REVIEW: MICROALLOYED STEEL APPLIED TO THE WELDING PROCESS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8283033
R.E. Pimentel1
A.R. Gonzalez2
M. Botega3
V.C. Marcolin4
RESUMO
Processos de soldagem são fundamentais quando vistos frente a união de componentes, podendo unir até materiais de bases dissimilares. Aplicam-se em diversos meios e morfologia de peças, podendo ou não necessitarem de tratamentos posteriores. Alguns processos são baseados em atrito, como outros, são realizados por meio de um arco elétrico, sendo esse último um dos mais aplicados. O presente trabalho tem por objetivo revisar artigos publicados na área de soldagem em conjunto da aplicação de aços microligados, sendo eles como metal no estado sólido ou como metal de adição, nos processos que os cabem. Por terem elementos de liga adicionados em pequenas quantidades, os aços microligados conseguem apresentar elevadas propriedades mecânicas, superiores aos aços de baixo carbono, unindo muitas vezes alta resistência e elevada tenacidade. A revisão abrange estudos envolvendo soldagem de aços microligados, realizado por meio de uma busca sistemática. O critério aplicado foi a seleção de dez artigos publicados recentemente voltados para estudos relacionado a aplicação de aços microligados via processo de soldagem.
Palavras-chave: Soldagem, aços microligados, arco elétrico, atrito.
1 INTRODUÇÃO
A soldagem como técnica de união de materiais em vezes apresenta problemas inerentes ao processo, que vão de ocorrências ligados a trincas, poros e até discordâncias relacionados a falta de acabamentos que normalmente são catastróficos. Entretanto, a soldagem pode ser empregada em diversas aplicações, como manutenções, união e até soldagem de revestimento, buscando aumento da vida útil dos componentes projetados.
O desempenho dos materiais unidos por processo de soldagem deve se adequar a determinadas aplicações, normalmente apresentando boa resistência e em vezes elevada absorção de energia, para materiais que são submetidos ao impacto. Com isso, a adição de elementos de liga em pequenas quantidades como Vanádio, Nióbio e Titânio são utilizados para atingir tais características.
A adição de elementos de liga na soldagem pode ser no metal a ser soldado, ou metal de base, como também no metal de adição, em alguns tipos de processo que não são autógenos. Em soldagem de revestimento, elementos de ligas adicionados no metal de adição podem atuar frente ao aumento de resistência mecânica, uma vez ajustados os valores do processo de soldagem.
2 MATERIAIS, MÉTODOS E RESULTADOS
No estudo (JOHN,2021), os autores pesquisaram soldagem em aços microligados com Ti- Nb que foi submetido a testes de soldagem sobre placa usando arame de adição ER70S-6. A motivação se deve ao avanço de estudo em soldagem frente aços de alta resistência, precisando contornar dificuldades associadas as propriedades mecânicas como resistência e tenacidade. Os autores empregaram soldagem MIG/MAG no modo pulsado
sinérgico que busca otimizar algunsparâmetros de soldagem, como corrente e tensão do processo aplicado. Os autores apontaram que a taxa de alimentação do arame produz um bom cordão de solda, com resposta de diluição adequada e reforço minimizado em conjunto com a observância de detalhes microestruturais e obtenção de perfis de microdureza atrativos.
Referente à microestrutura, apresentou predominantemente morfologia acicular e microdureza flutuante. O estudo apresentou bons resultados do processo de soldagem em um aço microligado Ti-Nb comumente aplicado para atender as necessidades de aplicações de peças de carroceria automotiva, pelo motivo de serem de alta resistência (AHSS) com valores próximos a 800 MPa.
Além disso, estudos como (ANIJDAN ET AL., 2021) utilizaram processo de soldagem por resistência elétrica (ERW) buscando analisar a evolução microestrtural e as propriedades mecânicas inerentes de um aço microligado X52. Nota-se novamente a grande importância de estudos em propriedades mecânicas relacionados a soldagem e aços microligados, onde estuda-se (tenacidade) em tubos para sua aplicação industrial.
Foram utilizados equipamentos específicos para acompanhar a microestrutura e análise dos resultados, que mostraram a melhora nos resultados frente a um tratamento especial de recozimento visando aliviar a problemática da tenacidade na aplicação. O tamanho do grão mostrou um refino significativo pós processo. A característica da textura vista foi dada como protagonista no comportamento imprevisível de tenacidade. Somado a isso, essa textura indesejável enfraquecida em conjunto com uma menor quantidade de partícula de segunda fase e tamanho de grãos refinados foram vistos após o segundo estágio do tratamento térmico. Um tratamento posterior em duas fases mostrou valores de tenacidade aceitáveis e consistentes, tornando aptos a aplicações industriais.
Em (CHEN ET AL., 2021), foi utilizado processo de soldagem por feixe de elétrons (EBW) em chapas espessas de TWIP de alto teor de Mn sem/com adição de V e Ti para estudo do efeito dos elementos citados na microestrutura e propriedades das juntas soldadas. As microestruturas de solidificação foram dendríticas colunar e estrutura celular. V e Ti como microligante refinou significativamente a microestrutura e apresentou precipitação de partículas de fase secundária, aumentando o limite de escoamento. Foi empregado ensaio
Charpy em temperatura criogênica, apresentando resultados de diminuição da energia de impacto do ensaio. Entre os resultados frente a adição de Ti e V, foi notável a redução da frequência e a ocorrência de defeitos internos, destacando a microssegregação de Mn e C, mostrando um incremento na melhoria dos resultados na resistência à corrosão.
Para (ZHANG ET AL., 2023), expõe que o aporte térmico do processo de soldagem impacta diretamente na evolução microestrutural no aço microligado quaternátio Nb-V-Ti-N de baixo carbono, que foi estudado. A flutuação das estruturas foi relatado, uma vez que passou entre baianita, ferria acicular, ferrita poligonal intraganular. Além disso, os precipitados em nanoescala enriquecidos com elementos como V atuaram como barreira para o movimentos das discordâncias, melhorando o desempenho proposto. Os contornos de grão de alto ângulo em determinada região, foram apontados como protagonistas na obtenção de valores máximos de energia. Em suma, o aporte de calor inserido no sistema que obteve condições boas de resistências somado à tenacidade, e o aço microligado Nb-V-Ti-N foi dito como adequado para soldagem com grande aporte de energia no sistema.
Autores como (GORDIENKI ET AL., 2020), estudaram juntas soldadas a laser em aço X70 utilizando método de microscopia eletrônica de transmissão (MET) observando também a zona afetada pelo calor (ZAC). As características mecânicas das juntas soldadas foram analisadas e apresentaram microestrutura na ZAC intercrítica do material que não apresentou ferrita-perlita pronunciada no metal base. Quando realizado um perfil de microdureza foi apresentado uma variação, heterogênea, de valores entre 640-670 HV. Essa variação observada foi motivada,segundo os autores, pela microestrutura de baianita superior degenerada com altas tensões residuais, por meio de ripas e uma alta porcentagem de constituinte martensítico-austenitico, entre 10 – 16%. Com o estudo, os autores concluíram que uma das formas de diminuir ou atenuar a fragilidade das juntas poderia ser utilizada inicialmente grão fino de microestrutura homogênea, ou seja, bainítica.
Além disso, (CVETKOVIC ET AL., 2018) estudaram o comportamento do metal de solda de aço microligado com Nióbio no ensaio de impacto, em conjunto com a caracterização microestrutural do estudado. A metodologia frente ao ensaio de impacto Charpy, foi empregado testes com variação de temperatura para entender a influência e a sensibilidade.
Em conjunto, a análise da fratura do metal de solda de aço microligado foi trabalhado. Os valores da instrumentação foram aplicados com temperatura ambiente, – 40 oC e – 50 oC. Os resultados observados foram que na temperatura ambiente, a energia de propagação de trinca foi muito maior do que a energia de iniciação da trinca, comparado às outras duas temperaturas, que apresentaram energia de crescimento menor que a energia de iniciação da trinca. Além disso, à temperatura ambiente mostrou fratura transgranular dúctil dominante, com pequena faixa de fratura transgranular frágil, e nas outras temperaturas, fratura frágil intergranular dominante.
Estudos como (MUSA, 2020) buscam resultados na morfologia da ZAC soldado por processo TIG com presença de elementos microligados como Ti e V. O ciclo térmico durante a soldagem variou as propriedades mecânicas das juntas soldadas, em conjunto seu desempenho. Os constituintes na ZAC foram governados por martensita-austenita que predominaram a deterioração das propriedades, promovendo o início e propagação da falha catastrófica apresentada. O principal objetivo do escrito foi analisar e avaliar a influência dos parâmetros de soldagem e da adição dos elementos microligantes por meio do processo empregado, soldagem TIG. Com os resultados os autores apontam que houve menor dureza com a adição de Ti e V, além disso o tamanho do grão foi afetado. A adição apresentou resultados positivos.
Pesquisas como (KUMAR, 2016), estudam comportamento da transformação do resfriamento contínuo em solda e suas propriedades mecânicas dos aços Nb-microligados e HY85, com auxílio de simulador termomecânico Gleeble® 3800. Foram obtidos microestruturas, dureza e tenacidade ao impacto para entender melhor o estudo. Com a variação de temperatura, foram observadas algumas estruturas bem definidas, que para o Nb microligado trata-se de uma mistura de ferrita baianítica. Frente aos resultados mais destacados, foi observado em altas taxas de resfriamento ripas de martensita e uma forte dependência do tamanho de grão da austenita nas propriedades mecânicas. Foi possível determinar diagramas de transformação de resfriamento contínuo (CCT) para a solda.
Ademais, (DEREVYAGINA ET AL., 2020) estudaram microestrutura na zona afetada pelo calor em conjunto com tenacidade de soldas pelo processo laser de aços microligados de baixo carbono X70. Pelo calor gerado e aporte do mesmo impresso no processo, causam regiões com aumento de dureza (até 650 HV), principalmente na ZAC. Foram realizados testes de tração em conjunto com teste de impacto Charpy. Dos resultados, os autores explanam que a solidificação do processo formou uma estrutura dendrítica colunar. Além disso, as elevadas taxas de resfriamento causaram regiões mais duras, e a resistência do metal de solda foi de 93% a 97% do metal de base com ductilidade de 85%, e o teste Charpy aplicado em condição após recozimento, apresentou uma transição de temperatura dúctil-frágil que diminuiu para -60°С.
Estudos referentes à vida em fadiga (SVOBODA, 2015) em juntas soldadas em processos de soldagem distintos de aços microligados ao boro, são usuais, isso movidos pela grande redução de peso em elementos estruturais na indústria, principalmente automobilística.
Visando avaliar a vida em fadiga na condição temperada e revenida, por meio de corpos de prova soldados a topo e obtendo as caracterizações mecânicas e microestruturais, foi realizado o estudo. Além disso, a metodologia foi empregada por meio de ensaio de flexão de quatro pontos para obtenção das curvas de fadiga como resposta. Os resultados apresentados pelos autores explanaram que a vida em fadiga do processo plasma foram maiores, isso por não apresentarem concentradores de tensão geométricos como visto pelo processo MIG/MAG, que para os autores, foram os principais responsável pela diminuição da vida em fadiga do processo observado.
3 CONCLUSÕES
Por meio da pesquisa realizada foi possível notar uma grande aplicação de aços microligados em processos de soldagem, visando o aumento das propriedades e o destaque da produção de materiais unidos por soldagem com ganhos expressivos de resultados. Além disso, a vida em fadiga e absorção de energia foram melhoradas como também o refino do grão em zonas costumeiramente problemáticas na física da soldagem, mostrando o impacto dos elementos de liga.
Além disso, a busca da adição dos elementos de liga tem como objetivo o aumento das propriedades visando a redução do peso dos componentes para meios de mesmas aplicações.
Os aços microligados tiveram bons resultados no comportamento microestrutural e mecânico frente ao processo de soldagem, mesmo com variados aportes e ciclos térmicos inserido no processo. As propriedades inerentes a aços microligados se mostraram conservadas após processo de soldagem, viabilizando seu emprego em diversas aplicações.
O emprego de elementos de ligas em processo de soldagem mostrou-se importante na melhora das propriedades de variados processos em relação à materiais não ligados. Assim, torna-se possível a diminuição de peso e espessura dos materiais utilizados pelo aumento das propriedades mecânicas, pela adição direta dos elementos de liga como Titânio, Vanádio, Nióbio. Estudos como esse servem para contribuir com a literatura e demonstram a importância dos elementos de liga nos processos de soldagem.
REFERÊNCIAS
ANIJDAN, S. H. M., AGHAIE-KHAFRI, M., KHOSHAKHLAGH, A. R., EIVANI, A. R., PARK, N., e JAFARIAN H. R. A significant toughness enhancement, and microstructural evolution of an electric resistance welded (ERW) microalloyed steel. Journal of Materials Researchand Technology. Volume 15, Pages 5776-5786, November–December, 2021. (https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.11.013).
CHEN, Y., ZHANG, X., CAI, Z., WANG, Y., e DING, H. Effect of microalloying with V and Ti on the microstructure and properties of electron beam welded thick high-Mn TWIP steel plates. Materials Science and Engineering: A. Volume 811, 141062, 15 April, 2021. (https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141062).
CVETKOVIC, R. P., POPOVIC, O., JOVICIC, R., MILOSEVIC, N., BURZIC, Z., e CVETKOVIC, I. Microstructural and fracture analysis of microalloyed steel weld metal.
Procedia Structural Integrity. Volume 13, Pages 2221-2226, 2018. (https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.12.137).
DEREVYAGINA, L. S., GORDIENKO, A. I, ORISHICH, A. M., MALIKOV, A. G., SURIKOVA, N. S.,e VOLOCHAEV, M. N. Microstructure of intercritical heat affected zone and toughness of microalloyed steel laser welds. Materials Science and Engineering: A. Volume 770, 138522, 7 January, 2020. (https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.1385220).
GORDIENKI, A.I., DEREVYAGINA, L. S., MALIKOV, A. G., ORISHICH, A. M., SURIKOVA, N. S.,e VOLOCHAEV, M. N. The effect of the initial microstructure of the X70 low-carbon microalloyed steel on the heat affected zone formation and the mechanical properties of laser welded joints. Materials Science and Engineering: A. Volume 797,
140075, 21 October, 2020. (https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140075).
JOHN, M., KUMAR, P. M., e BHAT, K. U. Effect of wire feed rate on microstructure development during bead on plate welding of microalloyed steel using P-GMAW. Materialstoday: Proceedings. Volume 42, Parte 2, páginas 423-428, 2021. (https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.805).
KUMAR, S., NATH, S. K., e KUMAR, V. Continuous cooling transformation behavior in the weld coarse grained heat affected zone and mechanical properties of Nb-microalloyedand HY85 steels. Materials & Design. Volume 90, Pages 177-184, 15 January, 2016. (https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.10.071).
MUSA, M. H. A, MALEQUE, M. A., e ALI, M. Y. Heat Affected Zone Morphology of TIG Torch Welded HSLA Steel in Presence of Ti and V Microalloying Elements. Encyclopedia of Renewable and Sustainable Materials. Volume 4 Pages 439- 444, 2020. (https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11259-7).
SVOBODA, H., G., e NADALE, H., C. Fatigue Life of GMAW and PAW Welding Jointsof Boron Microalloyed Steels. Procedia Materials Science. Volume 9, Pages 419- 427, 2015. (https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.05.012).
ZHANG, J., XIN, W., GE, Z., LUO, G., e PENG, J. Effect of high heat input welding on the microstructures, precipitates and mechanical properties in the simulated coarse grained heat affected zone of a low carbon Nb-V-Ti-N microalloyed steel. Materials Characterization. Volume 199, 112849, May, 2023. (https://doi.org/10.1016/j.matchar.2023.112849).
1,3,4 Engenheiro Mecânico. Mestrando em Engenharia Mecânica – UFRGS/PROMEC.
2 Dr. Engenheiro. Professor – UFRGS/PROMEC.