Efeitos que a marcação na junta de solda tem na vida em fadiga de chapas soldadas com cordões intermitentes pelo processo de soldagem MAG no aço ASTM A1011 Gr50 CLASSE 2

Abstract

O processo de soldagem por fluxo de gás ativo - MAG (do inglês Metal Active Gas) vem evoluindo ao longo de décadas, empregado extensivamente em soldas intermitentes e largamente aplicado em chapas finas de aço, obtendo estruturas complexas, esbeltas e, muitas vezes, de grande responsabilidade. Ao longo desse período avanços significativos vêm ocorrendo em máquinas e materiais, porém detalhes simples como os chanfros da junta, regiões cruciais que, em conjunto com outros fatores, determinam a qualidade da solda aplicada, têm recebido pouca atenção sobre seus efeitos na resistência à fadiga, bem como estudos para melhoria de suas características geométricas a fim de contribuir para o aprimoramento das propriedades mecânicas do componente. Este trabalho apresenta um estudo comparativo do comportamento sob fadiga de juntas soldadas fabricadas a partir de chapas planas de aço ASTM A1011 Gr50 CLASSE 2, com 3 mm de espessura, unidas com solda de topo sem cobre junta, soldadas com arame de solda ER70S-6 de 0,8 mm de diâmetro, gás de proteção composto por Argônio e 20% de CO2, corrente de 120 Amperes e posição de soldagem 1G. Um grupo de amostras foi fabricado pelo processo atual, com chanfro reto e de face lisa, e outro grupo com a adição de marcações nas faces dos chanfros retos, sendo ambas as peças das juntas obtidas pelo processo de corte laser e ambos os chanfros sem uso de bisel. As marcações são identificações aplicadas na face de soldagem, obtidas durante o corte das peças, com o objetivo de orientar o soldador em relação ao correto posicionamento dos cordões, assegurando sua qualidade dimensional em relação aos seu comprimento e posicionamento ao longo da junta. O estudo buscou avaliar estatisticamente a variação dimensional dos cordões de solda entre as duas técnicas de solda, com e sem as marcações; caracterizar as curvas de fadiga de ambas as juntas, realizar análises de falhas das regiões fraturadas das amostras, análises micro e macrográficas das seções transversais das soldas e análise de elementos finitos em modelos 3D similares aos ensaiados em laboratório. Os resultados mostraram ganhos significativos com a utilização das marcações em todos os aspectos avaliados, tanto geométricos quanto mecânicos. As juntas executadas com as marcações tiveram melhora dimensional no comprimento e espaçamento dos cordões de 1,7% e 14,6%, respectivamente, em comparação com as juntas sem marcação e se aproximando dos valores especificados em projeto, resultando também no aumento da penetração e da área de ligação da junta em 29,8% e 12,5%, respectivamente. Esses ganhos influenciaram positivamente no aumento da vida em fadiga através da redução na inclinação da curva (m), aumentando os limites de fadiga em 65% para o maior nível de carregamento e 100% para o menor nível de carregamento avaliado. A análise por elementos finitos, modelada com elementos triangulares com dimensão máxima de 1 mm, mostrou uma8 importante melhora na distribuição das tensões atuantes em torno da solda com o uso das marcações, onde a uniformidade dimensional do cordão implicou na melhoria da distribuição das tensões ao longo da junta. As diferenças nas tensões resultantes da variabilidade dimensional dos cordões de solda sem o uso das marcações apresentaram variações de aumento de 12% para as regiões de afastamento e diminuição de 15% para as regiões de proximidade dos cordões. As marcações na junta se mostraram significativamente úteis na melhora das propriedades mecânicas da junta através do aprimoramento das características geométricas do cordão, aspectos de difícil controle com os recursos disponíveis atualmente para o processo de soldagem.

The Metal Gas Arc Welding - MAG welding process come evolving through decades, used extensively in intermittent welds and largely applied in thin steel plates, obtaining complex structures, slender and, frequently, with great responsibility. Along this period significant advances has occurred in equipment and materials, but simple details as groove faces, crucial regions of the welded joint that, among other factors, define the quality of the weld applied, has received few attention about its effects on the joint resistance, as well studies to improve their geometric characteristics to contribute on the mechanical properties of the component. This research presents a comparative study of the fatigue behavior of welded joints made by thin plain plates of ASTM A1011 Gr50 Class 2, with 3 mm of thickness and joined with butt weld without backing, welded with 0,8 mm weld wire ER70S-6, protection gas composed by Argon and 20% of CO2, weld current of 120 Ampere and weld position 1G. One sample group was manufactured by the current welding process, with square and smooth groove joint, and other sample group with the application of weld markings on the joint grooves, with both joint parts obtained by laser cutting process and square chamfer without bevel. The weld markings are positioners applied on the weld groove, obtained during the cutting process of the parts, with the aim to orient the welder about the correct positioning of the weld beads, ensuring the dimensional quality regarding their length and positioning along the joint. This study aimed to evaluate statistically the dimensional variation of the weld beads among the two weld techniques, with and without markings, characterize the fatigue curves of both joints, proceed fracture analysis of the fractured samples, micro and macrographic analysis of the joint crosssections and finite elements analysis in 3D models similar to those assessed in laboratory. The results shown significant gains with the application of the joint markings in all aspects assessed, as geometric as mechanic. The joints made with the markings had dimensional improvement on weld bead length and spacing by 1,7 % and 14,6 %, respectively, in comparison with joints without the markings and approximating of project specifications, resulting also in the increasing of joint penetration and joint connection area by 29,8% and 12,5%, respectively. These gains influenced positively in the fatigue life increasing through reduction of m curve inclination, increasing the fatigue limits in 65% for the higher loading level and 100% for the lower loading level assessed. The finite elements analysis, modeled with triangular elements with maximum size of 1 mm, shown an important improvement in the stress distribution acting around the weld bead applied with the markings, where the dimensional uniformity of the weld bead implied on the significant improvement of stresses homogeneity. The difference on the resulting stresses from the dimensional variation of the weld beads without the markings10 application presented increasing variations of 12% on places where there are increasing of the joint separation and decreasing variation of 15% on places where there are increasing of the joint proximity. The joint markings presented as significantly beneficial on the mechanical properties improvements of the joint through improvement of geometrical characteristics of the weld beads, aspects with difficult management with the current controlling resources for the welding process.