ESTUDO DE PARÂMETROS DE PROCESSO PARA DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DO VASO DE PRESSÃO PARA VEÍCULO LANÇADOR DE SATÉLITES

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1 ESTUDO DE PARÂMETROS DE PROCESSO PARA DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DO VASO DE PRESSÃO PARA VEÍCULO LANÇADOR DE SATÉLITES Autor: Julio Rodolfo Teixeira Local de trabalho: Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) Endereço: Rua Carlos Roberto Friggi, 94 CEP: Residencial Flamboyant São José dos Campos SP juliojrt1971@gmail.com Coautores: Profa. Dra. Aline Capella de Oliveira - UNIFESP SJC - alinecapella@gmail.com Dr. Deivid Ferreira da Silva DCTA/IAE SJC - deividferreira@yahoo.com.br RESUMO O objetivo deste trabalho é desenvolver o vaso de pressão, do sistema de separação de estágios do Veículo Lançador de Satélite. Foi empregado o Método de Elementos Finitos e experimentos de soldagem a plasma em aço AISI 304. Resultados estruturais, considerando fator de segurança 1,5 e pressão 75 bar, indicam deformação de 0,026 mm. Observou-se tensão cincunferencial 107 MPa que não supera os limites de escoamento e resistência mecânica do metal base, 215 MPa e 505 MPa. Cordões de solda com larguras da face e raiz de 7,4±0,6 e 4,1±0,2 mm, respectivamente. Ensaios de dureza Vickers (HV) não indicam variação significativa, com média 191±1 HV. Ensaios de pressão com 75 bar foram feitos e não houveram vazamentos, no ensaio de ruptura o vaso rompeu em média com 430 bar (43 MPa). O desenvolvimento é viável a partir do controle de parâmetros de processo e de soldagem plasma. Palavras-chave: Vaso de pressão, soldagem, ensaios. INTRODUÇÃO A atividade espacial contribui de maneira significativa para o desenvolvimento do Brasil em tecnologia e conhecimento científico, por meio do desenvolvimento e construção de veículos lançadores. Dessa maneira possibilita o comércio de serviços 6859

2 de lançamento de veículos espaciais estratégicos para o Programa Espacial no País devido ao avanço tecnológico conquistado com as pesquisas e estudos necessários ( 1 ). O Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) pertencente ao Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA) desenvolve o Veículo Lançador de Satélites (VLS), assim como outros veículos e o VLS utiliza sistema de separação de estágios de voo em seu segundo estágio onde o vaso de pressão, que é objeto deste trabalho, é utilizado para armazenar fluido gasoso pressurizado sendo um componente importante neste sistema. A fabricação deste vaso de pressão no IAE com aço inoxidável austenítico tipo 304, através de usinagem e soldagem pelo processo a Plasma chamado PAW (Plasma Arc Welding) utilizando a técnica keyhole, possibilita o domínio da fabricação deste componente, visto que o IAE possui a tecnologia necessária para tal e minimiza o problema da dificuldade de aquisição junto a outros fabricantes. Os processos TIG (Tungsten Inert Gas) e PAW atendem a norma AWS D17.1:2010 Specification for Fusion Welding for Aerospace Applications ( 2 ), onde os padrões dos cordões de solda para vaso de pressão aeroespacial são especificados. A escolha do processo Plasma se dá pelas vantagens em relação ao TIG, tais como: soldagem em único passe, menor zona termicamente afetada (ZTA), deformações pequenas na peça soldada e maiores velocidades de soldagem ( 3 ; 4 ). MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Chapas de aço inoxidável AISI 304 com 500 x 150 x 3 mm foram empregadas como metal base no processo de soldagem. A Tabela 1 apresenta a composição química do material, fornecida pela empresa INOX VALE. Tabela 1 Composição química (% em peso) do material fornecido. Tipo C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Ti 304 0,045 0,41 1,21 0,0363 0, ,12 8,0 0,077 0,1359 0,0035 O arame de adição, apresenta especificação AWS ER 308L e diâmetro de 0,8 mm. Outros consumíveis de soldagem foram considerados: gás argônio analítico 5.0 com grau de pureza 99,999%, para o jato de plasma e gás de proteção, gás argônio industrial com grau de pureza 99,995%, para purga na raiz do cordão de solda, bocal 6860

3 constritor com orifício de diâmetro 3,2 mm e eletrodo de tungstênio com 2% de tório, diâmetro de 4 mm e ângulo de 30º na extremidade ( 6 ). Análise por Método de Elementos Finitos Para análise estrutural do vaso de pressão, objeto deste estudo, foi empregado o Método de Elementos Finitos (MEF) ou Finite Element Method (FEM), utilizando o software ANSYS Workbench com as condições: máxima pressão de operação esperada (MEOP)= 50 bar, fator de segurança em escoamento (FoSy)= 1,5, aço inoxidável austenítico AISI 304, tensão de escoamento (σy)= 215 MPa, limite de resistência mecânica=505 MPa, malha de elementos finitos composta por elementos hexaédricos de 20 nós (Hex20). O sólido foi modelado no software SpaceClaim. Soldagem das chapas Inicialmente, foram realizadas soldas a plasma em chapas de aço inoxidável 304, considerando geometria bead-on-plate na direção perpendicular ao sentido de laminação do material. Foram variados os parâmetros: corrente, velocidade de soldagem, vazão de gás plasmático, vazão de gás de proteção e velocidade de alimentação do metal de adição. A partir daí, foram empregados os parâmetros de processo para a realização de juntas topo, com chanfro reto (Figura 1). Os parâmetros de soldagem estão apresentados na Tabela 2. Figura 1 Chapas de aço inoxidável com bordas retas para soldagem a plasma, junta topo. Tabela 2 Parâmetros otimizados de soldagem. 6861

4 Parâmetros Aporte 1 Aporte 2 Aporte 3 Velocidade de soldagem (mm/min) Alimentação de arame (m/min) 0,6 0,8 0,7 Vazão do gás de plasma (l/min) 2,7 2,5 3,6 Vazão do gás de proteção (l/min) Vazão do gás purga (l/min) Corrente (A) Tensão (V) APORTE TÉRMICO (kj/cm) 5,7 6,3 7,9 A soldagem a plasma foi realizada no IAE, utilizando sistema automatizado de soldagem. A Figura 2 mostra as amostras de aço inoxidável 304, fixadas com garras de acionamento pneumático, sendo soldadas pela técnica keyhole. Ensaios não destrutivos Figura 2 Soldagem das juntas. O controle de qualidade dos cordões foi realizado com inspeção visual, e, após: inspeções por liquido penetrante, para detectar descontinuidades abertas na superfície da junta, e por raios X, para detectar descontinuidades internas do material, visando atender a norma AWS D17.1 ( 2 ). Análise da superfície de fratura após ensaios de tração Para cada aporte térmico foram confeccionados três corpos de prova soldados conforme a norma ASTM E8/E8M ( 5 ) e três confeccionados com metal base sem soldagem para fins de comparação dos resultados. Após os ensaios de tração foram feitas imagens da superfície fraturada. 6862

5 Caracterização microestrutural e levantamento dimensional Após processo de soldagem, foi realizada a preparação metalográfica das amostras no Laboratório de Metalografia da Divisão de Materiais (AMR) do IAE. As superfícies polidas das amostras foram atacadas quimicamente em solução eletrolítica com 4 V, durante 1 minuto, com reagente oxálico 10% (90 ml de H2O e 10g de ácido oxálico). As dimensões dos cordões de solda foram medidas utilizando software de tratamento de imagens IMAGEJ, considerando: largura da face, reforço da face, reforço da raiz e largura da raiz, de acordo com o exemplificado na Figura 3. Figura 3 Descrição das dimensões do cordão de solda obtidas por microscopia óptica. Ensaio de microdureza Os ensaios de microdureza Vickers (HV) foram realizados nas amostras dos cordões soldados com carga aplicada de 1,961 N (200 gf) durante 12,5 segundos e espaçamento entre as indentações de 0,5 mm no sentido longitudinal do CDP. RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise estrutural por elementos finitos do vaso de pressão Para análise estrutural do vaso de pressão, considerou-se o carregamento aplicado em toda superfície interna do componente, onde foi inserido o valor de Máxima Pressão de Projeto (MDP)= Máxima pressão de operação esperada (MEOP) x Fator de segurança em escoamento (FoSY), portanto MDP=50x1,5= 75 bar e a partir da daí, é possível observar que a deformação máxima ocorre na região do cordão e na ZTA, com o domo oposto ao bocal, sendo a deformação inferior a 0,026 mm, como 6863

6 pode ser observado na Figura 4 assim como as deformações nas demais regiões do vaso de pressão. Figura 4 Deformações em mm. Como mostrado na literatura ( 7 ), as tensões circunferenciais são predominantes na avaliação da resistência do vaso de pressão, em especial na região cilíndrica, como pode ser visto na Figura 5, alcançando valores da ordem de 107 MPa. Figura 5 Tensões normais no sentido circunferencial. Foi realizada avaliação da distribuição do FoSY de 1,5 aplicado sobre a MEOP e resultando em uma MDP de 75 bar, onde espera-se que o menor valor para o fator de segurança seja 1 conforme equação: FFFFFFFF = σσ yy σσ aaaaaaaaaaaaaaaaaa (A) onde: 6864

7 σy = tensão de escoamento, σ allowable = tensão permissível, FoSY = Fator de segurança em escoamento. De acordo com a equação A, se a tensão permissível for igual à tensão de escoamento temos então o menor fator de segurança. Dessa forma, a Margem de Segurança em Escoamento (MoSY) é calculada conforme equação: MMMMMMMM = σσ yy σσ aaaaaaaaaaaaaaaaaa 1 (B) Ou seja, se a razão entre as tensões for igual a 1 temos a MoSY=0, mas, considerando o fator de segurança de 1,5 espera-se que a menor MoSY seja 0,5 (50%). Os resultados indicam que, mesmo que o vaso de pressão seja pressurizado com fator de segurança de 1,5, valores de tensão obtidos (da ordem de 107 MPa) não superam a tensão de escoamento e o limite de resistência mecânica do metal base indicados na literatura, 215 MPa e 505 MPa, respectivamente ( 8 ). Morfologia e análises não destrutivas dos cordões de solda Para análise da qualidade do cordão de solda, foi considerado a norma AWS D17.1 ( 2 ), os resultados mostram cordões de solda livres de defeitos macroscópicos. A Figura 6 (a-c) mostra as seções transversais dos cordões obtidos com aportes 1, 2 e 3 (Tabela 2) com profundidade de penetração total, característico da técnica keyhole. (a) (b) (c) Figura 6 Seção transversal de cordões obtidos com aportes térmicos (a) 1, (b) 2 e (c) 3. A Tabela 3 apresenta as dimensões geométricas dos cordões de solda, os valores médios obtidos das larguras da face e raiz do cordão são 7,4±0,6 mm e 4,1±0,2 mm. Tabela 3 Dimensões dos cordões de solda conforme aporte térmico aplicado. 6865

8 Dimensões (mm) Aporte 1 Aporte 2 Aporte 3 Largura da face 8 6,8 7,4 Reforço da face 0,8 0,7 0,7 Largura da raiz 3,9 4,1 4,2 Reforço da raiz 0,7 0,6 0,7 Análise da superfície de fratura após ensaios de tração Os resultados de resistência mecânica se mostraram sem alterações significativas em relação aos valores do metal base (MB), sendo valores médios: MB=696 MPa, Aporte 1=707 MPa, Aporte 2=706 MPa e Aporte 3= 696 MPa. As imagens da Figura 7 sugerem fratura dúctil devido à formação alveolar (dimples). Figura 7 Superfície de fratura do CDP. Dureza medida nas amostras soldadas Foram realizadas medições em pontos da zona fundida, zona termicamente afetada e o metal base com espaçamento entre as indentações de 0,5 mm nos sentidos transversal e longitudinal do CDP como pode ser visto na Figura 8. Indentações transversais Indentações longitudinais Figura 8 Indentações no sentido transversal e longitudinal na junta soldada com o aporte 2. A Figura 9 (a-b) apresenta os valores de dureza obtidos com os aportes 1, 2 e

9 (a) (b) Figura 9 Valores de dureza das juntas soldadas com os aportes 1, 2 e 3 As médias de dureza e desvio padrão de cada condição estudada são mostrados na Tabela 4 e ficaram próximos dos valores encontrados na literatura ( 8 ) e nas regiões afetadas não houveram variações significativas. Tabela 4 Média dos resultados obtidos nos ensaios de dureza dos cordões de solda. Junta soldada Dureza média (HV) Desvio padrão Aporte 1 191,14 10,90 Aporte 2 192,32 11,10 Aporte 3 191,99 9,73 Média geral 191,82 10,58 Soldagem e ensaios dos vasos de pressão Os vasos devem suportar a pressão de ruptura e pressão de sobrecarga determinadas em seu projeto, ambas sem deformação danosa e através de ensaios ( 9 ). Os protótipos do vaso de pressão foram soldados e os ensaios de pressão foram realizados com Máxima Pressão de Projeto (MDP)= Máxima pressão de operação esperada (MEOP) x Fator de segurança, portanto MDP = 50x1,5= 75 bar e não houveram vazamentos e nem deformações permanentes no vaso de pressão. Em seguida foram realizados ensaios hidrostáticos até a ruptura do vaso de pressão. A Figura 10 mostra um vaso de pressão rompido no sentido longitudinal como esperado. 6867

10 Figura 10 Vaso de pressão rompido após ensaio. À partir da equação C e com limite de resistência mecânica média do metal base, foi calculado a pressão de ruptura esperada, sendo: onde: PPPP = σσ.tt rr Pr = pressão de ruptura, σ = limite de resistência à tração, r = raio interno do tubo, t = espessura da parede. Portanto, com tensão máxima de tração = 505 MPa, espessura = 3 mm e raio interno do tubo = 41,4mm, temos 366 bar (36,6 MPa) como pressão de ruptura calculada. No ensaio realizado no vaso de pressão, a ruptura ocorreu em torno de 430 bar (43 MPa) superando os valores calculados. A Figura 11 apresenta o gráfico de ensaio de ruptura. (C) Figura 11 Gráfico do ensaio de ruptura. CONCLUSÕES Conclusões parciais do desenvolvimento do projeto indicam a viabilidade de desenvolvimento do vaso de pressão, com emprego do processo de soldagem a plasma em aço inoxidável AISI 304, a partir do controle dos parâmetros de processo. Considerando as etapas desenvolvimento, até a presente data, conclui-se que: 6868

11 A análise do vaso de pressão pelo Método de Elementos Finitos se mostra eficiente e fundamental para desenvolvimento do componente em questão. Os resultados indicam que, mesmo que o vaso de pressão seja pressurizado com fator de segurança de 1,5, valores de tensão obtidos (da ordem de 107 MPa) não superam a tensão de escoamento e o limite de resistência mecânica do metal base indicados na literatura, 215 MPa e 505 MPa, respectivamente. O controle dos parâmetros no processo de soldagem a plasma permite a obtenção de cordões de solda de qualidade, onde não são observados defeitos aparentes ao longo das seções longitudinais e transversais da região de interação entre fonte de energia e material base. Os ensaios de pressão foram realizados com Máxima Pressão de Projeto (MDP)= Máxima pressão de operação esperada (MEOP) x Fator de segurança, portanto MDP = 50x1,5= 75 bar e não houve vazamentos no sistema. Os ensaios hidrostáticos de ruptura mostraram valor de ruptura acima do valor calculado comprovando uma maior resistência do vaso de pressão. REFERÊNCIAS (1) AEB. Veículos Lançadores. Disponível em: Acesso em: 22/02/2017. (2) AWS. AMERICAN WELDING SOCIETY. AWS D17.1/D17.1M:2010: Specification for Fusion Welding for Aerospace Applications. USA, (3) WEMAN, K. Welding processes handbook. Cambridge, England, (4) REIS, R. P.; SCOTTI, A. Fundamentos e prática da soldagem a plasma. São Paulo: Artliber, 2007 (5) ASTM, AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8/E8M- 13: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Matertials. USA, (6) MARQUETI, P. R. Estudo de juntas de aço maraging 300, soldadas por plasma, submetidas a dois ciclos de tratamentos térmicos distintos após a soldagem, para aplicação em veículos espaciais. Dissertação (Mestrado em 6869

12 Ciência de Materiais), Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Federal de São Paulo, (7) HIBBELER, R. C. Resistência dos materiais, 5ª edição. Prentice Hall, São Paulo, (8) MATWEB. Material Property Data. Disponível em: search/ DataSheet.aspx?MatGUID=abc4415b0f8b490387e3c da&ckck=1. Acesso em: 07/02/2018. (9) ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT 14623:2006. Sistemas espaciais - Projeto estrutural Vasos de pressão e estruturas pressurizadas Projeto e operação. Brasil, TITLE: STUDY OF PROCESS PARAMETERS FOR THE DEVELOPMENT OF A PROTOTYPE OF THE PRESSURE VESSEL FOR SATELLITE LAUNCHER VEHICLE Abstract This work aim is to develop the pressure vessel of Satellites Launcher Vehicle separation system. Finite element method theoretical studies were considered, as well plasma welding parameters on the AISI 304. Structural results considering safety factor of 1,5 and pressure of 75 bar, indicate a small deformation, around 0,026 mm. It was observed stresses in the order of 107 Mpa that doesn`t exceed the limits of yield strength and mechanical resistance of the base metal, 215 MPa e 505 MPa. Weld beads with face and root width measuring 7,4±0,6 mm and 4,1±0,2 mm, respectively. Vickers hardness tests doesn`t indicate significant variation, with a mean of 191±0,1 HV. Pressure tests with 75 bar were made and there were no leaks, in the rupture test the vessel ruptured on average with 430 bar. The development is feasible from the control of process parameters and welding plasma. Keywords: Pressure vessel, welding, testing 6870