AVALIAÇÃO DO GRAU DE SENSITIZAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS PELOS PROCESSOS GTAW E FCAW EM AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICO AISI 304 E AISI 304 L

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DO GRAU DE SENSITIZAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS PELOS PROCESSOS GTAW E FCAW EM AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICO AISI 304 E AISI 304 L Francisco Sartori João Henrique Bagetti fsartori@hotmail.com.br Universidade do Oeste de Santa Catarina, Campus de Joaçaba - SC RESUMO O presente trabalho irá tratar da avaliação dos processos de soldagem, GTAW e FCAW, na soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 304 e 304L, tendo como objetivo, verificar a ocorrência da sensitização (formação de carbonetos de cromo) na microestrutura soldada, em função do ciclo térmico destes processos de soldagem. Para tanto, foram confeccionados corpos de prova, com juntas de topo, com chanfro tipo V. Foram realizados ensaios de END, bem como, ensaio de tração, além de análises metalográficas. Os resultados com relação à resistência da junta apresentaram-se conforme o esperado e de acordo com a literatura existente do assunto, onde a região de fratura aconteceu na região da solda para aços AISI 304, e no material de base para amostras de AISI 304L. Com relação aos valores de resistência máxima, observou-se que todas as amostras obtiveram resultados abaixo do mínimo esperado com relação ao material de base (720 MPa para AISI 304 e 690 MPa para AISI 304L), o que leva a considerar a presença da fragilização, porém com relação ao metal de adição (ER 308L) a resistência máxima obteve valores aproximados (645 MPa). Quanto aos resultados da análise metalográfica, confrontando as imagens da microestrutura obtida, com a de referência, da norma ASTM A262, pôde-se observar, que em ambos os aços houve a formação de microestrutura dual, ou seja, apresentam a formação de sensitizado em parte do contorno de grão, sendo mais presente no AISI 304. Palavras-chave: GTAW, FCAW, sensitização, aço inoxidável austenítico. INTRODUÇÃO Como um dos principais processos para fabricação de máquinas, equipamentos e peças de reposição, há a soldagem GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), por ser um processo de soldagem de baixo aporte térmico, torna-se ideal na união de chapas e perfis em aços inoxidáveis, porém com baixa produtividade 5296

2 para processos convencionais. Já a soldagem FCAW (Flux Cored Arc Welding), é um processo de soldagem, onde a produtividade é maior, porém com elevado grau de aporte térmico. No entanto, nos dois processos, caso seja realizado de forma inadequada, a fragilização pode ocorrer em função da precipitação de carbonetos de cromo nos contornos de grãos da austenita (sensitização) no momento da operação da solda e no seu resfriamento, em função dos ciclos térmicos do processo, deixando o material suscetível a oxidações e possíveis fraturas (1, 2). Desta forma, o processo de soldagem, deve apresentar um rigoroso controle das variáveis envolvidas, como por exemplo, a energia de soldagem, a velocidade de soldagem, a proteção gasosa, a seleção correta do metal de adição, dentre outros. Esse controle é fundamental para garantir a qualidade do produto final. Diante disso, este trabalho propõe um estudo na área de processos de soldagem GTAW e FCAW, o qual contempla pesquisa bibliográfica e ensaios, além de análises dos resultados, mostrando no que a sensitização influencia na resistência mecânica em juntas soldadas em aço inoxidável austenítico AISI 304 e AISI 304 L. Para realização e avaliação de procedimentos foram seguidos normas técnicas como a ASME IX (3), ASTM A 262 (4). MATERIAIS E MÉTODOS Para verificação da ocorrência de sensitização, bem como, o comportamento dos aços inoxidáveis soldados com relação à resistência mecânica, foram realizados ensaios de tração e análise de metalografia, onde foi preciso alguns procedimentos antecedentes para preparação de corpos de prova. O material utilizado foi o aço inoxidável austenítico AISI 304 e AISI 304 L, onde foram fabricados doze corpos de prova (CP s) em junta de topo. Esse procedimento foi seguido de acordo com a norma ASME IX. A soldagem do aço AISI 304 e AISI 304 L, foi realizada na empresa parceira em Joaçaba, por um soldador com qualificação 3G, utilizando o processo de soldagem GTAW para o material de espessura 7,9 mm e processo FCAW para o material de 12,7 mm, seguindo alguns cuidados essenciais de parâmetros de soldagem. 5297

3 Seguindo o procedimento, foram realizados os cortes dos corpos de prova para ensaio de tração, seguindo a norma ASME IX, e preparação de corpos de prova para análise de micrografia de acordo com a ASTM A 262. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nos ensaios de tração realizados em laboratório de ensaios da UNOESC em Joaçaba, avaliou-se a tensão máxima que é o parâmetro mais importante nesse ensaio para juntas soldadas e a localização do rompimento da amostra. A partir de cada corpo de prova soldado, foram retiradas duas amostras para ensaio. Com relação ao rompimento das amostras no ensaio de tração, houve variação na localização do rompimento. No aço AISI 304, todas as amostras romperam na região da solda, conforme ilustrado na Fig. 1. Com relação ao aço AISI 304 L com baixo carbono (0,03% máx.), material com menor incidência a formação de carboneto de cromo, as amostras romperam no metal de base, fora da ZTA, ficando a região da solda apenas com sinais de deformação plástica, Fig. 1. Figura 1: Amostras rompidas no ensaio de tração aço AISI 304 e AISI 304 L Com relação aos resultados de resistência à tração, conforme Tab.1, foi constatado, que todos os CP s não obtiveram resultados mínimos esperados para o material, que é 720 MPa (AISI 304) e 690 MPa (AISI 304 L) (5), que são valores para materiais sem sofrer alterações por conta da temperatura, ou seja, materiais que não passaram por processos de fabricação, vindos diretos de usinas siderúrgicas. Pode-se constatar, que quando soldados, os aços AISI 304 e também o AISI 304 L, ao receber a influência de ciclos térmicos, acabam gerando a fragilização, por conta da formação de carbonetos de cromo (sensitização), diminuindo a resistência mecânica. Porém, a maioria dessas fraturas aconteceu na 5298

4 solda, onde foi utilizado metal de adição ER 308 L, onde o limite de resistência, de acordo com o catálogo ESAB é de 645 MPa. Vários desses valores acabaram atingindo valores próximos a esse, o que implica também na avaliação do resultado. Tabela 1: Valores médios obtidos de tensão máxima em Ensaio de Tração Nº do Corpo de Prova Processo de Soldagem Material Tensão Máxima (MPa) Valor médio entre os CP s Tensão Máxima (MPa) Mínima esperada do aço analisado CP 01 GTAW AISI ,5 720 CP 02 GTAW AISI ,5 720 CP 03 GTAW AISI ,0 720 CP 04 GTAW AISI ,0 720 CP 05 FCAW AISI ,2 720 CP 06 SAW AISI ,5 720 CP 07 FCAW AISI ,1 720 CP 08 FCAW AISI ,0 720 CP 09 FCAW AISI 304 L 589,0 690 CP 10 GTAW AISI ,1 720 CP 11 FCAW AISI 304 L 578,1 690 CP 12 FCAW AISI ,1 720 Avaliação da ocorrência de sensitização Para a avaliação da ocorrência da sensitização foi realizado o ensaio de metalografia, onde foi analisada uma amostra de cada CP, utilizando um aumento de 400 vezes para uma melhor identificação das regiões, como a ZTA, a Zona Fundida e também a microestrutura do metal de base. A primeira análise foi feita em uma amostra do metal de base AISI 304 para verificar a microestrutura austenítica. Como observa-se na Fig. 2, essa microestrutura fica evidenciada ao fundo. As manchas presentes na imagem possivelmente sejam da influência do ataque eletroquímico. Em sequência, foram analisadas as amostras das juntas soldadas do aço AISI 304, as quais romperam na região da solda. Na região do metal base, Fig 2, a estrutura austenítica se mostra presente sem a formação de carbonetos de cromo, classificada assim como estrutura step (limite de contornos de grãos não envoltos por carboneto de cromo). Essa estrutura é evidenciada comparando com a Fig. 3, que foi retirado da norma ASTM A

5 Manchas Figura 2: Amostra de aço AISI 304, estrutura austenítica; Amostra CP 7, aço AISI 304, região do metal de base Já na região da ZTA, mostrada na Fig. 4, e na região da Zona Fundida, Fig. 4, revelam o aparecimento de uma estrutura Interdendritic Ditches (um ou mais grãos completamente envoltos por carboneto de cromo) em comparação com a Fig. 3, que pela norma ASTM A 262, significa a formação do carboneto de cromo em vales profundos na estrutura. Na região da ZTA, pode-se observar uma quantidade maior de precipitados do que a Zona Fundida, consequentemente deixando a região mais suscetível à corrosão. Figura 3: Estrutura cristalina de aço inoxidável austenítico, fase de sensitização. estrutura step, Estrutura Interdendritic Ditches, observado em material soldado. Fonte: ASTM A 262 Todas as amostras analisadas do aço AISI 304 tiveram resultados semelhantes, por conta das influências cíclicas de temperaturas, apresentando a formação de carbonetos de cromo (sensitização) tanto na região da ZTA, como na Zona Fundida. 5300

6 Exemplos de formação de carbonetos de cromo Figura 4: Amostra CP 7, aço AISI 304, região de transição da ZTA para região da Solda; região da Solda Para as amostras do aço AISI 304 L, onde os mesmos romperam no material e não na solda, não houve o aparecimento de carbonetos de cromo, Fig. 5, estrutura step, conforme norma ASTM A 262, por conta de ser um material com porcentagem menor de carbono, cerca de 0,03 %, apresentando em sua estrutura uma matriz austenítica. Porém, na região da solda desses aços, como foi utilizado o metal de adição similar, percebeu-se uma estrutura semelhante as das amostras de aço AISI 304, estrutura dual, Fig 5, porém não afetando diretamente no rompimento do CP na região da solda. Figura 5: Amostra CP 09, aço AISI 304 L, região próxima à fratura;, região da ZTA. Com essa técnica de microscopia ótica, conseguiu-se avaliar as regiões rompidas no ensaio de tração e perceber a incidência da precipitação do cromo nas regiões de contorno de grão, deixando a estrutura fragilizada e empobrecida, afetando diretamente as propriedades mecânicas e possivelmente sua resistência à 5301

7 oxidação. Isso foi percebido comparando as imagens obtidas no ensaio com a norma ASTM A 262. CONCLUSÃO Com a realização deste trabalho, verificou-se em corpos de prova soldados de aço inoxidável austenítico AISI 304 e AISI 304 L, a influência da sensitização na resistência mecânica. Foram testados dois processos diferentes, o GTAW, com baixo aporte térmico, e o FCAW, processo com aporte térmico mais elevado. Nos ensaios de tração os resultados obtidos foram como esperados. Os Cp s de aço AISI 304 romperam na região da solda, e os valores de tensões ficaram abaixo do mínimo esperado ao material, o que faz comprovar o que literatura mostra a incidência da formação de carbonetos de cromo (sensitização), fragilizando o material em análise, principalmente a região da solda e da ZTA. Já os CP s do material AISI 304 L, não romperam na solda e na ZTA, rompendo no material de base. Provavelmente, isso ocorreu por ser um material com baixo carbono, o que pode diminuir a incidência da formação do carboneto de cromo. Para o ensaio de metalografia, utilizando microscópio ótico, verificaram-se as regiões fraturadas e comprovada a formação de carbonetos de cromo, principalmente nos contornos de grão da estrutura austenítica dos aços inoxidáveis. Com essa análise percebeu-se o empobrecimento de cromo na matriz do material e consequentemente a diminuição da resistência mecânica e possivelmente à resistência à oxidação. Diante dos resultados obtidos, a proposta do trabalho foi atendida, porém com a consciência que devem ser realizados novos ensaios além desses realizados, como microscopia eletrônica por varredura, espectrometria, para ter uma maior garantia e confiabilidade dos resultados. REFERÊNCIAS (1) BRANDI, Sergio Duarte. Soldagem dos aços inoxidáveis. Belo Horizonte: Acesita, p. (2) KAIN, V. ET AL. TESTING SENSITIZATION AND PREDICTING Susceptibility to Intergranular Corrosion and Intergranular Stress Corrosion Cracking in Austenitic Stainless Steels. Corrosion, vol. 58, no 1, p ,

8 (3) AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME Seção IX: Parte QW Soldagem 1983, 151p. (4) ASTM A Standard Practices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels. Philadelphia, PA, USA: ASTM, (5) APERAM. Tabela resistência aço inoxidável austenítico. Timóteo MG, Disponível em: < EspecificacoesTecnicas.pdf> Acesso em: 12 dez EVALUATION OF THE DEGREE OF WELDED JOINTS IN SENSITIZATION GTAW AND FCAW BY PROCESSES IN STAINLESS STEEL AISI 304 AND AISI AUSTENITIC 304 L ABSTRACT This paper will address the assessment of welding processes, GTAW and FCAW, the welding of austenitic stainless steel AISI 304 and 304L, aiming to verify the occurrence of sensitization (formation of chromium carbides) in the welded microstructure, depending on the thermal cycle of these welding processes. For this purpose, specimens were fabricated with butt joints, beveled "V" type. END assays were performed as well, tensile testing, and metallographic analysis. The results with respect to the strength of the joint showed up as expected and according to the existing literature on the subject, where the region of fracture occurred in the weld region to AISI 304, and the base material AISI 304L samples. Regarding the values of maximum resistance, it was observed that all samples had results below the minimum expected with respect to the base material (720 MPa for AISI 304 and 690 MPa for AISI 304L), which leads to consider the presence of weakening but with respect to the filler metal (ER 308L) maximum strength obtained approximate values (645 MPa). Regarding the results of metallographic analysis, comparing the images of the microstructure obtained with the reference, ASTM A262, it was observed that in both steels was the formation of microstructure "dual", they present the formation of sensitized part of the grain boundary, being more present in AISI 304. Keywords: GTAW, FCAW, sensitization, austenitic stainless steel. 5303