Titulação do Orientador: Professor Doutor em Engenharia Mecânica.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DEPARTAMENTO DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA RELATÓRIO TÉCNICO CIENTÍFICO Período: 02/2015 à 08/2015 () PARCIAL (X) FINAL IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa: Estudo e avaliação de procedimentos de soldagem de juntas dissimilares considerando as aplicações submarinas do setor de petróleo e gás natural PROSOL Nome do Orientador: Carlos Alberto Mendes da Mota. Titulação do Orientador: Professor Doutor em Engenharia Mecânica. Faculdade: Faculdade de Engenharia Mecânica. Unidade: ITEC Laboratório: SOLDAGEM Titulo do Plano de Trabalho: Soldagem dissimilares do aço ASTM A182 F22 pelo processo MIG. Nome do Bolsista: Fabrício Pereira Medeiros Tipo de Bolsa () PIBIC/CNPq () PIBIC/UFPA () PIBIC/INTERIOR (X) PIBIC/FAPESPA () PARD () PARD - renovação () Bolsistas PIBIC do edital CNPq 001/2007

2 INTRODUÇÃO O estudo de procedimentos de soldagem de juntas dissimilares com superligas de níquel busca a melhoria das resistências mecânica, ao desgaste e a corrosão. Os revestimentos a base de superligas de níquel tem possibilitado aumentar a resistência em componentes estruturais com chapas planas e/ou tubo. Falhas em juntas dissimilares têm sido registradas em componentes submarinos. Estas podem representar elevados custos de produção e, principalmente, o maior risco de vazamento de fluidos. Os impactos previstos no âmbito econômico são relacionados ao aumento da vida útil de equipamentos e componentes; o desenvolvimento de procedimentos de soldagem com baixa relação custo/beneficio; a redução de custos associados à qualidade e ao tempo de união por soldagem. OBJETIVO GERAL Estudar procedimentos de soldagem para a união de chapas planas de juntas dissimilares OBJETIVOS ESPECIFICOS (i) (ii) Levantar parâmetros exploratórios da soldagem MIG. Fazer análise visual, líquido penetrante e por ultra som. Analisar características metalúrgicas e de resistência mecânica da união. JUSTIFICATIVA O petróleo empregado nas diversas unidades de refino da Petrobrás apresenta elevados teores de enxofre. Tem baixa qualidade e pouca aceitação no mercado internacional. Ataca por corrosão naftênica o clad expondo o aço estrutural ao contato com o meio agressivo, acelerando o processo de degradação das paredes de componentes. Este processo de degradação prevê uma intervenção durante as paradas programada ou não programada de uma unidade. Neste trabalho pretende-se estudar a viabilidade operacional da soldagem MIG (Metal Inert Gas) na união de chapas chanfradas que exigem maior resistência, promovendo um aumento da produtividade e diferentes concepções metalúrgicas do metal de solda.

3 MATERIAIS E MÉTODOS Máquina de soldagem transistorizada, Inversal 300, Figura 1.. Figura 1. Fonte de soldagem, Inversal 300. Sistemas de alimentação de arame eletrodo, Figura 2. Figura 2. Cabeçote de alimentação arame eletrodo Bancada e suporte com sistema para posicionamento de atracação de amanteigamento Figura 3(a) e de soldagem da junta (chapa) a ser soldada Figura 3(b), dispositivos desenvolvidos pelo laboratório de pesquisas GetSOLDA da UFPA. (a) (b) Figura 3. Bancada e suporte de posicionamento de peça para amanteigamento (a) e soldagem (b).

4 Tartílope V2, para posicionamento e deslocamento da pistola de soldagem mecanizada, Figura 4. Metal de adição Figura 4. Controle Tartílope V2. Composição do Metal de Adição Ni Cr Mo Nb+Ta Fe Min 58% 20-23% 8-10% 3,15-4,15% Max 5% Fonte: FABRICANTE Gás de proteção Argônio puro e 75% argônio + 25%CO 2 (Stargold) Metal de base Chapas de aço 1020 METODOLOGIA As juntas são chapas de aço C em meio V e de aço F22 sem chanfro/amanteigadas, soldadas em múltiplos passes com eletrodo de níquel, Inconel 625. A soldagem de revestimento em chapas planas foi realizada para o levantamento e a otimização dos parâmetros operacionais. Os revestimentos experimentais foram depositados conforme os parâmetros de soldagem estão listados na Tabela 1. A metodologia adotada neste trabalho é mostrada no fluxograma Figura 5. Seleção dos materiais de base, de adição e do gás de proteção. Corte e preparação de amostras para a soldagem. Montagem e da bancada de trabalho e preparação para soldagem.

5 Seleção e programação das atividades complementares de análises da qualidade, geométrica, revenimento, métodos estatísticos, dos ensaios de metalografia, mecânico, metalúrgicos etc. A metodologia utilizada para este trabalho seguiu o fluxograma mostrado na Figura 5. Soldagem dos corpos de prova. Etapa 1-Teste de Higuchi convencional e modificado. Análise de microdureza Análise geométrica e microestrutural. Seleção dos parâmetros de amanteigamento. Soldagem de amanteigamento. Etapa 2- Soldagem das juntas. Soldagem de união das juntas amanteigadas. Caracterização microestrutural. M.O. M.E.V. Análise de propriedades mecânicas. Dureza Microdureza Discussão, análise e conclusão. Figura 5. Fluxograma das etapas realizadas no trabalho (SILVA, 2015)

6 RESULTADOS As análises geométrica e metalográfica na região da solda, cada um dos cordões das amostras foram seccionadas transversalmente ao cordão de solda e nomeadas em A, B e C, conforme a Figura 6. Figura 6. Passes em simples deposição sobre chapas de aço ASTM Tabela 1 - Parâmetros de soldagem MIG Condição Vel. Soldagem Vel. Alimentação DBCP Tensão T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T

7 Para o passe de simples deposição a relação à microestrutura da ZAC, a Figura 7 (a-c) é observada as regiões de grãos grosseiros e grãos finos ao longo da ZAC até o início do metal de base dos passes em simples deposição, este refinamento de grãos é causado pela energia de soldagem associada à composição química do metal de base. (a) (b) (c) Figura 7. Microestrutura dos grãos nas regiões: (a) Próximo à linha de fusão; (b) meio da ZAC; (c) Final da ZAC e início do metal de base (SILVA, 2015)

8 T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 Afastamento (mm) Através da análise dos diagramas mostrados nas Figuras 8, utilizando a metodologia da sucessão passes sobrepostos em 50%, amanteigaram-se duas chapas de aço ASTM A182 F22, mostradas, conforme a figura suas condições. Ao final em media as três camadas obtiveram espessura total de 10 mm. 9 Diagrama de decisão - ASTM A182 F22 1ª Camada na condição T Condição de soldagem Figura 8- Diagramas de decisão (SILVA, 2015) Através dos resultados dos ensaios de microdureza, analise da morforlogia dos grãos e da análise geométricas dos passes em simples deposição montou-se o Gráfico 01, o qual apresenta às extensões geométricas e metalúrgicas em função da energia de soldagem de todos os passes, ou seja, zona dura, zona macia, reforço e penetração.

9 Gráfico 01. Extensões geométrica e metalúrgica dos passes em simples deposição (SILVA, 2015). No gráfico 01, é possível observar que houve uma considerável variação na extensão das ZAC-ZD e ZAC-ZM de cada passe em função da energia de soldagem. Logo, para cada passe em simples deposição haverá uma maior ou menor extensão da região de ZD a ser revenida e para este revenimento alcançar a região de ZD do metal de base, quanto depositado sobre outra camada, a energia de soldagem do passe posterior deve ser suficiente para vencer a barreira térmica formada pela camada anterior. Conforme Niño (1995) recomenda que a energia de soldagem da segunda camada pode ser até duas vezes maior que a energia da primeira camada. Entretanto, no trabalho de Bueno (1999) foram testadas relações em que a energia de soldagem da primeira camada foi maior que a da segunda, tendo sido satisfatório o resultado. Além disso, deve ser observada a extensão da zona dura formada na ZAC que deve ser a menor possível, pois, esta região é mais propicia ao aparecimento de trincas. As Figuras 9 mostram a macrografia da seção transversal do amanteigamento A1. Por esta figura não ocorreram defeitos como falta de fusão entre passes, porosidades, trincas ou outros problemas de inclusões.

10 Figura 9 - Macrografia da seção transversal amanteigada A1 Finalizados os amanteigamentos, as chapas foram submetidas ao processo de usinagem de sua face amanteigada. Para uma posterior análise metalúrgica e mecânica foram retiradas amostras de 25 mm das duas extremidades de cada chapa amanteigada, conforme mostra a Figura 10. Figura 10 Chapa de aço ASTM A182 F22 amanteigada e localização das endentações de microdureza (SILVA, 2015). As Figuras 10 e 11 mostram as microestruturas da ZAC do amanteigamento A1. A análise destas Figuras indica a presença das microestruturas

11 bainita+ferrita (B+F) e martensita revenida (MR). Estas formações microestrutural este de acordo com o indicado pela literatura para o aço ASTM A182 F22. Segundo Modenesi (2012) em temperaturas entre 550 e 250ºC, a decomposição da austenita resulta em bainita caracterizada por agregados de finas lâminas de ferrita e partículas de carboneto. Em aços baixo carbono e baixa liga a formação da bainita ocorre principalmente à elevada velocidade de resfriamento, baixo teor de oxigênio (JWS, 1983). Figura 10 - Micrografias da ZAC próxima a linha de fusão.do amanteigamento A1. Figura 11 - Micrografias intermediarias da ZAC do amanteigamento A1. MR-Martensita revenida; B+F-Bainita+Ferrita

12 A Figura 12 mostra a partir do metal de solda em direção a ZAC algumas endentações do ensaio de microdureza no membro amanteigado A1. Figura 12 - Perfil de microdureza nos membros amanteigados nas regiões do MS, ZPM e ZAC A1. Os perfis de microdureza do membro amanteigado A1 mostrado na Figura 13 apresenta picos de microdureza na região da ZAC próximos à linha de fusão de 395 HV. Segundo a norma ASTM E384 (ASTM, 2002), regiões com valores de microdureza acima de 392 HV são propicias ao aparecimento de trincas Perfil de microdureza Vickers amanteigamento A1 ZAC Microdureza (HV) ,3 0,0 0,4 0,7 1,1 1,4 1,8 2,1 2,4 2,8 3,1 3,5 3,8 4,2 4,5 4,8 Distância da interface (mm) Figura 13 - Perfil de microdureza Vickers na ZAC do membro amanteigado A1

13 Na segunda etapa, a chapa amanteigada foi disposta topo a topo com outra chapa de aço carbono ASTM 1020 chanfrado em 45, como mostra a Figura 14. O enchimento da junta foi executado pelo processo MIG, na posição plana, no sentido empurrando, com velocidades de soldagem de 40 cm/min e alimentação de arame de 12 m/min utilizando como gás de proteção a mistura gasosa de argônio com 25% de hélio. Camadas de amanteigamento Figura 14. Esquema de uma junta de topo amanteigada e soldada (SILVA, 2015) Ao realizar o procedimento de enchimento do chanfro seguiu-se uma sequência de passes para enchimento de tal forma que iniciavam sempre no seu lado reto em direção ao membro chanfrado em 45, conforme mostra a Figura 15. Figura 15. Processo de enchimento do chanfro da junta (SILVA, 2015) Esta metodologia para o enchimento do chanfro contribuiu consideravelmente para a não ocorrência de falta de fusão entre os passes como mostra a Figura 16.

14 Figura 16. Esquema do Amanteigamento As Figuras 17 mostra os valores de microdureza Vickers das juntas J1 nas regiões do MS, ZPM e ZAC. Os ensaios de microdureza realizados ao longo da ZPM tanto na junta J1 apresentou valores na ordem de 255HV, ou seja, abaixo da microdureza da ZAC (390HV) e ligeiramente abaixo da dureza do metal de solda (280HV). Figura 17 - Valores de microdureza nas regiões do MS, ZPM e ZAC J1 A análise por EDS na junta J1, nos pontos localizados no metal de base (PT4, PT5, PT9, PT10, PT14 e PT15), ZPM (PT3, PT8, PT13) e MS (PT1, PT2, PT6, PT7, PT11 e PT12) conforme a Figura 18 mostra uma considerável variação no perfil da composição química na interface dissimilar (ZPM) causada principalmente pela mistura parcial do metal de base e metal de solda. Segundo Savage (1976) a região da ZPM se forma como resultado do desenvolvimento de uma camada limite estagnada devido ao movimento da poça de metal líquida, próxima à linha de fusão.

15 Composiçao (% em peso) Figura 18 - Pontos analisados por EDS para determinação da composição química das regiões da ZAC e ZPM da junta J1 Os Gráficos 2 mostra a variação média de composição química ao longo das regiões do metal de solda, zona parcialmente misturada e metal de base das juntas soldadas J EDS da junta J MS ZPM MB Ni Fe Cr Mo Distância em microns Gráficos 2 Concentração média dos principais elementos químicos nas regiões do MB, ZPM e MS nas juntas J1

16 Analisando os Gráficos 2 da esquerda para a direita observa-se que o níquel teve uma queda acentuada ao entrar na região da ZPM, enquanto que o teor de ferro aumentou. Este fenômeno pode ser justificado pelos movimentos difusionais dos elementos de liga e impurezas oriundos do metal de solda, que migram dessa região para a camada estagnada na interface entre o metal de solda e o metal de base formando uma região de composição química intermediária. Além disso, o fenômeno da camada limite onde um fluido escoando sobre uma superfície sólida apresenta uma zona cuja velocidade varia desde a velocidade de escoamento até zero na adjacência com um sólido, contribuiu para a difusão dos elementos de liga e a formação da ZPM. As condições estudadas apresentaram picos de dureza Vickers na região próxima à linha de fusão na faixa entre 305 a 338 HV considerando as três regiões analisadas (topo, meio e raiz) de cada junta. Como apresentado na Figura 19, à medida que nos afastamos da linha de fusão em direção ao final da ZAC, em uma extensão de aproximadamente 1,5 mm, o perfil de dureza decai até o patamar de dureza do metal de base, ou seja, 200HV, tal situação esta relacionada às transformações microestruturais sofridas pelo metal de base devido aos ciclos térmicos e a utilização dos parâmetros de soldagem criteriosamente aprovados nos teste de Higuchi e Higuchi modificado oque contribuiu, também, para minimizar o tamanho da ZAC. Perfil de dureza no amanteigamento na condição (T01/T01/T01) Dureza(HV10) ,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Distância da linha de fusão (mm) TOPO MEIO RAIZ Figura 19. Perfil de dureza Vickers na ZAC das chapas amanteigadas.

17 Após a união da junta J1 utilizando parâmetro de soldagem constante (Vs=40cm/min; Va=12m/min; U=34 V, I=280 A e Es=1,5 kj/cm), observou-se que os perfis de microdureza Vickers na ZAC do amanteigamento das juntas soldadas apresentaram alterações significativas em seus valores, quando comparados ao perfil de microdureza do amanteigamento, ou seja, os valores de microdureza caíram de 388 e 320 HV, de acordo com a norma NACE MR 0175 (2005). Além disso, o valor da extensão da ZAC também se manteve na média de 1,8mm, conforme mostra a Figura 20. Perfil de microdureza Vickers da ZAC do amanteigamento A1 e da junta soldada J ZAC Microdureza (HV) J1 A ,3 0,0 0,4 0,7 1,1 1,4 1,8 2,1 2,4 2,8 3,1 3,5 3,8 4,2 4,5 4,8 Distância da interface (mm) Figura 20 - Microdureza Vickers na ZAC do amanteigamento; (a) Membros A1 e junta J1 As Figuras 21 mostram o perfil de dureza Vickers da junta J1. As análises mostram que após o procedimento de enchimento do chanfro a região da ZAC do amanteigamento da junta soldada sofreu alterações significativas, em relação ao seu perfil de dureza Vickers do amanteigamento, ou seja, o perfil de dureza caiu em média de 320HV para 280HV. Portanto, a camada de amanteigamento não funcionou como barreira térmica protegendo a ZAC das juntas de possíveis alterações em suas propriedades mecânicas, que a energia de soldagem envolvida no procedimento de enchimento dos chanfros.

18 320 Perfil de dureza Vickers do amanteigamento A1 e junta J A1 J1 Dureza (HV10) ,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Distância da interface (mm) Figura 21 - Perfil de dureza Vickers (a) amanteigamento A1 e junta J1 CONCLUSÕES Os valores de dureza e microdureza da ZAC do amanteigamento da junta J1 sofreu queda em seus valores em comparação com a ZAC do membro amanteigado A1, indicando que a energia de soldagem envolvida no procedimento de enchimento do chanfro alterou as propriedades mecânicas da ZAC do amanteigamento da junta J1. A combinação do parâmetro (T01/T01/T01) utilizada para amanteigamento A1, selecionada através do método de Higuchi e Higuchi modificado obteve resultado satisfatório em relação ao perfil de dureza e microdureza na ZAC, ZPM e metal de solda. Na ZAC do amanteigamento A1 e na ZAC do amanteigamento da junta J1 as microestruturas encontradas foram martensita revenida, ferrita e perlita. Os valores de dureza e microdureza encontrados ZAC amanteigamento A1 quanto da junta soldada J1 superaram os valores de dureza e microdureza máxima de 250HV estabelecidos pela norma NACE PUBLICAÇÕES: Publicações sendo desenvolvidas para os congressos na área de materiais. MEDEIROS, Fabrício Pereira e MONTELLO JUNIOR, Valter Figueiredo. Caracterização de um Amanteigamento de duas camadas com arame Inoxidável Austenítico Inconel 316L e um Aço UFPA. 66 o SBPC: Sociedade Brasileira para Progresso da Ciência, Rio Branco, AC, julho de 2014.

19 Mota, C. A. M.; NASCIMENTO, A. S.; SILVA, D. A. S.; SÁBIO, A. D.;SILVA FILHO, C. B. A. Caracterização de Soldas Dissimilares Depositadas pelo Processo MIG com uma Superliga de Níquel. 21 o CBECiMat: Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Cuiabá, MT, Novembro de SILVA, D. A. S.; MOTA, C. A. M.; NASCIMENTO, A. S.; SILVA FILHO, C. B. A.; SABIO, A. D.; SODRE, R. M. R.; GIL, M. R.; MEDEIROS, F. P. Caracterização metalúrgica de soldas dissimilares depositadas pelo processo MIG (Apresentação de Trabalho/Congresso). REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: AGUIAR, W.M. Soldagem do aço ABNT 4140 sem Tratamento Térmico posterior. Dissertação de mestrado-programa de Engenharia e Ciências de Materiais, Universidade Federal do Ceará. Fortaleza, BUENO, E. R. Desenvolvimento do Procedimento de Soldagem do AISI 4140 sem Tratamento Térmico Posterior. Dissertação de Mestrado. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 1999 NIÑO, C. E. B., BUSCHINELLI, A. J. A. Análise de Alternativas de Reparo por Soldagem de Aços Cr Mo. XXI Encontro Nacional de Tecnologia da Soldagem. Caxias do Sul, jun/1995. SILVA, D. A. S. Avaliação Metalúrgica e do Comportamento Mecânico de Soldas Dissimilares depositadas pelo processo MIG. Universidade Federal do Pará, UFPA, Belém, MOTTA, M. F., Aplicação do Processo MIG/MAG Pulsado com Duplo Arame e Potenciais Isolados em Soldagem de Revestimento. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Florianópolis, DIFICULDADES A maior dificuldade foi encontrar os parâmetros adequados para realizar as soldas de revestimento dissimilar com liga de níquel (Inconel 625).

20 PARECER DO ORIENTADOR O plano de trabalho e os resultados obtidos estão de acordo com o esperado e satisfazem aos objetivos da pesquisa. O discente apresenta desempenho acadêmico adequado. Data: 10/07/2015. Prof. Carlos Alberto Mendes da Mota ASSINATURA DO ORIENTADOR. Fabrício Pereira Medeiros ASSINATURA DO ALUNO.