UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA CARACTERIZAÇÃO DE SOLDAS DISSIMILARES DEPOSITADAS PELO PROCESSO MIG Belém-PA 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA CARACTERIZAÇÃO DE SOLDAS DISSIMILARES DEPOSITADAS PELO PROCESSO MIG Este relatório parcial é parte constituinte da bolsa de estudos Pibic/FAPESPA 2016/2017 cedida ao projeto Estudo e Avaliação de Procedimentos de Soldagem de Juntas Dissimilares Considerando as Aplicações Submarinas do Setor de Petróleo e Gás Natura-PROSOL. Orientador: Carlos Alberto Mendes Da Mota Bolsista: Mailthon Ritter Gil Belém-PA 2016 2
1. RESUMO Estudar o comportamento operacional dos processos de soldagem MIG Pulsado em juntas soldadas de materiais dissimilares, e as suas características metalúrgicas e de resistência mecânica, são fortes variáveis a se considerar no que se refere às uniões metálicas. As juntas em estudo são de chapas de aço SAE 1020 chanfradas e de aço ASTM A182 F22 sem chanfro/amanteigada, soldadas em múltiplos passes com eletrodo de inconel 625 (AWS NiCrMo-3). As soldas são inspecionadas visualmente, por líquidos penetrantes, e a ZTA (zona termicamente afetada), a ZPM (zona parcialmente misturada) e o MS (metal de solda) são analisadas por microscopias ótica e eletrônica de varredura, e perfil de dureza e microdureza. Os resultados são comparados, e analisados o seu desempenho quanto a presença de defeitos, fases e resistências mecânica e ao desgaste. Palavras Chaves: Soldagem, Inconel 625, Mig, Dissimilar, Taguchi. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral Estudar a metalurgia básica de soldas de materiais dissimilares depositadas com superligas de níquel pelo processo MIG. 2.2 Objetivo especifico Elaborar a parametrização das variáveis/condições de soldagem; Avaliar as características geométricas das soldas de passes isolados em simples deposição; Caracterizar a metalurgia básica do amanteigamento em superfícies planas. 3. INTRODUÇÃO As empresas do ramo petrolífero investem pesado em novas tecnologias para garantir a qualidade e a continuidade das operações de exploração e refino do petróleo bruto, mantendo foco nas inspeções e na manutenção de seus equipamentos submetidos a meios agressivos de natureza diversificada e às vezes imprevistas. Vasos de pressão, reatores, tubulações, válvulas e acessórios em geral, dentre outros, nas linhas de produção dispensam especial atenção. Neste contexto, esforços são multiplicados para se reduzir as paradas para manutenção não programada e, inclusive, as intervenções por soldagem. Parâmetros de soldagem com uso de eletrodos de aço carbono, são selecionados através de métodos estatísticos que fundamentam o projeto do comportamento das zonas de interesse na união soldada. 4. REVISÃO BIBLIOGRAFICA O processo de soldagem a arco MIG/MAG ou GMAW, figura 1, se baseia na formação de um arco voltaico entre a peça de trabalho e um eletrodo nu maciço consumível, com contínua alimentação. A proteção do arco e da região da solda contra contaminação pela atmosfera é feita por um gás ou mistura de gases suprida com pressão e vazão adequadas. PLANCKAERT et. al (2009). 3
Figura 01: Equipamento utilizado no processo de soldagem MIG/MAG. Gás Cabeçote Alimentador Tartílope Maleta Fonte O arame eletrodo (Inconel 625) possui características físico-mecânicas e metalúrgicas que dá à solda, alteridade superiores as exigidas pelas NR s vigentes. A união de materiais dissimilares, é a junção de chapas metálicas com composições diferentes composições químicas entre si. A indústria visa o menor gasto econômico mantendo os padrões exigido, onde a união de ligas menos nobres e mais baratas em dutos de tubulações menos nobres é uma das técnicas para tornar-se uma cadeia industrial mais produtiva. O gás de proteção Ar-25CO 2, é inserido no processo, já que o arame/eletrodo é maciço e, portanto, não apresenta revestimento ou fluxo interno de proteção, deste modo o gás viabiliza ao mesmo tempo a proteção da gota metálica e da poça de fusão contra a ação da atmosfera vizinha ao arco voltaico, e também auxilia na formação e manutenção do arco elétrico conferindo as características de estabilidade do arco e controle da transferência metálica, consumo do eletrodo e fusão localizada do metal de base. (SCOTTI & PONOMAREV, 2008). Através do método Higuchi e Higuchi modificado, são selecionados os melhores paramentos computacionais que geram tabelas. O diagrama de decisões, para a seleção das melhores condições de soldagem para as etapas, visando viabilidade e economia de materiais. 5. MATERIAIS E METODOS 5.1 Equipamentos Para este trabalho os principais equipamentos utilizados foram: Bancada de soldagem; Sistema de deslocamento automático da tocha de soldagem, Tartílope V2; Maleta de aquisição de dados Sap4; Fonte de soldagem Digitec 600; Tocha de soldagem, tipo Push ; Sistema para fixação dos corpos de prova; Termômetro (Pirômetro); Serra fita; Cut off/ Lixadeira e politriz; Microdurômetro; Microscópio ótico; Microscópio eletrônico de varredura (MEV). 4
5.2 Etapas A soldagem é automatizada pelo processo MIG e realizada em três etapas: I. Exploração de parâmetros em simples deposição sobre chapas de aço ASTM A182 F22. II. Soldagem de amanteigamento sobre chapas de aço ASTM A182 F22. 5.2.1 Etapa I Exploração do Melhor Parâmetro Abaixo, tabela com melhores paramentos encontrados pelo método Higuchi e Higuchi Modificado. Quadro 1 Parâmetros de soldagem para simples deposição. DBCP Ip(A) Tp (mm) (ms) Peça Proce Arame Gás Vgás Vs Va E dimen (l/min (cm/m (m/mi Tb (kj/m to ) in) n) Ib (A) (ms) m) MP1 Mig Incone Ar25% 15 15 20 3,5 300 3 70 13,5 0,84 MP2 Pulsad l He 15 15 20 3,5 350 2 90 20 0,84 o 625 MP3 15 15 20 3 250 3 85 20 0,84 MP4 15 15 20 5 250 3 160 20 1,50 MP5 15 15 30 5 350 2 160 20 0,98 MP6 15 15 30 5 350 2 135 20 0,77 DBCP=Distância bico de contato peça. Após a soldagem em simples deposição os corpos de prova foram seccionados transversalmente em amostras, figura 3, para análise geométrica e metalográfica na região da solda. As seções das amostras foram lixadas até 2000 mesh, polidas e atacadas quimicamente com nital 2% por 20 segundos e por ataque eletrolítico com ácido crômico 10% por 20 segundos para a obtenção das imagens macrográficas e micrográficas tanto do metal de base quanto do metal de solda, figura 4. Figura 02: Passes em simples deposição sobre chapas de aço ASTM A182 F22. Figura 03: Seção transversal de um passe em simples deposição sobre chapas de aço ASTM A182 F22. A análise geométrica como reforço (r), largura (b) e penetração (pe) das seções transversais dos cordões de solda foram medidas com o auxílio de um escâner de imagens e do software autocad, conforme ilustra a Figura 4. 5
Figura 04: Seção transversal de um cordão em simples deposição. Fonte: Sábio, 2007. Para o levantamento dos perfis de microdureza Vickers foram realizadas impressões utilizando uma carga de 100 gf aplicada durante 15 segundos na região central de cada cordão a partir da linha de fusão passando pela ZAC em direção ao metal de base, conforme a Figura 5. Figura 05: Região das impressões de microdureza Vickers ao logo da ZAC. Fonte: Espirito Santo, 2013. Foram realizadas 35 impressões verticais sendo as 5 primeiras espaçadas em 0,1 mm e para as demais o passo foi de 0,2 mm, conforme a norma ASTM E 384-99 (2000). Foi feito o levantamento do perfil de microdureza necessária para a definição da extensão da zona macia e zona dura na ZAC de cada cordão. Tomou-se como base para a medição da extensão da Zona Dura ZD e Zona Macia ZM o valor de 220 HV (limite inferior para a zona dura e consequentemente superior para a zona macia) e 310 HV (Limite inferior para a zona macia), respectivamente. Com base nos dados geométricos, metalúrgicos e de microdureza dos 6 passes isolados foi feito um tratamento estatístico pelo método de Higuchi convencional e Higuchi modificado. Foram montados os diagramas de decisão elaborados conforme Miranda (2009) os quais possibilitaram a seleção das melhores combinações entre os diagramas, de tal forma que a combinação destes parâmetros garanta o efeito de revenimento da camada subsequente sobre a ZAC da camada anterior. As Equações de 1 a 4 estabelecem os critérios de aceitação são: 1. PZM2-PZD1>0 2. R1+P1-PZD2>0 3. PZACGF2-PZACGG1>0 4. ZF1-PZACGG2>0 Sendo, PZM2 - Profundidade da zona mole da segunda camada; PZD1 - Profundidade da zona dura de primeira camada; R - Reforço; P - Penetração; PZACGF2 - Profundidade da zona afetada pelo calor de grão finos da segunda camada; PZACGG1 - Profundidade de grãos grosseiros na zona afetada pelo calor da primeira camada; 6
ZF1 - Zona fundida da primeira camada; PZACGG2 - Profundidade da zona afetada pelo calor de grão grosseiros da segunda camada. A sobreposição de camadas e a extensão das zonas são representadas na Figura 7. Figura 06: Sobreposição de camada. Fonte: Aguiar, 2001. 5.2.2 Etapa II Simulação Amanteigamento do aço ASTM A182 F22 Após a análise dos diagramas (a) e (b) e utilizando a metodologia da sucessão de passes sobrepostos em 50% foram amanteigadas duas chapas (J1) e (J2) de aço ASTM A182 F22. (1) 6,00 4,00 2,00 0,00-2,00-4,00-6,00 Gráfico 1: Condições de soldagem que contemplam as condições para primeira camada. (1), (2) e (3). 1 CAMADA NA CONDIÇÃO MP4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PZACGF2-PZACGG1>0 ZF1-PZACGG2>0 PZM2-PZD1>0 R1+P1-PZD2>0 (2) 4,00 1 CAMADA NA CONDIÇÃO MP5 2,00 0,00-2,00-4,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PZACGF2-PZACGG1>0 ZF1-PZACGG2>0 PZM2-PZD1>0 R1+P1-PZD2>0 7
(3) 6,00 1 CAMADA NA CONDIÇÃO MP6 4,00 2,00 0,00-2,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PZACGF2-PZACGG1>0 ZF1-PZACGG2>0 PZM2-PZD1>0 R1+P1-PZD2>0 Fonte: GetSolda, 2015. O procedimento de soldagem foi realizado sobre chapas de aço baixa liga ASTM A182 F22 em múltiplos passes com sobreposição de 50%. Em todo o procedimento de amanteigamento foi feito um controle interpasses de temperatura, a qual foi mantida em um patamar acima de 250 C. Figura 07: Esquema de sobreposição de passes em 50% com múltiplos passes, finalizado. Uma camada Figura 08: Esquema de sobreposição de passes com duas camadas. Duas camadas 8
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES 6.1 Análise visual, macrográfica e micrográfica das soldas em simples deposição O aspecto visual de todos os cordões de solda apresentou boa aparência com ótimo acabamento. Não houveram tricas ou mordeduras com uma boa concordância geométrica entre o reforço e a largura. Isso é importante, pois ao realizar a sobreposição em 50%, há menor possibilidade de ocorrer falta de fusão entre passes. Nas Figuras 09(a) e 09(b) percebe-se a seção transversal dos passes nas energias 1035 (T1) e 1200 (T6) J/cm. As figuras indicam uma maior robustez para as referidas energias de tal forma que suas dimensões favorecem a solda de amanteigamento. Figura 09: Aspecto superficial dos passes em simples deposição com as energias de soldagem. a) 1,035kJ/cm, b) 1,2kJ/cm. A B Figura 10: Macrográfia dos passes em simples deposição com as energias de soldagem. a) MP1 0,844kJ/cm, b) MP6 0,766kJ/cm. A B Através dos ensaios de microdureza foram definidas em todos os passes em simples deposição as extensões das regiões da zona afetada pelo calor dura (ZAC-ZD) e zona afetada pelo calor macia (ZAC- ZM). Além disso, pela morfologia dos grãos foram feitas análises para determinar as extensões das regiões de grãos grosseiros (ZAC-GG) e grãos finos (ZAC-GF). A Figura 12 mostra a morfologia dos grãos ao longo da ZAC do passe em simples deposição que utilizou a condição de soldagem MP6. Desta forma, cada passe em simples deposição possui uma maior ou menor extensão da região de ZD a ser revenida. Logo, para este revenimento alcançar a região de ZD do metal de base é necessária que a energia de soldagem do passe posterior seja suficiente para vencer a barreira térmica formada pela camada anterior. 9
Figura 11: Micrografia do passe em simples deposição MP6. Linha de fusão Metal de base 10
Gráfico 03: microdureza ao longo da zona de interesse. MP1 390 370 350 330 310 290 270 250 230 210 190 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 Gráfico 04: microdureza ao longo da zona de interesse. MP6 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 6.2 Diagrama de decisão Dos 6 diagramas de decisão montados os quais possibilitam relacionar as combinações de todos os parâmetros de soldagem dos passes em simples deposição, a maioria das combinações não foi aprovada de acordo com os critérios de Higuchi e Higuchi modificado. 11
Extensão das Regiões (mm) MP4 MP5 MP6 F22MP2 F22MP3 F22MP5 F22MP6 Extensão das Regiões (mm) MP4 MP5 MP6 F22MP2 F22MP3 F22MP5 F22MP6 6,00 4,00 2,00 0,00-2,00-4,00-6,00-8,00 Gráfico 2: Extensões geométrica e metalúrgica dos passes em simples deposição. Diagrama de Higuchi ZM ZD Penetração Reforço 6,00 4,00 2,00 0,00-2,00-4,00-6,00-8,00 Diagrama de Higuchi Modificado ZGF ZGG Penetração Reforço 6.3 Procedimento de amanteigamento Utilizando as condições previamente aprovadas pelos respectivos diagramas de decisão, foram amanteigadas duas chapas com as condições MP1(menor energia) e MP6 (maior energia). Notar que a ZM (ZGF) e a ZD (ZGG) são os correspondentes no diagrama de Higuchi Modificado. Figura 12: macrográfia dos passes com sobreposição de 50%, (a) MP1, (b) MP1- MP6. A B O comportamento da microdureza das amostras MP1 com somente uma camada e com a condição MP1 na primeira e MP6 na segunda camada, desde o metal de solda até o metal de base será abordado no relatório final. O ensaio por meio de MEV (microscopia eletrônica de varredura) e EDS (espectroscopia de energia dispersiva) serão abordados aqui, mostrando os fatores que causaram a redução de microdureza nas regiões MS, ZAC e ZPM. 7. CONCLUSÃO Seguindo os critérios definidos pelo método de Higuchi e Higuchi modificados, verificamos que os passem em simples deposição selecionados apresentavam uma boa molhabilidade, fator que ajudou quando os passes da segunda camada foram depositados. 12
Os aspectos visuais mostraram a ausência de falta de fusão, tanto para o parâmetro MP1 quanto para o MP1-MP6. Visto ainda, uma boa concordância geométrica dos passes, devido ao posicionamento adequado da tocha de soldagem e do controle de temperatura de 250 C entre passes. Na região da ZAC, notou-se uma diminuição da dureza quando comparamos os passes simples com os de revestimento, fator devido ao resfriamento ser mais lento, fazendo com que haja uma solidificação mais controlada na ZPM havendo assim, alivio de tensão. O mesmo é observado quando é depositada a segunda camada, a dureza diminui ainda mais. Tendo ainda a fase de união a seguir, espera-se que as características mecânicas e microestruturais sejam mantidas. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS PLANCKAERT, J. P. et al. Modeling of MIG/MAG welding with experimental validation using an active contour algorithm applied on high-speed movies. Applied Mathematical Modelling, July 2009. SCOTTI, A, PONOMAREV, V. Soldagem MIG/MAG. Melhor entendimento. Melhor desempenho. São Paulo: Artliber, 2008. SÁBIO. A. D. Estudo da Viabilidade Operacional do Processo de Soldagem MAG com Alimentação Adicional de Arame Frio. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Instituto de Tecnologia, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará, Belém, 2007. 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, 2001. 13