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ESTUDO DAS INCLUSÕES NÃO-METÁLICAS FORMADAS NO METAL DE SOLDA DEPOSITADO POR ARCO SUBMERSO
M. R. V. de Araújo, A. A. C. Asselli, W. J. Yamakami, R. C. Tokimatsu,
V. A. Ventrella e J. Gallego
Caixa Postal 31 – Ilha Solteira, SP – CEP 15.385-000 – [email protected]
MAPROTEC - Departamento de Engenharia Mecânica – UNESP/Ilha Solteira
RESUMO Durante a soldagem por arco submerso o metal de solda é isolado por uma camada
de fluxo granulado, responsável pela proteção química contra a oxidação e controle
de composição química e da microestrutura do metal de solda. No presente trabalho
foi realizado um estudo sobre a influência das inclusões formadas em cordões de
solda depositados em chapas de aço estrutural, tidas como as principais
responsáveis pela formação da ferrita acicular. Nos ensaios de soldagem a energia
aplicada variou entre 1,0 a 3,3 kJ/mm. A distribuição de inclusões nas amostras foi
caracterizada por microscopia ótica e eletrônica (MET), equipada com microanálise.
A investigação mostrou que a distribuição de tamanhos das inclusões foi afetada
pela energia de soldagem e que partículas com tamanho submicrométrico atuaram
na nucleação da ferrita acicular, considerado o principal microconstituinte nas
amostras observadas.
Palavras-chave: soldagem arco submerso, inclusões, metal de solda, metalografia. INTRODUÇÃO O processo de soldagem por arco submerso é utilizado em larga escala em
importantes setores industriais, como as indústrias de estruturas metálicas e a
construção naval, devido a sua versatilidade e produtividade. Nele a proteção
química da poça de fusão se dá através de uma camada de fluxo granulado, que
também pode contribuir para a formação de inclusões não metálicas e no ajuste da
composição química do cordão soldado.
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As propriedades mecânicas do metal de solda dependem da sua
microestrutura. Diversos trabalhos (1-3) indicam que a formação da ferrita acicular
constitui o melhor balanço entre a resistência mecânica e a tenacidade do cordão de
solda. Entretanto, a nucleação desta fase mostrou ser dependente da presença de
uma dispersão de inclusões não metálicas, cuja formação ainda na poça de fusão
torna a morfologia e a composição química destas partículas bastante variáveis. No
presente trabalho foi realizado uma caracterização das inclusões por microscopia
ótica e eletrônica de transmissão, onde foram avaliadas a distribuição de tamanhos
e outros parâmetros quantitativos a respeito destas partículas. Verificou-se que as
inclusões foram afetadas pelo ciclo térmico de soldagem e que as mesmas atuaram
como substratos para a formação da ferrita acicular encontrada no metal de solda.
MATERIAIS E MÉTODOS Em cada ensaio foi depositado um cordão de solda por arco submerso (bead
on plate), no qual foi empregada uma energia de soldagem entre 1,0 a 3,3kJ/mm.
Objetivando alterar a dispersão de inclusões no metal de solda foram usados
alumina, zircônia e zirconita através da deposição de uma fina camada da emulsão
feita com etanol, que foi queimado logo após a sua aplicação. Pedaços da barra
também foram mantidos sem a aplicação de aditivos e foram usados como
referência. Para a proteção da poça de fusão foi empregado um fluxo granulado
ativo, cuja especificação equivale à AWS F7AZ-EM12K. A Tabela 1 apresenta a
composição química nominal dos aços usados no trabalho.
Tabela 1: Composição química nominal do metal base e do arame (% peso).
Material C (máx.) Mn Si P (máx.) S (máx.) Cu (máx.)Metal base 0,25 0,8-1,2 0,15-0,40 0,04 0,05 0,20
Arame sólido 0,15 1,4-1,8 0,80-1,15 0,02 0,03 0,50
Após a soldagem os cordões foram cortados em pequenos pedaços com disco
abrasivo refrigerado, seguindo-se então o embutimento das amostras do metal de
solda em uma resina com cura a frio. A preparação metalográfica da superfície
transversal do cordão foi realizada na maneira convencional, com o lixamento até a
grana #1200 seguido de polimento mecânico com alumina 1µm. A observação e a
documentação das inclusões não metálicas foram feitas com as amostras na
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condição polida. A revelação da microestrutura com nital 2% permitiu identificar os
microconstituintes existentes no metal de solda. Aspectos quantitativos relativos às
distribuições de inclusões (2) e a fração volumétrica (4) dos microconstituintes foram
determinados a partir de micrografias digitais tiradas em 25 campos contíguos
distintos, onde foi usada uma câmera digital com resolução de 3 megapixels
acoplada ao microscópio ótico. Com o auxílio do freeware Image Tool (5) foram
analisadas estatisticamente um número de inclusões superior a 1000 para cada
amostra, sendo contados 2700 pontos para avaliar a fração volumétrica dos
microconstituintes encontrados em cada condição de soldagem.
Microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi utilizada para a visualização
de detalhes da microestrutura com tamanho inferior a 0,5µm, os quais não podem
ser resolvidos por microscopia ótica. Amostras preparadas para microscopia
eletrônica de transmissão foram extraídas de cilindros usinados com 3mm de
diâmetro, cortados e cuidadosamente lixados até uma espessura de 50µm. Para
obtenção de lâminas finas os discos foram polidos eletroliticamente usando uma
solução de ácido acético com 5% de ácido perclórico resfriado a 15°C, sob tensão
de 41 volts. A análise química de inclusões foi realizada com uma microanálise EDS
acoplada ao MET, operado com feixe de elétrons acelerado a 120 kV.
RESULTADOS E DISCUSSÃO DISPERSÃO DE INCLUSÕES NO METAL DE SOLDA
A observação de uma área polida com aproximadamente 1,8mm2 na região
central da zona fundida dos cordões de solda permitiu identificar e caracterizar a
dispersão de inclusões com morfologia globular, como mostra a Figura 1.
A classificação dos tamanhos das inclusões encontradas no metal de solda das
diferentes amostras preparadas para microscopia ótica é apresentada graficamente
nos histogramas da Figura 2. Essas curvas mostram que a variação dos tamanhos
das inclusões pode ser interpretada como uma distribuição do tipo “log-normal” (6),
confirmada pela análise estatística dessas curvas que revelou nas mesmas um
coeficiente de assimetria positiva, que variou entre 0,4 a 13,0. O grau de curtose ou
de achatamento das distribuições variou entre 3,2 a 9,0 – valores típicos para
distribuições leptocúrticas, onde a frequência modal é bastante pronunciada. A
análise de variância feita com um nível de significância de 5% indicou que não
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houve um efeito significativo resultante da aplicação dos aditivos sobre a distribuição
dos tamanhos das inclusões não metálicas observadas (7).
1 kJ/mm 2 kJ/mm 3 kJ/mm
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
(j) (k) (l)
Figura 1: Exemplos típicos da dispersão de inclusões observadas no metal de
solda depositado sem aditivo (a-c), aditivado com alumina (d-f), zircônia (g-i) e
zirconita (j-l), sob diferentes energias de soldagem (1; 2 e 3kJ/mm). Sem ataque.
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1 kJ/mm 2 kJ/mm 3 kJ/mm
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
sem aditivoEnergia de soldagem 1,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].Tamanho da inclusão [µm].
sem aditivoEnergia de soldagem 2,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
sem aditivoEnergia de soldagem 3,0 kJ/mm
(a) (b) (c)
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: aluminaEnergia de soldagem 1,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: aluminaEnergia de soldagem 2,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: aluminaEnergia de soldagem 3,0 kJ/mm
(d) (e) (f)
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: zircôniaEnergia de soldagem 1,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: zircôniaEnergia de soldagem 2,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: zircôniaEnergia de soldagem 3,0 kJ/mm
(g) (h) (i)
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: zirconitaenergia de soldagem 1,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: zirconitaenergia de soldagem 2,0 kJ/mm
5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
Freq
uênc
ia re
lativ
a [%
].
Tamanho da inclusão [µm].
aditivo: zirconitaenergia de soldagem 3,0 kJ/mm
(j) (k) (l)
Figura 2: Distribuição de freqüência dos tamanhos das inclusões existentes no
metal de solda depositado sem aditivo (a-c), aditivado com alumina (d-f), zircônia (g-
i) e zirconita (j-l), sob diferentes energias de soldagem (1; 2 e 3kJ/mm).
O processamento digital das imagens contendo inclusões permitiu determinar
uma série de indicadores quantitativos sobre as mesmas, como os valores médios e
o correspondente desvio padrão de parâmetros como o tamanho ou diâmetro
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equivalente d, o número de inclusões por área NA, densidade de partículas por
volume NV e a fração volumétrica VV , determinadas respectivamente pelas equações
(A) a (D) apresentadas a seguir (2):
πinclusão) da (área 4 ⋅=d (A)
analisada) total(áreaanalisada) totalárea na observadas inclusões de (número=AN (B)
dNN A
V = (C)
3)(
6dNV VV ⋅⋅= π (D)
Os resultados obtidos com a caracterização realizada por microscopia ótica
podem ser vistos graficamente na Figura 3 e mostram conformidade com estudos
semelhantes realizados por outros pesquisadores (8-9). Verificou-se que o acréscimo
da energia de soldagem promoveu um aumento no número de inclusões formadas
na poça de fusão, embora as mesmas tenham sofrido uma redução em seu tamanho
médio como mostrado na Fig. 3(a). Esse efeito do processo de soldagem sobre o
tamanho mostrou ser bem ajustado por uma regressão linear, cujo coeficiente de
correlação foi estimado em 0,93.
É bem possível que tenha havido uma permanência mais prolongada da poça
de fusão em temperaturas mais elevadas com o incremento do calor usado na
soldagem. Este comportamento pode ser associado à taxa de resfriamento da poça
de fusão que teria sido pouco afetada, pois o metal base possuía uma espessura
padrão. Assim sendo a nucleação teria sido favorecida, em detrimento ao
crescimento das inclusões no seio do aço fundido. As Figuras 3(b) e (c) mostram
que a variação da densidade de inclusões, expressas por NA e NV respectivamente,
tiveram um comportamento linear também bem ajustado. A variação da fração
volumétrica VV com o aumento da energia de soldagem, Figura 3(d), foi considerada
estatisticamente desprezível. A literatura indica que a quantidade de inclusões é
afetada essencialmente pela composição química, particularmente do oxigênio em
solução no metal fundido (1-2). Tal resultado sugere que a introdução de uma
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quantidade maior de oxigênio ao metal de solda tenha sido impedida pelo fluxo, cujo
comportamento manteve-se estável nos ensaios de soldagem realizados.
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
tam
anho
méd
io d
as in
clus
ões
d [µ
m]
energia de soldagem [kJ/mm]
R2 = 0,93
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0100
1000
10000
núm
ero
de in
clus
ões
NA [m
m-2]
energia de soldagem [kJ/mm]
R2 = 0,85
(a) (b)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
105
106
107
núm
ero
de in
clus
ões
NV [m
m-3]
energia de soldagem [kJ/mm]
R2 = 0,91
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
fraçã
o vo
lum
étric
a da
s in
clus
ões
VV
energia de soldagem [kJ/mm]
(c) (d) Figura 3: Variação de parâmetros relativos à distribuição de inclusões. (a)
tamanho médio; (b) número de inclusões por unidade de área observada; (c) número
de inclusões por unidade de volume e (d) fração volumétrica.
A observação de lâminas finas no MET permitiu identificar inclusões cujo
tamanho variou normalmente entre 0,1 a 1µm, como mostram os exemplares da
Figura 4. As partículas mostraram possuir um aspecto preponderantemente globular
com, entretanto, superfícies facetadas. Esses detalhes sobre a superfície poderiam
explicar porque algumas inclusões teriam servido de substrato para a nucleação da
ferrita acicular, enquanto outras seriam inertes e foram totalmente envolvidas pela
matriz. Inclusões com comportamento semelhante a este foram detalhadas por Lee
e colaboradores (10), em seu estudo sobre o efeito destas partículas sobre a
nucleação do microconstituinte acicular no metal de solda.
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Figura 4: Micrografias MET mostrando inclusões e agulhas de ferrita acicular
encontradas no metal de solda depositado com 1 (a) e 3 kJ/mm (b).
Bott e Rios(11) apontam que inclusões não metálicas com tamanho
submicrométrico podem constituir um poderoso sítio preferencial para a nucleação
da ferrita acicular. Combinando-se este efeito morfológico com a natureza química
destas partículas pode-se afetar a quantidade deste microconstituinte no metal de
solda. A Figura 5 apresenta uma região na qual o número de agulhas de ferrita
acicular que foram formadas a partir das inclusões não metálicas existentes mostrou
variar entre dois a cinco. Devido a grande espessura dessas partículas não foi
possível realizar a sua análise por difração de elétrons, mas a espectroscopia de
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energia dispersiva dos elétrons (EDS) mostrou que as mesmas eram compostas
principalmente por manganês, silício e alumínio, cujos teores aproximados foram
40%, 28% e 10% respectivamente. A ausência de enxofre nos espectros obtidos
sugere que as partículas seriam óxidos ou silicatos complexos típicos de solda (1). A
presença de titânio foi verificada apenas em algumas inclusões analisadas.
(a) (b)
Figura 5: Micrografia MET mostrando em (a) diversas agulhas de ferrita
acicular que foram nucleadas a partir de inclusões, sendo a microanálise EDS
daquela indicada pela seta mostrada em (b).
MICROESTRUTURA DO METAL DE SOLDA A microestrutura observada na região da zona fundida das amostras foi
constituída principalmente por ferrita acicular (AF) circundada com grãos de ferrita
primária de contorno de grão (PF(G)). Raramente um outro microconstituinte, a
ferrita com segunda fase alinhada – FS(A), também foi identificado (2). A identificação
das inclusões não metálicas sobre a superfície da amostra também foi possível,
apesar do seu contraste ter sido prejudicado com o ataque metalográfico. O aspecto
e a fração volumétrica dos principais microconstituintes são apresentados na Fig. 6.
Pela caracterização da microestrutura do metal de solda feita na Figura 6(b)
ficou evidente que a ferrita acicular foi o microconstituinte preponderante - entre 50 a
62%. A participação da ferrita primária, seja de contorno de grão PF(G) ou
intragranular PF(I), foi significativa mas menor. A análise quantitativa estimou entre
15 a 23% da fração volumétrica constituída por PF(G), enquanto estes valores
caíram entre 7 a 10% para PF(I). A ferrita com segunda fase alinhada FS foi
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identificada muito raramente nas amostras observadas, constituindo uma fração
volumétrica que atingiu no máximo 2%. Estes valores mostram boa conformidade
com estudos semelhantes apresentados na literatura (8,12).
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 AF PF(G) PF(I) FS outros
fraçã
o vo
lum
étric
a do
mic
roco
nstit
uint
e [%
]energia de soldagem [kJ/mm]
(a) (b) Figura 6: (a) Detalhe da microestrutura do metal de solda apresentando as
diferentes morfologias da ferrita observadas. Ataque: nital 2%. (b) variação da fração
volumétrica dos diversos microconstituintes encontrados no metal de solda.
A microestrutura do metal de solda se desenvolve a partir da transformação da
austenita, sendo afetada tanto pelos parâmetros usados na soldagem por arco
submerso quanto pela composição química resultante da diluição. Tais interações
promovem uma microestrutura da zona fundida complexa, normalmente constituída
por diferentes morfologias da ferrita. A ferrita primária PF(G) tem a sua formação
iniciada com pequenos superesfriamentos em relação à temperatura A3, sendo
nucleada heterogeneamente sobre os contornos de grão da austenita prévia. A
ferrita primária tem o seu crescimento controlado pela difusão do carbono através da
interface planar incoerente γ-α (2). O papel das inclusões não metálicas sobre a
formação da ferrita poligonal de contorno de grão PF(G) pode ser desprezado,
considerando que várias destas partículas podem ser observadas no interior dos
grãos. Entretanto, o mesmo não se pode afirmar quanto ao efeito das inclusões
sobre a nucleação da ferrita poligonal intragranular PF(I), posto que as mesmas
podem atuar como substrato para a formação deste microconstituinte (13). Embora
não tenha sido realizado um estudo quantitativo sobre a nucleação da ferrita
acicular, as análises preliminares evidenciaram o papel das pequenas inclusões
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sobre a formação deste constituinte e estimulam o desenvolvimento de trabalhos
futuros com o emprego da microscopia eletrônica de transmissão.
CONCLUSÕES - A distribuição de tamanhos das inclusões não metálicas mostrou possuir um
comportamento “log-normal”, que foi afetado pelo ciclo térmico imposto pelo
processo de soldagem por arco submerso.
- O incremento da energia de soldagem de 1,0 para 3,3 kJ/mm resultou no aumento
da quantidade de inclusões formadas no metal de solda, cujo tamanho médio sofreu
uma redução de 6 para 4µm para as mesmas condições de processamento.
- A eficiência do fluxo foi responsável pela fixação de um teor praticamente
constante do oxigênio em solução na poça de fusão, o que contribuiu para manter
inalterada a fração volumétrica das inclusões.
- A análise feita por MET constatou que inclusões com composição química
complexa e de tamanho entre 0,1 a 1µm contribuíram efetivamente para a nucleação
da ferrita acicular.
AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio técnico prestado pelo LCE-UFSCar e pela
SERVTEC, à FAPESP pela concessão de auxílio à pesquisa e de uma bolsa de
estudos (AACA) e à CAPES pela bolsa de mestrado (MRVA).
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A STUDY OF NON-METALLIC INCLUSIONS NUCLEATED ON SUBMERGED ARC STEEL WELD METAL
ABSTRACT
Several authors have established that inclusions are the most sites for nucleation of
acicular ferrite in submerged arc weld deposits. In the present work a microstructural
characterization was carried out by light and transmission electron microscopy,
where some important qualitative and quantitative parameters such as the inclusion
size distribution, the particle density and volume fraction were determined on
different heat input weld metal levels. It was observed that particle density increases
with increase in heat input, but its mean size decreases. TEM observations showed
that inclusions smaller than 1µm took place on acicular ferrite nucleation but not all of
them were effective. This behavior can be associated to the complex composition of
these inclusions which are mainly formed by Mn, Si and Al.
Key-words: submerged arc weld, inclusions, weld metal, quantitative metallography
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