Análise do perfil de microdureza e do refino de grão em juntas soldadas multipasse do aço API 5L X65

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1 Análise do perfil de microdureza e do refino de grão em juntas soldadas multipasse do aço API 5L X65 Pacheco, I. C. P. (1) ; Neto, R. Q. C. (2) ; Maciel, T. M. (1) ; Silva, W. A. (1) ; Duarte, R. N. C. (1). Avenida Aprígio Veloso, nº 882, Bloco BR, Bairro Universitário Campina Grande-PB ivisoncaiopontes@hotmail.com (1) Universidade Federal de Campina Grande UFCG (2) Universidade Federal da Paraíba UFPB RESUMO O presente artigo teve por objetivo analisar o perfil de microdureza e o refino de grão na ZTA das juntas soldadas multipasse do aço API 5L X65. As juntas foram soldadas com dois processos diferentes: o passe de raiz foi feito com o processo SMAW Shield Metal Arc Welding e os passes quente, de enchimento e de acabamento foram feitos com o processo GMAW Gas Metal Arc Welding. Após soldadas, as peças foram cortadas e passaram pelo processo de preparação metalográfica. Em seguida, as amostras foram submetidas a análise no microscópio óptico (MO) e submetidas ao ensaio de microdureza Vickers. Foi percebido um aumento de dureza após o passe quente e diminuída após os passes subsequentes. Não houve significativa diferença da dureza na ZTA e no MB. Do passe de raiz para o passe de enchimento, foi obtido um refino de grão da ordem de 44%. Palavras-chave: Dureza. Refino de grão. Aço API 5L X65. Metalografia. INTRODUÇÃO Atualmente, a demanda energética mundial vem crescendo bastante. Este fato vem incentivando a criação e ampliação dos sistemas de distribuição, sejam gasodutos ou oleodutos, de acordo com Santos (2003). Além disso, com a exploração em locais cada vez mais distante dos centros de distribuição, tornase necessário a construção de sistemas de transporte dos produtos extraídos até os centros de distribuição. Segundo Siliciano et al (2010), foi dado muita atenção às propriedades mecânicas dos tubos de transporte de petróleo e seus derivados devido ao acidente que ocorreu em 1972, com a falha de um tubo por trinca induzida por hidrogênio. Santos (2003) afirma que o transporte por dutos é o modo mais barato de conduzir óleo e gás extraídos, mas que o processo de instalação e montagem 6801

2 deve ser realizado com confiabilidade e segurança operacional para evitar prejuízos econômicos e ambientais. Segundo Pacheco (2018), os aços API 5L obedecem às normas do American Petroleum Institute. Os principais processos de soldagem destes tubos em campo é o SMAW e o GMAW, onde cada um possui suas vantagens e desvantagens. Sabe-se que as propriedades de um material dependem da maneira e quantidade em que os grãos estão distribuídos na sua microestrutura. O tamanho dos grãos e os valores de dureza influencia diretamente sobre a sua tenacidade à fratura. Diante deste contexto, este trabalho visa analisar os perfis de microdureza e a evolução do refino de grão nas juntas soldadas multipasse do aço API 5L X65, com passe de raiz feito com o processo SMAW e os demais passes feitos com o processo GMAW. MATERIAIS E MÉTODOS O fluxograma abaixo mostra a metodologia utilizada desde a soldagem dos tubos até as análises em microscópio óptico e no microdurômetro. Figura 1 Fluxograma de Metodologia (Autoria Própria, 2018) Cada fase da metodologia estará descrita nos tópicos subsequentes. 6802

3 Metal de Base A Tabela 1, mostrada abaixo, apresenta a composição química nominal do aço API 5L X65. A Tabela 2 mostra os valores de tensão de escoamento e tensão de resistência à tração. Tabela 1. Composição Química Nominal do Aço API 5L X65. (Specification, 2004). Porcentagem (%) em massa C Mn Si P S Ni Al Ti + V + Nb 0,12 1,60 0,45 0,025 0,015 0,06 0,044 0,1 Max. Tabela 2. Valores para o Limite de Escoamento e Resistência à Tração do Aço API 5L X65. (Tuper, s.d.) Limite de Escoamento (σle) Limite de resistência à tração (σrt) 450~600 MPa 535~760 MPa As chapas soldadas possuem dimensões (200x200x18) mm. O chanfro foi de 45º, escolhido de modo a facilitar o preenchimento com o processo GMAW. O espaçamento entre as chapas foi de 3,25 mm, que é o diâmetro do consumível utilizado no processo GMAW. A altura do nariz foi de 2 mm, para se ter uma boa penetração no passe de raiz e homogeneidade do cordão. As chapas foram soldadas com um mecanismo de restrição de alívio de tensões por dilatação térmica. Além da restrição com os parafusos, as chapas foram ponteadas nas laterais. A figura 2 abaixo ilustra o mecanismo. Figura 2 Mecanismo de restrição de alívio de tensões (Pacheco, 2018). 6803

4 Escolha do processo de soldagem Os processos de soldagem foram escolhidos de acordo com a norma API 1104 (1999). O passe de raiz foi feito com o processo SMAW, com o eletrodo E6010, com diâmetro de 3,25 mm. Os passes quente, de enchimento e acabamento foram feitos com o processo GMAW, com o consumível AWS ER70S-3 de 2 mm de diâmetro, com proteção do gás Argônio, a uma vazão de 15 l/min. As Tabelas 3 e 4 mostram as composições nominais dos consumíveis utilizados. Tabela 3. Composição Química Típica do Eletrodo AWS E 6010 (ESAB, s.d.) Composição Química Típica (%) C Si Mn 0,09 0,10 0,30 Tabela 4. Composição Química Típica do Arame AWS ER70S-3 (ESAB, s.d.) Composição Química Típica Média (%) C Si Mn 0,10 0,90 1,5 Foram feitos quatro corpos de prova, cada um com um passe de soldagem. A Figura 3 representa os cordões de solda das amostras, ilustrando e destacando cada passe de soldagem. As amostras analisadas neste artigo são as centrais, retiradas na linha central da junta soldada, conforme mostra a Figura 3. Figura 3. Representação dos Corpos de Prova Soldados (Pacheco, 2018) A Tabela 5 mostra os parâmetros de soldagem utilizados para cada passe, bem como a corrente, tensão, velocidade de soldagem e a energia de soldagem. Para a tabela, Raiz é o primeiro passe de soldagem, Q1 é o passe quente, E2 e 6804

5 E3 são os passes de enchimento e, por fim, A4 e A5 são os passes de acabamento. Tabela 5. Parâmetros de Soldagem. (Pacheco, 2018) Passe Tempo (s) Corrente (A) Tensão (V) Velocidade (mm/s) Rendimento Energia (KJ/mm) Raiz % 1,107 Q ,02 90% 2,205 E ,30 90% 1,601 E ,38 90% 1,540 A ,77 90% 0,850 A ,63 90% 0,900 Preparação Metalográfica A preparação metalográfica seguiu a norma NBR Preparação de corpos-de-prova para análise metalográfica. Os corpos de prova foram embutidos a quente, com diâmetro total de 75 mm, onde a análise foi feita apenas na ZTA. O lixamento foi feito manualmente, com lixas de carbeto de silício. O polimento foi feito manualmente, com alumina de granulometria 1; 0,3 e 0,05 µm. O ataque químico foi feito com Nital, a uma concentração de 2%. A análise foi feita no microscópio óptico Olympus BX-51M. Ensaio de microdureza O ensaio de microdureza foi feito no microdurômetro FutureTech 700. A carga utilizada foi de 300 g, mantida por 15 segundos, segundo a norma ASTM E384-10, que também foi utilizada por Monte (2013). A imagem abaixo representa os pontos em que foram feitas as análises de microdureza. No total, foram feitos 35 pontos em cada amostra, espaçados de 1 mm entre si. As medições na linha L2 só foram feitas após o passe de acabamento, uma vez que este é o que preenche toda a junta. Figura 4. Representação dos pontos de aquisição dos valores de microdureza. (Neto, 2018) 6805

6 Medição do Diâmetro Médio de Grãos A medição do diâmetro médio de grãos seguiu o que estabelece a norma ASTM E Foi utilizado o método de intersecção linear de Heyn. A direção de análise se encontra na Figura 5. A análise do diâmetro dos grãos foi feita no Software ImageJ, onde foi possível medir o comprimento das linhas e contar os grãos. Toda a análise foi feita apenas para a ZTA esquerda, uma vez que se notou semelhança entre as micrografias encontradas. Figura 5. Representação das linhas para contagem dos grãos da norma E (ASTM, 2013) RESULTADOS E DISCUSSÕES Microdureza A partir da metodologia explicada no tópico anterior, foi possível traçar os gráficos para analisar o perfil de microdureza das juntas, conforme o esquema da Figura 4. Para o passe de raiz, executado com o processo SMAW, com energia de soldagem de 1,107 kj/mm, obteve-se valores variando entre 160 e 130 HV na ZTA. A Figura 6 (a) mostra o gráfico do perfil de microdureza para o passe de raiz (Raiz). Isso mostra uma queda de dureza em relação ao MB, que pode ser explicado pela presença de grãos grosseiros na microestrutura da ZTA. A presença de uma porcentagem menor de Manganês no metal de adição faz com que a temperatura de austenitização permaneça a mesma, assim como a temperabilidade do material. Para o passe quente (Q1), utilizando uma energia de soldagem de 2,205 kj/mm, obteve-se o perfil de microdureza mostrado na Figura 6 (b). Para este passe, percebe-se um aumento da dureza, comparado ao MB. No MB, a dureza 6806

7 média era de 170 HV, enquanto na ZTA a dureza média subiu para 190 HV. Há o aumento da dureza devido ao refino de grão provocado pelo aquecimento da peça, em um novo passe de soldagem. Neste caso, percebe-se um aumento da dureza na ZTA, em comparação a dureza no MB. O tipo de microestrutura presente, predominantemente, na ZTA é a ferrita acicular. Neste passe houve o maior aumento de dureza, devido ao maior aporte térmico, que gera uma taxa de resfriamento maior, que é equilibrada pelo volume de material da junta, contribuindo para a formação de ferrita acicular. Houve uma pequena queda na dureza do MB pouco antes da ZTA, este acontecimento também foi percebido por Monte (2013) e Mainardi (2013). A mudança de dureza no passe quente (Q1) também pode ser justificada pela mudança nos teores de Carbono e Mn no metal de adição utilizado (arame AWS ER70S-3). A presença do Manganês aumenta a temperabilidade do aço e reduz a temperatura de austenitização. Para os passes de enchimento (E2 e E3), executados com o processo GMAW, soldado com energia média de soldagem de 1,57 kj/mm, obteve-se a microdureza na ZTA variando entre 150 e 190 HV, o que mostra uma redução em comparação ao passe anterior. Há, ainda, um leve aumento de dureza em relação ao MB. Para o passe de enchimento, variou apenas 20 HV em relação ao MB. O perfil de microdureza encontra-se na Figura 6 (c). Nos passes de enchimento, o aporte térmico é menor, o que contribui para o aumento da taxa de resfriamento. Entretanto, como a taxa de resfriamento também depende da massa de material, e neste caso temos uma maior massa, devido aos passes de soldagem anterior, a taxa de resfriamento é equilibrada por estes dois fatores. Ainda com o refino de grão proporcionado pelos passes de enchimento, a dureza diminuiu, em comparação com o passe quente (Q1), devido a diminuição de perlita. Para fins de comparação, foi feito o ensaio de dureza a 2 mm de profundidade da face da solda, após os passes de acabamento (A4 e A5), também feitos com o processo GMAW, com energia de soldagem média de 0,875 kj/mm. Para este caso, a dureza variou entre 140 e 160 HV, o que 6807

8 representa valores bastante próximos aos do passe de raiz. Como neste passe não há o efeito de refino de grão devido aos outros passes de soldagem, o perfil de microdureza esperado é semelhante ao da raiz. Figura 6 Perfil de microdureza passe a passe. (a) Passe de raiz. (b) Passe quente. (c) Passe de enchimento. (d) Passe de acabamento. (Autoria Própria, 2018) De maneira geral, percebe-se um aumento da dureza após o passe quente devido ao aparecimento de maiores proporções de ferrita acicular. Com o passe de enchimento, percebe-se uma diminuição da dureza na ZTA, com aumento da proporção de ferrita poligonal. Inicialmente, quando feito o passe de raiz, o calor presente no processo modifica a microestrutura da ZTA, formando grãos grosseiros, que possuem uma dureza menor. A partir do momento que se adiciona outros passes de soldagem, há um refino de grão na ZTA, devido ao aporte térmico, o que aumenta a dureza. Ainda, diante do aumento de dureza proporcionado pelo aporte térmico do passe quente, todos os valores de dureza ficaram dentro do parâmetro de aceite da norma ANSI/NACE MR0175/ISO (2009), que estabelece que a dureza para aços ao carbono, que não é o caso do trabalho, mas pode ser tomado como referência para fins de comparação. Não houve uma variação considerável na dureza da ZTA, em comparação com a dureza do MB, o que 6808

9 pode contribuir para a uniformidade das propriedades mecânicas da junta soldada, dentre os diversos fatores que contribuem para isto. Figura 7 Perfil de microdureza no passe de acabamento, a 2 mm de profundidade da face da solda. (Autoria Própria, 2018). Refino de grão Para o passe de raiz (raiz), feito com o processo SMAW, com parâmetros mostrados na Tabela 5, obteve-se um tamanho médio de grão de, aproximadamente, 12,2 µm. A Figura 8 mostra as linhas utilizadas para medição da quantidade de grãos intersectados, juntamente com a micrografia obtida na ZTA do lado esquerdo da junta. Para o passe quente (Q1), feito com energia de soldagem de 2,205 kj/mm, obteve-se um diâmetro médio de 9,067 µm. Este resultado representa uma diminuição de 25,88% em relação ao diâmetro médio encontrado no passe de raiz. Esta redução é responsável pelo aumento na dureza, conforme visto no tópico anterior. A Figura 9 mostra a micrografia da ZTA do lado esquerdo, após o passe quente. 6809

10 Figura 8 Micrografia da ZTA do lado esquerdo no passe de raiz, aumento de 200x, ataque Nital 2%. (Autoria Própria, 2018) Para os passes de enchimento (E2 e E3), feitos com energia de soldagem de 1,57 kj/mm, obteve-se um diâmetro médio de grão de aproximadamente 6,85 µm. Este valor, por sua vez, representa um refino de grão de 44% em relação ao passe de raiz e 24,45% em relação ao passe quente. A Figura 10 mostra a micrografia da ZTA do lado esquerdo após os passes de enchimento. Figura 9 Micrografia da ZTA do lado esquerdo após o passe quente, aumento de 200x, ataque Nital 2%. (Autoria Própria, 2018) Resultados de refino de grão com soldas multipasse foram obtidos também por ASKELSEN e SIMOSEN (1987). A Figura 11 mostra a evolução do diâmetro médio de grão para cada passe de soldagem. A Tabela 6 mostra o diâmetro médio de grão encontrado para cada passe de soldagem juntamente com o desvio padrão médio. 6810

11 Figura 10 - Micrografia da ZTA do lado esquerdo após os passes de enchimento, aumento de 200x, ataque Nital 2%. (Autoria Própria, 2018) Tabela 6 Diâmetros médios de grão para cada passe de soldagem. (Autoria Própria, 2018) Passes Raiz Quente Enchimento Tamanho Médio de grão (µm) 12,23 9,07 6,85 Refino em relação ao passe de raiz (%) Desvio Padrão 2, , , Tamanho de Grão (µm) 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 12,23 Tamanho Médio de Grão 9,07 6, % 44% Tamanho Médio de grão Refino em relação ao passe de raiz (%) Passes de Soldagem Figura 11 Gráfico da evolução do refino de grão. (Autoria Própria, 2018) CONCLUSÕES A partir da metodologia utilizada, pode-se concluir que: Para o passe de raiz, na ZTA, obteve-se o perfil de dureza variando entre 130 e 160 HV. A variação entre o lado direito e esquerdo da ZTA foi pouca. A microestrutura predominante na ZTA é a ferrita poligonal, com presença também da ferrita acicular; Para o passe quente, na ZTA, obteve-se o perfil de dureza variando entre 240 e 270 HV, o que mostrou um aumento em relação ao passe de raiz. 6811

12 Este acontecimento se explica tanto pelo refino de grão causado pelo aporte térmico da soldagem, como a presença de maior porcentagem de Manganês no MA. A presença de ferrita acicular aumentou, contribuindo para o aumento da dureza; Para o passe de enchimento, na ZTA, obteve-se o perfil de dureza variando entre 150 e 190 HV. A queda, em relação ao passe quente, se deu pelo surgimento de novos microconstituintes na ZTA; Para os passes de acabamento, na ZTA, medido a 2 mm da face da raiz, obteve-se uma variação pequena, assim como ocorreu com os outros passes de soldagem. O perfil de microdureza na ZTA do lado esquerdo variando entre 155 e 214 HV; na ZTA do lado direito a microdureza variou entre 174,3 e 225 HV; Para os passes de acabamento, na ZTA, medida a 2 mm de profundidade da solda, o perfil de microdureza ficou muito semelhante ao do passe de raiz, tal fato confirma a hipótese de refino de grão a partir do aporte térmico; Não houve variação significativa na microdureza da Zona Fundida, nesta, por outro lado, obteve-se valores próximos aos do MB, o que pode garantir uma uniformidade de propriedades na junta soldada; Para o critério de 250 HV, a junta soldada com os parâmetros mostrados na metodologia, pode-se concluir que estes contribuíram para a uniformidade da microdureza bem como o refino de grão mostrados; Obteve-se redução global de 44% do tamanho de grão, em relação ao grão na ZTA do passe de raiz, para os parâmetros utilizados. O tamanho médio de grão para o passe de raiz, quente e enchimento foram 12,23; 9,07 e 6,85 µm, respectivamente. REFERÊNCIAS SANTOS NETO, N. F. Caracterização de Soldas em Aços API 5L Com Diferentes Arames Tubulares e Temperaturas de Pré-Aquecimento, p. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas SILICIANO, Fulvio.; DOLABELA DA SILVEIRA, José Herbert.; CARMEY, Kenji. AÇOS PARA A INDÚSTRIA DO PETRÓLEO E GÁS RESISTENTES AO 6812

13 SERVIÇO ÁCIDO: DESAFIOS E PERSPECTIVAS, Disponível em < >. PACHECO, Ívison Caio Pontes et al. Análise de Tensões Residuais Longitudinais e Transversais em Juntas Soldadas do Aço API 5L X65: Determinação de Pontos Críticos. Anais do X CONEM: ESAB DO BRASIL. Catálogo de consumíveis. [S.l.]. [S.d.]. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13284: Preparação de corpos-de-prova para metalografia. [S. l.]: Abnt, p. MONTE, I. R. Caracterização microestrutural do aço API 5L X65 soldado por feixe de elétrons com diferentes aportes térmicos p. Dissertação (Mestrado em Ciências) Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, NETO, Raimundo Quindere Cruz. ESTUDO DA EVOLUÇÃO DO PERFIL DE TENSÕES RESIDUAIS EM SOLDA MULTIPASSE DO AÇO API 5L X p. Dissertação (Metrado) PPGEM UFPB, AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E : Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. [S. l.]: ASTM, 28 p. ASKELSEN, O. M.; SIMOSEN, T. - Techniques to Examaning Transformation Behaviour in Weld Metal and HAZ, a State of Art Review, Welding in the World 25(1/2): 26-34, Analisis of the microhardness profile and the grain refining in API 5L X65 steel welded joints ABSTRACT The purpose of this work was to analyze the microhardness profile and the grain refining in the HAZ of the welded joint of API 5L X65 steel. The joints were welded with two diferente processes: the root pass was welded with SMAW Shield Metal Arc Welding process. The hot and t he finishing passes were welded with GMAW Gas Metal Arc Welding process. Afterwards, the samples were cutted and went to the metallography preparation process. After this, the samples passed through analisis in the optical microscope and then went to Vickers microhardness tests. An increase in the hardness when the hot pass was welded and a decrease when the finishing passes were welded was observed. From the root pass to the finishing passes a grain refining was observed, the grain size was reduced in 44%. Keywords: Hardness. Grain refining. API 5L X65 Steel. Metallography. 6813