Caracterização mecânica e microestrutural do aço AISI 4140 soldado pelos processos laser e plasma

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Data

2021-08-06

Autores

Gregio, Cesar Augusto da Silva

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

O setor automotivo e, principalmente, o aeroespacial são exemplos de áreas onde o aço AISI 4140 tem larga aplicação. Na indústria aeroespacial o aço AISI 4140 é muito utilizado para confecção de componentes estruturais para aeronaves e envelopes motores de veículos de sondagem. O IAE/DCTA utiliza o aço AISI 4140 na fabricação de virolas de motores de veículos de sondagem. Atualmente, o processo de união destas virolas é feito por soldagem a plasma. Devido às vantagens do processo de soldagem a laser, como rapidez, facilidade de automação, redução nas zonas fundidas e afetadas pelo calor, pretende-se, neste trabalho, comparar os dois processos de soldagem e estudar a viabilidade de se utilizar o processo a laser nas chapas de aço AISI 4140. Foram inicialmente realizadas as soldas (plasma e laser), a partir dos parâmetros de processo encontrados na literatura e foram escolhidos os melhores parâmetros para o aço AISI 4140 com a espessura de 3,5 mm. Foram também aplicados tratamentos térmicos específicos (têmpera e revenimento, apenas revenimento e têmpera intercrítica) pós solda para avaliar se estes poderiam melhorar as propriedades mecânicas. Após esta fase, foi feita uma caracterização microestrutural da zona fundida e da zona afetada pelo calor. Para completar o ciclo e permitir uma compreensão mais aprofundada dos processos, foram realizadas medidas de dureza em cada região da solda e realizados testes de tração para avaliar as propriedades mecânicas. Análises e correlações entre microestrutura e propriedades mecânicas foram realizadas para qualificar os processos de soldagem utilizados. Após os processos de soldagem, tratamentos térmicos e ensaios mecânicos, observou-se um aumento satisfatório nas propriedades mecânicas dos materiais utilizados e boa eficiência das juntas soldadas em praticamente todos os casos estudados, com destaque para a condição temperada e revenida que duplicou os valores de resistência, sem perda da ductilidade. Tecnicamente, o processo de soldagem a laser mostrou-se mais adequado em relação às propriedades mecânicas encontradas, porém estudos de viabilidade econômica devem ser conduzidos paralelamente a fim de apontar o processo de soldagem mais adequado.
The automotive sector and, especially, aerospace are examples of areas where AISI 4140 steel has wide application. In the aerospace industry, AISI 4140 steel is widely used for making structural components for aircraft and motor cases for research vehicles. The IAE/DCTA uses AISI 4140 steel in the manufacture of research vehicle motor cases. Currently, the process of joining these motor cases is done by plasma welding. Due to the advantages of the laser welding process, such as speed, ease of automation, reduction in molten and heat-affected zones, this work intends to compare the two welding processes and study the feasibility of using the laser process on AISI 4140 steel plates. Welds were initially carried out (plasma and laser), based on the process parameters found in the literature, and the best parameters were chosen for AISI 4140 steel with a thickness of 3.5 mm. Specific heat treatments were also applied (hardening and tempering, only tempering and intercritical hardening) after welding to assess whether these could improve the mechanical properties. After this phase, a microstructural characterization of the molten zone and the heat-affected zone was carried out. To complete the cycle and allow a deeper understanding of the processes, hardness measurements were taken in each region of the weld and tensile tests were carried out to assess the mechanical properties. Analyzes and correlations between microstructure and mechanical properties were performed to qualify the welding processes used. After the welding processes, heat treatments and mechanical tests, there was a satisfactory increase in the mechanical properties of the materials used and good efficiency of the welded joints in practically all cases studied, with emphasis on the hardened and tempered condition, which doubled the values of strength, without loss of ductility. Technically, the laser welding process proved to be more adequate in relation to the mechanical properties found, but economic feasibility studies must be carried out in parallel in order to point out the most adequate welding process.

Descrição

Palavras-chave

Aço de alta resistência, Soldagem, Metais – tratamento térmico, Chapas de aço, Solda a laser, Solda a plasma, Aço AISI 4140, Propriedades mecânicas, Caracterização microestrutural, Laser welding, Plasma welding, Mechanical properties, Microstructural characterization

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