INSTRUÇÕES PARA PUBLICAÇÃO NOS ANAIS DO

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8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
Comparação das Propriedades Mecânicas em um Aço 4130 após Soldagem pelo
Processo TIG e a Laser.
Fabiana de Souza Neto, [email protected]
Rafael Humberto Mota de Siqueira, [email protected] 1
Milton Sérgio Fernandes de Lima, [email protected]
Antonio Jorge Abdalla, [email protected]
1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP, Brasil
2 Instituto de Estudos Avançados, Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP, Brasil
Resumo: Este trabalho compara dois processos de soldagem em um aço AISI 4130, um convencional TIG (Tungsten
Inert Gas) e outro automatizado a Laser, são dois métodos eficientes para união de metais que apresentam grandes
diferenças nos resultados. No setor aeronáutico as inovações são de grande importância e os processos com a
utilização de Laser podem trazer avanços significativos. Este aço foi escolhido por ser utilizado em aeronaves de
pequeno porte, como o VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado). Neste trabalho foram realizadas soldas em cheio, sem
adição de material (autógena) por dois processos, TIG e a Laser, para possibilitar uma comparação entre os
processos. Tratamentos térmicos de revenido após a solda foram realizados para avaliar a influência destes nas
propriedades mecânicas. A aplicação do revenido se mostrou benéfico, melhorando a ductilidade do aço e reduzindo
os efeitos de fragilização na região soldada. Foi feita uma caracterização microestrutural por microscopia óptica da
Zona de Fusão (ZF) e Zona Termicamente Afetada (ZTA), notando-se a formação de martensita na zona fundida nos
dois processos de solda usados, porém, com diferenças entre os tamanhos de grãos, devido às diferenças no
aquecimento e na velocidade de resfriamento. Observou-se que a espessura da região fundida e zona afetada pelo
calor no processo TIG foi dez vezes maior que o formado na solda a Laser. O valor de dureza observado na ZF e na
ZTA foi semelhante nos dois processos. As propriedades mecânicas em tração após tratamento térmico (limites de
escoamento e resistência) mantiveram-se em níveis elevados, semelhantes ao do material base. Após o tratamento de
revenido, houve uma recuperação na ductilidade do material, principalmente no material soldado a Laser, mostrando
a relevância do processo.
Palavras-chave: AISI 4130, solda TIG, solda a Laser, propriedades mecânicas.
1. INTRODUÇÃO
No processo de soldagem dá-se a “junção de metais por fusão”, hoje em dia é um processo de união essencial para a
fabricação de uma grande variedade de componentes de engenharia, que incluem grandes estruturas metálicas (como
pontes e navios), vasos de pressão, tubulações, até pequenas peças de elevada precisão, sendo assim, melhor
conceituado como uma operação que visa a união de duas ou mais peças, assegurando na junta a continuidade das
propriedades químicas e físicas (Bueno, 2010).
Na área aeronáutica, procuram-se constantemente inovações, nos processos de união por solda em substituição aos
retibes, poderia reduzir significamente o peso de aeronaves além de diminuir o retrabalho (Cardoso et al, 2014;
Nascimento, 2004). Nos dias de hoje, os maiores problemas de soldagem ocorrem durante a manufatura e manutenção
em aeronaves, sendo estes fatores os maiores responsáveis pelos riscos e acidentes fatais (Payne, 2000; Carvalho,
2009). Basicamente, os projetos aeronáuticos levam em considerações as forças da gravidade durante a decolagem e o
pouso, mas durante o voo as aeronaves são sujeitas a complexas forças e uma variedade de frequências e magnitudes,
como vibração de berço de motor (Nascimento, 2004; Carvalho, 2009), trem de pouso (Souza Neto, 2013), que são
equipamento com grande concentração de soldagem, sendo assim, há necessidade de estudos aprofundados que
permitam melhorar os processos de união e garantir a segurança dos equipamentos soldados. Havendo necessidade de
se realizar pesquisas mais detalhadas para se compreender melhor o processo.
Nesse trabalho serão abordados dois tipos de soldagem, um convencional TIG (Tungsten Inert Gas) e outro
automatizado a Laser, são dois métodos eficientes para união de metais que apresentam características próprias. Os
trens de pouso de aeronaves de pequeno porte, como o VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado), por exemplo, utiliza o
processo convencional de soldagem TIG, este poderia ser soldado a Laser com vantagens nas propriedades mecânicas
(Passos, 2011).
No processo TIG, um arco elétrico é estabelecido entre um eletrodo de tungstênio e a peça, em grande parte das
vezes necessita-se de um operador para realizar o procedimento. O processo de soldagem a Laser surgiu na década de
50, é conhecido como Laser Beam Welding (LBW), é um método que se utiliza da energia fornecida por meio de um
feixe de luz colimada (Lima, 2007; Lima et al, 2008). Algumas empresas aéreas estão investindo em inovação e os
principais processos de solda testados ou utilizados são a solda a Laser ou por FSW (Friction Stir Welding) (Siqueira et
al, 2014; Bhadeshia, 2003).
O trem de pouso de aeronaves pequenas é fabricado a partir da união de seções tubulares em aço martensítico e
AISI 4130, sem tratamento térmico posterior (Carvalho, 2009). A característica martensítica deste material ocorre
devido a sua composição química e dos tratamentos térmicos aplicados para a obtenção desta estrutura. Uma das
formas para obter melhoria nas propriedades mecânicas se dá pela manipulação dos elementos químicos, que no caso
deste aço são influenciados principalmente pelo carbono, manganês e cromo (Dieter,1990).
O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento mecânico e microestrutural do aço AISI 4130 soldado pelo
processo convencional TIG e pelo processo a Laser. Foram realizadas soldas em cheio, sem adição de material
(autógena). Os resultados foram avaliados através de uma caracterização microestrutural, observando o tamanho de
grão, fases formadas e variação na dureza, estas características foram correlacionadas com as propriedades mecânicas.
Para a obtenção das propriedades mecânicas foram realizados ensaios de tração. Com intuito de evitar a fragilidade foi
realizado um tratamento térmico de revenimento após a soldagem das amostras.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Para a confecção dos corpos de provas foram utilizadas chapas do aço AISI 4130, com espessura de 1,0 mm. A
composição química deste aço está descrita na Tab. 01.
Tabela 1: Composição do aço AISI 4130.
Composição
C
Mn
Pmáx
Smáx
Si
Cr
Mo
AISI 4130
0,30
0,60
0,008
0,010
0,23
0,80
0,25
Inicialmente as chapas foram preparadas e limpas. Durante a soldagem a laser utilizou-se o gás nitrogênio para a
proteção da cabeça do dispositivo (“crossget”) e o gás de argônio para a proteção da solda, para evitar a oxidação. No
processo de soldagem TIG o gás argônio foi também usado com a mesma finalidade, corrente contínua e polarizado.
Os equipamentos utilizados nos processos de soldagem foram: Laser Yb:fibra (IPG Modelo YLR-2000), com a potência
média adotada foi 2 kW e TIG a arco elétrico, Miller XMT 304 CC/CV.
Após vários testes foram escolhidos os parâmetros para a realização das soldas, a Tab. 2 mostra os parâmetros
utilizados.
Tabela 2: Parâmetros Escolhidos para os Processos a Laser e TIG
Processo
Potencia (W)
Velocidade (mm/s)
Tensão (V)
Corrente (A)
Laser
750
60
--
--
TIG
148
1,65
7,4
20
Após o processo de soldagem, parte dos corpos de prova foi submetida a um tratamento térmico de revenimento,
este foi realizado em um forno elétrico tipo mufla, em temperatura de 400ºC, durante 2 horas. Para se ter uma avaliação
das propriedades mecânicas no material base, este mesmo tratamento térmico foi realizado em corpos de prova sem
solda.
Medidas de dureza foram realizadas na escala Vickers (microhardness tester FM-700 Future Tech) com carga de
100 gf e tempo de endentação de 10 segundos. As medidas foram realizadas na direção transversal e longitudinal ao
cordão de solda, abrangendo o Material Base (MB), a Zona Termicamente Afetada (ZTA) e a Zona Fundida (ZF).
Os corpos de prova (CDPs) foram confeccionados de acordo com a norma ASTM E 8M. Nos corpos de prova
soldados, os cordões de solda ficaram localizados no centro do corpo de prova. Os ensaios mecânicos de tração foram
realizados numa máquina de testes universal marca Instron 338. Para cada condição foram testados 3 corpos de provas
(com solda e sem solda, com tratamento térmico e sem tratamento). A Fig. 1 mostra o desenho do CDP utilizado.
Figura 1: - Desenho do corpo de prova (CDP) para ensaios mecânicos de tração - ASTM E8M.
As amostras de cada uma das condições estudadas foram cortadas e embutidas em baquelite, preparadas
metalograficamente, passando por uma sequencia de lixas 220, 320, 400, 600 e 1200 granulometria da lixa,
posteriormente foram polidas em pasta de alumina. Após a preparação as amostras foram atacadas com o reagente
químico Nital 2% e analisadas num microscópio óptico (MO) – Microscópio ZEISS modelo Axio Imager A2m.
3. RESULTADOS E DISCUSÕES
3.1
Características Microstruturais
Para maior compreensão das características da solda, nos dois processos utilizados, foram obtidas imagens com
diferentes aumentos:
a) Macroscópicas, para permitir uma visualização de toda a região de solda e
b) Microscópicas, para permitir a compreensão de detalhes da zona fundida e zona termicamente afetada.
Os parâmetros de utilização do processo a Laser foram estudados previamente e escolhidos a potência de 750 W e a
velocidade de 60 mm/s, por serem mais adequado para a solda a Laser da chapa do aço AISI 4130. As referências foram
os trabalhos de Cardoso e Carvalho, realizados no IEAv com o mesmo laser (Cardoso, 2010; Carvalho, 2009).
As regiões soldadas nos dois processos, a TIG e a Laser, são mostradas na Fig. (2) e Fig. (3), respectivamente. Na
Fig. (2), soldado pelo processo a TIG, pode-se observar que a região escura (Zona Fundida – ZF e Zona Termicamente
Afetada – ZTA) é, aproximadamente dez vezes maior que o comprimento da solda a Laser. Para a solda TIG, nota-se
um leve empenamento da chapa e não se observa com clareza a separação entre a ZTA e a ZF com este aumento. No
entanto, Fig. (3), solda realizada pelo processo a Laser, nota-se uma solda mais estreita, mostrando zonas distintas, notase a ZTA, de cor mais escura, e a ZF, no centro com um tom mais claro.
MB
ZTA
ZF
ZTA
Figura 2: Soldagem por TIG.
ZTA
MB
ZF
Figura 3: Soldagem por Laser.
Há uma grande diferença na largura do cordão de solda obtido pelos diferentes processos, podemos observar no
processo TIG, a região fundida misturada à zona afetada pelo calor e o MB nas extremidades da amostra. No processo
de soldagem a Laser observou-se três áreas, MB, ZTA e ZF bem delimitadas. O tamanho de grão vai se modificando
com a proximidade da área central do cordão de solda. As micrografias das Figs. (4a) e (4b), com maior ampliação,
mostram as transições entre as regiões soldadas, para ambos os tipos de solda. Para a solda a laser, Fig. (4b), devido as
dimensões mais reduzidas na região soldada, pode-se notas as três interfaces entre a ZTA, ZF e MB.
ZTA
MB
(a)
MB
ZTA
ZF
(b)
Figura 04: Microscopia Óptica: Mostrando a mircroestrutura da região soldada e do material base: (a)
Solda a TIG (MB e ZTA) e, (b) Solda a Laser (MB, ZTA e ZF).
A Fig. (5) mostra a formação da fase martensítica na região da Zona Fundida, nos dois processos de solda
utilizados. A presença da martensita é responsável pela alta dureza e fragilidade, esta fase é formada devido ao
aquecimento durante a solda, chegando à fusão, passando pela região de austenitização e, posteriormente, pelo
resfriamento rápido após a soldagem.
Na Fig. (5), observam-se detalhes da fase martensítica de ambos os processos de solda. Na solda TIG o
aquecimento e o resfriamento são mais lentos, resultando em um tamanho de grão maior. No processo a Laser, devido
rápido aquecimento e resfriamento os grãos são menores, nota-se também regiões mais claras, indicando a possível
formação de austenita retida, conforme observado por outros autores (Silva, 2014).
ZF
ZF
(a)
(b)
Fig. 5: Microscopia Óptica: Mostrando a mircroestrutura martensítica presente na Zona Fundida:
(a) Solda a Laser, (b) Solda a TIG.
3.2
Microdureza
Foram realizados os ensaios de microdureza Vickers nas amostras soldadas, visando determinar a variação da
dureza ao longo da ZF, da ZTA e do MB. Os resultados das medidas de dureza realizadas em amostras nas condições
com tratamento térmico de revenido e sem revenido, para os dois casos de solda estudados, estão apresentados nos
gráficos das Fig. (6a) e (6b), respectivamente.
Por meio destes resultados, verifica-se que houve um aumento significativo nos valores de dureza na zona
fundida para ambos os processos de solda. O aumento no valor da dureza cuja média é 250 HV encontrado no material
base elevou-se para aproximadamente 650 HV na solda a Laser; e para cerca de 600 HV, para a solda TIG, indicando
que houve a formação de fase dura na ZF, com um valor de dureza compatível com a dureza da fase martensítica.
O gráfico da Fig. (6b), após o revenido, mostra a ação do tratamento térmico, reduzindo os valores médios na
dureza da ZF de 650 HV para 450 HV, para a solda a Laser e de 600 HV para 500 HV, para a solda TIG.
(b)
(a)
Figura 6: Medidas de Dureza após a solda pelos processos a Laser e TIG: (a) Medidas após a Solda sem aplicação
do revenido, (b) Medidas após o tratamento térmico de revenido.
Esta ação do revenido observado após a solda, reduzindo a dureza da martensita é importante, pois reduz a
diferença entre os valores da dureza da região soldada e a das fases que compõem a material base (ferrita e perlita),
melhorando a tenacidade durante uma solicitação mecânica.
4. ENSAIOS DE TRAÇÃO
Por meio dos ensaios de tração, foram avaliados: o limite de resistência (σ t), limite de escoamento (σe) e a
deformação percentual máxima (∆L/L0 x 100) em CDPs do aço estudado, nas seguintes condições: conforme recebido
(CR), material após a solda pelo processo TIG ou Laser, isto para o material soldado ou revenido. Os gráficos das Figs.
(7) e (8) mostram curvas típicas obtidas nos ensaios de tração para as condições TIG, Laser e MB (sem solda), com ou
sem revenido, respectivamente. As curvas tensão-deformação tiveram comportamentos distintos para as diferentes
condições.
Observa-se no gráfico da Fig. (7) que os valores de limite de escoamento e de resistência para o material base e as
duas condições de solda são próximos. No entanto na ductilidade, medida pela deformação, nota-se que para a solda
TIG e Laser há uma grande redução, este fato está relacionado às diferenças microestruturais entre a região da solda e o
material base, as deformações plásticas ficam confinadas à região da solda e proximidades. A presença de defeitos
como microtrincas e poros também podem contribuir para a redução na deformação plástica do aço antes da ruptura.
Os processos de soldagem atuam como um tratamento térmico, após a soldagem ocorre a formação de martensita,
aumentando a dureza e fragilidade. A solda tem um pequeno volume de material, se comparado à região não soldada,
as altas temperaturas desenvolvidas nas ZF caem rapidamente após a soldagem pela extração de calor através da ZTA e
MB, propiciando a formação da martensita.
Após o tratamento térmico de revenimento, o material recupera parte de sua ductilidade perdida depois da solda.
Este tratamento produz uma redução na dureza das fases, que se reflete no aumento da ductilidade, mas com alguma
redução na resistência, conforme pode ser observado na Fig. (8).
Sem revenimento.
Fig. 07: Curva se Tensão/Deformação para o aço 4130
sem o tratamento de revenimento.
Com revenimento a 400 ºC.
Figura 08: Curva se Tensão/Deformação para o aço
4130 após o tratamento de revenimento a 400 ºC.
. Observa-se que ocorre uma recuperação parcial (cerca de 2 %) na ductilidade do aço soldado pelo processo TIG e
uma recuperação total no aço soldado a Laser, tornando a curva tensão/deformação do aço soldado a Laser e revenido,
muito semelhante à curva do aço apenas revenido. Estes resultados mostram o benefício do tratamento térmico de
revenido e a superioridade na qualidade do processo de solda a Laser sobre a TIG, após a aplicação do tratamento
térmico de revenimento.
A Tab. 3 mostra os resultados obtidos dos ensaios de tração, com os devidos desvios padrões. Observa-se que não
há muita variação no limite de escoamento (σ e) e que há um aumento no valor de σe, para todas as condições, com a
aplicação do tratamento de revenido, indicando que o tempo de permanência de 2 horas, na temperatura de 400 ºC,
produziu também um efeito de envelhecimento no aço. É interessante observar que o efeito principal do revenido é a
elevação dos níveis de deformação para os aços submetidos à solda, indicando que a estrutura martensítica teve uma
redução na dureza e melhorou a ação entre as fases vizinhas. Apenas o aço 4130, sem solda, teve a sua ductilidade
reduzida, provavelmente devido ao envelhecimento durante o tratamento de revenimento, conforme indica o aumento
do limite de escoamento do aço.
Tabela 3: Propriedades Mecânicas de Tração para todas as condições estudadas.
Tratamento
térmico pós-solda
Sem Revenido
Com Revenido
Laser
Limite de
escoamento
σe (MPa)
690 ± 10
Limite de
Tração
σt (MPa)
870 ± 40
TIG
680 ± 60
910 ± 70
11,9 ± 0,3
Metal Base
670 ± 7
991 ± 4
25,5 ± 0,1
Laser
748 ± 6
930 ± 9
13 ± 4
TIG
790 ± 60
920 ± 40
9,4 ± 0,4
MB
790 ± 50
950 ± 20
15,8 ± 0,6
Aço AISI 4130
Deformação
(%)
10 ± 1
5. CONCLUSÕES
Os dois processos de soldagem utilizados neste trabalho para o aço 4130, solda a Laser e TIG, mostraram-se
viáveis, com pouca perda nas propriedades mecânicas.
O processo de solda a Laser é mais rápido, de fácil automação e produz uma extensão da região soldada (Zona
Fundida e Zona Termicamente Afetada) cerca de dez vezes menor que a formada pelo processo de solda TIG.
A dureza na zona fundida, onde há a presença de martensita, reduziu, após o tratamento de revenido, em cerca de
200 HV, para o aço soldado a laser e de cerca de 100 HV para o aço soldado pelo processo TIG.
O tratamento térmico de revenimento, aplicado após a solda, melhoraram a ductilidade dos aços, pois conseguiu
reduzir a dureza da martensita e melhorar a compatibilidade entre as fases presentes, este efeito foi mais notório na
solda a laser.
6. AGRADECIMENTOS
Ao Instituto de Aeronáutica e Espaço - IAE pelo fornecimento das placas de aço 4130.
7. REFERÊNCIAS
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Cardoso A. S. M; Abdalla, A.J.; Baptista C.A.R.P.; Lima, M.S.F., 2014, “Comparison of High Cycle Fatigue in 4340
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Guaratinguetá.
Souza Neto F., Abdalla A.J., Lima M. S. F., d´Oliveira F. A., 2013, “Arc and Laser welding for the AISI 4130 steel”,
SBPMat, Campos do Jordão, SP, Brasil.
8. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
Comparisson the mechanical propreties in a AISI 4130 steel after welding by
LASER and TIG processes.
Fabiana de Souza Neto, [email protected]
Rafael Humberto Mota de Siqueira, [email protected]
Milton Sérgio Fernandes de Lima, [email protected]
Antonio Jorge Abdalla, [email protected]
1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP, Brasil
2 Instituto de Estudos Avançados, Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP, Brasil
Resumo: This work compares two welding processes, a TIG – Tungsten Inert Gas, conventional process and an
automatized Laser process; both are efficient for metal joining, but presenting great differences in results. In
aeronautics, where the search for innovation has expressive importance, the use of laser may bring significant
advances. This steel was chosen because is used in landing gear welding for light aircraft, such as the UAV
(Unmanned Aerial Vehicle). In the present study, the weld was autogenous in both processes, TIG and Laser, in order
to compare between processes. The tests were also performed with heat treatment to verify if such treatment has any
influence in the mechanical properties. The application of tempering proved beneficial, improving the ductility of the
steel and reducing the effects of embrittlement in the welded region. A micrographic characterization of the fusion zone
and of the heat affected zone was performed. Martensite was detected in the fusion zone for both processes, but with
perceptible differences in grain size due to differences in the cooling speed. It was noted that the weld length for the
TIG process was ten times wider than that of the laser weld. The hardness values on both the FZ and HAZ were fairly
the same for both processes. Tensile mechanical properties after thermal treatment (strength and yield limits) were
maintained at the same high levels as the base material without welding, demonstrating the effectiveness of the welding
process. After treatment, ductility of material was recovered, especially in the laser welded material, demonstrating
that this process is realizable.
Keywords: AISI 4130, TIG welding, Laser welding, mechanical properties.

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