SOLDAGEM DE TUBOS FABRICADOS A BASE DE Cr Mo V PELO PROCESSO GTAW

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1 SOLDAGEM DE TUBOS FABRICADOS A BASE DE Cr Mo V PELO PROCESSO GTAW R. B., Faria 1 ; A. L. C., Silva 1, J.V.C. Souza 2 ; O. M. M. Silva 3 ; E. A. Raymundo 1 2 FEG-UNESP Av. Ariberto P. da Cunha, 333, Guaratinguetá SP, CEP , Brasil 1 FATEC - Pindamonhangaba, Brasil; 3 DCTA/IAE/AMR S. J. Campos - SP, Brasil candido@feg.unesp.br RESUMO A tecnologia da soldagem tende a acompanhar a crescente modernização industrial buscando atender as novas exigências de mercado. Neste segmento se destacam as ligas à base de Cr Mo V que apresentam alta resistência, e pertencem a um grupo de aços de alta qualidade, mas apresenta soldabilidade limitada, com poucas informações na literatura. O objetivo deste trabalho foi realização da soldagem da liga de Cr Mo V pelo processo TIG e avaliar a influência do préaquecimento, temperatura de interpasse, tratamento térmico pós-soldagem (PWHT), nas microestruturas das juntas soldada zona termicamente afetada (ZTA) zona de fusão (ZF) e metal base (MB). A soldagem foi realizada com o uso de eletrodos com Ø=2,5mm, na corrente de 175 A, velocidade média de 12cm/min., temperatura de interpasse de 200 ⁰C, em tubos com chanfro em V com ângulo de 30º e abertura de raiz de 3 mm. Os resultados obtidos mostraram que os parâmetros de soldagem promoveram importantes variações microestruturais na ZF, ZTA e MB, comprovando a ação benéfica do controle de interpasses e do tratamento térmico pós-soldagem para recuperação e recristalização das microestruturas, reduzindo possíveis defeitos, se comparados com as juntas soldadas sem tratamento térmico. Palavra chave: Soldagem de tubos; Liga de Cr Mo V; Processo GTAW; Tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) e Microestruturas. 5622

2 INTRODUÇÃO A necessidade de melhoria dos processos de soldas, em conjunto com os recentes avanços em desenvolvimento de novos materiais e consumíveis, somado a automação dos equipamentos e as novas técnicas, têm promovido melhorias continua em juntas soldadas de materiais que altas propriedades. Mesmo com tais avanços, a soldagem das Ligas á base de Cr Mo V, ainda apresentam dificuldades de se obter uma junta soldada coesa, que possa reproduzir as propriedades do material base, demonstrando valores de propriedades continua. Os processos de soldagem são considerados como, o processo mais importante de união de dois ou mais materiais. Entretanto a seleção do processo ideal pode promover ganhos importantes nas juntas soldadas. O processo de soldagem a arco de tungstênio gás (TIG) é um dos processos mais importante na fabricação de juntas soldadas de alta reponsabilidade, isto devido ao maior aporte de calor, resultando em um controle de entrada de calor melhor [1]. A soldagem dos aços Cr Mo V tem um papel muito importante nas aplicações das indústrias de energia e petróleo. A soldagem desta liga normalmente é acompanhada de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT), com resultados importante obtidos por vários autores [2, 3]. A soldagem dessas ligas normalmente introduz tensões residuais indesejáveis em estruturas, podendo levar à ruptura frágil, fragilização por hidrogênio e grande mudanças na microestruturas. Afim de reduzir esses danos soldagem das ligas a base de Cr Mo V são acompanhadas de tratamento térmico pós-soldagem [3,4]. É reconhecido nas literaturas que os processos de soldagem promovem grande mudanças microestruturais, com significativas transformações de fase, o que promove propriedades desejadas [5-7]. No presente trabalho, o objetivo é a soldagem da liga de Cr Mo V pelo processo TIG e avaliar a influência do pré-aquecimento, temperatura de interpasse, tratamento térmico, nas microestruturas das juntas soldada (ZF, ZTA e MB). 5623

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O material utilizado no presente estudo foi duas chapas (comprimento de 250mm. x largura de 150mm. e espessura da parede de 18mm.), pertencente a classe do aço liga ASTM A213 T22 (Cr-Mo-V). Foram soldada pelo processo TIG utilizando eletrodo AWS ER 90S-G com diâmetro de 3.25mm., realizando vários passos para o enchimento da junta chanfrada em V com ângulo de 30º, nariz de 1mm., e abertura de raiz de 3 mm., e ponteadas para evitar movimento das mesmas durante a soldagem. As chapas e os eletrodos nus foram caracterizados em função da composição química utilizando fluorescência de raios- X, realizado no DCTA, podem ser observadas na Tabela 1. A soldagem foi realizada usando réplicas em uma maquina de solda da marca Lincoln Invertec, e a temperatura controlada com o uso de um pirômetro de radiação infravermelho sem contato. No corpo de prova CP01, a soldagem foi realizada usando pré-aquecimento à 180ºC, corrente de 175A, tensão de 15V, velocidade média de soldagem de 12cm/min., em um total de 16 passes subsequentes, mantendo-se a temperatura de interpasse à 200ºC, para todos os passes. Para o acabamento foi realizado três (03) passes com altura de reforço de 1,5mm. e 28 mm. de largura. Após a soldagem foi realizado o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) em um forno a 350ºC, por 4 horas de patamar, sendo o resfriamento controlado pelo envolvimento dos CDPs em uma manta de kevlar. No corpo de prova CP02, a soldagem foi realizada sem o uso do préaquecimento (temperatura ambiente de 25ºC), corrente de 175A, tensão de 15V, velocidade média de soldagem de 12 cm/min., realizando 18 passes subsequentes, sem o controle da temperatura de interpasse. O acabamento foi realizado utilizando três (03) passes de 2mm. e 30mm. de largura. Após a soldagem os corpos de prova foram expostos ao ar livre para resfriamento. Para realizações das caracterizações, as amostras foram retiradas na direção perpendicular ao sentido da solda, sendo cortados com uso cortadeira de laboratório denominada cutoff. Em seguida, as amostras foram embutidas e submetidas às etapas de lixamento, com as lixas 180, 220, 320, 400, 600, 1200, e polimento, em panos com pasta de diamante de 6μm, 3μm, 1μm e 0,25μm. Posteriormente as amostras foram atacados utilizando ataque químico denominado villela (00 ml etanol + 1g ácido pícrico + 5 ml ácido clorídrico) por 15 segundos para exame 5624

4 metalográfico, com o uso de um microscópico esteroscópico para identificação das regiões de ZF, ZTA e MB. Após identificação das regiões foi utilizado microscópico óptico Olympus BX51M 1000X e microscópio eletrônico de varredura (MEV) para análise das microestruturas. Os ensaios de dureza Rockwell A foram realizados utilizando uma pré-carga de 10 Kgf com penetrador de diamante, e carga real aplicada de 60 Kgf por 30 segundos com 3 medidas de dureza para cada região. Tabela 1. Mostra a composição química do eletrodo e do metal base. Composição química do aço ASTM A213 T22 (%) C Si Mn Cr Ni Mo Cu V Fe 0,1346 0,3192 0,485 2,352 0,314 0,994 0,123 0,303 Balance Composição química do metal de adição AWS ER 90S-G (%) C Mn Si Cr Ni Mo V 0,12 0,50 0,20 2,40 0,40 0,

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos neste trabalho mostram importantes variações microestruturais relacionados ao uso do controle das temperaturas de interpasses, pré-tratamento e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT), comparado aos CDPs que não sofreram controle da temperatura de interpasses e PWHT, mostrando variações de estruturas ferritas, bainita e martensita em regiões distintas, com subsequentes valores de durezas. Microestrutura do metal base Na Figura 1, podemos observar a microestrutura do metal base, após ataque químico Vilella. Pode ser observado uma microestruturas com a presença de uma microestrutura composta de misturas de ferrita com perlíta ou bainita, podendo ter até 25% de bainita em função do teor de cromo e molibidênio (2,35Cr- 0,99Mo). Esse resultado vem de encontro com os dados relatados por Chaudhuri, (2006), com o uso de microscopia óptica [8]. Fig. 1. Micrografia da amostra do metal base atacada com Vilella. Microestruturas do topo da solda, ZF e ZTA As Figuras 2a) e 2b), mostram as diferenças entre as microestruturas do material que sofreu tratamento térmico pós-soldagem (CP01), quando comparado com o que não sofreu tratamento térmico (CP02). Entretanto para uma melhor definição, um reconhecimento prévio do aspecto microestrutural do metal base se torna importante para evidência das diferenças, conforme Figura

6 Fig.2: a) Microestrutura do topo da solda do CP01; b) Microestrutura do topo da solda do CP02. Fig.2: c) Microestrutura do centro da ZF, CP01; d) Microestrutura do centro da ZF, CP02. Fig.2: e) Microestrutura da ZTA do CP01; f) Microestrutura da ZTA do CP02. Analisando as microestruturas obtidas por microscopias óptica, podemos observar que as amostras retiradas da parte superior da solda (topo da solda) apresentam características distintas em função do t tratamento térmico pós- 5627

7 soldagem (PWHT), conforme Figs. 2a) e 2b). Na Fig.2a) pode ser observado que a matriz constitui-se de martensita temperada, bainitas e uma parte de austenita retida (parte mais clara). Isso ocorreu devido ao resfriamento ter sido realizado com apoio de uma manta, que não promoveu uma total transformação de austenita em martensita. Na Fig.2b) pode ser visto martensitas temperada em forma de ripas, bainitas e pequenas quantidades de austenita retida devido a alta velocidade de resfriamento superficial podendo a intersecção de bainites e martensitas levar a uma descontínua microestrutura, em função da morfologia de bainitas temperada ser diferente, isto é, bainitas sujeitas a altas temperaturas apresentam um tipo ripa alongada. Para ambas figuras podemos observar alguns pontos escuros que podem ser carbonetos precipitados que também ocorre em função da alta velocidade de resfriamento superficial. Nas amostras que foram retiradas do centro da poça de fusao (ZF) pode ser observado a presença da estrutura bainita, quando do uso de pré-tratamento, controle de interpasses e pós-tratamento (Fig.2c), com formas mais homogeneas, definidas, ou seja mais finas em função do controle efetivo da ação da temperatura na junta soldada. Nesta Figura os contornos de grãos estão bem definidos, podendo, a região de contornos apresentar quantidade considerável aglomerados de carbonetos de cromo, como tambem no interior dos grãos ferríticos, conforme observado por YANG, (1993) [9]. Na Fig.2d) é possivel observar grãos grasseiros devido ao não controle efetivo de interpasses e a não realização de tratamento térmico pós-soldagem. Assim é possivel observar evidências no contorno de grão da austenita prévia, e também maior tamanho grão austenítico devido o resfriamento apresentar característica de normalização por estar no centro da poça de fusão (ZF). Nas Figs 2e) e 2f) são mostradas as microestruturas da ZTA, que apresenta granulação grosseira para ambas amostras, sendo no caso da soldagem subtida ao controle de temperaturas essa condição é suavizada. Portanto Fig. 2e), temos a formação de apenas carbonetos primários, matriz ferrítica e pequenas quantidades de bainita, enquanto que na Fig.2f) observa-se na micrografia a presença de carbonetos primários e secundários, representados pelos pontos brancos, mostrando que comparativamente houve um aumento na quantidade de carbonetos em função do resfriamento brusco. 5628

8 Microscopia eletrônica de varredura Neste item serão apresentadas as imagens obtidas pelo microscópio eletrônico de varredura (MEV), das amostras CP01 e CP02, na região da ZF, a qual apresentou maior crescimento de grãos e precipitados no contorno de grãos e na matriz ferritica, conforme observado nas Figs. 2c) e 2d). Com o uso do MEV foi possível acrescentar informações relevantes á análise das microestruturas, elucidando possíveis falhas de análise. Fig. 3: a) Microestrutura do centro da ZF, CP01; b) Microestrutura do centro da ZF CP02 Fig.4: a) Microestrutura do centro da ZF apresentando descontinuidade. 5629

9 Fig. 4: b) Mostra espectrometria de energia dispersiva de raios-x - EDS Analisando as microestruturas das Figuras 3a) e 3b), elas comprovam as informações observadas nas Figs. 2c) e 2d), onde podemos observar a presença de possíveis carbonetos de cromo no interior dos grãos ferríticos, conforme observado por YANG, (1993). Utilizando o MEV foi observado à presença de uma descontinuidade no centro da poça de fusão (ZF), que havia sido preliminarmente sugerida como uma trinca quando do uso do microscópio óptico. Em análise realizada por MEV, as descontinuidades foram identificados como regiões de formações de agregados de Mn em maior quantidades, seguidos por Cr, Fe e V, em uma geometria aproximada de uma inclusão e outra na forma de uma espada, ambas com características brilhante conforme Figura 4a) e composição 4b). A presença dessa irregularidade pode ter sido causada pela presença da alta temperatura durante a soldagem, seguida de um rápido resfriamento, não possuindo tempo suficiente para coalescência de uma nova estrutura. Esse fato é característica da amostra que não sofreu tratamento térmico pós-soldagem, devido a não ação da temperatura para dissolução dessa irregularidade. Análise de dureza da junta soldada do CP01 E CP02 Na Tabela 1 é mostrado o perfil de dureza Rockwell realizados nas regiões da ZF, ZTA e MB. O uso de controle de temperaturas de interpasses durante a soldagem, acompanhados de tratamentos térmicos pós-soldagem tende a produzir mudanças microestruturais que influênciam nos valores de durezas, podendo em alguns casos até mesmo fragilizar o material. As propriedades mecânicas das juntas 5630

10 soldadas são dependentes da composição química e das microestruturas obtidas na junta soldadas, conforme Tabela 1. Amostras MB (HR) ZTA (HR) ZF (HR) CP01 54 ± 0,12 62 ± 0,16 69 ± 0,18 CP02 58 ± 0,22 75 ± 0,25 65 ± 0,22 Na Tabela 1, podemos observar que os valores de dureza dos CPs estão relacionados com a evidência das diferentes microestruturais, em função dos diferentes valores de durezas obtidos nas regiões da MB para ZTA e ZF. Analisando os valores obtidos na Tabela 1, das juntas soldadas, verifica-se que, após o tratamento térmico pós-soldagem, a 350ºC/ 4 h com resfriamento em manta de kevlar, ocorre uma redução nos valores de dureza na ZF, tanto na ZTA quanto no metal de base. De maneira geral os resultados de dureza estão relacionados com o movimento da temperatura na microestrutura, sendo os valores menores obtidos quando do uso do pré-aquecimento, controle de interpasses e tratamento térmico pós-soldagem, resultados que são confirmados comparados ao CP02. Fato conclusivo é que o pré aquecimento, controle de interpasses e tratamento térmico pós- soldagem e seu controle promovem importantes efeitos nos resultados de dureza das juntas soldadas. 5631

11 CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho, mostra uma importante contribuição na soldagem de ligas à base de Cr Mo V. Pode ser observado que o controle de prétratamento, interpasses e tratamento térmico pós-soldagem apresentam importantes mudanças nas microestruturas da MB, ZTA e ZF, refletindo no valores de propriedades mecânicas. Os valores de durezas obtidos são menores quando do uso de temperaturas para controle do processo de soldagem, se comparado às condições de soldagem sem a realização do controle de temperaturas. também foi observado na na Figura 4a) e confirmado na Figura 4b) que o não uso do controle de temperaturas na soldagem dessas ligas podem promover irregularidades na microestruturas com segregação de vários elementos químicos, promovendo variações no valor de propriedades mecânicas. 5632

12 REFERÊNCIAS 1. C.S. Caten, Método de otimização de produtos e processos medidos por múltiplas características de qualidade, Master Degree Thesis, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS, Brazil, Shome M. Mater Sci Eng A 2007; : [3] Lan LY, Qiu CL, Zhao DW, Gao XH, Du LX. Mater Sci Eng A 2011;529: Lan LY, Qiu CL, Zhao DW, Gao XH, Du LX. Mater Sci Eng A 2011;529: S. Joshi et al., Thin-Walled Structures 48 (2) (2010) S. Joshi et al., Structural Health Monitoring 10 (2) (2011) A.S. Aloraier et al., International Journal of Energy and Technology 2 (16) (2010) A.S. Aloraier, S. Joshi, Materials Science and Engineering: A 534 (2012) Chaudhuri, S., Some aspects of metallurgical assessment of boiler tubes- Basic principles and case studies, Materials Science and Engineering A, v. 432, pp , September YANG, R., et al. Microestructural examination of 2.25Cr1Mo steel pipes after extended service. Materials Characterization. v. 30, p ,

13 WELDING OF Cr Mo V STEEL TUBES BY TUNGSTEN INERT GAS WELDING PROCESS (TIG) CLASSICAL R. B., Faria 1 ; A. L. C., Silva 1, J.V.C. Souza 2 ; O. M. M. Silva 3 ; E. A. Raymundo 1 2 FEG-UNESP Av. Ariberto P. da Cunha, 333, Guaratinguetá SP, CEP , Brasil 1 FATEC - Pindamonhangaba, Brasil; 3 DCTA/IAE/AMR S. J. Campos - SP, Brasil candido@feg.unesp.br ABSTRACT The welding technology tends to follow at industrial modernization seeking to new ways for market economy. In this segment, the Cr-Mo-V base alloys has been presenting high strength due to be steels group of high quality, but present to difficult weld with very little information in literature. In this work was to perform welding Cr- Mo-V steel carried out by Tungsten Inert Gas welding process (TIG) to investigate the influence of pre-heating, inter-pass temperature control, post-weld heat treatments (PWHT). The microstructure, phase constituents and hardness in heataffected zone (HAZ), fusion zone (ZF) and base metal (BM) was analyzed. The welding process was performed with filler of Ø = 2.5mm., current of 175 A, average weld speed of 12 cm/min., inter-pass temperature control of 200⁰C with V-groove angle of 30⁰. The results indicate that austenite and ferrite phases were obtain in the weld metal. The austenite and delta ferrite structures were observe in the fusion zone. These results showed that the welding parameters control presented microstructure heterogeneities in HAZ, ZF and BM. The use of post-weld heat treatments (PWHT) present beneficial action to recovery and recrystallization microstructure to leading at partial martensite fragmentation which reducing possible defects, when compared to welded process without PWHT. Keyword: Tubes welding; Cr-Mo-V steel; GTAW process; Post-weld heat treatment (PWHT) and Microstructure changes. 5634