CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E MECÂNICA DE...
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
RAISA RODRIGUES
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E MECÂNICA DE CHAPAS FINAS
DE TÂNTALO SOLDADAS VIA TIG
LORENA 2019
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RAISA RODRIGUES
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E MECÂNICA DE CHAPAS FINAS
DE TÂNTALO SOLDADAS VIA TIG
Monografia apresentada à Escola de
Engenharia de Lorena – Universidade de São
Paulo para conclusão de Graduação do curso de
Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Carlos Angelo Nunes
Versão Original
LORENA
2019
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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha catalográfica
Elaborada pela Biblioteca Especializada em Engenharia de Materiais
USP/EEL
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Dedico este trabalho aos meus pais Luiz e Eunice que
todos os dias me deram forças para superar as
dificuldades e persistir no meu sonho. Pois, assim
como disse Isaac Newton: “Se vi mais longe foi por
estar sobre os ombros de gigantes”.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por essa oportunidade e pela minha saúde, por me
dar forças e iluminar o meu caminho durante minha caminhada.
À minha família, meus pais Luiz e Eunice, meu irmão Ramon que possibilitaram
minha chegada até aqui, através do incentivo, educação e amor. Eles são meus exemplos de
determinação e coragem e é por eles que estou aqui hoje. Aos meus avós e tios que
acreditaram em mim, me incentivaram, rezaram por mim e nãо mediram esforços para que
eu chegasse até esta etapa da minha vida.
Ao meu orientador professor Carlos Angelo, por toda a paciência e dedicação ao me
orientar nesse trabalho.
À professora Maria Ismenia, pelo convívio e pela amizade, posso dizer que а minha
formação, inclusive pessoal, não teria sido а mesma sem você.
À empresa Pfaudler pela oportunidade, pelo convívio e ensinamentos que todos me
proporcionaram. Agradeço também a todos que contribuíram de alguma forma para a
realização deste trabalho, em especial, André Boigues, Emílio Gianella, Erick Cruz, Julian
Martineli, Gustavo Martinez, Vandré Ugeda e Gabriel Zanin.
Aos técnicos do Departamento de Engenharia de Materiais, Dainese, Ailton, Sérgio,
e Francisco de Paiva pelo auxílio e pela contribuição dada ao trabalho.
Ao doutorando Bruno Freitas e o mestrando Helder Atassis pelo auxílio para a
realização deste trabalho, estando sempre dispostos a ajudar.
Ao grupo de soldagem por todo o aprendizado e convivência, especialmente ao
doutorando Julio Cesar Lourenço pela amizade e disposição em ensinar sempre.
Aos meus amigos, minha segunda família em Lorena, Lainy Garves, Mariana de
Freitas, Júlia Lima, João Paulo Salomão, à Júlia Fernandes que foi além de veterana, minha
segunda mãe e sempre cuidou de mim e à Karine Macedo que esteve presente na reta final
da graduação sempre me mostrando que eu era capaz de qualquer coisa. À Gabriela Leme
que apesar da distância sempre se fez presente em minha vida.
Ao Centro Acadêmico de Engenharia de Materiais – CAEM e Enactus EEL – USP
pelo crescimento que me proporcionaram e pelas pessoas que conheci e sempre levarei em
meu coração.
À todos os docentes e funcionários da EEL-USP, pela atenção, conhecimentos
compartilhados e ajuda.
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“Eu não sou o que aconteceu comigo, eu sou
o que escolhi me tornar”
Carl Jung
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RESUMO
RODRIGUES, R. Caracterização microestrutural e mecânica de chapas finas de
Tântalo soldadas via TIG. 2019. 53 p. Monografia – Departamento de Engenharia de
Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
Tântalo é um metal refratário e devido a sua excelente resistência à corrosão, que
pode ser comparada com a do vidro é utilizado em praticamente todos os meios aquosos nas
temperaturas normais de processamento, exceto HF. Entretanto a soldagem desse material
deve ser em um ambiente controlado, com uma atmosfera inerte, pois se soldado ao ar o
tântalo reage com o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio em altas temperaturas. A absorção
desses elementos intersticiais durante a reação pode causar uma diminuição da ductilidade
da solda. Portanto, esse trabalho teve como objetivo realizar a soldagem TIG de chapas de
tântalo, comprovando a qualidade dessa solda através de caracterização microestrutural e
mecânica. Foi possível realizar a soldagem deste material, entretanto é necessário a
realização de mais testes. Com o teste de tração foi possível observar que o material rompeu
na ZAC e atribuiu-se esse comportamento a possível ocorrência de elementos endurecedores
nesta área da solda. Pela análise da microestrutura observou-se o aumento do tamanho de
grão da ZAC e ZF em relação ao MB decorrente do aporte térmico da soldagem. No ensaio
de microdureza ocorreu um aumento da dureza na ZF, comportamento que foi atribuído a
possível presença de oxigênio intersticial nessa área. Portanto foi possível aplicar com esse
trabalho diversas técnicas aprendidas durante o curso e apesar de os resultados não serem
satisfatórios foi possível retirar algumas conclusões interessantes e propõe-se a sua
continuação com estudo de alguns aspectos que necessitam de uma análise mais
aprofundada.
Palavras-chave: Tântalo. Soldagem. TIG. Materiais reativos. Atmosfera de argônio.
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ABSTRACT
RODRIGUES, R. Microstructural and mechanical characterization of thin
tantalum sheets TIG welded. 2019. 53 p. Monografia – Departamento de Engenharia de
Materiais, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
Tantalum is a refractory metal and due to its excellent corrosion resistance which can
be compared with that of glass is used in virtually all aqueous media at normal processing
temperatures except HF. However, the welding of this material should be in a controlled
environment, with an inert atmosphere, because if welded to air, tantalum reacts with
oxygen, nitrogen and hydrogen at high temperatures. Absorption of these interstitial
elements during the reaction may cause a decrease in weld ductility. Therefore, this work
aimed to perform TIG welding of tantalum sheets, proving the quality of this weld through
microstructural and mechanical characterization. It was possible to weld this material,
however it is necessary to perform more tests. With the tensile test it was possible to observe
that the material broke in the HAZ and this behavior was attributed to the possible occurrence
of hardening elements in this area of the weld. The microstructure analysis showed an
increase in the grain size of HAZ and FZ in relation to BM due to the thermal input of the
welding. In the microhardness test there was an increase in hardness in the ZF, behavior that
was attributed to the possible presence of interstitial oxygen in this area. Therefore it was
possible to apply with this work several techniques learned during the course and although
the results were not satisfactory it was possible to draw some interesting conclusions and it
is proposed to continue with some aspects that need further analysis.
Keywords: Tantalum. Welding. TIG. Reactive materials. Argon atmosphere.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Micrografia do aço vitrificado, mostrado as diferentes camadas de aço,
esmalte e vidro. Ampliação de 100X – ataque Nital. ............................................................ 1
Figura 2 - Esquema Glasteel® Pfaudler..................................................................... 2
Figura 3 - Exemplo de reator Pfaudler. ...................................................................... 3
Figura 4 - Reator vitrificado Pfaudler. ....................................................................... 3
Figura 5 - Exemplos de reparos (a) luva externa para bocal, confeccionada em PTFE;
(b) luva externa para bocais, confeccionada em tântalo; (c) luva interna-externa para bocais,
confeccionada em tântalo e (d) plug confeccionado em tântalo. ........................................... 4
Figura 6 - Esquema de uma luva interna-externa para bocais instalada. ................... 5
Figura 7 - (a) Condensador de tubo de tântalo com tubo de aço revestido de vidro,
(b) trocador de calor de ziconio de 15.000 ft² ........................................................................ 5
Figura 8 - Diagrama de fases tântalo tungstênio ........................................................ 8
Figura 9 - Micrografias de Tântalo puro. ................................................................... 8
Figura 10 - Gráfico de comparação de resistência à corrosão. .................................. 9
Figura 11 - Esquema ilustrativo do processo de soldagem TIG. ............................. 10
Figura 12 - Esquema simplificado dos equipamentos necessários para processo TIG.
............................................................................................................................................. 11
Figura 13 - Tochas utilizadas no processo de soldagem TIG (a) refrigerada a ar e (b)
refrigerada a água. ................................................................................................................ 13
Figura 14 - Lentes para soldagem TIG. ................................................................... 14
Figura 15 - Eletrodos de Tungstênio ........................................................................ 15
Figura 16 - Esquema dos planos atômicos nos núcleos de contorno de grão (a) sem
impureza e (b) com impureza. ............................................................................................. 18
Figura 17 - Diagrama de energia de sublimação vs. Tamanho atômico calculado de
um modelo de solução ideal. Elementos acima e abaixo da linha tracejada, aumentam e
reduzem a energia de fratura do tântalo respectivamente. ................................................... 19
Figura 18 - ΔE= EGB(impureza)-EGB(limpo), a diferença de energia entre o
contorno de grão com impureza e sem impureza, vs. número do grupo na tabela periódica.
............................................................................................................................................. 20
Figura 19 - Redução da área em função da temperatura para Ta-O, mostrando o
intervalo de endurecimento dinâmico. ................................................................................. 21
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Figura 20 - Redução em área em função da temperatura para as três taxas de
deformação com baixa concentração de oxigênio na liga Ta-O. ......................................... 22
Figura 21 - (a) Característica de falha demonstrando alta ductilidade; (b) Falha
mostrando início da fragilização; (c) Falha típica na faixa de fragilização; (d) Micrografia
mostrando falha em alta temperatura retornando a região dúctil. ........................................ 23
Figura 22 - Exemplo de glove box. .......................................................................... 24
Figura 23 - Croqui com esquema completo para a soldagem. ................................. 25
Figura 24 - (a) Corte da chapa e tubos para a preparação da mesa para a soldagem,
(b) Furação da chapa para passagem de gás inerte para a soldagem, (c) Detalhe da furação
da chapa, (d) detalhe dos pés da mesa preparados. .............................................................. 26
Figura 25 - (a) Mesa para a soldagem montada. ...................................................... 26
Figura 26 – Croqui da cúpula de acrílico (a) Vista isométrica (b) Vista planificada.
............................................................................................................................................. 27
Figura 27 – Desenho para corte da chapa de acrílico por jato d’água. .................... 27
Figura 28 - Acrílico dobrado (a) Vista frontal e (b) Vista lateral. ........................... 28
Figura 29 – (a) Fixação e vedação dos acrílicos e (b) Detalhe dos rebites. ............. 28
Figura 30 - Fixação das luvas, (a) Luva de neoprene e (b) Detalhe da fixação. ...... 29
Figura 31 - (a) Desenho das tampas para furações e (b) Detalhe das tampas. ......... 29
Figura 32 – Máquina de solda, (a) Inserção da tocha de soldagem, (b) Máquina e
cilindro de Argônio utilizados e (c) Detalhe da máquina de solda. ..................................... 30
Figura 33 – Instalação do Argônio (a) Conexão e ligação da mangueira e (b) Ligação
da câmara ao cilindro de Argônio. ....................................................................................... 30
Figura 34 - Esquema do aparato de soldagem do Demar. ....................................... 32
Figura 35 - Detalhe fluxo de argônio no aparato do Demar. ................................... 33
Figura 36 - Dimensões corpo de prova de tração. .................................................... 34
Figura 37 - Corpo de prova durante o ensaio (a) inicio, (b) deformação e (c) ruptura.
............................................................................................................................................. 34
Figura 38 - (a) Prensa isostática Struers utilizada para ebutimento da amostra e (b)
Politriz Arotec utilizada para lixamento e polimento das amostras. .................................... 35
Figura 39 - Microdurômetro Micromet 2004 utilizado para ensaio de dureza. ....... 36
Figura 40 - Soldagem sem atmosfera protetora. ...................................................... 37
Figura 41 - Resultado da primeira soldagem. .......................................................... 37
Figura 42 - Resultado da segunda soldagem. ........................................................... 38
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Figura 43 - Resultado da terceira soldagem, (a) frente (b) parte de trás. ................. 38
Figura 44 - Chapa dobrada manualmente. ............................................................... 38
Figura 45 - Resultados do quarto teste. .................................................................... 39
Figura 46 - Testes de soldagem realizados na chapa de 1,5mm de espessura. ........ 40
Figura 47 - Resultado da soldagem realizada no Demar da chapa de 0,8mm de
espessura. ............................................................................................................................. 40
Figura 48 - Corpos de prova após o ensaio de tração (a) Ta0,8D-1, (b) Ta0,8D-2 e (c)
Ta0,8D-3. ............................................................................................................................. 41
Figura 49 - Superfície de fratura das amostras (a) Ta0,8D-2 e (b) Ta0,8D-3 .......... 42
Figura 50 – Superfície de fratura das amostras (a) Ta0,8D-2 e (b) Ta0,8D-3 ......... 42
Figura 51 – Regiões de fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-2 do lado
com a solda. ......................................................................................................................... 43
Figura 52 – Regiões de Fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-2 do lado
sem a solda. .......................................................................................................................... 43
Figura 53 – Regiões de Fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-3 do lado
com a solda. ......................................................................................................................... 43
Figura 54 – Regiões de Fratura (a) Frágil e (b) Dúctil da amostra Ta0,8D-3 do lado
sem a solda. .......................................................................................................................... 44
Figura 55 – Superfície da chapa do corpo de prova Ta0,8D-2 (a) com solda e (b) sem
solda. .................................................................................................................................... 44
Figura 56 – Superfície da chapa do corpo de prova Ta0,8D-3 (a) com solda e (b) sem
solda. .................................................................................................................................... 44
Figura 57 - Micrografias das soldas (a) Ta0,8D-1, (b) Ta0,8D-2 e (c) Ta0,8D-3. .. 45
Figura 58 - Micrografias da solda da amostra Ta0,8D-1 (a) MB, (b) ZTA e (c) ZF.
............................................................................................................................................. 46
Figura 59 - Micrografias da solda da amostra Ta0,8D-2 (a) MB, (b) ZTA e (c) ZF.
............................................................................................................................................. 46
Figura 60 - Micrografias da soldada amostra Ta0,8D-3 (a) MB, (b) ZTA e (c) ZF.46
Figura 61 - Zona de ruptura das amostras (a) Ta0,8D-2 e Ta0,8D-3. ...................... 47
Figura 62 - Marcas de deformação no interior da amostra Ta0,8D-2. ..................... 47
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela propriedades do Ta puro. .............................................................. 7
Tabela 2 – Vantagens e Desvantagens da soldagem TIG. ....................................... 10
Tabela 3 - Características dos gases utilizados no processo de soldagem TIG. ...... 12
Tabela 4 - Eletrodos e copos para diferentes correntes de soldagem. ...................... 13
Tabela 5 - Código de cor e elementos de liga para eletrodos de Tungstênio. .......... 14
Tabela 6 – Causas e defeitos em uma soldagem TIG. ............................................. 16
Tabela 7 - Relação entre tamanho de grão e quantidade de impureza. .................... 17
Tabela 8 - Composição da liga de Tântalo ............................................................... 31
Tabela 9 - Composição da liga de Tântalo ............................................................... 33
Tabela 10 - Nomenclatura das amostras. ................................................................. 35
Tabela 11 - Tensão encontrada para os corpos de prova ensaiados. ........................ 41
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A Ampere (unidade de medida)
AC Alternating Current
ASM American Society of Materials
ASME American Society of Mechanical Engineers
ASME BPVC.IX ASME Boiler and Pressure Vessel Code IX
ASTM American Society for Testing and Materials
BM Base Metal – Metal Base
ºC Graus Celsius (unidade de medida)
CA Corrente Alternada
Cr Cromo
Demar Departamento de Engenharia de Materiais
DC Direct Current
EB Electron Beam
FZ Fuzed Zone – Zona Fundida
ft2 Pé ao quadrado (unidade de medida)
g/cm3 Grama por centímetro cúbico (unidade de medida)
Glasteel® Aço Vitrificado - Marca registrada da empresa Pfaudler
Glove box Caixa com luvas
GPa GigaPascal (unidade de medida)
GTAW Gas Tungsten Arc Welding
HAZ Heat Affected Zone –Zona Afetada pelo Calor
HF Ácido Fluorídrico
HV Vickers Hardness
K Kelvin (unidade de medida)
kj/kgK Quilojoule por quilograma vezes Kelvin (unidade de medida)
mm Milímetro
MB Metal Base
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura
MPa MegaPascal
Mo Molibdênio
MO Microscópio Ótico
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Nb Nióbio
Os Ósmio
ppm Partes por milhão (unidade de medida)
PTFE Politetrafluoretileno, nome comercial Teflon® - Marca registrada da
empresa DuPont
QW Qualification Welding
Re Rênio
R05252 Standard Specification for Tantalum and Tantalum Alloy Seamless
and Welded Tubes
SCH Schedule
s-1 Segundo a menos 1 (unidade de medida)
Ta Tântalo
Tantaloy 63 Liga Ta-2.5W-0.15Nb
Ta2O5 Tantalum pentoxide – Óxido de tântalo
Ta-2,5W Liga Tântalo 2,5 % de Tungstênio
Ti Titânio
TIG Tungsten Inert Gas
V Vanádio
W Tungstênio
ZAC Zona Afetada pelo Calor
ZF Zona Fundida
Zr Zircônio
µm/mK Micrometro por metro vezes Kelvin (unidade de medida)
µm Micrometro
Å Angstron (unidade de medida)
% at. Porcentagem atômica
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 1
2. OBJETIVO ................................................................................................................. 2
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 2
3.1. Glasteel® Pfaudler ..................................................................................................... 2
3.2. Reparos ...................................................................................................................... 4
3.3. Trocadores de calor .................................................................................................... 5
3.4. Metais Refratários ...................................................................................................... 6
3.5. Tântalo ....................................................................................................................... 6
3.5.1. Propriedades do Tântalo ....................................................................................... 7
3.6. Soldagem ................................................................................................................... 9
3.6.1. Soldagem TIG ........................................................................................................ 9
3.6.2. Soldagem de materiais reativos .......................................................................... 16
3.7. Efeitos das impurezas no Tântalo ............................................................................ 17
3.7.1. Efeito na estrutura atômica ................................................................................ 17
3.7.2. Ponto de vista termodinâmico .......................................................................... 18
3.7.3. Redução da área em função da temperatura ..................................................... 20
3.7.4. Perda da ductilidade ......................................................................................... 21
3.7.5. Estudo das fraturas ........................................................................................... 22
3.8. Glove box ................................................................................................................. 24
4. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................... 25
4.1. Construção da câmara para a soldagem na Pfaudler ............................................... 25
4.2. Soldagem na Pfaudler .............................................................................................. 31
4.3. Aparato para a soldagem no Demar ......................................................................... 32
4.4. Soldagem no Demar ................................................................................................ 33
4.5. Ensaios de tração ..................................................................................................... 34
4.6. Caracterização metalográfica ................................................................................... 35
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4.6.1. Preparação metalográfica ................................................................................... 35
4.6.2. Aquisição de imagens via Microscópio Ótico .................................................... 36
4.7. Dureza ...................................................................................................................... 36
5. RESULTADOS ......................................................................................................... 37
5.1. Soldagem Pfaudler ................................................................................................... 37
5.2. Soldagem Demar ..................................................................................................... 39
5.3. Testes de tração ........................................................................................................ 40
5.4. Caracterização metalográfica ................................................................................... 45
5.5. Microdureza ............................................................................................................. 47
6. CONCLUSÃO .......................................................................................................... 49
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................. 50
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 51
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1
1. INTRODUÇÃO
O aço com revestimento vítreo teve seu início em 1884 quando Casper Pfaudler
ao tentar acelerar o processo de fermentação da cerveja criou um revestimento de tanques
de ferro com esmalte. Apesar de não servir ao intuito inicial, o subproduto do material
que ele criou é utilizado em muitos processos hoje em dia em indústrias em que há
necessidade de alta resistência à corrosão (GIANELLA, 2008).
A vitrificação é um processo de revestimento com vidro em equipamentos como
vasos, reatores e tanques utilizados em processos da indústria química, farmacêutica,
entre outras. O material alia a resistência mecânica dos aços de baixo teor de carbono com
a alta resistência à corrosão do vidro (WORLDWIDE GLASTEEL, 1998).
Para que aconteça a aderência do vidro ao aço é aplicada uma camada de esmalte
no aço e posteriormente o vidro, submetendo o equipamento a ciclos térmicos sequenciais
para a cura do vidro. Ao final do processo a espessura final desejada da camada de vidro
deve estar entre 1,0 e 2,0 mm. Na Figura 1 pode ser observada a micrografia do material
composto de aço, esmalte e vidro (GIANELLA, 2008).
Figura 1 - Micrografia do aço vitrificado, mostrado as diferentes camadas de aço, esmalte e vidro.
Ampliação de 100X – ataque Nital.
Fonte: Gianella, 2008.
Devido a eventuais choques dos produtos com o reator durante o uso, pode haver
quebras e fissuras do vidro, levando à corrosão do aço ao haver contato da substância
armazenada dentro do tanque ou reator com a parede de aço. Para evitar a corrosão nesse
caso são utilizados reparos garantindo a vida dos equipamentos. Esses reparos podem ser
confeccionados em PTFE (Politetrafluoretileno - Teflon®) ou tântalo, devido a sua
resistência à corrosão similar à do vidro (WORLDWIDE GLASTEEL, 1998).
-
2
O tântalo é um metal que reage com o ar a altas temperaturas podendo fragilizar
o produto final. Assim, a soldagem para a confecção de reparos em tântalo deve ser
realizada em atmosfera inerte. Nesse trabalho buscou-se desenvolver um procedimento
de soldagem de chapas de tântalo, para isso foi feita a construção de uma câmara para a
soldagem, realização da soldagem e caracterização das soldas através de microscopia,
ensaio de dureza e tração.
2. OBJETIVO
Caracterização de chapas de tântalo soldadas via TIG, utilizado como reparo em
equipamentos vitrificados. Acompanhando desde a construção da câmara para a
soldagem, a soldagem em si e realizando a caracterização da solda por microscopia ótica
e eletrônica de varredura, medidas de dureza e ensaios de tração.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Glasteel® Pfaudler
Em 1884 Casper Pfaudler combinou o vidro ao aço e criou um composto fundido
(Glasteel®), Figura 2, que se tornou o padrão para revestimento de vidro em
equipamentos de processo com aplicações em diversas indústrias atualmente.
Figura 2 - Esquema Glasteel® Pfaudler
Fonte: Divulgação Pfaudler.
O vidro fundido ao aço é largamente utilizado, especialmente em processos
químicos em que o ataque corrosivo pode ter efeitos drásticos no desempenho dos
equipamentos (Figura 3 e 4) e consequentemente da produção. Além disso, não há
-
3
contaminação do produto mantendo cor e pureza. Pode ser utilizado com qualquer tipo
de ácido, exceto HF, em todas as concentrações, até 120 ºC. Temperaturas até 230 ºC são
possíveis em alguns casos (GLASTEEL PFAUDLER, s.d.).
Figura 3 - Exemplo de reator Pfaudler.
Fonte: Worldwide Glasteeel, 1998.
Os equipamentos revestidos de vidro possuem como benefícios: resistência à
maioria das substâncias corrosivas mesmo em condições térmicas extremas. É
essencialmente inerte, então não pode afetar negativamente a pureza ou sabor do produto.
Resiste ao acúmulo viscoso ou pegajoso de produtos, o que significa uma melhor
transferência de calor, a limpeza é rápida e há maior produtividade. Além disso, a fusão
do vidro com o aço produz um composto de alta resistência mecânica e à corrosão
(WORLDWIDE GLASTEEL, 1998).
Figura 4 - Reator vitrificado Pfaudler.
Fonte: Worldwide Glasteel, 1998.
-
4
3.2. Reparos
Apesar de sua resistência, os equipamentos vitrificados podem apresentar danos
em seu revestimento com o uso. Devendo ser reparado imediatamente para prevenir a
corrosão do metal base e possível perda de todo o equipamento (REPAIR, 1996).
Entre os tipos de reparos, Figura 5, podemos citar: luva externa para bocal,
confeccionada em PTFE, plug confeccionado em tântalo, luva interna-externa para
bocais, confeccionada em tântalo e luva externa para bocais, confeccionada em tântalo
(GPS, s.d.).
Figura 5 - Exemplos de reparos (a) luva externa para bocal, confeccionada em PTFE; (b) luva externa
para bocais, confeccionada em tântalo; (c) luva interna-externa para bocais, confeccionada em tântalo e
(d) plug confeccionado em tântalo.
(a) (b)
(c) (d)
Fonte: GPS, s.d.
A utilização de cada tipo de reparo depende de qual avaria o equipamento sofreu.
Os plugs tem função de reparar locais com pequenas avarias sobre a superfície vitrificada.
As luvas interna-externa para bocais, confeccionadas em Ta (Tântalo), tem como função
a cobertura de avarias em bocais vitrificados, de alimentação ou descarga, abrangendo o
raio interno do swage. A luva externa para bocais confeccionada, tanto em PTFE ou Ta,
tem como função a cobertura de avarias em bocais vitrificados, próximo ao raio do flange
ou flange. (GPS, s.d.).
Na Figura 6 pode-se ver um esquema de uma luva instalada em bocal de vaso de
pressão. Primeiramente é necessário garantir que o reparo irá cobrir uma área de ¾’’ além
da área danificada. Feito isso é necessária prévia preparação e limpeza da área a ser
reparada. Entre o espaço do reparo e da superfície do vidro é colocado um preenchimento,
garantindo que o espaço entre a superfície do vidro e a luva está completamente
-
5
preenchida, evitando que ocorra alguma falha no reparo e por fim a luva é fixada por
parafusos (INSTALATION, 1997).
Figura 6 - Esquema de uma luva interna-externa para bocais instalada.
Fonte: Installation, 1997.
É importante selecionar o tipo de materiais corretos para reparos. O Tântalo
devido, à sua excelente resistência à corrosão, é normalmente utilizado para fazer reparos.
Uma liga de 97,5 % tântalo, 2,5 % tungstênio é utilizada em reparos pela Pfaudler por
possuir maior resistência mecânica que o tântalo puro (REPAIR, 1996).
3.3.Trocadores de calor
Trocadores de calor, Figura 7, são equipamentos usados para implementar a troca
de calor entre dois fluidos ou mais, sujeitos a diferentes temperaturas. Classificados
quanto ao modo de troca de calor, número de fluidos e tipos de construção, podem ser:
de contato direto ou indireto, tubular ou tipo placa (REACTIVE, 1999).
Figura 7 - (a) Condensador de tubo de tântalo com tubo de aço revestido de vidro, (b) trocador de calor de
ziconio de 15.000 ft²
(a) (b)
Fonte: Reactive, 1999.
Podem ser fabricados com materiais reativos como o tântalo e zircônio devido às
suas resistências à corrosão. A indústria farmacêutica utiliza esses equipamentos
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6
resistentes à corrosão há mais de cem anos. As vantagens em se ter um trocador de calor
em material reativo seriam: possui maior resistência à corrosão em temperaturas
superiores a 200 ºC; diminuição de vazamentos em juntas de tubos; comparado com
outros materiais como vidro, grafite e polímero; suporta maiores valores de temperatura
e pressão; obtêm-se um produto puro sem contaminação (REACTIVE, 1999).
3.4. Metais Refratários
Os materiais refratários são caracterizados pelo seu alto ponto de fusão e
resistência mecânica em altas temperaturas e apresentam resistência à maioria dos
ambientes mais hostis quimicamente. São exemplos destes metais o tântalo (Ta), nióbio
(Nb), tungsténio (W), molibdénio (Mo), zircônio (Zr), titânio (Ti), cromo (Cr), ósmio
(Os), vanádio (V), e rênio (Re) (ROLO, 2015; ROWE, 1997).
Os materiais refratários foram aplicados inicialmente apenas no fabrico de
filamentos para lâmpadas e em componentes sujeitos a elevadas temperaturas. Mais
recentemente, começaram a ser utilizados na produção de ligas metálicas que são
utilizadas na indústria aeroespacial, nuclear e eletrônica (ROLO, 2015).
Metais refratários como o tântalo e o nióbio são aplicados em uma grande
variedade de indústrias, como indústria química, nuclear, ou até mesmo indústria médica
(BEXIGA et. al, 2017).
3.5.Tântalo
Tântalo é um metal refratário muito versátil devido a sua excelente resistência à
corrosão, que pode ser comparada com a do vidro. (ROWE, 1997; MOSER, 1991). Não
é mais utilizado devido ao seu alto custo, aproximadamente 10 vezes o custo do aço e 5
vezes o custo do titânio para produção de equipamentos (SOUZA e ROBIN, 2003).
Exibe uma excelente resistência à corrosão em praticamente todos os meios
aquosos nas temperaturas normais de processamento, exceto HF (Ácido Fluorídrico) e
soluções alcalinas. (SOUZA e ROBIN, 2003; MOSER, 1991). Sua excelente resistência
à corrosão é devido à formação de um óxido passivo (Ta2O5) sobre a superfície
(BERMÚDEZ, 2005; MOSER, 1991).
A maioria das técnicas de produção podem ser utilizadas para o Ta, sendo
normalmente feita por fusão por feixe de elétrons ou fusão a arco em vácuo. (PLANSEE,
2000; MOSER, 1991). Entretanto em altas temperaturas é muito reativo com oxigênio,
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004316480400256X#!
-
7
nitrogênio, hidrogênio e carbono, sendo necessário maior controle da temperatura.
Também são utilizadas atmosferas inertes, ou vácuo, evitando a oxidação excessiva
(ROWE, 1997; MOSER, 1991).
Todos os metais refratários possuem boa resistência à corrosão, mas o Ta tem se
tornado o material de escolha na indústria química, onde é usado em uma variedade de
componentes, incluindo trocadores de calor e vasos de pressão que operam em condições
extremas de corrosão. A adição de tungstênio no tântalo, como em Ta-2,5%W estabeleceu
um novo limite para corrosão e fragilização por hidrogênio em comparação com o Ta
puro (BERMÚDEZ, 2005).
A liga de Ta-2,5%W, uma liga de solução sólida, fundida por feixe de elétrons, é
utilizada em equipamentos para trocadores de calor, revestimento para torres, válvulas e
tubos (ASM HANDBOOK, 2004).
3.5.1. Propriedades do Tântalo
O tântalo (Ta), descoberto em 1802 por Anders Gustaf Ekeberg, é um material
com densidade de 16,6 g/cm3 e ponto de fusão de 2996 °C. Com estrutura cúbica de corpo
centrado, assemelha-se ao nióbio, de tal forma que durante muitos anos pensaram que
seriam o mesmo elemento. Na Tabela 1, são apresentadas algumas propriedades do
tântalo puro (ROLO, 2015).
Tabela 1 - Propriedades do Ta puro.
Propriedades Valores
Número atômico 73
Peso atômico 180,95
Densidade 16,6 g/cm3
Temperatura de fusão 2996 ºC
Coeficiente de expansão 6,5 um/m K
Calor especifico 0,139kJ/kg K
Condutividade térmica a 20 º C 54,4
Coeficiente de Poisson a 25 ºC 0,35
Módulo de elasticidade 185 GPa
Temperatura de transição Ductil-frágil
-
8
Figura 8 - Diagrama de fases tântalo tungstênio
Fonte: ASM International, 2006.
b) Microestrutura
O tântalo tem uma estrutura cúbica de corpo centrado e não apresenta
transformação de fase no estado sólido à pressão ambiente (no equilíbrio) (HSIUNG e
LASSILA, 2000). Na Figura 9 é apresentada a microestrutura do tântalo.
Figura 9 - Micrografias de Tântalo puro.
(a) (b) (c)
*(a) Estrutura de grão típica de forjado de Tântalo não ligado. Químicamente polido (solução A, Tabela
2), swabbed por ~ 120 s, e swab gravado (solução B, Tabela 2) para ~ 90 s, (b) Ta-2.5 p% W produto de
barra forjada mostrando microestrutura parcialmente recristalizada. Quimicamente polido (solução A,
Tabela 2) para ~ 90 s e swab etched (solução B, Tabela 2) para ~ 30 s, (c) Ta-2.5 p% W produto de
barra forjada mostrando uma microestrutura completamente recristalizada. Quimicamente polido
(solução A, Tabela 2) para ~ 90 s e swab etched (solução B, Tabela 2) para ~ 90 s
Fonte: ASM Handbook. ASM International, 2004.
c) Resistência à corrosão
Na Figura 10 pode-se observar a resistência à corrosão do aço revestido com vidro
(Glasteel) e do tântalo. Podendo também fazer uma comparação entre eles, sendo esses
-
9
dois materiais os que possuem maior resistência à corrosão em diversos meios e reações
(REACTIVE, 1999).
Figura 10 - Gráfico de comparação de resistência à corrosão.
Fonte: Reactive, 1999.
3.6. Soldagem
A soldagem é um procedimento com o intuito de unir duas peças, garantindo a
continuidade das propriedades físicas e químicas do material. Esse processo pode ser
realizado com metal de adição (utilização de um eletrodo ou vareta), sem metal de adição
(soldagem autógena), ou até mesmo sem presença de uma fase líquida. Pode ser utilizada
com intuito de junção de peças de reparo, superfícies degastadas, ou até mesmo como
revestimento de proteção (ÁQUILA, 2012).
3.6.1. Soldagem TIG
O processo de soldagem Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) ou Tungsten Inert
Gas (TIG) como é mais conhecido, é um processo de soldagem que utiliza como fonte de
calor um arco elétrico mantido entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a peça
a ser soldada (WAINER, BRANDI e MELLO, 2004). Durante este processo, a poça de
soldagem, o eletrodo e parte do cordão são protegidos através do gás de proteção que é
soprado pelo bocal da tocha, como mostrado na Figura 11 (BRACARENSE, 2000).
No processo TIG o eletrodo de tungstênio fica preso a uma tocha de soldagem,
por onde também sai o gás que irá proteger a soldagem contra a contaminação da
atmosfera. É criado um arco elétrico pela passagem da corrente pelo gás de proteção
ionizado, começando o arco entre a ponta do eletrodo e a peça. Algumas variáveis devem
-
10
ser observadas nesse processo, como a tensão do arco, a corrente de soldagem, velocidade
de avanço e o gás de proteção (BRACARENSE, 2000).
Figura 11 - Esquema ilustrativo do processo de soldagem TIG.
Fonte: Costa, 2015.
Nesse processo há um grande controle da energia transferida para a peça, devido
ao controle independente da fonte de calor e da adição de metal de enchimento. Sendo
esse método adequado para soldagem de materiais de pequena espessura. Além disso a
proteção de gás permite a soldagem de materiais de difícil soldabilidade. Devido ao fato
de o eletrodo não ser consumível permite a soldagem também sem metal de adição, que
também é interessante na soldagem de materiais de pequena espessura (MARQUES,
MODENESI E BRACARENSE, 2009). Na Tabela 2 pode-se ver as vantagens e
desvantagens da soldagem TIG.
Tabela 2 – Vantagens e Desvantagens da soldagem TIG.
Vantagens Desvantagens
Baixa produção de escória e fumos, com
ótima visibilidade da poça de fusão
Comprimento fixo do consumível
(máx. 1000 mm, em vareta)
Excelente controle da energia transferida
(arco suave e estável)
Baixo rendimento ≤ 0,5 Kg/h
Indicada para chapas finas e peças de
difícil soldabilidade
Limitado a espessuras de 10 mm
Ótimo acabamento (pouca necessidade de
limpeza)
Risco de inclusões de Tungstênio
Boas competências do soldador
Grande sensibilidade às correntes de ar
Custo dos gases de proteção
Baixa produtividade e alto custo Fonte: Correia, 2017 (Adaptado).
-
11
O equipamento básico utilizado na soldagem TIG consiste de uma fonte de
energia elétrica, unidade de alta frequência, sistema de refrigeração, tocha de soldagem,
fonte de gás protetor, dispositivo para a abertura do arco, cabos e mangueiras, como pode
ser visto na Figura 12 (MARQUES, MODENESI E BRACARENSE, 2009; WAINER,
BRANDI E MELLO, 2004).
Figura 12 - Esquema simplificado dos equipamentos necessários para processo TIG.
Fonte: Wainer, Brandi e Mello, 2004.
A fonte de corrente tem saída ajustável a cada operação podendo ser contínua,
alternada ou pulsada. Pode ser um gerador, retificador ou transformador, com capacidade
mínima entre 5 e 10A e máxima de 200 a 500A (MARQUES, MODENESI e
BRACARENSE, 2009; WAINER, BRANDI E MELLO, 2004).
Uma unidade de alta frequência é essencial no caso de soldagem em corrente
alternada, devendo possuir intensidade regulável, quando não for possível fazer essa
regulagem na fonte de energia. Os sistemas de refrigeração podem ser a ar ou água, nesse
último caso ela é geralmente reutilizada formando um circuito fechado (WAINER,
BRANDI e MELLO, 2004).
Os reservatórios de gases armazenam os gases utilizados durante a soldagem,
normalmente possuindo reguladores de pressão e vazão. Os tipos mais comuns de gases
são o argônio e o hélio, podendo ser utilizados em aplicações especiais o hidrogênio e
nitrogênio. O argônio é mais utilizado pois possui pureza de 99,95%, possibilita arco mais
suave, penetração reduzida, ação de limpeza na soldagem de alumínio ou magnésio, baixo
custo e alta disponibilidade, boa proteção com baixos fluxos, maior resistência a ventos
-
12
cruzados e melhor partida do arco. Uma maior proteção pode ser obtida no caso de
soldagem de materiais reativos com a utilização de câmaras com atmosfera controlada na
execução da solda, ou utilização de protetores prolongados, que são extensões dos bocais,
na Tabela 3 são apresentadas as características dos gases de proteção (BRACARENSE,
2000).
Tabela 3 - Características dos gases utilizados no processo de soldagem TIG.
Argônio Hélio
Maior tensão de arco Elevada tensão de arco
Menor penetração Maior penetração
Adequado à soldagem de chapas finas Adequado à soldagem de grandes
espessuras e materiais de condutibilidade
térmica elevada
Soldagem manual devido ao pequeno
gradiente de tensão na coluna do arco
(6V/cm)
Soldagem automática
Maior ação de limpeza Menor ação de limpeza
Arco mais estável Arco menos estável
Fácil abertura do arco Dificuldade na abertura do arco
Utilizado em CC e CA Geralmente CCPD com eletrodo de
tungsténio toriado
Custo reduzido Custo elevado
Vazão para proteção pequena Vazão para proteção 2 a 3 vezes maior do
que do argônio
Maior resistência à corrente de ar lateral Menor resistência à corrente de ar lateral
Fonte: Wainer, Brandi e Mello, 2004.
A tocha de soldagem, Figura 13, tem como função suportar o eletrodo de
tungstênio e fornecer o gás de proteção. Elas podem ser refrigeradas pelo gás de proteção
ou água. Nesse caso, é comum ter um circuito de refrigeração composto por um
reservatório, motor elétrico, bomba e radiador (BRACARENSE, 2000).
O gás de proteção passa por bocais fixados na extremidade das tochas. O objetivo
da utilização dos bocais é produzir um fluxo laminar do gás de proteção. Os bocais são
feitos de materiais cerâmicos, metais, metais com revestimentos cerâmicos, quartzo ou
outros materiais. Dentre estes, os bocais cerâmicos são os mais baratos e mais populares,
apesar de serem quebradiços e necessitarem de troca constante. Bocais metálicos tem vida
útil mais longa e são usados principalmente em processos automatizados, que operam
com correntes acima de 250 A (MARQUES, MODENESI e BRACARENSE, 2009).
-
13
Figura 13 - Tochas utilizadas no processo de soldagem TIG (a) refrigerada a ar e (b) refrigerada a água.
(a) (b)
Fonte: Wainer, Brandi e Mello, 2004.
Os aspectos mais importantes nos bocais são suas dimensões e perfis. Os bocais
devem ser largos o suficiente para prover cobertura da área de soldagem pelo gás e devem
estar de acordo com o volume e a densidade necessária do gás no processo. Se a vazão
do gás for excessiva para um determinado diâmetro, a eficiência da proteção é afetada
devido à turbulência. Vazões mais altas, sem este efeito de turbulência, requerem maiores
diâmetros de bocais, condições estas essenciais para altas correntes. Na Tabela 4, pode-
se observar diversos diâmetros de eletrodos, correntes de trabalho e diâmetros dos bocais.
(BRACARENSE, 2000).
Tabela 4 - Eletrodos e copos para diferentes correntes de soldagem.
Diâmetro do
eletrodo
Diâmetro
Interno
Copo
Corrente Direta (A) Corrente Alternada (A)
Polegadas mm polegadas Polaridade
Direta
Polaridade
Reversa
Onda Não
Balanceada
Onda
Balanceada
0,010 0,25 ¼ Até 15 Até 15 Até 15
0,020 0,50 ¼ 5-20 5-15 10-20
0,040 1,00 3/8 15-80 10-60 20-30
1/16 1,60 3/8 70-150 10-20 50-100 30-80
3/32 2,40 ½ 150-250 15-30 100-160 60-130
1/8 3,20 ½ 250-400 25-40 150-210 100-180
5/32 4,00 ½ 400-500 40-55 200-275 160-240
3/16 4,80 5/8 500-750 55-80 250-350 190-300
¼ 6,40 3/4 750-1100 80-125 325-450 325-450 Fonte: Bracarense, 2000 (Adaptado).
Outro recurso utilizado na melhoria do fluxo são as lentes de gases, Figura 14,
que asseguram um fluxo laminar do gás de proteção, através de sua estrutura porosa que
-
14
é fixada ao redor do eletrodo. Desta forma, elas permitem ao operador trabalhar com a
extremidade da tocha a uma maior distância da peça, auxiliando na visualização e
facilitando o trabalho em locais de difícil acesso para a tocha, como cantos
(BRACARENSE, 2000).
Figura 14 - Lentes para soldagem TIG.
(a) (b)
Fonte: (a) Marques, Modenesi e Bracarense, 2009 e (b)< https://www.tomtop.com/pt/p-e3099.html>
Eletrodos de vários tamanhos são fixados apropriadamente no mandril do bocal.
Um bom contato entre o eletrodo e a parte interna do mandril é essencial para uma
transmissão correta da corrente e refrigeração do eletrodo. No processo GTAW os
eletrodos não são consumíveis e tem o papel de servir como um dos terminais do arco
que irá gerar o calor para o processo. São classificados com base em sua composição
química, como na Tabela 5. Os eletrodos de tungstênio puro (EWP) possuem, no mínimo,
99,5 % de W e tem uma capacidade de corrente inferior àquelas dos eletrodos de liga de
tungstênio. Entretanto, são muito utilizados em soldagem com CA, pois mantém uma
extremidade limpa e arredondada, que provê boa estabilidade ao arco neste processo
(BRACARENSE, 2000).
Tabela 5 - Código de cor e elementos de liga para eletrodos de Tungstênio.
Classificação
AWS
Cor Elemento de
Liga
Óxido de liga Porcentagem
peso nominal
de óxido
EWP Verde - - -
EWCe-2 Laranja Cério CeO2 2
EWLa-1 Preto Lantânio La2O3 1
EWTh-1 Amarelo Tório ThO2 1
EWTh-2 Vermelho Tório ThO2 2
EWZr-1 Marrom Zircônio ZrO2 0,25
EWG Cinza Não
especificado
- -
Fonte: Bracarense, 2000.
-
15
São identificados por cores como pode ser visto na Figura 15. A extremidade do
eletrodo normalmente é preparada pelo arredondamento, esmerilhamento ou afiação
química. Via de regra, uma ponta cônica é preparada, mesmo que a extremidade vá ser
arredondada para um processo em CA (BRACARENSE, 2000). Os elementos de liga,
Ce, La, Th e Zr, destes eletrodos tem a função desoxidante, ao contrário do senso comum
que seria a função de melhorar as propriedades mecânicas (WAINER, BRANDI E
MELLO, 2004).
Figura 15 - Eletrodos de Tungstênio
Fonte:
O eletrodo puro, com a ponta verde, é considerado o mais comum e mais barato,
contendo 99,50% de tungstênio. Oferece uma excelente estabilidade no arco em soldagem
TIG AC. Utilizado para soldagens de alumínio e magnésio, não deve ser utilizado em
soldagens TIG DC (eletrodos com Tório ou Cério, oferecem melhor estabilidade de arco
nesta situação). Os eletrodos com tório, ponta vermelha, contém no mínimo 97,30% de
tungstênio e entre 1,7 e 2,2% de Tório. São os mais utilizados atualmente, preferidos por
causa da excelente vida útil e facilidade de uso. O tório proporciona facilidade para iniciar
o arco e soldagens com alta amperagens. É ideal para soldagem de aço carbono, aço
inoxidável, níquel e titânio (HST, s.d.).
Os eletrodos de ponta cinza, com cério, possuem no mínimo 97,30% de tungstênio
e entre 1,80 e 2,20% de Cério. Apresentam melhor performance em soldagem TIG DC
em baixa amperagem. Este eletrodo tem uma abertura de arco excelente em baixa
amperagem e é popular para quem solda tubos, pequenas peças, materiais finos e
delicados, etc. Já os eletrodos com lantânio, ponta dourada e azul, contém no mínimo
97,8% de tungstênio e entre 1,30 e 1,70% de lantânio. Estes eletrodos tem uma excelente
https://www.multsoldas.com.br/soldas/eletrodos/eletrodo-de-tungstenio-4mm-puro-cor-verde
-
16
abertura de arco, estabilidade e re-ignição do arco. Ele pode substituir eletrodos com tória,
sendo usados em processos de soldagem tanto AC como DC, mas mostra suas vantagens
em soldagem de aços inoxidáveis, usando fontes pulsadas. Este eletrodo é uma excelente
escolha para evitar de ter estoque de diversos tipos de eletrodos. A cor da ponta, muda de
acordo com o percentual de Lantânio no eletrodo. Por último, o eletrodo com zircônio,
ponta marrom ou branca, possui no mínimo 99,1% de tungstênio e entre 0,15 e 0,40% de
Zircônio. Este eletrodo produz um arco extremamente estável e resistente a tungsten
spitting. É perfeito para soldagens TIG AC, e mantém a ponta com muita resistência à
contaminação. Em nenhuma circunstância ele é recomendado para soldagens TIG DC. A
cor da ponta muda conforme o percentual de zircônio no eletrodo. Recomendado para
soldagem de ferro, aço carbono e aço inoxidáveis. (HST, s.d.)
A boa qualidade de uma soldagem TIG depende de vários fatores, como pode ser
visto na Tabela 6.
Tabela 6 – Causas e defeitos em uma soldagem TIG.
Defeito Causa
Oxidações Gás insuficiente
Falta de proteção no reverso da soldagem
Inclusões de tungstênio Eletrodo incorretamente afiado
Eletrodo muito pequeno
Defeito de funcionamento (contato da
ponta com a peça de trabalho)
Porosidade Sujidade nas extremidades
Sujidade no material de soldagem
Velocidade de avanço elevada
Intensidade de corrente muito baixa
Trincas Material de soldagem inadequado
Fornecimento de calor elevado
Materiais sujos Fonte: Correia, 2017 (Adaptado).
3.6.2. Soldagem de materiais reativos
A soldagem de materiais reativos e refratários pode ser realizada através de
diversos processos de soldagem, tais como, à laser, por feixe de elétrons (EB) e pelo
processo TIG (Tungsten Inert Gas). Entretanto, devido à reatividade do tântalo, pode
haver oxidação excessiva e sua soldagem apresenta alguns obstáculos, devendo ser feita
em uma câmara de vácuo, mas nem sempre isso é possível. Maior parte da soldagem é
-
17
feita por TIG em glove box sob uma pressão positiva de argônio ou hélio. O gás inerte
deve ser mantido até que o tântalo esfrie até abaixo de 100 °C (MOSER,1991).
Na soldagem de materiais refratários pode ocorrer crescimento de grão na zona
fundida e na zona afetada pelo calor. A soldagem destes materiais, realizada pelo processo
de TIG, permite uma boa relação entre a resistência do material base e da própria solda,
no entanto apresenta o inconveniente de apresentar perdas de ductilidade e de tenacidade,
que são causadas pela presença de compostos frágeis (ROLO, 2015).
Tântalo reage com o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio a altas temperaturas. A
absorção desses elementos intersticiais durante a reação pode causar uma diminuição da
ductilidade da solda, podendo ser considerada um tipo de corrosão. Estudos foram
realizados com o intuito de determinar a faixa de oxigênio aceita nesse caso, sem que haja
danos à solda. Para isso, foram dopadas amostras de Tantaloy 63 com diferentes teores
de oxigênio e testadas por ensaios mecânicos, principalmente dureza. Chegando à
conclusão que a tolerância máxima de teor de oxigênio na solda de Ta está entre 400 e 50
ppm (DAVIS, 2006).
3.7. Efeitos das impurezas no Tântalo
3.7.1. Efeito na estrutura atômica
A coesão reduzida dos contornos de grão é um fator limitante da ductilidade,
performance e confiabilidade de ligas metálicas. A fragilização intergranular nos metais
é normalmente causada por concentração de impurezas da ordem de 10-3 – 10-4 % at.,
podendo causar decréscimo na plasticidade do material, degradando drasticamente as
propriedades mecânicas. Como pode ser observado na Tabela 7, quantidades em ppm de
impurezas podem ser suficientes para saturar os contornos de grão de um policristal
típico, dependendo do seu tamanho de grão (KRASKO,1996).
Tabela 7 - Relação entre tamanho de grão e quantidade de impureza.
Tamanho de grão
(mm)
Quantidade de impureza
(ppm at.)
5 60
10 30
20 15
50 6
100 3 Fonte: Krasco, 1996.
-
18
Os contornos de grão estudados podem ser representados como uma sucessão de
planos hexagonais (111). Para obter a estrutura de contorno de grão com menor energia,
as distâncias interplanares variam, enquanto os espaços interatômicos e a estrutura entre
os planos (111) não são alterados.
A menor distância entre átomos vizinhos na estrutura CCC (2,859 Å) é a distância
entre dois átomos de Ta na direção (111) Ta1-Ta4. Como resultado da relaxação, essa
distância se torna maior (2,951 Å), enquanto a menor distância passa a ser entre os dois
átomos Ta2 através do contorno de grão (2,650 Å). No contorno de grão sem impureza
há um vazio, sendo assim a distância entre os átomos de Ta3 é de 3,504 Å. Portanto, no
contorno de grão sem impureza a interação mais forte é de Ta2-Ta2, seguida de Ta1-Ta1,
e Ta1-Ta2 (KRASKO,1996).
Na Figura 16 observa-se que com o átomo de impureza no lugar do vazio, as
distâncias interatômicas e as interações mudam significantemente. A menor distância
passa a ser entre a impureza e Ta3, e as distâncias entre os átomos de Ta2 passam a ser
maiores. A interação entre o átomo de impureza e átomo Ta3 passa a ser a mais
importante, sendo responsável pela coesão intergranular. A interação entre os dois átomos
de Ta3 e o átomo de impureza passa a ser a mais forte. Explicando assim como pequenas
quantidades de impurezas no contorno de grão pode causar uma mudança nas
propriedades mecânicas do material (KRASKO,1996).
Figura 16 - Esquema dos planos atômicos nos núcleos de contorno de grão (a) sem impureza e (b) com
impureza.
Fonte: Krasco, 1996.
3.7.2. Ponto de vista termodinâmico
De um ponto de vista termodinâmico a fragilização por impurezas depende das
diferenças entre as energias livres da segregação da impureza no contorno de grão inicial
e das duas superfícies que surgem após a fratura. Quanto maior a diferença, maior a
possibilidade de fragilização pela impureza.
-
19
Um método menos rigoroso, mas mais simples é a comparação entre a energia de
sublimação entre os átomos hospedeiros e as impurezas comparados com um modelo de
solução ideal para mais de 60 elementos. Segundo esse critério, no tântalo, somente
nitrogênio, boro, e carbono são elementos que melhoram a coesão do material. Sendo o
carbono o mais forte, como pode ser visto na Figura 17 (KRASKO,1996).
Figura 17 - Diagrama de energia de sublimação vs. Tamanho atômico calculado de um modelo de solução
ideal. Elementos acima e abaixo da linha tracejada, aumentam e reduzem a energia de fratura do tântalo
respectivamente.
Fonte:Krasco, 1996.
Os efeitos das impurezas nos contornos de grão também podem ser analisados
comparando as diferenças entre os contornos com e sem impurezas. Os valores
correspondentes para as impurezas podem ser encontrados na Figura 18. Onde pode se
observar que para valores de ΔE mais negativos, como para boro, carbono e nitrogênio
tem-se elementos que aumentam a coesão. Enquanto para valores menos negativos, os
elementos hidrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre são fragilizadores. O hidrogênio é o
pior fragilizador já que seu valor de ΔE é apenas um pouco negativo (KRASKO,1996).
-
20
Figura 18 - ΔE= EGB(impureza)-EGB(limpo), a diferença de energia entre o contorno de grão com
impureza e sem impureza, vs. número do grupo na tabela periódica.
Fonte:Krasco, 1996.
3.7.3. Redução da área em função da temperatura
A Figura 19 mostra a redução de área como função da temperatura para as
concentrações de 0,33; 0,85 e 1,35 % at. de oxigênio em Ta deformado a uma taxa de
8,8x10-4s-1. Essas curvas demonstram que a essa taxa todas as concentrações são capazes
de produzir fragilização em temperaturas entre 550 - 900 K, aumentando conforme há um
aumento na concentração de oxigênio. À temperatura ambiente, há muito pouco efeito na
ductilidade, mesmo nas maiores concentrações de oxigênio (REED-HILL e DIAZ, 1980).
Sobreposto a essa figura há os efeitos das três taxas de tensão e a região da
temperatura onde a superfície de ruptura aparece. Um platô do campo de tensão aparece
na temperatura de 300 - 600K, serrilhado acontece de 450 - 600K, e um aumento da taxa
de endurecimento começa a temperatura ambiente e aumenta com um pico em 600K. O
hachurado cruzado indica a temperatura em que as amostras apresentaram superfície de
ruptura (REED-HILL e DIAZ, 1980).
-
21
Figura 19 - Redução da área em função da temperatura para Ta-O, mostrando o intervalo de
endurecimento dinâmico.
Fonte: Reed-Hill e Diaz, 1980.
3.7.4. Perda da ductilidade
A Figura 20 mostra a perda da ductilidade do Ta como uma função da taxa de
deformação para 0,33 % at. oxigênio. Apesar de os dados serem limitados, os efeitos da
taxa de deformação podem ser vistos claramente. Diminuindo a taxa de 8,8x10-3s-1 para
8,8x10-4 s-1, a redução em área diminui de 95 para 55 %. O mesmo grau de fragilização
é visto para o sistema Nb-O na mesma taxa de deformação, mas com duas vezes e meio
a mais de oxigênio, indicando que o efeito do oxigênio é muito mais severo no Ta (REED-
HILL e DIAZ, 1980).
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22
Figura 20 - Redução em área em função da temperatura para as três taxas de deformação com baixa
concentração de oxigênio na liga Ta-O.
Fonte: Reed-Hill e Diaz, 1980.
O endurecimento é severo nesse sistema, alcançando 450 MPa para 1,30 % at.
oxigênio. Começando na temperatura ambiente para todas as composições e alcançando
o máximo de 600K (REED-HILL e DIAZ, 1980).
3.7.5. Estudo das fraturas
Na Figura 21 são apresentadas as regiões de fratura do tântalo. Em baixas
temperaturas (300 - 450 K) são caracterizadas microcavidades típicas de falhas dúcteis,
com 70% de redução em área. A amostra de Ta contendo 1,30% at. oxigênio testada a
300 K apresenta alta ductilidade observada a baixas temperaturas com todas as
composições. Na faixa de 450 a 1000 K microcavidades se apresentam menos fundas e
menos pronunciadas conforme a temperatura aumenta. Essa tendência continua até o
ponto em que a falha é totalmente frágil, os contornos arredondados se tornam angulares
e em grande parte intergranular. Na liga com 1,3% at. oxigênio essa transição é muito
rápida, conforme a ductilidade cai abruptamente em uma faixa de 50 graus (REED-HILL
e DIAZ, 1980).
-
23
Pode-se observar que fratura intergranular com um mínimo de ductilidade tem
pouco componente transgranular. Isso pode ser observado nas amostras testadas em baixa
temperatura no lado com baixa ductilidade, onde a fratura é internamente nucleada e nas
amostras testadas a alta temperatura, onde há fratura da superfície e a falha é nucleada
externamente. Em contraste com a morfologia da fratura observada no sistema Nb-O onde
a fratura básica na região frágil é transgranular quase-clivagem, com um componente
intergranular secundário. A natureza da fratura no sistema Ta-O sugere tanto uma
segregação de oxigênio para os contornos de grão ou a precipitação de uma fase de óxido
ao longo dos contornos durante a propagação da trinca, não sendo encontrados
precipitados (REED-HILL e DIAZ, 1980).
O terceiro tipo de fratura observada, característica de alta temperatura, retorna à
ductilidade (1000 - 1300K). Essas fraturas não apresentam microcavidades típicas de
baixa temperatura. Ao invés disso, apresentam uma aparência fibrosa, com grandes
aumentos apresenta contorno de grão deslizando e cisalhando. As superfícies ainda
apresentam facetas de contornos de grão, mas essas aparentam ter deformado e deslizado
umas sobre as outras em vez de se separar com facetas nítidas e limpas (REED-HILL e
DIAZ, 1980).
Figura 21 - (a) Característica de falha demonstrando alta ductilidade; (b) Falha mostrando início da
fragilização; (c) Falha típica na faixa de fragilização; (d) Micrografia mostrando falha em alta
temperatura retornando a região dúctil.
Fonte: Reed-Hill e Diaz, 1980.
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24
3.8. Glove box
De forma a evitar ou diminuir os efeitos causados pelas impurezas durante a
soldagem, deve-se limpar os materiais a serem unidos, e ainda, proteger a soldagem
durante a sua execução, utilizando câmaras de gás inerte ou atmosfera controlada. Uma
limpeza cuidadosa para desengordurar a superfície da chapa logo antes da soldagem, bem
como uma boa preparação da área a ser soldada são essenciais. São recomendadas juntas
de flange ou sem corte. Com a utilização de câmaras há uma limitação das dimensões das
peças que podem ser soldadas. No caso de equipamentos de processo de grandes
dimensões é necessário desenvolver outros meios que sejam flexíveis e permitam fazer
essa proteção durante a soldagem. (ROLO, 2015)
Um exemplo de câmara utilizada para a soldagem desses materiais é a glove box,
Figura 22, uma câmara que permite que as mãos de um operador tenham acesso direto
dentro da câmara sem comprometer a atmosfera dentro da mesma. Um par de mangas de
um material flexível são seladas na câmara em torno de aberturas de acesso. Desse modo
é possível um operador inserir a mão e o braço através da manga. (COX et. al, 1975).
Figura 22 - Exemplo de glove box.
Fonte: Terra Universal – Critical Environment Solutions
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25
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1.Construção da câmara para a soldagem na Pfaudler
Primeiramente foi elaborado um croqui para a construção de um aparato para que
fosse possível realizar a soldagem em um ambiente inerte, como pode ser visto na Figura
23. Essa câmara consiste basicamente de uma mesa (1) e uma cúpula de acrílico (2)
apoiada sobre ela, no croqui também pode ser observada a máquina de solda (3) acoplada
a uma fonte de energia (4) e um cilindro de argônio (5), que será utilizado na tocha de
soldagem (6). O segundo cilindro de argônio (7) tem a função de criar um ambiente inerte
dentro da câmara, ligado às conexões da mesa (8) por mangueiras (9).
Figura 23 - Croqui com esquema completo para a soldagem.
Fonte: Autoria própria.
4.1.1. Confecção da mesa
Para a confecção da mesa foram utilizados uma chapa de aço de 9,5 x 710 x
1500mm para o tampo e tubo de aço SCH Ø 3” 10s para as pernas. Na Figura 24 podem
ser vistos os materiais para a confecção da mesa, e na Figura 25 a mesa pronta.
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26
Figura 24 - (a) Corte da chapa e tubos para a preparação da mesa para a soldagem, (b) Furação da chapa
para passagem de gás inerte para a soldagem, (c) Detalhe da furação da chapa, (d) Detalhe dos pés da
mesa preparados.
(a) (b)
(c) (d)
Fonte: Acervo do autor.
Figura 25 - (a) Mesa para a soldagem montada.
Fonte: Acervo do autor.
4.1.2. Confecção da cúpula de acrílico Sobre a mesa confeccionada será colocada uma cúpula de acrílico (Glove Box)
para que a soldagem possa ser feita em um ambiente controlado. Na Figura 26, é
apresentado o croqui da cúpula.
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27
Figura 26 – Croqui da cúpula de acrílico (a) Vista isométrica (b) Vista planificada.
(a)
(b)
Fonte: Autoria própria.
Foi então elaborado um desenho para corte da chapa de acrílico, Figura 27, que
foi enviada para corte por jato de água.
Figura 27 – Desenho para corte da chapa de acrílico por jato d’água.
Fonte: Autoria própria.
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28
A partir do croqui foram elaborados gabaritos que auxiliaram no dobramento do
acrílico, e o dobramento do material foi realizado em uma dobradeira com o auxílio de
sopradores de ar quente, obtendo o resultado apresentado na Figura 28.
Figura 28 - Acrílico dobrado (a) Vista frontal e (b) Vista lateral.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
Feito isso as partes foram unidas por pequenas chapas fixadas por rebites,
garantindo estabilidade, Figura 29. Então utilizou-se uma cola de acrílico Interlasershop
ultra forte S-330, ideal para colagem de chapas acrílicas “Cast” ou extrudadas. Seu
constituinte principal é o monômero de metacrilato de metila, matéria-prima dos plásticos
acrílicos. De alta transparência e cristalinidade, garante elevada resistência mecânica à
junta colada assegurando perfeita estanqueidade e prolongada resistência às intempéries.
É a única cola para acrílicos que permite obter juntas praticamente invisíveis e
transparentes e cuja resistência se aproxima à do próprio acrílico. Apresenta excelente
aderência em muitos outros materiais, comportando-se como uma ligação estrutural em
termoplásticos.
Para garantir a vedação foi colocada em toda a base do acrílico uma fita colante
de borracha onde serão colocados os grampos para fechamento da câmara, evitando que
haja quebra do acrílico e evitando vazamentos.
Figura 29 – (a) Fixação e vedação dos acrílicos e (b) Detalhe dos rebites.
(a) (b)
Fonte: Arcervo do autor.
-
29
O passo seguinte foi a fixação das luvas, Figura 30, para isso foram utilizadas
pestanas na parte externa do acrílico e anéis na parte interna, sendo esses fixados ao
acrílico com rebites. Posteriormente foi colocada a luva, fixando-as com abraçadeiras de
nylon.
Figura 30 - Fixação das luvas, (a) Luva de neoprene e (b) Detalhe da fixação.
(a) (b)
Fonte: VWR Internacional
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30
montá-la novamente, Figura 32. A máquina de solda utilizado foi a MaterTIG MLS 3003
da marca Kemppi, DC com inversor e start de alta frequência, com tocha número WP9,
copo número 7 sem espelho no difusor.
Figura 32 – Máquina de solda, (a) Inserção da tocha de soldagem, (b) Máquina e cilindro de Argônio
utilizados e (c) Detalhe da máquina de solda.
(a) (b) (c)
Fonte: Acervo do autor.
Enquanto isso também foram instaladas mangueiras, através de conectores, na
mesa, e ligado ao cilindro de argônio, como na Figura 33. Assim finalizou-se a montagem
da câmara e deu-se início aos testes de soldagem.
Figura 33 – Instalação do Argônio (a) Conexão e ligação da mangueira e (b) Ligação da câmara ao
cilindro de Argônio.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
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31
4.2. Soldagem na Pfaudler
A liga utilizada para a soldagem é uma liga de Tântalo com 2,5% de tungstênio.
Sua especificação é R05252 tantalum alloy 97,5% Ta e 2,5% W, vaccum arc melt
(CATALOGO 7, 2014), em forma de chapas de 0,8 mm (0,03”) de espessura, segundo a
norma ASTM B708 - 01 - Standard specification for Tantalum and tantalum alloy plate,
sheet and strip em que a composição do material é especificada na Tabela 8 (ASTM,
2004).
Tabela 8 - Composição da liga de Tântalo
Elemento C O N H Fe Mo Nb Ni Si Ti W Ta
% 0,010 0,015 0,010 0,0015 0,010 0,020 0,50 0,010 0,005 0,010 2,0-
3,5
restante
Fonte: ASM Handbook. ASM International, 2004.
Primeiramente foram realizados testes em uma chapa para definição dos melhores
parâmetros para a soldagem. No início foi testado 50A, mas após os testes constatou-se
que o melhor valor era de 55A. A primeira soldagem foi realizada sem limpeza prévia e
sem acompanhamento da umidade do ar da sala onde se realizou o teste, o que resultou
em uma solda não satisfatória.
Realizou-se a limpeza da chapa com álcool etílico absoluto 99,5 GL. Em seguida
a chapa foi colocada dentro da câmara e fechada, nesse momento foi usado um maçarico
para aquecer toda a superfície da chapa com a intenção de retirar toda a umidade presente
no material e na superfície da mesa. Feito isso foi dado início ao fluxo de argônio de 15
L/min por cinco minutos com a intenção de retirar todo o oxigênio e outros elementos
que pudessem interferir na soldagem. Foi utilizado um medidor de teor de gases para se
determinar o teor de oxigênio dentro da câmara. Nesse momento teve início a soldagem,
podendo diminuir o fluxo de argônio para 12 L/min. Como a umidade também pode
influenciar na solda, a umidade reativa do ar na sala foi monitorada e estava em torno de
35%.
A soldagem realizada foi do tipo autógena, sem material de adição, utilizando uma
tocha WP9, refrigerada à água, copo número 7 sem espelho no difusor e eletrodo de
tungstênio 2,5% tório. Como parâmetro utilizou-se 60A, e como foi realizada
manualmente, a velocidade não foi controlada. A máquina foi programada para ir de 0 a
60A em 1 segundo, com 1,5 segundos de pré gás. Foi feita a soldagem e então foi deligada
após 1 segundo de 60 a 0A com 1,5 segundos de pós gás. O Argônio utilizado foi o de
-
32
solda. As dimensões das chapas variaram entre os testes, mas possuíam aproximadamente
60x120mm.
4.3.Aparato para a soldagem no Demar
Como nos testes realizados na empresa Pfaudler não foi obtida uma
reprodutibilidade dos resultados, foi decidido realizar uma soldagem com um aparato
diferente no Departamento de Engenharia de Materiais. Para essa soldagem foi utilizado
o aparato esquematizado na Figura 34. Nele tem-se três pequenas caixas (1) em forma de
paralelepípedo, em que uma das faces possui perfurações por onde passa um fluxo de
argônio. Cada caixa está ligada a uma mangueira (2), ligada a distribuidor e medidor de
vazão (3) que por sua vez estão ligados ao cilindro de argônio (4). O argônio utilizado foi
o argônio de solda.
Figura 34 - Esquema do aparato de soldagem do Demar.
Fonte: Autoria própria.
Sendo assim, além do fluxo de argônio da tocha de soldagem (6), proveniente do
cilindro (7), há mais três fluxos para proteger a chapa de tântalo contra oxidação, um
fluxo da caixa inferior para cima onde está apoiada a chapa, um fluxo da caixa da esquerda
para a direita e um fluxo da caixa da direita para a esquerda, Figura 35.
-
33
Figura 35 - Detalhe fluxo de argônio no aparato do Demar.
Fonte: Autoria própria.
4.4. Soldagem no Demar
Foram realizadas soldagens com duas chapas de 30x120mm, sendo a primeira
com espessura de 1,5mm e a segunda com espessura de 0,8mm. Por análise de
fluorescência de raio X, semiquantitativa sem padrões, com determinação de elementos
químicos de flúor a urânio em equipamento Axios MAX – PANalytical, obteve-se a
seguinte composição da chapa de tântalo de 0,8mm, Tabela 9.
Tabela 9 - Composição da liga de Tântalo
Elemento P S Al Ca Na F Si Ta
% 0,01 0,01 0,02 0,03 0,03 0,43 0,72 98,75 Fonte: Autoria própria.
Sendo assim, foram realizados os testes com a chapa de espessura de 1,5 mm e
de 0,8mm. Os parâmetros adotados para a chapa de espessura 1,5mm foram 90A com
fluxo de argônio de 15 L/min e 95A com fluxo de argônio de 20 L/min. Com esses
parâmetros não foi possível obter penetração suficiente, devido a isso optou-se por fazer
outro cordão no outro lado da chapa.
Devido à possibilidade de formação de poros e de não obtenção de uma solda
com boa penetração, optou-se por realizar outra soldagem, agora com a chapa de 0,8mm.
Utilizou-se uma corrente de 60A, com um fluxo de argônio de 15 L/min. As chapas de
90x30mm foram dispostas e presas no aparato. É iniciado o fluxo de argônio e
posteriormente inicia-se a soldagem, obtendo três amostras de aproximadamente
180x30mm.
-
34
4.5. Ensaios de tração
Todas amostras foram preparadas e ensaiadas seguindo a norma ASTM
E8/E8M-16a, utilizando as medidas reduzidas, Figura 36.
Figura 36 - Dimensões corpo de prova de tração.
Fonte: Autoria própria.
Os corpos de prova foram cortados de modo a situar o cordão de solda no ponto
médio de seu comprimento útil, sendo objetivo desse teste a determinação da resistência
à tração das amostras soldadas por união de chapas.
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal de ensaios
mecânicos EMIC modelo DL 10000 pertencente ao Laboratório de Ensaios Mecânicos
da EEL/USP. Na Figura 37, pode-se ver uma amostra em diferentes estágios do ensaio.
Após realização dos ensaios de tração as amostras foram cortadas e foi realizada a análise
da fratura do corpo de prova via microscopia eletrônica de varredura no equipamento
Hitachi TM3000, pertencente ao departamento de engenharia da EEL-USP e
posteriormente foram caracterizadas metalograficamente.
Figura 37 - Corpo de prova durante o ensaio (a) inicio, (b) deformação e (c) ruptura.
(a) (b) (c)
Fonte: Acervo do autor.
-
35
4.6. Caracterização metalográfica
4.6.1. Preparação metalográfica
Foram preparadas metalograficamente as amostras da chapa de 0,8 mm soldadas
no Demar, após serem submetidas aos ensaios de tração. Primeiramente cada amostra foi
nomeada de acordo com a Tabela 10.
Tabela 10 - Nomenclatura das amostras.
Nomenclatura Amostra Local da
soldagem
Espessura da
chapa
Ta0,8D-1 1 Demar 0,8mm
Ta0,8D-2 2 Demar 0,8mm
Ta0,8D-3 3 Demar 0,8mm Fonte: Autoria própria.
Posteriormente as amostras foram embutidas em resina fenólica em uma prensa
isostática Struers, Figura 38 (a). Feito isso as amostras foram lixadas, em politriz Arotec
modelo ARAPOL 2V, Figura 38 (b), com lixas de carboneto de silício com granulometria
1200 e 2000 mesh, seguido de um polimento com uma suspensão de OP-U e pano MD
Chem, foram intercalados períodos com rotação de 600 rpm e períodos com a politriz
parada, fazendo movimentos de “vai e vem” com a amostra.
Figura 38 - (a) Prensa isostática Struers utilizada para ebutimento da amostra e (b) Politriz Arotec
utilizada para lixamento e polimento das amostras.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
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36
Para o ataque químico, as amostras foram imergidas durante aproximadamente 4
minutos numa solução de 30 mL de HNO3, 10 mL de H2O e 10 mL de HF. O ataque
químico revelou com clareza os contornos de grão das amostras.
4.6.2. Aquisição de imagens via Microscópio Ótico
A microestrutura das juntas soldadas foi caracterizada por microscopia ótica
(MO), com o auxílio de um microscópio ZEISS modelo AXIOVERT 40 MAT. Foram
obtidas imagens em diferentes ampliações das amostras, observando a diferença de
tamanhos de grão e a qualidade da solda.
4.7. Dureza
Foi realizado ensaio de microdureza em um equipamento Micromet 2004 –
Burhler, Figura 39, utilizando a norma ASTM E384, onde foram efetuadas 3 linhas de
impressões perpendiculares ao cordão de solda, sendo essas feitas a 1
4,
1
2,
3
4 da
profundidade total da solda, com carga de 25 gf por 15 s, com o intuito de obter o perfil
de dureza para cada amostra. O objetivo é analisar a dureza das diferentes regiões da
solda.
Figura 39 - Microdurômetro Micromet 2004 utilizado para ensaio de dureza.
Fonte: Acervo do autor.
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37
5. RESULTADOS
5.1. Soldagem Pfaudler
Primeiramente foi realizado uma soldagem sem atmosfera protetora para analisar
o resultado obtido, Figura 40. No qual é possível observar que há muita oxidação da
amostra, além disso o material trincou por toda a extensão da solda.
Figura 40 - Soldagem sem atmosfera protetora.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
No primeiro teste utilizando a atmosfera protetora foi obtida a amostra da Figura
41, foi possível unir as duas chapas, mas era visível que ainda havia oxidação do Tântalo,
mesmo com a atmosfera de argônio. Percebendo isso, decidiu-se dobrar a amostra
manualmente, e percebeu-se que a solda fragilizou-se, pois rompeu-se de forma frágil.
Figura 41 - Resultado da primeira soldagem.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
No segundo teste, Figura 42, não foi possível unir as partes, a amostra mostrava
falta de penetração e havia muita dificuldade para realizar a soldagem.
-
38
Figura 42 - Resultado da segunda soldagem.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
As dificuldades de realização da soldagem foram atribuídas à possível umidade
do ar na sala e a falta de limpeza correta das chapas. Na terceira tentativa as amostras
foram limpas com álcool, foi monitorada a umidade relativa do ar e foi utilizado um
maçarico para aquecer a chapa, retirando sua a umidade, obteve-se assim a amostra com
melhor aspecto de soldagem, Figura 43.
Figura 43 - Resultado da terceira soldagem, (a) frente (b) parte de trás.
(a) (b)
Fonte: Acervo do autor.
Essa foi a soldagem em que se obteve melhor penetração e fusão suficiente, além
disso ao dobrar a amostra manualmente ela não se rompeu. Como pode ser visto na Figura
44.
Figura 44 - Chapa dobrada manualmente.
Fonte: Acervo do autor.
-
39
A partir disso acreditou-se que a umidade seria fator determinante para a
qualidade da solda e decidiu-se por realiza-la em um local com umidade controlada.
Entretanto não obteve-se uma amostra satisfatória nesse quarto teste, Figura 45.
Figura 45 - Resultados do quarto teste.
(a) (b) (c) (d)
Fonte: Acervo do autor.
As amostras não apresentaram penetração e fusão suficiente, além de apresentarem
oxidação. É necessário realizar mais testes para que seja possível compreender o porquê
da falta de reprodutibilidade dos testes, sendo que eram realizados com os mesmos
parâmetros, no mesmo ambiente, com a mesma porcentagem de oxigênio medida, mesma
atmosfera de argônio e umidade relativa.
5.2. Soldagem Demar
Na Figura 46 pode-se observar os resultados dos testes com a chapa de 1,5mm de
espessura realizados no Demar. Devido à espessura da chapa, com os parâmetros
adotados não foi possível obter penetração suficiente, por isso optou-se por fazer outro
cordão no outro lado da chapa. Entretanto, por esse método existe a possibilidade de haver
formação de poros na solda.
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40
Figura 46 - Testes de soldagem realizados na chapa de 1,5mm de espessura.
Fonte: Acervo do autor.
Desta forma, para a realização dos demais testes e caracterização, realizou-se a
soldagem da chapa de 0,8mm de espessura, onde foram obtidas três amostras de
aproximadamente 180x30mm, Figura 47.
Figura 47 - Resultado da soldagem realizada no Demar da chapa de 0,8mm de espessura.
Fonte: Acervo do autor.
5.3.Testes de tração
As amostras foram usinadas obtendo três corpos de prova para o ensaio de tração,
Através dos quais obteve-se a tensão média de 238,9±21,22 MPa, Sendo a tensão mínima
221,0MPa e a máxima 262,4MPa. Através de medições realizadas antes e após o ensaio
de tração, foi calculado o alongamento percentual de cada amostra. Na Tabela 11
encontram-se esses valores para cada uma das amostras. Os valores de limite de
resistência são próximos aos encontrados por (MAXIMO, 2015) em testes de tração em
chapas de tântalo soldadas.
-
41
Tabela 11 - Tensão encontrada para os corpos de prova ensaiados.
Amostra Limite de
Resistência ao
Escoamento
(MPa)
Limite de
Resistência à
Tração (MPa)
Alongamento
Percentual (%)
Ta0,8D-1 213,35 233,40 1,3%
Ta0,8D-2 202,85 221,03 1,8%
Ta0,8D-3 247,10 262,37 1,0%
Ta (literatura)* 285,00 650,00 5,0% (Trab. a frio)
30% (Recozido) Fonte: Autoria própria.
*Valores obtidos em Eaglealloys, 2020.
Pode-se observar, Figura 48, que a ruptura ocorreu próximo à solda, ou seja, a
ruptura ocorreu na região ZAC, (Zona Afetada pelo Calor) isso pode indicar que ocorreu
um aumento da dureza nessa área, fragilizando assim, essa região.
Figura 48 - Corpos de prova após o ensaio de tração (a) Ta0,8D-1, (b) Ta0,8D-2 e (c) Ta0,8D-3.
(a) (b) (c)
Fonte: Acervo do autor.
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42
Pelas curvas obtidas, alongamentos calculados e