O processo MIG/MAG é um dos mais utilizados na indústria de soldagem de alumínio, atualmente. Seja pelo modo convencional ou automático, ele proporciona alta produtividade e significativa qualidade. Porém, esse processo apresenta um grande número de variáveis que dificultam o controle da qualidade. A falta de tempo e de equipamentos nas linhas de produção fomenta a elaboração de estudos apropriados dos parâmetros e suas possíveis combinações ⁽¹⁾. Dentro desse cenário, na década de 80, o instituto de soldagem TWI criou um sistema de controle de equipamento com interface mais amigável, voltado para a gravação de parâmetros. O sistema é conhecido atualmente como MIG sinérgico (Synergic MIG/MAG welding), cuja configuração permite que os parâmetros de corrente de soldagem atuem simultaneamente com a velocidade de alimentação de arame. As dificuldades referentes aos parâmetros da soldagem MIG/MAG se tornam mais problemáticas no caso de ligas de alumínio, materiais amplamente aplicados na indústria automobilística, de estruturas metálicas, aeronáutica e naval ^{(2, 3)}. Este trabalho apresenta um estudo específico realizado com o alumínio 5083-O,

 

uma liga Al-Mg, selecionada devido às suas propriedades mecânicas e por apresentar boa soldabilidade.

Ao serem observados os problemas de acerto de parâmetros, a necessidade de elaborar um estudo mais aprofundado das variáveis de soldagem desses materiais se tornou mais evidente. Entre essas, uma muito importante é a corrente, contínua ou pulsada, utilizada para realizar a soldagem. A corrente de soldagem é um parâmetro que auxilia no rompimento da camada de óxido gerada no momento da união do alumínio ⁽³⁾.

No processo MIG/MAG sinérgico a velocidade de alimentação de arame é relacionada com a frequência de pulsação, duração do pulso e com a corrente/tensão de pulso, configuração que possibilita a seleção apenas da corrente de soldagem, ficando a regulagem dos demais parâmetros do processo a cargo da máquina, eliminando, assim, a seleção de algumas variáveis por parte do operador ⁽²⁾.

Outro parâmetro importante analisado foi a vazão do gás de proteção. A maioria dos gases inertes poderiam ser aplicados na soldagem de alumínio (argônio e hélio), mas, devido a fins econômicos, questão muito importante na indústria, utiliza-se apenas o argônio. A partir disso, foi elaborado um estudo da influência da vazão do gás de proteção e do tipo de corrente nas propriedades mecânicas de juntas soldadas de alumínio 5083-O, utilizando MIG sinérgico, com intuito de evitar o desperdício de consumíveis.

Materiais e métodos

Materiais, consumíveis e equipamentos

Este trabalho utilizou como material-base a liga de alumínio EM AW 5083-O na condição recozida

Fig. 1 – Desenho do tipo de junta utilizado no experimento, onde 1 indica o metal-base e 2 o cobre-junta.

e como metal de adição o eletrodo Autrod 5183 com diâmetro de 1,2 mm, fabricado pela Esab; o gás de proteção foi 100% Ar com pureza de 99,99%. As soldas foram feitas por um robô antropomórfico com seis graus de liberdade da marca OTC-Daihen®,modelo AF-401, com fonte inversora DP-400.

Composição química e propriedades mecânicas do metal-base e de adição

A caracterização da composição química do metal-base e do eletrodo utilizado na soldagem é apresentada na tabela 1.

Para a soldagem foi utilizado o eletrodo AWS A510 ER5183 de diâmetro de 1,2 mm, e limite de escoamento de 125 MPa, bem como tensão máxima de 275 MPa com alongamento mínimo de 17%. O material de base apresentou uma tensão de escoamento média de 130 MPa e tensão máxima de 250 MPa, com alongamento médio de 34%.

Parâmetros e equipamentos utilizados no processo de soldagem

O tipo de junta foi definido como chanfro do tipo “v”, amplamente utilizado na indústria ⁽⁵⁾. Foram utilizados chanfros de 100 mm de largura que ao serem soldados passaram a apresentar 200 mm de largura, 300 mm de comprimento e 6,35 mm de espessura. Foi usinado um chanfro de 25o em cada chapa, totalizando 50o no bisel. Para o controle do tamanho da raiz foi utilizado cobre-junta de aço inoxidável da liga 304-L, e o canal central do cobre-junta foi usinado com 1,5 mm de profundidade. A figura 1 apresenta o desenho da junta utilizada, onde 1 indica o metal-base e 2 indica o cobre-junta.

Pela soldagem automática feita por robô podem ser eliminadas as influências de outros parâmetros não envolvidos nesse trabalho, como a distância bico-peça de 12 mm e a velocidade de soldagem de 50 cm/min no passe de raiz e de 40 cm/min no passe de enchimento, que foram parâmetros mantidos durante o experimento. O ângulo da tocha durante a soldagem foi mantido em 25o, e a solda foi executada puxando a tocha com abertura entre as chapas de 1,5 mm. Para o parâmetro da vazão de gás foram escolhidos dois valores comumente utilizados para a soldagem, 12 l/min e 18 l/min. Dessa forma foram confeccionadas quatro soldas, duas com corrente contínua e duas com corrente pulsada, com variação da vazão do gás em ambas. Após a seleção e regulagem dessas variáveis na máquina, foram feitas soldas conforme a ordem mostrada na tabela 2. Antes da soldagem e durante os passes respectivos as chapas foram limpas com acetona, para garantir a sua descontaminação.

 

Preparação dos corpos de prova

Após a confecção das soldas, foram extraídos corpos de prova para ensaios de dobramento, que foram usinados conforme a norma ASTM E190 ⁽⁸⁾, e amostras para ensaio de tração segundo a norma ASTM E8M ⁽⁹⁾. Além disso, foi obtida uma amostra de 10 x 10 mm para a realização da macrografia das uniões soldadas.

Foram usinados seis corpos de prova para o ensaio de dobramento e três amostras para o ensaio de tração, de cada condição de soldagem. Primeiramente, as chapas foram cortadas em tiras com dimensões próximas às indicadas pelas normas ASTM E 190 e ASTM E 8M, e em seguida a usinagem foi realizada em um centro de usinagem vertical CNC da marca Romi modelo D-800. A usinagem em máquina CNC foi feita em razão da máxima precisão dimensional dos corpos de prova almejada. Além disso, uma seção de 20 mm do início ao fim de cada junta soldada foi descartada.

Materiais e equipamentos utilizados nos ensaios de dobramento e tração

Para o ensaio de dobramento e tração foi utilizada uma máquina de ensaios universal da marca Schenck, a qual pode realizar os dois tipos de testes. Foram realizados três dobramentos de face e três dobramentos de raiz, sendo as amostras submetidas a um dobramento de 180o; para tal recomenda-se uma ferramenta com 25,4 mm de diâmetro. Os apoios foram afastados em 41,3 mm e ao final do dobramento o corpo de prova foi apoiado em um cutelo com raio de 20,6 mm. Além disso, foi removido o reforço do cordão, tanto na face como na raiz, dos corpos de prova, conforme descrito em norma.

Os corpos de prova tiveram uma redução de seção, passando de 10 para 6 mm, induzindo a ruptura para uma área próxima ao cordão de solda, de acordo com a norma para materiais metálicos ⁽⁹⁾.

Equipamentos e as etapas da macrografia e medição de microdureza

Após as amostras da macrografia serem retiradas das juntas soldadas, elas foram embutidas para facilitar o seu manuseio. Em seguida, foram lixadas, para serem eliminadas as marcas provenientes da usinagem,

Fig. 2 – Imagens da superfície de fratura e da superfície externa de dobramento CP 4 e CP 2

até o acabamento de lixa de grana 1.200. Posteriormente, foi feito um ataque com solução de água régia (33% HCl + 33% HNO3 + 33% H2O) ⁽¹⁰⁾ em função da análise macrográfica, que foi realizada em estereoscópio Zeiss, modelo Stemi 2000C, com aumento de oito vezes.

Essas amostras também foram submetidas a ensaios de microdureza, realizados em uma máquina da marca Shimadzu, modelo HM- V-G20ST. Para penetração no alumínio usou-se uma carga de 0,3 kg (2,942 N), com uma indentação de 0,5 mm, e a escala utilizada para a medição da dureza foi a Vickers ⁽¹¹⁾.

Resultados e discussão

Ensaio de tração

A partir da análise da curva tensão versus deformação pelo ensaio de tração, foram obtidos os resultados mostrados na tabela 3 (pág. 70). Foram realizados ensaios com três corpos de prova para cada uma das quatro condições de soldagem determinadas. A tabela também apresenta os valores de tensão máxima, tensão de escoamento e alongamento obtidos pelos ensaios do metal-base e das juntas soldadas.

Analisando a tabela pode-se notar que os valores das tensões encontradas para a junta soldada são maiores que o valor apresentado pelo metal sem solda, porém o alongamento foi menor em todas as condições em relação ao metal-base. As amostras 1 e 2 da condição 4 apresentaram valores insatisfatórios, pois houve falta de fusão do eletrodo com a chapa, ocasionando um concentrador de tensão que interferiu nos resultados do ensaio.

Na condição de soldagem 1 os corpos de prova romperam na área do metal de adição, porém eles apresentaram maior resistência que o metal-base. Nas condições de soldagem 2 e 3 os corpos de prova tiveram resultados mais satisfatórios, pois a ruptura ocorreu no metal-base, mais precisamente na zona termicamente afetada.

Ensaio de dobramento

Os resultados dos ensaios de dobramento de face e de raiz apresentaram falhas devido à falta de ductilidade ou presença de trincas, ou microtrincas, em todas as condições de soldagem, conforme apresentado na figura 2 (pág. 71). Em todas as condições ocorreu a ruptura da junta soldada devido, principalmente, à presença de poros no cordão de solda. Esses poros geram concentradores de tensão, diminuem a ductilidade do metal de solda e também reduzem a sua área da seção transversal resistente.

Macrografia das juntas soldadas

A figura 3 apresenta as imagens obtidas pela macrografia dos cordões de solda. A penetração e o aspecto dos cordões foram satisfatórios, com exceção da primeira condição (1) que foi realizada com corrente contínua e vazão de 12 l/ min, na qual pode ser observada uma grande incidência de poros. Na quarta condição de soldagem pode ser vista uma região com falta de fusão junto à lateral do cordão.

Ensaio de microdureza

A figura 4 apresenta os resultados obtidos pela medição de microdureza da seção transversal da junta, que teve início na área do metal-base, passando pela zona termicamente afetada e pelo metal de adição. Houve uma redução da dureza na região da solda que modificou as propriedades mecânicas na região fundida e na zona termicamente afetada.

Fig. 3 – Imagens obtidas a partir da macrografia das juntas soldadas

Efeito das variáveis nas propriedades mecânicas das juntas soldadas

Após a avaliação dos resultados foi realizada uma análise estatística para verificar a influência das variáveis de soldagem sobre eles.

Na tabela 4 (pág. 74) é apresentado o planejamento experimental com análise fatorial 2k. Uma análise de variância foi realizada para a avaliação do comportamento das variáveis de estudo e suas interações, com nível de confiança de 95%.

Na análise estatística foram avaliados os efeitos dos parâmetros, como tipo de corrente e vazão de gás de proteção nas propriedades de tensão máxima, bem como o alongamento das juntas soldadas. Por meio do software Minitab foram gerados gráficos de Pareto e de tendência dos parâmetros de soldagem e suas interações.

Fig. 4 – Perfil de microdureza observado nas quatro condições de soldagem

Efeito dos fatores sobre a tensão máxima

A análise de variância fatorial 2^k foi realizada para avaliar os efeitos das variáveis sobre os resultados da tensão máxima do material, que foi baseada em dois fatores principais denominados A e B e suas combinações. A figura 5ª apresenta o gráfico de Pareto com os resultados plotados. É possível observar que nenhum dos fatores tem efeito significativo sobre a tensão máxima média das soldas.

As figuras 5b e 5c (pág. 75) apresentam os valores obtidos para a tensão máxima média dos corpos de prova, indicados pela linha no centro do gráfico. Ao lado do gráfico estão indicados os valores 1 e -1, que significam, respectivamente, corrente contínua e corrente pulsada, enquanto 12 e 18 são os valores de vazão de gás utilizados. É possível observar a tendência da tensão máxima média devido à interação do tipo de corrente com a vazão de gás utilizada. A linha de cor vermelha representa a corrente contínua e a de cor preta representa a corrente pulsada.

A análise mostrou que as variáveis de corrente e vazão de gás não foram significativas nos resultados do experimento, em termos de tensão máxima do material. Porém, é possível observar um aumento da resistência quando a soldagem é realizada com corrente pulsada, o que se deve ao fato de que com esse tipo de corrente é observada uma maior estabilidade do arco

 

elétrico e, consequentemente, da poça de fusão, diminuindo assim a incidência de poros na solda. Isso também aconteceu com a vazão de gás, em que a tensão máxima média foi maior no caso das soldas executadas com vazão de 12 l/min.

Efeito dos fatores sobre o alongamento das uniões

A figura 6 (pág. 76) mostra outro gráfico de Pareto, o qual apresenta os mesmos fatores avaliados (A e B), sendo o parâmetro de resposta a análise do alongamento das juntas soldadas, que possibilita a avaliação dos parâmetros e suas interações sobre o alongamento dos corpos de prova. Como resultado, é possível observar que nenhum parâmetro tem efeito significativo sobre o percentual de alongamento das juntas soldadas.

Na figura 7 (pág. 76) são mostrados os valores de percentual de alongamento da junta soldada. As variáveis 1 e -1 indicam, respectivamente, corrente contínua e corrente pulsada, já 12 e 18 são os valores de vazão de gás utilizados. Também é

Fig. 5a – Gráfico de Pareto dos efeitos dos parâmetros sobre a tensão máxima média

possível observar a tendência de alongamento devido à interação entre o tipo de corrente e a vazão de gás utilizados. A linha de cor preta representa a corrente pulsada e a linha de cor vermelha representa a corrente contínua.

Ocorreu o aumento do percentual de alongamento quando foi aplicada soldagem com corrente pulsada, fato que também ocorreu com a vazão de gás, em que o alongamento foi maior no caso das soldas executadas com vazão de 12 l/min. Isso se justifica devido à porosidade junto ao cordão de solda e também à falta de fusão ocorrida em algumas uniões.

Fig. 5b e 5c – Efeito do tipo de corrente e da vazão de gás sobre a tensão máxima média

Quanto à interação das duas variáveis, é possível observar que quando aplica-se corrente pulsada o percentual de alongamento aumenta, assim como a vazão de gás, ao passo que quando foi empregada corrente contínua, o aumento da vazão de gás causou a diminuição do alongamento.

Conclusões

Por meio do estudo tratado nesse trabalho, ficou evidente que a incidência de porosidade nos cordões de solda foi reduzida com o emprego de corrente pulsada e vazão de gás de 18 l/ min devido à estabilidade

Fig. 6 – Gráfico de Pareto dos efeitos dos parâmetros sobre o percentual de alongamento

do cordão de solda e à maior proteção da poça de fusão gerada pela maior vazão de gás de proteção. A resistência mecânica da junta também apresentou resultados mais homogêneos quando foi aplicada corrente pulsada. Assim, é possível afirmar que a liga de alumínio 5083- O soldada pelo processo MIG pode obter resultados satisfatórios, salientando que a ruptura dos corpos de prova ocorreu, na maioria dos casos, no metal de base durante o ensaio de tração.

Fig. 7 – Efeito do tipo de corrente e da vazão de gás sobre o alongamento

Com isso, é importante ressaltar que estes parâmetros servem como base para novos estudos.

Também foi observada a presença de porosidade e ocorrência de falta de fusão, devido à instabilidade no arco elétrico e à difícil remoção da camada de óxido, durante a soldagem de alumínio usando-se corrente contínua.

Em relação à resistência ao dobramento observada nos respectivos ensaios, pode-se concluir que a ductilidade da junta soldada não se mostrou adequada, apresentando falhas devido à sua baixa consistência, fato evidenciado pela fratura dos corpos de prova.

Agradecimentos

Agradecemos a empresa Triel HT, por disponibilizar os materiais para soldagem, e os laboratórios de soldagem e de ensaios mecânicos e metalográficos da Universidade de Passo Fundo, por disponibilizar a estrutura e os equipamentos necessários para a realização dos experimentos e das respectivas análises.

Referências

1) Mathers, G. The welding of aluminium and its alloys. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2002.

2) Fischer, A. Estudo da influência dos parâmetros no processo de soldagem GMAW – Arco Pulsado. Tese (Doutorado) – Universidade Federal de Minas Gerais, setembro, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Belo Horizonte, 2011.

3) Alcan. Manual de soldagem. Alumínio e suas ligas. Canadá, 1993.

4) Rukki. Products -Stainless steel and aluminium. Disponível em: <http:// www.ruukki.com/Steel/Stainless-steel-and-aluminium-products/ Aluminium-flat-products/AluminiumEN-AW-5083>. Acesso em maio de

2015.

5) Marques, P. V. Soldagem – Fundamentos e Tecnologia, Belo Horizonte: Editora UFMG, 2005.

6) Esab. Apostila de soldagem MIG/ MAG. Disponível em: <http:// www.esab.com.br/br/pt/education/apostilas/upload/1901104rev0_ apostilasoldagemmigmag_low.pdf>. Acesso em: 20 de março de 2015.

7) Esab. Conhecimento e processos de soldagem: MIG/MAG (GMAW). Disponível em: <http://www.esab.com. br/br/pt/education/blog/processo_ soldagem_mig_mag_gmaw.cfm>. Acesso em: 27 de maio de 2015.

8) A stm International: E190 Standard test method for guided bend test for ductility of welds, ASTM International, 2015.

9) A stm International: E8M Standard test method for tension testing of metallic materials, ASTM International, 2015.

10) A stm International: E407-07 Standard practice for microetching metals and alloys, ASTM International, 2015.

11) A stm International: E384 Standard test for methods for Knoop and Vickers hardness of materials, ASTM International, 2015