CARACTERIZAÇÃO DA SOLDAGEM TIG COM GÁS DE PURGA DE TUBULAÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL AISI 304 COM E SEM DEPOSIÇÃO DE MATERIAL

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1 CARACTERIZAÇÃO DA SOLDAGEM TIG COM GÁS DE PURGA DE TUBULAÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL AISI 304 COM E SEM DEPOSIÇÃO DE MATERIAL E. J. Ramos 1,3, L. H. Guilherme 1,2,3 elielramos2003@yahoo.com.br 1 Centro Universitário de Araraquara (Uniara) 2 Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo (EESC/USP) 3 SOUDAP Engenharia RESUMO Há indústrias que possuem como requisito o uso de tubulações de alta pureza, que podem ser produzidos com tubos de aço inoxidável AISI 304. Entretanto, comumente observam-se problemas de corrosão, trincas e contaminação do produto devido à soldagem inadequada. O objetivo do presente estudo foi caracterizar a soldabilidade e as propriedades mecânicas e de corrosão de duas juntas soldadas pelo processo TIG com gás de purga: a primeira, com adição do metal de solda; a segunda, sem adição do metal de solda. A resistência à corrosão foi avaliada com o uso de uma microcélula eletroquímica. As propriedades mecânicas foram caracterizadas através de ensaios de tração. Realizou-se análise do modo de solidificação do metal de solda e microscopia ótica para caracterização microestrutural. Mecanicamente as duas juntas soldadas são equivalentes, destacando-se a maior resistência á corrosão da junta soldada autógena, que ainda possui a vantagem de ser mais econômica e produtiva. Palavras-chave: soldagem TIG, tubo AISI 304, corrosão, propriedades mecânicas. INTRODUÇÃO Aços inoxidáveis austeníticos possuem estrutura cúbica de face centrada (CFC), resultando em excelentes propriedades mecânicas, boa soldabilidade e resistência a corrosão (1)(2)(3)(4). 5751

2 Estas ligas são utilizadas em tubulações de alta pureza para aplicações nos segmentos de indústria de alimentos, cervejarias, cosméticos, químicas e petroquímicas, tendo em vista a obtenção de uma superfície interna do tubo isenta de oxidação, obtida quando soldado com procedimento adequado (5)(6)(7)(8). O processo de soldagem TIG é altamente aplicado na soldagem de tubulações de aços inoxidáveis. A soldagem TIG pode ser executada com ou sem a deposição de metal de adição. Para a soldagem de tubulação se faz necessário o uso de um gás de purga, de modo a proteger a poça de fusão na face interna do tubo e obter assim uma superfície adequada para aplicações que requerem controle de contaminantes (9)(10)(11)(12). Este estudo tem como objetivo avaliar a resistência à corrosão e propriedades mecânicas entre as situações de soldagem com a deposição de metal de solda e sem deposição de metal de solda (autógena). MATERIAIS E MÉTODOS O estudo foi realizado com o uso de tubo de aço inoxidável austenítico AISI 304 com 76,2 mm e espessura de 2,0 mm. As amostras foram soldadas pelo processo TIG em duas situações: 1) Soldagem com metal de adição; 2) Soldagem autógena. A Tab. 1 apresenta, segundo dados dos fabricantes, a composição química do metal de base e consumível de soldagem. Materiais Tabela 1. Composição química dos materiais Elementos (%) C Cr Ni Mo Mn Si P S Cu Ti Tubo AISI 304 0,049 18,12 8,00 0,085 1,14 0,41 0,031 0,002 0,1932 0,0035 Vareta AWS ER308L 0,013 19,65 9,14 0,150 1,45 0,59 0,029 0,005 0,350 0,000 Soldagem dos corpos de prova Os corpos de prova utilizados para os ensaios de tração, eletroquímicos de corrosão e microscopia ótica (MO) foram preparados de modo a formar uma junta de topo com chanfro reto e sem abertura de raiz conforme mostra a Fig. 1. Os parâmetros de soldagem são apresentados na Tab. 2. Em ambas as situações, as amostras foram soldadas na posição 6G (tubo com eixo inclinado a 45 ) e, utilizouse argônio 99,5% como gás de proteção na tocha e de purga, com uma vazão de 12 L/min e 5 L/min, respectivamente. 5752

3 Figura 1. Croqui dos corpos de prova A soldagem com metal de adição foi efetuada com consumível AWS SFA 5.9 ER 308L com 1,6 mm. Identificação Consumível soldagem Tabela 2. Parâmetros de soldagem Corrente de soldagem Tipo/Pol. Densidade (A) Tensão de soldagem (V) Velocidade média de soldagem (cm/min) CP 01 ER308L CC ,2 12,0 6,76 CP 02 ER308L CC ,5 14,0 6,70 CP 03 Autógena CC ,8 13,0 9,42 CP 04 Autógena CC ,5 12,8 9,49 Ensaio de tração As amostras para ensaio de tração foram cortadas no sentido transversal à solda e utilizou-se o código ASME IX QW-462.1(b) (13) como critério de preparação e execução dos ensaios. Os ensaios de tração foram realizados a temperatura ambiente e em duplicata para cada uma das condições de soldagem. Análise microestrutural A análise microestrutural foi realizada na face mostrada na Fig. 1. Foi realizado o embutimento das amostras e realizado o lixamento até granulometria 1200 mesh, e em seguida executou-se o polimento em alumina 0,25 µm. A revelação da microestrutura foi obtida com o ataque eletrolítico com solução 10% de ácido oxálico (H 2 C 2 O 4 2H 2 O) durante 60 segundos. A avaliação microestrutural foi realizada através de MO, observando-se a morfologia do metal de solda, linha de fusão e metal de base. Estudou-se o modo de solidificação do metal de solda e o teor de ferrita delta através do diagrama de Schaeffler e do diagrama WRC-92. Ensaios eletroquímicos de corrosão Realizaram-se ensaios eletroquímicos de corrosão com o uso de uma microcélula eletroquímica com 1,0 mm no microcapilar para contato com o eletrodo 5753

4 de trabalho e consequente delimitação da área de corrosão (14). A técnica utilizada foi à curva de polarização potenciodinâmica em uma solução de 3,5% NaCl a temperatura ambiente, em um sistema de três eletrodos: eletrodo de calomelano saturado como eletrodo de referência; arame de platina tratado termoquimicamente com 0,2 mm como contra-eletrodo e; eletrodo de trabalho representado pela amostra soldada. A varredura inicia-se em um potencial de -50 mv abaixo do potencial de circuito aberto (OCP), e utiliza-se uma taxa de varredura de 2 mv/s, sendo conduzido o ensaio até o potencial de 1200 mv. O microcapilar da microcélula foi posicionado de forma centralizada sob o metal de solda, como visto no corte transversal AA da Fig. 1. RESULTADOS E DISCUSÃO Propriedades mecânicas Os resultados dos ensaios de tração apresentados na Tab. 3 demonstraram que, de modo geral, não há diferenças significativas entre as propriedades mecânicas (relativo à resistência à tração e ductilidade) das duas condições de soldagem. Tabela 3. Propriedades mecânicas das amostras soldadas PROPRIEDADE Valor mínimo (ASTM A-249) Amostra 1 (com metal de adição) Amostra 2 (com metal de adição) Amostra 3 (autógena) Amostra 4 (autógena) Lim. Resistência (MPa) 485 (mín.) Lim. Escoamento (MPa) 170 (mín.) Alogamento (%) 35,0 (mín.) 44,0 44, Redução Área (%) - 37,0 43,0 45,0 37,0 Caracterização fratura - ZTA - Ductil ZTA - Ductil ZTA - Ductil ZTA - Ductil Apesar da junta soldada com metal de adição possuir melhores resultados para tensão limite de resistência à tração ( LRT ), a diferença não é expressiva. Observase ainda que os resultados são praticamente iguais para as propriedades de tensão de escoamento ( 0,2% ), alongamento percentual (AL%) e redução de área (RA%). Ainda, segundo o código ASME IX, ambas as juntas estão aprovadas quanto aos critérios de propriedades mecânicas para qualificação de procedimento de soldagem. 5754

5 Análise microestrutural A Tab. 4 mostra o valor de cromo e níquel equivalente para cada uma das condições de soldagem, assim como resultados do modo de solidificação do metal de solda (relação Cr eq /Ni eq, modo de solidificação e teor de ferrita delta) obtidos pela análise do diagrama de Schaeffler e WRC-92. Tabela 4. Cromo e Níquel equivalente das juntas soldadas Descrição Cr eq Ni eq Relação Modo de Teor de Cr eq /Ni eq solidificação ferrita delta Junta soldada com metal de adição 20,21 10,20 1,98 FA 18 Junta soldada autógena 18,82 10,04 1,87 FA 11 Caracterizou-se o modo de solidificação do metal de solda, para ambas as condições de soldagem, com ferrita- como fase primaria na forma de dendritas e matriz austenítica, conforme esquematizado pela Eq. (A). Líq. Líq. Líq. (A) A junta soldada com metal de adição apresentou uma relação Cr eq /Ni eq com elevado teor de ferrita delta (FN igual a 18), com morfologia de ferrita acicular e de contorno de grão, conforme apresentado na Fig. 2.a. A junta soldada autógena apresentou um valor inferior para ferrita delta (FN igual a 11), com morfologia de ferrita em espinha em toda extensão do metal de solda, conforme mostra a Fig. 2.b. Figura 2. Fotomicrografias da junta soldada visto em a) junta soldada com metal de solda com solidificação de ferrita- como fase primária na forma acicular e de contorno de grão; e em b) junta soldada autógena com solidificação de ferrita- como fase primária na forma de espinha. 5755

6 Ensaio de corrosão Os parâmetros eletroquímicos de corrosão demonstraram desempenho semelhante para ambas as juntas, porém, com uma sutil tendência de melhores resultados para a junta autógena. A Tab. 5 mostra os parâmetros eletroquímicos de corrosão, onde a junta autógena obteve um potencial de corrosão (E corr ) e potencial de pite (E pit ) mais nobre que a junta com metal de solda. Entretanto, observou-se que a faixa de potencial onde o material tem comportamento passivo ( E) é aproximado para ambas as juntas, indicando a capacidade de passivação por semelhante extensão de potencial. Parâmetros eletroquímico Tabela 5. Parâmetros eletroquímicos de corrosão Junta soldada com metal de adição Junta soldada autógena E corr (mv) E pit (mv) E (mv) Destaca-se ainda que a curva de polarização da junta com metal de adição consolidou-se em uma faixa de corrente superior (na escala de mma) ao da curva da junta autógena, indicando maiores taxas de corrosão. A Fig. 3 apresenta as curvas de polarização. Figura 3. Curvas de polarização potenciodinâmica. 5756

7 Apesar da soldagem com metal de adição contribuir com elementos de liga que estabilizam a microestrutura da zona fundida (tal como molibdênio), comparativamente, esta junta possui um maior teor de ferrita delta no metal de solda que pode contribuir para a precipitação de fases intermetálicas que causam a redução da resistência à corrosão, tais como fase sigma e carbonetos de cromo. Adicionalmente, segundo os parâmetros de soldagem, tem-se um maior aporte térmico para a junta soldada com metal de adição, fator que também contribui para a formação de precipitados e consequentemente fragilização da camada passiva. CONCLUSÕES As principais conclusões referentes ao presente estudo são: As propriedades mecânicas são semelhantes (e aprovadas segundo critério do código ASME IX) entre as amostras soldadas com e sem metal de adição para uma espessura de 2,0 mm; A soldagem autógena possui melhores parâmetros eletroquímicos de corrosão, indicando maior resistência; O modo de solidificação do metal de solda da junta autógena apresentou-se mais adequada para meios corrosivos, tendo em vista o menor teor de ferrita delta e consequentemente precipitados intermetalicos formados a partir da mesma; A soldagem autógena é mais econômica, pois além de ser mais rápida sua execução, não há o custo com consumível de soldagem. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a empresa SOUDAP ENGENHARIA e ao Departamento de Engenharia de Materiais da USP-São Carlos (SMM/EESC/USP). REFERÊNCIAS 1) GUILHERME, L. H. Estudo da corrosão em junta tubo-espelho soldada por SATG entre as ligas AISI 316L e AISI , 181p. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. 2) PADILHA, A. F.; GUEDES, L. C. Aços inoxidáveis auteníticos: microestrutura e propriedades. Curitiba: Hemus, ) SEDRIKS, A. J. Corrosion of stainless steel. 2 nd ed. New York: John Wiley, ) TELLES, P. C. S. Vasos de pressão. 2 nd ed. Rio de Janeiro: LTC,

8 5) ROBERGE, P. R. Handbook of corrosion engineering. New York: McGraw-Hill, ) MARSHAL, P. Austenitic stainless steels: microstructure and mechanical properties. England: Elsevier, ) TELLES, P. C. S. Tubulações industriais: materiais, projeto e desenho. 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, ) FONTANA, M. G. Corrosion engineering. 3 th ed. New York: McGraw-Hill, ) FOLKHARD, E. Welding metallurgy of stainless steel. New York: Springer-Verlag, ) DIXON, R. Fundamentals of solid-state welding - introduction to solid-state welding. Metals Park: ASM Metals Handbook, v. 11) EAGAR, T. W. Fundamentals of welding - energy sources used for fusion welding. Metals park: ASM Metals Handbook, v. 12) WAINER, E.; BRANDI, S. D.; MELLO, F.D.H. Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Bluncher, ) THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME Seção IX: boiler and pressure vessel code - welding and brazing qualifications - international code. New York, 2010a. 14) UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO (USP), SÃO CARLOS-SP, Luis Henrique Guilherme et. al. Microcélula eletroquímica para ensaios de corrosão e sistema de medição de corrosão em microrregiões. INPI n. BR Maio CHARACTERIZATION OF TIG WELDING WITH BACKING GAS PIPE STAINLESS STEEL AISI 304 WITH AND WITHOUT DEPOSITION OF MATERIAL ABSTRACT High purity is a requirement for pipeline of many industries, and it can be produced by tubes AISI 304. Although, the inadequate welding cause several problems in the pipeline, as corrosion, cracks, and contamination of the product. The aim of this study was to evaluate the weldability, mechanical properts and corrosion resistance of two welded joints by TIG process with backing gas: first, with weld metal; second, without weld metal. The electrochemical microcell was used to evaluate the corrosion resistance. The mechanical properties were characterized by tensile tests. The mode of weld metal solidification and the optical microscopy were made to microstructural characterization. Mechanically the two welded joints are equivalent, highlighting the higher corrosion resistance of autogenous welded joint, which also has the advantage of being more economical and productive. Key-words: TIG welding, tube AISI 304, corrosion, mechanical properties. 5758