Avaliação de peças metálicas construídas pelo processo de manufatura aditiva por arco elétrico

Abstract

O processo de fabricação Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), conhecido como Manufatura Aditiva por Arco Elétrico, tem evoluído e ganhado mais visibilidade nos últimos anos devido às respectivas pesquisas que aumentam o potencial de produção de peças simples e complexas de diferentes metais e dimensões. Apesar da maior poça de fusão, que produz calor excessivo e também desvios geométricos das peças metálicas manufaturada, o processo de soldagem Gas Metal Arc Welding (GMAW) é muito usado tanto para a fabricação de peças por união de seus componentes, quanto para a recuperação de peças via o revestimento metálico de suas superfícies. Além disso, o GMAW tem sido cada vez mais aplicado na WAAM pela simplicidade operacional dos seus equipamentos e também pelo menor custo de aquisição. As peças metálicas produzidas pelo processo de fabricação WAAM são inicialmente concebidas em 3D, usando software CAD (Computer Aided Design). Na sequência as peças são fatiadas em camadas horizontais e transmitidas ao programa de controle para a geração das trajetórias da tocha de solda. Posteriormente as peças são construídas por deposição de metal em camadas de solda robotizada ou com tochas adaptadas em máquinas CNC (Computer Numeric Control). Com o aumento das pesquisas aplicadas em WAAM, nota-se que uma etapa importante após o processo de fabricação, é o de garantir a qualidade da peça fabricada antes da sua utilização. Tendo isso em vista, este trabalho consistiu em avaliar a qualidade de peças produzidas por WAAM em célula robotizada de soldagem GMAW. Para isso, foi usado parâmetros de soldagem e de movimento de uma peça fabricada anteriormente. Foram produzidas peças em aço carbono com o arame de solda ER-70S6 de bitola 1,0 mm, medindo: 25 mm de altura, 65 mm de largura e 110 mm de comprimento. Na sequência, as peças foram cortadas e polidas para fins da análise estrutural das descontinuidades e das microestruturas geradas. Dessas peças, foram também extraídos corpos de prova por usinagem para ensaios de tração. As análises metalográficas mostraram inclusões de silicatos e diferença no tamanho dos grãos em diferentes partes da peça, o que pode interferir na qualidade da mesma. Os ensaios de tração realizados nos corpos de prova indicaram que as peças produzidas pelo processo WAAM apresentaram uma resistência à tração de (481,7 ±18,7) MPa, valor compatível com aços 1020. Com a avaliação das peças metálicas construídas pelo processo de WAAM, conclui-se que é possível fabricar peças com qualidade competitiva e com potencial para aplicações industriais, mesmo em uma célula de soldagem convencional. Apesar dos desafios estruturais encontrados, existe a possibilidade de tentar minimizar as inclusões e uniformizar o tamanho dos grãos com técnicas resfriamento.

The Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) process, also known as Additive Man- ufacturing by Electric Arc, has evolved and gained more visibility in recent years due to respective research that increases the potential for producing simple and complex parts made of different metals and dimensions. Despite the larger weld pool, which produces excessive heat and also geometric deviations in the manufactured metal parts, the Gas Metal Arc Welding (GMAW) process is widely used both for manufacturing parts by joining their components and for repairing parts by metal coating their surfaces. Furthermore, GMAW has been increasingly applied in WAAM due to the operational simplicity of its equipment and its lower acquisition cost. Metal parts produced by the WAAM manufacturing process are initially designed in 3D using CAD (Computer Aided Design) software. The parts are then sliced into horizontal layers and transferred to the control program for generating the welding torch trajectories. Subsequently, the parts are built by depositing metal in layers through robotic welding or with torches adapted to CNC (Computer Numeric Control) machines. With the increase in applied research in WAAM, it is noted that an important step after the manufacturing process is to ensure the quality of the fabricated part before its use. With this in mind, this work aimed to evaluate the quality of parts produced by WAAM in a GMAW robotic welding cell. For this purpose, welding and motion parameters of a previously manufactured part were used. Carbon steel parts were produced with ER-70S6 welding wire of 1.0 mm diameter, measuring 25 mm in height, 65 mm in width, and 110 mm in length. Subsequently, the parts were cut and polished for structural analysis of discontinuities and the generated microstructures. From these parts, specimens were also extracted by machining for ten- sile testing. Metallographic analysis showed silicate inclusions and differences in grain size in different parts of the piece, which may affect its quality. Tensile tests performed on the specimens indicated that the parts produced by the WAAM process exhibited a tensile strength of (481.7 ±18.7) MPa, a value compatible with 1020 steels. With the evaluation of metal parts built by the WAAM process, it is concluded that it is possible to manufacture parts with competitive quality and potential for industrial applications, even in a conventional welding cell. Despite the structural challenges encountered, there is the possibility of attempting to minimize inclusions and standardize grain size with cooling techniques.