Resumo em Português:

Este trabalho apresenta um estudo dos fenômenos de transferência de calor no processo de prototipagem rápida por deposição de metal em camadas sucessivas utilizando soldagem a arco, também chamada de soldagem 3D (3D Welding). O objetivo é desenvolver um modelo simplificado e compreender o processo de transferência de calor e suas relações com os parâmetros de soldagem, de modo a se possibilitar um controle dos ciclos térmicos a que estará sujeito o material depositado. Desenvolveu-se um modelo físico-matemático para a transferência de calor durante o processo de soldagem, o qual é resolvido numericamente pelo método das diferenças finitas, permitindo a simulação de situações típicas desse tipo de processo de fabricação. O modelo numérico desenvolvido foi validado por meio da simulação de casos específicos para os quais se conhecem soluções analíticas. A partir das equações do modelo, definiram-se parâmetros adimensionais, dentre os quais pode-se citar o grupo adimensional π1, relacionado principalmente à velocidade de soldagem. Realizaram-se alguns experimentos numéricos observando a influência desse grupo nas temperaturas máximas, médias e nas amplitudes dos ciclos térmicos que a peça está sujeita.

Resumo em Inglês:

This work presents a study on the heat transfer phenomena that occur during the process of Rapid Prototyping by layered arc welding metal deposition, also called, 3D Welding. The main goal is to understand the heat transfer process and its relations with the welding parameters, in order to enable a control of the thermal cycles that the deposited material shall be subjected to. A numerical model is developed using the finite difference method to analyze the heat transfer, in order to allow the simulation of certain situations. The numerical model was validated by means of simulating specific cases for which analytical solutions are available. From the theoretical model equations, some dimensionless numbers were defined, among which the so called π1 number, mainly related to the welding speed. Some numerical experiments were carried out in order to allow the observation of its influence on the average and peak temperatures and also on the amplitudes of the thermal cycles which the part is subject to.

Resumo em Português:

Um método para estabelecimento do processo de dissociação térmica dos óxidos na zona de reação durante soldagem e deposição por arco submerso é apresentado. Foram desenvolvidas equações não lineares combinadas para definição da composição da mistura gás-vapor. Estas descrevem a dissociação dos óxidos do tipo MeO, MeO2 e Me2O3. Cálculos dos processos de dissociação dos óxidos foram feitos para óxidos que são comumente incluídos em fluxos de soldagem. Os resultados e análises são apresentados. O método proposto parece ser adequado e aplicável para análises de processos durante operações a arco submerso as quais acontecem com fases gasosas.

Resumo em Inglês:

A method of settlement of the process of thermal dissociation of oxides in reaction zone during the submerged arc welding and welding deposition is presented. Combined non-linear equations for definition of gas-vapour mixture composition were developed. They describe the dissociation of MeO, MeO2 and Me2O3 types of oxides. Calculations of the processes of oxide dissociation were performed for the oxides that are commonly included into welding fluxes. Their results and analysis are presented. The method proposed appeared to be adequate and applicable for analysis of processes during submerged arc operation that run in the gas phase.

Resumo em Português:

Ligas CoCrWC são largamente usadas para a proteção de componentes que operam sob condições agressivas de desgaste e elevada temperatura. Desempenho melhor tem sido obtido com ligas CoCrMoSi, entretanto, o processamento destas ligas ainda representa um desafio devido à presença de fase Laves frágeis, particularmente quando processos de soldagem estão envolvidos. Este trabalho avaliou revestimentos processados por Plasma com Arco Transferido com as ligas CoCrMoSi - Tribaloy T400 reforçada com fase Laves, comparando a sua soldabilidade à da liga CoCrWC - Stellite 6, reforçada com carbonetos. Os revestimentos foram também analisados considerando o impacto da exposição à temperatura de 600°C durante 7 dias sobre a microestrutura e o comportamento em desgaste abrasivo por deslizamento. A caracterização dos revestimentos foi realizada por microscopia ótica e eletrônica de varredura, difração de raios-X e dureza Vickers. Revestimentos CoCrWC apresentaram microestrutura dendrítica de solução sólida em Cobalto e região interdendrítica refinada com carbonetos eutéticos enquanto os depósitos CoCrMoSi apresentaram uma região eutética lamelar predominante com fase Laves e solução sólida em Cobalto e pequena quantidade de fase primária de Laves. Embora a estabilidade de fases tenha sido observada por difração de raios-X, o coalescimento da microestrutura ocorreu para as duas ligas. A liga CoCrMoSi apresentou lamelas mais espessas de fase Laves enquanto a liga CoCrWC apresentou coalescimento dos carbonetos eutéticos. A estabilidade medida por meio dos testes de desgaste revelou que embora o coeficiente da liga CoCrMoSi na condição como depositada tenha sido menor que o da CoCrWC, a primeira apresentou aumento mais significativo como consequência da exposição à temperatura, 22% perante os 15% da segunda. Os resultados foram discutidos considerando a proteção de componentes industriais que operam em banhos de galvanização por imersão a quente com liga 55AlZn.

Resumo em Inglês:

CoCrWC alloys are widely used to protect components that operate under wear and high temperature environments. Enhanced performance has been achieved with the CoCrMoSi alloys but processing this alloy system is still a challenge due to the presence of the brittle Laves phase, particularly when welding is involved. This work evaluated Plasma Transferred Arc coatings processed with the Co-based alloy CoMoCrSi - Tribaloy T400, reinforced with Laves phase, comparing its weldability to the CoCrWC - Stellite 6, reinforced with carbides. Coatings were also analyzed regarding the response to temperature exposure at 600°C for 7 days and subsequent effect on microstructure and sliding abrasive wear. Coatings characterization was carried out by light and scanning electron microscopy, X-ray diffraction and Vickers hardness. CoCrWC coatings exhibited a Cobalt solid solution dendritic microstructure and a thin interdendritic region with eutectic carbides, while CoCrMoSi deposits exhibit a large lamellar eutectic region of Laves phase and Cobalt solid solution and a small fraction of primary Laves phase. Although phase stability was observed by X-ray diffraction, coarsening of the microstructure occurred for both alloys. CoCrMoSi showed thicker lamellar Laves phase and CoCrWC coarser eutectic carbides. Coatings stability assessed by wear tests revealed that although the wear rate of the as-deposited CoCrMoSi alloy was lower than that of CoCrWC alloy its increase after temperature exposure was more significant, 22% against 15%. Results were discussed regarding the protection of industrial components in particular, bearings in 55AlZn hot dip galvanizing components.

Resumo em Espanhol:

En los últimos años se han desarrollado consumibles de soldadura que depositan recubrimientos duros de aleaciones base hierro nanoestructuradas de gran resistencia al desgaste abrasivo. Las resistencias al desgaste erosivo y abrasivo están controladas principalmente por la composición química y la microestructura. A su vez, la microestructura del metal depositado puede presentar variaciones con el procedimiento de soldadura empleado, especialmente en relación al aporte térmico. Los parámetros operativos que definen el aporte térmico (tensión, corriente y velocidad de soldadura) afectan aspectos como la geometría del cordón (ancho, penetración y sobremonta) y la dilución con el material base. El propósito de este trabajo fue estudiar el efecto del calor aportado sobre las características geométricas del cordón, la dilución y la evolución microestructural de una aleación nanoestructurada base hierro, depositada por FCAW. Se soldaron muestras con aportes térmicos de entre 0,5 y 3,5 kJ/mm. Sobre cada cupón soldado se realizó un relevamiento dimensional, se analizó la composición química y se caracterizó la microestructura usando microscopías óptica y electrónica de barrido y difracción de rayos X. También se midieron la microdureza del depósito, el tamaño de cristalita y el grado de dilución. Se observó una gran influencia de las condiciones de proceso sobre la geometría del cordón. La dilución varió entre un 30 y un 40%, la microdureza del depósito se encontró entre 800 y 870 HV1 y el tamaño de cristalita osciló entre 105 y 130 nm, en función de las variables de proceso empleadas. Las mayores durezas y los menores tamaños de cristalita se obtuvieron con el menor aporte térmico, asociado a una menor dilución.

Resumo em Inglês:

In the last years there have been developed several consumables that deposit hard nanostructured iron-based metals with high resistance to abrasive wear. The erosive and abrasive wear resistances are mainly controlled by the chemical composition and the microstructure. In turn, the microstructure of the deposited metal usually shows variations with the experimental welding procedure, particularly related to the heat input. Also, the operating parameters that define the heat input (voltage, current and welding speed) affect aspects such as bead geometry (wide, penetration and reinforcement) and dilution with the base metal of the bead. The purpose of this work was to study the effect of heat input on the geometry of the bead, the dilution and the microstructural characteristics of a nanostructured iron-based alloy deposited by FCAW. Several samples with heat input between 0.5 and 3.5 kJ/mm were welded. Chemical composition was determined, microstructure was studied using both optical and electronic microscopy and X ray diffraction; hardness, grain size and percentage of dilution were measured. The microhardness of the deposit was found between 800 and 870 HV1, grain size variations were between 105 and 130 nm and the dilution ranged between 30 and 40%, depending on process variables used. The highest hardness and the lowest cristallite sizes were obtained with the lowest heat input, associated to a lower dilution.

Resumo em Português:

Juntamente com o crescimento da indústria naval brasileira surgiram problemas provenientes dos processos de produção na forma de distorções e tensões residuais. Neste trabalho foi estudada a influência de procedimentos de soldagem (sequência e direção de soldagem e uso do passe reverso) e modos de transferência (MAG-CC, MAG-STT e MAG-CW) sobre os valores de distorções. Todas as soldagens foram realizadas com o arame ER70S-6 e gás de proteção CO2 puro no modo curto-circuito. Ao final das soldagens, observou-se que a variável mais importante foi a mudança de direção de soldagem, que está ligada diretamente aos níveis de restrição do painel teste. As sequências utilizadas surtiram pouco efeito nos valores de distorção. O passe reverso obteve valores baixos de distorção, contudo, mostrou-se improdutivo. Observou-se que os valores de distorção para os processos e MAG-STT resultaram em valores de distorção semelhantes. Os painéis soldados pelo processo MAG-CW obtiveram os menores valores de distorção mensurados.

Resumo em Inglês:

The Growth in the Brazilian shipbuilding industry brought on numerous problems in the production line. Some of these problems are related to the manufacturing process, welding process, due to residual stress and distortions. In the present paper, the influence of the welding procedure (sequence and direction of welding and the use of back weld) was studied. Different welding processes with different transfer modes (GMAW-CC, GMAW-TT and GMAW-CW) were also used. These changes were made to observe the influences on the amplitude of the distortions. All the welds were made using the ER70S-6 electrode and pure CO2 as a shielding gas with the short circuit transfer mode. The results showed that the most important variable is the direction of welding, which is related to the level of restriction of the panels welded. The effect of the welding sequence presented on the values of distortion produced were minor. The panels produced using the back welding procedure presented small values of distortion however, the procedure showed to be inefficient. It was also observed that the level of distortion for the processes GMAW-CC and GMAW-STT showed similar values. On the other hand the values of distortion in the panel welded using the GMAW-CW process presented the lowest values.

Resumo em Português:

Uma cerâmica avançada é geralmente unida ao metal pelo processo de brasagem, porém o custo das ligas de adição ativas pode ser considerado uma limitação. A brasagem com uma liga de adição isenta de metal ativo para união dos componentes é uma tentativa de transpor esta desvantagem. A difusão de um metal ativo a partir do componente de titânio através do liga de adição fundida para o componente cerâmico produziu uma liga ativa in loco, promovendo a redução do óxido de zircônio e melhorando o molhamento na superfície cerâmica. Titânio não ligado foi unido a zircônia tetragonal (Y-TZP) e zircônia parcialmente estabilizada com magnésia (Mg-PSZ) em forno de alto vácuo (<3x10-5 mbar), usando ligas comerciais Ag-28Cu e Au-18Ni. Testes de detecção de vazamento de gás hélio foram realizados na interface cerâmica/metal à temperatura ambiente; amostras de juntas estanques foram analisadas por técnicas de análise microestrutural e análise por dispersão de raios-X na seção de união das juntas. Juntas estanques foram produzidas com a liga eutética Ag-Cu, formando-se uma camada intermetálica e uma camada escura de reação próxima à superfície cerâmica; a difusão de titânio foi eficiente para promover interações químicas entre os componentes. As juntas brasadas também foram ensaiadas com teste de flexão três-pontos.

Resumo em Inglês:

Advanced ceramic is usually joined to metal by the well-known direct brazing process, where costly active filler alloys can be considered a limitation. Brazing using active-metal-free filler alloy as insert between the joint components is an attempt to overcome it. The active metal diffusion from the titanium member through the bulk of molten filler to the ceramic was responsible to produce an active filler alloy in loco and promote reduction of the zirconium oxide to improve wetting on the ceramic surface. Unalloyed titanium was joined in a high-vacuum furnace (<3x10-5 mbar) to yttria-tetragonal zirconia polycristals (Y-TZP) and zirconia partially stabilized with magnesia (Mg-PSZ), where commercial fillers Ag-28Cu and Au-18Ni with respective thermal cycles were evaluated. Helium gas leak detection test was performed at the ceramic/metal interface at room temperature; samples from reliable vacuum tight joints were examined by microstructural analysis techniques and energy dispersive X-ray analysis at the joint cross-section. Tight joints were produced with eutectic Ag-Cu filler, revealing an intermetallic layer and a dark reaction layer near the ceramic surface; titanium diffusion was efficient for superficial chemical interactions between individual components. Brazing joints were also tested using three-point flexure testing.

Resumo em Português:

Os aços inoxidáveis duplex, devido à sua resistência à corrosão, têm uma grande aplicação em diversos segmentos industriais, onde a resistência à corrosão é uma propriedade requerida. Por terem resistência mecânica superior aos aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos convencionais, podem produzir equipamentos mais leves. Quando ciclados termicamente, estes aços podem ter suas propriedades alteradas, principalmente quando se emprega processos de junção, como a brasagem, e quando ocorre o desbalanceamento da fração volumétrica ferrita/austenita. O objetivo deste trabalho é caracterizar a brasagem de aços inoxidáveis duplex 'baixa liga' e superduplex, verificando o efeito da folga e do tempo de brasagem na formação de intermetálicos contínuos no interior da junta brasada. Neste trabalho foram brasados, em forno continuo com atmosfera de hidrogênio, corpos-de-prova de aço inoxidável duplex UNS S32101, UNS S32304 e UNS S32750 com a adição para brasagem BNi-7 (Ni-Cr-P), na temperatura de 1100ºC, por tempos de 12 min e 32 min, utilizando-se folgas das juntas de 0,0 e 0,3 mm, seguidos de resfriamento em forno. Os corpos de prova foram caracterizados utilizando-se microscópio óptico, microscópio eletrônico de varredura com EDS e difração de raios X. Os resultados mostraram que a melhor condição para a brasagem em forno empregado foi a brasagem com a folga de 0,0 mm. Ambas as folgas apresentaram microestruturas variadas, porém a folga de 0,0 mm mostrou a presença de uma fase contínua CFC (cúbica de face centrada), rica em níquel, que é denominada, frequentemente, de γ-Ni. Para folgas de 0,3 mm, forma-se uma região eutética contínua no centro da junta, que pode prejudicar as propriedades mecânicas da mesma. Esta região é composta de fases intermetálicas ricas em fósforo. Foram observadas precipitações de fase sigma no metal de base no AID UNS S35750, nas condições de brasagem estudadas.

Resumo em Inglês:

Duplex stainless steels, due to their superior corrosion resistance, have wide application in various industries where corrosion resistance is an important issue. Equipment made of theses stainless steels are lighter than equipment produced with conventional ferritic and austenitic stainless steels, due to superior mechanical properties of the duplex stainless steels. These steels can have their properties changed when thermally cycled, especially employing joining processes, such as brazing, and when the austenite/ferrite balanced microstructure is changed. The objective of this work is to study the brazing of lean duplex and superduplex, analyzing the effect of the joint gap and the brazing time on the formation of continuous intermetallic phases in the brazed joint. In this work, samples were brazed in a continuous hydrogen atmosphere furnace, using lean duplex stainless steel UNS S32101, UNS S32304 and UNS S32750 with the brazing filler metal BNi-7 (Ni-Cr-P). The experiments were conducted at 1100ºC , during 12 min and 32 min, using joint gaps of 0.0 and 0.3 mm, followed by a cooling thermal cycles in the oven. The samples were characterized using optical microscope, scanning electron microscope with EDS and X-rays diffraction. The results showed that the best condition for furnace brazing of theses stainless steels was the joint gap of 0.0 mm and 32 min. brazing time. The 0.0 mm joint gap showed the presence of a continuous Ni-rich FCC face-centered cubic) phase, which is often referred as γ-Ni. For joint gap of 0.3 mm, a continuous eutectic region in the center of the joint was produced, indicating the joint gap is larger than the ideal gap. A continuous eutectic phase in the joint middle can affect the mechanical properties of the joint. This region consists of intermetallic phases rich in phosphorus. It was observed the precipitation of sigma phase in the base metal UNS S35750, for all brazing conditions studied.

Resumo em Português:

Eletrodos não consumíveis são feitos de tungstênio puro ou ligado, para processos a arco, e de grafita, para goivagem. Contudo, na literatura técnica dedicada à soldagem a arco encontram-se poucas considerações acerca da não utilização de outros materiais como emissores termiônicos. Com o desafio de contribuir para o preenchimento dessa lacuna, procurou-se justificar a inviabilidade da utilização do ferro puro na fabricação de eletrodos não consumíveis e demonstrar o potencial de emissão termiônica de eletrodos de tungstênio puro ou com tória e da grafita. Inicialmente, foram determinadas teoricamente as áreas de emissão, e os respectivos diâmetros, necessárias para soldar com 100 e 300 A em várias temperaturas. Posteriormente, foram calculadas as temperaturas máximas alcançadas por efeito Joule nesses eletrodos em seus diferentes diâmetros. A validação dos resultados se deu por confrontamento com os fenômenos observados na prática. Eletrodos não consumíveis de ferro puro mostram-se inviáveis, pois precisariam ter diâmetro excessivamente grande para emitir em níveis usuais de corrente abaixo da sua temperatura de fusão. Além disso, nesses diâmetros eles não aqueceriam por efeito Joule até a temperatura de emissão. Por outro lado, demonstrou-se que eletrodos de tungstênio puro e dopado e de grafita emitem com diâmetros reduzidos em temperaturas próximas a de fusão/sublimação e alcançam as temperaturas de emissão rapidamente por efeito Joule. Apesar das simplificações adotadas, também ficou justificada a necessidade de afiação dos eletrodos para soldagem a arco e demonstrado que a dopagem de eletrodos de W com óxidos de menor função-trabalho limita o aquecimento da ponta do eletrodo evitando sua fusão superficial.

Resumo em Inglês:

Nonconsumable electrodes are made of tungsten and its alloys, for arc welding processes, and of graphite, for arc gouging. However, current technical literature does not give detailed explanations for not using other materials as thermionic emitters. Taking the challenge of contributing to the fulfillment of this knowledge gap, this study attempts to justify the unviable use of pure iron as a nonconsumable electrode material and to demonstrate the thermionic emission capacity of pure and thoriated tungsten and graphite electrodes. Initially, the emission areas, and the respective electrodes diameters, for welding at 100 and 300 A at several temperatures were theoretically determined. Then, the maximum temperatures reached by different diameters electrodes due to Joule effect were calculated. The outcomes validation was carried out by confronting them to the phenomena observed in practice. Nonconsumable iron electrodes showed to be unviable, because they would require extremely large diameters to emit in usual current levels below their melting temperatures. Besides, they would not be heated by Joule effect up to the emission temperature before arc extinction. On the other hand, it has been demonstrated that pure and alloyed tungsten and graphite electrodes emit with small diameters approaching their melting/sublimation temperatures and they promptly reach the emission temperatures by Joule effect. Despite the adopted simplifications, the electrodes sharpening need for arc welding was also justified, as well as it was demonstrated that the W electrode doping with lower work-function oxides limit the heating of the electrode preventing its superficial melting.

Resumo em Português:

O objetivo deste trabalho foi o de fazer uma revisão na literatura de valores publicados de eficiência térmica do arco do processo GTAW e, se possível, propor uma banda mais estreita de valores aceitáveis. Valores publicados para GMAW CC- mostram situar-se numa larga faixa, entre 0,36 a 0,90. Muitos poucos estudos cobrindo CC+ e CA foram encontrados. Informações específicas sobre a reprodutibilidade em estudos calorimétricos tanto quanto em modelagem e simulação (considerando que tanto erros aleatórios como sistemáticos são pequenos) são escassos. Uma estimativa do valor médio da eficiência do arco indica ser este de 0,77. Isto indica, de qualquer forma, que o processo GTAW com CC- é um processo de grande eficiência. A eficiência do arco é reduzida quando o arco é alongado. Por outro lado, existem resultados conflitantes na literatura quando se estuda a influência da corrente de soldagem e velocidade de soldagem.

Resumo em Inglês:

The aim of this study was to review the literature on published arc efficiency values for GTAW and, if possible, propose a narrower band. Articles between the years 1955 - 2011 have been found. Published arc efficiency values for GTAW DCEN show to lie on a wide range, between 0.36 to 0.90. Only a few studies covered DCEP - direct current electrode positive and AC current. Specific information about the reproducibility in calorimetric studies as well as in modeling and simulation studies (considering that both random and systematic errors are small) was scarce. An estimate of the average arc efficiency value for GTAW DCEN indicates that it should be about 0.77. It indicates anyway that the GTAW process with DCEN is an efficient welding method. The arc efficiency is reduced when the arc length is increased. On the other hand, there are conflicting results in the literature as to the influence of arc current and travel speed.

Resumo em Português:

O principal propósito deste artigo é demonstrar para os (as) engenheiros(as) projetistas e de soldagem, que numa estrutura de aço estrutural soldada a ductilidade possui importância equivalente ou ainda maior do que a resistência e a rigidez. Porém, o elevado nível requerido para a ductilidade não pode ser somente dos metais base e de solda. A análise tem que ser abrangente, envolvendo todos os componentes e também a estrutura completa.

Resumo em Inglês:

The main purpose of this paper is to show for the designers and welding engineers, that in a welded structural steel structure ductility has equivalent or even bigger importance than strength or stiffness. However, the required high level for ductility cannot be only for base and weld metals. The analysis must be comprehensive, involving all components and also the whole structure.