Reparo de cavidades em P20 por soldagem

Este trabalho tem por objetivo mostrar que, quando utilizados os procedimentos de soldagem desenvolvidos é possível diminuir a possibilidade da presença das marcas de solda após um reparo por solda no aço AISI P20 durante a fabricação de moldes (matrizes). De modo a obter características similares de dureza entre a região de solda (MS), zona termicamente afetada (ZTA) e o metal de base (MB) para possivelmente responder uniformemente aos processos de polimento e texturização geralmente aplicados em cavidades.

Fundamentação teórica

Atualmente, para realização de um reparo por solda em aços ferramenta utilizados para fabricação de matrizes de injeção de plástico. O processo de soldagem mais utilizado é o GTAW (TIG) por ter algumas vantagens sobre os outros processos, pois, estes podem ser mais caros e geralmente geram muitos respingos de solda. Assim, o reparo por solda pelo processo GTAW não gera respingos, escória fazendo assim um cordão com uma estética aceitável e é mais barato ao Laser. 

Poucos estudos foram realizados sobre o reparo de solda em aços ferramenta. No entanto, a maioria dos profissionais de soldagem tem certa dificuldade em realizar uns cordões de solda em aços ferramenta, pois os mesmos apresentam estruturas atômicas que facilitam a formação de trincas a aumento da dureza como, por exemplo, fase martensítica ou bainítica de alta dureza.

Os aços ferramenta são utilizados como ferramenta em atividades, como: usinagem, forjamento, laminação, trefilação, estampagem, moldes de injeção de plástico entre outros. Abastecem os segmentos de autopeças, automobilístico, eletroeletrônico e extrusão de alumínio. 

Os aços ferramenta se caracterizam pela elevada dureza e resistência à abrasão. Têm boa tenacidade e mantém as propriedades de resistência mecânica mesmo sob elevadas temperaturas. Tais características são obtidas com a adição de altos teores de carbono e ligas como tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês e cromo. 

A maior parte dos aços ferramenta são forjados. São fornecidos para as ferramentarias que fabricam matrizes para injeção de plástico, pois apresentam diversas propriedades, podem ser citadas: baixa dureza no estado recozido (para facilitar a usinagem das cavidades ou forjamento das cavidades hobbing - na matriz), resistência ao desgaste, ao impacto e resistência mecânica no núcleo. 

Os aços para moldes podem ser cementados ou nitretados ou revenidos, quanto maior for a dureza superficial maior será a resistência ao desgaste, oxidação e erosão. Nesses casos, o aço que mais se destaca é o aço AISI P20 (WNR 1.2738), que é normalmente temperado e revenido. 

É fornecido recozido com a dureza de aproximadamente 23 HRC e quando utilizado para na injeção de plásticos pode ser utilizado cum dureza entre 28 e 34 HRC. Uma desvantagem sobre o aço AISI P20 é a baixa aceitação a solda, devido à alta concentração de carbono, que com outras ligas formam uma estrutura martensítica, bainítica e ferrítica.

As matrizes de injeção de plásticos podem injetar muitos tipos de materiais poliméricos, tais como: polipropileno, poliuretano, poliestireno, etc. Seguem um modelo de sequência de fabricação, tais como: pré-usinagem (desbaste bruta por fresamento), tratamento de alívio de tensões, usinagem secundária (usinagem fina, eletroerosão e furações), tempera e revenimento, polimento, texturização e try-out

Os erros que podem haver no polimento ou na textura da matriz, ou causados por eles, são refletidos no plástico injetado. Muitas vezes os reparos por soldas podem ser realizados em qualquer parte do processo de fabricação, mas quando realizado após a tempera e o revenimento, ou seja, durante o polimento e os ajustes do molde, a solda de reparo pode deixar marcas dos cordões (metal de solda “MS”) e da zona termicamente afetada (ZTA), que influenciam no plástico injetado.

A solda é o resultado de um processo de soldagem. Devido à alta quantidade de calor gerada pelo arco elétrico, dependendo da composição química do aço a ser soldado, a solda deve ser realizada com cuidados especiais, tais como: limpeza, desumidificarão, pré-aquecimento, controle de diluição, controle de resfriamento  e se possível um beneficiamento pós-solda. 

Esses procedimentos são vinculados na realização de um reparo de solda: o pré-aquecimento está vinculado na diminuição das tensões residuais deixadas no término da solda e contribui no melhor controle de resfriamento; a taxa da diluição está vinculada na composição química final do cordão de solda. Tudo isso é citado na literatura e em códigos de soldagem, por exemplo, o ASME IX. Como esse código é voltado para área de vasos de preção e chaparias, apenas os cuidados citados acima podem ser acatados do código, pois não foram encontrados nenhum código ou norma de soldagem voltado para área de solda em aços ferramenta, até o momento. 


Materiais e Métodos 

As amostras do aço AISI P20 foram cortadas por eletroerosão para a realização de 3 experimentos, com as dimensões de 15x 17,5x 71mm (Experimento n° 1) e 45 x 55 x 150mm (Experimento n° 2). Em seguida foram levadas para usinagem (fresagem). Após, foi realizado o tratamento de têmpera e revenimento duplo, a uma temperatura de 850°C e 600°C respectivamente. Depois, foi realizado um cordão de solda pelo processo de soldagem GTAW com um metal de adição especial. 

Em uma amostra foram utilizados os procedimentos desenvolvidos, tais como: pré-aquecimento, controle da taxa de diluição, controle de resfriamento por manta térmica e beneficiamento. Mas, em outra amostra não foram utilizados os procedimentos de soldagem desenvolvidos, para simular os procedimentos inadequados que têm sido realizados na indústria. Após, nas amostras do experimento n° 1, foram realizados cortes na sessão transversal em ambas amostras para a análise macroscópica, com o auxílio de um estereoscópio Olympus com aproximação de 40x. Ambas amostras foram polidas nas lixas de 220μm à 600μm. 

A análise macroscópica foi útil para simular o processo de texturização realizado em uma cavidade de molde. O reagente utilizado foi o ácido Nital 5%. No experimento n° 2 foram apenas realizados a analise macroscópica.

Uma amostra do aço AISI P20 foi cortada por eletroerosão para a realização do Experimento n° 3, com as dimensões de 17x 50 x 100mm. Na mesma, foi realizado uma usinagem para criar um canal, afim de preenche-lo com solda. Mas, o mesmo foi deixado aproximadamente 5mm em cada borda do canal sem solda, para garantir que no canal havia solda. 

Assim, se com o procedimento desenvolvido não deixasse mancha e o canal fosse preenchido em toda sua extensão, os observadores não conseguiriam encontrar a solda e poderia afirmar que a amostra não foi soldada. Depois foi realizado o ataque fotoquímico para texturização.


Resultados e Discussões 

Experimento n°1

 A figura 1 apresenta a amostra soldada sem o uso dos procedimentos de pré-aquecimento e resfriamento com o uso da manta térmica. Foram observadas as presenças da ZTA e uma sombra escura na região do metal de solda, tanto quando polida (Fig. 1-a, b) quando atacadas com ácido (Fig. 1-c). Como o aço tem 0,4% de carbono, a alta velocidade de resfriamento causou o aumento de dureza nas regiões da ZTA (aprox. 60HRC) e metal de solda (MS) (aprox. 55HRC) e isso pode ser constatado no gráfico 1. Esse tipo de resultado também foi observado por Preciado (2006) e B. Silva, I. Pires, L. Quintino (2004).

A figura 2 apresenta a amostra soldada com o uso dos procedimentos técnicos, pré-aquecimento, controle de resfriamento e beneficiamentos pós-solda. Não se notou as presenças da ZTA e do metal de solda, tanto quando polida (Fig. 2-a, b) e quando atacadas com ácido (Fig. 2-c). Isso foi possível devido a recristalização dos grãos, que foi causada com a ajuda do uso do beneficiamento (têmpera e revenimento). Com isso, a dureza na região do metal de solda diminuiu (de 55HRC para aprox. 34HRC) e isso também, pode ser constatado no gráfico 1. Percebeu-se também, a pouca diferença de tonalidade entre a regiões do metal de solda e metal de base (MB “AISI P20”), quando atacada com ácido Nital. Esse tipo de resultado também foi observado por Preciado (2006) e B. Silva, I. Pires, L. Quintino (2004). 

Quadro 1 – Composição química das amostras do aço AISI P20 dos três experimentos (W Nr. 1.2738 e do metal de adição. (Espectroscopia por Fotoelétrons Excitados por Raios -X (XPS))


Figura 1 - Amostra polida (“a” e “b”) e atacada com Nital 5% (“c”), com aproximação de 40x. Soldada sem os procedimentos abordados na literatura.

Figura 2 – Amostra polida (“a” e “b”) e atacada com Nital 5% (“c”) com aproximação de 40x. Soldada com os procedimentos abordados na literatura.


O gráfico a seguir apresenta o efeito da utilização dos procedimentos de soldagem sobre a dureza. 

Gráfico 1 – Dureza (HRC) das amostras com e sem a utilização dos procedimentos.


Experimento n° 2

As figuras 3 a 6 a seguir apresentas as etapas dos procedimentos desenvolvidos realizados em uma amostra plana e sem detalhes e para efeito de comparação foi realizado uma soldagem em outra amostra sem os procedimentos. Não foi possível encontrar nenhuma marca de solda na amostra com a solda onde foram utilizados os procedimentos desenvolvidos, ou seja, o uso destes mostraram-se eficientes. A única evidência que poderia afirmar que a amostra foi soldada é a presença de 3 poros. Já, na amostra com a soldagem sem os procedimentos, foi possível notar as marcas (sombras) deixadas pela solda.


Figura 3 – Amostras de AISI P20 soldadas com e sem a utilização dos procedimentos.


Figura 4 – Amostras de AISI P20 lixadas (retirada dos reforços de solda).


Figura 5 – Amostras de AISI P20 lixadas (400um)


Figura 6 – Amostras de AISI P20 polidas



Experimento n°3

As figuras 7 a 13 à seguir apresentam as etapas dos procedimentos desenvolvidos realizados em uma amostra plana onde foi realizado um canal usinado, depois preenchido com a soldagem com os procedimentos desenvolvidos e texturizada com ácido fotoquímico. Não foi possível encontrar nenhuma marca de solda na amostra com a solda onde foram utilizados os procedimentos desenvolvidos, ou seja, o uso destes mostraram-se eficientes. Foi deixando nas extremidades sem adição de solda, afim de garantir que não houvesse dúvidas da presença dos cordões de solda depositados nos corpos de prova. 


Figura 7 – Amostra do AISI P20 usinada e sendo pré-aquecida.


Figura 8 – Amostra de AISI P20 soldada com os procedimentos desenvolvidos.


Figura 9 – Amostra de AISI P20, já usinada.


Figura 10 – Amostra de AISI P20 lixada (320μm)


Figura 11 – Amostra de AISI P20 espelhada


Figura 12 – Amostra de AISI P20 texturizada por ataque fotoquímico.


Conclusão 

É concluído que o objetivo de se realizar uma solda de reparo sem deixar as marcas de solda (ZTA-zona termicamente afetada e o cordão de solda) foi alcançado, ou seja, foi possível realizar cordões de solda sem deixar as marcas de solda, que geralmente aparecem quando não se utiliza os procedimentos desenvolvidos. 

Esse resultado abre a possibilidade das ferramentarias ou empresas que injetam plásticos realizarem reparos de solda em cavidades ou peças das matrizes onde haverá ou não texturas e gravações na região soldada. A soldagem pode ser realizada, não importa a fase em que a matriz (macho ou fêmea) se encontram no processo de fabricação e não importa o tipo de aço a ser recuperado, mas para cada tipo de reparo e aço os procedimentos são totalmente diferentes. Por exemplo, em um aço com maior porcentagem de carbono, o pré-aquecimento e controle de resfriamento é maior ao aço AISI P20. O tipo e tempo do beneficiamento também mudam.


Co-autores 

Tec. Fabiano Rodrigues - [email protected]

Prof. Dr. Marcelino Pereira do Nascimento - [email protected]

Prof. Dr. Emerson Augusto Raymundo - [email protected]

Prof. Carlos Eduard Figueiredo dos Santos - [email protected]

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soldagemp20cavidadereparoAISI P20GTAW
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Nilson Aneas Ferraz

Possui graduação em Tecnologia Mecânica em Processos de Soldagem pela Faculdade de Tecnologia de Pindamonhangaba (2016) e mestrando em Engenharia de Materiais pela Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho".