Os efeitos da pulsação térmica na soldagem MIG/MAG

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Análise

Os efeitos da pulsação térmica na soldagem MIG/MAG A busca pela melhoria das propriedades metalúrgicas do depósito soldado e de suas características geométricas aguça o desenvolvimento de pesquisas voltadas para o desenvolvimento e o aperfeiçoamento da gama de aplicação da soldagem a arco elétrico. Nos processos MIG/MAG e TIG, a implementação de complexas técnicas de controle do processo de pulsação de corrente possibilita o seu uso na união de estruturas metálicas com espessura de parede cada vez mais fina, além de permitir a atuação sobre a agitação da poça de fusão, o tamanho e a forma dos grãos e as frações volumétricas dos microconstituintes. Com justificativa nesses benefícios, este trabalho revisa e discute as pesquisas realizadas no campo da pulsação, convencional e térmica, da corrente de soldagem. S. R. Barra

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uitas pesquisas têm sido desenvolvidas com o intuito de avaliar as vantagens da aplicação de corrente pulsada em relação à soldagem em corrente contínua convencional. Normalmente, as características mais relacionadas, nesta distinção, são: a geometria do cordão, a facilidade no controle do processo, a redução do nível de distorção e o controle sobre a estrutura do cordão depositado. Neste trabalho, portanto, será feita uma avaliação da relação entre as características apresentadas nos processos de pulsação de

corrente em alta freqüência (F 1 – 10 kHz), convencional (F 20 – 500 Hz) e térmica (Ft 1 – 10 Hz) aplicadas nos processos MIG/MAG e TIG, e as características metalúrgicas da região soldada. O trabalho tem início com uma abordagem sobre os fundamentos do mecanismo de solidificação da zona fundida (ZF). Num segundo momento, o estudo enfocará as peculiaridades metalúrgicas da ZF e da zona termicamente afetada (ZTA), gerada na ZF solidificada, quando da soldagem multipasse ou com imposição de modulação de corrente. Finali-

zando a abordagem, virão os efeitos da pulsação de corrente sobre o metal depositado e regiões vizinhas ao cordão, durante e após o processo de solidificação da ZF.

Apresentação da variante MIG/MAG térmica Basicamente, a pulsação térmica consiste na modulação conjunta da velocidade de alimentação do arame, algumas vezes fixa, e da freqüência de pulsação de corrente (0,5 a 10 Hz). Portanto, o processo MIG/ MAG térmico

Sérgio Rodrigues Barra (contato por e-mail: [email protected]) é coordenador do curso superior de Tecnologia em Inspeção de Equipamentos e de Soldagem e dos cursos de especialização em Soldagem e em Tecnologias Avançadas de Materiais da Faculdade de Tecnologia Senai Cimatec (Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia), em Salvador (BA). Este artigo foi apresentado como palestra no Congresso Corte e Conformação de Metais 2007, realizado entre os dias 23 e 25 de outubro, em São Paulo, SP. Reprodução autorizada pelos autores.

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za-se pela imposição de um nível baixo de freqüência, culminando com valores menores de aporte de calor e transferência metálica. Assim, esta modulação cíclica dará como resposta diferentes níveis de calor aportado e quantidade de gotas transferidas entre os períodos. Ao mesmo tempo, poderá ou não haver uma mudança sincronizada no valor da velocidade de alimentação do arame (va), isto é, valores diferentes de taxa de alimentação entre os períodos de pulso (Pt) e base térmica (Bt). Vide as diferenças entre as possíveis formas de pulsação térmica esquematizadas nas figuras 2 e 3 (pág. 102). Fig. 1 – Forma de transferência no modo pulsado convencional (5): tb – tempo de base, Ib – corrente de base, tp – tempo de pulso, Ip – corrente de pulso, It – corrente de transição, Im – corrente média e F – freqüência de pulsação

alia as vantagens da soldagem empregando MIG pulsado convencional com as vantagens do TIG em corrente pulsada (TIG térmico). Com relação à taxa de alimentação do arame, a variante poderá apresentar-se de duas formas básicas. Uma na qual haverá modulação conjunta e sincronizada na alimentação do arame e no aporte de calor, o que provocará melhor estabilidade e manutenção do comprimento do arco lo. Contudo, na segunda forma, apenas o sinal de corrente é chaveado e a velocidade de alimentação do arame é mantida fixa. Esta condição provoca uma variação cíclica no valor lo. Barra (3) cita que não há consenso na literatura quanto a um único nome-padrão que represente esta nova variante do processo de soldagem MIG/MAG, em corrente pulsada. Especificações como MIG/MAG duplamente pulsado, MIG/MAG com pulsação térmica,

MIG/MAG pulsado com pulsação térmica ou ainda Interpulse são encontrados como nomes de referência (38, 9, 30, 5, 26). As figuras 1 e 2 (pág. 100) apresentam as diferenças básicas entre a pulsação convencional e a pulsação térmica. Observa-se na figura 2 que, diferentemente do pulso convencional (figura 1), o processo de modulação do sinal de corrente na pulsação se dá em dois distintos períodos ou fases.

Princípio de funcionamento da variante No processo MIG/MAG térmico, a primeira fase, denominada tempo de pulso térmico tpt, caracteriza-se pela imposição conjunta de um nível elevado na freqüência de pulsação e na velocidade de alimentação do arame e, como conseqüência, valores altos de aporte de calor e transferência metálica. A segunda fase, denominada tempo de base térmica tbt, por sua vez, caracteri-

Efeitos metalúrgicos da pulsação de corrente Agitação na poça de fusão O entendimento dos mecanismos que atuam na convecção da poça de fusão durante a operação de soldagem é de fundamental interesse, já que a agitação desta região irá influenciar a geometria final do cordão, a microestrutura, a distribuição de segregação e a presença de porosidade na ZF. Esta consideração é reforçada pelo fato de que o refinamento de grão, gerado pela agitação da poça, se constituirá como o único mecanismo de refinamento possível em aços não transformáveis, e em muitos não-ferrosos, durante o processo de soldagem (33). As forças responsáveis pelo efeito convectivo na poça de fusão são a força devido à tensão superficial (gradiente de tensão na superfície da poça), a força eletromagnética, a força de flutuação (ou força devido à convecção com fluxo líqüido – buoyancy force), a força devido à pressão do arco sobre a poça e a

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Fig. 2 – Em (a): representação esquemática da variante MIG/MAG térmica com modulação conjunta de energia e alimentação de arame. Em (b): oscilogramas mostrando a forma real de onda. Observe que o comprimento do arco lo tende a não oscilar(3).

força devido ao impacto das gotas metálicas (28, 17, 35, 20, 31, 37, 21). A figura 4 (pág. 104) ilustra o efeito individual e o efeito combinado das forças sobre o mecanismo de convecção da poça de fusão. Nota-se que o comportamento dos campos de velocidade

e de temperatura apresenta características diferenciadas dependendo da força atuante. O efeito combinado mostra a presença de fluxos em sentidos opostos, isto é, um fluxo próximo da superfície da poça, gerado pelo gradiente de tensão superficial, e outro no

seu interior, influenciado pela força eletromagnética. A força eletromagnética provoca um direcionamento do fluxo para a parte central da poça no sentido da superfície para a parte inferior da poça. Esta característica promove uma poça estreita e profunda (17, 8, 11).

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Fig. 3 – Representação esquemática do processo MIG/MAG térmico com modulação apenas da energia. Observe a tendência à oscilação do comprimento do arco lo (5).

A força de flutuação tende a promover uma poça mais rasa devido ao mecanismo de transporte do metal líqüido “quente” para a superfície e do metal “frio” para a parte inferior da poça (20, 8). Para o caso da força devido à tensão superficial, observam-se duas situações distintas. A primeira situação refere-se a um gradiente de tensão positivo (presença de oxigênio e enxofre), em que o fluxo tenderá a formar uma poça profunda e estreita. Por outro lado, quando o gradiente for negativo, haverá a tendência da formação de uma poça mais larga e rasa (17, 20). O efeito do impacto das gotas sobre a poça de fusão induz a um aumento na complexidade do mecanismo de agitação desta região, em virtude da modificação gerada nos campos de velocidade e de temperatura (37). As características apresentadas pelo efeito conjunto das forças poderão influenciar o nível de penetração, pela força eletromagnética, e a largura do cordão, pelo gradiente de tensão superficial e pela força de flutuação (32, 21).

O efeito convectivo gerado pela força eletromagnética irá distribuir as possíveis segregações e, desta forma, reduzirá o nível de macrossegregação. Por último, vem o efeito da convecção sobre o aprisionamento de porosidade na zona fundida. É importante salientar que nem sempre o efeito convectivo irá beneficiar a saída de porosidade. Esta liberação ou aprisionamento de poros irá depender da direção do fluxo resultante das interações das forças no interior da poça de fusão (21). Além disso, durante a soldagem no modo pulsado poderá haver ainda uma parcela de agitação da poça provocada pela variação da pressão e da energia do arco, devido à modulação de corrente. Esta parcela de agitação da poça é caracterizada pela flutuação térmica (dependente da relação I p /I b e da freqüência de pulsação F) e pelo aumento no nível de vibração desta região (dependente da F). Foi observado que este aumento na convecção da poça é mais pronunciado quando da imposição do pro-

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Fig. 4 – Em (a): efeito convectivo na poça de fusão provocado por diferentes forças, de forma individual e combinada. Em (b): representação das forças atuantes na poça de fusão. Adaptado de DeHerrera et al.(8), Kou (21) e Barra (5).

cesso TIG térmico em corrente alternada (28, 31) . Kim et al.(20) observaram que o incremento no valor da relação tp /tb resulta em maior penetração do cordão, ou seja, quanto menor o tempo de pulso, mais largo e pouco profundo será o cordão. Do acima exposto é esperado que o grau de complexidade envolvido no processo de formação e solidificação da poça de fusão seja maior na implementação da

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variante MIG/MAG térmico, em comparação ao modo pulsado convencional. Esta variação pode ser explicada pela modulação nos valores de Im e va, entre as fases de pulso e base térmica.

Solidificação da zona fundida Se o sub-resfriamento imposto na operação de soldagem não for severo e, ao mesmo tempo, o metal a ser soldado for puro,

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haverá a tendência da poça de fusão se solidificar por meio de uma interface sólido-líqüido geralmente planar (figura 5, pág. 105). Por outro lado, caso se esteja soldando uma liga metálica, haverá a possibilidade de diversos modos de solidificação (planar, celular, dendrítico-colunar ou equiaxial), dependendo das condições de solidificação impostas. Existem duas teorias para explicar os mecanismos atuantes

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Fig. 5 – Possíveis morfologias na interface de crescimento em função dos valores de G, R s e C0. Adaptado de Palma et al. (25) , Grong (17) e Kou (21) .

na passagem da frente de solidificação do modo planar para outra forma de solidificação. A primeira teoria baseia-se no super-resfriamento constitucional (proposta por Chalmer em 1953), enquanto a segunda trata da estabilidade da interface (proposta por Mullins em 1963). No primeiro caso, considera-se apenas o aspecto termodinâmico. Para o último caso, incorporam-se os conceitos de cinética de interface e transferência de calor (10, 32, 21) . A teoria do super-resfriamento constitucional, que é a redução do gradiente de temperatura na interface sólido/líqüido abaixo da temperatura liquidus, pode ser expressa pela equação 1:

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G ≥ Rs

T DL

(1)

onde: T intervalo de solidificação da liga, representado pela diferença entre a temperatura de equilíbrio liquidus (TL) e a temperatura de equilíbrio solidus (Ts); DL é o coeficiente de difusão do soluto no líqüido. A figura 5 apresenta um esquema dos principais modos de solidificação, levando em consideração o efeito da velocidade da frente de solidificação R s (taxa de crescimento) e do gradiente de temperatura G. Observa-se que um sucessivo incremento no super-resfriamento (redução no valor de G/R s) irá provocar uma mudança na morfologia da frente de solidificação (controle do modo de solidificação). Em soldagem, prevalecem as formas de solidificação celular e dendrítica, devido ao valor de G/R s ser muito alto. A relação G/R s, por sua vez, pode ser controlada pela seleção mais adequada dos parâmetros e do processo de soldagem (25, 21) . Outra observação possível é o efeito do produto R s .G, que governa a escala da estrutura solidificada. Assim, o espaçamento celular poderá variar através da zona fundida devido à variação de ciclo térmico em diferentes partes desta zona. Neste caso, a taxa de resfriamento (alto Rs.G) experimentada pela região central é maior do que a presente na linha de fusão. Conseqüentemente, os sub-grãos serão mais refinados na região central da solda (36, 18, 21, 5). O espaçamento entre os ramos dendríticos será determinado pela taxa de solidificação (relação com

o calor aportado). Uma elevação na taxa de solidificação provocará uma redução do espaçamento entre os ramos, modificando, com isso, a quantidade de microssegregação da liga. O que se almeja é uma estrutura final da zona fundida refinada e com boa distribuição de segregados.

Macroestrutura da zona fundida O desenvolvimento da estrutura na zona fundida, na região colunar, dá-se basicamente por meio dos modos de crescimento epitaxial e competitivo. O primeiro modo caracterizase pelo crescimento dos grãos na ZF, em direção ao centro da poça, a partir dos grãos do metal de base na linha de fusão (substrato), quando em soldagem autógena. Outra característica desse modo é a manutenção da orientação cristalográfica e do tamanho de grão apresentado pelo metal de base. Neste caso, um aumento do tamanho de grão do metal soldado e/ou da temperatura máxima na zona de ligação provocará uma ZF grosseira. O segundo modo é caracterizado pela existência de um diferente mecanismo atuando no crescimento dos grãos, denominado crescimento competitivo. Neste caso, os grãos tendem a crescer na direção perpendicular à frente de solidificação, maior valor de G. Contudo, os grãos em formação também apresentam direções preferenciais ao crescimento (nas direções para CFC e CCC e para HC). Assim, grãos com direções de fácil crescimento paralelas a G crescerão mais facilmente que

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Fig. 6 – Em (a): representação do crescimento competitivo dos grãos durante a solidificação da ZF. Em (b): mudança na direção de crescimento induzida pela pulsação térmica. Adapatado de Easterling (10), Kou (21) e Barra (5).

aqueles apresentando outras direções (figura 6). No centro da zona fundida há a tendência do crescimento de grãos equiaxiais. Esta forma de crescimento se caracteriza pela

presença de condições que favorecem a nucleação e o crescimento dendrítico no interior da poça (21). Nesta região o metal líqüido será levemente sub-resfriado em virtude da extensiva segregação para

o centro da poça provocado pelo crescimento colunar(7, 17). A passagem do crescimento colunar para o crescimento equiaxial é governada pela relação G/R s. Considerando a existência de nu-

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cleação heterogênea e como núcleos para noque a relação G/Rs devos grãos; cresce da linha de fusão ฀฀Destacamentos de para o centro da poça, grãos parcialmente fundurante o processo de didos, na linha de fusão, solidificação haverá um por efeito convectivo. valor crítico na relação Estes grãos são arrasa partir do qual o crestados em direção ao cimento passará a ser centro da poça, onde equiaxial. Este valor crípoderão, também, servir tico, por sua vez, estará como sítios de nucleaatrelado ao calor aporção de novos grãos; tado e à velocidade de ฀฀Nucleação heterogê(7, 17) soldagem . nea por meio da adição De maneira geral, Fig. 7 – (a) e (b): efeito da velocidade de soldagem sobre a forma da poça de partículas (inoculae modo de solidificação; (c): variação estrutural na solidificação da ZF. as condições térmicas Adaptado de Easterling (10), Grong (17) e Kou (21). ção) estranhas ao metal impostas na soldagem soldado (por exemplo, favorecem o crescimento equiaxial ฀ Fragmentação das dendritas na Ti ou Zr adicionados ao Al), que no centro do cordão. A nucleação zona pastosa, por efeito confacilitem o arranjo dos átomos destes grãos equiaxiais, na poça de vectivo. As pontas destacadas na forma cristalina. Estas partífusão, pode ser originada por difesão arrastadas para o centro culas auxiliam na superação da (17, 21, 33) rentes mecanismos como : da poça, onde poderão atuar barreira crítica de energia ( G*)

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necessária à manutenção de um núcleo sólido com raio maior que o tamanho crítico (r*). Becker(7) e Kou (21) argumentam que este mecanismo é influenciado pelos parâmetros de soldagem (elevação nos valores da vs e do calor aportado) e, portanto, aumenta o super-resfriamento constitucional na interface sólido-líqüido (elevação da relação G/Rs); ฀ Nucleação superficial por uma corrente fria de gás sobre a superfície da poça ou por instantâneas reduções do calor aportado. Neste caso, a superfície da poça será termicamente sub-resfriada, facilitando o surgimento de núcleos sólidos nesta superfície. Uma importante consideração feita por Easterling (10) refere-se ao fato de que as estruturas equiaxiais dendríticas, oriundas da operação de soldagem, são relativamente finas se comparadas às de fundição. Esta diferença é muito importante em termos de tenacidade desde que, diferentemente de um fundido, a solda, muitas vezes, na condição “como soldada”, torna-se parte de uma estrutura fortemente solicitada.

Variações na macroestrutura da zona fundida A solidificação da zona fundida pode variar em função da forma apresentada pela poça de fusão durante a operação de soldagem, ou seja, a velocidade de soldagem influenciará a forma da poça (elíptica ou de gota) e, por sua vez, a forma da poça atuará sobre a forma de crescimento dos grãos (estrutura colunar ou colunarequiaxial).

Fig. 8 – Influência de fatores metalúrgicos sobre a resistência mecânica e a tenacidade (32)

Como na poça com formato de gota (velocidade de soldagem maior que a de solidificação) a frente de solidificação apresenta um perfil reto (figura 7a, pág. 109), os grãos também tenderão a crescer retos perpendicularmente à linha de fusão. De outro modo, nas poças de formato elíptico (velocidade de soldagem igual à velocidade de solidificação), os grãos tenderão a crescer curvados perpendicularmente à linha de fusão (figura 7b). Assim, sob alta velocidade de soldagem, os grãos tenderão a crescer retos em direção ao centro do cordão e, para reduzida velocidade de soldagem, os grãos crescerão curvados na direção do maior valor de G. Na mesma figura observa-se a presença de grãos equiaxiais, originados numa faixa central ao longo do cordão, em soldas de alumínio e de aço inoxidável austenítico, por exemplo. Por sua vez, a formação desta região no centro do cordão impede o crescimento dos grãos colunares até o centro da zona fundida. Em poças de formato elíptico, a região contendo grãos equiaxiais é mais espessa em comparação com a mesma região em poças de formato de gota. A forma alongada da poça provoca um aumento da

distância fundida, na direção de vs, em relação à fonte de calor e, com isso, provoca uma elevação de R s e um decréscimo em G (figura 7c), em comparação ao restante da linha de fusão (7, 10, 21, 17) . Embora sob valores elevados R s e vs (baixo calor aportado) se produzam cordões menores e com melhores propriedades mecânicas, deve-se tomar cuidado quanto ao tamanho do cordão, pois para cordões com dimensões reduzidas há a tendência ao aparecimento de trincas durante a soldagem devido às tensões geradas por restrição (1) . A estrutura colunar, normalmente exibida na ZF, é associada com defeitos tais como trinca de solidificação e pobres propriedades mecânicas. Assim, num refinamento estrutural é esperado um melhoramento nas propriedades mecânicas do cordão (33, 31, 23). Com base nas colocações anteriores sobre a relação entre as condições de soldagem e a resposta final do metal aportado, é possível prever a relação biunívoca descrita no esquema abaixo: Parâmetros de soldagem

Processo de soldagem

Estrutura do depósito

Propriedades mecânicas

Esta correlação entre as condições operacionais e a resposta estrutural obtida no cordão de solda reforça a importância do conhecimento e do desenvolvimento de equipamentos e novas variantes que possibilitem a obtenção de depósitos sob condições otimizadas. Por este enfoque, o estudo da pulsação térmica vem

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sendo desenvolvido com o intuito de obter condições geométricas e metalúrgicas do depósito.

Efeitos da soldagem multipasse sobre a zona fundida As características finais da zona fundida podem, ainda, ser influenciadas pela operação de soldagem envolvendo multipasse (imposição de sucessivos aportes de calor gerando novos ciclos térmicos e partições térmicas). Neste caso, a deposição de um novo cordão sobre a ZF, já solidificada, provocará um reaquecimento e uma refusão de parte desta zona. A nova interface entre sólido e líqüido, na região refundida da ZF, servirá de substrato para um novo mecanismo de solidificação. Portanto, o tamanho dos grãos apresentado na ZF contribuirá para formar a estrutura final da nova região solidificada. A região da ZF submetida a um aquecimento excessivo (termicamente afetada), por sua vez, pode-

rá servir de sede para modificações de estrutura ou de constituição, no estado sólido, tais como crescimento de grão, precipitação, dissolução ou coalescência de precipitados, transformação alotrópica ( ฀ ฀ ou ฀ ฀ ), etc.(16, 21, 32). O efeito de algumas dessas alterações sobre a tenacidade e a resistência de um determinado material é representado na figura 8 (pág. 110) (32) . Nela se destaca o refino de grão como o “único” mecanismo que provoca um aumento conjunto da tenacidade e da resistência mecânica. O tamanho da zona alterada termicamente dependerá da partição térmica apresentada (temperatura x distância); e as modificações da estrutura, em um determinado ponto da zona, serão função do ciclo térmico (T x tempo). Por sua vez, o tamanho da região refundida será função do nível de diluição imposto pela operação de soldagem. Embora a região reaquecida (regenerada) apresente grãos finos

e grosseiros, o tamanho médio dos grãos nesta região ainda será muito menor do que o dos grãos colunares da ZF que não sofreram alteração. Daí a importância do efeito da ZTA gerada pelo passe subseqüente ou modulação de energia (pulsação térmica), em ligas que sofrem transformação no estado sólido. Neste caso, parte dos grãos colunares da ZF (passe anterior) será refinada na ZTA gerada pelo cordão depositado sobre esta (figura 9, pág. 113). Este reaquecimento também poderá afetar termicamente as ZTA’s vizinhas ao depósito (10, 25, 13, 32, 21, 5). Como pode ser visto na figura 9, apenas uma parte da região reaquecida por múltiplos ciclos irá ser submetida a uma elevada temperatura de pico (ultrapassando a temperatura de transformação da liga). O refino microestrutural de parte da ZF (região termicamente regenerada), obtido na soldagem multipasse ou na pulsação térmica, irá atuar sobre a elevação da

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฀

Fig. 9 – Comparação esquemática das alterações estruturas obtidas em simples deposição (a), por multipasse (b) e pulsação térmica (c). Adaptado de Easterling (10) e Santos (27).

tenacidade e a redução do nível de tensão residual (16, 23, 21) . Estas considerações estão ancoradas nos seguintes pontos (10): ฀ Cada ciclo térmico gerado pelo passe subseqüente efetivamente refinará os grãos da ZF do passe anterior ou normalizará parte desta região;

O pré-aquecimento causado pelos passes anteriores irá prolongar o tempo de passagem no intervalo crítico de temperatura ( t8-5 para o caso do aço ferrítico temperável, por exemplo); ฀ O passe subseqüente tende a recozer parte da ZF, aliviando, com isso, parte da tensão residual;

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O total da energia (livre de Gibbs) por cordão é reduzido à medida que o crescimento de grão é minimizado.

As considerações apresentadas sobre os efeitos da soldagem multipasse, os mecanismos de solidificação e a agitação da poça servirão de referência para o entendimento dos possíveis efeitos da modulação de corrente (pulsação térmica) sobre a estrutura do cordão de solda.

฀

Efeitos metalúrgicos da pulsação da corrente de soldagem Embora se deseje controlar o modo de solidificação da ZF e, ao mesmo tempo, o tamanho e as características mecânicas da zona afetada termicamente, esta tarefa não é

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tão simples de ser atingida. Este controle é dificultado em face dos elevados níveis de temperatura e do gradiente térmico impostos pela operação de soldagem, em relação a um fundido e ao natural processo de crescimento epitaxial (31). Apesar destas limitações, oriundas da operação de soldagem, diversos métodos de refino de grão foram desenvolvidos visando controlar o nível de refino na ZF. Um resumo com as técnicas e os mecanismos de refino atuantes na poça de fusão, como também em fundidos, é apresentado na tabela 1. Embora todos os métodos propostos acima apresentem resultados satisfatórios sobre a granulometria da ZF, é de suma importância que se tenha a preocupação de selecionar uma técnica que permita o refino desta região sem afetar negativamente a sua sub-estrutura, ou seja, é desejável a aplicação de um procedimento de soldagem que propicie o refino estrutural por meio do controle da taxa de resfriamento da poça (relação do produto Rs.G com o calor aportado). Por este enfoque, a escolha pela pulsação de corrente (pulsação do arco) vem se caracterizando como uma técnica muito promissora nesta direção (30, 31). A técnica de pulsação de corrente aplicada nos processos de soldagem TIG, MIG/MAG e com arame tubular (AT) é reportada como uma excelente controladora do refinamento de grão na ZF e na transição do modo de crescimento de colunar para equiaxial, na soldagem do alumínio, do aço-carbono, do aço inoxidável e do titânio (34, 30, 31, 21, 5) . No âmbito do processo de solidificação, referenciando-se a transferência metálica goticular, sob as mesmas condições de operação, a

Tab. 1 – Técnicas de refino aplicáveis no processo de solidificação. Adaptado de Feest (12) , Threadgill (33) , Malinowski-Brodnicka et al. (24) , Sundaresan et al. (31) , Madhusudhan (23) e Kou (21) . Técnica de refino

Mecanismo atuante (*)

Métodos térmicos • Controle das taxas de aquecimento e resfriamento (calor aportado, interpasse e pré-aquecimento) • Nucleação superficial estimulada (jato de gás frio) Métodos mecânicos • Vibração (mecânica e ultra-sônica) • Agitação eletromagnética, gasosa ou mecânica (campo magnético, oscilação da tocha, borbulhamento, pulsação do arco e impacto das gotas) Métodos químicos • Adição de elementos de liga • Adição de inoculantes no metal líqüido

a b c a b c a c a b a c

(*) a: introdução de pontos nucleantes na poça (nucleação heterogênea); b: evitar refusão dos núcleos existentes; c: multiplicação de grãos

pulsação de corrente atua tanto na redução do calor aportado quanto no grau de agitação da poça de fusão (variação da força eletromagnética). No primeiro, haverá uma influência sobre os valores de G e Rs, isto é, pelo fato da pulsação de corrente reduzir o calor aportado e elevar a taxa de resfriamento, haverá um acréscimo na relação Rs.G e, com isso, tende-se a um refinamento dos espaçamentos entre os ramos dendríticos (refinamento da subestrutura) e a uma redução na forma de crescimento colunar em face do favorecimento ao crescimento equiaxial dendrítico. Para o caso do efeito da pulsação sobre a agitação da poça de

fusão, é previsto que uma variação do nível de corrente (oscilação entre o pulso e a base) irá influenciar a força eletromagnética (campo de velocidade no interior da poça), a pressão do arco sobre a superfície da poça e a freqüência de colisão das gotas com a poça. Estas três características provocam um aumento do grau de agitação da poça e, como possíveis conseqüências, uma redução dos níveis de penetração, porosidade e macrossegregação. Somando-se a isso, há o efeito da agitação da poça sobre a fragmentação de dendritas e destacamento de grãos da zona parcialmente fundida. O que se almeja é uma estrutura refinada

Fig. 10 – Representação da onda com modulação para controle da solidificação (a) e forma de crescimento obtido na ZF sem e com a aplicação rampa de modulação em 10 Hz (b), no aço inoxidável AISI 316. Extraído de Lucas (22) e Street (30).

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com melhor característica mecânica e com reduzida possibilidade de surgimento de defeitos (trinca de solidificação, por exemplo). Com relação à ZTA, o efeito da pulsação de corrente (redução no valor do calor aportado) é visualizado pela redução da espessura desta região e pelo tempo de retenção da temperatura de efetiva recristalização, devida à variação na partição e no ciclo térmico (30, 21) . Assim, haverá um menor decréscimo na resistência da zona termicamente afetada em relação às propriedades originais do metal de base. Hussain et al.(19), estudando os efeitos da freqüência de pulsação e do tempo de pulso, utilizando MIG pulsado na soldagem multipasse da liga Al-Zn-Mg, verificaram que a pulsação convencional de corrente

Fig. 11 – Variação de penetração provocada pelo uso da pulsação térmica na soldagem MIG/MAG. (a): aço inoxidável 309 depositado sobre aço de baixo carbono e (b): alumínio AWS ER4043 depositado sobre AA 5052. Extraído de Barra (4) e Silva et al. (2001).

apresenta boa influência sobre a resistência à fadiga, a resistência mecânica, o nível de porosidade e o refinamento estrutural do metal aportado. Ghosh et al. (14) , avaliando o efeito do MIG pulsado na soldagem de revestimento inoxidável, chegaram a conclusões semelhantes, ressaltando para este caso a

melhoria obtida na resistência à corrosão intergranular e reduções na segregação no contorno de grão da matriz, no nível de diluição e no perfil de dureza na interface revestimento-metal de base. Nos dois casos acima, a seleção correta do pacote operacional “ótimo” considerou não só a estabilidade na transferência metálica,

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Fig. 12 – Alteração na estrutura da ZF gerada pela variação de G.R s em função da imposição de pulsação térmica (detalhe superior mostrando o final do período de base térmica e detalhe inferior do período de base térmica). Extraído de Barra (5).

mas também a sua conseqüente resposta estrutural. Street (30 ) , estudando o processo TIG pulsado, relata que o

valor do ótimo pulso de corrente é dependente das propriedades do material, principalmente da difusividade térmica, independen-

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temente da espessura do metal de base. Contudo, para o processo TIG em corrente contínua, o valor da corrente de soldagem apresenta relação com a espessura. Lucas (22) e Street(30) propuseram a utilização de uma forma complexa de onda de pulsação (figura 10a, pag. 114), quando da soldagem de passe de raiz em juntas espessas. A onda proposta se caracteriza por três distintas regiões. A primeira apresenta uma intencional sobrecorrente, cuja função é formar a poça e melhorar a rigidez do arco, contribuindo para uma rápida penetração. A segunda região da onda de pulsação tem a finalidade de controlar a penetração obtida na primeira. Porém, a intensidade da corrente utilizada será função do metal de base (óxido superficial)

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e da profundidade de penetração térmica no processo MIG/MAG chapas finas empregando a pulsadesejada. Por fim, quando o nível talvez se deva à complexidade ção térmica estar relacionada com de penetração é alcançado, há envolvida com a introdução de a alteração da tensão superficial uma redução na corrente para o transferência de massa e seleção e da viscosidade da poça, entre valor de base (com modulação de do pacote operacional “ótimo”. os períodos de pulso e de base 1 a 10 Hz), com inclinação depenCom base nas informações sobre térmica – isto é, na fase de pulso dente da sensibilidade do material os efeitos da pulsação térmica no térmico haverá uma fusão mais ao surgimento de trinca ou porosiprocesso TIG, é esperado que a reefetiva (maior penetração), endade. Esta modulação, próxima da ferida variante, quando implemenquanto na base térmica ocorrerá freqüência de ressonância da poça, tada no processo MIG/MAG, atue um “resfriamento” da poça (menor promove a agitação do metal líqüisobre o grau de agitação da poça penetração), característica do prodo, gerando um choque na frente de fusão, por meio da acentuação cesso TIG (aquecimento e fusão do de crescimento e propiciando o dos mecanismos citados anteriormetal de base) (30, 9, 38). Novamente, crescimento de grãos equiaxiais, mente (força eletromagnética, os autores não documentam esta reduzindo a formação de grãos força de flutuação, força devida à afirmação e, principalmente, não colunares e controlando o nível de tensão superficial, pressão do arco levam em conta a presença ou não segregação (figura 10b). e impacto da gota metálica). de elementos de liga (Al e S, por Outra forma de exemplo) que alteram controle do refino da a tensão superficial da poça, utilizando TIG poça, quando ocorre pulsado, é obtida pela um incremento na temimplementação da peratura. pulsação de corrente Esta característica de em alta freqüência (1 variação de penetração, a 10 kHz). Nesta freproposta anteriormenqüência de áudio, a te, foi observada por propagação de distúrThreadgill (33 ) , Barra (4 ) bios sônicos no interior e Silva et al. (2001) na da poça de fusão afeta avaliação da pulsação mecanicamente o protérmica sobre o perfil cesso de solidificação, de diluição. A figura 11 havendo um aumento (pág. 106) apresenta no processo de fragmacrografias mostrando mentação dos ramos Fig. 13 – (a): macrografia mostrando a escamação na estrutura do depósito o perfil variado de dilui(regiões A, B e C), oriunda do efeito conjunto da pulsação térmica e da dendríticos (22, 30). ção longitudinalmente multipasse; (b): granulometria nas referidas regiões. Extraído de Street (30) , Dutra et soldagem ao cordão. Threadgill (33), (4) Barra . (9) al. , Sundaresan et na soldagem do aço de al.(31) e Madhusudhan baixo carbono, relata a et al.(23) sugerem que a pulsação Street (30) chama a atenção para ocorrência de refinamento localide corrente com imposição de a importância da forma de chaveazado na região da raiz do cordão, modulação (pulsação térmica), nos mento entre os períodos de pulso no ponto referente ao início do processos TIG, MIG/MAG e arame e base térmica, na soldagem TIG. período de base térmica. Esta petubular (AT), é mais efetiva no O autor comenta que, em materiais quena região de refino deve-se ao processo de refinamento estrutural. com susceptibilidade ao aparecifato de que os núcleos para a soEstas considerações, no entanto, mento de trincas ou porosidade, lidificação equiaxial serão estáveis estão bem documentadas apenas a modulação de corrente entre os apenas no início deste período. O na soldagem TIG. Esta lacuna períodos deverá ser gradual. autor não menciona se houve requanto aos possíveis efeitos metaAlguns autores fazem menção fino decorrente do reaquecimento lúrgicos da aplicação da pulsação à possibilidade da soldagem de cíclico, acima da temperatura de

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Fig. 14 – Variações obtidas na granulometria da ZF em função da forma de onda de corrente aplicada. (a): corrente contínua, (b): pulsação térmica (CC) e (c): pulsação térmica alternada (CA). Extraído de Sundaresan et al.(31).

austenitização, de parte da região solidificada (transformação no estado sólido). Santos (27) relata que na soldagem TIG com pulsação térmica é possível atingir mais rapidamente o regime permanente em função das condições térmicas impostas e, ainda, sugere que a variação de penetração deixará de ser visível em baixos valores de v s. Silva et al. (2001), utilizando mapas de grau de qualidade, observaram que o perfil variado de diluição, na soldagem MIG/MAG térmica, tende a desaparecer com

a redução no período de base térmica. Becker et al.(7) e Barra (5) avaliaram as vantagens metalúrgicas do emprego da pulsação térmica (efeito do espaçamento entre os pulsos térmicos, velocidade de soldagem, tempo e intensidade da corrente de pico na fase térmica), na soldagem TIG do aço de baixo carbono e MIG/MAG térmico do Al-Mg, sobre o controle do processo de solidificação da ZF. Os resultados demonstram que o refinamento obtido deve-se claramente à transformação de fase originada pela imposição de suces-

sivos ciclos térmicos (aquecimento e resfriamento de uma estreita região) passando pela temperatura de austenitização da liga. Também foi observado que os valores de G e Rs variam em função da pulsação térmica, sendo o máximo valor atingido no início da base térmica (uma ordem de grandeza acima do valor referente ao pulso térmico) e o mínimo, no final desta fase. Entretanto, como a relação G/Rs não se altera muito, haverá apenas o efeito do produto G.Rs que governa o tamanho do espaçamento celular (figura 12, pág. 117).

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Fig. 15 – Exemplo do efeito da pulsação térmica, rastreado a partir dos valores de Dpt, sobre tamanho e o modo de crescimento dos grãos da zona fundida (Al-Mg)

O pulso térmico atuará também na ZF como se fosse um novo cordão a ser depositado sobre uma região já solidificada (referente ao período de base térmica), o que resultará, provavelmente, num efeito equivalente ao da soldagem multipasse, tanto sobre a região já solidificada do mesmo cordão, quanto nos cordões já deposita-

dos adjacentes à poça de fusão (figura 9c). Barra (4), em seu trabalho sobre revestimentos resistentes à cavitação, relata que, em decorrência da pulsação térmica, foi detectada a presença de três regiões em forma de “escamas” na ZF (figura 13a, pág. 118), apresentando diferentes níveis de taxa erosiva. Os

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depósitos foram confeccionados com a utilização da variante MIG/ MAG térmica com arame tubular inoxidável austenítico ligado ao cobalto como metal de adição. O autor relata que esta variação de resistência ao fenômeno de cavitação, sobre as condições dos ensaios utilizados, não apresenta relação com o tamanho de grão (figura 13b). O autor enumera como prováveis agentes dessa diferenciação a variação da densidade de defeitos cristalinos (falha de empilhamento, por exemplo), o nível de segregação, mudança no volume de fases (matriz austenítica em martensita ` e ), a variação no aporte térmico, a variação no nível de diluição e o aumento na agitação da poça, decorrentes da pulsação térmica.

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É esperado que, para as ligas que apresentam transformação de fase no estado sólido, o processo de pulsação térmica ofereça ainda um mecanismo adicional de refino da microestrutura. Na soldagem do aço-carbono e do aço inoxidável, este refinamento é atribuído aos múltiplos ciclos de temperatura através da faixa de transformação ( ou ). Sundaresan et al.(31), contudo, observaram que, em algumas ligas de titânio - a ductilidade não apresenta melhora sobre as condições usuais de soldagem TIG térmica (períodos em CC), devido ao fato de haver, no período de alta energia, um aumento no tamanho dos grãos da fase e, em baixa energia, um resfriamento e um aumento rápidos na relação desta

Fig. 16 – Efeito da freqüência térmica sobre o aspecto superficial e o perfil de penetração. Linha superior: aspecto do Al-Mg; linha intermediária: aspecto do aço-carbono; linha inferior: perfil de penetração do aço-carbono.

fase na estrutura da ZF. Um efeito melhorado de refino nesta liga foi obtido com a implementação de pulsação térmica em corrente alternada (períodos em CA). Os autores conseguiram os melhores resultados de refino, empregando a pulsação térmica de corrente, na

soldagem da liga Ti-6Al-2Sn-4Zr2Mo (figura 14, pág. 120). Balasubramaniam et al. (2) avaliaram o efeito dos processos TIG pulsado e MIG pulsado sobre a resistência à propagação de trinca por fadiga na soldagem da liga AA7075. Os autores observaram

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Fig. 17 – Efeito da pulsação térmica sobre a fração volumétrica de microconstituintes da zona fundida. (a): representação gráfica da variação volumétrica, (b): microestrutura na região colunar para Dpt = 1,5 mm e (c): microestrutura na região colunar para Dpt = 10 mm.

que a aplicação de pulsação de corrente, em função do refino de grão propiciado, é benéfica para o incremento da resistência à propagação de trinca por fadiga na liga estudada. Barra (5, 6) , estudando o efeito dos parâmetros associados à pulsação térmica (distância entre pulsos térmicos Dpt, freqüência térmica Ft, ciclo ativo térmico Ct, corrente média total Imt e desnível térmico Dt), observou que a variante MIG/ MAG térmica, na soldagem de ligas tratáveis (aço-carbono) e nãotratáveis termicamente (Al-Mg), influencia o modo de crescimento e o tamanho médio dos grãos na zona fundida (ZF), altera o perfil esperado da ZTA (zona termicamente afetada) e varia, ciclicamente, o nível de diluição e o perfil do reforço – vide exemplos nas figuras 15 (pág. 121) e 16 (pág. 122). Barra (5, 6) também avaliou o efeito da pulsação térmica sobre a largura média do grão primário e a fração volumétrica das fases apresentadas no cordão de solda – ferrita acicular (FA), ferrita de contorno de grão (FP(G)), ferrita de placa lateral (FS(SP)) e ferrita alinhada (FS(A)). Os dados indicam que o incremento da pulsação

térmica influencia a largura e o comprimento dos grãos primários e o volume e aspecto dos microconstituintes (figura 17).

Conclusões Com base nos dados apresentados, é importante salientar, mais uma vez, que, para o processo MIG/MAG térmico, a exata relação entre um possível melhoramento estrutural (conhecimento metalúrgico) e a modulação nos sinais de Im e va (conhecimento de processo) ainda não é bem conhecida. Além disso, os estudos relacionados à pulsação térmica normalmente apresentam como foco principal os processos em que não há a ocorrência de transferência de massa (transferência metálica) durante a operação de soldagem. Esta preferência pelo processo TIG, por exemplo, recai na menor complexidade envolvida na modelagem ou na explicação de um determinado fenômeno. De maneira geral, as seguintes conclusões devem ser avaliadas para definição ou não dessa variante como o processo de união/revestimento: ฀ De maneira geral, foi observado que, dependendo da forma de

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onda implementada, a utilização da pulsação térmica no processo MIG/MAG apresenta-se como mais uma opção (ferramenta) na melhoria da qualidade final do metal aportado. Esta variante, por apresentar diferentes comportamentos do arco entre as fases de pulso e base térmica, afeta a dinâmica na região do arco (variação na freqüência de destacamento e possíveis perdas em UGPP e na manutenção de l0) e, conseqüentemente, altera ciclicamente a taxa de deposição, a geometria do cordão (reforço, largura e penetração), o grau de diluição, a microestrutura da zona fundida e a largura da ZTA. ฀ A pulsação térmica provoca uma diferença no grau de agitação

da poça entre as fases de pulso e base térmica. Na fase de pulso térmico, o metal líqüido apresenta-se mais agitado, em decorrência do maior valor de Im e da freqüência de destacamento das gotas metálicas; ฀ É necessário o conhecimento e a padronização dos parâmetros intrínsecos à variante, tais como: distância entre pulsos (Dpt), desnível térmico (Dt), ciclo ativo térmico (Ct), freqüência térmica (Ft) e a corrente média total (Imt).

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