SOLDAGEM À LASER Nd:YAG PULSADO NO AÇO SUPER AUSTENÍTICO AISI 904L G.G. Andrade, J.Gallego, R.C.Tokimatsu, V.A.Ventrella UNESP Departamento de Engenharia Mecânica, ventrella@dem.feis.unesp.br, Av. Brasil Centro 56, CEP 15385-000, Ilha Solteira SP, Brasil. RESUMO A soldagem laser Nd:YAG pulsado vem sendo utilizada atualmente para diferentes tipos de materiais. O aço inoxidável super austenítico AISI 904L vem sendo muito empregado em tanques de armazenamento de ácido sulfúrico e fosfórico, além de ampla aplicação na indústria petroquímica. Conduziu-se uma soldagem à laser Nd: YAG pulsado em chapas de aço inoxidável super austenitico AISI 904L com espessura de 3 mm, variando-se quatro fatores tais como Potência de pico (P), Largura temporal (L), Frequência (F) e Velocidade de soldagem (S), todos eles distribuídos em três níveis de variação. Foi realizado um Planejamento Experimental através do Método Taguchi. A energia de soldagem de cada pulso variou de 30 a 38,4J e as taxas de sobreposição variaram de 60 a 83%. As amostras foram preparadas para metalografia e observadas em microscopia ótica e eletrônica de varredura. Apesar da maioria das amostras romperem na Zona Fundida (ZF), a resistência mecânica ficou muito próxima do valor encontrado para o Metal Base (MB). Para o MB, ZTA e ZF, os valores médios de microdureza obtidos foram 215, 242 e 238 HV respectivamente, indicando uma soldagem onde a ZF apresentou uma microestrutura austenitica assim como o metal base. Palavras-chave: Soldagem, laser pulsado, Nd:YAG, Super Austenítico, AISI 904L. INTRODUÇÃO O uso do laser na indústria moderna vem crescendo rapidamente, pois o laser é uma ferramenta poderosa em muitas áreas, como a da soldagem. As propriedades da coerência espacial e a alta radiança da luz laser são as bases de suas vantagens 6768
sobre métodos tradicionais de processamento de materiais (1). A coerência espacial permite a focalização da luz em um ponto muito pequeno, fornecendo uma densidade de radiação localizada e extremamente alta. Através do controle da carga térmica fornecida a um dado material, podemos obter praticamente qualquer regime dependente do tempo na área afetada. Isto dá ao laser uma incrível versatilidade em tantas aplicações distintas. Comparando o laser com tecnologias clássicas, o mesmo ainda vem sendo utilizado em lotes de peças pequeno, embora tem se observado um aumento na demanda por produtos de diferentes materiais e geometrias (2, 3, 4). O setor de Petróleo e Gás Natural está revestindo ou substituindo componentes de aços inoxidáveis austeníticos convencionais (316L) por aços inoxidáveis austeníticos com maior teor de Molibdênio (317L) ou por aços inoxidáveis super austenítico. Essas operações são baseadas principalmente em resultados de ensaios de corrosão realizados nestes materiais através de laboratórios de pesquisa em todo o mundo. Nesse contexto, a soldagem tem papel de destaque, pois é o principal método de fabricação empregado no setor de Petróleo e Gás Natural. Os aços inoxidáveis super austeníticos ou aços inoxidáveis austeníticos de alta performance, foram desenvolvidos para ambientes muito agressivos e possuem uma quantidade ainda maior de elementos de liga. Eles são chamados super austeníticos, pois se relaciona com o fato de serem aços inoxidáveis austeníticos com elevadas quantidades de cromo, níquel, molibdênio, nitrogênio e possivelmente manganês e até cobre. A concentração de cromo nesse tipo de aço pode variar de 17 a 25%, o níquel vai de 14 até 25% e o molibdênio de 3 a 7%. Além disso, para aumentar ainda mais a resistência mecânica e à corrosão, muitas ligas austeníticas de alta performance podem ter incluído nitrogênio além de cobre para aumentar a resistência à determinados tipos de ácidos (5,6,7). No presente trabalho foi realizada uma análise sobre o uso de uma fonte laser de estado sólido Nd:YAG, no modo pulsado, em soldagem de topo de chapas de aço inoxidável super austenítico AISI 904L, com 3,0 mm de espessura. Foi estudado o efeito dos parâmetros de soldagem: Potência de pico [kw], Largura temporal [ms], Frequência [Hz] e Velocidade de soldagem [mm/s] nas características da junta soldada. 6769
MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho de pesquisa foram realizadas soldagens autógenas de topo, utilizando um sistema laser de Nd:YAG na condição pulsado, cujo arranjo experimental é mostrado na Fig. 1. O metal base utilizado neste estudo foi o aço inoxidável super austenítico AISI 904L, na forma de chapas com 3,0 mm de espessura. As amostras foram cortadas na dimensão 25 mm x 75 mm. A composição química do metal base é mostrada na Tab. 1. As amostras foram preparadas e limpas para garantir a mesma condição superficial nas chapas e um acabamento homogêneo. Fig.1 Sistema de soldagem por laser pulsado Nd:YAG. Tabela 1. Composição química analisada (% em peso) do aço inoxidável AISI 904L. Elem. C Cr Ni Mo Cu Mn Si N Teor % 0,001 20,10 24,33 4,22 1,49 1,40 0,43 0,06 As soldagens foram realizadas com Argônio como Gás protetor, 15 l/min. Os fatores de controle que foram utilizados são a Potência de Pico (kw), Largura Temporal (ms), Frequência de Pulso (Hz) e Velocidade de Soldagem (mm/s), divididos em três níveis de acordo com as Tabelas 2 e 3, totalizando 9 corpos de prova. 6770
Tabela 2. Parâmetros de soldagem. Fatores de Controle Nível 1 Nível 2 Nível 3 Potência de pico (P) 3 kw 3,1 kw 3,2 kw Largura temporal (L) 10 ms 11 ms 12 ms Frequência do pulso (F) 3 Hz 3,3 Hz 3,6 Hz Velocidade de soldagem (V) 1 mm/s 1,5 mm/s 2 mm/s Tabela 3. Matriz dos parâmetros utilizados amostras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P (kw) 3,0 3,0 3,0 3,1 3,1 3,1 3,2 3,2 3,2 L (ms) 10 11 12 10 11 12 10 11 12 F (Hz) 3,0 3,3 3,6 3,3 3,6 3,0 3.6 3,0 3,3 V (mm/s) 1,0 1,5 2,0 2,0 1,0 1,5 1,5 2,0 1,0 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fig.2a mostra uma macrografia da secção transversal do cordão de solda, onde observa-se pela geometria que a soldagem foi realizada no modo key-hole. A Fig. 2b mostra uma micrografia da zona de ligação entre metal base AISI 904L e metal de solda, onde se observa uma microestrutura constituída basicamente de austenita. A Fig. 3 mostra uma vista superior dos cordões de solda onde observa-se a sobreposição dos pulsos do cordão de solda nas diferentes condições analisadas. 6771
(a) (b) Fig.2 Macrografia do cordão de solda (a), micrografia do cordão de solda (b) obtido por laser pulsado de Nd:YAG. Fig.3 Vista superior dos cordões de solda laser nas condições analisadas.. Observou-se que a geometria do cordão de solda está diretamente relacionada com os parâmetros envolvidos no processo de soldagem a laser pulsado, tais como a largura temporal(l) e a potência de pico(p) do feixe laser em relação à superfície 6772
do metal base. Todas as soldas apresentaram um contorno de grão de acordo com o crescimento de grãos dendríticos a partir da interface da zona de fusão em direção ao eixo central da solda, muito semelhante à macroestrutura de um lingote. Essa diferença de profundidades provém do tipo de soldagem que é realizada por pulsos energéticos liberados de maneira periódica, conforme observado na Figura 3. Os ensaios de tração foram realizados nos corpos de prova soldados em uma condição sem solda (SS) para comparação. A Tabela 4 mostra a média dos principais resultados obtidos com o ensaio de tração. Quase todos os corpos de prova romperam justamente no cordão de solda exceto as amostras sem solda, amostra 5 e amostra 9. Quando comparados os valores nota-se que as amostras que romperam no metal base possuem um Limite de Resistência à Tração (LRT) diferente da Tensão de Fratura (TF) do material. Apesar disto, os valores referentes ao Limite de Escoamento (LE) exibem pouca diferença entre as amostras. Tabela 4. Resultados dos ensaios de tração. amostras SS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LE 322 316 320 227 309 293 314 316 202 209 LRT 649 633 641 423 636 634 629 604 502 499 TF 452 633 651 423 636 634 619 604 502 450 Nos ensaios de microdureza Vickers, foi levantado um perfil médio para as zonas de Metal Base (MB), Zona de Transição (ZT) e Zona Fundida (ZF). A ZT é a zona do metal base próxima ao metal de solda, já que uma Zona Termicamente Afetada (ZTA) não foi detectada. Ao comparar os perfis de cada amostra, entre elas mesmas, foi gerado um gráfico apresentado na Figura 4. 6773
Fig.4 Perfil de microdureza das amostras soldadas. A soldagem laser Nd:YAG gerou cordões de solda no formato keyhole, no qual a energia de soldagem variou de 1,5 kj/mm até 3,2 kj/mm, sendo que os maiores aportes térmicos coincidem com as amostras de maior taxa de sobreposição: 79, 83 e 81% respectivamente. O cordão de solda keyhole possui um formato bem característico com grande profundidade e pequena largura, no qual predomina o modo de soldagem em função da vaporização do metal dentro da cavidade, o que gerou algumas descontinuidades como bolhas dentro da Zona Fundida e até pequenas trincas de liquefação, conforme Figura 5. Figura 5. Trincas de liquefação na Amostra 9. 6774
Em uma análise prévia, foi realizada uma difração de raios X para determinar qual a microestrutura predominante na Zona Fundida e se houve ou não a geração de ferrita delta, além das possíveis diferenças em relação ao Metal Base. O gráfico obtido no ensaio de difração de raios X é mostrado na Figura 6 Figura 6. Gráfico da difração raio-x para Amostra 1. Ao observar o gráfico nota-se picos em posições idênticas, tanto no metal base como no metal de solda. Essas posições coincidem com o perfil de posições relativas à fase Austenita, mostrando que não houve qualquer geração de ferrita delta e que não houve mudança de fase na ZF em relação ao MB. CONCLUSÃO É viável a utilização do processo de soldagem autógeno com laser Nd:YAG pulsado na união de chapas de aço inoxidável super austenítico AISI 904L. O aumento da taxa de sobreposição gera mais refusões intensificando as descontinuidades no metal de solda do tipo vazios e trincas de liquefação. As amostras romperam no metal de solda, exceto uma amostra da condição 5 (3,1 kj/mm) e outra da condição 9 (3,2 kj/mm), justamente duas das quais 6775
apresentaram maior taxa de sobreposição. Além disso, mesmo rompendo no metal de solda, os valores para o limite de escoamento e limite de resistência à tração tiveram valores muito próximos dos valores obtidos pelo ensaio das amostras sem solda, ou seja, em relação ao próprio metal base utilizado. A dureza do Metal Base (MB) foi de 200 HV enquanto da Zona Fundida (ZF), 240 HV. A Zona de Transição (ZT) obteve valores muito próximos dos valores da ZF, até com uma média superior a mesma. Na microestrutura não é evidente uma Zona Termicamente Afetada (ZTA) e foi observado a ausência de qualquer fase microestrutural que não a austenita por meio de um ensaio de difração raios X. Descontinuidades como trincas de solidificação e bolhas foram os que mais apareceram, podendo ser explicado pela ausência de ferrita delta na composição microestrutural, que exerce um papel nos aços inoxidáveis austeníticos de reduzir a sensibilidade à formação de trincas de solidificação. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao suporte financeiro da FAPESP. REFERÊNCIAS 1. GILNER, A., HOLTKAMP, J., HARTMANN, C., OLOWINSKY, A., GEDICKE, J., KLAGES, K., BOSSE, L., BAYER, A., 2005, Laser applications in microtechnology, Journal of Materials Processing Technology 167, pp.494-498. 2. ION, J.C., 2005, Laser Processing Materials, Ed. Elsevier, UK, 556p. 3. STEEN, W.M., 2005, Laser Material Processing, Springer, USA, 408 p. 4. DULEY, W.W., 1999, Laser Welding, Ed.John Wiley&Sons, USA, 251p. 5. WALLEN, B.; LILJAS, M.; STENVALL, P. Proceedings of the conference on applications of stainless steel, Stockolm, p. 9 11, 1992. 6. OUTOKUMPU. Handbook of stainless steel. [S.I.: s.n.], 2013. 92 p.. 7. SATHIYA, P.; JALEEL, M. Y. A. Measurement of the bead profile and microstructural characterization of a CO2 laser welded AISI 904 L super austenitic stainless steel. Optics & Laser Technology, [s.l.], v. 42, n. 6, p. 960-968, set. 2010. 6776
AISI 904L SUPER AUSTENITIC STEEL WELDED BY PULSED Nd:YAG LASER ABSTRACT Laser welding Nd: YAG laser is currently being used for different types of materials, super austenitic stainless steel AISI 904L, has been widely used in sulfuric and phosphoric acid storage tanks, as well as wide application in the petrochemical industry. Led to a welding the Nd: YAG pulsed in plates of super austenitic stainless steel AISI 904L with a thickness of 3 mm, varying four factors such as peak power (P), temporal width (L), frequency (F) and Welding speed (S), all of them distributed in three levels of variation. Experimental Planning was done using the Taguchi Method. The welding energy of each pulse varied from 30 to 38.4J and the overlapping rates ranged from 60 to 83%. The samples were prepared for metallography and observed under optical and scanning electron microscopy. Although most of the samples broke in the Fused Zone (ZF), the mechanical strength was very close to the value found for the Metal Base (MB). For the MB, ZTA and ZF, the average values of microhardness obtained were 215, 242 and 238 HV respectively, indicating a welding where the ZF presented an austenitic microstructure as well as the base metal. Key-words: Welding, Pulsed Laser, Nd:YAG, Super austenitic, AISI 904L. 6777