Zonas presentes na soldagem do tipo SAPNC de aços API-5L

Na Tabela 2.1 e Figura 2.5 é apresentado um comparativo entre as temperaturas atingidas em juntas soldadas por arco elétrico em geral e por SAPNC. Além disso, são explicadas as principais características de cada classificação de acordo com o pico de temperatura atingido.

Como observado Na Tabela 2.1 e Figura 2.5.a) e b), a zona fundida (ZF) não tem equivalente em juntas SAPNC. A zona termicamente afetada de alta temperatura (ZTA- TA) que gera granulação grosseira (GGZTA) em juntas por arco elétrico, está na faixa de temperatura onde o procedimento SAPNC é realizado, portanto a zona misturada (ZM) e zona de alta dureza (ZAD) é gerada. A zona termomecanicamente afetada (ZTMA) só existem em juntas SAPNC, e a sua temperatura está próxima da suportada por a ZM mas a sua determinação em aços é difícil por microscopia ótica porque a largura desta é imperceptível. As ZTA de temperaturas altas (ZTA-TA), intermediarias (ZTA-TI) e baixa (ZTA-TB) compartilham faixas de temperatura similares entre ambos processos. No entanto, A ZTA-TA da SAPNC suporta temperaturas menores do que juntas por arco elétrico, portanto o crescimento do grão nesta região é menor, o que pode trazer melhoras da tenacidade á fratura desse tipo de juntas.

51 Tabela 2.1: Faixas de temperaturas atingidas durante os processos de soldagem por arco elétrico e SAPNC em aços (FAIRCHILD et al., 1991; NORTON, 2006; BARNES et al., 2008; HERMENEGILDO, 2012; NIPPONSTEEL, 2014).

Nome em juntas por arco elétrico

Faixa de temperaturas aproximadas (°C) Nome em juntas SAPNC Observações Zona fundida (ZF) Temperatura de

fusão, ≥ 1500 --- Zona submetida à fusão. A SAPNC é realizada em estado sólido e não apresenta fusão. ZTA de alta temperatura (ZTA- TA), granulação grosseira (GGZTA) >1250 ~1250 °C; Zona misturada (ZM)

O grão austenítico cresce. Região susceptível de fragilizar. No caso da SAPNC, o processo de mistura é realizado nesta faixa de temperatura, porém uma da ZTA pertence à GGZTA.

ZTA de alta temperatura (ZTA- TA), granulação fina

(GFZTA)

1100~900 ZTA-TA Boas propriedades mecânica e de tenacidade à

fratura

ZTA temperatura intermediária (ZTA-

TI)

900~700 ZTA-TI

Transformação e esferoidização de perlita, unicamente. Para resfriamentos lentos as propriedades mecânicas e de tenacidade são elevadas; embora para resfriamentos rápidos pode-se formar martensita, o que pode diminuir a tenacidade à fratura.

ZTA temperatura

baixa (ZTA-TB) 700~400 ZTA-TB

Região de revenido ou têmpera. Pode ocorrer fragilização devido às tensões térmicas e precipitação. A microestrutura não muda.

52

Figura 2.5: Zonas pertencentes às juntas soldadas usando a) arco elétrico e b) SAPNC em aços ARBL fabricados por TMCP. Modificado com base nos dados de (FAIRCHILD et al., 1991; NORTON, 2006; HERMENEGILDO, 2012; NIPPONSTEEL, 2014). Lado avanço (LA) e retrocesso (LR), fase ferrita (α), fase austenita (γ), liquido (L) e cementita (Fe3C).

53 Zona Misturada (ZM)

Como mostrado na Tabela 2.1 e Figura 2.5, estimou-se que as juntas soldadas por SAPNC em aços API-5L apresentem valores de temperatura entre 900 °C e 1250 ºC (BARNES et al., 2008; FAIRCHILD et al., 2009; HERMENEGILDO, 2012). O pico de temperatura da ZM depende dos parâmetros de soldagem (FAIRCHILD et al., 2009; KUMAR et al., 2010).

Lienert et al. (2003) realizaram juntas soldadas por SAPNC em chapas de 6,35 mm de aço de médio carbono (0,18C, 0,82Mn, 0,011P, 0,006S e <0,01Si, % em massa), com velocidade de avanço de 25,4 a 102 mm•min-1 _{e rotação de 450 e 650 rev•min}-1_{. A}

temperatura na superfície perto do ombro foi de 1000 °C, sugeriram que estas poderiam chegar a ser de 1100 a 1200 °C na ZM.

Sinfield (2007) usando um aço API-5L-X65 (0,074C; 0,088[Ti+V+Nb], % em massa), replicaram a microestrutura da ZM mediante simulações termomecânicas, se observando que os parâmetros que deram os resultados mais próximos de microestruturas reais da ZM foram: temperatura de pico de 1331 °C e tempo de resfriamento entre 800 e 500 °C (t8/5) de 19,44 s.

Fairchild et al. (2012) realizaram juntas soldadas por SAPNC em chapas de 12,5 e 16 mm em aços API-5L-X70 e -X80 (0,040C; 0,045C e 0,050C, % em massa). Usando ferramentas de W-Re com parâmetros de soldagem de 210 rev•min-1_{, 252 e 180 mm•min}- 1_{. Nessa velocidade de avanço o desgaste da ferramenta foi excessivo e gerou}

microestruturas deletérias na ZM. Materiais como W-Re podem apresentar desgaste excessivo em juntas soldadas de aço API (KONKOL; MRUCZEK, 2007). Fairchild et al. (2012) compararam os resultados de tenacidade da GGZTA de juntas em aço soldadas por arco elétrico com a ZM da SAPNC, reportando que o comportamento mecânico e a baixa tenacidade apresentados por estas duas regiões têm grande similaridade, apesar de possuírem origens diferentes. Os autores observaram que os picos de temperatura das duas regiões era próximo (1150 a 1275°C), as microestruturas eram similares (mistura de bainita e martensita) e os grãos de austenita prévia tinham de 20 a 50 μm. Nessa faixa de tamanhos de grão a tenacidade não é afetada, contudo, tamanhos maiores podem diminuí-la, como por exemplo, grãos da GGZTA com tamanhos ≥100 μm. Outro aspecto importante observado é que a falha por clivagem é um fenômeno

54 estatístico associado ao tamanho da região frágil, o que se torna numa desvantagem na ZM, pois o seu tamanho é consideravelmente maior do que a GGZTA de juntas soldadas por arco elétrico.

Hermenegildo (2012) realizou juntas soldadas por SAPNC em chapas de um aço API-5L-X80 (0,05C, 0,11[Ti+V+Nb], % em massa) de 12 mm de espessura. Foram avaliados diferentes parâmetros de soldagem, encontrando os parâmetros de soldagem SAPNC adequados para um aço de fabricação local, que forneceram não só boas propriedades mecânicas, como também boa tenacidade à fratura (CTOD>0,15 mm) quando avaliada a zona misturada em 25 ºC.

A ZM de aços API-5L apresentou, majoritariamente, estruturas bainíticas de tamanho de grão grosseiro [~20 µm] nos estudos realizados por Fairchild et al. (2012) e Hermenegildo (2012).

Zona de Alta Dureza (ZAD)

Em aços, a ZAD se apresenta normalmente no lado avanço e parte superiror da zona misturada. Embora a ZAD pertença a ZM, por causa da direção do escoamento do material durante a SAPNC, as taxas de resfriamento são maiores para a ZAD do que para o restante da ZM, portanto os produtos microestruturais são diferentes e a ZAD regularmente apresenta os maiores valores de dureza da juntas. Hermenegildo (2012) realizou juntas soldadas por SAPNC em chapas de um aço API-5L-X80 (0,05C, 0,11[Ti+V+Nb], % em massa) de 12 mm de espessura. Reportou uma região no lado de avanço da ZM com alta dureza (ZAD), com dureza maiores em até 50% em comparação com o metal base, crescimento do grão austenítico. Essa região é conhecida como colapso do caroço (Nugget collapse) e se dá por excesso de escoamento do material (MISHRA; MAHONEY, 2007).

Aydin e Nelson (2013) fizeram juntas soldada usando SAPNC em chapas de 11 mm de espessura no aço API-5L-X80 (0,04C, 0,12[Ti+V+Nb], % em massa). Esses autores estudaram a ZAD usando técnicas como ensaios de tração, dureza, TEM e avaliaram o tamanho de grão austenítico prévio e a largura da bainita. Observaram que a ZAD se localizou no lado avanço, sobre o colapso do caroço e na parte superior próxima à superfície. A largura da ZAD variou diretamente com o aporte térmico, embora, os valores

55 de dureza diminuíram com o aumento do aporte térmico. A ZAD foi composta por bandas que seguem o formato cônico da ferramenta, com formato de anéis de cebola só no lado de avanço, vista em 3D.

Allred (2013) usou chapas de 12,5 mm de espessura de um aço API-5L-X65 (0,054C, 0,093[Ti+V+Nb], % em massa), para obter juntas soldadas por SAPNC e comparou as microestruturas da ZAD com simulações termomecânicas e térmicas. Segundo este autor a ZAD é formada com características similares ao processo de corte durante a usinagem, em que o cisalhamento da ferramenta causa a remoção de material (cavaco), o qual leva consigo a maior quantidade de calor produzida durante o cisalhamento e deixa a peça de trabalho (junta no lado avanço, neste caso) com relativamente menor temperatura se comparada com o material removido. O metal que entra no escoamento da SAPNC deve girar em volta da ferramenta até chegar na sua posição final, provavelmente atrás da ferramenta, sendo que as maiores temperaturas durante a soldagem se localizam justamente sobre a ZAD. Segundo este autor, por causa disso existe uma diferença de temperaturas entre o material que está sendo soldado (girando em volta da ferramenta) e o estático que irá ser processado. Isto faz com que as taxas de resfriamento na ZAD sejam maiores do que o restante da junta soldada. Observou-se que os fatores mais importantes na formação da ZAD eram o aporte térmico (temperatura de pico) e a taxa de resfriamento. De acordo com a evidencia microestrutural, foi estimado que a ZAD apresentava taxas maiores que 150 ºC/s em relação às outras regiões da junta soldada por SAPNC.

Tribe (2012) realizou juntas soldadas usando SAPNC em chapas de 12,7 mm de espessura de um aço API-5L-X80 (0,04C, 0,12[Ti+V+Nb], % em massa). As juntas soldadas foram realizadas com ferramenta de PCBN e velocidade de rotação de 550 rev•min-1 _{e de avanço de 82 mm•min}-1_{. Observou-se que a ZAD apresentou bandas com}

dureza diferenciada em relação ao restante da ZM (230 a >300 Vickers), também ressaltou valores de tenacidade maiores no lado de retrocesso (LR) que no de avanço (LA).

Hermenegildo (2012) encontrou na ZAD estruturas combinadas de bainita granular, ferrita em placas (ou ripas) e martensita, apresentando regiões com durezas de 245 a 290 Vickers e outras com 320 a 360 Vickers, coincidindo com presença da estrutura

56 martensítica com dureza de 360 Vickers.

Horschel (2008) realizou juntas soldadas usando SAPNC em chapas de 12 mm de espessura num aço de alta resistência e baixa liga (ARBL) X65 (0,081C, 0,084[Ti+V+Nb], % em massa). Horschel (2008) observou que a ZAD apresentava um incremento do limite de escoamento e uma redução da deformação plástica em comparação com a ZM, o que provocava a diminuição da tenacidade à fratura.

Outros autores observaram que a ZAD é composta, principalmente, por bainita com ferrita em formato de placas, cujas propriedades mecânicas como os limites de escoamento e resistência, e tenacidade estão dentro do esperado para juntas soldadas deste tipo de aços em temperatura ambiente (OZEKCIN et al., 2004; FAIRCHILD et al., 2009; SANTOS et al., 2010; TRIBE, 2012; ALLRED, 2013; AYDIN; NELSON, 2013; ROSE, 2013; AYDIN, 2014; ÁVILA, et al., 2015; SOWARDS et al., 2015). Aydin e Nelson (2013) observaram que, com o aumento do aporte térmico, o tamanho de grão austenítico prévio aumentava e, com isso ocorria o espessamento das placas de ferrita dentro das bainitas, com redução da dureza. Este comportamento não é exclusivo de processos de soldagem SAPNC, pois a ZTA de juntas realizadas por fusão pode-se comportar de maneira similar, causando diminuição da dureza, limites de escoamento e resistência com o aumento do aporte térmico (NEVES; LOUREIRO, 2004).

A ZAD pode ser evitada diminuindo-se as taxas de resfriamento das juntas soldadas, por exemplo, com o uso de apoios de soldagem – backing (ver Figura 2.4..a) fabricado com materiais com baixa condução térmica, como o granito, que apresentou bons resultados evitando a formação da ZAD em juntas soldadas do inoxidável AL-6XN e no aço estrutural (ROSE, 2013).

Zona Termicamente Afetada (ZTA)

A principal diferença entre juntas soldadas a arco elétrico e por SAPNC, é o fato que a SAPNC não funde o material. Como resultado, a ZTA de juntas soldadas por arco elétrico recebe picos de temperatura maiores que as soldadas por SAPNC, com maiores chances de apresentar regiões de fragilização (Figura 2.5).

A zona que segue a ZM em direção ao metal base é nomeada como zona termomecanicamente afetada (ZTMA). Esta é aquecida a temperaturas maiores da

57 temperatura crítica superior, Ac3 igual a 915ºC para o aço API-5L-X80 (0,05C, 0,06[Ti+V+Nb], % em massa) (CUNHA et al., 2015), e deformadas indiretamente por causa do contato da ferramenta com o material misturado. Como consequência pode-se apresentar recristalização dinâmica ou metadinâmica ao invés de crescimento do grão de austenita (NORTON, 2006). No entanto, no estudo de juntas soldadas do aço API-5L- X80 realizado por Hermenegildo (2012) não foi identificada a ZTMA. A ZTA não sofre efeito da deformação pelo processo de SAPNC, mas sofre mudanças microestruturais relacionadas aos efeitos térmicos. Hermenegildo (2012) concluiu que as microestruturas presentes na zona termicamente afetada (ZTA) eram constituídas predominantemente por bainita granular e ferrita acicular, com uma pequena fração de bainita coalescida e bainítica com ferrita em placas. Esse fato justificou o aumento da tenacidade do material nestas regiões de juntas SAPNC.