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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA: Fundição e Soldagem PROFESSOR: Américo Scotti
Estudo da difusão do Hidrogênio em Aços 1020 e 1045 soldados por eletrodo revestido celulósico
Nomes: Bruno Alexandre Roque Guilherme Augusto de Oliveira Guilherme Azevedo Oliveira Polliana Cândida Oliveira Martins
Uberlândia, 24 de Junho de 2010
Índice
1. Objetivos
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2. Análise Teórica
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3. Procedimento Experimental
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4. Materiais Utilizados
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5. Análise dos Resultados
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6. Conclusões
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Bibliografia
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1. Objetivos
Mostrar a difusão do hidrogênio proveniente de uma peça de aço (ABNT 1020 e 1045) soldada por um eletrodo revestido celulósico. Discutir e analisar os resultados.
2. Análise Teórica
A trinca por hidrogênio é um dos maiores problemas na soldagem de componentes e peças estruturais, pois acabam colaborando com a iniciação de fratura frágil ou por fadiga, principalmente para processos que utilizam baixas energias de soldagem. A formação da fissura ocorre à temperatura ambiente, levando até 48 horas após a operação de soldagem para ter a sua formação completa. As trincas podem ser longitudinais, transversais, superficiais ou subsuperficiais, se originando, freqüentemente, a partir de concentradores de tensão, como a margem ou a raiz da solda. Ocorre principalmente na Zona Termicamente Afetada, na região de crescimento de grão, mas pode também ocorrer na zona fundida. A figura a seguir mostra o aspecto típico de uma trinca pelo hidrogênio:
Figura 2.1 - Trincas de hidrogênio: aspecto macrográfico(esquerda), aspecto micrográfico obtido por microscopia ótica (direita). Ataque: Nital. Aumento 100X http://www.demet.ufmg.br/labs/soldagem/textos/metsol03.pdf •
Para que ocorra uma trinca de hidrogênio, devem ocorrer 3 fatores, de forma simultânea:
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Presença de H na região na solda;
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Formação de microestrutura de elevada dureza (martensítica, por exemplo);
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Solicitação de tensões residuais e externas;
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Temperaturas abaixo de 200ºC.
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Para minimizar a chance de fissuração, deve-se atuar nos fatores acima, por exemplo, através da seleção de um material menos sensível, da redução no nível de tensões, da seleção do processo de soldagem e do controle da velocidade de resfriamento. Durante a soldagem, o hidrogênio proveniente de moléculas de material orgânico e umidade que são dissociadas no arco é absorvido pela poça de fusão, ficando em solução na solda após a solidificação. O hidrogênio difunde-se rapidamente no aço, atingindo regiões da zona fundida e, principalmente, da zona termicamente afetada, cuja microestrutura é fortemente fragilizada pela sua presença. Com a ocorrência de tensões de tração, podem ser formadas as fissurações a frio. Microestruturas de elevada dureza, particularmente a martensita, são, em geral, mais sensíveis à fissuração pelo hidrogênio. Neste contexto, equações de carbono-equivalente, que representam o efeito dos diversos elementos de liga, na temperabilidade, em termos de seu teor equivalente de carbono, servem para avaliar a sensibilidade do metal base à fissuração pelo hidrogênio. Uma fórmula de carbono-equivalente muito usada é a seguinte:
(2.1)
Um critério simples, baseado nesta fórmula, considera que, se CE < 0,4, o aço é insensível à fissuração e, se CE > 0,6, o material é fortemente sensível, exigindo técnicas especiais de soldagem, por exemplo, o uso de processos de baixo nível de hidrogênio e de pré-aquecimento.
Figura 2.2 – Soldabilidade x Teor de Carbono dos aços (ASM Handbook, Vol. 6).
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Procedimento Experimental
Soldam-se as peças de aço ABNT 1020 e 1045 com um eletrodo revestido celulósico. Deve-se esperar pelo menos 48 horas para que haja a formação completa das trincas de hidrogênio. Vale lembrar que, caso a peça fosse solicitada por um esforço de tração após a soldagem, haveria uma maior fissuração da mesma.
4. Materiais Utilizados •
Eletrodo com revestimento celulósico;
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Fonte de soldagem;
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Peças de aço ABNT 1020 e 1045.
5. Análise dos Resultados
Após a solda das peças de aço ABNT 1020 e 1045, passadas 48 horas notaram-se pequenas trincas ao longo do cordão de solda. As trincas poderiam ser mais visíveis caso a peça fosse mantida a um esforço de tração, pois desta forma, haveria a abertura e propagação das trincas. Como se evidencia na figura 2.1, o aço ABNT 1045, por ter maior teor de carbono que o aço 1020, é mais sensível às trincas de hidrogênio. Abaixo, consta uma imagem da peça de aço 1045, soldada com o eletrodo revestido celulósico, no LAPROSOLDA:
Figura 5.1 – Trincas de H no cordão de solda do aço 1045
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As trincas de H, apesar de muitas vezes serem de difícil visualização a olho nu, mostram-se evidentes em algumas partes do cordão de solda, como tentou mostrar a figura acima. Para evidenciar tais fissurações, seria necessário o auxílio de um microscópio.
6. Conclusões Com o experimento, pôde-se constatar a teoria apresentada no item 2. Para se evitar as trincas de hidrogênio, podem-se tomar as seguintes medidas: •
O nível de tensões residuais na solda pode ser minimizado, por medidas que podem ser tomadas no projeto. Cita-se, por exemplo, a seleção adequada da disposição das soldas e da seqüência de montagem do componente ou estrutura. Na execução, a adoção de seqüências especiais de deposição e cuidados para se evitar a presença de mordeduras, reforço excessivo e falta de penetração na raiz também ajudam a minimizar o nível de tensões localizadas na solda e, desta forma, a chance de fissuração.
•
A escolha do processo de soldagem leva em conta as características práticas
e
econômicas.
Exigências
de
propriedades
mecânicas,
particularmente tenacidade, podem forçar a utilização de um dado processo em lugar de outro. De uma maneira geral, processos que usam elevada energia de soldagem, como as soldagens a arco submerso e por eletroescória apresentam menor risco de fissuração pelo hidrogênio. Na soldagem com eletrodo revestido de juntas de pequena espessura de aço baixo carbono, eletrodos celulósicos e rutílicos são comumente usados. Vale ressaltar que neste trabalho foi utilizado um eletrodo celulósico na soldagem com o intuito de se evidenciar as trincas por hidrogênio. •
Por outro lado, para aços ligados e aços de alta resistência mecânica, eletrodos básicos são mais utilizados, pois estes podem garantir menor quantidade de hidrogênio na soldagem. Estes, contudo, são altamente higroscópicos e exigem cuidados especiais para a sua armazenagem e uso para evitar que absorvam umidade.
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Em geral, cuidados devem ser tomados para evitar a contaminação de consumíveis ou do metal base com umidade, óleos ou graxa, pois estas substâncias podem fornecer hidrogênio à solda.
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Finalmente, a fissuração por hidrogênio pode ser controlada pelo préaquecimento da peça a ser soldada. Esta medida reduz a velocidade de resfriamento, possibilitando a formação de uma estrutura menos dura na ZTA e propiciando um maior tempo para que o hidrogênio escape da peça antes que se atinjam as temperaturas de fragilização por este elemento. O pré-aquecimento pode ser uniforme em toda a peça ou, mais comumente, ser localizado, na região da junta. Neste caso, deve-se garantir que uma faixa suficientemente larga do material seja aquecida até uma temperatura adequada (por exemplo, 75 mm de cada lado da junta).
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Em casos particularmente sensíveis à fissuração, a junta ou toda a peça pode ser mantida aquecida após a soldagem (pós-aquecimento). Este procedimento permite que o hidrogênio escape da região da solda, reduzindo, assim, a chance de formação de trincas. Para ser efetivo, temperaturas superiores a 200ºC e tempos relativamente longos (superiores a 2 horas) devem ser usados e o resfriamento final, até a temperatura ambiente, deve ser lento.
Bibliografia
[1] - http://www.demet.ufmg.br/labs/soldagem/textos/metsol03.pdf
[2] - www.infosolda.com.br/download/50dpp.pdf
[3] - ASM Handbook, Vol. 6
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