REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ar10202511300913
Artur Martins Silva¹
Diogo Pinheiro Camargo2
Gabriel Yan Vidal da Silva Ferreira³
Hebert Antônio Moreira Camargo4
RESUMO
A caracterização metalográfica da Zona Termicamente Afetada (ZTA) em juntas de aço SAE 1020 soldadas pelo processo GMAW, sob diferentes níveis de corrente (80 A a 120 A), revelou a formação de microestruturas heterogêneas. Estas foram caracterizadas por crescimento significativo de grãos de ferrita e perlita, associado à precipitação de martensita em regiões submetidas a elevadas taxas de resfriamento. A análise por microscopia óptica identificou descontinuidades interfaciais e transições morfológicas abruptas, diretamente correlacionadas com a degradação das propriedades mecânicas da junta. Os resultados indicam que a corrente de 100 A proporcionou o melhor equilíbrio microestrutural e geométrico. Conclui-se que a resposta metalúrgica da ZTA é altamente dependente do histórico térmico do processo, sendo a formação de fases de alta dureza e o crescimento de grão parâmetros críticos para a integridade estrutural do conjunto soldado.
Palavras-chave: GMAW; Aço SAE 1020; Zona Termicamente Afetada (ZTA); Caracterização Microestrutural; Dureza.
ABSTRACT
The metallographic characterization of the Heat-Affected Zone (HAZ) in SAE 1020 steel joints welded by the GMAW process, under different current levels (80 A to 120 A), revealed the formation of heterogeneous microstructures. These were characterized by significant grain growth of ferrite and pearlite, along with the precipitation of martensite in regions subjected to high cooling rates. Optical microscopy analysis identified interfacial discontinuities and abrupt morphological transitions, which were directly correlated with the degradation of the joint’s mechanical properties. The results indicate that a current of 100 A provided the best microstructural and geometric balance. The study concludes that the metallurgical response of the HAZ is highly dependent on the thermal history of the process, with the formation of high-hardness phases and grain growth being critical parameters for the structural integrity of the welded assembly.
Keywords: GMAW; SAE 1020 Steel; Heat-Affected Zone (HAZ); Microstructural Characterization; Hardness.
1. INTRODUÇÃO
O aço SAE 1020 é amplamente empregado em estruturas metálicas devido à sua soldabilidade favorável e relação custo-benefício atestada na literatura. Entre os processos de soldagem aplicáveis, o Gas Metal Arc Welding (GMAW) destaca-se pela eficiência, elevada taxa de deposição e pela capacidade de produzir juntas com boa repetitividade operacional. Esse processo é caracterizado pela utilização de um arco elétrico estabelecido sob proteção gasosa, que estabelece uma alta temperatura. A influência dos parâmetros de soldagem sobre a qualidade da junta tem sido amplamente discutida na literatura, com contribuições relevantes de Norrish (2006), que examina avanços em técnicas de controle do arco, e Lippold (2015), que explora a interação entre fenômenos térmicos, metalúrgicos e microestruturais durante a soldagem.
A soldagem MAG (Metal Active Gas), uma variação da soldagem GMAW, representa um dos métodos mais eficientes para união de metais na indústria moderna. Este processo se caracteriza pela utilização de um arco elétrico (curto-circuito) estabelecido entre um eletrodo consumível continuamente alimentado e a peça a ser soldada, protegido por um fluxo de gás ativo. A compreensão dos princípios físicos e metalúrgicos envolvidos neste processo é fundamental para garantir a qualidade das juntas soldadas, uma vez que o ciclo térmico imposto pela soldagem promove transformações de fase no metal utilizado onde alteram significativamente a microestrutura do material, como explica FISCHER (2011).
O mecanismo de formação do arco elétrico constitui a base do processo. Quando submetido a uma diferença de potencial adequada, ocorre a ionização do meio gasoso entre o eletrodo e a peça, criando um canal condutor onde gera intenso calor. Este calor promove a fusão simultânea do material do eletrodo e do metal base, formando o banho de fusão que, após resfriamento, solidifica-se com o metal de solda. O gás de proteção, tipicamente argônio ou misturas Argônio-CO2, desempenha papel crucial na estabilização do arco e na proteção do metal fundido contra contaminação atmosférica, explicado por Callister (2016, p.400).
A qualidade da junta soldada é intrinsecamente determinada pela influência dos parâmetros de soldagem, pois o ciclo térmico imposto altera significativamente a microestrutura do material. Um dos aspectos mais críticos é a formação e a extensão da zona termicamente afetada (ZTA), a região do metal base que sofre alterações microestruturais sem atingir a fusão. O aporte térmico elevado, tende a criar cenários para transformações microestruturais, tais como recristalização e crescimento de grãos. Assim, a análise metalográfica sistemática torna-se, portanto, uma ferramenta indispensável para avaliar a qualidade desta solidificação e das transformações microestruturais adjacentes, demonstrado por CALLISTER (2016, p.414).
A avaliação metalográfica em zonas termicamente afetadas no aço SAE 1020 revelou formações de microestruturas heterogêneas. Tais características são significativas de um aumento do crescimento de grãos de ferrita e perlita. A análise por microscópio óptico identificou descontinuidades interfaciais e transições morfológicas súbitas.
Este trabalho tem como objetivo avaliar as alterações microestruturais e morfológicas na ZTA de juntas soldadas de aço SAE 1020 utilizando o processo GMAW. Investigando assim, a variação da corrente do processo GMAW com a evolução microestrutural e morfológica do cordão. Para interpretar as transformações de fase resultantes do ciclo térmico, a análise fundamenta-se no diagrama de equilíbrio Ferro-Carbono, buscando estabelecer relações quantitativas entre os parâmetros de soldagem e as microestruturas formadas. Analisando também as diferenças de dureza na ZTA.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Parâmetros de soldagem
O processo de soldagem empregado foi o GMAW, um processo de soldagem convencional que utiliza um eletrodo sólido contínuo sob proteção gasosa. O GMAW permite a soldagem de uma grande variedade de metais comerciais e ligas metálicas, incluindo aço carbono, além disso, é frequentemente caracterizado por utilizar uma fonte de corrente constante, o que enfatiza a importância do controle de tensão para o controle da morfologia microestrutural e resistência mecânica do cordão de solda, cujo o qual é citado por CASARINI (2019) e utilizado neste trabalho. Para mais, o mesmo processo de soldagem utiliza um eletrodo contínuo e requer o uso de um gás de proteção que no estudo foi selecionado a mistura entre Argônio e CO2. A escolha desse gás se deu pela análise do artigo DE ALMEIDA (2018) que cita a influência da mistura de gases na solda MAG em aço carbonos, esse gás flui através da tocha com o objetivo de proteger o arco elétrico e o metal fundido da atmosfera. A corrente utilizada foi variável, com o intuito de entender como ela influência na solda.+
Tabela 1 – Condições das correntes de cada corpo de prova
| Condições | Corrente aplicada (A) |
| CP1 | 80 |
| CP2 | 90 |
| CP3 | 100 |
| CP4 | 110 |
| CP5 | 120 |
2.2. Preparação do Material Base e Montagem da Junta
A preparação das amostras, sendo uma parte crucial para orientação do trabalho, se deu por inicialmente realizar o corte e dimensionamento do material base, aço 1020 como foi estabelecido no contexto da pesquisa. Foram obtidas 10 unidades de placas, com dimensionamento de 300mm x 30 mm e espessura de 3 mm, como mostra a figura X, cujo as quais foram cortadas pela máquina de corte a laser do modelo M1530L da marca Metalique.
Posteriormente, foi feita a preparação da superfície, a partir de um tratamento para remover impurezas, com objetivo de assegurar a qualidade metalúrgica da junta a fim de evitar possíveis contaminações, como óleos, graxas e óxidos. Essa, sendo uma etapa crucial para em todos os processos de união de materiais metálicos, pois, compreende-se que ao menor nível de contaminação, seja umidade ou impurezas, pode levar a sérias imperfeições, como trincamento.
Por fim, para cada ensaio, duas placas foram posicionadas lado a lado em configuração de junta de topo, conhecido também como butt joint, formando um conjunto de 300 mm x 60 mm. Assim, os corpos de provas foram deixadas em repouso com o intuito de resfriá-las à temperatura ambiente. Para esse processo, foi utilizado a máquina de solda Boxer HighFlex 250.
Figura 1 – Corpo de Prova Soldado
2.4. Ensaio de Dureza Rockwell
O equipamento para análise de dureza utilizado foi o durômetro Rockwell cujo o qual é o analógico “Mitutoyo HR-100” como mostra a figura 2. Para realização do teste, foi necessário preparar o corpo de prova padronizado para realizar os testes de dureza, o corpo de prova foi dividido em 5 ensaios iguais de 60 mm x 60 mm, em seguida foi realizada a configuração do durômetro na qual o mesmo deve seguir a escala Rockwell. Com a escolha da ponta de diamante C e a aplicação da carga total, foi feita a medição da profundidade de penetração onde é feita automaticamente pelo durômetro. O ensaio de dureza faz-se essencial para identificar a formação de fases de alta dureza, o que pode comprometer a resistência da junta soldada.
Figura 2 – Equipamento de Ensaio de Dureza Rockwell
Figura 3 – Disposição dos ensaios e cortes no corpo de prova para análise de Dureza
Figura 4 – Medida do corpo de prova para Teste de dureza
2.4. Caracterização Metalográfica e Análise
Após o teste de dureza, o material foi novamente submetido a uma alteração de medida para melhor auxílio ao tratamento para a análise no microscópio, cada corpo de prova foi novamente cortado em uma pequena amostra de 10 mm x 6 mm para a realização do embutimento com baquelite em pó pelo equipamento da marca Arotec, modelo PRÉ 30Mi.
Figura 5 – Corte para realização da micrografia
Figura 6 – Equipamento para embutimento da amostra com baquelite em pó.
Posteriormente, passaram por um processo de lixamento e polimento, para melhor nivelamento e acabamento. Em seguida, a superfície lixada e polida passou por um ataque químico com ácido nítrico (HNO3) para melhor visibilidade microscópica. Dessa forma, otimiza-se a observação da zona termicamente afetada, permitindo uma análise mais acurada de suas feições microestruturais. Para a visualização microscópica do material foi utilizado o microscópio óptico da Bel Metscope I com a lente de aproximação de 20 vezes, com finalidade de investigar descontinuidades estruturais e morfologia.
Figura 7 – Microscópio Óptico
2.4. Soldabilidade do Aço
A julgar pela composição do aço SAE 1020 composta predominantemente por ferrita e perlita, com um sistema de grãos bem estruturados e organizados de forma lamelar, levou-se em consideração a sua composição química típica e sua estrutura para as transformações sofridas durante o ciclo térmico da soldagem, como cita CALLISTER (2016, p. 305). Isto posto, fez-se necessário estudar o diagrama de fases ferro-carbono (Fe-C), com intuito de auxiliar a compreensão das transformações sofridas assim como entender o ciclo de aquecimento e resfriamento imposto pelo GMAW e sua interferência na microestrutura.
2.5. Transformações e Aporte Térmico
Ademais, o diagrama de Fases Ferro-Carbono (Fe-C), é a ferramenta teórica fundamental para a compreensão das transformações sofridas pelo aço SAE 1020 durante o ciclo térmico da soldagem GMAW. A soldagem envolve um aporte térmico elevado, que, ao longo da ZTA, o metal base atinge temperaturas variadas, o que aciona diferentes regimes de transformação de fase, conforme ilustrado na Figura 8. O aporte térmico elevado tende a criar condições para recristalização, crescimento de grão e dissolução de precipitados, dos quais serão analisados.
Para mais, da mesma forma o diagrama Fe-C ajuda a rastrear o comportamento das fases pode sofrer crescimento de grão. Perlita, sendo a fase secundária(y) (a)FeC) , consistindo primárias do material de estudo. Sendo a fase primária do aço, a ferrita, que está na ZTA, em lamelas de ferrita e cementita. Por fim, a austenita , cujo(a +a qual é formada em temperaturas elevadas. Logo, a ZTA possui regiões onde o material sofre modificações. As regiões mais próximas à zona fundida, alcançam as temperaturas mais elevadas na região austenítica. Na região intercrítica, localizada na fronteira com o metal base, o aquecimento atinge a região (a + y) do diagrama Fe-C.
Figura 8 – Diagrama Ferro-Carbono
3. RESULTADOS
3.1. Investigação nos parâmetros de soldagem e Dureza Rockwell
Com base nos estudos realizados, foi possível estabelecer uma correlação significativa entre o incremento da corrente de soldagem e as características geométricas e metalúrgicas das juntas de aço SAE 1020 analisadas. No CP1 (80 A), observou-se um cordão com reforço excessivo e penetração reduzida, resultando em uma ZTA de dimensões restritas. Os valores de dureza na ZTA foram inferiores aos do metal base, indicando um ciclo térmico de baixa intensidade.
No CP2 (90 A), registrou um aumento na penetração e na área da ZTA, porém sem atingir a profundidade ideal. O perfil de dureza apresentou um declínio em relação ao CP1, refletindo a maior energia de soldagem aplicada. O CP3 (100 A) demonstrou condições otimizadas, com equilíbrio entre penetração, geometria do cordão e extensão da ZTA. A variação de dureza foi mínima, e a junta exibiu excelente conformidade geométrica.
Para o CP4 (110 A), constatou-se penetração excessiva e redução no reforço do cordão, acompanhadas por uma expansão significativa da ZTA. Os valores de dureza foram os mais baixos registrados, evidenciando os efeitos de um ciclo térmico severo. No CP5 (120 A), observou-se colapso da raiz da solda, deformação acentuada do metal base e ZTA extremamente ampla, com os menores valores de dureza da série, caracterizando uma condição claramente inaceitável.
Os resultados demonstram que a corrente de 100 A (CP3) proporcionou o melhor equilíbrio entre penetração, geometria do cordão e propriedades metalúrgicas, enquanto correntes superiores resultaram em deterioração progressiva da qualidade da solda.
Tabela 2 – Teste de Dureza Rockwell com ponta de diamante C
3.2. Análise Microestrutural e aporte térmico
A caracterização metalográfica sistemática demonstrou que a soldagem GMAW do aço SAE 1020, embora considerado de soldabilidade favorável, resultou na formação de microestruturas heterogêneas na ZTA, como mostra a Figura 9. Uma corrente mais alta implica em maior energia, consequentemente um aporte térmico elevado cujo o qual tende a criar condições para crescimento de grãos e precipitados.
Os corpos de prova com correntes mais elevadas, 4 e 5,cujo as quais sofreram maior aporte térmico, resultaram em uma taxa de resfriamento mais baixa. Para tanto, o crescimento de grãos, formados por perlita e ferrita, foram acentuados. Como consequência, houve um maior impacto na soldabilidade, havendo uma deterioração das propriedades mecânicas, sendo menor dureza, e baixa tenacidade.
Para correntes mais baixas o aporte térmico é menor, resultando em uma taxa de resfriamento mais rápida, consequentemente, sua microestrutura principal torna-se mais suscetível à martensita, ou seja endurecimento em zonas termicamente afetadas. Sua microestrutura é visualmente mais organizada e apresenta um refinamento microestrutural, corpo de prova 1 e 2. Além disso, menores correntes podem ser correlacionadas a baixa tenacidade e fragilização na solda, sendo um impacto positivo na soldabilidade.
Figura 9 – Análise micrográfica com lente de 20X a) CP1 (80 A) b) CP2 (90 A) c) CP3(100 A) d) CP4 (110 A) e) CP5 (120 A)
3.3. Zona Termicamente Afetada
O principal comprometimento estrutural é a fragilização localizada causada pela formação de fases que comprometem a dureza. A ZTA ao atingir a região austenítica do diagrama Fe-C e sofrer resfriamento, precipita martensita, sendo um parâmetro crítico para a integridade estrutural do conjunto soldado. As descontinuidades e transições morfológicas abruptas observadas estão diretamente correlacionadas à degradação das propriedades mecânicas.
Assim, observou-se que a variação da corrente influenciou diretamente a extensão da zona termicamente afetada e o grau de transformação microestrutural. Em correntes elevadas, maior aporte térmico intensificou o crescimento de grão, enquanto em tensões mais baixas observaram-se regiões com maior refinamento.
Embora o aço SAE 1020 seja um aço de baixo carbono e possua maior temperabilidade, as taxas de resfriamento impostas pela soldagem GMAW foram suficientes para a formação de estruturas endurecidas, especialmente nas regiões do cordão de solda.
4. Conclusão
A variação de corrente afeta a soldabilidade ao considerar o aporte térmico, consequentemente a taxa de resfriamento. Assim, ambos os extremos, correntes muito altas ou baixas, levam a microestruturas heterogêneas comprometendo a soldabilidade. Correntes mais baixas favorecem a formação de fases de alta dureza, enquanto as correntes mais altas promovem crescimento de grãos abundantes. Devidos aspectos devem ser considerados quando levado em consideração quanto às espessuras do material a ser empregado em projetos de engenharia.
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