Caracterização de soldas dissimilares depositadas pelo processo MIG com uma superliga de níquel

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1 Caracterização de soldas dissimilares depositadas pelo processo MIG com uma superliga de níquel Mota, C. A. M. (1); Nascimento, A. S.(1); Silva, D. A. S.(1); Sodré, R. M. R. (1); Medeiros, F. P.(1); Gil, M. R. (1); Sábio, A. D. (2); Silva Filho, C. B. A (2) RESUMO As soldas dissimilares foram depositadas pelo processo MIG automatizado em juntas ½ V compostas de um aço F22 e um aço carbono ASTM 1020 utilizando arame eletrodo de uma super liga de níquel, Inconel 625 e proteção gasosa composta por 75%Ar+25%He. Um tratamento estatístico selecionou os parâmetros da primeira etapa de soldagem em passe isolado de simples deposição a serem aplicados no amanteigamento e no enchimento do chanfro. Os corpos de provas soldados foram submetidos às análises metalúrgicas básica e ao perfil de microdureza nas regiões de interesse da seção transversal. Os resultados indicaram variações não significativas na morfologia microestrutural da seção transversal e de microdureza e ausência de defeitos metalúrgicos. Palavras-chave: Dissimilares, Níquel, Inconel 625, Amanteigamento, MIG INTRODUÇÃO Em operações de instalação ou manutenção realizada na indústria petroquímica é comum a utilização de válvulas e conexões fabricadas em aço inoxidável soldadas em tubulações de aço carbono. Tal condição, conhecida como soldagem dissimilar, pode torna-se crítica, considerando que os efeitos do ciclo térmico do processo de soldagem associado à diferentes condições químicas físicas e metalúrgicas dos materiais envolvidos, podem resultar em estruturas metalúrgicas que favorecem o desenvolvimento de defeitos de soldagem tais como, as trincas de solidificação, trincas por hidrogênio difusível (Sindo Kou, 1987) ou ainda perda localizada de propriedades mecânicas. Neste contexto, é fundamental o desenvolvimento e avaliação de técnicas de soldagem que possibilitem melhor controle da macro e microestrutura resultante em soldagem realizadas nestas condições, sobretudo em regiões críticas, como as zona de ligação e zona termicamente afetada. Diversos trabalhos nesta linha tem sido publicados ((Aguiar, 2001), (Miranda, 2002) e (Oliveira, 2013)). 5502

2 O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a eficácia da técnica conhecida como amanteigamento, a qual consiste em aplicar camada de solda intermediária entre os metais de base e posterior metal de solda, procurando-se suavizar as acentuadas diferenças químicas físicas e metalúrgicas entre estas regiões, além de verificar as condições nas quais a deposição multipasses tem potencial para promover refino de grãos. Em seguida, foram executadas as deposições em camadas de uma liga de níquel sob o aço ASTM A182 F22 de tal forma que essas camadas venham revenir a zona afetada pelo calor (ZAC) da camada anterior. Neste contexto, a deposição em camadas é uma técnica conhecida como amanteigamento. MATERIAIS E METODOS O desenvolvimento deste trabalho foi planejado em duas fases experimentais. Na primeira fase as soldagens foram realizadas em simples deposição sobre chapas de aço ASTM 1020 com dimensões de 120 mm x 12 mm x 80 mm. O objetivo desta fase foi obter os pacotes operacionais e as condições de soldagem adequadas para a realização da soldagem de amanteigamento. Os parâmetros avaliados foram os parâmetros geométricos e microestruturais do cordão de solda, conforme critérios dos métodos Higuchi e Higuchi modificado (HIGUCHI,1980). As soldagens executadas neste procedimento experimental foram executadas através do processo de soldagem MIG, utilizando proteção gasosa de argônio com 25% de hélio. Como metal de adição foi utilizada a liga de níquel Inconel 625. A manipulação da tocha foi realizada através de um sistema semiautomático. O Quadro 01 mostra a matriz operacional da primeira fase experimental com as 23 (vinte e três) condições de soldagem testadas. Quadro 01 Parâmetros de soldagem para simples deposição. Condição Vel. Soldagem Vel. Alimentação DBCP Tensão T T T T T T T T T T T

3 T T T T T T T T T T21* T22* T23* DBCP=Distância bico de contato peça. * Com tecimento triangular. As amostras dos corpos de prova soldados foram seccionadas transversais ao cordão de solda em A, B e C para análise geométrica e metalográfica na região da solda de cada um dos cordões, conforme a Figura 01. Figura 01 Passes em simples deposição sobre chapas de aço ASTM Em detalhes na Figura 02, pedem ser vistas as regiões analisadas da seção transversal dos passes isolados. LINHA DE FUSÃO Figura 02 Seção transversal de um passe em simples deposição sobre chapas de aço ASTM Com base nos critérios de Higuchi e Higuchi modificado e nos resultados das análises dos passes isolados, montou-se o diagrama de decisão (elaborados conforme (MIRANDA, 2009)) o qual possibilitou a escolha das melhores combinações entre as condições mostradas no Quadro 01, de tal forma que, 5504

4 garanta o efeito de revenimento de uma camada sobre a ZAC da primeira camada. As Equações que estabelecem os critérios de aceitação são: PZM2-PZD1>0 (A) R1+P1-PZD2>0 PZACGF2-PZACGG1>0 (B) (C) ZF1-PZACGG2>0 (D) Sendo, PZM Profundidade da zona mole da segunda camada; PZD Profundidade da zona dura de primeira camada; R Reforço; P Penetração; PZACGF2 - Profundidade da zona afetada pelo calor de grão finos da segunda camada; PZACGG1 - Profundidade de grãos grosseiros na zona afetada pelo calor da primeira camada; ZF Zona fundida da primeira camada; PZACGG2 - Profundidade da zona afetada pelo calor de grão grosseiros da segunda camada. A sobreposição de camadas é representada na Figura 03. Figura 03. Sobreposição de camada (Aguiar, 2001) Neste trabalho, foram elaborados 23 (vinte e três) diagramas de decisão, sendo escolhidas às condições T01 e T09 para a primeira camada do amanteigamento. Das quais estas obedecem aos critérios de aceitação 5505

5 estabelecidos pelas Eq. A-D dentro do diagrama de decisão, como mostrado no exemplo na Figura 04, ou seja, valores acima de zero. Figura 04- Diagrama de decisão Na segunda etapa, foi realizado o procedimento de amanteigamento com as mesmas condições utilizadas nos passes em simples deposição, porém, neste caso, utilizando como metal de base o aço ASTM A182 F22 de composição química mostrada no quadro 02 e dimensões conforme a Figura 05. Para uma comparação posterior com a junta soldada, as duas amostras, somente amanteigadas, foram usinadas e seccionadas em suas extremidades, conforme a Figura 05. Quadro 02. Composição química do aço ASTM A182 F22 C P Mn S Si Ni Cr Ti Mo V Al Nb 0,178 0,019 0,422 0,0079 0,30 0,15 2,21 0,01 1,01 0,01 0,03 0,01 Figura 05 Amanteigamento sobre chapas de aço ASTM A182 F22. Conforme mostra a Figura 06, A e B, respectivamente, para o amanteigamento foram empregadas às condições T01 para as três camadas 5506

6 (AT01/T01/T01) assim como, a condição T09 para a primeira camada combinada com a condição T01 nas duas últimas camadas (AT09/T01/T01) sobre a chapa de aço ASTM F22 (A-B) com sobreposição de 50% e temperatura máxima de 340 C, entre passes. Figura 06. Camadas de amanteigamento em (A) e (B) com duas combinações aprovados pelo diagrama de decisão. Na sequência, a Figura 07 apresenta a junta de topo disposta com um membro amanteigado e o outro membro de aço ASTM 1020 chanfrado a 45. A Figura 06 destaca, ainda, a sequência de passes na ordem. A deposição foi executada pelo processo MIG, na posição plana, sentido empurrando, velocidades de soldagem de 40 cm/min e alimentação de arame de 12 m/min. Camadas de amanteigamento Figura 07. Junta de topo soldada Ao final do processo, cada uma das extremidades das juntas com a combinação de condições (JT01/T01/T01 e JT09/T01/T01) soldadas foi cortada em aproximadamente 10 mm nas seções transversais como demonstra a Figura 08, para os ensaios de microdurezas e análise microestrutura, na região da ZAC do membro amanteigado, as amostras foram lixadas até 2000 mesh, polidas com alumina e atacadas com nital 2%. Os ensaios de microdureza foram realizados com 20 endentações, sendo as cinco primeiras espaçadas em 0,1mm e o restante com passo de 0,2mm. 5507

7 Figura 08 Vista superior da junta soldada. RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste item apresentam-se os resultados referentes ao estudo da caracterização de soldas dissimilares depositadas pelo processo MIG com uma superliga de níquel com base na metodologia descrita. Influência do amanteigamento na zona afetada pelo calor Neste sentido, constatou-se que as camadas de amanteigamento tiveram efeito de revenimento nos grãos localizados na extensão da ZAC a qual apresentou uma média de microdureza semelhante ao do metal de base (200HV), conforme pode ser visto na Figura 09 A e Figura 09 B. ZAC Metal de solda ZAC 100X M et al de so ld 100X (A) ZAC próxima à linha de fusão do amanteigamento. Combinações AT01/T01/T01 (E) ZAC próxima à linha de fusão do amanteigamento. Combinações AT09/T01/T01 Figura 09 Microestrutura do amanteigamento Influência do enchimento na condição multipasses na zona afetada pelo calor Entretanto, ao comparar a microestrutura antes e depois de sofrer o procedimento da união das juntas JT01/T01/T01 e JT09/T01/T01, verificou-se que para ambos os amanteigamentos nas condições T01/T01/T01 e T09/T01/T01/ a morfologia dos grãos não sofreram significativas alterações, ou seja, a camada de 5508

8 amanteigamento funcionou como uma barreira térmica a região da ZAC, conforme as Figuras 09 A e Figura 09 B. Metal de solda ZAC 100X A) ZAC próxima a linha de fusão da junta soldada com a condição T01/T01/T01 ( Metal de solda B) ZAC próxima a linha de fusão da junta soldada com a Condição T09/T01/T01 Figura 10 Microestrutura da ZAC da junta soldada Os valores de microdureza entre o amanteigamento e da junta soldada tiveram uma variação máxima de 10%. Conforme mostram os Gráficos 02 e 03. ZAC 100X ( Gráfico 02 Comparativo entre os perfis de microdureza das ZACs do amanteigamento (AT01/T01/T01) e da junta (JT01/T01/T01). 5509

9 Gráfico 03 - Perfis de microdureza entre as ZACs do amanteigamento (AT09/T01/T01) e da junta (JT09/T01/T01). CONCLUSÕES Como já era esperado, o procedimento de amanteigamento em três camadas funcionou como mecanismo de refino de grãos na região da ZAC. Após o enchimento das juntas não houve mudanças significativas na morfologia dos grãos na região da ZAC. Houve uma variação máxima de cerca de 10% entre às microdureza da ZAC de antes e depois o procedimento do enchimento da junta. A pesar deste aumento, ainda sim estes valores ainda estão quase no mesmo patamar do metal de base diminuindo a probabilidade do aparecimento de tricas nessa região crítica. AGRADECIMENTOS Grupo de Estudos em Tecnologia de Soldagem (GETSOLDA) REFERENCIAS AGUIAR, W. M. Soldagem de aço ABNT 4140 sem tratamento térmico posterior f. (Mestrado). Engenharia Metalúrgica e de materiais, Universidade Federal do Ceará CE. Fortaleza, MIRANDA, H. C. Aplicação da dupla camada na soldagem de aços ASTM A516 Gr. 70. Universidade federal do Ceará. Fortaleza, 2009 p 128 p. OLIVEIRA, G. L. G. Soldagem dissimilar dos aços AISI 8630m e ASTM A182 F22 para aplicações subaquáticas. Universidade federal do Ceará. Fortaleza, p. Kou Sindo. Welding Metallurgy. 1ed. New York: John Wiley & Sons, HIGUCHI, Makamoto, SAKAMOTO, Hiroshi, TANIOKA, Sinici. A Study on Weld Repair Through Half Bead Method. IHI Engenering Review. V.13, april/