Análise da influência de metal de adição e gás de proteção em juntas soldadas de aço galvanizado

Analysis of the influence of filler metal and shielding gas on galvanized steel welded joints

RESUMO

A ampla adoção de aço galvanizado no segmento industrial, como a indústria automotiva, baseia-se em ótimas propriedades em conferir durabilidade aos produtos manufaturados, além de reduzir impactos ambientais e custos na cadeia produtiva, evitando-se corrosão e conferindo maior vida útil devido a camada protetora de zinco. Porém, essa camada quando submetida a processo de soldagem implica potenciais defeitos devido à evaporação de vapor de zinco e fragilidade do metal líquido durante a soldagem, com potencial geração de porosidade, falta de penetração ou fusão. Em última instância, esses defeitos podem trazer impactos significativos na redução de propriedades mecânicas, trincas e fraturas nas juntas soldadas. Neste trabalho, essas implicações são analisadas através das características microestruturais e propriedades mecânicas de juntas soldadas com aço galvanizado ZAR230 pelos processos de soldagem GMAW e FCAW, avaliando-se fatores mais amplamente modificados em escala industrial nessa técnica de soldagem: o tipo de metal de adição, sendo ele arame sólido ou tubulares – autoprotegido com proteção gasosa e sem proteção gasosa, e o tipo de gás de proteção (com misturas de 92% Ar + 8% CO², e 95% Ar + 5% O²). Utilizando-se de técnicas de microscopia ótica de varredura, metalografia, ensaios de tração e microdureza, os resultados apontam que todas as condições testadas possuem propriedades mecânicas de dureza e tração aceitáveis, com variação de presença de defeitos, inclusões e aspecto de cordão, sendo a melhor combinação a de uso do arame sólido com mistura 92% Ar + 8% CO².

Palavras-chave
Aço galvanizado; Arame tubular; Gás de proteção

ABSTRACT

The wide adoption of galvanized steel in the industrial segment, such as the automotive industry, is based on excellent properties in providing durability and weight reduction to manufactured products, in addition to reducing environmental impacts and costs in the production chain, avoiding corrosion, and providing longer lifecycle useful due to the protective zinc layer. However, this layer when submitted to the welding process implies potential defects due to evaporation of zinc vapor and fragility of the liquid metal during welding, with potential generation of porosity, lack of penetration or melting. Ultimately, these defects can significantly impact the reduction of mechanical properties, cracks, and fractures in welded joints. In this work these implications are analyzed through the microstructural characteristics of joints welded with ZAR230 galvanized steel by the GMAW and FCAW welding processes, evaluating the mostly common factors that are modified on an industrial scale in this welding technique: the type of filler metal, whether solid wire or tubular – self-protected with gas protection and without gas protection, and the type of protection gas (with mixtures of 92% Ar + 8% CO², 80% Ar + 20% CO² and 95% Ar + 5% O²). Using scanning optical microscopy techniques, metallography, tensile tests and microhardness, the results indicate that all tested conditions have acceptable mechanical properties of hardness and traction, with variation in the presence of defects, inclusions and welding bead, with the best combination being the use of solid wire with mixture 92% Ar + 8% CO².

Keywords
Galvanized steel; Metal cored wire; Shielding gas

1. INTRODUÇÃO

O processo de soldagem Gas Metal Arc Welding (GMAW), ampla e mundialmente utilizado devido à sua versatilidade, produtividade relativamente alta, simplicidade e confiabilidade [¹] apresenta algumas dificuldades no processo, devido ao número relativamente alto de parâmetros que precisam ser devidamente monitorados. Fenômenos e processos físicos complexos estão envolvidos, em razão do aquecimento/fusão e resfriamento/solidificação. A variabilidade de processo desses parâmetros traz intrinsicamente o aparecimento de defeitos de descontinuidades em solda [²].

Para sanar esses problemas, tem crescido a adoção de arames tubulares (processo Flux-Cored Are Welding – FCAW), com fluxo apropriado em seu interior para proteção do arco e do cordão. O uso de arame tubular no lugar de arame sólido diminui a taxa de respingos e aumenta a deposição de metal [³]. Porém, no FCAW, a inclusão de escória na poça de fusão é maior devido às impurezas provenientes tanto do fluxo, quanto do gás de proteção. Devido às inclusões mais altas, sua resistência à tração e alongamento são menores em comparação com o arame sólido além de que em juntas soldadas com arames tubulares há aumento da penetração podendo ser vinculado a solda de aço galvanizado no processo de Cold Metal Transfer (CMT) para redução de descontinuidades (defeitos) de solda [⁴]. Atualmente diversas técnicas são usadas na aplicação de arames tubulares em soldagem como o uso de FCAW de duplo arame, porém os resultados são mais significativos na produtividade da soldagem e não na qualidade da solda [⁵].

Esses defeitos são potencializados quando o material base é o aço galvanizado, devido à camada superficial protetiva de zinco que lhe confere maior durabilidade contra a corrosão [⁶,⁷,⁸,⁸] tem na utilização na indústria automobilística importante aplicabilidade, atrelada a ganhos de eficiência energética dos veículos devido a permitir redução de peso, com prevalência de melhor qualidade de solda para chapas finas de aço galvanizado com arames com baixo teor de desoxidantes [⁹]. Dado esse contexto, defeitos como a porosidade, falta de fusão, falta de penetração, respingo, mordedura ou trincas – cujo aparecimento pode ser facilitado pela fusão da camada de tratamento de proteção com arco elétrico – possuem maior significância de ser analisados e evitados [¹⁰, ¹¹], com intuito de coibir a redução das propriedades mecânicas do produto e consequentes fraturas, como a encontrada pela prevalência de poros em solda de aços galvanizados [¹²]. Com foco em atingir melhores condições para uso deste material a mudança da composição do metal de adição (redução de Mn e Si), o efeito do aporte térmico e o uso soldagem por fricção por ponto são experimentos realizados no intuito de avaliar efeitos nas propriedades mecânicas [¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶].

A associação de metais de adição, como são os arames tubulares, com variações de gás de proteção podem trazer combinações de propriedades melhores para regiões soldadas, modificando sensivelmente o modo de transferência metálica na soldagem do arame tubular [¹⁷]. No entanto, há poucos estudos que elucidam conclusões sobre uso de arame tubular em soldas de aço galvanizado e seus efeitos nas descontinuidades de solda, porém foi descrito [¹³] que há relações convincentes entre alguns elementos do arame e grau de porosidade. Assim, o objetivo dessa pesquisa é analisar os efeitos de metais de adição (arames) e gases de proteção nas características de soldagem de aço galvanizado, através da avaliação microestrutural e de propriedades mecânicas.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Nesse trabalho analisou-se o comportamento da microestrutura de juntas soldadas em metal base (aço galvanizado) usado em indústria de carrocerias de ônibus sob a influência de distintos metais de adição (arame sólido e arames tubulares) e gases de proteção – variáveis independentes. Combinando as variáveis independentes, os experimentos foram divididos em: três níveis para o tipo de metal de adição, três níveis para o gás de proteção, totalizando 7 condições de soldagem estabelecidas Tabela 1. Para cada condição foram adotadas três réplicas, ou seja, soldados três corpos de prova de dimensões 100 × 200 mm, totalizando 21 corpos de prova a serem avaliados.

Tabela 1
Planejamento experimental.

METAL DE ADIÇÃO	GÁS DE PROTEÇÃO	CONDIÇÃO	Nº AMOSTRAS
Arame sólido para aços galvanizados	92% Ar + 8% CO2	1	1,2,3
	80% Ar + 20% CO2	2	4,5,6
	95% Ar + 5% O2	3	7,8,9
Arame tubular com proteção gasosa	92% Ar + 8% CO2	4	10,11,12
	80% Ar + 20% CO2	5	13,14,15
	95% Ar + 5% O2	6	16,17,18
Arame tubular sem proteção gasosa autoprotegido	N/A	7	19,20,21

A escolha por essas combinações respeitou a abrangência e ficha técnica dos metais de adição, bem como consiste em combinações de gases respaldados pela literatura e de boa disponibilidade no mercado. Em virtude da utilização do arame tubular autoprotegido dispensar gás de proteção da tocha, nesta condição não foi utilizada mistura de gás adicional com intuito de avaliar eficácia deste na estabilização do arco e da camada de zinco na poça de fusão. Os parâmetros não avaliados na pesquisa (tensão, corrente elétrica, vazão de gás) seguiram a Especificação de Processo de Soldagem (EPS) do processo da empresa avaliada. Foi utilizada para execução da soldagem uma fonte trifásica convencional eletrônica com alimentador de arame da marca ESAB, modelo Smashweld318, com faixa de corrente de 50 a 420 A de tensão de 17 a 35 V, sendo carga a fator de 100% de 220 A/25 V e na utilização dos arames tubulares nessa fonte de soldagem foram instaladas roldanas recartilhadas de 1,2 e 1,6 mm.

O metal base para os experimentos manteve-se o mesmo para duas peças da junta soldada. Esse consiste no aço carbono galvanizado na espessura de 2,70 mm. Essa espessura foi escolhida, pois é a de maior aplicabilidade no processo produtivo da estrutura da carroceria de ônibus na indústria avaliada. De acordo com a NBR 7008 esse aço é classificado como ZAR230 possui as características de composição e propriedades mecânicas da Tabela 2 [¹⁸] e sua camada protetiva é obtida através do processo de imersão a quente.

Tabela 2
Características do metal base.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%)			PROPRIEDADES MECÂNICAS
C	P (max)	S (max)	LE (min) (MPa)	LR (min) (MPa)	Alongamento (min) (%)
0,20	0,04	0,04	230	310	22

Os metais de adição utilizados (arame sólido para solda de aço galvanizado, arame tubular sem proteção gasosa autoprotegido e arame tubular com proteção gasosa) foram escolhidos através de pesquisa da literatura e do estado da arte como sendo os de maior aplicabilidade para estabilização da poça de fusão, com suas propriedades expressas nas tabelas, possuindo as classificações e características das Tabelas 3 e 4 [¹⁹, ²⁰], advindas da ficha de especificação dos fabricantes.

Tabela 3
Composição química dos metais de adição.

ARAME	CLASSE (AWS A5.20)	DIÂMETRO (mm)	C (%)	Ma (%)	Si (%)
Arame sólido	ER70S-G	1	0,07	1,4	0,8
Arame tubular sem proteção gasosa	E71T-11	1,1	0,31	1,75	0,6
Arame tubular com proteção gasosa	E71T-1M	1,2	0,12	1,75	0,9

Tabela 4
Parâmetros de soldagem e propriedades mecânicas dos metais de adição.

ARAME	CORR. (A)	TENSÃO (V)	LE (MPa)	LR (MPa)	ALONGAM. (%)
Arame sólido	100 – 300	16,5 – 34,5	450	550	30
Arame tubular sem proteção gasosa	120 – 170	15 – 19	400	480 – 655	20
Arame tubular com proteção gasosa	115 – 230	21,5 – 26	390	490 – 670	22

O procedimento experimental consistiu na preparação de corpos de prova em dimensões de 150 × 150 mm (espessura metal base de 2,7 mm) cortadas em processo mecânico a frio, subsequente soldagem de cordão unindo os corpos de prova e depois deprezando-se (retirando) faixa de 25,4 mm no início e final do cordão de solda (AWS A5.20-95). Em processo mecânico a frio os corpos de prova foram seccionados em secções de cordão de 20 mm, que serviram para serem avaliados por distintas técnicas, sendo que para a realização de ensaios de tração foi respeitada geometria preconizada pela norma ASTM E8.M e utilizado equipamento de tração do fabricante Schenck, modelo UPM-200.

Foram realizadas as análises de micrografia e macrografia com microscópios Zeiss Axio modelo Scope.A1 e microscópio ótico de inspeção estereomicroscópio Zeiss Stemi modelo 2000-C, respectivamente. As amostras foram preparadas com lixamento ordenadas na sequência de granulometria de lixas 220, 400, 600 e 1200, consecutivamente e ataque químico de nital 10% para macrografia e 5% para micrografia.

Após, ocorreu a realização de microscopia ótica de varredura (MEV) no microscópio da marca Tescan, modelo Veja 3LM, sendo o ensaio conduzido sem ataque químico.

Para avaliação da dureza foram realizados perfis de microdureza com identações feitas em um microdurômetro Shimadzu, modelo HMV-G 20ST, usando carga de 0,2 kgf e com identações realizadas em três seções de cada condição: metal base (MB), metal fundido ou de adição (MA) e zona afetada pelo calor (ZAC).

3. RESULTADOS

Através da macrografia (Figura 01) foi possível identificar que a soldagem com arame sólido apresentou variações conforme o gás de proteção foi sendo alterado. Se na proporção de 92% argônio e 8% dióxido de carbono a solda foi mais uniforme e com boa penetração, mas apresentou excesso de reforço no cordão, considerando-se assim a melhor das condições para esse arame. Na combinação com argônio 80% e dióxido carbono 20% a penetração é boa, mas são observados defeitos na base gerados pela estabilidade do arco elétrico. Ao inserir oxigênio na taxa de 5% mais argônio (95%) há clara deposição e reforço de cordão, com igualmente boa penetração. Nestas condições com arame sólido, percebe-se que o arame possui uma adequada taxa de deposição para o material base usado e o fator gás de proteção tem pequena contribuição na qualidade final. Sendo assim, a combinação 92%Ar + 8%CO² é a de melhor qualidade na análise de macrografia.

Figura 1
Análise de macrografia.

Quando utilizados arames tubulares, há maior variação entre a qualidade das soldas. No arame tubular com proteção gasosa em todas as combinações de gases de proteção temos solda de cordões mais largos, se comparado com arame sólido, indicando energia de soldagem ou aporte térmico maior. Nas combinações de gases argônio e dióxido de carbono (92% + 8%; 80% + 20%) a solda revelou-se homogênea e de boa penetração, mas quando usado uma mistura com oxigênio (95%Ar + 5%O²) há sobreposição de material na raiz, fator esse que pode gerar concentrador de tensão. Já no uso do arame tubular autoprotegido de fluxo FCAW-S há falta de fusão combinado com excesso de reforço de cordão, sugerindo possível falha estrutural na solda.

Na análise das imagens reveladas pela técnica de micrografia, três regiões são distintas entre si na sua composição e organização microestrutural: a região de metal base (MB), região do metal fundido ou metal de adição (MA) e a região da zona afetada pelo calor (ZAC) ou termicamente afetada. Sob análise da microestrutura, o metal base não teve variação em nenhum dos experimentos realizados e, como mostra na Figura 2 a microestrutura é homogênea de ferrita na fase poligonal de grãos apresentando tamanho constante em todas as regiões.

Figura 2
Micrografia do metal base (aço galvanizado ZAR230) – ampliação 200×.

No entanto, as variações nas regiões ZAC e MA são mais pronunciadas para cada condição avaliada. Ao analisar a condição de arame sólido (ER70S-G) e gás de proteção 92%Ar + 8%CO² na região de metal de adição (Figura 3), constata-se que há presença de ferrita, podendo ser classificada como ferrita acicular (AF) e ferrita poligonal (PF). Na ZAC a microestrutura caracteriza-se pela presença exclusivamente de PF com grão aumentado.

Figura 3
Micrografia da junta soldada na condição de arame sólido (ER70S-G) e gás de proteção 92%Ar + 8%CO² – condição 01.

Mantendo-se o arame sólido e apenas alterando a proporção dos gases de proteção para 80%Ar + 20%CO², a microestrutura do material fundido (MA) já apresenta maior concentração de ferrita do tipo acicular (AF) e de inclusões do metal de solda, além de manter presença de ferrita poligonal (PF) (Figura 4). A ZAC apresenta grão de tamanho aumentado caracterizado como PF.

Figura 4
Micrografia da junta soldada na condição de arame sólido (ER70S-G) e gás de proteção 80%Ar + 20%CO² condição 04.

Na última condição, utilizou-se arame sólido, onde há a troca do gás de proteção para adição de 5% de O² com 95% de Ar. Constata-se na análise de microestrutura que há a caracterização de novo tipo de ferrita, a de Widmanstätten (Figura 5). Além desta, estão presentes inclusões do arame de solda e ferrita acicular e poligonal. A ZAC segue padrão das condições previamente analisadas com aumento de grão e caracterização de PF. É possível perceber na Figura 5 as 3 zonas de estudo da microestrutura.

Figura 5
Micrografia da junta soldada na condição de arame sólido (ER70S-G) e gás de proteção 95%Ar + 5%O² – condição 07.

Ao utilizar arame tubular com proteção gasosa (E71T-11) e gás de proteção de 92%Ar + 8%CO², a microestrutura é caracterizada com ferrita acicular e poligonal (Figura 6). Além disso, são encontradas descontinuidades do tipo porosidade na região periférica do metal fundido acompanhando o contorno da face da junta soldada, pontos destacados em preto. No entanto, na ZAC, essas descontinuidades não estão presentes e há somente tamanho de grão aumentado na região central, caracterizado como ferrita poligonal.

Figura 6
Micrografia da junta soldada na condição de arame tubular com proteção gasosa (E71T-11) e gás de proteção 92%Ar + 8%CO² – condição 10.

Com a utilização de gás na mistura 80%Ar + 20%CO² e arame tubular com proteção gasosa mantem-se a caracterização de ferrita acicular e poligonal na zona de metal de adição em fases bem distintas e agrupadas e a ZAC possui tamanho de grão aumentado caracterizado como ferrita poligonal (Figura 7).

Figura 7
Micrografia da junta soldada na condição de arame tubular com proteção gasosa (E71T-11) e gás de proteção 80%Ar/20%CO² – condição 13.

Para o uso de arame tubular com proteção gasosa e com gás de proteção na combinação 95%Ar + 5%O², a microestrutura consiste em ferrita poligonal e acicular, essa última em regiões agrupadas. Na ZAC, a ferrita é somente do tipo poligonal com aumento de grão (Figura 8).

Figura 8
Micrografia da junta soldada na condição de arame tubular com proteção gasosa (E71T-11) e gás de proteção 95%Ar + 5%O² condição 16.

A utilização de arame tubular autoprotegido, que dispensa a adição de gás de proteção, apresenta a microestrutura na região de metal de adição fundido com presença de poros na sua periferia, sendo que esses não são encontrados na ZAC. A estrutura tem na sua categorização a presença de ferrita acicular, poligonal e de Widmanstätten e uma ZAC com grãos aumentados e caracterização de ferrita poligonal (Figura 9).

Figura 9
Micrografia da junta soldada na condição de arame tubular sem proteção gasosa autoprotegido FCAW-S (E71T-1M) – condição 19.

O comportamento da microestrutura observado nas zonas afetadas pelo calor (ZAC) não demonstra diferenças entre as condições avaliadas e a caracterização de ferrita poligonal com grãos aumentados e não homogêneos pode ter impacto sobre as propriedades mecânicas, em especial na redução da tenacidade e na propagação de falhas.

Em todas as condições foi possível avaliar e categorizar apenas fases de ferrita, porém nas micrografias foi possível identificar a porosidade em duas condições, ambas com uso de arame tubular (condições 10 e 19). Através do uso do software ImageJ foi possível quantificar o percentual de poros na área de metal de adição. Enquanto a condição 10 tem aplicação do arame com proteção gasosa e gás 92%Ar + 8% CO² com porosidade de 1,11% da sua área; a condição 19 utiliza o arame autoprotegido e apresentou porosidade de 0,62% da área (Figura 10 e 11).

Figura 10
Porosidade na região de metal adição fundido com arame tubular com proteção gasosa e gás de proteção 92%Ar + 8% CO² – condição 10.

Figura 11
Porosidade na região de metal adição fundido com arame autoprotegido – condição 19.

As análises de microscopia ótica de varredura trouxeram importantes resultados à pesquisa. Primeiramente, a visualização da região soldada foi realizada com ampliações de 30, 50, 200, 700, 1000 e 5000 vezes e trouxe em observação inicial que a região da camada protetiva de zinco do metal base se mantem de forma homogênea, não tendo distinção significativa entre as condições estudadas.

No entanto, a maior contribuição desta microscopia foi avaliar a incidência de porosidade na região de metal de adição, ocorrendo em diversos graus em cada condição. Quando a condição corresponde ao uso de arame sólido, há incidência de poros diminutos na área central do metal de adição, sobressaindo-se a sua concentração nas condições de mistura de gás 80%Ar + 20%CO² e 95%Ar + 5%O². Os valores percentuais da área de porosidade em cada região de metal de adição são obtidos com auxílio do software ImageJ e são expressos na Tabela 5, em que mostram predomínio deste defeito, ainda que em índices baixos, quando é utilizado arame sólido.

Tabela 5
Características do metal base.

CONDIÇÃO	ARAME	GÁS (%)	POROSIDADE (%)
1	Sólido (ER70S-G)	92 Ar + 8 CO2	0,13%
4	Sólido (ER70S-G)	80 Ar + 20 CO2	0,78%
7	Sólido (ER70S-G)	95 Ar + 5 O2	0,42%
10	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	92 Ar + 8 CO2	0,10%
13	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	80 Ar + 20 CO2	0,06%
16	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	95 Ar + 5 O2	0,05%
19	Tubular sem proteção gasosa autoprotegido FCAW-S (E71T-1M)	N/A	0,04%

A análise de tração trouxe como resultado a ruptura de todos os corpos na região de metal base e de que, consequentemente, as tensões de escoamento encontradas em todas as condições são superiores à do metal base (230 MPa), bem como as tensões máximas. Considerando-se o n amostra de três para cada condição (n = 3), aplicando a análise estatística de variância (ANOVA) e teste Tukey foi possível verificar que para a tensão de escoamento (Tabela 6) todas as condições estão no mesmo grupo, dentro da mesma faixa de médias e desvio padrão, não apresentando diferenças significativas nesses parâmetros considerando o tipo de metal de adição ou gás de proteção.

Tabela 6
Análise da tensão de escoamento.

CONDIÇÃO	ARAME (CLASSE AWS – A5.20)	GÁS DE PROTEÇÃO	N	MÉDIA (MPa)	GRUPO
7	Sólido (ER70S-G) (7)	95%Ar + 5%O2	3	240,63	A
10	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	92%Ar + 8%CO2	3	240,49	A
4	Sólido (ER70S-G)	80%Ar + 20%CO2	3	239,00	A
16	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	95%Ar + 5%O2	3	238,97	A
19	Tubular sem proteção gasosa autoprotegido FCAW-S (E71T-1M)	N/A	3	238,27	A
13	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	80%Ar + 20%CO2	3	238,26	A
1	Sólido (ER70S-G)	92%Ar + 8%CO2	3	238,06	A

No entanto, na análise do alongamento com teste Tukey foi possível verificar que há disparidade e formação de 3 grupos distintos, sendo a combinação de arame sólido com gás 80%Ar + 20%CO² com melhores propriedades mecânicas, isto é, tendo alongamento superior aos demais (Tabela 7). De maneira oposta, o uso desta mesma mistura de gases de proteção no arame tubular com proteção gasosa resulta na condição mais deficitária para o alongamento,

Tabela 7
Análise do alongamento.

CONDIÇÃO	ARAME (CLASSE AWS – A5.20)	GÁS DE PROTEÇÃO	N	MÉDIA (MPa)	GRUPO
4	Sólido (ER70S-G)	80%Ar + 20%CO2	3	22,02	A
1	Sólido (ER70S-G)	92%Ar + 8%CO2	3	19,75	AB
7	Sólido (ER70S-G)	95%Ar + 5%O2	3	19,45	AB
10	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	92%Ar + 8%CO2	3	17,15	AB
16	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	95%Ar + 5%O2	3	15,89	AB
19	Tubular sem proteção gasosa autoprotegido FCAW-S (E71T-1M)	N/A	3	15,71	AB
13	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	80%Ar + 20%CO2	3	13,88	B

A análise de microdureza trouxe como resultado que, submetendo-se análise ANOVA com teste Tukey as 3 regiões avaliadas em cada amostra (metal de adição, ZAC e metal base) possuem durezas estatisticamente diferentes entre si, formando 3 grupos, sendo a região de metal de adição ou fundido que advém do arame usado com maior dureza. Foi possível observar na região do metal de adição (Tabela 8) que as condições de arames associadas à mistura de gás 92%Ar + 8%CO² apresentam resultados significativos de durezas que são superiores aos demais, enquanto a adição de oxigênio na mistura do gás 95%Ar/5%O² tem impacto negativo no valor de dureza nesta região.

Tabela 8
Análise dureza na região de metal de adição entre as condições estudadas.

Nº CONDIÇÃO	ARAME (CLASSE AWS – A5.20)	GÁS DE PROTEÇÃO	N	MÉDIA (MPa)	GRUPO
1	Sólido (ER70S-G)	92%Ar + 8%CO2	3	245,00	A
10	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	92%Ar + 8%CO2	3	238,00	A
13	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	80%Ar + 20%CO2	3	230,33	AB
19	Tubular sem proteção gasosa autoprotegido FCAW-S (E71T-1M)	N/A	3	220,67	B
7	Sólido (ER70S-G)	95%Ar + 5%O2	3	204,00	C
16	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	95%Ar + 5%O2	3	201,67	C
4	Sólido (ER70S-G)	80%Ar + 20%CO2	3	199,33	C

Já na região afetada pelo calor (ZAC) foram encontrados 4 grupos significativamente de durezas diferentes (Tabela 9), com durezas maiores para as condições de arame sólido e mistura de argônio e dióxido de carbono como o gás de solda, sendo a configuração de maior quantidade de argônio (92%) a de maior dureza. Porém, esse tipo de mistura de gases associado ao arame tubular com proteção gasosa resultou na dureza de menor valor (condição 13).

Tabela 9
Análise dureza na região da ZAC entre as condições estudadas.

Nº CONDIÇÃO	ARAME (CLASSE AWS – A5.20)	GÁS DE PROTEÇÃO	N	MÉDIA (MPa)	GRUPO
1	Sólido (ER70S-G)	92%Ar + 8%CO2	3	197,33	A
4	Sólido (ER70S-G)	80%Ar + 20%CO2	3	177,00	B
16	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	95%Ar + 5%O2	3	147,33	C
10	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	92%Ar + 8%CO2	3	147,00	C
19	Tubular sem proteção gasosa autoprotegido FCAW-S (E71T-1M)	N/A	3	139,67	C
7	Sólido (ER70S-G)	95%Ar + 5%O2	3	137,33	C
13	Tubular com proteção gasosa (E71T-11)	80%Ar + 20%CO2	3	114,67	D

4. DISCUSSÃO

Com a micrografia ficou evidente que a etapa de aquecimento não provocou grande transformação do metal base para regiões que sofreram aporte térmico na soldagem, visto que tanto o aço galvanizado como zona de metal de adição fundido são afetadas pelo calor e se caracterizam por ferrita em formas distintas (acicular, poligonal e Widmanstätten). A última dessas ferritas a surgir na transformação da solda proporcional ao aumento de temperatura é a de Widmanstätten [²¹], e ao ter presença apenas nas condições de solda com arame sólido e gás de proteção 95% Ar + 5% O² e arame tubular autoprotegido, acredita-se que o pico de temperatura nestas condições foi maior que nas demais.

A predominância de ferrita acicular e poligonal observada, segundo, pode oferecer baixa resistência à propagação de trincas prejudicando a tenacidade [²²]. Da mesma forma, o tamanho dos grãos influencia nas propriedades mecânicas e, nesse aspecto, a caracterização da ZAC em todas as condições avaliadas com grãos de maior área e extensão podem favorecer a formação de trincas de fadiga na sua aplicação. No entanto, essa fragilidade não se mostrou presente nos ensaios de tração, advinda da prevalência de ferrita acicular, que confere aos cordões de solda boa resistência. O baixo teor de carbono, tanto do metal base, quanto presente nos metais de adição, contribui para que fases como martensita não estejam presentes. Além disso, chama a atenção que a camada protetiva de zinco na análise de micrografia não se mostrou significativa para formação de microestruturas. Esse fato foi corroborado na análise de microscopia eletrônica de varredura.

Defeitos pontuais como a presença de inclusões na microestrutura, percebidos no aumento da proporção de dióxido de carbono podem ser justificados pelo que se avalia como aplicação de gases com potencial oxidante, CO² ou O², que podem causar a diminuição de elementos de liga do metal fundido e gerar grande quantidade de inclusões de óxidos [²³]. A existência de porosidade foi identificada em todos as condições, porém com predomínio para uso de arame sólido.

A dureza aumenta na região de ZAC e metal fundido em relação ao metal base é menor no metal de base por ser constituído por uma matriz de ferrita, comportamento que pode ser justificado pela presença de ferrita acicular na zona fundida [²⁴] e a presença de Mn nos metais de adição utilizados (níveis de 1,4 e 1,75% para arame sólido e tubulares, respectivamente) sendo que a variação da dureza se deu pelo tipo de gás de proteção e não pelo tipo de arame. Estudos [¹⁷, ²⁵] mostram que a melhor combinação de gás de proteção para solda para aço com arame tubular é o uso de argônio combinado com dióxido de carbono agregando aspecto com uma melhor conformação do cordão, reduzindo a formação de pontos de concentração de tensão e melhorando o aspecto do depósito. No entanto, diferentemente do esperado e visto em estudo [²⁶], não foi identificado aumento da área fundida devido a utilização do CO².

Nos ensaios conduzidos as soldas com arames tubulares, seja do tipo com proteção gasosa ou autoprotegido, não gerou resultados significativos determinantes de mudança de dureza ou morfologia microestrutural ao contrário de pesquisas que observaram aumento da dureza na solda usando arame tubular em comparação com arame sólido [²⁷] ou aumento do tamanho de grão devido ao uso do arame tubular [²⁵]. A causa desta condição, pode estar atribuída à espessura do metal base e a baixa concentração de carbono do aço galvanizado escolhido, que reduz os benefícios demonstrados na literatura para uso de arame tubulares em peças de grande espessura ou maior teor de carbono.

Foi possível verificar que as composições dos gases de proteção têm efeitos significativos nas propriedades do metal de solda do aço quando utilizado arame de soldagem sólido, porém leve efeito nas propriedades do metal de solda do aço usando arame tubular, ratificando outros estudos [²⁸]. Nas amostras FCAW, os respingos são influenciadas apenas pelo fluxo e os defeitos observados – inclusões, aspecto de cordão, porosidade – embora não apresentaram danos nas propriedades mecânicas avaliadas podem ter impacto negativo mais pronunciado na vida em fadiga das uniões.

Para essa condição operacional de procedimento de soldagem e metal base, a combinação do arame sólido ER70S-G com 92%Ar + 8%CO² demonstrou ser a mistura mais adequada por trazer uma melhor estabilidade de arco elétrico em relação as demais condições operacionais, melhorando o aspecto de geometria do cordão na análise de macrografia. Nos ensaios, apresentou maior dureza tanto para ZAC (197,33 MPa) quanto para zona fundida de metal de adição (245 MPa), o segundo maior índice de alongamento no ensaio de tração (19,75%) e os mesmos níveis de tensão de escoamento e máxima que outras condições.

5. CONCLUSÕES

Este trabalho mostrou que o fator dominante para diferenciar as condições avaliadas foi a presença de defeitos, gerado ora pelas aplicações de arame tubulares, ora pela variação de gás de proteção e pela combinação dos dois fatores. No entanto, estes defeitos não geraram alterações nas propriedades mecânicas devido ao cordão ter reforço de soldagem grande.

Em todas as condições avaliadas, o rompimento no ensaio de tração se deu fora da região fundida e ZAC, mostrando superioridade de propriedades mecânicas da solda em relação ao aço do metal base. Embora todas as condições avaliadas apresentarem propriedades mecânicas adequadas, dentre elas a combinação de arame sólido (AWS ER70S-G) com gás 92% Ar + 8%CO² foi a que trouxe os melhores resultados nos ensaios de dureza, tração e aspecto macrográfico.

Ao contrário do esperado, a adoção de arame tubular não trouxe ganhos ao processo de soldagem, gerando no entanto maior quantidade de respingos e dificultando a estabilização de arco. Isso pode estar atrelado a baixa espessura do metal base bem como baixo teor de carbono deste. Na análise do alongamento obtida no ensaio de tração os grupos de significância estatística indicam os melhores resultados para arame sólido. O gás de proteção se mostrou importante por estar associado a variação de dureza, com as maiores durezas encontradas em condições de 92%Ar + 8%CO². Em duas condições de uso de arame tubular (arame tubular com proteção gasosa E71T-11 e gás 92%Ar + 8%CO²; e arame tubular sem proteção gasosa autoprotegido FCAW-S E71T-1M) foi identificada existência de porosidade, indicando que há problemas de proteção do arco elétrico.

6. AGRADECIMENTOS

Agradeço a UPF e ao seu Instituto de Tecnologia (ITEC) pela infraestrutura técnica disponibilizada para condução dos ensaios e a Comil Ônibus S.A. pela oportunidade de avaliar condições de seu processo fabril.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  24 Maio 2024
• Data do Fascículo
  2024

Histórico

• Recebido
  19 Fev 2024
• Aceito
  24 Abr 2024