DENIS FELIPE DE BARROS
QUALIFICAÇÃO DE ESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM CONFORME O CÓDIGO DE FABRICAÇÃO ASME IX
Lorena - SP 2015
DENIS FELIPE DE BARROS
QUALIFICAÇÃO DE ESPECIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM CONFORME O CÓDIGO DE FABRICAÇÃO ASME IX
Trabalho de graduação apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Engenheiro de Materiais
Orientadora: Profª. Dra. Maria Ismênia Sodero Faria
Lorena – SP 2015
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E
Agradecimentos
Obrigado a Deus, por me conceder a honra de ser um Engenheiro.
Agradeço aos meus queridos pais, José Valber e Ana Maria, por muitas vezes terem abdicado de seus desejos em vista dos meus.
A minha irmã por estar presente no meu dia a dia
A minha namorada Natália por estar sempre ao meu lado nesses anos. Aos meus avós e familiares, pelos constantes incentivos.
À Profª. Dr. Maria Ismênia pela orientação nesse Trabalho Final. À Eliane Bassanelli pelo grande suporte e paciência com o meu TCC.
Aos meus inesquecíveis amigos Carlo, Michele e Marcos pelas incontáveis conversas nas idas e vindas de Lorena e nas horas e horas de estudos.
Aos meus grandes amigos Rodrigo Maia, Thales, Rafael, Tayná, Ygor, Bruna, Amanda, Felipe, João, Gustavo, Heron; pelas risadas, incentivos e estudos.
Agradeço a todos os meus professores que me ajudaram a crescer academicamente e profissionalmente nesta universidade, em especial ao Prof. Dr. Gilberto Coelho pela Iniciação Científica.
Ao Departamento de Engenharia de Materiais pelo conhecimento técnico adquirido. À Universidade de São Paulo pelo investimento em minha carreira.
À Fatec Pindamonhangaba pelo estágio oferecido e aos meus colegas de trabalho Flávio, Edilon.
Agradeço a todas as pessoas que tive contato nesses anos da graduação, em especial à Belmira Lima.
Agradeço por todos os funcionários do departamento que também me ajudaram durante todo meu curso, em especial ao Sr. Geraldo do Prado [In Memorian] pelos ensinamentos nos laboratórios.
RESUMO
BARROS, D. F. Qualificação de Procedimento de Soldagem conforme o Código de Fabricação ASME IX. 2015. 60 p. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
Este trabalho acompanha a uma sistemática para a elaboração da qualificação de procedimento de soldagem segundo norma ASME IX. Para a produção de uma determinada peça na indústria é necessário ter todo um registro de sua produção, desde a matéria prima até o acabamento, em relação a um processo de soldagem, essa documentação é chamada de Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS), onde estão registrados os valores de diversas variáveis do processo para serem adotados, garantindo assim a reprodutibilidade do processo. Como a soldagem é um processo amplamente utilizado na indústria, deve ser feito um controle para que as propriedades mecânicas da junta soldada estejam satisfatórias, para isso deve-se seguir um procedimento padrão para certificar a qualidade da junta soldada. O objetivo deste trabalho é descrever todos os passos para a qualificação de procedimento de soldagem. A metodologia consiste na descrição detalhada da qualificação de um procedimento, desde a soldagem de uma chapa de aço duplex SA 240, pelo processo SAW (soldagem a arco submerso), realização de testes mecânicos como tração, dobramento, imagens da microestrutura da junta soldada e análise dos resultados em relação à conformidade ou não com a norma e com o projeto. Os dados coletados pelos testes foram usados para a confecção de uma Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS), RQPS (Registro de Qualificação de Procedimento de Soldagem).
ABSTRACT
BARROS, D. F. Welding Procedure Qualification according ASME IX Manufacturing Code. 2015. 60 p. Monograph (Undergraduate Materials Engineering Work) – Lorena School of Engineering, University of São Paulo, Lorena, 2015.
This study presents a system for qualification of welding procedure in accordance with ASME IX. For the production of a device in the industry is necessary to have a whole record of his production, from raw materials to finished, in relation to a welding process, this documentation is called Welding Procedure Specification (EPS), which are recorded the values of various process variables to be adopted, thereby ensuring the reproducibility of the process. Because welding is a widely used process in the industry, a control should be done so that the mechanical properties of the weld are satisfactory, for it should follow a standard procedure to ensure the quality of the welded joint. The objective of this study is to describe all the steps to the qualification of welding procedure. The experimental methodology consists in the detailed description of qualifying a procedure, since the welding a steel plate duplex SA 240, with the SAW (submerged arc welding the) process, conducting mechanical tests such as tensile, images of the welded joint microstructure and analysis of results regarding compliance or not with the standard and with the customer. Data collected by tests were used for the preparation of a Welding Procedure Specification (WPS), Welding Procedure Qualification Record (WPQS).
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Diagrama de fases Fe-Cr ... 16
Figura 2 – Seção do diagrama de fases Fe-Cr-Ni, Cr = 18% ... 17
Figura 3 Diagrama Fe-Cr-Ni-(N) - 68%Fe (Ni+Cr+N=32%). ... 19
Figura 4 – Diagrama TTT esquemático de precipitação de segundas fases. ... 22
Figura 5 - Esquema do processo de soldagem SAW ... 25
Figura 6 – Equipamentos para soldagem à arco submerso ... 27
Figura 7 - Sequência de soldagem da solda e contra solda ... 35
Figura 8 - Disposição de retirada dos corpos de prova ... 37
Figura 9 - Macrografia da junta soldada ... 41
Figura 10 - Resultados do Teste de Impacto ... 43
Figura 11 - Regiões de análises microestruturais ... 44
Figura 12 - Imagem de MO das amostras soldadas ... 45
Figura 13 – Micrografias no centro da solda (a) Ponto 3 (b) Ponto 6 ... 45
Figura 14 - Caracterização da junta soldada via MEV ... 46
Figura 15 - Difratograma da amostra soldada ... 46
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Comparação entre diferentes aços inoxidáveis ... 20
Tabela 2 – Principais composições dos aços duplex ... 21
Tabela 3- Fases existentes AID ... 23
Tabela 4 – Taxas de deposição possíveis para diferentes processos ... 26
Tabela 5 - Composição Química do material de base (%). ... 33
Tabela 6 - Composição Química do eletrodo revestido (%). ... 33
Tabela 7 - Composição Química do arame para arco submerso (%). ... 33
Tabela 8 - Variáveis essenciais - SAW ... 34
Tabela 9- Variáveis Essenciais - SMAW ... 34
Tabela 10 - Variáveis operacionais do processo de soldagem ... 36
Tabela 11 - Resultados do Teste de Tração ... 42
Tabela 12 - Resultados do teste de dobramento ... 42
LISTA DE SIGLAS
ASME American Society of Mechanical Engineers AID Aço Inoxidável Duplex
ASTM American Society for Testing and Materials CCC Cúbica de Corpo Centrado
CFC Cúbica de Face Centrada
CQO Certificação de Qualificação do Operador DRX Difração de Raios X
EPS Especificação de Procedimento de Soldagem MEV Microscopia Eletrônica de Varredura
MO Microscopia Óptica
RQPS Registro de Qualificação de Procedimento de Soldagem SAW Soldagem a Arco Submerso
SMAW Soldagem via Eletrodo Revestido ZAC Zona Afetada pelo Calor
Sumário
1 - Introdução ... 11
2 - Objetivos ... 13
3 - Revisão bibliográfica ... 14
3.1 Aços Inoxidáveis ... 14
3.1.1 Elementos estabilizantes dos campos ferríticos e austeníticos ... 14
3.1.3 O sistema ferro-cromo ... 15
3.1.4 O sistema Fe-Cr-Ni ... 17
3.1.5 Aços inoxidáveis ferrítico-austenítico (Duplex) ... 18
3.2 Métodos de união de materiais ... 24
3.2.2 Soldagem a arco submerso SAW (Submerged Arc Welding) ... 25
3.2.3 Variáveis no processo SAW ... 27
3.2.4 Passe de selagem ... 28
3.2.5 Aplicações na indústria ... 29
3.3 – Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS) ... 29
4 - Materiais e Métodos. ... 32
5 - Resultados e discussões ... 41
6 - Conclusões ... 48
7 - Referências ... 49
1 - Introdução
A soldagem é a principal técnica para a união de materiais, por ser relativamente barata e rápida é amplamente utilizada na indústria. Uma de suas principais característica é a de ser aplicável na união de todos os metais comerciais; confere ao projeto uma maior flexibilidade, pois dependendo da técnica escolhida para a união pode ser aplicável em campo. (GUERRA, 1996)
O ramo da soldagem é muito vasto, podendo ser aplicada desde a construção de uma mesa com armação de metal até dispositivos espaciais. A soldagem é indispensável na construção civil (estruturas metálicas, pontes, edifícios), na indústria mecânica e naval (construção de máquinas e equipamentos, montagem de cascos de navios), na indústria automobilística, petroquímica, entre outras. (BARROS, 1975)
A técnica de soldagem exige um conhecimento multidisciplinar de diferentes áreas da engenharia, tais como: fenômenos metalúrgicos, mecânica, eletrotécnica, química, física, materiais, controle de qualidade dentre outros fatores relativos à produção industrial.
Atualmente podemos encontrar diferentes processos de soldagem, onde se podem utilizar vários processos para chegar à mesma junta soldada final, com isso tornar-se necessário a padronização de métodos de soldagem para obter uma junta soldada com alta qualidade e confiabilidade. Para tornar os processos de soldagem confiáveis e seguros surgiram às normas técnicas que regulamentam todo o processo de soldagem, essas normas podem ser nacionais ou internacionais, sendo que uma empresa deve segui-la para a produção de um produto.
Existem diferentes entidades responsáveis na confecção de normas técnicas, entre elas está a ASME (American Society of Mechanical Engineers), que regulamenta a confecção de equipamentos para a indústria mecânica nos Estados Unidos. Dentre as normas existentes, está a ASME IX, que regulamenta a qualificação de procedimentos de soldagem e brasagem, visando também o controle dos soldadores / operadores de soldagem e brasagem.
Como o processo de soldagem está fortemente presente na indústria, é necessário certificar que a junta soldada resista às diversas solicitações de um equipamento, evitando uma possível falha na região soldada. Essa certificação é conferida num documento chamado EPS (Especificação de Procedimento de Soldagem), um documento que segue determinada norma técnica para comparar os resultados obtidos nos testes em relação com os padrões aceitáveis da norma em questão. (FBTS, 2013)
O presente trabalho tem como material de estudo o aço inoxidável duplex aço ASME SA 240, de grande interesse das indústrias por sua alta resistência mecânica, boa tenacidade aliada a excelente resistência a corrosão em diferentes meios.
Os aços inoxidáveis foram descobertos no início do século XX, diversos países como Estados Unidos, Inglaterra e Alemanha realizaram estudos separadamente sobre os aços e notaram que adição de certos elementos de liga resultava em um produto com maior resistência a corrosão. Os primeiros aços inoxidáveis a serem descobertos foram os austeníticos e martensíticos seguidos pelos ferríticos em 1920. (KEOWN; PICKERING, 1982; POHL 1994) Já os aços inoxidáveis com estrutura ferrítica-austenitica em quantidades iguais (duplex), tiveram seus primeiros registros a partir de 1927, patenteados nos Estados Unidos, Suécia e França ao longo dos anos de 1930. Por causa de problemas de fragilização não resolvidos na época, esta classe de aço inoxidável foi pouco utilizada até o início de 1970. Devido à pouca oferta do níquel no mercado internacional na década de 70, os fabricantes de aços tiveram que investir em produtos com menores teores de níquel em sua composição, e os aços inoxidáveis duplex foram uma saída, pois necessitam de menores teores de níquel em relação aos aços inoxidáveis austeníticos. (POHL, 1994)
Nos últimos anos, a aplicação deste aço nas indústrias vem crescendo e substituindo os aços inoxidáveis austeníticos. O aço inoxidável duplex apresenta aproximadamente o dobro da resistência mecânica de um aço inoxidável austenítico e tenacidade comparável, permitindo a concepção de projetos com espessuras mais finas, tornando este material atrativo do ponto de vista econômico. No entanto, um aço só se tornará amplamente aceito e utilizado quando seu processo de soldagem for realizado com sucesso e as limitações reduzidas. (KARLSOON, 2012)
2 - Objetivos
O objetivo geral deste trabalho de graduação é acompanhar detalhadamente a sistemática para elaboração de uma Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS) para o aço SA 240,necessário para confecção de produtos industriais, conforme ASME IX.
I. Acompanhar o procedimento para a elaboração de uma EPS, realizando os ensaios exigidos em normas;
II. Analisar os resultados obtidos em relação à conformidade ou não com as normas,
III. Analisar microscopicamente a junta soldada para caracterização das fases existentes e avaliar o aparecimento de fases intermetálicas que podem comprometer as propriedades mecânicas da junta soldada.
3 - Revisão bibliográfica
3.1 Aços Inoxidáveis
Dentre os materiais de engenharia fabricados no mundo, os aços ocupam um lugar de destaque devido a ampla faixa de utilização, desde ferramentas até grandes estruturas tais como as torres para transmissão de energia e navios para transporte de carga. Porém, os aços carbonos podem reagir com o meio ambiente, causando um fenômeno denominado oxidação, degradando as propriedades mecânicas dos aços, podendo levar a falha.
Para tornar o efeito da oxidação/corrosão em aços menos pronunciável, são adicionados elementos de liga como cromo, variando entre 11 e 30%, valor suficiente para formar um óxido de cromo III (Cr2O3) denominada camada passivadora sobre a superfície do material. A impermeabilidade e taxa de dissolução da camada no meio controlam a resistência a corrosão em determinado ambiente. (SILVA, 2010; DAVIS, 1996)
3.1.1 Elementos estabilizantes dos campos ferríticos e austeníticos
A adição de elementos de ligas nos aços modifica consideravelmente o diagrama Fe-C, fazendo com que as regiões de estabilidade da austenita e ferrita variem dependendo do elemento adicionado.
Via de regra podemos dividir os elementos de liga em alfagênicos e gamagênicos. Os elementos alfagênicos aumentam o campo de estabilidade da ferrita (CCC), entre os principais estão o cromo, silício e molibdênio; o cromo torna o material duro e quebradiço e diminui consideravelmente a taxa de oxidação dos aços. Os elementos gamagênicos aumentam o campo de estabilidade da austenita (CFC), tais como níquel, carbono, nitrogênio, manganês, cobre e cobalto; o níquel torna o material dúctil e macio. (NUNES, 2010; WEN, 2001)
3.1.2 Classificação dos aços inoxidáveis
A microestrutura dos aços é um fator fundamental para suas propriedades. Os aços inoxidáveis são classificados pela sua microestrutura à temperatura ambiente, segundo Silva (2010)podemser divididos em quatro categorias:
Martensíticos - ligas de ferro e cromo (11 - 18%), teor de carbono em geral acima de 0,1%, essa composição garante o endurecimento por têmpera. Ferríticos – são ligas de Fe + Cr totalmente ferríticas em todas as
temperaturas, não sendo assim endurecidas por têmpera. Possuem teor de cromo maior e menor teor de carbono que os aços martensíticos.
Austeníticos – ligas a base de ferro, cromo (16 – 30%) e níquel (8 – 35%) predominantemente austeníticas após um tratamento térmico.
Ferrítico –austenítico (duplex) – microestrutura contendo ferrita e austenita em frações praticamente iguais, balanceando-se a proporção de ferro, cromo (18 - 27%), níquel (4 – 7%), molibdênio (1 – 4%) e outros elementos como nitrogênio.
3.1.3 O sistema ferro-cromo
Os aços inoxidáveis possuem grandes teores de cromo, sendo assim, estudar o diagrama Fe-Cr é essencial para entender os fenômenos metalúrgicos existentes nessa categoria de aço. A Figura 1 mostra um diagrama calculado do sistema, convém destacar algumas características do diagrama. Como o Cr é um elemento estabilizador da ferrita, reduz o campo de existência da austenita (ϫ), estabilizando-a para teores superiores a 13% de Cr. Assim, o campo de estabilidade da austenita é limitado a uma faixa de temperatura (850 a 1400°C) e para teores máximos de cromo até 13%, a partir do qual somente a ferrita existe em qualquer temperatura inferiores a fusão. (PADILHA; GUEDES, 2004)
Nota-se a existência de uma região de estabilidade de uma fase denominada sigma (σ), composto intermetálico com 50% Cr, estabilizada em temperatura abaixo de 800°C. A fase σ influencia diretamente no comportamento mecânico e na resistência a corrosão dos aços inoxidáveis. Por ser um composto intermetálico, possui alta dureza e grande fragilidade, comprometendo assim propriedades mecânicas como tenacidade e ductilidade.
Além disso, possui alto teor de Cr (50%), gerando uma deficiência do elemento nas adjacências de sua formação, podendo comprometer a resistência a corrosão e diminuindo resistência mecânica. (SILVA, 2010; GARIN; MANNHEIM, 2009; POHL; STORZ; GLOGOESKI, 2007)
Figura 1Diagrama de fases Fe-Cr
Fonte: (SILVA, 2010)
Caso verificado o aparecimento da fase σ, pode se fazer um tratamento térmico para removê-la, eleva-se a temperatura acima de 1000°C, desse modo a fase já não é mais estável, dissolvendo-se na austenita ou convertê-la em ferrita; com isso as propriedades são restauradas. O tamanho de grão também influencia na precipitação dessa fase, quanto maior o grão, menor a tendência de precipitação, pois aumenta o caminho para difusão dos átomos formadores de σ. (WEISS; STICCKLER, 1972; CHIAVERINI, 2005; ELMER; PALMER; SPECHT, 2007).
Nesse sistema, também observa-se a existência de uma fase denominada α’, que é rica em cromo. O aparecimento dessa fase causa uma diminuição da tenacidade no aço, podendo formar-se devido a um aquecimento prolongado por volta de 475°C, sendo conhecida pelo termo “fragilização de 475°C”. Esse fenômeno pode ser reversível, através do aquecimento até aproximadamente 600°C, seguido de um resfriamento rápido. A fragilização de 475°C causa um aumento na temperatura de transição dúctil-frágil, eleva
consideravelmente o limite de escoamento e a dureza do material e diminui a resistência a corrosão. (URA; PADILHA; ALONSO,1994; SILVA, 2010)
3.1.4 O sistema Fe-Cr-Ni
O níquel modifica consideravelmente as fases existentes nos aços inoxidáveis, por ser um estabilizador da austenita, causa uma ampliação desse campo, podendo deixar essa fase estável a temperatura ambiente. A Figura 2 mostra uma seção do diagrama Fe-Cr-Ni com teor de cromo de 18%, percebe-se que a partir de 5% de níquel, podemos ter a presença de austenita em baixas temperaturas, gerando um material dúctil. Observamos também a formação da fase sigma (σ) a partir de 700°C, os aços inoxidáveis com níquel são normalmente tratados acima de 1050°C (solubilização) e resfriados rapidamente para evitar precipitação de fases indesejáveis.(SILVA, 2010; BUBANI, F. C., 2010)
Figura 2 – Seção do diagrama de fases Fe-Cr-Ni, Cr = 18%
3.1.5 Aços inoxidáveis ferrítico-austenítico (Duplex)
Os Aços Inoxidáveis Duplex (AID) têm como principal característica serem compostos por uma microestrutura de ferrita e austenita em proporções praticamente iguais. Esses aços possuem características de ambas as fases: alta resistência mecânica conferida pela ferrita e uma estrutura refinada de grãos, boa tenacidade conferida pela austenita, além de terem uma excelente resistência a corrosão em diversos meios. A formação da microestrutura do duplex (ferrítica-austenítica) ocorre partindo da solidificação ferrítica do metal fundido entre temperaturas de 1140° e 1490°C, seguida pela precipitação austenítica, no estado sólido (1200°C), por nucleação e crescimento da fase. (SILVA, 2010; FOLKHARD, 1999; BADJI et al, 2008)
Principais Elementos de Liga do aço duplex
Uma característica marcante nos AID é a adição de diversos elementos de liga em relação aos outros aços inoxidáveis, segundo Chiaverinni (2005) e Cunat (2004) os elementos de liga atuam na seguinte forma:
O cromo e o níquel conferem a estrutura de ferrita-austenita e aumentam a resistência a corrosão;
O molibdênio, entre 0,2 e 5,0% melhora a resistência a corrosão por pites; O nitrogênio, entre 0,1 e 0,35% melhora a resistência a corrosão localizada,
além de aumentar a resistência mecânica;
O manganês entre 0,5 e 5,0% aumenta a resistência a corrosão e a resistência ao desgaste abrasivo;
O silício entre 0,5 e 5% melhora a resistência a corrosão, ao calor e ao desgaste.
Convém destacar que o nitrogênio possui uma importância fundamental, pois atua tanto como soluto intersticial, elevando a resistência mecânica, como modifica o diagrama de equilíbrio da ferrita – austenita. (HÄNNINEN et al, 2001) A Figura 3 mostra o
deslocamento do campo bifásico, as linhas tracejadas indicam o equilíbrio sem a presença do nitrogênio.
Figura 3 Diagrama Fe-Cr-Ni-(N) - 68%Fe (Ni+Cr+N=32%).
Fonte: (SILVA, 2010)
Propriedades Mecânicas
Os AID possuem valores de propriedades mecânicas melhores tais como alta resistência à tração, boa tenacidade em relação aos aços inoxidáveis austeníticos, devido a sua estrutura refinada de grãos. A estrutura granular mais fina deve-se a formação das estruturas duplex no estado sólido e às características de encruamento e recristalização, assim como as limitações do crescimento de grão. (CHIAVERINI, 2005; JORGE JR; REIS; BALACIN, 2011; BADJI et al, 2008)
Esses aços possuem um tipo de comportamento denominado superplástico, caracterizado por grandes e uniformes deformações sem a formação da estricção mesmo em temperaturas próximas a metade de sua temperatura de fusão. A superplasticidade é observada devido a estrutura refinada de grãos e a existência da austenita. (NUNES, 2010) A Tabela 1 mostra uma comparação dos valores de propriedades mecânicas entre diversos tipos de aços inoxidáveis, podemos destacar o alto valor do limite de resistência para os duplex.
Tabela 1 - Comparação entre diferentes aços inoxidáveis ASME Limite de Escoamento (MPa) Limite de Resistência (MPa) Alongamento Total (%) Austeniticos SA 304 195 600 40 SA 316 205 610 40 Ferríticos SA 410 250 500 20 SA 410L 270 550 20 Duplex SA 32304 400 640 25 SA 240 450 750 25 SA 329 450 700 20 SAF 2507 550 800 25
Fonte: (PADILHA, 2004) Adaptada
A grande resistência à tração dos aços inoxidáveis duplex possibilita uma considerável redução na seção transversal dos projetos, isso garante redução do preço e peso dos componentes. Por ser um material resistente a corrosão, a vida útil do equipamento pode ser prolongada, caso o material original possa ser substituído pelo AID. Devido a estes motivos, essa classe de aço inoxidável é bem atraente do ponto de vista econômico, dependendo do projeto e da norma seguida, a economia em peso gira em torno de 50%. (CHARLES, 1997)
A primeira geração dos AID não tinha a adição de nitrogênio, a partir da segunda geração, teores controlados desse elemento foram introduzidos, como mostra a Tabela 2.
Tabela 2 – Principais composições dos aços duplex
Nome UNS C máx. (%) Cr (%) Ni (%) Mo (%) N (%) Outros
(%) AISI329 S32900 0,08 29-28 2,5-5,0 1-2 - 6RE60 S31500 0,03 18-19 4,3-5,2 2,5-3 0,05-0,1 2304 S32304 0,03 21,5-24,5 3-5,5 0,5-0,6 0,05-0,2 2205 S31803 0,03 21-23 4,5-6,5 2,5-3,5 0,1-0,22 F55 S32760 0,03 24-26 6-8 3-5 0,2-0,3 Cu = 0,7 W=0,7 2507 S32750 0,03 24-26 6-8 3-5 0,2-0,3 Cu=0,5 Fonte: (SILVA, 2010) Fases precipitáveis
Devido à alta adição de elementos de liga, os AID são sujeitos à precipitação de fases intermetálicas que comprometem as propriedades mecânicas e diminui a resistência a corrosão, o aparecimento dessas fases deve ser evitado, principalmente em projetos que necessitem soldagem. Observa-se a formação da fase σ devido ao sistema Fe-Cr, como também outra fase denominada chi (χ) – Fe30Cr18Mo4, devido a adição do molibdênio. A Figura 4 mostra a cinética de precipitação das fases fragilizantes para os aços duplex, evitar a precipitação desses compostos é um fator fundamental para o desenvolvimento de procedimento de soldagem. (SILVA, 2010; WEN, 2001; POHL; STORZ; GLOGOESKI, 2007)
Figura 4 – Diagrama TTT esquemático de precipitação de segundas fases nos AID.
Fonte: (CHARLES, 1994)
Segundo Solomon e Devine (1982) e Norberg (1986), a fragilização dos AID devido a precipitação de fases pode ser dividida em dois grupos:
Fragilização de baixa temperatura: Pode ser conhecida por fragilização de 475 °C, acontece normalmente numa faixa de temperatura entre 300 a 500°C. Este tipo de fragilização limita a temperatura máxima de aplicação dos AID
Fragilização de alta temperatura: Aparece na faixa de temperatura de 600 a 1000°C, precipitando diversas fases intermetálicas (χ, σ, carbonetos e etc), pode ocorrer durante a soldagem e/ou tratamento térmico pós-soldagem.
Dentre todas as fases intermetálicas que podem estar presentes nos AID, a fase σ é a mais prejudicial, pois a precipitação de 1% de σ leva a uma redução de 50% na energia absorvida no ensaio de impacto, enquanto para 10% de σ, a energia absorvida corresponde a 5% do valor encontrado num aço isento de precipitados. (NORSTRÖM; PETTERSSON; NORDIN, 1991; POHL; STORZ; GLOGOESKI, 2007)
A Tabela 3 mostra as fases mais comuns que podem precipitar nos aços Inoxidáveis Duplex, ao precipitar qualquer fase além de ferrita e austenita, nota-se uma diminuição das propriedades mecânicas como tenacidade e a resistência à corrosão. (RAMÍREZ-LONDOÑO, 1997)
Tabela 3- Fases existentes AID
Notas (1) – As composições da ferrita, ϫ,ϫ2 são ilustrativas para a liga 25,66%Cr-9,24%Ni-3,8%Mo-0,26%N
(2) – Medidos só os elementos metálicos (3) - % atômica
Aplicações na indústria
Devido às suas boas propriedades mecânicas como alta resistência mecânica, soldabilidade e resistência a corrosão, os AID estão encontrando aplicações na indústria de processamento químico (tubulações, bombas, trocadores de calor); indústria de geração de energia (reaquecedores, trocadores de calor); indústria de extração de petróleo e gás (tubulações e linhas de distensão, bombas de injeção de água salgada, sistemas de refrigeração, etc). (CHIAVERINI, 2005; POHL; STORZ; GLOGOESKI, 2007)
3.2 Métodos de união de materiais
No ramo industrial (principalmente mecânico) a produção de peças é altamente presente, porém muitas vezes não é possível a confecção em uma única etapa, sendo necessária a união de diferentes componentes para a conclusão do projeto.
Basicamente temos dois métodos para a união de metais, podendo ser divididos em dois grupos, dependendo do tipo de força a qual é aplicado para a união. No primeiro grupo, estão as uniões baseadas nas forças macroscópicas, como a parafusagem e a rebitagem; nesse tipo de junta, a resistência é dada pelo valor da resistência ao cisalhamento do parafuso ou rebite mais as forças de atrito de contato entre as superfícies. Já no segundo grupo, estão as uniões baseadas em forças microscópicas (interatômicas e intermoleculares), onde a união é obtida pela aproximação dos átomos / moléculas das peças a serem unidas, até distâncias muito pequenas para gerar ligações químicas, particularmente ligações metálicas e de Van der Walls; a soldagem, brasagem e colagem são exemplos desse tipo de união. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005; SANTOS, 2015)
Os processos de soldagem podem ser agrupados em dois grupos, dependendo do método utilizado para realizar a união, Marques; Modenesi e Bracanense (2005) da seguinte forma:
1. Processos por pressão (ou deformação) – uma alta pressão é aplicada em duas superfícies, unindo-as.
2. Processos de soldagem por fusão – a união é obtida através da fusão de materiais, podem ser classificados pelo tipo de fonte de energia usada para fundir as peças.
Para um processo de soldagem ser bem sucedido, Wainer (1992) e Houldcroft (1979) citam quatro importantes requisitos:
Produzir uma quantidade de energia suficiente para unir dois materiais, similares ou não.
Retirar as contaminações das superfícies a serem unidas.
Reduzir ao máximo a possibilidade de contaminação com ar atmosférico. Conseguir controlar as transformações de fases, para que a região soldada
alcance propriedades desejadas.
3.2.2 Soldagem a arco submerso SAW (Submerged Arc Welding)
O processo SAW será descrito mais detalhadamente, pois é o principal processo de soldagem utilizado para a confecção da EPS, tendo um maior impacto nas propriedades da junta soldada.
No processo de soldagem a arco submerso, um arco-elétrico é estabelecido entre o arame-eletrodo e o material a ser soldado, fundindo os dois materiais; o diferencial desse processo, é que o arco permanece completamente submerso em uma camada de material granulável fusível, tornando o arco invisível. O fluxo age como fundente, protegendo a região soldada de contaminação atmosférica. (WAINER, 1992; KARAOGLU; SEÇGIN, 2008; SANTOS, 2015) A Figura 5 mostra o processo de forma esquemática.
Figura 5 - Esquema do processo de soldagem SAW
A adição de metal é obtida pelo próprio eletrodo, que tem a forma de fio, sendo alimentado continuamente por um dispositivo mecânico. A partir do momento da abertura do arco, eletrodo e fluxo são alimentados e depositam-se na região a ser soldada; no processo SAW, a poça de fusão é composta pelo metal fundido e a camada de fluxo sobrenadante. A parte não fundida do fluxo pode ser reciclada em novas operações, contando que não fique contaminada durante a reciclagem. A camada protetora do fluxo, evita a contaminação atmosférica da região soldada. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005; PARANHOS; SOUZA,1999; SANTOS, 2015)
O processo a arco submerso permite o uso de correntes elevadas, podendo atingir 2000 A – que aliado a altas densidades de corrente 60 a 100 A/mm² - conferem ao processo elevada taxa de deposição, tornando essa técnica rápida e econômica, características desejadas aos processos industriais. (WAINER, 1992; KARAOGLU; SEÇGIN, 2008; SANTOS, 2015)A Tabela 4 mostra uma comparação de taxas de deposição possíveis em diferentes processos e técnicas de soldagem.
Tabela 4 – Taxas de deposição possíveis para diferentes processos de soldagem
Processo de Soldagem Taxa de deposição [kg/h]
Eletrodo revestido 0,5 a 3,0
MIG 1,0 a 8,0
Arame tubular 2,0 a 12,0
Arco submerso (1 arame) 3,0 a 20,0
Arco submerso (2 arames) 12,0 a 40,0
Fonte:(MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005)
A maior limitação do processo a arco submerso é que ele não permite a soldagem fora da posição horizontal ou plana, pois a camada de fluxo somente pode ser formada nessa posição. A Figura 6mostra de forma esquemática o equipamento para a soldagem a arco submerso. (WAINER, 1992; SANTOS, 2015)
Figura 6 – Equipamentos para soldagem à arco submerso
Fonte: (WAINER, 1992)
Os materiais consumíveis na soldagem a arco submerso são os eletrodos e os fluxos, a combinação dos dois, junto com o metal de base e o procedimento de soldagem determina as propriedades mecânicas do cordão de solda. Os eletrodos podem ser de arames sólidos, tubulares ou fitas e são alimentados por carretéis e bobinas, já os fluxos são compostos de uma mistura de óxidos e outros minerais e ter elementos de liga que podem ser adicionados na região soldada. (TANIGUCHI; OKUMURA, 1982; MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005; SANTOS, 2015)
Em relação às características químicas, os fluxos são classificados como básicos, ácidos e neutros, as propriedades do metal de adição são diretamente influenciadas pelo fluxo. Um fluxo de maior basicidade tende a reduzir os teores de oxigênio, enxofre e fósforo no metal de adição, obtendo melhores propriedades mecânicas no cordão, principalmente resistência a fratura frágil. Fluxos ácidos tendem a produzir uma região soldada com maiores teores de oxigênio, fósforo e enxofre. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005; KANJILAL; PAL; MAJUNMAR, 2006; SANTOS, 2015)
3.2.3 Variáveis no processo SAW
As principais variáveis operacionais no processo de soldagem a arco submerso são: valor e tipo de corrente, tipo de fluxo e distribuição de partículas, tensão, velocidade de
soldagem, diâmetro do eletrodo, tipo de eletrodo, largura e profundidade da camada de fluxo. (NOWACKI; RYBICKI, 2005; KARAOGLU; SEÇGIN, 2008)
Dentre as variáveis, a corrente é a mais importante, influenciando nas taxas de fusão do eletrodo, deposição, penetração, no reforço e na diluição. A utilização de correntes muito elevadas aumentam a razão penetração/largura na solda, favorecendo a ocorrência de defeitos tais como: fissuração a quente, reforço excessivo e mordeduras. Em contrapartida, a utilização de correntes baixas resulta em penetração ou fusão incompleta. (PARANHOS; SOUZA, 1999; MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005; KARAOGLU; SEÇGIN, 2008)
A tensão influência de maneira direta no comprimento do arco, na largura do cordão e no consumo de fluxo e de maneira inversa na penetração e no reforço, a tensão pode influenciar na composição química e nas propriedades das soldas, tensão excessivamente alta dificulta a remoção da escória. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005; GEARY; MILLER; REX, 2013; KARAOGLU; SEÇGIN, 2008)
As dimensões da camada de fluxo são importantes para o processo, caso ela esteja muito espessa, dificulta o escape dos gases gerados no processo, tornando a superfície da solda irregular (aparência pastosa e áspera). Caso a camada for estreita, causa respingos e o aparecimento do arco voltaico. A espessura ótima deve ser estabelecida durante o processo, acrescentando lentamente o fluxo até o arco ficar completamente invisível. (PARANHOS; SOUZA, 1999; MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005; KANJILAL; PAL; MAJUNMAR, 2006)
3.2.4 Passe de selagem
Caso exista a necessidade de estanqueidade (impedir vazamentos) pode-se utilizar um passe de selagem para suportar o metal de solda, esse passe pode ser executado pelo próprio processo de soldagem a arco submerso ou por outro processo como MIG ou SMAW (caso o material do eletrodo seja compatível com o metal base). (SANTOS, 2015)
3.2.5 Aplicações na indústria
O processo de soldagem SAW é usado quando é necessária a obtenção de soldas com alta qualidade, grandes taxas de deposição, penetração profunda, em estruturas de aço, como é um processo automatizado, garante boa reprodutibilidade. [NOWACKI; RYBICKI, 2005)
Uma das mais importantes aplicações desse processo é na indústria de tubos para petróleo e gás. Devido ao elevado valor de custo para a construção de um duto, é necessário alto controle no processo de fabricação dos tubos, especialmente durante a soldagem. (MORADPOUR; HASHEMI; KHALILI, 2015)
Possui capacidade de soldar peças com espessuras a partir de 1,5 mm até chapas com 300 mm, principalmente em aços carbono, aços estruturais de baixa liga, aços inoxidáveis e ligas de níquel. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005)
3.3 – Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS)
Para a produção de uma determinada peça na indústria, é necessário ter todo um registro de sua produção, desde a matéria prima até o acabamento, em relação a um processo de soldagem, essa documentação é chamada Especificação de Procedimento de Soldagem (EPS), onde estão registrados os valores de diversas variáveis do processo para serem adotados, garantindo assim a reprodutibilidade do processo.
Uma EPS tem o objetivo de definir os parâmetros operacionais que vão nortear a aplicação do procedimento, segundo as variáveis essenciais, não essenciais e, se for o caso, as suplementares. As variáveis essenciais num processo de soldagem e que podem estar presentes numa EPS são: composição química, classe e espessura do(s) metal(is) de base, processo(s) de soldagem, tipos de consumíveis e suas características, projeto da junta, posição de soldagem, temperatura de pré-aquecimento e entre passes, corrente, tensão e velocidade de soldagem, aporte térmico, número aproximado de passes e técnica operatória. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005) O Apêndice I apresenta as informações contidas em uma EPS.
Uma EPS somente pode ser validada e utilizada para a produção depois de devidamente testada e qualificada, sendo assim, deve-se retirar amostras da solda para serem examinados. Algumas normas contêm procedimentos de soldagem pré-qualificados, sua utilização dispensa a necessidade de qualificação. Os testes necessários para a
qualificação variam de acordo com a norma, segundo Marques, Modenesi e Bracanense (2005) geralmente os testes pedidos são:
Ensaio de dobramento Ensaio de tração
Ensaio de impacto (ou similar para determinação da tenacidade) Ensaio de dureza
Macrografia
Ensaios não destrutivos (Radiografia, ultra-som, entre outros)
Realizado os devidos ensaios e comparando-os com a norma para certificar que os valores encontrados são aceitos, as informações devem ser armazenadas em um Registro de Qualificação de Procedimento de Soldagem (RQPS), que deve ser referenciado pela EPS, esse documento serve como atestado de sua adequação aos critérios estabelecidos pela norma adotada. Junto com a EPS deve ser mantido o Registro de Qualificação do soldador/operador de soldagem, documento que atesta a capacidade do soldador/operador de soldagem de executar tal procedimento de soldagem. Devido ao custo de qualificar um novo procedimento de soldagem, a empresa pode armazenar suas EPS em um banco de dados, e dependendo do projeto podem utilizar uma EPS já qualificada, diminuindo os gastos e aumentando a competitividade da empresa no mercado. (MARQUES; MODENESI; BRACARENSE, 2005)
Para ter uma solda com qualidade, deve-se controlar todo o processo de fabricação, podendo ser dividido em três partes segundo Marques; Modenesi e Bracanense (2005).
1. Controle antes da soldagem: abrangendo a análise do projeto, verificar o credenciamento de fornecedores ou controle da recepção de materiais (metal de base, consumíveis, metal de adição), qualificação de procedimento e de soldadores, calibração dos instrumentos utilizados no processo.
2. Controle durante a soldagem: controle de todos os materiais usados (controlar o armazenamento e utilização dos eletrodos), preparação,
montagem e ponteamento das juntas, controle da soldagem (verificação do consumível, ferramental e se EPS está sendo seguida).
3. Controle pós soldagem: podendo ser realizado através de inspeções não destrutivas e ensaios destrutivos de amostras.
4 - Materiais e Métodos.
Metodologia para a confecção de uma EPS
A metodologia básica para a confecção de uma EPS, segundo critérios da norma ASME IX, seguiu a ordem a seguir
4.1 – Análise das regiões a serem soldadas
O primeiro passo para Qualificação do Procedimento de Soldagem é a determinação das regiões a serem soldadas no projeto, analisando assim se a operação de soldagem é viável em todas as regiões do projeto.
4.2 – Definição dos procedimentos a qualificar
Determinou-se qual o procedimento precisa ser qualificado, segundo necessidade de projeto, necessitando realizar os testes para uma junta soldada de aço duplex, usualmente usada para aplicações como tubulações, vasos de pressão.
4.3 – Escolha do processo a utilizar
Como na empresa há necessidade de velocidade de produção, alta qualidade na solda e reprodutibilidade do processo de soldagem, a melhor técnica que atende as exigências é a soldagem a arco submerso (SAW), já para o processo de selagem foi escolhido o processo via eletrodo revestido (SMAW).
4.4 – Identificação dos materiais utilizados
Para classificar cada material (metal de base e metal de adição), utilizou-se as tabelas QW 422 e 432 da norma ASME IX, classificando assim os materiais envolvidos no processo.
O material utilizado foi o aço SA 240 Fabricante: Outokumpu, de composição química mostrada na Tabela 5. Chapas de 25,4 mm de espessura foram usinadas nas dimensões 150 x 500 mm, em seguida foi preparado os biseis, com ângulo de aproximadamente 30°. O limite de resistência deste material é de 748 MPa, dureza de 212 HB e energia absorvida
no teste de impacto de 144 e 147 J, conforme informações do fabricante. Segundo tabela QW 422/ASME IX, o material tem com P-Number 10H.
Tabela 5 - Composição Química do material de base (%).
C Si Mn P S Cr Ni Mo N
0,019 0,46 1,37 0,029 0,001 22,3 5,25 2,90 0,18
Fonte: Fabricante Para a selagem, o consumível de soldagem utilizado foi o Eletrodo Revestido de classificação E2209-17 de Ø 3,2 mm, marca comercial Böhler Fox CN 22/9, da Voestalpine Böhler, segundo a especificação AWS A5.4, a composição química segue na Tabela 6. O limite de resistência é de 850 MPa, dureza de 211 HB na ZAC e 247 HB na solda, e a energia absorvida no teste de impacto teve uma média de 36 KV/J, conforme informações do fabricante. Segundo tabela QW 432/ASME IX o material tem com F-Number 6F.
Tabela 6 - Composição Química do eletrodo revestido (%).
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Cu
0,035 0,790 1,030 0,025 0,012 23,35 8,560 3,150 0,158 0,110 Fonte: Fabricante Para o enchimento do chanfro, o arame sólido para soldagem com arco submerso de classificação E2209 de Ø 3,2 mm, marca comercia Autrod 22.09, da ESAB, segundo a especificação AWS A5.9, mais fluxo neutro de marca comercial Ok Flux 10.93. A composição química segue na Tabela 7. O limite de resistência a tração é de 788 MPa, dureza de 246 HB na solda e a energia absorvida no teste de impacto teve uma média de 31 KV/J, conforme informações do fabricante. Segundo tabela QW 432/ASME IX, o material tem como F-Number 5F.
Tabela 7 - Composição Química do arame para arco submerso (%).
C Si Mn P S Cr Ni Mo N Cu
0,035 0,790 1,030 0,025 0,012 23,35 8,560 3,150 0,158 0,110 Fonte: Fabricante
4.5 – Determinação das variáveis essenciais
Utilizou-se as tabelas QW 252 a 266 / ASME IX em função dos processos de soldagem escolhido para a determinação das variáveis essenciais.
Segundo a tabela QW-254 / ASME IX as variáveis essenciais para o processo SAW são:
Tabela 8 - Variáveis essenciais - SAW
Metal Base Metal de Adição Pré-Aquecimento Tratamento Térmico Características elétricas P-Number F-Number Tolerância decréscimo de 55°C Qualquer TT é variável essencial Polaridade da Corrente Espessura do Material Tipo e Fluxo Primeira Passe (aporte térmico maior que 10%) Passe maior que 13 mm Elementos de liga
Segundo a tabela QW-253 / ASME IX as variáveis essenciais para o processo SMAW são:
Tabela 9- Variáveis Essenciais - SMAW
Metal Base Metal de Adição Pré-Aquecimento Tratamento Térmico P-Number F-Number Tolerância decréscimo de 55°C Qualquer TT é variável essencial Espessura do Material Mudança na espessura da solda Passe maior que 13 mm
4.6 – Soldagem da junta
1. Realizou-se a soldagem, anotando os parâmetros aplicados, tais como: - Materiais utilizados
-Tipo de junta
-Processo de soldagem -Pré-aquecimento
-Material de adição (diâmetro, nome comercial)
-Parâmetros Operacionais (intensidade de corrente, intensidade de tensão, velocidade de soldagem)
A soldagem foi feita num equipamento PRODELEC Modelo: GS 425 Identificação MW-103. A soldagem foi realizada na posição plana e o controle de temperatura interpasse foi realizado via pirômetro óptico. A sequência de soldagem é ilustrada na Figura 7.O processo de goivagem foi realizado para garantir total penetração na raiz, sendo então retirado o primeiro passe para a então soldagem do lado oposto da junta.
Figura 7 - Sequência de soldagem da solda e contra solda
A Tabela 10 mostra os parâmetros operacionais utilizados durante o processo de soldagem.
Tabela 10 - Variáveis operacionais do processo de soldagem
Processo Camadas Adição Corrente(1) [A] Tensão(1) [V] Velocidade (1)
[cm/min]
SAW Raiz ER-2209 370 25 40
SAW Enchimento ER-2209 380-415 35 60
SMAW Selagem ER-2209-17 90-110 25-30 20
Nota (1) Os valores das variáveis do processo de soldagem apresentados são usuais para os processos SAW
e SMAW, os reais valores fazem parte do know-how de uma empresa.
Corrente/ Polaridade: CC+ Fluxo (SAW): OK Fluxo 10.93 Posição: 1G – Plana
Marca dos Eletrodos: Raiz + Enchimento – OK AUTROD 2209 - Ø 3,2mm Selagem – BOHLER FOX CN 29/9 - Ø 3,2mm 4.7 – Confecção dos corpos de prova para ensaios
Confeccionou-se os corpos de prova para os ensaios requeridos para a qualificação. A norma utilizada exige os ensaios de tração e dobramento, outros ensaios foram solicitados por projeto.
Teste de Tração: A retirada dos corpos de prova para o teste de tração foi realizada segundo QW 150 / ASME IX
Teste de Dobramento: A retirada dos corpos de prova para dobramento foi realizada segundo QW 160 – ASME IX.
Teste de Impacto: A retirada dos corpos de prova para impacto foi realizada segundo QW 170 ASME IX.
A Figura 8 mostra um desenho esquemático das regiões de retirada de cada corpo de prova para os ensaios mecânicos. Nas regiões delimitadas entre as linhas tracejadas foram retiradas as amostras para o Ensaio de Impacto.
Figura 8 - Disposição de retirada dos corpos de prova
Fonte: ASME IX, 2013 (Adaptada)
4.8- Ensaios Mecânicos
Ensaio de Tração Prismática
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de tração WPM – HERCKERT Modelo: ZD 100 – Identificação MQT – 001/11 – escala 100 T – Certificado de Calibração Panantec N° 3418.14. O objetivo do ensaio foi determinar o limite de resistência da junta soldada. Os corpos de prova foram preparados, ensaiados e avaliados segundo critérios da norma ASME IX ED. 2013. Todos os ensaios foram realizados em temperatura de 22 °C.
Ensaio de Dobramento
Realizou-se teste de dobramento lateral a 180°, com distância entre roletes de 60,3 mm. A máquina utilizada foi uma PRENSA 1 – 50 T. O cutelo de dobramento, a preparação dos corpos de prova, o método de ensaio e os critérios de avaliação seguiram a norma ASME IX ED. 2013.
Ensaio de Dureza
O ensaio de dureza do tipo Brinnel foi realizado em um durômetro modelo HBRV187,5. O objetivo do ensaio foi determinar a dureza do metal base e comparar com o que foi especificado pelo projeto (292 HB) para este material, também foram realizadas medições de dureza nas regiões da ZAC e zona fundida. O ensaio foi realizado conforme ASTM E10 - 12, com uma carga de 187,5 kgf com tempo de impressão de 30 segundos em amostras devidamente lixadas e polidas
Ensaio de Impacto
O ensaio de impacto foi realizado em uma máquina de Ensaio de Impacto da marca Zwick/Roell - RKP 450 - identificação MQI - 001/11 - escala 450J, o ensaio foi do tipo Charpy conforme a norma ASTM E23 - 11, com o entalhe em V localizado no centro da solda e na zona afetada pelo calor, em temperatura de -46° C conforme especificação do projeto.
4.9 – Ensaios Não Destrutivos
Exame Radiográfico
A junta soldada foi submetida ao exame total radiográfico via raios X usando uma tensão de 320 KV e tamanho focal de 5,5 mm. A distância fonte/objeto foi de 680 mm e distância fonte/filme de 700 mm, a técnica utilizada foi PV/VS.
Exame via Líquido Penetrante
A junta soldada foi submetida ao exame sendo usado o líquido penetrante VP 30/ Metal –Check, revelador D70/Metal-Check e removedor TMC 10/Metal-Check. O tempo de penetração foi de 10 minutos e o tempo de revelação de 20 minutos.
4.10 - Caracterização Microestrutural
Microscopia Óptica e MEV
As amostras foram preparadas para análise via microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura, seguindo metodologia padrão de preparação metalográfica. Nas amostras devidamente polidas segundo ASTM E3-11, foram feitos ataques químicos utilizando o reagente Marble (4g CuSO4 + 20ml HCl + 20ml H2O) via imersão por 45s e submersa em um fluxo contínuo de água. O equipamento usado para a aquisição das imagens foi o microscópio óptico da marca Zeiss Axiovert 40 MAT.
A caracterização via microscopia eletrônica de varredura foram obtidas em um MEV de bancada da marca HITACHI modelo TM3000 com um equipamento de EDS OXFORD INSTRUMENTS modelo SWIFTED3000 acoplado.
A medição de ferrita via ferritoscópio foi feita com o Ferritoscópio modelo Ferritscope MP30E-S – Ficher, n° de série SN70003570, o corpo de prova foi preparado conforme ASTM E3 - 11, analisando ponto da ZAC e Zona Fundida.
Macrografia
A preparação para análise macrográfica foi realizada conforme ASTM E7 - 03/ASTM E407 - 11, ataque químico de água régia (8 ml ácido nítrico concentrado, 12 ml ácido clorídrico concentrado e 1000 ml álcool etílico)a amostra foi imersa, durante 30s, utilizando um estéreo para aquisição das imagens.
Difratometria de Raios X
A amostra foi caracterizada por difratometria de raios X à temperatura ambiente usando radiação Cukα, filtro de Ni, tensão de 40 kV e corrente de 30 mA, varrendo ângulo 2θ de 10°- 90º, com passo angular de 0,02º e 150s por ponto.
A identificação das fases foi feita através da comparação dos picos obtidos no difratograma experimental com aqueles simulados para as fases previstas. O difratograma simulado foi obtido usando as informações cristalográficas em VILLARS (1997) e o software Powdercell [KRAUS (1996)].
4.11 – Avaliação dos Resultados
Comparou-se os resultados obtidos com os critérios de aprovação exigidos pela norma e solicitação do projeto. Como todos os critérios de aprovação foram alcançados, confeccionou-se a RQPS. Os Resultados dos testes realizados e a RQPS serão discutidos no tópico Resultados e Discussões.
4.12 – Especificação do Procedimento de Soldagem
O documento RQPS deu origem à EPS, destinado à fabricação, com os parâmetros em uma faixa maior do que aquela do RQPS. Ao final dos Resultados e Discussões será apresentado um formato de EPS gerado a partir dos dados coletados.
5 - Resultados e discussões
Primeiramente serão apresentados os resultados dos testes mecânicos e macrografia para a confecção da RQPS e as análises microestruturais.
Macrografia
A Figura 9 apresenta a macrografia da junta soldada. Pode ser constatado que a soldagem foi realizada em duas etapas, definido como solda e contra solda, observa-se também que toda da macrografia está isenta de descontinuidades.
Figura 9 - Macrografia da junta soldada
Ensaio de Tração
Para a amostra ser aprovada no teste de tração, a junta soldada deve ter uma resistência mínima igual especificada para o metal base (748 MPa). A Tabela 11 mostra os resultados obtidos nos testes, analisando os valores de resistências das amostras constata-se que as amostras foram aprovadas pois ambas superaram os 748 MPa de resistência à tração.
Tabela 11 - Resultados do Teste de Tração
CP Dimensões
[mm]
Secção
[mm²] Limite de Resistência Local de Ruptura
ID.: A B ÁREA [Kgf] [MPa]
1 19,09 25,92 494,8 38562 764 SOLDA
2 19,07 25,85 493,0 38950 775 METAL BASE
Ensaio de Dobramento
Segundo critério de aprovação, as amostras submetidas aos dobramentos não podem ter defeitos pontuais maiores que 3,25 mm ou metade da espessura do material e o somatório de todas as descontinuidades não pode ultrapassar 9,5 mm. A Tabela 12mostra os resultados obtidos no teste de dobramento, observa-se que o maior defeito apresentou dimensão de 2,4 mm e a maior soma de defeitos nas amostras foi de 4,3 mm, indicando que o material atendeu as exigências, sendo aprovado nesse teste.
Tabela 12 - Resultados do teste de dobramento CP Dimensões (mm) Cutelo Ø (mm) Resultados ID.: 1 25,4 x 10,0 x 300 38,10 Apresentou descontinuidades de 2,40 mm 2 25,4 x 10,0 x 300 38,10 Descontinuidades de 1,8 + 1,60 + 0,90 mm = 4,3 mm 3 25,4 x 10,0 x 300 38,10 Descontinuidades de 1,30 mm 4 25,4 x 10,0 x 300 38,10 Descontinuidades de 1,50 mm Ensaio de Impacto
A Figura 10 mostra os resultados obtidos no teste de impacto para as duas regiões da junta soldada onde foram retirados os corpos de prova (ZAC - azul e cordão de solda - vermelho). A norma utilizada para a qualificação de soldagem não exige o teste de impacto, sendo solicitado pelo projeto. Utilizou-se o valor da energia absorvida a -46°C como critério de aprovação, as amostras deveriam absorver uma energia mínima de 35 J, para serem aprovadas.
Pela análise do gráfico, constata-se que as amostras de ambas as regiões atenderam o especificado pelo projeto, sendo aprovadas nesse ensaio.
Figura 10 - Resultados do Teste de Impacto
Ensaio de Dureza
O Ensaio de Dureza não é exigido pela norma de referência, o critério de aprovação foi imposto pelo projeto, onde a dureza máxima encontrada deve ser de 292 HB. A Figura 11 indica as regiões da solda onde as medidas dos valores de dureza foram feitas abrangendo as regiões do metal base, zona afetada pelo calor (ZAC) e zona fundida. A Tabela 13 mostra os valores médios de dureza encontrados em cada ponto, observa-se que a região mais afastada da zona fundida tem o menor valor de dureza, pois não sofreu com o efeito térmico da soldagem, sua dureza corresponde ao valor do metal base. Na Região Termicamente Afetada observa-se o maior valor de dureza, devido ao efeito térmico resultante do processo de soldagem. A região da Zona Fundida tem uma dureza intermediária, pois como seu resfriamento é mais lento, evita a formação de fases fragilizantes. Segundo critério do projeto, a amostra foi aprovada no Teste de Dureza, pois nenhum valor excedeu 292 HB.
Figura 11 - Regiões de análises microestruturais
Tabela 13 - Valores de Dureza Brinnel
MB ZAC SOLDA ZAC MB
Ponto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Linha 1 255 253 266 260 249 260 244 244 255 249 244
Linha 2 244 285 277 260 266 270 260 266 255
Exame Radiográfico
O exame radiográfico mostrou que a junta soldada não apresenta descontinuidades como poros, falta de fusão/penetração, atendendo aos requisitos de projeto.
Exame via Líquido Penetrante
O exame via Líquido Penetrante não indicou defeitos superficiais na junta soldada, atendendo os requisitos de projeto.
Análise Metalográfica
A Figura 12 apresenta a análise via microscopia óptica da região afetada
termicamente pela soldagem. A amostra soldada apresentou um valor de ferrita na faixa de 36 a 41% e 38 a 43%, ponto 2 e ponto 3 (ver Figura 11) respectivamente, e isentas de precipitados contínuos ou fases intermetálicas, faixa que atende o especificado (35 a 65% de ferrita, conforme N-133).
1
3
6
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4
7
5
8
9
10
2
Figura 12 - Imagem de MO das amostras soldadas (a) região da ZAC próximo ao topo e (b) Raiz
A Figura 13 apresenta as imagens de microscopia óptica dos pontos do centro da solda, nos pontos 5 e 6 (ver Figura 11) respectivamente. A amostra soldada apresentou um valor de ferrita na faixa de 35 a 40%, faixa que atende o especificado (35 a 65% de ferrita, conforme N-133), também isento de precipitados contínuos ou fases intermetálicas.
Figura 13 – Micrografias no centro da solda (a) Ponto 3 (b) Ponto 6
Microscopia Eletrônica de Varredura
A caracterização microestrutural via MEV mostrada na Figura 14 indica que a amostra analisada não apresentou as fases: sigma (), chi () ou nitretos. A imagem foi feita no ponto 3 (ver Figura 11).
Ferrita Austenita Ferrita Austenita Austenita Ferrita Ferrita Austenita
Figura 14 - Caracterização da junta soldada via MEV
Caracterização via DRX
A Figura 15 mostra o difratograma da amostra soldada, juntamente com a simulação do difratograma das fases existentes. Observa-se que na amostra existem apenas as fases ferrita e austenita, caso exista fases intermetálicas tais como a chi () ou nitretos, a quantidade na amostra foi inferior a capacidade de detecção do aparelho de difração, não prejudicando assim as propriedades mecânicas. A análise via DRX constatou os resultados aparentemente observados via MO e MEV. Como a caracterização via DRX não é prescrita por norma, não é necessário adicioná-la a RQPS.
Figura 15 - Difratograma da amostra soldada
AUSTENITA FERRITA
As técnicas utilizadas para as análises microestruturais indicaram nas regiões de análise não ocorreu a formação de precipitados intermetálicos que comprometem as propriedades mecânicas e anticorrosivas da junta soldada. Caso tenha ocorrido a precipitação em alguma região da amostra, a fração das fases intermetálicas foi muito pequena, não causando impacto nas propriedades do material, pois os resultados dos ensaios mecânicos indicaram que a junta soldada está dentro dos padrões aceitos pela norma ASME IX e solicitações do projeto.
Apresentação dos documentos
Os apêndices I, II e III apresentam todos os documentos necessários para uma Qualificação de Procedimento de Soldagem. Convém destacar que somente a EPS (Apêndice I) é enviada ao ambiente de produção, a RQPS é armazenada no arquivo da fábrica, ficando registradas todas as informações referentes às propriedades da junta soldada, servindo como prova de que a solda atende os requisitos mínimos exigidos pela norma. As informações contidas na RQPS (Apêndice II) são as mínimas necessárias para a qualificação de um processo de soldagem segundo a ASME IX, porém caso o projeto exija algum teste suplementar, os resultados devem ser adicionadas ao documento. O CQO (Certificado de Qualificação do Operador – Apêndice III) é o registro de que o soldador que está realizando a soldagem está apto para o serviço.
Na EPS nota-se que as faixa para as variáveis no processo de soldagem são maiores, pois um controle exato para valores como tensão, corrente e velocidade de soldagem somente é conseguido em laboratório. Qualquer valor entre a faixa delimitada para cada variável está de acordo com o processo, garantindo a conformidade na produção.
6 - Conclusões
O objetivo proposto para o trabalho era acompanhar e registrar toda sistemática para a qualificação de um procedimento de soldagem segundo norma ASME IX, acompanhando todas as etapas e testes para a qualificação, além de analisar microscopicamente as fases existentes, avaliando o aparecimento de fases intermetálicas que podem comprometer as propriedades mecânicas da junta soldada.
O objetivo principal do trabalho foi alcançado, com a realização de um memorial descritivo de um Processo de Qualificação de Procedimento de Soldagem. O desenvolvimento do trabalho permitiu que todas as etapas foram devidamente catalogadas, permitindo verificar que um controle rigoroso de todo processo deve ser feito para garantir a qualidade da junta soldada. Os documentos gerados exemplificaram a estrutura de uma EPS, RQPS e CQO, mostrando as informações necessárias para o início da fabricação de um produto soldado.
As técnicas microestruturais utilizadas no presente trabalho, nem todas exigidas pela norma, contribuíram para um melhor entendimento do processo metalúrgico da soldagem indicando a ausência das fases que poderiam prejudicar as propriedades mecânicas do aço. Os resultados obtidos apresentam coerência entre a microestrutura do aço inoxidável duplex, composto pelas fases austenita e ferrita assegurando assim uma ductilidade da junta.
Ao final do trabalho de conclusão de curso, pode-se também inferir sobre a importância da necessidade de se ter todas as etapas de uma qualificação devidamente registradas e analisadas. O procedimento de certificação dá garantia para os projetos e auxilia no bom relacionamento cliente-fornecedor, pois permite transparência de ambas as partes durante a realização de um serviço.
7 - Referências
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