Estudo das propriedades mecânicas e do resfriamento em manufatura aditiva por deposição a arco

Abstract

A manufatura aditiva por deposição a arco (MADA) é um processo de fabricação que integra as características da manufatura aditiva e da tradicional tecnologia de soldagem. Apresenta-se como uma tecnologia promissora para a fabricação de grandes componentes metálicos, baixos custos, depósitos em três dimensões, diversidade de materiais de adição e alta eficiência de deposição. Com o emprego de projeto de experimentos, inicialmente se avaliou a geometria resultante da combinação dos parâmetros. Então parâmetros do processo GMAW foram variados, formas de onda, metais de adição, tempos de inatividade entre depósitos e resfriamento com jato de ar versus convecção natural. Os resultados obtidos foram ciclos térmicos e propriedades mecânicas como resistência à tração, dureza e de forma macro a microestrutura. As formas de onda foram: pulsado sinérgico, Convencional, Sinérgico, Polaridade Variável (PV), “Cold Metal Transfer” (CMT) e “Low Spatter Control” (LSC). Os resultados do ensaio de tração não apresentaram diferenças significativas para o eletrodo AWS ER70S-6, diferente do AWS ER110S-G no qual a forma de onda da corrente teve influência. Esse comportamento seguiu para a dureza HV. O modo PV apresentou os maiores resultados de tensão máxima para o eletrodo AWS ER110S-G, porém os depósitos produzidos apresentaram algumas descontinuidades. A microestrutura resultante para o eletrodo AWS ER110S-G foi mais refinada quando comparada ao AWS ER70S-6. Para a liga de aço AISI H13, a transferência por CMT apresentou menores modificações na microestrutura e grãos mais refinados, enquanto a menor taxa de resfriamento foi mostrada no modo LSC. A resistência à tração por CMT é ligeiramente menor em comparação ao PS e LSC. Para mitigar o acúmulo de calor devido ao elevado aporte térmico, aplicou-se um jato de ar durante a deposição, comparando seu efeito com a convecção natural. Os dados da superfície destacaram que o resfriamento com jato de ar resultou no aumento da altura dos depósitos entre 0,5 mm e 2,0 mm, e na redução da eficiência de deposição em até 10%, causada por uma maior irregularidade superficial. Na sequência se realizou uma análise do desempenho da imposição do jato de ar por meio de uma abordagem numérico-experimental híbrida. Os resultados indicaram que o jato de ar limita o aumento progressivo da temperatura entre camadas em comparação ao resfriamento por convecção natural. A partir dos resultados, o tempo de inatividade de 30 s mostrou o melhor compromisso entre produtividade e a redução do acúmulo de calor.

The additive manufacturing by arc deposition (MADA) is a manufacturing process that integrates the characteristics of additive manufacturing and traditional welding technology. It presents itself as a promising technology for the manufacture of large metallic components, low costs, deposits in three dimensions, diversity of filler materials and high deposition efficiency. Using the design of experiments, the geometry resulting from the combination of parameters was initially evaluated. Then GMAW process parameters were varied, waveforms, filler metals, idle times between deposits and air-jet cooling versus natural convection. The results obtained were thermal cycles and mechanical properties such as tensile strength, hardness and a macro approach of the microstructure. The waveforms were: Pulsed Synergic (PS), standard manual, standard synergic, Variable Polarity (PV), Cold Metal Transfer (CMT) and Low Spatter Control (LSC). The results of the tensile test showed no significant differences for the AWS ER70S-6 electrode, unlike the AWS ER110S-G in which the current waveform had an influence. This behavior followed for HV hardness. The PV mode showed the highest results for the ultimate tensile strength using the AWS ER110S-G electrode, however the deposits produced showed some discontinuities. The resulting microstructure for the AWS ER110S-G electrode was more refined when compared to the AWS ER70S-6. For the AISI H13 steel alloy, the CMT mode showed less modifications in the microstructure and more refined grains, while the lowest cooling rate was shown in the LSC mode. The tensile strength by CMT is slightly lower compared to PS and LSC. To mitigate the accumulation of heat due to the high thermal input, an air jet was applied during deposition, comparing its effect with natural convection. The surface data highlighted that cooling with an air jet resulted in an increase in the height of the deposits between 0.5 mm and 2.0 mm, and a reduction in deposition efficiency by up to 10%, caused by a greater surface irregularity. Next, an analysis of the performance of the imposition of the air jet was performed using a numerical-experimental hybrid approach. The results indicated that the air jet limits the progressive increase in temperature between layers compared to cooling by natural convection. From the results, the 30-second downtime showed the best compromise between productivity and the reduction of heat accumulation.