Avaliação Metalúrgica da Soldagem de Revestimento Inox Austenítico Sobre Aço SAE 4130

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1 Avaliação Metalúrgica da Soldagem de Revestimento Inox Austenítico Sobre Aço SAE 4130 (Metalurgical Evaluation of Austenitic Stainless Surfacing Welding Over SAE 4130 Steel) Márcio de Souza Elias 1, Ronaldo Paranhos 2 1 IFF-Instituto Federal Fluminense. Macaé, RJ, Brasil. mselias@iff.edu.br. 2 UENF-CCT-LAMAV, Campos dos Goytacazes, RJ, Brasil. paranhos@uenf.br. Resumo O objetivo deste trabalho foi realizar uma avaliação metalúrgica da soldagem de revestimento inox austenítico sobre a área de selagem de tubos de Riser fabricados em aço SAE O estudo foi dividido em duas etapas. A primeira etapa teve como objetivo a determinação da taxa de diluição e taxa de deposição para os níveis máximo e mínimo de energia de soldagem conforme procedimentos de soldagem (EPS) com os processos TIG e ER. A seguir, foi feita análise e estudo com o diagrama de Schaeffler para identificar os consumíveis de solda mais adequados, conforme critérios de qualidade estabelecidos. Este estudo identificou o metal de adição 312 para a primeira camada, o 309 e 308 para a segunda. Todos usando o nível máximo de energia de soldagem e o processo de soldagem ER, com benefícios à produtividade. A segunda etapa teve como objetivo a validação dos resultados empíricos encontrados na 1ª etapa, com a execução de soldas de revestimento com duas camadas cada, e a caracterização metalúrgica das juntas soldadas por ensaios mecânicos e análise microestrutural por MO e MEV. Os resultados dos ensaios mecânicos e da microestrutura foram considerados satisfatórios, atendendo os critérios de qualidade adotados. Foi observada uma microestrutura austeno-ferritica com teor de ferrita delta entre 10 a 15 % nas duas camadas do revestimento. O eletrodo 312 assumiu posição de destaque na aplicação da 1ª camada da solda de revestimento sobre o aço SAE 4130, em função do seu maior teor de ferrita delta e cromo, evitando a formação de trincas a quente. Para a segunda camada, tanto o 309 como o 308 podem ser usados. Todas as soldas foram feitas com elevada energia de soldagem, garantindo o aumento da produtividade, sem alteração significativa nas características físicas e mecânicas. Palavras-chaves: Soldagem de revestimento, microestrutura, ferrita delta, diagrama de Schaeffler. Abstract: The objective of this study was to make a metallurgical evaluation of the austenitic stainless surfacing welding on the sealing area of the riser tubes made of SAE 4130 steel. The study was divided into two steps. The first step aims to determine the dilution rate and deposition rate for the minimum and maximum levels of heat input according to the WPS for TIG and SMAW processes, followed by analysis and study on the Schaeffler diagram in order to identify the welding consumable best suited to attend the stablished quality criteria. This study identified the electrode 312 as the filler material for the first layer, and the electrodes 309 and 308 for the second layer. Both using the maximum heat input of the WPS and the SMAW process, with benefits to productivity. The second step has as objective the validation of the empirical results found in the 1st step, with the execution of surfacing welds with two layers each, and the metallurgical characterization of the welded joints by mechanical testing and microstructural analysis by optical and electronic microscopy. The results of mechanical testing and microstructure were considered satisfactory, filling the adopted quality criteria. An austenitic-ferritic microstructure with delta ferrite content between 10 and 15 % was observed for both layers of the surfacing. The electrode 312 assumed a prominent position in the application of the 1st layer of the surfacing weld over the SAE 4130 steel, according to its higher content of delta ferrite and chromium, avoiding hot cracks formation. For the second layer, both the 309 and 308 may be used. All welds were made with high heat input, ensuring increased productivity, without significant change in the physical and mechanical characteristics. Keywords: Surfacing welding, microstructure, delta ferrite, Schaeffler diagram. 1. Introdução Devido a sua elevada resistência à corrosão, os revestimentos de aço inoxidável sobre o aço carbono são amplamente utilizados Recebido em 25/08/2014, texto final em 14/01/2015. DOI: em diversos equipamentos industriais. Em muitos casos, estes materiais, por estarem submetidos a severas condições de serviço em ambientes agressivos, sofrem desgastes, necessitando muitas vezes de reparo e manutenção com metal de solda inoxidável [1-3]. A soldagem de revestimento das áreas de interesses em Riser de aço SAE 4130 com aço inoxidável é muito comum na indústria do petróleo. Os Risers são acoplados uns aos outros, por meio de caixa e pino localizados nas suas extremidades. Este acoplamento ou conexão precisa ser eficiente e seguro, e deve prevenir a 343

2 Márcio de Souza Elias, Ronaldo Paranhos possibilidade de corrosão. Portanto, esta região do Riser recebe um revestimento inox, sendo esta é a forma de assegurar a não ocorrência de possíveis vazamentos na sua utilização devido aos efeitos da corrosão. O propósito é revestir de solda a superfície interna do tubo de Riser de completação, mais especificamente sua área de selagem. Este tipo de revestimento inox é caracterizado por apresentar propriedades químicas, físicas e mecânicas que aumentam a vida útil do Riser em serviço [4,5]. Devido à grande dissimilaridade entre metal base e o metal de adição, problemas de ordem metalúrgica são reportados na aplicação da primeira camada de solda [5]. Os autores vivenciaram aplicação que utilizava o eletrodo 309 na primeira camada e 316 na segunda, onde era comum o aparecimento de trincas na primeira camada do revestimento. Estas estão relacionadas durante a solidificação do metal de solda e da microestrutura final obtida. Assim, a correta especificação de consumíveis e a compreensão desses fenômenos metalúrgicos são importantes na aplicação da soldagem de revestimento inoxidável. O objetivo deste trabalho é realizar estudos metalúrgicos, para se definir entre os consumíveis 308, 309 e 312 quais melhor se aplicam na deposição da primeira e da segunda camada do revestimento sobre os Risers de aço SAE Primeiramente, avaliando de forma empírica com o auxilio do diagrama de Schaeffler para a seleção dos consumíveis e, após a soldagem, caracterizando as propriedades físicas e microestrutura do revestimento. 2. Materiais e Métodos Foi usado o aço SAE 4130 de 16 mm de espessura e diâmetro 305 mm, proveniente de um tubo Riser utilizado na completação de poços de petróleo. Os metais de adição a serem avaliados são, segundo a norma AWS 5.4 [6], os eletrodos 308, 309 e 312. A composição química desses consumíveis e do metal base é mostrada na Tabela 1. A sequência das etapas de preparação e obtenção de amostras se iniciou na preparação do MB por usinagem para retirada do revestimento antigo. Em seguida, a superfície foi avaliada por liquido penetrante. A soldagem foi realizada com auxilio de um rolo virador que movimenta o tubo, permitindo que a solda seja realizada na posição plana (1G), o que facilita a operação. O pré-aquecimento e a temperatura entre-passes foi de 250 C, com objetivo de evitar formação de fases frágeis e endurecimento do MB, aço SAE As soldas foram do tipo cordão sob circunferência tubular, consistindo na deposição de uma ou duas camadas com vários cordões de solda adjacentes em cada camada sob a circunferência interna do tubo Riser, mais especificamente na sua área de selagem. Foi adotado um fator de 30% de sobreposição nos cordões de solda subsequentes ao primeiro. Foram usados dois níveis de energia de soldagem, conforme valores mínimos e máximos dos parâmetros de soldagem estabelecidos nas EPS (Especificação de Procedimento de Soldagem) do processo de revestimento, utilizando os processos Tabela 1. Especificação da composição química do MB e dos metais de adição. Material C Cr Ni Mo Mn Si P S Cu Nb Ta 308 0,08 18,0-21,5 9,0-11,0 0,75 1,0 0,9 0,03 0,04 0,75 n/a n/a 309 0,14 22,0-25,0 12,0-14,0 0,75 1,0 0,9 0,03 0,04 0,75 n/a n/a 312 0,15 28,0-32,0 8,0-10,5 0,75 1,0 0,9 0,03 0,04 0,75 n/a n/a SAE ,30 0,80-1, ,20 0,5 0,25 0,03 0, Tabela 2. Parâmetros de soldagem e níveis de energia para revestimento inox. Processos de Soldagem Eletrodo Revestido (ER) TIG Material Parâmetros E1 Limite mínimo da energia de soldagem. E2 Limite máximo da energia de soldagem. T1 Limite mínimo da energia de soldagem. T2 Limite máximo da energia de soldagem. Energia nominal de soldagem (J/mm) Energia de soldagem (J/mm) Tipo de corrente CC- CC- CC- CC- Corrente (A) Tensão (V) Velocidade de soldagem (mm/min) Rendimento térmico do processo de soldagem (r) 0,7-0,9 0,7-0,9 0,5-0,8 0,5-0,8 Vazão Gás de Proteção (l/min) * pré-aquecimento de 250 C 344

3 Avaliação Metalúrgica da Soldagem de Revestimento Inox Austenítico Sobre Aço SAE 4130 eletrodo revestido e TIG, conforme a Tabela 2. A medição de corrente e tensão de soldagem foi feita por um alicate volt-amperímetro. O tempo de soldagem foi medido por um cronômetro digital. Na primeira etapa, o objetivo foi prever os metais de adição e procedimentos de soldagem. Foi depositado um cordão de solda com os parâmetros e processos de soldagem (TIG e ER) da tabela 2, usando o eletrodo tipo 309 para ambos os processos. Após soldagem, foram preparadas duas macrografias para cada uma das condições de soldagem e a seguir: * Cálculo da taxa de diluição: Usando as macrografias, calculando a relação de áreas do depósito. Obtido para os parâmetros de soldagem (máximos e mínimos) de cada processo. * Cálculo da taxa de deposição: as chapas foram pesadas antes e após a soldagem. A diferença de peso, dividido pelo tempo de soldagem, que foi cronometrado, permitiu calcular a taxa de deposição. * Estudo e interpretação no Diagrama de Schaeffler: O propósito é definir dentre os consumíveis propostos (308, 309 e 312) quais melhor se aplicam com relação à microestrutura do substrato final de cada uma das duas camadas de revestimento. Os seguintes critérios foram adotados: a) A composição química da zona fundida da primeira e da segunda camada deve: I. Não estar no campo de microestrutura 100% austenítica, para evitar a formação de trincas a quente; II. Não estar no campo austenita mais martensita (para evitar a presença de fases duras e trinca a frio) II. Conter no mínimo 5% de ferrita δ, para evitar a formação de trincas de solidificação; porém não ultrapassar 20% de ferrita δ, para evitar fragilidade por excesso de ferrita δ. b) Atingir a maior taxa de deposição, de forma a obter máxima produtividade. c) A composição química final da segunda camada da zona fundida deve conter um mínimo de 8,0% Ni e 16,0% Cr; e um máximo de 0,18% C, de forma a atender a norma API-6A [7]. A Segunda Etapa teve como objetivo a validação dos resultados empíricos encontrados na 1ª etapa. Os eletrodos e procedimentos selecionados foram usados para caracterização metalúrgica. Após soldagem, foram realizados os seguintes ensaios: - Perfil de dureza vickers com carga de 200g em intervalos de 0,5 mm a partir da superfície do revestimento em direção ao MB, com 20 pontos de medição; - Ensaio de dobramento com corpo de prova de 200 x 25 mm, do tipo três pontos com espaçamento de 100 mm e punção de 10 mm de diâmetro. O ângulo de dobramento foi de 90 ; - Quantificação de ferrita δ por meio do ferritoscópio Fischer modelo MP30, com 4 medições em cada camada do revestimento para cada corpo de prova soldado; - Preparação metalográfica, incluindo corte, lixamento úmido com lixas de 100 a 800 mesh, polimento com alumina e ataque químico com o reagente marble. - Microscopia ótica (MO) e eletrônica de varredura (MEV), com o objetivo de analisar as fases presentes no MB, ZTA e ZF. O EDS foi utilizado para obter a composição química da região dendrítica e interdendrítica da ZF. 3. Resultados e Discussão A primeira etapa: A figura 1 mostra exemplos das macrografias obtidas e a tabela 3 mostra os resultados obtidos para a taxa de diluição. A tabela 3 permite comparar a taxa de diluição para os dois processos de soldagem e os dois níveis de energia (máximo e (a) Amostra ER2 (b) Amostra ER3 (c) Amostra TIG1 (d) Amostra TIG4 Figura 1. Macrografias do cordão sobre a chapa, para cálculo da diluição. Ataque Nital 10%. Tabela 3. Resultados da taxa de diluição nas macrografias das amostras de revestimento inox. (Eletrodo Revestido Nível de Energia Máximo) 1º Cordão de solda ER1 30,0% Média ER2 33,0% 31,5% (Eletrodo Revestido Nível de Energia Mínimo) 1º Cordão de solda ER3 17,0% Média ER4 15,0% 16,0% (TIG Nível de Energia Máximo) 1º Cordão de solda TIG1 36,0% Média TIG2 35,0% 35,5% (TIG Nível de Energia Mínimo) 1º Cordão de solda TIG3 15,0% Média 14,5% TIG4 14,0% Obs: (a) Média das médias para nível de energia máxima, ER e TIG: 33,5 %; Média das médias para nível de energia mínima, ER e TIG: 15,2 %. 345

4 Márcio de Souza Elias, Ronaldo Paranhos mínimo), com as seguintes observações: - para o nível máximo de energia, em ambos os processos de soldagem, ER (999 J/mm) e TIG (566 J/mm) a taxa de diluição foi relativamente constante. De fato, a taxa de diluição para as amostras ER1 (30%) e ER2 (33%) é próxima de TIG1 (36%) e TIG2 (35%). - para o nível mínimo de energia em ambos os processos de soldagem, ER (534 J/mm) e TIG (417 J/mm) a taxa de diluição também foi relativamente constante. De fato, a taxa de diluição para as amostras ER3 (17%) e ER4 (15%) é próxima de TIG3 (15%) e TIG4 (14%). Estes resultados mostram que quando se altera o processo (ER ou TIG) mesmo com níveis de energia de soldagem distintos, as taxas de diluição foram mantidas similares em seus respectivos níveis máximo e mínimo de energia de soldagem. Este fato comprova uma coerência na definição dos parâmetros de soldagem estabelecidos nas EPS da Tabela 3. Dessa forma, uma mudança no processo de soldagem pouco alterou os resultados da taxa de diluição. A variação de energia de soldagem (máximo e mínimo) se deu principalmente pelo aumento da corrente e tensão conforme pode ser verificado na Tabela 2. De fato, a velocidade angular de soldagem, imposta por meio dos rolos giratórios, foi mantida constante para o processo ER (269 mm/min) e para o TIG (170 mm/min). Para facilitar o estudo pelo diagrama de Schaeffler, será usada a média das médias da taxa de diluição, veja tabela 3. Para energia máxima, ponto A, diluição de 33,5% e para energia mínima, ponto C, diluição de 15,2%. O estudo será feito para a deposição da primeira camada de revestimento sobre o aço SAE 4130 e para a deposição da segunda camada de revestimento sobre o metal de solda. O cálculo da Taxa de Deposição (TD) é mostrado na Tabela 4. Verifica-se que a taxa de deposição é maior para o maior nível de energia, bem como o processo ER apresenta valores superiores que o processo TIG. Portanto, deve-se escolher, quando possível, usar o processo ER no nivel de energia máximo, que apresentará maior produtividade na soldagem de revestimento. Tabela 4. Cálculo da taxa de deposição (TD). Processo de Soldagem ER TIG Diâmetro do eletrodo 4 mm 3,2 mm Energia de soldagem MAX MIN MAX MIN Corrente(a) Tensão(v) Peso antes soldagem (g) Peso após soldagem (g) Tempo de soldagem (s) Taxa de Deposição (kg/h) 1,91 1,35 0,93 0,72 Deposição da 1ª Camada de Revestimento sobre o SAE 4130: o diagrama de Schaeffler, figura 2, mostra o ponto MB (SAE 4130), que foi unido por uma reta a cada um dos eletrodos 308, 309 e 312. Também sobre a reta estão os pontos A e C referentes às taxas de diluição. As seguintes observações podem ser feitas a partir da figura 2: a) O eletrodo 308 com nível mínimo de diluição (ponto C) cai no campo A+F com valor inferior a 5% de ferrita δ, susceptível a apresentar trincas de solidificação [8]. Em todo o intervalo entre os pontos A e C há a possibilidade do metal de solda estar no campo totalmente austenítico. O nível máximo de diluição (ponto A) cai no campo austenita mais martensita (A+M), onde o cordão de solda pode apresentar valores de dureza elevados [9]. Pode-se concluir que o eletrodo 308, na faixa de diluição analisada, não atende aos critérios estabelecidos neste trabalho. b) O eletrodo 309 com nível mínimo de diluição (ponto C ) cai no campo A+F entre 5 a 10% de ferrita δ, sem restrição quanto a seu uso. Já o nível máximo de diluição (ponto A ) cai no campo totalmente austenítico, sujeito a trincas de solidificação devido à ausência de ferrita δ [9]. Portanto, apesar de factível o uso do eletrodo 309 na primeira camada do revestimento, a diluição deve ser menor que cerca de 18%, para evitar um metal de solda totalmente austenitico, sujeito a trincas de solidificação. c) O eletrodo 312 tanto com nível mínimo e máximo de diluição (pontos A e C ) cai no campo A+F entre cerca de 10% a 20% de ferrita δ, que permite utilizar qualquer valor na faixa de energia de soldagem estudada, atendendo os requisitos estabelecidos. O eletrodo 312 torna-se boa alternativa para a primeira camada de revestimento sobre o aço SAE Este se solidifica com uma estrutura austeno-ferrítica, com um maior teor de ferrita δ na solda [10], devido ao maior teor de Ni e Cr, evitando que o metal de solda se torne sensível ao aparecimento de trincas a quente durante a solidificação [11-13]. Com base na discussão acima, foi escolhido o eletrodo 312 no nível de energia de soldagem máximo (Ponto A, figura 2) para ser avaliado pelo diagrama de Shaeffler na deposição da segunda camada de revestimento. Deposição da 2ª Camada de Revestimento sobre o Metal de Solda 312: o diagrama de Schaeffler, figura 3, mostra o ponto escolhido acima, agora identificado como MS, que foi novamente unido por uma reta a cada um dos eletrodos 308, 309 e 312. Também sobre a reta estão os pontos A e C referentes às taxas de diluição. As seguintes observações podem ser feitas a partir da figura 3: a) Os eletrodos 308 e 309 na 2ª camada apresentam resultados parecidos. Ambos apresentam os pontos de diluição mínima e máxima no campo A+F na faixa de 5% a 10 % de ferrita δ, atendendo todos os critérios estabelecidos. Portanto, pode-se concluir que tanto o eletrodo 308 como o 309 são alternativas adequadas para a deposição da segunda camada sobre a primeira camada de 312, independente do nível de energia (máximo ou mínimo) a ser utilizado. b) O eletrodo 312 na 2ª camada: os pontos de diluição mínima e máxima caem no campo A+F na faixa de 20% a 40 % de ferrita δ, não atendendo ao critério estabelecido de 20% máximo de ferrita δ. Assim, o eletrodo 312 não é uma boa alternativa para a segunda camada do revestimento. 346

5 Avaliação Metalúrgica da Soldagem de Revestimento Inox Austenítico Sobre Aço SAE 4130 Figura 2. Diagrama de Schaeffler para deposição da primeira camada de revestimento sobre o MB Metal de Adição 308, 309 e 312. Figura 3. Diagrama de Schaeffler para deposição da segunda camada de revestimento sobre o MS 312. Metal de Adição 308, 309 e 312. Tabela 5. Especificação para soldagem. Processo: Eletrodo Revestido Corpo-de-prova Cp-1 (1ª Camada - 312) Cp-2 (1ª Camada e 2ª Camada - 308) Cp-3 (1ª Camada e 2ª Camada - 309) CC- Parâmetros Tipo de corrente Corrente (A) Tensão (V) Velocidade de soldagem (mm/min) Rendimento térmico do processo de soldagem (r) 0, pré-aquecimento ( C) Energia nominal de soldagem (J/mm) Energia de soldagem (J/mm) 999 Como conclusões desta 1ª etapa, a análise pelo diagrama de Schaeffler mostra que: o processo ER pode ser usado em todos os casos na condição de energia de soldagem máxima; a primeira camada do revestimento deve ser feita com o eletrodo 312; a segunda camada pode ser feita tanto com o eletrodo 308 como com o 309. A 2ª etapa tem o objetivo de validar os resultados empíricos obtidos na 1ª etapa. A tabela 5 apresenta detalhes da EPS, todos utilizando o processo ER no nível de energia de soldagem máximo. Foram aplicados 4 cordões de solda em cada camada de revestimento, com um fator de sobreposição de 30%. Os seguintes corpos-de-prova foram soldados para caracterização (a) Cp-1 metalúrgica: Cp-1: deposição apenas da primeira camada com eletrodo 312; Cp-2: eletrodo 312 na primeira camada e eletrodo 308 na segunda camada; Cp-3: eletrodo 312 na primeira camada e 309 na segunda camada. As macrografias são mostradas na figura 4, onde pode ser observado o metal base e os cordões de solda da 1ª e 2ª camada do revestimento de cada corpo-de-prova. Não foram verificadas descontinuidades. A espessura total do revestimento com duas camadas foi de 6 mm para o Cp-2 e 7,5 mm para o Cp-3. Ambas apresentaram espessura do revestimento superior a 5 mm após a deposição da segunda camada, atendendo assim ao critério previsto no trabalho. (b) Cp-2 (c) Cp-3 Figura 4. Macrografias das juntas soldadas: (a) Cp-1; ( b) Cp-2 ; (c) Cp

6 Márcio de Souza Elias, Ronaldo Paranhos (a) (b) (c) Figura 5. Gráficos do perfil de dureza (HV 0,2 ). (a) Cp-1; (b) Cp-2; e (c) Cp-3 (a) (b) Figura 6. Corpos de prova de dobramento após ensaio. (a) Cp-2; (b) Cp-3. Os resultados do ensaio de dureza Vickers são mostrados na figura 5. O maior valor individual de dureza obtido foi de 285 HV na 1ª camada do CP3, abaixo do valor máximo de 350 HV previsto pela norma Norsok [14]. O mesmo ocorreu na ZTA e MB, indicando que o pré-aquecimento foi eficaz em evitar regiões duras no aço SAE Os resultados de dureza foram considerados satisfatórios. Os ensaios de dobramento foram realizados até o ângulo de 90º e apresentaram boa ductilidade, como mostrado na figura 6. Não foram observadas descontinuidades na superfície dos cordões de solda. Os corpos de prova Cp-2 e Cp-3 apresentaram descontinuidades de cerca de 1,5 mm na lateral da amostra. Porém, estas estão localizadas na ligação do metal de adição com o metal base, que foram atribuídas à dissimilaridade dos metais e às diferenças nas suas propriedades [15]. A norma API 1104 [16] aceita descontinuidades até 3 mm. Desta forma, os resultados de dobramento foram considerados como satisfatórios. A tabela 6 mostra os resultados de ferrita δ na zona fundida (ZF), onde foi incluída uma coluna com os resultados previstos pelo diagrama de Schaeffler na 1ª Etapa. Estes são coerentes com os valores medidos pelo ferritoscopio. Os resultados de ferrita δ obtidos atendem ao critério de aceitação estabelecido, pois estão compreendidos entre 5 e 20%, valor máximo permitido pela Norsok [14]. Com um teor de ferrita δ entre 5 e 10%, a solda apresenta boa resistência a trincas durante a solidificação, sendo considerada o mais adequado para as aplicações gerais destes materiais [17]. Tabela 6. Medição de ferrita δ pelo ferritoscópio e previsto pelo diagrama de Schaeffler. Ferritoscópio Schaeffler Corpo de prova Camada 1º ponto 2º ponto 3º ponto 4º ponto Media Valor Empírico Cp-1 1ª Camada 12,60 15,60 16,50 14,50 14,80 10,50 Cp-2 1ª Camada 11,30 11, ,45 10,50 2ª Camada ,90 11,40 11,65 8,00 Cp-3 1ª Camada 10,80 12, ,85 10,50 2ª Camada ,40 10,40 9,90 11,00 348

7 Avaliação Metalúrgica da Soldagem de Revestimento Inox Austenítico Sobre Aço SAE 4130 Figura 7. Cp-1. Microestrutura do MB (direita), ZTA, zona de ligação e ZF primeira camada (esquerda). MEV. 300x. A caracterização da microestrutura por MO, MEV e EDS foram realizadas no MB, na ZTA e na ZF da 1ª camada com o 312 e na ZF da 2ª camada para os Cp-2 e Cp3. A figura 7 mostra a microestrutura do MB, da ZTA e da zona de ligação. O MB, aço SAE 4130, apresenta microestrutura típica de aço hipoeutetóide, composta de ferrita e perlita. A ZTA e a zona de ligação, que sofreram influência dos ciclos térmicos da soldagem, apresentam crescimento no tamanho de grãos. Na zona de ligação se observa degradação da perlita. A redução dos valores de dureza na ZTA (figura 5) foi atribuída ao maior tamanho de grão. O pré-aquecimento usado promoveu redução na velocidade de resfriamento, evitando na ZTA a formação de fases duras [18-20]. A figura 8 mostra a microestrutura da ZF da 1ª camada com 312, para o Cp-1 (a) e Cp-2 (b), Esta é constituída de austenita e ferrita δ. A ferrita δ apresenta morfologia vermicular e laminar, e compatível com o teor medido pelo ferritoscópio na tabela 6, de 14,80% para o Cp-1 e 11,45% para o Cp-2. A figura 9 mostra a microestrutura do revestimento do Cp-2. A figura 9 (a) mostra a zona de ligação da 1º camada de 312 (esq) com a 2º camada de 308 (dir), onde se observa que as dendritas crescem com orientação similar nas duas camadas. Como cada cordão foi depositado no mesmo sentido, a orientação cristalográfica das dendritas tende a se manter inalterada entre os diversos cordões [21]. A figura 9 (b) mostra que a ZF da 2º camada de 308 é constituida de austenita e ferrita δ. Qualitativamente, a fração de ferrita δ está de acordo com o teor de 11,65 % medido pelo ferritoscopio, tabela 6. Ao observar as figuras 9 (a) e (b), constata-se a similaridade no teor de ferrita δ comparando as analises qualitativa e quantitativa. De fato, o teor de ferrita δ na zona fundida de todos os Cp s ficaram próximos de cerca de 10 à 15%, reduzindo a probabilidade das zonas fundidas serem suscetiveis à fissuração a quente devido à presença de ferrita δ [8]. A figura 10 mostra a microestrutura do revestimento do Cp3. A figura 10 (a) mostra a zona de ligação da 1º camada de 312 (esq) e 2º camada de 309 (dir), onde também se observa que as dendritas crescem com orientação similar nas duas camadas [21]. A figura 10 (b) mostra a ZF da 1ª camada de 312, constituida de austenita e ferrita δ, similares às obtidas na figura 8 para o Cp-1 e Cp-2. A fração de ferrita δ está de acordo com o teor de 11,85 % medido pelo ferritoscopio, tabela 6. A figura 10 (c) mostra a ZF da 2ª camada de 309, também constituída de austenita e ferrita δ, cuja concentração é compatível com o teor de 9,90 % medido pelo ferritoscópio, tabela 6. (a) (b) Figura 8. ZF da 1ª camada com 312. Reagente Marble. (a) Cp-1, MEV, 500x; (b) Cp-2, MO, 500x. 349

8 Márcio de Souza Elias, Ronaldo Paranhos (a) (b) Figura 9. Cp-2: Microestrutura da ZF obtida do por MO. Reagente Marble. (a) zona de ligação da 1º camada de 312 (esq.) e 2º camada de 308 (dir.). 300x ; (b) 2º camada de x. (a) (b) (c) Figura 10. Cp-3: Microestrutura da ZF obtida por MO. (a) zona de ligação da 1º camada de 312 (esq.) e 2º camada de 309 (dir.), 300x ; (b) 1º camada de x ; (c) 2º camada de 309, 500x. Elemento (b) % em peso Si 1.06 Si 1.11 Cr Cr Fe Fe Ni Ni (a) Elemento % em peso (c) Figura 11. Cp-2: Imagem e gráficos obtidos em MEV e EDS. (a) Microestrutura da ZF da 2ª camada de 308, 1000x; (b) composição química da região ferritica e (c) composição química da região austenitica. 350

9 Avaliação Metalúrgica da Soldagem de Revestimento Inox Austenítico Sobre Aço SAE 4130 Elemento % em peso Si 0.91 Cr Fe Ni 6.19 Al 2.68 Mo 3.05 Elemento % em peso Si 1.17 Cr Fe Ni 8.86 Mn 1.12 Mo 1.82 (a) (b) (c) Figura 12. Cp-3: Imagem e gráficos obtidos em MEV e EDS. (a) Microestrutura da ZF da 2ª camada de 309, 2000x; (b) EDS mostrando composição química da região ferritica e (c) EDS mostrando omposição química da região austenitica. As figuras 11 e 12 mostram a microestrutura obtida por MEV e a microanálise por EDS para mapear a variação de composição química das regiões ferritica e austenitica do revestimento. Referem-se à 2ª camada com eletrodo 308 (Cp-2, figura 11) e 2ª camada com eletrodo 309 (Cp-3, figura 12). Observa-se que em ambos ocorre uma redução do teor de Cr e um aumento do teor de Ni entre as regiões ferritica e austenitica. Essa diferença de concentração do centro das dendritas (austenita) para a região interdendritica (ferrita) é causada pela diferença de solubilidade entre as fases liquida e solida. Esta característica tem efeito direto no tempo de homogeneização e determina as propriedades mecânicas e de corrosão, além do seu desempenho em serviço [22]. Os resultados obtidos neste trabalho para a soldagem de revestimento inox austenitico sobre o aço SAE 4130, permitem as considerações a seguir. Na soldagem da 1ª camada, o eletrodo 309 pode ser usado, como indicado na literatura [23]. Porém, o nível de energia e de diluição deve ser mantido baixo, devido ao risco de trincas a quente. Já o eletrodo 312 pode ser usado com maior segurança, mesmo com maior nível de energia, o que garante maior produtividade. Com o eletrodo 312 na 1ª camada, os teores de Cr eqv e Ni eqv são muito próximos aos do eletrodo 308. Na soldagem da 2ª camada, tanto o eletrodo 308 como o 309 podem ser usados, mesmo com maior nível de energia, ou seja, maior produtividade. Porém, o eletrodo 308 tende a ter menor custo que o 309, devido aos menores teores de Cr e Ni do eletrodo 308 [6]. Desta forma, o trabalho conclui que a soldagem da 1ª camada com eletrodo 312 e a segunda camada com 308 permite a melhor produtividade e menor custo, atendendo aos critérios de qualidade estabelecidos, incluindo requisitos da norma API- 6A [7]. 4. Conclusões A avaliação metalúrgica da soldagem de revestimento inox austenítico sobre aço SAE 4130 utilizado em raisers, podese concluir que: - As EPS s para os processos TIG e ER produziram taxa de diluição semelhante para o nível de energia máximo (33,5 %) e para o nível de energia mínimo (15,2 %). Porém, o processo ER possui maior taxa de deposição. - O eletrodo 312 pode ser usado na 1ª camada do revestimento com nível de energia máximo, enquanto que o eletrodo 309 somente pode ser usado com segurança no nivel de energia mínimo. - Ambos os eletrodos 308 e 309 podem ser usados na aplicação da 2ª camada sobre a 1ª camada depositada com eletrodo 312, usando nível de energia máxima. - A soldagem da 1ª camada com eletrodo 312 e a 2ª camada com eletrodo 308 obtém a melhor produtividade e o menor custo, atendendo aos critérios de qualidade estabelecidos. 5. Referências Bibliográficas [1] BHADURI, A. K., GILL, T. P. S., ALBERT, S. K., SHANMUGAM, K., IYER, D. R.; Repair welding of cracked steam turbine blades using austenitic and martensitic stainless steel consumables. Nuclear Engineering and Desing. V.206, pp , [2] KAÇAR, R., BAYLAN, O.; An investigation of microstructure/property relationships in dissimilar welds between martensitic and austenitic stainless steel. Materials & Design, v. 25, pp , [3] TSAY, L. W., LIN, W. L.; Hydrogen sulfide stress corrosion cracking of weld overlays for desulfurization reactor. Corrosion Science. v.40, n.4/5, pp, , [4] SUN, Z.; HAN, H.Y.; Weldability and properties of martensitic/austenitic stainless steel joints, Mat. Science and Technology, 10(9): , [5] GOMES, J.H. F.; Análise e otimização da soldagem de revestimento de chapas de aço ABNT 1020 utilização de arame tubular inoxidável austenítico. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, [6] AWS. Welding Handbook: Welding Processes. American Welding Society, v. 2. 8th ed. Miami, 955 p., [7] API (American Petroleum Institute). Specification for 351

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