Efeitos do impacto estrutural sobre conjuntos em aço de alta resistência e baixa liga soldados por MIG/MAG com eletrodos de diferença significativa em ductilidade

Abstract

O comportamento das juntas soldadas sob condições extremas de carregamento, como impacto estrutural, tem despertado crescente interesse, uma vez que os Códigos e normas geralmente se baseiam apenas em resultados de testes quase estáticos. Este estudo investigou os efeitos do impacto estrutural sobre conjuntos de aços Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) ASTM A572 Gr50, soldados por MIG/MAG (ou GMAW) com eletrodos de significativa diferença em ductilidade, i. e., AWS ERNi-1 (alta ductilidade) e AWS ER70S-6 (propriedades mecânicas similares às dos metais base). Inicialmente, foram propostos dois modelos de conjuntos soldados: um projetado com um considerável braço de alavanca para suportar carregamentos com alto momento fletor e outro projetado para resistir a cargas predominantemente de cisalhamento, com momento praticamente desprezível. No primeiro modelo, os conjuntos foram submetidos a cargas de impacto estrutural “fora do plano”, aplicadas transversalmente aos cordões de solda. Os resultados mostraram que as juntas soldadas com AWS ERNi-1 exigiram aproximadamente 213% mais energia de impacto para atingir o limiar de fratura em comparação com as juntas soldadas com AWS ER70S-6 (CS-A). Testes de microdureza Vickers indicaram um aumento de dureza de 93% no metal de solda e de 42% na região de crescimento de grãos da zona afetada pelo calor (RCHZAC) após o impacto. No segundo modelo de conjunto, submetido a carregamento de impacto estrutural e quase estático, “fora do plano” e em cisalhamento, quando comparados os dois tipos de eletrodo (níquel e aço), os conjuntos soldados com AWS ERNi-1 (CS-Ni) suportaram 22,7% a mais de energia no carregamento longitudinal e 46,8% a mais no transversal, além de exigirem 23,1% a mais de energia para fratura completa sob cisalhamento longitudinal e 38,5% a mais sob carregamento transversal. Quando comparados os valores de resistência obtidos nos ensaios quase estáticos com os cálculos analíticos de impacto estrutural, nos CS-Ni, a força quase estática foi aproximadamente 6,7 vezes maior sob carregamento longitudinal e 5,8 vezes maior sob carregamento transversal em comparação com a força teórica de impacto estrutural. Para o CS-A, a força quase estática foi 10,2 vezes maior sob carregamento longitudinal e 9,9 vezes maior sob carregamento transversal. Por fim, em um terceiro modelo de conjunto soldado, buscou-se determinar a temperatura de transição dúctil-frágil em ensaios de impacto estrutural em diferentes temperaturas. Após os impactos, as microestruturas apresentaram padrões semelhantes em todas as condições, com ferrita e ferrita com MAC (martensita-austenita-carbetos) no metal de solda, e martensita com bainita na RCHZAC Nos testes quase estáticos, em contrapartida, as juntas soldadas com AWS ERNi-1 apresentaram cargas máximas inferiores às das soldadas com AWS ER70S-6. Além disso, observou-se um aumento na microdureza com a redução da temperatura nessas regiões, indicando um possível enrijecimento devido à formação de fases mais duras ou precipitação de carbonetos. A análise por MEV revelou características típicas de fratura dúctil a -30 ºC, com cavidades equiaxiais e fratura por sobrecarga decorrente de cisalhamento e tração. Já a -50 ºC, foram observados lábios de cisalhamento (“shear lips“) e a coalescência de microvazios (“microvoid coalescence”), indicando a ocorrência de deformação plástica antes da fratura. Não foi possível determinar a temperatura de transição dúctil-frágil, possivelmente devido às condições do ensaio ou a fatores como a taxa de deformação e a presença de inclusões. Os resultados do estudo apontam que, apesar do custo mais elevado do consumível, o eletrodo de níquel AWS ERNi-1 se mostra uma opção válida para a soldagem dos aços ARBL ASTM A572 Gr50 em condições que exijam alta resistência ao impacto

The behavior of welded joints under extreme loading conditions, such as structural impact, has garnered increasing interest, as most Codes and standards are typically based only on results from quasi-static tests. This study investigated the effects of structural impact on High Strength Low Alloy (HSLA) steel, ASTM A572 Gr50, assemblies, using electrodes AWS ERNi-1 (high ductility) and AWS ER70S-6 (mechanical properties similar to the base metals). Initially, two models of welded assemblies were proposed: one designed with a considerable lever arm to withstand loads with a high bending moment and another designed to resist predominantly shear loads, with a practically negligible moment. In the first model, the assemblies were subjected to “out-of-plane” structural impact loads transverse to the weld beads. The results showed that the joints welded with AWS ERNi-1 required approximately 213% more impact energy to reach the fracture threshold compared to joints welded with AWS ER70S-6 (W-St). Vickers microhardness tests indicated that the weld metal hardness increased by 93%, and the coarse grained heat-affected zone (CGHAZ) hardness increased by 42% after impact. In the second weldment model, subjected to structural impact and quasi-static loading, “out-of-plane” and in pure shear, when comparing the two types of electrodes (nickel and steel), the joints welded with AWS ERNi-1 (W-Ni) absorbed 22.7% more energy under longitudinal loading and 46.8% more under transverse loading, as well as requiring 23.1% more energy for complete fracture under longitudinal shear and 38.5% more under transverse loading. In contrast, in the quasi static tests, the joints welded with AWS ERNi-1 showed lower maximum loads than those with AWS ER70S-6 When comparing the strength values obtained in quasi-static tests with the analytical calculations of structural impact, the quasi-static force in W-Ni was approximately 6.7 times higher under longitudinal loading and 5.8 times higher under transverse loading compared to the theoretical structural impact force. For WSt, the quasi-static force was 10.2 times higher under longitudinal loading and 9.9 times higher under transverse loading. Finally, in a third weldment model, the aim was to determine the ductile-to-brittle transition temperature in structural impact tests at different temperatures. After the impacts, the microstructures showed similar patterns under all conditions, with ferrite and ferrite with MAC (martensite austenite-carbides) in the weld metal and martensite with bainite in the CGHAZ. Additionally, an increase in microhardness was observed with the reduction of temperature in these regions, indicating a possible hardening due to the formation of harder phases or carbide precipitation. The SEM analysis revealed typical characteristics of ductile fracture at -30 ºC, with equiaxed dimples and shear/tensile fracture. At -50 ºC, shear lips and microvoid coalescence were observed, indicating plastic deformation prior to fracture. The ductile-to-brittle transition temperature could not be determined, possibly due to the test conditions or factors such as strain rate and the presence of inclusions. The study results indicate that, despite the higher cost of the consumable, the AWS ERNi-1 nickel electrode proves to be a valid option for welding ASTM A572 Gr50 HSLA steels in conditions requiring high impact resistance