Estudo das Zonas termicamente Afetadas ZTA

Titulação Nome do Professor(a) Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) Campo Grande, dia de mês de 2018 SOBRENOME, Nome Prenome do autor. Um Estudo de Descrição das Zonas Termicamente Afetadas: Soldagem com Eletrodos Revestidos. f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Centro Universitário Anhanguera, Campo Grande, 2018. f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Centro Universitário Anhanguera, Campo Grande, 2018. ABSTRACT The stick electrodes welding is one of the main and most important processes of mechanical sector, being employed on a large scale in various market sectors, due to present numerous advantages, in the formation of a weld. However, despite this process represent a mechanical method efficient, can be responsible for promoting the transformation of the microstructure of metal regions and bring losses, especially the Thermally affected Zone (ZTA).

This area, although little discussed by scholarly works, comprises an area of great relevance, since they can affect the structural safety and, consequently, resistance of metallic material. DECOESÃO LAMELAR 26 4. TRINCAS DE REAQUECIMENTO E LIQUAÇÃO 26 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 28 REFERÊNCIAS 30 1. INTRODUÇÃO No atual cenário econômico brasileiro, e em virtude dos padrões de exigência e da demanda de produção, a busca pela melhoria contínua tem incentivado inúmeras empresas do setor mecânico a implantar tecnologias e rever processos, visando estabelecer o ideal controle de suas atividades, serviços e produtos (CASTRO, 2011). Considera-se que a soldagem represente um dos mais importantes processos mecânicos utilizados no mundo moderno (CASTRO, 2011). Dentre os inúmeros métodos existentes, o arco elétrico com eletrodo revestido constitui um processo que merece destaque, uma vez que, segue sendo utilizado em grande escala, devido sua alta versatilidade, ao baixo custo de operação, simplicidade dos equipamentos e a possibilidade de ser aplicada em locais de difícil acesso ou sujeito a condições adversas (ÁQUILA, 2012).

De modo que, os consumidores, fornecedores e revendedores, passaram a exigir a excelência de processos produtivos e/ou da execução de serviços. Neste contexto, o mercado se tornou um ambiente altamente competitivo, em que as organizações de inúmeros setores (comercial e/ou industrial) buscam estabelecer e implantar processos mais seguros e eficientes, tanto na fabricação de produtos, quanto na execução de atividades (PEIXOTO, 2012). Este fato, prevê a revisão e análise dos ciclos produtivos, administrativos e financeiros, com a finalidade de identificar processos falhos ou pontos que possam ser melhorados, visando aumentar o desempenho organizacional e a proporcionar a melhoraria da imagem corporativa, que, consequentemente, objetiva atrair maior margem de lucro e conquista de clientes. O setor mecânico, não se diferencia destes, a engenharia mecânica estrutural (que lida com a fabricação e instalação de peças, pré-moldados, serviços de montagem, entre outros), segundo Beer (2015), representa uma modalidade empresarial importante para o desenvolvimento social e econômico do país.

A segurança estrutural, bem como a uniformidade de peças (visual e não visual: resistência), são exigidas pela sociedade, seja pelas grandes indústrias construtoras, ou pela população, ao adquirir uma ou outra peça para sua residência. Este processo pode ser classificado, primeiramente, de acordo com a forma de execução. Desta forma, segundo Silva (2009), a soldagem pode ser classificada em: manual, semi-automática, mecanizada e automática. A soldagem manual, como ressalta o mesmo autor, representa a operação realizada e controlada pelo profissional, nomeado como “soldador”. Na semi-automática, a alimentação do arame do metal de adição é executada por meios mecânicos (automático), mas com o controle manual do soldador, em relação ao posicionamento da tocha e de seus deslocamentos.

Já na soldagem mecanizada, a alimentação também é automática, porém o controle de deslocamento do cabeçote é realizado por um equipamento, que conta com o acionamento e supervisão do operador de soldagem. Por esta questão, este tipo de processo provoca alterações menos significativas sobre a estrutura e propriedades dos metais e, consequentemente, oferece menos risco da ocorrência de efeitos negativos. Já a soldagem por fusão, constitui um método responsável por aquecer os materiais até o seu ponto de fusão, por meio de uma fonte de calor, a qual pode ser de origem termoquímica, elétrica, mecânica (explosão) ou energia radiante (laser e feixe de elétrons), e que vem solidificar o metal posteriormente (MAXWELL, 2015). Desta forma, representa a aplicação localizada de calor na região de união, que atua destruindo as superfícies de contato e, consequentemente, promove a união dos materiais pela solidificação do metal fundido, como ilustra a Figura 2 (SILVA, 2010).

Fonte: Silva (2010, p. Há uma grande variedade de processos de soldagem por fusão, de acordo com o tipo de fonte utilizada para fundir as peças. Este material é protegido da atmosfera por meio da decomposição do revestimento, que produz uma quantidade significativa de escória e gases de combustão (CALLEGARI; DADALTO, 2011). Uma vez que, estes dois elementos atuam na proteção da região a ser soldada e do metal de solda, durante o processo de solidificação (SCHIO, 2013). O eletrodo (Figura 4) é formado por um núcleo metálico (“alma”), de aproximadamente 250 a 500 mm de comprimento, recoberto por uma camada de minerais (argila, fluoretos, carbonatos, entre outros) e/ou outros materiais (celulose, ferros liga, entre outros), com um diâmetro variando entre 2 e 8 mm (CALLEGARI; DADALTO, 2011). Esta camada é considerada o revestimento do eletrodo (SCHIO, 2013).

Fonte: PEIXOTO (2012, p. Fonte: PEIXOTO (2012, p. O processo de soldagem de eletrodo revestido representa um dos mais versáteis, devido apresentar uma grande variedade de tipos de eletrodos, desde os tecnologicamente mais simples até os eletrodos especiais para ligas específicas e assim, ter a possibilidade de soldar diversos tipos de materiais. Esta característica, associada ao baixo custo do equipamento, foi responsável, ao longo dos anos, por conferir uma vasta gama de utilizações na indústria, caracterizando o processo de soldagem mais utilizado no Brasil (MAXWELL, 2015). Este tipo de soldagem pode ocasionar alguns problemas no material metálico, devido, principalmente, a má soldabilidade, que podem originar falhas no material, durante a soldagem ou o serviço, tais como a formação de trincas (trincas a quente, trincas a frio e trincas de reaquecimento), porosidades, modificações microestruturais na zona termicamente afetada (ZTA) e, consequentemente, a perda de propriedades do material, em virtude de transformação indesejável (fragilização, precipitação e amolecimento) durante os ciclos de soldagem (MAXWELL, 2015).

Funções e tipos de revestimentos Os revestimentos têm por função estabelecer a proteção do metal da solda, que se torna fundamental para garantir que o material seja integro, livre de bolhas de gás e tenha resistência, bem como a ductilidade adequada. Entretanto, exigem que os profissionais soldadores sejam devidamente treinados e qualificados para manuseá-lo, uma vez que, podem absorver umidade e, consequentemente, prejudicar as suas características operacionais. Vantagens e desvantagens do processo O processo de soldagem com eletrodo revestido fornece inúmeras vantagens, dentre estas, é possível ressaltar, segundo Callegari e Dadalto (2011) que os equipamentos utilizados para executar o processo são simples, portáteis e baratos. Além disso, o processo não necessita de fluxos ou gases externos, é pouco sensível a presença de correntes de ar, extremamente versátil (em termos de materiais soldáveis) e facilidade de atingir áreas de difícil acesso (restritas).

Já de acordo com Moraes et al (2015), este tipo de soldagem apresenta algumas desvantagens que podem ser significativas, entre estas: aplicação difícil para materiais reativos, produtividade relativamente baixa (devido a interrupção para a troca do eletrodo e remoção da escória), exige atividades de limpeza após cada passe de soldagem, e necessita de cuidados especiais no tratamento e manuseio dos eletrodos. ZONA TERMICAMENTE AFETADA (ZTA) Nos processos de soldagem por fusão, ocorre o aquecimento dos materiais metálicos e, consequentemente, a união (fusão) localizada dos mesmos, seguido por um rápido resfriamento sob condições especificas e características do caso. Por esta questão, de acordo com Castro (2011), a ZTA, dependendo da severidade dos ciclos e do material que está sendo soldado, poderá apresentar diferentes características metalúrgicas e propriedades mecânicas.

Dentre as possíveis alterações é possível observar nesta região o crescimento de grãos, dissolução ou coalescimento de precipitados, e ainda o recozimento (PEIXOTO, 2012). Segundo Peixoto (2012), no caso de metais não transformáveis (alumínio), a mudança estrutural considerada mais frequente corresponde ao crescimento de grãos ou recozimento, já em relação aos metais transformáveis (ações de carbono e de baixa liga), as transformações tendem a ser mais complexas. A extensão da ZTA está associada ao gradiente térmico (temperatura de pré-aquecimento e características térmicas do metal de base), a espessura e geometria do chanfro da chapa (CASTRO, 2011). O aumento da energia de soldagem contribui para a expansão da ZTA (amento da área) (SCHIO, 2013). Já para aços mais ligados, esta subzona é caracterizada, basicamente, por uma microestrutura bainítica e/ou martensítica, em função do aumento de temperabilidade da região devido ao aumento do seu tamanho de grão austenítico (SILVA, 2010, p.

Sendo assim, como ressalta Peixoto (2012), esta região, de modo geral, é caracterizada por uma estrutura grosseira, que conta com placas de ferrita, podendo ainda conter perlita, bainita ou martensita. De acordo cm Silva (2010), considera-se que esta zona seja a mais problemática da ZTA de um aço, uma vez que, pode ocorrer dureza elevada, bem como a perda da tenacidade e ser ainda, um local susceptível à formação de trincas (fissuração a frio). Além disso, a região de grãos grosseiros, quando submetida a uma sequência de passes na soldagem, dependendo de sua localização e da temperatura de reaquecimento, pode experimentar um ou mais ciclos térmicos, que poderão promover a alteração da estrutura para: região de grãos fino, região intercrítica ou região subcrítica (CASTRO, 2011).

A Região de Grãos Finos compreende a região submetida a temperaturas mais baixas, entre 900°C a 1100°C, que não permitem que a austenita formada cresça consideravelmente, resultando assim, na formação de um grão pequeno, após o resfriamento (SILVA, 2010). Desta forma, constitui uma região que pode ser considerada como um “elo fraco” em uma junta soldada que, em condições normais, seria suficientemente resistente, por apresentar suas propriedades físico-químicas originais (FORTES, 2015). Sua estrutura granular é, portanto, considerada fraca, em comparação com aquela encontrada no metal de base circunvizinho ou ainda, no metal de solda (TIBURI, 2007). Por esta questão, esta zona constitui uma região propicia a defeitos, sujeita a apresentar características que possam ser prejudiciais ao desempenho do material metálico (TIBURI, 2007).

Segundo Castro (2011), a ZTA representa uma região potencial de descontinuidades, de modo que, o seu comportamento se torna um aspecto importante, a ser estudado no processo de soldagem. Levando em consideração que o ciclo térmico (Figura 9), do processo de soldagem com eletrodo revestido, representa um método que prevê o aquecimento rápido (centenas de graus por segundo) do corpo metálico, em alcance ao pico da temperatura, e depois, o resfriamento acelerado, até a temperatura ambiente, é possível observar que estas variações podem promover efeitos prejudiciais (REICH, 2013). Quando se encontra presente na atmosfera do arco, acaba por se dissociar em hidrogênio atômico, o qual é facilmente absorvido pela poça de fusão, durante o ciclo de soldagem (CASTRO, 2011). Segundo Fortes (2015), os poros, relativamente grandes da ZTA, correspondem a sítios naturais de captura do hidrogênio atômico, de modo que, à medida que mais e mais átomos de hidrogênio migram até estes poros, formam moléculas que permanecem aprisionadas e, consequentemente, acabam por gerar pressões internas, dando origem a fissuras.

Este defeito pode ser definido como a fissuração por hidrogênio ou ainda, fissuração a frio (FORTES, 2015). E está diretamente associada, também, a velocidade de resfriamento, principal fator responsável por associar o hidrogênio à martensita (microestrutura temperada suscetível à fissuração), ocasionando trincas (CASTRO, 2011). De acordo com SEDUC (2015), quando a ZTA se resfria, a mobilidade do hidrogênio diminui e o mesmo tende a permanecer onde pode provocar este fenômeno. Neste caso, o crescimento do grão na ZTA pode ser evitado por meio da utilização de aços com maior temperatura de crescimento de grão. DECOESÃO LAMELAR A decoesão lamelar constitui um defeito que ocorre, geralmente, em chapas grossas, como resultado de imperfeições no metal de base, resultantes de deformações de soldagem e da formação inadequada da junta.

São, portanto, resultantes das deformações, impulsionadas pelo ciclo térmico do processo e, consequentemente, ocorrem próximas a ZTA, se manifestando por meio de trincas, e se propagando na forma de “degraus” (SEDUC, 2015). Este tipo de patologia pode ser agravada na presença de oxigênio, até mesmo em pequenas quantidades e recomenda-se, que as juntas sejam projetadas para evitar o máximo de contração, de modo a evitar a ocorrência de juntas cruciformes ou cordões espessos. Outra forma de evitar sua ocorrência conta com a utilização de eletrodos básicos, adequadamente ressecados, e a proteção de áreas sensíveis. Entretanto, se o processo é executado para produzir a menor ZTA possível, o material metálico poderá manter suas propriedades originais, em termos, principalmente, de resistência, não trazendo danos significativos a estrutura.

Porém, é possível concluir, também, que caso o processo de soldagem seja executado de forma inadequada, tanto por falta de capacitação, como pela ausência de controle do aporte térmico, este método é capaz de contribuir para o agravamento da ZTA, promovendo prejuízo e, consequentemente, defeitos, que podem comprometer o desempenho do material metálico, promovendo fissuras, trincas e rupturas da junção. Tal fato pode contribuir para perdas econômicas, em razão de vazamentos de fluídos e gases, bem como para, em casos graves, a ocorrência de acidentes e riscos à saúde dos trabalhadores ou população. Sendo assim, conclui-se que, para que a ZTA não venha afetar o desempenho das chapas metálicas, é necessário que o processo e a sequência de passes sejam controlados, e contém ainda com a utilização de métodos como pré-aquecimento e uso de eletrodos de baixo hidrogênio.

Mas, em principal, que o processo de soldagem seja planejado e executado de forma adequada, visando formar a menor ZTA e o menor impacto possível a estrutura, contando com profissionais capacitados, equipamentos de qualidade e com o revestimento ideal para o caso. Análise técnico-econômica dos processos de soldagem na reforma do alto forno I da Arcelor Mittal Tubarão. f. Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica). Universidade Federal do Espírito Santo. Vitória, 2011. cimm. com. br/portal/material_didatico/6288-principais-processos-de-soldagem-classificacao>. Acesso em: 11 de setembro de 2018. DUTRA, K. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2007. LIRA, H. M. R. L. Efeito dos parâmetros da soldagem nas propriedades mecânicas de juntas do aço API 5L X-80 soldadas pelo processo FCAW-G.

f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Acesso em: 08 de setembro de 2018. MODENESI, P. S. MARQUES, P. V. A. QUEIROS, T. H. S. BRIÃO, F. RECH, G. M. Avaliação de parâmetros para projetar um ensaio de fadiga acelerado em aço de alta resistência mecânica soldado. f. Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica). C. SILVA, O. M. M. RAYMUNDO, E. SEDUC. Processos de Soldagem. Ceará: SEDUC, 2015, 95 p. SCHAPIARO, Mario Gomes. Novos Parâmetros para a Intervenção do Estado na Economia: Persistência e Dinâmica na Atuação do BNDES em uma Economia Baseada no Conhecimento. SILVA, M. C. Determinação experimental da tenacidade à fratura da zona termicamente afetada de junta soldada de aço API 5L X80. f. Tese (Doutorado em Engenharia).

R. Avaliação da Zona Termicamente Afetada de um Aço Inoxidável Supermartensítico. f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas). Universidade Federal de Minas Gerais.