obtida uma microestrutura martensita (temperabilidade) e, consequentemente,
melhor será a soldabilidade do aço.
Na tabela 7 abaixo temos a relação entre Carbono equivalente e a soldabilidade
de um aço segundo o IIW.
Tabela 7 – Relação entre CE e soldabilidade.
CE < 0,40
Boa soldabilidade
0,40 ≤ CE ≤ 0.60
Média soldabilidade
CE > 0,60
Má soldabilidade
Fonte: IIW International Institute of Welding.
Portanto, de acordo com os valores em porcentagens das análises da
composição química, mostrada na figura 5, através das informações contidas nos
certificados dos fabricantes, calcula-se através da equação 3, os valores em
porcentagem e verifica-se que o valores do resultado encontrado do carbono
equivalente no aço 80 HLES, está na Zona III conforme mostrado na figura 17 a
32
seguir, o que indica segundo a literatura, que é considerada como alto risco para
qualquer condição ou seja, há Suscetibilidade à ocorrência de trincas na ZTA[18].
Figura 17 - Suscetibilidade à ocorrência de trincas na ZTA.
Fonte: Wilson A.D
Valores elevados do CE, pertencentes à Zona III, nem sempre é um indicador de
que o aço não seja soldável, mas sim de que é necessária, para a realização da
soldagem, um monitoramento dos parâmetros de temperatura, do pré-aquecimento e
pós-aquecimento, temperatura entre os cordões soldados, controle do “Heat input”,
consumível com boas propriedades mecânicas, físicas e metalúrgicas, baixo teor de
hidrogênio, forma de fixação dos elementos à serem soldados nos dispositivos,
sequência de soldagem, mão de obra qualificada e etc.
Para a classificação da soldabilidade do aço, recomenda-se que, quanto menor
o carbono equivalente melhor sua soldabilidade, assim, a tendência atual é reduzir
cada vez mais o teor de carbono no metal de solda e aumentar o teor de elementos
33
de liga que, apesar de terem um peso menor no carbono equivalente, endurecem o
aço que comporá o metal de solda. [19].
O carbono é o material com maior propensão a promover a temperabilidade
(capacidade de se obter martensita) o que é indesejável, pois no momento do pós-
aquecimento da soldagem terá grandes influências nos gradientes volumétricos o que
acarretará a formação de trincas a frio.
Como já visto na figura 6, os aços comerciais relacionados ao HY-80, HLES-80,
podem sofrer trincas sob quaisquer condições de soldagem e que o HSLA-80 é
seguro a soldagem em quaisquer condições [20, 21].
Harrison e Farrar [22] perceberam que o metal de solda (MS) para um fato de
que a utilização de diagramas de resfriamento-composição-temperatura (TRC) para
determinar a microestrutura é limitado, devido as diferenças inerentes entre o MS e a
ZTA.
Uma destas diferenças é que o metal de solda depositado, na estrutura é
tipicamente colunar, o que torna difícil a simulação. Apesar disso pesquisador tem
mostrado que o MS apresenta uma microestrutura composta de AF. Neste caso
ocorre a eliminação de toda Ferrita de contorno de grão (PF (G)), além da Bainita
(BA) e Martensita (M) presentes, que podem existir devido às taxas de resfriamento
impostas pela soldagem Harrison e Farrar [22].
Os estudos sempre concorrerão para a eliminação de PF (G) com a adição de
elementos microligantes e através de outro mecanismo, que seria com a formação
desejada da AF, tem a relação direta com o tamanho de grão austenítico, composição
química, inclusões, e como estes dois irão interagir.
Ainda com relação ao metal de solda [13, 23] afirma que metais de solda com
limite de escoamento superior a 690 Mpa apresentam microestrutura constituída de
AF, Martensita e BA., que os metais de solda de alta resistência contendo 2 a 3% de
Ni, são constituídas de AF, Martensita e Bainita e logo dependendo do percentual
desses constituintes haverá mudanças nas propriedades mecânicas do MS, e que a
velocidade de resfriamento tenha forte influência nas propriedades mecânicas dessas
juntas soldadas.
34
3.18 Classificação dos Constituintes do Metal de Solda
Para os aços com baixo teor de carbono e baixa liga, a poça de fusão solidifica-
se inicialmente como Ferrita, pode sofrer uma reação peritética com a formação de
austenita. Na fase de resfriamento, a Ferrita delta remanescente transforma-se em
austenita. Esta, em função das elevadas temperaturas, sofre um grande crescimento
de grão, tendendo a apresentar uma estrutura de grãos colunares e grosseiros,
similar à estrutura original de fusão da MS. Em temperaturas mais baixas, inferiores a
900ºC, a austenita se decompõe, resultando em diferentes produtos ou constituintes
(Bainita ou AF) seguindo as considerações gerais colocadas na seção anterior [24].
A estrutura da (MS) zona fundida do metal de solda de aços de baixo carbono
e de baixa liga depende de inúmeros fatores. Ela apresenta aspectos macroscópicos
resultantes do crescimento epitaxial e colunar e dos padrões de segregação
resultantes da solidificação da solda. Estes aspectos, juntamente com o estado inicial
da austenita (composição, tamanho de grão, micro segregações e estado de
deformações), as características da população de inclusões e precipitados existentes
e as condições de aquecimento e resfriamento influenciarão a microestrutura do
cordão de solda (Solari, 1981).
Em uma solda em um só passe, a microestrutura da MS será formada pelos
produtos da decomposição da austenita em Ferrita, carbonetos e martensita durante o
resfriamento, sendo que a Ferrita pode assumir diferentes morfologias, algumas de
difícil distinção.
Em soldas de vários passes, a estrutura será ainda mais complexa, sendo
formada por regiões reaquecidas e alteradas pelos ciclos térmicos dos passes
seguintes e por regiões que permaneceram basicamente inalteradas. As
características desta microestrutura, tanto em escala microscópica como em escala
submicroscópica, são fundamentais na determinação das propriedades finais da MS.
Há cerca de aproximadamente 20 anos, o Instituto Internacional de Soldagem
(IIW) desenvolveu um sistema de classificação para os constituintes do metal de
solda, baseado na sua observação com o microscópio ótico, que se tornou o mais
35
aceito atualmente. Segundo este sistema, os constituintes mais comuns da zona
fundida podem ser classificados como exibe a tabela 8 abaixo que resume as
características destes constituintes segundo o sistema de classificação do IIW (IIW,
1988).
Tabela 8 – Sistema Microconstituinte dos metais de solda (IIW, 1988)
Fonte: IIW International Institute of Welding.
Normalmente, em estudos que envolvem a correlação entre a microestrutura e
as propriedades do metal de solda, é necessário realizar metalografia quantitativa no
metal de solda, determinando-se a fração ou predominância de seus diferentes
constituintes.
Abaixo, serão discutidas, de forma bem geral, as características gerais destes
diferentes elementos estruturais.
Esta discussão está baseada em trabalhos de Solari e do IIW.
36
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Material de Base
O metal de base utilizado para a realização do teste foi o aço 80 HLES, pertence
ao grupo de materiais número 3, subgrupo 3.2 conforme Norma NF EN 15608, cuja
microestrutura é composta por ferrita e carbonetos típicos de material temperado e
revenido em elevadas temperaturas vide figura 18.
Figura 18 – Microestrutura do Metal de base da chapa 80HLES
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
A figura 19 a seguir exibe a denominação do grupo do material utilizado no casco do
submarino, segundo a norma FD CR ISSO/TR 15608: August 2000.
Figura 19 – Denominação do grupo de material.
Fonte: Norma FD CR ISO/TR 15608: August 2000
37
4.2 Soldagem
As soldagens utilizadas para a confecção das duas amostras, tanto com o
eletrodo Nacional quanto com o eletrodo Importado utilizaram as mesmas
metodologias exibidas abaixo:
Foi montado o sistema de preaquecimento de acordo com a distribuição
de suas resistências e conforme plano de pontos de controles sobre a
junta;
Após a montagem e conferência de todos os pontos de aquecimento e
controle, o equipamento é ligado e aguardam-se aproximadamente de 2 a
3 horas para chegar a temperatura especificada em EPS para então dar
início a soldagem;
A soldagem só terá inicio mediante a liberação do operador de pré-
aquecimento.
A soldagem da junta foi realizada na posição plana (PA – 1G) o passe de
raiz nr. 1, deve garantir a total fusão do consumível com o material de
base. Em seguida foram feitas mais duas camadas com quatro passes e
após esse procedimento, foi preenchido o primeiro lado, com isso é
possível evitar o empenamento, conforme mostra a figura 20 abaixo.
Após a finalização da primeira fase, na posição (PA – 1G), é necessário
virar a amostra e realizar a operação de goivagem e esmerilhamento, cujo
objetivo é remover possíveis defeitos do lado do primeiro passe de raiz;
Durante a soldagem é permitido no máximo a oscilação 2,5 vezes o
diâmetro da alma do eletrodo;
O início de cada abertura de arco como o eletrodo, deve-se acontecer em
um espaço à frente do final do passe anterior, sendo sua cratera o início
deste novo passe lembrando que a escória remanescente no final de
cada passe deve ser removida para evitar inclusão de escória;
Todos os cordões de solda, realizados, suas alturas devem ser medidas,
para o cálculo de seus aportes térmicos (“Heat Input”) onde são retirados
na 3 camada do passe 4 do lado PA – 1G e na 7 camada do passe nr.8,
lado PE – 4G;
38
Em seguida a soldagem é refeita pelo lado da posição sobre cabeça (PE
– 4G) com a deposição de mais 4 camadas;
Os demais passes devem seguir a sequência conforme EPS como mostra
a seguir na tabela 12, para realizar o balanço térmico entre passes,
evitando assim o empenamento da junta;
É obrigatória a limpeza entre passes;
Todos os cordões devem respeitar a temperatura de interpasse da EPS;
Nunca um passe deverá ser realizado sem a liberação do operador de
preaquecimento, pois a temperatura pode não ter alcançado o valor
especificado na EPS e caso isso ocorra o passe deverá ser removido;
Após a finalização de todos os passes dará inicio ao processo de pós-
aquecimento de 5 horas para a retirada do hidrogênio.
Figura 20 - Distribuição dos cordões e passes nas posições (PA/1G) e (PE/4G).
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
39
4.2.1 Solda com metal de adição – eletrodo importado
O consumível empregado na soldagem foi eletrodo revestido diâmetro 3,2 mm
por 450 mm de comprimento, classificação simbolizada conforme EN757, E69 4
Mn2NiCrMo B 32 H3 e AWS E 11018-G SFA A5. 5/A5 5M 2006, nome comercial SAF
DRY ND 80 DCN (Air Liquide – fabricação Francesa) Eletrodo básico, lembrando que
a identificação H3 significa, que é de baixo hidrogênio 3 ml/100g, possui revestimento
de pó de ferro e silicato de potássio e deve ser usado com corrente contínua e
polaridade inversa (eletrodo positivo).
Máxima Resistência Mecânica e Alta Tenacidade à baixa temperatura, para a
soldagem dos Aços de Granulação Fina de elevadas propriedades e é possível atingir
limites de escoamento entre 780 a 980 Mpa.
Resistente à corrosão e à fissuração é recomendado para a soldagem de Aços
de Construção Mecânica, Naval e Civil, sujeitos a grandes esforços a baixas
temperaturas. Soldável em todas as posições.
Este eletrodo, após a sua fabricação é embalado a vácuo e tem sua vida útil
ilimitada, desde que o vácuo não seja violado, caso isso ocorra o mesmo deve ser
descartado. Após a sua abertura para o uso, ele possui um tempo de cinco horas para
o consumo, após este período, o mesmo deverá ser descartado.
O uso de estufas é proibido pelo fabricante para o tipo de eletrodo embalado a
vácuo, a tabela 9 mostra a composição química do eletrodo importado com seus
respectivos teores.
Tabela 9 – Comparativo do eletrodo E 11018G (% em peso) por fabricante
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
40
4.2.2 Solda com metal de adição – eletrodo Nacional
O consumível empregado na soldagem foi eletrodo revestido diâmetro 3,2 mm
por 350 mm de comprimento, classificação simbolizada conforme ASW E11018G –
SFA A5. 5/A5 5M 2006, nome comercial NCSW110 (NICROSOL IND. E COM DE
SOLDAS ESPECIAIS – fabricação Nacional), lote 2013-140618, Eletrodo básico, ,
possui revestimento de pó de ferro e silicato de potássio e deve ser usado com
corrente contínua e polaridade inversa (eletrodo positivo).
Possui altíssima Resistência Mecânica e Alta Tenacidade à baixas temperaturas
(< 40°C), refinada estrutura metalúrgica. O depósito é ligado ao Níquel com adições
de Cromo e Molibdênio que homogeneamente se distribuem.
Podendo ser para aplicações multipasses, apresenta elevada resistência à
trincas garantida pelo baixo teor de hidrogênio 4 ml/100g para a soldagem dos Aços
de Granulação Fina de elevadas propriedades e é possível atingir limites de
escoamento entre 780 a 820 Mpa. Resistente à corrosão e à fissuração,
recomendado para a soldagem de Aços de Construção Mecânica, Naval e Civil,
sujeitos a grandes esforços a baixas temperaturas.
Soldável em todas as posições exceto na posição vertical descendente
[Fabricante Nicrosol].
Este eletrodo é fornecido em caixas de 4 x 5kg, não é embalado a vácuo e
segundo a instrução técnica NICROSOL IT-003 Rev1-16 informa que se o mesmo
estiver com a embalagem aberta deverá ser acondicionado em estufa a 325°C +/-
20°C por 1,5+0,5 horas.
Os eletrodos quando sair da estufa de manutenção deverá ir para o local de
trabalho acondicionado em estufas portáteis tipo (“cochicho”) que deverá permanecer
com temperatura entre 60°C a 150°C para evitar contaminação pela umidade.
Não foram encontradas informações com o fabricante restringindo o tempo de
horas com a embalagem aberta.
A tabela 10 mostra a composição química do eletrodo nacional com seus
respectivos teores.
Tabela 10 – Comparativo do eletrodo E 11018G (% em peso) por fabricante
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
41
Na figura 21 mostra o detalhe do corte realizado em usinagem em forma de“X” e
suas respectivas posições de soldagens na posição plana representada pelas letras
PA/1G e na posição sobre cabeça representada pelas letras PE/4G, bem como a
distribuição dos passes.
Figura 21 – Distribuição das camadas posição PA e PE.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Na tabela 11, mostra especificação técnica da fonte de energia para soldagem a
arco (máquina de solda) utilizada na soldagem das amostras.
Equipamento de soldagem utilizado:
Fabricante: Fronius – Áustria
Modelo: Tranpocket 2500
42
Utilizada fonte de soldagem tipo inversor, operando no modo corrente constante,
para o processo SMAW sendo um aparelho de soldagem comandado totalmente
digital com 250 e 350 Ampères e curva característica ideal providencia um arco
voltaico estável;
O resultado é sempre uma curva característica perfeita e constante. E as melhores características de soldagem assim como a segurança máxima no processo.
Tabela 11 - Especificações técnicas da máquina de solda.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO EQUIPAMENTO DE SOLDA FABRICANTE FRONIUS - AUSTRIA
Tensão de rede - Trifásica 3 x 380 - 460V +/- 10% 50/60 Hz
Corrente de soldagem 10 - 350 Ampère
Tensão de circuito aberto 88 Volts
Tensão de trabalho 20,4 - 30 Volts
Potencia primária (100%) 7,1 kVA
Fonte: Fronius – Áustria 2017
43
A tabela 12 exibem a seguir informações sobre do processo e parâmetros
empregado, distribuição de passes, parâmetros de soldagem, retirados da EPS
(WPS), para realização dos corpos de provas.
Para a confecção das duas juntas de testes. Foram utilizadas; 7 embalagens
com 22 eletrodos (Importado) cada totalizando 144 eletrodos para a junta soldada nr.1
e 9 embalagens contento 25 eletrodos (Nacional) cada, totalizando 225 eletrodos,
para a junta soldada nr. 2, a diferença se dá devido as dimensões do consumível
importado ser maior em 100 mm que o Nacional.
Tabela 12 - Parâmetros de soldagem junta de topo.
INFORMAÇÕES DOS PASSES E CAMADAS
Numero do passe 1 2 3
Numero da camada 1 e 5 2 a 6 3 e 5, 6 a 17
PROCESSO DE SOLDAGEM
PROCESSO 111 111 111
TIPO M M M
POSIÇÃO (JUNTA DE TOPO – BW) PA/PE PA/PE PA/PE
METAL DE ADIÇÃO
FABRICANTE CONSUMIVEL IMPORTADO
SAFDRY ND80 DCN E69
SAFDRY ND80 DCN E69
SAFDRY ND80 DCN E69
FABRICANTE CONSUMIVEL NACIONAL
NICROSOL NCSW110G
NCSW110G NCSW110G
DIAMETRO (mm) 3,2 3,2 3,2
REVESTIMENTO BASICO BASICO BASICO
PARAMETROS SOLDAGEM
POLARIDADE ELETRODO C + C + C +
MEDIA DE CORRENTE (A) 90 A 120 115 A 170 115 A 170
APORTE TERMICO (J/cm) >= 17000 23000 ± 6000 20000 ±3000
POS/PREAQUECIMENTO
TEMP. PREAQUECIMENTO °C 70 - 0 +40 70 - 0 +40 70 - 0 +40
TEMP. INTERPASSE °C 70 - 0 +55 70 - 0 +55 70 - 0 +55
TEMP. PÓS AQUEC. °C 70 - 0 + 100
TEMPO DE PÓS AQUEC. Horas 5
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
44
4.3 Macrografia
Após o corte com serra, as superfícies foram retrabalhadas em uma fresadora
universal, em seguida suas superfícies foram preparadas com folha de lixa d’agua de
grãos 120, 240, 280, 600,800 e 1200 para polimentos.
A amostra recebeu o polimento, que foi realizado com um disco giratório de
feltro, onde o qual foi aplicado pasta de diamante para em seguida receber o ataque
químico, Nital 5%.
No exame macrográfico foi possível observar e registrar a disposição dos passes
nos chanfros identificar visualmente as zonas Metal de Base, ZTA e MS, tendo como
critério de aceitação a ausência de defeitos de soldagem.
A figura 22, a seguir mostra duas Macrografias obtidas da região dos cordões de
solda junta em duplo “V” ou “X” da amostra 1, eletrodo importado e amostra 2 eletrodo
nacional.
Figura 22 - Macrografia da região do cordão de solda
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
45
4.4 Micrografia
Técnica de ensaio micrográfico corrente foi dividida nas seguintes fases:
Na escolha e localização da secção a ser estudada;
Realização de uma superfície plana e polida no lugar escolhido;
Exame ao microscópio para a observação das ocorrências visíveis sem
ataque;
Ataque da superfície por um reagente químico adequado;
Exame ao microscópio para a observação da textura;
Obtenção de documentos que reproduzam e conservem o aspecto
observado (fotografias) [25].
Na análise micrografia foi utilizado microscópio óptico, aumento de 500 x, onde
se pôde observar as fases presentes e identificar os constituintes da zona da
transição do metal de base (MB) para a ZTA fundida, tanto na raiz da solda quanto no
enchimento e acabamento.
As microestruturas de todas as etapas de solda foram analisadas, após ataque
químico Nital 5%, conforme a Identificação microestrutural mostrado na figura 23 e
suas correlações entre as transições das zonas de soldagem MB – ZTA – MS - ZTA-
MB.
Figura 23 - Transições das Zonas MB-ZTA-MS-ZTA-MB
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
46
4.5 Ensaios Mecânicos
4.5.1 Ensaios não destrutivos
A Norma NF EN 287-1 especifica os ensaios destrutíveis e não destrutíveis.
Após a soldagem, devem ser realizados ensaios de inspeção visual (IV), líquido
penetrante (LP) e partícula magnética (PM), cuja finalidade foi verificar
descontinuidades superficiais e o aspecto da junta soldada, após o período de 72
horas foram realizados os ensaios volumétricos de gamagrafia ou radiografia (RX) e
ultrassom (US).
Após o término da soldagem, a junta foi inspecionada conforme norma EN 287-
1, através de:
Controle Visual - Norma EN 970
Controle por Partícula Magnética método Yoke - Norma EN 1290
Controle por Radiografia - Norma ISO 1106-1 para juntas de topo com
espessuras inferiores a 50 mm;
Controle por Ultrassom - Norma NF EN 583-1 Parte 1 – princípios gerais;
Controle por Ultrassom - Norma NF EN 1714 Inspeção de juntas soldadas;
4.5.2 Ensaios destrutivos
A figura 24 a seguir mostra a distribuição dos corpos de provas para os ensaios,
a chapa indica as formas, posições e a localização da posição de descarte e qual a
direção que a solda foi realizada, a fim de facilitar para o operador, o local correto
para a execução do corte e bem como suas usinagens e ensaios não destrutivos.
Após a preparação dos corpos de provas, foram iniciados os Ensaios de
Impacto Charpy na região da ZTA, ensaio de Impacto de Charpy na região do centro
da solda MS, macrografia, Dureza e tração longitudinal na região da fusão do metal
de solda, tração transversal e dobramento lateral.
47
Figura 24 exibe a distribuição dos corpos de provas para os ensaios, a chapa
indica as formas, posições para a retirada dos corpos de provas com as suas
respectivas nomenclaturas.
Figura 24 – Layout das amostras para confecção dos corpos de prova.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
A tabela 13 a seguir, exibe a metodologia dos ensaios realizados no
laboratório, mostrando as formas definidas de cada corpo de provas, pois facilita na
forma fixar os corpos de provas nos dispositivos de cada equipamento que foi
utilizado para fazer os testes bem como suas quantidades.
Tabela 13- Preparação dos Corpos de prova.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
48
4.5.3 Ensaio de tração
O ensaio consiste em solicitar o corpo-de-prova com esforço de tração,
geralmente até a ruptura, com o propósito de se determinar uma ou mais
propriedades mecânicas. Foi realizado à temperatura ambiente, entre 10°C e 35°C,
ensaios sob condições controladas, também poderiam ser executados à temperatura
de 23°C ± 5°. Para o ensaio de tração longitudinal, foram confeccionados dois corpos
de provas retirados no sentido do cordão de solda (MS), como mostrado na figura 24
e na tabela 13, sendo um para consumível Nacional e um corpo de prova na mesma
situação para o consumível importado, seguindo os requisitos da Norma ASTM A 370
– 03 a e ISO 6892-1:2009 (E) corpo de prova modelo 1, vide figura 25.
Figura 25 mostra a localização da retirada do corpo de prova do centro do
cordão de solda para a realização do ensaio de tração longitudinal.
Figura 25 - Geometria do corpo de prova cilíndrico - tração longitudinal (MS).
Fonte: Norma ASTM A370-03 a./ ISO 6892-1:2009.
49
Para o ensaio de tração transversal, como mostrado na figura 24 e na tabela 13,
foram confeccionados quatro corpos de provas para o consumível Nacional e quatro
corpos de provas na mesma situação para o consumível importado, seguindo os
requisitos da Norma ASTM A 370 – 03 a e ISO 6892-1:2009 (E) figura 26.
Figura 26 - Geometria retangular do corpo de prova - tração transversal.
Fonte: Norma ASTM A 370 – 03 a e ISO 6892-1:2009 (E).
50
4.5.4 Ensaio de dobramento
O ensaio de dobramento tem como objetivo aplicar uma determinada carga em
um sobre um corpo de provas a uma deformação plástica for flexão.
O corpo de provas foi colocado sobre dois pontos de apoio e afastado a uma
distancia conhecida, conforme figura 27 a seguir, recebeu uma carga especifica
através de um cutelo de diâmetro de 40 mm, onde foi aplicado um esforço de flexão
no centro do corpo de provas, até que o mesmo atinja um ângulo de dobramento de
180°C, de acordo com o procedimento de teste.
O ensaio por dobramento é um meio simples e também utilizado para detectar
problemas metalúrgicos e detectar defeitos nas soldas.
O método utilizado para a aprovação do ensaio é o visual, todavia não são
permitidas trincas ou descontinuidades acima de um valor determinado pela norma.
Caso apresentar defeitos ou romper antes do raio (ângulo) o teste está
reprovado e a amostra deverá ser refeita.
Figura 27 – Equipamento utilizado para a realização dos testes de dobramento.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
51
O teste de dobramento transversal (SBB) em junta de topo, soldados por ambos
os lados, visa comparar os resultados dos corpos de provas em diferentes juntas
soldadas, pois são dois eletrodos de diferentes fabricantes e devem seguir as
especificações dimensionais conforme norma EN 910, para soldas em duplo “V” ou
“X” a temperatura para a realização deve ser ambiente de (23 +/- 5)°C. Caso
apresentar defeitos ou romper antes do raio (ângulo) o teste está reprovado e a
amostra deverá ser refeita
A figura 28 mostra a sequência do teste de dobramento exibindo a simbologia
das letras utilizadas.
Simbologia das letras:
a = espessura do corpo de provas;
b = largura do corpo de provas;
Ls = largura máxima da solda depois da usinagem;
Lt = comprimento total do corpo de provas;
L = Distância entre apoios;
d = Diâmetro do cutelo;
α = Ângulo de dobramento.
Figura 28 - Posicionamento do corpo de prova para dobramento.
Fonte: Norma EN 910.
52
Figura 29, a seguir mostra os CP’s para dobramento com Eletrodo Importado e
Nacional antes do dobramento lateral.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
CP’s para dobramento com Eletrodo Nacional
Figura 29 - Corpos de provas para ensaio de dobramento.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
53
4.5.5 Ensaio de dureza
Como um ensaio mais no âmbito comparativo das propriedades mecânicas do
que como na especificação do material, este ensaio o mais importante analisado
foram são as propriedades mecânicas relacionadas a soldagem do cordão de solda,
mais especificamente verificar se houve pontos onde a dureza elevou de forma
desproporcional e suas interações com os tratamentos térmicos de pré e pós
soldagem. O ensaio de dureza aconteceu ao longo de todas as fases ocorrentes da
solda de acordo com o explicado abaixo [25].
Ensaio de microdureza Vickers ocorreu com aplicação de carga de 10 kgf e
realizado de acordo com a seguinte distribuição: 18 medições para o metal base
(MB), 18 medições para a zona termicamente afetada (ZTA) e 18 medições para a
zona fundida (ZF).
As medições foram divididas em três linhas de eixo 1,2 e 3 feitas a cerca de 2,0
mm da superfície inferior e superior da junta soldada e em uma linha traçada no meio
da amostra. O objetivo desse ensaio foi verificar a existência de pontos com dureza
elevada nos eixos já mencionados como mostrado na figura 30.
As amostras foram retiradas das juntas soldadas com o eletrodo revestido E69
(CP1) (importado) e E10018G (Nacional) (CP2) conforme mostrado na figura 30.
Figura 30 - Pontos para medição de micro dureza Vickers.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
54
4.5.6 Ensaio de Impacto Charpy
É O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por
uma amostra do material, quando submetida à ação de um esforço de choque de
valor conforme certificado do fabricante.
Abaixo seguem detalhes de fixação das amostras, bem como suas dimensões e
geometrias, o local especifico da posição do corpo de provas na região do Metal de
Solda (MS) e a ZTA, de acordo com a NF EN 10045-1 (10 mm x 10 mm x 55 mm),
conforme exposto na figura 31 abaixo.
Figura 31 – Localização dos corpos de provas MS e ZTA
Fonte: Desenhos conforme Norma EN 100045
55
O equipamento utilizado para a realização dos ensaios de impacto Charpy
conforme mostrado na figura 32, foi uma Máquina de Impacto pendular fabricante
Panambra MCH-001 (PT) certificado número 3903.15, Software “Winimpact” validade
maio 2018, com capacidade de 0 a 300 J, o ensaio foi realizado a temperatura
ambiente 22ºC.
Figura 32 - Máquina de ensaio de impacto.
A figura 33 a seguir, exibe o recipiente com temperatura controlada, destinado
para o banho de imersão a -20 °C, onde os corpos de provas dos Eletrodos Nacional
e Importado são imersos e aguardam até que a temperatura alcance os valores pré-
estabelecidos e em seguida são retirados e submetidos ao teste de impacto.
Figura 33 - Resfriamento em banho de imersão (-20ºC) para ensaio de impacto.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
56
Foram realizados 6 ensaios de impacto Charpy, sendo 3 no metal de solda (MS)
e 3 na Zona Termicamente Afetada (ZTA) de cada peça teste (consumível Nacional)
para as amostras com o consumível importado foram realizados da mesma maneira,
conforme disposição dos CP’s mostrados na figura 34, antes do ensaio.
Figura 34 - Geometria do corpo de prova para ensaio de impacto Charpy.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Os corpos de prova exibidos na figura 34 acima, foram submetidos ao banho em
imersão em álcool etílico a uma temperatura de -20ºC num recipiente isotérmico vide
figura 33.
A refrigeração do banho ocorreu através de circulação do liquido refrigerante e
foi realizada através de banho criostático selado, configuração do próprio
equipamento.
Com os corpos de provas imersos, este banho foi controlado por 15 minutos até
a completa homogeneização da temperatura no aço.
Em seguida, em frações de segundos o corpo de provas foi retirado, desse
recipiente e o pendulo foi acionado e os corpos de prova foram imediatamente
rompidos.
57
O objetivo do ensaio Charpy é determinar a energia absorvida e porcentagem
de dutilidade do material, a análise é foi realizada por comparação do resultado do
ensaio e em seguida realizada por análise visual de como ocorreu a fratura, ou seja,
olha-se a fratura no corpo de prova e a compara com sua respectiva aparência com
uma tabela encontrada na Norma ASTM E23 – 02A, que indica o quanto foi a fratura
se dúctil ou frágil.
O cisalhamento da região de fratura dúctil sobre superfície da fratura inclui a
região que indica o inicio da fratura, sendo representado por dois lábios de corte e a
região da fratura final.
A região indicada pela fratura plana ou radial é uma região de crescimento de
fissuras instável e é menos dúctil conforme mostrado nas figuras 35 e 36.
Figura 35 - Aspecto da região do corpo de prova após ensaio de impacto.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Figura 36 - Fotos comparativas do aspecto da fratura dúctil / frágil.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
58
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Análise química
Análise química obtida do eletrodo revestido (importado) SAFDRY ND 80 DCN
e do eletrodo (nacional) NCSW 110G estão exibidas na tabela 14, com base nos
valores percentuais dos elementos de ligas de acordo com os certificados dos
fabricantes.
Tabela 14- Análise química dos consumíveis Nacional e Importado.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Verifica-se que a composição química do metal de solda utilizada pelo fabricante
Air liquide, obtido com o eletrodo revestido SAFDRY ND 80 DCN (Importado) está
dentro dos percentuais especificados; no caso do metal de solda obtido com o
eletrodo NCSW 110G, o percentual de carbono encontra-se pouco acima do limite do
especificado.
Outro fator importante que o teor de Manganês do fabricante Nicrosol está com
valor do limite abaixo do especificado.
59
Outra comparação esta relacionada com a adição do elemento Cu, o fabricante
Air Liquide manteve o seu teor do elemento cobre menor que o fabricante Nicrosol, já
o mesmo utiliza mais porcentagem do deste elemento um pouco a mais o que ajuda a
aumentar a resistência à corrosão, promove o aumento do limite de escoamento por
sua precipitação na matriz.
Sem o cobre, tal efeito é mais acentuado pelo aumento simultâneo de fósforo
(CHIAVERINI, 2005) os demais valores estão dentro, dentro da faixa especificada
para cada um desses elementos.
5.2 Macrografias CP 1(importado) e CP 2. (Nacional)
O resultado da avaliação macrografica transversal, realizada na amostra 1
(consumível importado) apresenta todos os cordões/passes foram distribuídos de
maneira homogênea, não foi encontrada nenhuma descontinuidade, como falta de
fusão, inclusão de escória e etc., conforme mostrado na figura 37 abaixo.
A região do chanfro apresenta fusão completa em toda área, os locais mais
claros definem bem o Metal de Base (MB), a parte mais escura a define a Zona
Termicamente Afetada (ZTA) e a parte menos escura define o Metal de Solda (MS).
A amostra foi examinada com aumento de 10 vezes, não foram encontrados
nenhuma descontinuidade na região do metal depositado.
O Laudo apresenta resultado onde a amostra esta isenta de indicações,
atendendo aos requisitos da norma NF EN ISO 6520-1:2007 conforme mostrado na
figura 36.
60
Análise realizada na amostra exibe que a mesma se encontra esta isenta de
indicações.
Figura 37 - Foto do CP 1 consumível importado.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
O resultado da avaliação macrografica transversal, realizada no corpo de prova
2 (consumível Nacional) apresenta todos os cordões/passes, foram distribuídos de
maneira homogênea, não foram encontradas nenhuma descontinuidade, como falta
de fusão, inclusão de escoria e etc.
Houve fusão completa em toda área do chanfro em “X” a região mais clara
define bem o Metal de Base (MB), a parte mais escura a Zona Termicamente Afetada
(ZTA) e a parte menos escura o Metal de Solda (MS).
A amostra foi examinada com aumento de 60 vezes não foi detectado nenhuma
descontinuidade no metal depositado.
61
O Laudo apresenta resultado onde a amostra esta isenta de indicações, atendendo
aos requisitos da norma NF EN ISO 6520-1:2007, conforme mostrado na figura 36.
Figura 38 - Foto do CP 2 consumível Nacional
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
5.3 Ensaios Não Destrutivos dos CP1 Importado e CP2 Nacional.
A boa prática da realização da soldagem recomenda que ao final de cada
cordão/passe o soldador deve efetuar a limpeza, verificar o aspecto do cordão
depositado, medir profundidade de deposito, verificar se há mordedura, evitar
descontinuidades como inclusão de escória e corrigi-las afim de quando a soldagem
62
estiver terminada, o soldador fará a sua inspeção visual e passará a encarregado que
também fara a sua inspeção visual.
Só então quando o departamento de Qualidade realizar e constatar que o exame
visual esta conforme o critério de aceitação, que será liberado para os demais ensaios
não destrutíveis tal como líquido penetrante (LP), partícula magnética (PM), ensaio de
gamagrafia, ou (RX) e Ultrassom (US).
Os dois corpos de provas 1 e 2 soldados, formam submetidos aos testes de
Visual, LP, PM, RX e Ultrassom e não apresentaram nenhuma descontinuidade, tais
como trincas, falta de fusão, deposição insuficiente, mordedura, inclusão de escória
ou poros mostrado na figura 38.
Figura 39 – Ensaio Visual, líquido penetrante, Partícula Magnética e RX, .
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
63
5.4 Gamagrafia, RX e US para os dois CP’s 1 e 2.
Não foram encontrados nenhuma descontinuidade nos filmes dos dois corpos
de provas 1 e 2 que foram submetidos aos ensaios, atendendo aos requisitos da
norma NF EN ISO 6520-1:2007.
5.5 Micrografia
As figuras 39 e 40 mostram as micrografias realizadas através de microscópico
ótico do corpo de prova 1 (consumível importado) e corpo de prova 2 consumível
Nacional. Em ambas analises as duas estruturas metalúrgicas se mantiveram com as
mesmas configurações e transições devido ao tratamento de pré e pós-aquecimento
empregado durante a fase de soldagem.
O agrupamento dos grãos de Ferrita primaria, revelou a estrutura antes da
transformação de fase, que era composta por grãos grosseiros de austenita com
morfologia colunar, cujo crescimento epitaxial manteve orientação muito próxima à
normal da linha de fusão.
Figura 40 - Micrografia da região MB aumento de 500x, Estrutura Ferrita primária
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
64
Na análise realizada ZTA, as estruturas de ambos os corpos de provas (1 e 2),
mostram uma estrutura (AF) Ferrita mais a formação de grãos finos que foram
austenitizados e transformaram em (Bainita) no resfriamento. Segundo Hoekstra.
[26,27 e 28], os elementos de liga que proporcionam a formação de (AF), são
considerados benéficos à tenacidade e, portanto, desejáveis no metal de solda.
CORPO DE PROVA 1 CORPO DE PROVA 1
ZTA DA SOLDA 500X - PARCIALMENTE
TRANSFORMADA EM GRÃOS FINOS E EM
SEGUIDA EM FERRITA
ZTA DA SOLDA 500X – PARCIALMENTE
TRANSFORMADA EM GRÃOS FINOS E EM
SEGUIDA EM FERRITA
Figura 41 - Micrografia da região ZTA aumento de 500x, Estrutura de Ferrita
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Conforme mostrado na figura 40 região zona fundida do metal de solda (MS),
as microestruturas analisadas mostram que ambas contém Ferrita acicular (AF)
circundada com grãos de ferrita primária de contorno de grão (PF(G)), ferrita com
segunda fase alinhada – FS(A), também foi identificado [29]
Os elementos de liga, no caso o Mn e o Ni, presentes no eletrodo, são
formadores e estabilizadores deste microconstituinte. Adições de cromo favorecem a
formação de AF em detrimento da FP(G) e, de acordo com Surian [30], isso é
verdadeiro para toda faixa por ele estudada, o que contradiz o trabalho de Evans
[apud 40], que estudou o comportamento do Cr em metais de solda C-Mn, verificando
que inicialmente o Cr aumenta a quantidade de AF e acima de cerca de 1% favorece
a formação de FS.
Surian [30] credita essa diferença de comportamento ao efeito conjunto do Ni e
Mo, uma vez que estes são refinadores da microestrutura e formadores de FA.
65
A presença predominante de AF no MS, representa um bom resultado nas
propriedades mecânicas do cordão de solda pois a AF é considerado o melhor
constituinte para garantir o aumento da relação entre resistência da tenacidade do
MS, metal de solda.
CORPO DE PROVA 1 – ELETRODO IMPORTADO
CORPO DE PROVA 2 – ELETRODO NACIONAL
SOLDA 500X – FERRITA ACIRCULAR (AF), FERRITA POLIGONAL (FP), FERRITA SEGUNDA FASE ALINHADA FS(A). FERRITA COM CARBONETO (FC).
SOLDA 500X – FERRITA ACIRCULAR (AF), FERRITA POLIGONAL (FP), FERRITA SEGUNDA FASE ALINHADA FS(A). FERRITA COM CARBONETO (FC)
Figura 42 - Micrografia da região MS - aumento de 500 X.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
5.6 Ensaios de transversal de tração – Eletrodo Nacional
Conforme visto nas figuras 24 e 25, foram retirados dois corpos de provas para
ensaio sendo, um para o eletrodo importado e o outro Nacional.
Os resultados mostram de uma forma comparativa que ensaios dos corpos de
prova tiveram o comportamento do material dentro do desejável.
O rompimento no MB, mostram que os valores indicados por ambos os
fabricantes dos consumíveis estão entre 780 a 820 MPa, os valores encontrados
variam entre 780 a 819,55 MPa, apresentando um aspecto dúctil, fratura nos corpos
de provas em forma de “taça e cone”.
66
Os requisitos de aceitação dos limites de escoamento (LE) e limite de ruptura (LR)
estão dentro da faixa de valores especificados para os consumíveis ensaiados,
conforme mostrados na tabela 15 e gráfico 1 a seguir.
Tabela 15- Resultados de tração transversal para o eletrodo Nacional.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
.
Gráfico 1 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Nacional
67
As figuras 41 e 42 mostram os comportamentos dos CP’s rompidos no ensaio de
tração transversal, cujo rompimento resulta em uma falha dúctil sob tensão de tração
envolvendo três etapas:
Primeiro lugar, o corpo de prova estrangula-se, formando-se cavidades na região
estrangulada;
Segundo lugar, uma cavidade torna-se eventualmente o suficientemente grande
para alargar-se e estender-se rapidamente na secção transversal e,
Terceiro lugar, a fratura originada espalha-se na superfície seguindo uma
direção inclinada de 45° em relação ao eixo de tração.
O resultado é a chamada fratura em “taça e cone” como mostra a figura 41 e
figura 42.
Figura 43 – Corpo de provas com rompimento forma “taça e cone”.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
68
No perfil abaixo exibe a forma Ensaio de tração transversal, cujo o rompimento
resulta em uma falha dúctil, aspecto fosco.
Figura 44 – Resultados do ensaio de tração transversal – fratura Dúctil
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
4.7 Ensaio de transversal de tração – Eletrodo Importado
Conforme figura 9 foram retirados dois corpos de provas para ensaio sendo, um
para o eletrodo importado e o outro Nacional.
Os resultados mostram de uma forma comparativa que ensaios dos corpos de
prova tiveram o comportamento do material dentro do desejável.
O rompimento no MB, mostram que os valores indicados pelos fabricantes estão
entre 780 a 980 MPa, os valores encontrados variam entre 780 a 812,05 MPa,
exibindo um aspecto dúctil, fratura nos corpos de provas em forma de “taça e cone”.
Os requisitos de aceitação dos limites de escoamento (LE) e limite de ruptura
(LR) estão dentro da faixa de valores especificados para os consumíveis ensaiados.
69
Tabela 16 - Resultados de tração transversal para o eletrodo Importado.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Gráfico 2 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Importado
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
70
As figuras 43 e 44 mostram os comportamentos dos CP’s rompidos no ensaio de
tração transversal, cujo o rompimento resulta em uma falha dúctil sob tensão de
tração envolvendo três etapas:
Primeiro lugar, o corpo de prova estrangula-se, formando-se cavidades na região
estrangulada;
Segundo lugar, uma cavidade torna-se eventualmente o suficientemente grande
para alargar-se e estender-se rapidamente na secção transversal e,
Terceiro lugar, a fratura originada espalha-se na superfície seguindo uma
direção inclinada de 45° em relação ao eixo de tração.
O resultado é a chamada fratura em “taça e cone” como mostra a figura 43 e
figura 44.
Figura 45 – Corpo de provas com rompimento forma taça-cone.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
71
No perfil, abaixo na figura 45, exibe a forma Ensaio de tração transversal, cujo o
rompimento resulta em uma falha dúctil, aspecto fosco.
Figura 46 – Resultados do ensaio de tração transversal – fratura Dúctil
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
5.7 Ensaios de tração Longitudinal – Importado
O teste apresentou resultados satisfatórios, indicando que, de acordo com
aspecto da forma da fratura ser “taça e cone”, ruptura dúctil, pois sua seção resistente
se reduz por forças de deformação plásticas causadas pelo escorregamento dos
planos cristalinos em virtude das tensões de cisalhamento. Comparando os valores
informados pelos fabricantes entre 780 a 960 MPa, os resultados encontrados,
mantiveram dentro da faixa requerida.
A variação do LE no MS para o eletrodo Importado foi de 895,40 MPa,
permanecendo, ambos dentro dos limites informados pelos fabricantes entre 780 e
960 MPa
Tabela 17- Resultados de tração longitudinal para o eletrodo Importado.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
72
O gráfico 3, mostra que o resultado de tração longitudinal realizado no MS,
atingiu seu limite máximo de resistência e em seguida se rompe.
Gráfico 3 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Importado
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
A figura 45 apresenta o rompimento do CP no MS, zona de cisalhamento,
inclinada de aproximadamente 45° em relação ao eixo de tração, corresponde à
região onde há um alivío da triaxialidade das tensões e há um escorregamento dos
planos cristalinos devido às tensões de cisalhamento. fratura aspecto “taça e cone”.
Figura 47 - Fratura após ensaio de tração longitudinal no MS
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
73
5.8 Ensaios de tração Longitudinal – Nacional
A variação do LE no MS para o eletrodo Nacional foi de 823,91 MPa,
permanecendo, ambos dentro dos limites estabelecidos entre 780 e 960 MPa.
A tabela 17 mostra o resultado do ensaio de tração longitudinal onde os valores
obtidos estão dentro da faixa informada pelos fabricantes dos consumíveis.
Tabela 18 - Resultados de tração longitudinal para o eletrodo Nacional.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
O gráfico 4, mostra que o resultado de tração longitudinal realizado no MS,
atingiu seu limite máximo de resistência e em seguida se rompe.
Gráfico 4 - Curva Tensão x Deformação - Eletrodo Nacional
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
74
A figura 46 apresenta o rompimento do CP no MS, zona de cisalhamento,
inclinada de aproximadamente 45° em relação ao eixo de tração, corresponde à
região onde há um alivío da triaxialidade das tensões e há um escorregamento dos
planos cristalinos devido às tensões de cisalhamento. fratura aspecto “taça e cone”.
Figura 48 - Fratura após ensaio de tração longitudinal no MS.
Fonte: do autor, 2017.
5.9 Ensaios de dobramento lateral - Eletrodo Nacional
A tabela 18 abaixo apresenta os resultados dos testes de dobramento,
realizados para o consumível utilizado na soldagem das juntas.
Para o eletrodo nacional não foi encontrado durante o dobramento, nenhum tipo
de descontinuidade na região submetida ao esforço conforme mostrado na figura 47.
Apresentou boa ductilidade, compatível com a exigida pelo teste, confirmando
sua solda satisfatória.
Figura 49 - Após ensaio de dobramento lateral.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
75
A tabela 18 abaixo exibe os resultados do ensaio de dobramento lateral onde
não foi encontrada nenhuma descontinuidade ou fissura na região da solda.
Tabela 19 - Resultado ensaio de dobramento eletrodo Nacional.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
5.10 Ensaios de dobramento lateral - Eletrodo Importado
A tabela 19 abaixo apresenta os resultados dos testes de dobramento, realizado
para o consumível utilizado na soldagem das juntas.
Para o eletrodo importado, não foi encontrado durante o dobramento, nenhum
tipo de descontinuidade na região submetida ao esforço conforme mostrado na Figura
48.
Apresentou boa ductilidade, compatível com a exigida pelo teste, confirmando
sua solda satisfatória.
Figura 50 - Após ensaio de dobramento lateral.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
76
A tabela 19 abaixo exibe os resultados do ensaio de dobramento lateral onde
não foi encontrada nenhuma descontinuidade ou fissura na região da solda.
Tabela 20 - Resultado ensaio de dobramento eletrodo Importado.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017
5.11 Ensaio de dureza
Abaixo seguem os resultados obtidos nos ensaios de microdureza Vickers,
mostrados pelas figuras 49 e 50, as amostras foram retiradas das juntas soldadas
com o eletrodo revestido E69 (1) (importado) e E10018G (Nacional) (2).
Figura 51 – Resultado do ensaio de dureza – Eletrodo Importado 1.
77
Figura 52 – Resultado do ensaio de dureza – Eletrodo Nacional 2.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
As figuras 49 e 50 mostram as distribuições de pontos onde foram realizadas
medições lineares, distribuídas de maneira a verificar os valores encontrados no MB,
ZTA e MS dos eletrodos Importado e Nacional.
O metal de Base, composto por grãos grosseiros de austenita com morfologia
colunar, cujo crescimento epitaxial manteve orientação muito próxima à normal da
linha de fusão ZTA.
Apesar dos valores encontrados, nas figuras 49 e 50, estarem na região do MB,
não possui variação significativa por estar próxima a região da ZTA, local este, onde
microestrutura é parcialmente transformada, logo como mostram os resultados, a
tendência é ter valores menores que a região do metal de solda, Vide tabela 20.
5.11.1 - Região do metal de base eletrodo Importado
Tabela 21 - Resultado do ensaio de dureza região Metal de Base.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017
78
5.11.2 Região do metal de base eletrodo nacional
Tabela 20 - Resultado do ensaio de dureza região Metal de Base.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
Como mostrado nas figuras 49 e 50, a ZTA, Região composta por
transformações devido ao aquecimento e mudanças das fases, mostram alguns
valores mais altos na faixa da linha A parte superior do eletrodo nacional,
provavelmente por formação de grãos finos predominância de Ferrita Acicular que
foram austenitizados e transformaram em (Bainita) [31]. No resfriamento mesmo com
variações dos valores encontrados nas microdurezas na ZTA e MS, os ensaios
destrutivos complementares não apresentaram diferenças entre o material importado
e nacional, vide tabela 21.
Tabela 22 - Resultado do ensaio de dureza região ZTA.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
79
O resultado da dureza encontrado na região do MS mostra valores constantes
havendo picos na parte superior e inferior do consumível importado, já vistos nas
figuras 49 e 50, que podem ter sidos originados por teores de elementos de liga, no
caso o Mn e o Ni, presentes no eletrodo [32]. Entretanto, a microestrutura é
constituída de parte em Bainita, o aporte de calor utilizado na soldagem pode ter
contribuído para esta estrutura. Os passes de revenimento podem ter sido realizados
em velocidade um pouco elevada e o seu resfriamento e com isso pode ter ocorrido
de uma forma mais rápida, tornando aquela região com valores acima dos valores do
eletrodo nacional.
Este resultado sugere que, ao longo da execução dos passes de soldagem, a
partir da terceira camada na posição plana, o processo é interrompido, efetua-se a
retirada de parte do primeiro cordão pelo lado oposto da chapa, pelo processo de
goivagem, aplicam-se os ensaios NDT’s e recompõe-se a geometria do chanfro por
esmerilhamento. Em seguida inicia-se o preaquecimento da junta até alcançar a
temperatura de liberação da solda e então se dá início à soldagem pela contra solda
(na posição sobre cabeça). Os valores apresentados na linha C mostram que a
posição sobre cabeça para o soldador é desfavorável é o mesmo não mantem a
mesma velocidade de deposição e isso pode ter contribuído para a variação de
alguns pontos da dureza, consequentemente a taxa de resfriamento manteve mais
rápida e com isso houve uma variação da sua dureza nas regiões de “A” e ”C” vide
tabela 22 abaixo.
5.11.3 Região da MS eletrodo Importado versus Nacional
Tabela 23 - Resultado do ensaio de dureza região MS.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
80
5.12 Ensaio de Impacto Charpy
Os corpos de prova ensaiados na região da ZTA, não se romperam totalmente,
absorveram mais energia (85%), possivelmente devido a presença de ferrita e grãos
finos, em contrapartida, os corpos de prova ensaiados na região do metal de adição
(MS) foram encontrados AF, FC, PF (G) FS (A), praticamente todos se romperam e
absorveram menos energia e assim apresentaram fratura dúctil (50%).
Todos os corpos de provas que foram ensaiados a tiveram valores de energia
absorvida satisfatória dentro do procedimento interno, figura 51 e 52 exibem os
resultados do teste de impacto e comparativo do aspecto da fratura dúctil.
Figura 53 - Resultado do teste de impacto e comparativo ZTA e MS.
Nas tabelas 23 e 24 mostram que os percentuais estão entre 50 a 100% e
indicam que ocorreu a fratura dúctil, valores abaixo de 40% indicam fratura frágil logo,
tiveram valores de energia absorvida satisfatória
Tabela 24 - Resultado do ensaio de impacto eletrodo Importado.
RESULTADOS OBTIDOS NO ENSAIO DE CHARPY - CORPO DE PROVA 1 - ELETRODO IMPORTADO
CORPO DE PROVA
TEMPERATURA DO CP
(°C)
ENERGIA ABSORVIDA Fratura Dúctil
(%) VALORES INDIVIDUAIS (J)
MÉDIA (J)
Centro da Solda (VWT) -20 54
48,67
50
Centro da Solda (VWT) -20 50 50
Centro da Solda (VWT) -20 42 50
Zona Térmica Afetada (VHT) -20 152
167,33
85
Zona Térmica Afetada (VHT) -20 192 85
Zona Térmica Afetada (VHT) -20 158 85
81
CORPO DE PROVA – ELETRODO NACIONAL CORPO DE PROVA – ELETRODO NACIONAL
Figura 54 – Resultado do teste de impacto e comparativo com ZTA e MS.
Fonte: . Adaptado pelo autor, 2017.
Tabela 25 - Resultado do ensaio de impacto eletrodo Nacional
RESULTADOS OBTIDOS NO ENSAIO DE CHARPY - CORPO DE PROVA 2 - ELETRODO NACIONAL
CORPO DE PROVA TEMPERATURA DO CP (°C)
ENERGIA ABSORVIDA Fratura Dúctil
(%) VALORES INDIVIDUAIS (J)
MÉDIA (J)
Centro da Solda (VWT) -20 50
50,27
50
Centro da Solda (VWT) -20 50,4 50
Centro da Solda (VWT) -20 50,4 50
Zona Termicamente Afetada (VHT) -20 206
173,8
85
Zona Termicamente Afetada (VHT) -20 220 85
Zona Termicamente Afetada (VHT) -20 108 85
.
Fonte: Adaptado pelo autor, 2017.
82
6 CONCLUSÃO
As microestruturas identificadas no presente trabalho, através da microscopia
ótica apresentam no metal de solda uma população de ferrita acicular (AF) e a ferrita
com segunda fase (FS), a ferrita primaria de contorno de grão (PF(G)) aparecem em
todas as condições dos corpos de provas analisados devido ao seu aspecto claro e
na forma de veios devido a forma do contorno de grão colunar da austenita prévia,
conferindo a sua forma alongada.
A ferrita poligonal intergranular (PF(I)) apareceu na forma de grãos poligonais
ocorrendo em taxas de resfriamento controlado (lento)
A ferrita (AF) apareceu em todos os corpos de provas analisados, na forma de grãos
finos de ferrita não paralela, separadas por contorno de alto ângulo. A presença
predominante de AF no MS, representa um bom resultado nas propriedades
mecânicas do cordão de solda pois a AF é considerada o melhor constituinte para
garantir o aumento da relação entre resistência da tenacidade do MS, metal de solda.
A microestrutura ferrita com segunda fase (FS(A)) e ferrita de contorno de grão
(PF(G)) são indesejáveis para o metal de solda, pois apresenta baixa resistência a
propagação de trincas.
No ensaio Charpy, região ZTA, presença de AF e grãos finos, representa um
bom constituinte para garantir o aumento da relação entre resistência da tenacidade
do MS, metal de solda, por isso os corpos de provas não romperam, absorvendo a
energia. Já no metal de solda MS, os corpos de provas, romperam devido a
diversidade de FC, PF (G) FS(A), na região do MS fazendo que o mesmo
absorvessem menos energia.
As microestruturas observadas nos cordões de solda feitos com diferentes níveis de
energia de soldagem, mostram que há uma variação pequena nos valores de dureza
na região do metal de solda (MS)zona fundida, constituída por ferrita acicular (AF)
circundada com grãos de ferrita primária de contorno de grão (PF(G)).
As amostras soldadas com o eletrodo nacional foram comparadas com os as
amostras soldadas com o eletrodo importado e pode-se afirmar que apresentam
requisitos suficientes para soldagem seguras, seus resultados são similares, podendo
o mesmo dar inicio a um processo de estudo para nacionalização do consumível.
83
7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS
Como sugestão para trabalhos futuros para a aplicação em soldas no aço 80
HLES segue:
Aprofundar o estudo de substituir o processo por aquecimento (tratamento
térmico) com resistência por sistema por indução com esteiras, já utilizados
na construção naval americana;
Realizar estudos com o uso de processos híbridos como por exemplo arco
submerso + eletrodo revestido, arco submerso + arame tubular; Laser +arco
submerso; Laser + arame tubular e verificar suas propriedades mecânicas e
metalúrgicas.
Realizar um estudo comparativo entre os custos de produção com o processo
de arame tubular para o aço 80 HLES.
Realizar um estudo de nacionalização do consumível utilizado no processo de
arame tubular.
Realizar um estudo de nacionalização do consumível utilizado no processo de
por arco submerso;
Estudar a quantidade de vezes de reutilização do fluxo utilizado no processo
por arco submerso bem como verificar a porcentagem de fluxo novo que deve
ser adicionada, sem que a solda venha perder as suas características
mecânicas e metalúrgicas;
Realizar estudo para implantação de soldas automatizadas (Robôs) na
fabricação de componentes e o próprio casco dos submarinos.
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