AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURAIS DE JUNTAS SOLDADAS COM GÁS ACETILENO EM CHAPAS DE AÇO 1020

J. A. da Silva Neto1, A. D. Silvestre1,D. D. S. da Silva2; H. S. Ferreira2; I. B. C. Dias2.

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1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba2Universidade Federal da Paraíba

RESUMO

Dentre os processos de fabricação utilizados, a soldagem tem destaque na industria. Porém, durante o processo de soldagem, as altas temperaturas atingidas alteram as características estruturais do material, consequentemente alterando as suas propriedades mecânicas. Com o ensaio de tração foi observado o declínio das propriedades mecânicas das chapas de aço 1020 soldadas com gás oxiacetileno. Durante o ensaio, os corpos de prova apresentaram fraturas na zona termicamente afetada. As juntas soldadas demonstraram, em média, 8,4% menos resistência a tração do que um corpo de prova não soldado, um declínio de 28,6 MPa comparando-se com um corpo de prova não soldado. O alargamento dos grãos na zona termicamente afetada, conforme visto nas micrografias, tornou o material mais frágil, devido a presença de cementita nos contornos dos grãos. A avaliação das juntas soldadas gerou dados relevantes sobre o processo de soldagem, seus efeitos no aço e seu uso no dimensionamento de projetos.

Palavras-chave: aço 1020, soldagem, oxiacetileno, tração, metalografia.

INTRODUÇÃO

A soldagem é o mais utilizado processo de união de metais utilizado na

indústria. Ela é aplicada desde estruturas simples como uma grade, até estruturas

complexas e pesadas como uma aeronave. A junta soldada deve apresentar um

grau de confiabilidade correspondente à aplicação, para isso devem-se conhecer as

suas propriedades mecânicas, evitando exceder os seus limites(1).

Atualmente existem inúmeros processos de soldagem, na qual podemos

dividi-los em processos de soldagem por fusão e por deformação. Entre os

processos de soldagem por deformação podemos destacar a soldagem por fricção e

por difusão. Já entre os processos de soldagem por fusão, os mais comuns,

podemos destacar a soldagem com eletrodo revestido, soldagem a plasma,

soldagem a laser e a soldagem oxi-gás.

Ao unir dois metais por meio de soldagem, modificamos a sua estrutura física

e química, consequentemente alterando as suas propriedades. No dimensionamento

de projetos o conhecimento das propriedades do material utilizado é fundamental.

Sabendo-se as especificações do material será dada a ele uma aplicação coerente.

O processo de solda a gás, utilizando o gás acetileno, foi escolhido para o

experimento por ser muito utilizado na união de chapas de pequena espessura e por

oferecer um controle preciso da chama.

Avaliar as propriedades de um metal é muito importante, pois é essencial que

ele satisfaça as condições exigidas quando for aplicado. Desta forma, o profissional

competente estará atento a estas informações no dimensionamento de seus

projetos. O presente trabalho estuda a avaliação da microestrutura de chapas finas

de aço 1020 após passar pelo processo de soldagem por fusão oxi-gás.

MATERIAIS E MÉTODOSMaterial

O material de estudo consiste de chapas finas de aproximadamente 1,40 mm

de espessura de aço-carbono SAE 1020.

Corpos de prova soldados com gás acetileno

O tipo de chama utilizada no experimento foi a neutra, assim obtendo uma

taxa de penetração mediana, evitando oxidar o metal e diminuindo contaminação da

microestrutura com óxidos. O material de adição utilizado foi o arame para solda

Gerdau OXI: R45.

Foram soldadas 30 chapas de dimensões 100 milímetro de comprimento por

80 milímetros de largura. Dessas chapas foram retirados as 10 amostras para

análise metalográfica. As chapas foram unidas soldadas apenas de um lado.

Para melhor analisar os efeitos da soldagem no metal, foram utilizadas cinco

posições durante o processo de soldagem: plana, sobreposta, horizontal,

ascendente e descendente.

Confecção dos corpos de prova para ensaios mecânicos

Os corpos de prova submetidos ao ensaio tração foram confeccionados nas

seguintes dimensões: 80 milímetros para o comprimento e 20 milímetros para a

largura. Eles foram preparados a partir das chapas soldadas, cortados por uma

guilhotina.

Em todos os corpos de prova foram usinadas seções na altura do cordão de

solda para concentrar as tensões provenientes do ensaio. Concentrar a tensão

nesse ponto pode determinar o quanto à solda resistirá, e se resistir, em qual outro

ponto do corpo de prova vai ocorrer a ruptura. Além do cordão de solda o ponto mais

propício a ruptura é a zona termicamente afetada.

Ensaio de tração

Os ensaios foram realizados em uma máquina de ensaios universal servo-

elétrica, modelo AG-X com capacidade de 10kN, fabricada pela Shimadzu. O

80 mm

7mm

mm

Cordão de solda

Figura 1: Dimensões de corpo de prova para tração.

software utilizado no controle da operação e no recolhimento de dados foi o

Trapezium X.

Os ensaios foram executados numa velocidade de 0,5 mm/min. A partir de

cada ensaio foram determinadas as seguintes grandezas: Força máxima e de

ruptura, tensão máxima e de ruptura, elongamento máximo e de ruptura e a

deformação máxima e de ruptura.

Caracterização microestrutural das juntas soldadas

Após a soldagem das chapas algumas foram selecionadas e tiveram partes

retiradas para análise metalográfica. Pequenas amostras foram retiradas das seções

soldadas e encaminhadas para serem embutidas em uma resina. A resina utilizada

foi o baquelite. O embutimento baseia-se no envolvimento da amostra por uma

resina, na qual a superfície a ser analisada é preservada. O embutimento facilitou o

manuseio e lixamento da amostra.

As amostras passaram pelo embutimento a quente utilizando baquelite Fortel

e uma máquina de embutir (Tempo Press, Panambra/Struess). Após o embutimento

as amostras foram lixadas.

Para o processo de lixamento foram utilizadas lixas de número 80, 100, 220,

320, 600, 800, 1000 e 1200. O uso de várias lixas com tamanho de grãos

decrescente torna a superfície mais plana e melhor de ser polida. Como último

processo de aplainamento das amostras, foi utilizado a politriz (DP 9ª,

Panambra/Struess) e Alumina Fortel de 1μm.

Com a superfície pronta, as amostras foram atacadas com o reagente

químico Nital 1%. Após o ataque as amostras foram analisadas no microscópio

modelo Axiotech, fabricado pela Carl Zeiss.

RESULTADOS E DISCUSSÃOCaracterização do aço 1020

Para obter fotografias da microestrutura da junta soldada, foram realizadas

análises microscópicas em laboratório, após a preparação de amostras para tal fim.

Em sua análise foram observadas as zonas afetadas pelo calor, como a zona de

fusão, zona de superaquecimento e a zona de normalização.

O ensaio metalográfico consiste em preparar o corpo de prova para ser

analisado microscopicamente ou macroscopicamente. Nesta análise o objetivo é

relacionar a estrutura do material com suas propriedades mecânicas, seu processo

de fabricação e com o desempenho de suas funções(3).

Baseado nos conhecimentos teóricos e práticos sobre soldagem

oxiacetilênica é normal prever que este processo crie zonas afetadas pelo calor. As

análises metalográficas feitas nas juntas soldadas tiveram por objetivo principal

observar estas zonas afetadas pelo calor.

Na micrografia A da Fig. 2 pode-se observar duas zonas distintas. A zona de

superaquecimento, indicada pelo ponto (1), caracterizada pela presença de grãos

grandes. Já na região indicada pelo ponto (2), conhecida como zona de

normalização, nota-se que como não foi tão afetada pela alta temperatura, pois seus

grãos não apresentam um grande aumento. O tamanho dos grãos é evidenciado

pela concentração de cementita nos contornos. Na micrografia B é evidenciado a

concentração de cementita nos contornos de grãos, que teve sua precipitação

favorecida pela presença de oxigênio no metal(3).

AA

Ensaio de tração na juntas soldadas

As propriedades mecânicas da junta soldada foram analisadas para avaliar os

efeitos gerados pelo processo de soldagem oxiacetilênica, assim como a análise da

microestrutura. O principal parâmetro observado foi a resistência a tração. Baseados

nesse parâmetro foram comparados os valores obtidos dos corpos de prova não

Figura 2: Micrografia da junta soldada. (A) Em aumento de 100x, 1: Zona de superaquecimento; 2: Zona de normalização. (B) Concentração de perlita em

aumento de 200x

A B

soldados e os valores obtidos dos corpos de prova soldados nas diversas posições

de soldagem. Os resultados numéricos obtidos do ensaio de tração foram

comparados com os valores já padronizados do aço 1020 laminado a frio, que é 420

MPa(4).

Tabela 1: Valores do ensaio de tração

Posição de soldagem

Valor médio de tensão

máxima (MPa)

Desvio padrão

Erro positivo (MPa)

Erro negativo (MPa)

Sobreposta 381,67 63,03 44,70 318,64

Plana 366,00 21,92 387,92 344,08

Horizontal 349,92 06,05 355,97 343,87

Ascendente 334,41 14,83 349,24 319,58

Descendente 129,11 01,16 130,27 127,95

Corpo de prova não soldado

340,80 17,20 358,00 323,60

Como pode ser visto na Tab. 1 há valores distintos variando com as diferentes

posições de solda utilizadas no experimento. O cálculo do desvio foi feito para

ilustrar as variações decorrentes do ensaio em virtude das mudanças no processo

de soldagem.

Um dado intrigante no gráfico é o valor de tensão máxima suportada do corpo

de prova não soldado. Apesar de ter sido fabricado da mesma chapa que foi

soldada, ele apresenta este valor inesperado devido a maneira que foi

confeccionado diferente dos outros. Dentre os corpos de prova, aqueles que foram

soldados na posição sobreposta destacaram-se na tensão máxima suportada, pois

foram os únicos que sofreram carga de cisalhamento. Em consequência deste fato

as rupturas que ocorreram durante o ensaio localizaram-se na zona termicamente

afetada, por ser uma zona frágil com grãos largos. Quanto aos outros corpos de

prova, soldados nas outras posições, romperam na junta soldada no ensaio de

tração. Alguns corpos de prova não apresentam a ruptura visivelmente. Nestes

casos o corpo de prova se mantém unido por pequenas partes que não romperam.

CONCLUSÕES

O estudo demonstra que soldas mais uniformes e com maior taxa de

penetração apresentam resultados mais eficientes e confiáveis, revelando que a

qualidade da solda e a habilidade do soldador influenciam nas suas características

estruturais.

É evidente que as propriedades mecânicas foram alteradas pelo processo,

pois os valores de tensão máxima declinaram consideravelmente em relação ao aço

laminadas a frio com valores variando de 39 a 291 MPa para as diferentes posições

de soldagem. As comparações evidenciam esta queda devido à junta soldada e a

zona termicamente afetada gerada pelo processo.

A análise microestrutural comprovou que houve queda na resistência do

material na zona termicamente afetada devido ao aumento dos grãos consequentes

do aquecimento. Além disso, a presença de oxigênio, derivado da mistura dos gases

no processo, foi fator influente na precipitação da cementita nos contornos dos

grãos. A presença da cementita tornou a estrutura mais frágil, devido à maior

concentração de carbono em relação à distribuição da perlita, fato este que durante

os ensaios de tração houve rupturas nas ZTAs.

Foram evidenciados grãos de ferrita contornados por cementita e ferrita por

meio da estrutura. Também foram observadas as zonas afetadas pelo calor como a

zona de fusão e a zona de superaquecimento, evidenciadas, principalmente, pelo

tamanho dos grãos.

Conclui-se que este processo de soldagem é indicado a estruturas de baixo

grau de confiabilidade e que não sofrerão grandes solicitações mecânicas. Apesar

de suas limitações, seu uso não é desencorajado em virtude do baixo custo de

produção e da fácil operacionalidade, embora se deva considerar o tipo de

solicitação para determinar o nível de eficiência e consequentemente à qualidade da

solda.

REFERÊNCIAS

[1] SIQUEIRA, Milton L. Seleção dos Processos de Soldagem. Disponível em:

<http://vsites.unb.br/ft/enm/vortex/ftp/TecMec2/Selecao.pdf> Acesso em: 04. Nov.

2010.

[2] ROHDE, Regis A. Metalografia Preparação de amostras. Disponível em:

<http://www.urisan.tche.br/~lemm/metalografia.pdf> Acesso em: 05. Jun. 2010. p. 6.

[3] COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3

ed. São Paulo: Edgar Blücher, 1974. p. 195.

[4] ASM INTERNATIONAL. Metals Handbook Desk Edition. 2 ed. American

Society for Metals, 1998. CD-ROM.

EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURAL OF WELDED JOINTS WIHT ACETYLENE GAS IN 1020 STEEL PLATES

ABSTRACT

Among the manufacturing processes used, the welding is highlighted in industry. However, during the welding process, the high temperatures reached alter the structural characteristics of the material, consequently altering its mechanical properties. With the traction test was observed the decline of the mechanical properties of 1020 steel plates welded with oxyacetylene gas. During the test, the specimens showed fractures in the heat affected zone. The welded joints showed, on average, 8.4% less tensile strength than a specimen not a soldier, a decline of 28.6 MPa compared with a specimen not a soldier. The enlargement of the grains in the heat affected zone, as seen in the micrographs, the material became more fragile due to the presence of cementite in the grain boundaries. The evaluation of the welded joints produced relevant data on the welding process, its effect on steel and its use in the design of projects.

Keywords: 1020 steel, welding, oxyacetylene, traction, metallography.