Abstrato

A demanda por componentes leves e pequenos aumentou tremendamente ao longo dos anos. O presente trabalho descreve a microssoldagem a plasma da liga SS304. A microssoldagem a arco plasma é realizada em chapa fina para caracterizar o efeito dos parâmetros de soldagem. As faixas adequadas de corrente de soldagem em velocidade de soldagem constante para duas vazões de gás de plasma diferentes são avaliadas para obter melhor qualidade de solda na configuração da junta de topo. A distorção é um grande problema para estruturas soldadas, especialmente para os materiais mais finos. Assim, a variação dos parâmetros do processo viz. a corrente de soldagem e a vazão do gás plasma são estudadas na distorção induzida pela solda. A análise de distorção, tanto a contração longitudinal quanto a contração transversal, são feitas para seis diferentes condições de soldagem. Prevê-se que a contração longitudinal e a contração transversal aumentem com o aumento da taxa de fluxo e corrente do gás de plasma. A resistência à tração e a microestrutura também são determinadas em diferentes taxas de fluxo de gás e correntes de soldagem. Isso pode ser devido à aplicação de mais calor em valores mais altos.

Palavras-chave:
Microsoldagem; Distorção; Encolhimento longitudinal; Encolhimento transversal; Estresse residual

1. Introdução

A soldagem é um dos processos mais antigos adaptados pelo homem como uma arte obscura ou uma técnica de construção rudimentar. Flexões e distorções são inevitáveis ​​na soldagem devido à grande variação de temperatura dentro de uma pequena zona. Pesquisadores de todo o mundo estão de olho no campo de tensões e deformações residuais induzidas pela soldagem. Para uma melhor compreensão da física subjacente associada à distorção da soldagem, vários estudos numéricos e experimentais foram realizados. Um método de rede neural artificial é utilizado para investigar a distorção de chapas finas SS304 soldadas. Murugan e Gunaraj experimento conduzido de acordo com o equipamento GMAW controlado por matriz de design e eles identificaram os parâmetros do processo. Eles encontraram os valores mais altos e mais baixos e, consequentemente, fizeram o experimento para registrar a resposta viz. distorção angular. Deng observou que, no caso de transformação de aço de baixo carbono, a faixa de temperatura é bastante vasta em comparação com outros aços de carbono e, devido à transformação martensítica, a diluição é baixa e, portanto, a transformação de fase não tem um efeito significativo na distorção. Long e outros. destacou as distorções transversais, longitudinais e angulares induzidas em chapas grossas de aço de baixo carbono soldadas a topo, realizando uma análise tridimensional de elementos finitos. Usando técnicas termoelásticas-plásticas de grandes deformações, simulações tridimensionais de elementos finitos foram realizadas por Deng e Murakawa. Eles calcularam as distorções angulares (placa de aço de baixo teor de carbono com 1 mm de espessura) devido à introdução da soldagem. Em trabalho semelhante, por estudo numérico e experimental, Camilleri et al. previu distorções fora do plano na fixação de soldas de topo e de ângulo de dupla face. Um modelo matemático quadrático de segunda ordem também foi adaptado por Gunuraj e Murugan. Concluiu-se que para as diferentes regiões da zona afetada pelo calor, a taxa de alimentação do arame e a velocidade de soldagem tiveram um forte efeito na distorção angular. Tian et ai. utilizou um modelo de rede neural baseado em elementos finitos para determinar a deformação induzida por GTAW. Os resultados indicam que a distorção aumenta em um ponto máximo com o limiar de entrada de calor e depois diminui com um aumento adicional na entrada de calor. Dogan et ai. Também fez experimentos com distorção angular e desenvolveu um modelo matemático usando métodos estatísticos. Observou-se que a tensão de soldagem teve um forte efeito na distorção do material soldado.

Chapas finas, materiais cujo coeficiente de expansão térmica é muito grande, são mais suscetíveis a distorções. A quantidade de entrada de calor gerada na junta de solda afeta significativamente a distorção das soldagens. No entanto, quando os parâmetros de soldagem são mantidos constantes, as propriedades do material desempenham um papel importante. Os grampos e acessórios usados ​​durante a soldagem têm um efeito definido na distorção e, portanto, uma seleção apropriada das condições de fixação é uma necessidade extrema . A folga inicial e o desalinhamento têm uma influência significativa na distorção da soldagem, conforme discutido por Deng et al. A deformação das soldagens tem um efeito prejudicial na integridade estrutural, qualidade e desempenho de uma soldagem, aumentando assim o tempo consumido e o custo envolvido.

Li et ai. Trabalhou em uma solda de topo de placa fina e concluiu que a distorção da placa através do modo de deformação de simulação experimental e numérica, como forma côncavo-convexa, ocorreu devido à alta tensão de tração transversal na superfície superior na zona de fusão. Huang e outros. Também observaram que a distorção é afetada devido à condição de fixação na trilha de soldagem. Wang et ai. Estudou na soldagem de chapas finas e descobriu que a distorção angular é obtida devido ao gradiente de temperatura através da espessura da chapa e ao momento fletor causado pela deformação plástica residual obtida na direção da espessura. Sol e Yu conduziu um experimento de solda de topo multicamada em aço 22SiMn2TiB, uma transformação de fase metalúrgica é tomada e estruturas de martensita são formadas no momento do resfriamento na zona de soldagem e também são previstas tensões residuais e distorções. Akhyar et ai. Também estudaram no aço A36 e concluíram que os perfis de distorção são formados devido à taxa de resfriamento na zona de fusão e a torção foi criada e eles também descobriram que a taxa de resfriamento também afeta o valor de dureza em HAZ com base no tamanho do grão. A importância das propriedades na qualidade da junta soldada foi investigada por Desai e Bag tanto experimental quanto numericamente. Eles concluíram que as propriedades mecânicas e térmicas (condutividade) afetam muito a qualidade da junta soldada. Com um aumento na condutividade térmica, a largura do cordão de solda diminui e o HAZ aumenta

A estimativa quantitativa precisa da deformação da soldagem, bem como das propriedades mecânicas, são os principais destaques do artigo. As investigações atuais incluem a microssoldagem a arco plasma realizada em chapas de 0,5 mm de espessura da liga SS304 para caracterizar o efeito dos parâmetros de soldagem, ou seja, taxa de fluxo do gás principal para soldagem e corrente de soldagem. As faixas adequadas de corrente de soldagem em velocidade de soldagem constante para duas taxas diferentes de fluxo de gás principal para soldagem são avaliadas para obter melhor qualidade de solda.

2. Procedimento Experimental

A configuração experimental usada na pesquisa atual para fins experimentais é mostrada na Figura 1a . Gás argônio industrial puro (99,9%) é usado para blindagem, bem como gás de plasma. Os parâmetros fixos do processo MPAW determinados por tentativas e erros experimentais e seus valores são apresentados emTabela 1 . A soldagem de topo para correntes diferentes e duas vazões de gás de plasma diferentes na mesma velocidade são realizadas em chapas SS304 de 0,5 mm de espessura para avaliar a influência interativa dos parâmetros do processo e obter condições práticas para soldagem. A corrente mínima necessária para gerar um arco estável na configuração de corrente é de 7 A, entretanto, apenas o aquecimento da placa foi observado abaixo de 9 A. Portanto, valores atuais de 9A, 10 A e 11A para a presente investigação. Da mesma forma, a taxa mínima de fluxo de gás para que o arco ocorra é de 2 LPM. Portanto, 3,5 LPM e 6 LPM são escolhidos para marcar o efeito da taxa de fluxo de gás. O suporte usado para segurar as amostras é feito de cobre, pois é um bom condutor de calor. O projeto de fixação é mostrado emFigura 1b . As folhas são presas corretamente em todo o seu comprimento. Apenas uma pequena abertura perto da linha de solda é aberta ao ar para a passagem da tocha. O peso % da distribuição elementar da liga é fornecida noTabela 2 e testado usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X. Os cordões de solda formados em diferentes vazões de corrente e gás ((a)10 A e 3,5 Lpm; (b) 10A, 6 Lpm; (c) 9A Lpm; (d) 11A, 6Lpm)) são apresentados emFigura 2 . A largura dos grânulos aumenta com a corrente e a taxa de fluxo de gás devido à maior entrada de calor.Figura 2e -2f revelam o aquecimento e a queima do material.

3. Medição da Distorção Residual

A necessidade básica de estudar a distorção angular em chapas soldadas é investigar as tensões residuais induzidas durante a soldagem que prejudicam a integridade e o comportamento em serviço das peças soldadas. Na soldagem, o aquecimento altamente localizado é feito na placa ou na peça da junta, o que leva a tensões não uniformes no componente devido à expansão e contração da região aquecida. A princípio, tensões compressivas induzidas no metal frio no momento em que a poça de fusão é formada devido à expansão térmica da zona termicamente afetada. Se todas as tensões geradas pela expansão ou contração térmica excederem o limite de escoamento do metal em particular, ocorrerá distorção devido à deformação plástica do metal. A distorção das folhas como visto em Figura 3a foram medidos pelo método de medição de coordenadas. O método de medição é demonstrado em Figura 3b O encolhimento longitudinal e transversal são medidos para comparar o efeito da corrente e taxa de fluxo de gás.

A Figura 4 mostra a contração longitudinal da chapa após a soldagem. DeNa Figura 4b vê-se que a distorção longitudinal é maior ao longo da linha de solda, embora o padrão seja o mesmo para todos os três pontos de medição.Figura 4c -4d mostram a contração longitudinal ao longo da linha de solda para diferentes correntes para taxas de fluxo de gás semelhantes. A contração longitudinal aumenta com o aumento da corrente à medida que a entrada de calor aumenta.A Figura 4e mostra a contração longitudinal ao longo da linha de solda para diferentes taxas de fluxo de gás de plasma a uma corrente de 9A e todos os outros parâmetros mantidos constantes. Verifica-se que é maior para maior taxa de fluxo de gás. Um aumento na contração longitudinal com a corrente, bem como a taxa de fluxo de gás, deve-se principalmente ao maior calor disponível em uma determinada área. Isso aumenta a temperatura de uma determinada região levando a mais distorção. A Figura 5 mostra a contração transversal da chapa após a soldagem. O valor encontrado é maior na linha de solda para todos os casos.A Figura 5b mostra que a contração transversal é maior nas bordas da placa. Semelhante à contração longitudinal, a contração transversal também aumenta com o aumento da corrente e da taxa de fluxo de gás de plasma.Figura 5c -5d mostra a contração transversal nas diferentes correntes de soldagem e também mostra que com o aumento do valor da corrente a contração aumenta devido ao aumento da entrada de calor.A Figura 5e mostra a contração transversal nas diferentes taxas de fluxo de gás de plasma a uma corrente constante de 9 A.

4. Teste de Tração Transversal

Após os experimentos, corpos de prova foram preparados para diferentes testes para avaliação do desempenho do procedimento de soldagem. Para testes de tração, as amostras foram cortadas pela máquina WEDM de acordo com a especificação ASTM D-1708.A Figura 6 mostra a figura de amostras preparadas para testes de tração. Este é o teste básico para verificar os requisitos de resistência do projeto de um componente soldado. As amostras são cortadas em uma orientação perpendicular ao eixo da solda. O teste reflete a resistência à tração do material, o padrão de falha e a localização da fratura. Três conjuntos de amostras foram preparados para cada conjunto de parâmetros de processo para teste de tração. Uma taxa de deformação constante de 0,2 mm/min foi mantida durante todo o teste. Os ensaios de tração foram realizados em micromáquina de ensaio 5 KN controlada por computador (modelo n° MT 10081), de modo que o corpo de prova sofra deformação. DeNa Figura 6b vê-se que as fraturas ocorreram no estilo de taça e cone e na zona HAZ.

A resistência à tração final das juntas para três correntes diferentes a 3,5 Lpm e 6 Lpm são plotadas emFigura 7a eFigura 7b , respectivamente. Verificou-se que a resistência à tração em todos os parâmetros é comparável à do material de base na faixa investigada. Em um valor menor de corrente, o calor gerado não foi suficiente para soldar as amostras e criar uma solda defeituosa. Em valores mais altos de corrente, o excesso de amplitude de corrente está levando ao respingo da poça de fusão e novamente reduz a resistência da solda. O valor ideal da corrente é de 10 A. O gráfico tensão-deformação é plotado como mostrado emFigura 7c na corrente ideal (10A). Verificou-se que a resistência à tração final do SS304 soldado a 6 Lpm com todos os outros parâmetros permanecendo constantes é ligeiramente maior que a de 3 Lpm.

5. Fractografia

A fractografia SEM de uma junta soldada é mostrada em Figura 8a -8b , exibindo numerosas ondulações nas superfícies fraturadas, refletindo que o modo de falha para o teste de tração é dúctil, portanto, e os espécimes são submetidos a grandes deformações plásticas antes da falha. Em Na Figura 8a observa-se um maior número de ondulações rasas que indicam ductilidade moderada sugerindo a formação de estrutura lamelar. No entanto, ondulações mais profundas são observadas em A Figura 8b sugere a formação de estrutura martensítica com boa ductilidade (20) devido ao aumento da taxa de resfriamento.

6. Dureza

Após a soldagem a arco de micro plasma em diferentes parâmetros do processo, as amostras em cada parâmetro são preparadas e a dureza média é medida em cinco pontos diferentes na amostra. A distância entre os pontos é de 1 mm para registrar os valores de dureza em cada zona, o teste de dureza Vickers é realizado com carga de 300 kgf para obter a indentação A localização dos 5 pontos é marcada em Figura 9a . Verificou-se que o valor da dureza aumenta na zona da pepita de solda (258 HV) a 6 Lpm. Os perfis de dureza da amostra a 10 A e taxa de fluxo de gás de 3,5 Lpm e 6 Lpm em comparação com o metal base são representados em Figura 9b . O ponto 3 está caindo na zona de fusão (FZ), que mostra dureza máxima em ambas as taxas de fluxo de gás. Na zona de solda, devido à maior taxa de resfriamento, as chances de formação de estrutura martensítica são maiores do que na HAZ (13).

7. Conclusões

Experimentos foram realizados na liga SS304 para soldar em três correntes diferentes para duas taxas de luminescência de gás e velocidade constante. A análise de distorção é feita com a ajuda da máquina de medição por coordenadas. A distorção se deve principalmente à súbita contração e expansão da HAZ (zona afetada pelo calor). As propriedades mecânicas são avaliadas por ensaio de dureza, ensaio de tração e fractografia. Assim, este trabalho sugere um método adequado para unir chapas finas com distorção reduzida. Isso pode servir de base para microssoldagem de outros materiais e espessuras. Este estudo também destacou que uma entrada de calor ideal é a maior necessidade na microssoldagem. Da presente investigação são tiradas as seguintes conclusões.

1. a) Verifica-se que a retração longitudinal é maior em comparação com a retração transversal nas chapas soldadas. A flexão é maior na borda da placa na linha de solda em comparação com a outra parte da placa. Um fato interessante é que a retração transversal é menor no lado de onde se inicia a soldagem, em relação à outra aresta extrema.
2. b) A análise de distorção é feita em diferentes parâmetros e descobriu-se que a taxa de fluxo de plasma e a corrente de soldagem têm efeito positivo na extensão da distorção, ou seja, a distorção aumenta com o aumento da taxa de fluxo de plasma, bem como a corrente de soldagem. Isso ocorre porque, com o aumento da taxa de fluxo de gás e da corrente, mais calor é aplicado em uma determinada área, levando a uma maior distorção.
3. c) Com o aumento da corrente de soldagem, percebe-se que a largura do cordão de solda também aumenta. À medida que a corrente aumenta, a entrada de calor também aumenta, o que resulta em maior largura do cordão de solda (Figura 2 ). Verificou-se que a dimensão da solda é mais alta na taxa de fluxo do gás principal para soldagem. A entrada de calor também é um parâmetro importante para prever distorções de soldagem.
4. d) A dureza e as propriedades de tração foram encontradas comparáveis ​​ao material de base na faixa dada de parâmetros do processo.

Reconhecimentos

Os autores desejam agradecer ao Instituto Nacional de Tecnologia Jamshedpur pela realização deste trabalho de pesquisa. Os autores também gostariam de expressar sua gratidão à metalurgia ASR e ao cluster automotivo Jamshedpur por UTM, Dureza e CMM (Distorção).

• Como citar: Ansari K, Baruah M. Estimativa das propriedades mecânicas da soldagem por microplasma de chapas SS304 de 0,5 mm. Soldagem & Inspeção. 2023;28:e2803.

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