CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
CELSO SUCKOW DA FONSECA – CEFET/RJ
Soldagem de Revestimento Com Aço Inox
Superaustenítico AISI 904L e INCONEL 625
Tiago Barbosa Cabral Yasmin Kronemberger Leal
Prof. Orientador: Luís Felipe Guimarães Souza Prof. Co-Orientador: Jorge Carlos Ferreira Jorge
Rio de Janeiro
Março de 2013
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
CELSO SUCKOW DA FONSECA – CEFET/RJ
Soldagem de Revestimento Com Aço Inox
Superaustenítico AISI 904L e INCONEL 625
Tiago Barbosa Cabral Yasmin Kronemberger Leal
Projeto Final apresentado em cumprimento às Normas do Departamento de Educação Superior do CEFET/RJ, como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Industrial Mecânica
Prof. Orientador: Luís Felipe Guimarães Souza Prof. Co-Orientador: Jorge Carlos Ferreira Jorge
Rio de Janeiro
Março de 2013
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Central do CEFET/RJ C117 Cabral, Tiago Barbosa
Soldagem de revestimento com aço inox superaustenítico AISI 904L e INCONEL 625 / Tiago Barbosa Cabral [e] Yasmin
Kronemberger Leal.—2013. xiii, 48f. : il.color. , grafs. , tabs. ; enc.
Projeto Final(Graduação) Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, 2013.
Bibliografia : f.46-48 Orientador : Luís Felipe Guimarães Souza
Co-Orientador : Jorge Carlos Ferreira Jorge
1. Soldagem. 2. Revestimento em metal. 3. Aço inoxidável. I. Leal, Yasmin Kronemberger. II. Souza, Luís Felipe Guimarães
(Orient.). III. Jorge, Jorge Carlos Ferreira (Co-Orient.). IV. Título.
CDD 671.52
DEDICATÓRIA
A Vera Lucia Kronemberger; A Marte Regina Barbosa Cabral; Aos amigos, irmãos e irmãs.
AGRADECIMENTOS
Ao nosso professor orientador Luís Felipe Guimarães Souza e ao nosso professor co-orientador Jorge Carlos Ferreira Jorge, pela dedicação e ensinamentos transmitidos durante o desenvolvimento deste trabalho.
Ao engenheiro Francisco Carlos Albuquerque Madalena pela possibilidade do desenvolvimento deste trabalho.
Ao CEFET/RJ pela disponibilidade do laboratório LAMAT para realização dos ensaios aqui presentes.
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo apresentar uma avaliaçãocomparativa das propriedades mecânicas e metalúrgicas das ligas metálicas AISI 904L e INCONEL 625 afim de determinar a viabilidade de substituição da liga de níquel Inconel 625 pelo aço inox superaustenítico AISI 904L na aplicação de revestimentos em vasos de pressão utilizados em plantas de processos na indústria Petroquímica.Foram realizadas soldagens de revestimento com as duas ligas utilizando como substrato o aço ASTM A 516 Gr 70. Os revestimentos produzidos foram analisados por microscopia ótica e eletrônica de varredura para caracterização microestrutural em particular da ZPD. Foram realizados ensaios de microdureza na seção transversal das soldas para identificação de regiões de dureza elevada. Foram realizadosensaios de análise químicapara avaliaçãoda Resistência Equivalente por Pites e ensaios de corrosão. Os resultados mostraram a ocorrência de elevados níveis de durezas nas ZPDs decorrentes da presença de estruturas martensíticas, que caracterizam zonas frágeis as quais são prejudiciais à junta soldada. Os resultados dos ensaios de corrosão do revestimento aplicado com o aço AISI 904L não se mostraram conclusivos quanto a resistência a corrosão quando submetido as mesmas condições de severidade nas quais se emprega o Inconel 625 verificando-se, portanto, a necessidade de um maior número de ensaios para este revestimento. No entanto, o revestimento de aço AISI 904L possui um resultado PREN semelhante aos aços inoxidáveis da família Duplex, apresentando um ótimo potencial de resistência à corrosão, podendo portanto ser utilizado para serviços com menores exigências a corrosão ou por um regime de trabalho menor.
ABSTRACT
This study aims to present a comparative evaluation of the mechanical properties of metals and alloys AISI 904L and INCONEL 625, in order to determine the feasibility of replacing the nickel alloy Inconel 625 by stainless steel AISI 904L superaustenitic in applying coatings in pressure vessels used in process plants in the petrochemical industry. Coating welds were carried out with the two alloys as substrate using the ASTM A 516 Gr 70. The coatings produced were analyzed by optical microscopy and scanning electron microscopy for microstructural characterization in particular the ZPD. Microhardness tests were performed on the cross section of the welds to identify regions of high hardness. Tests of chemical analysis were carried out to evaluate the equivalent resistance and pitting corrosion tests. The results showed the presence of high levels of hardness in ZPDs arising from the presence of martensitic structures that characterize fragile zones, which are harmful to the welded joint. The results of the corrosion tests of the coating applied to the steel AISI 904L were not conclusive as corrosion resistance when subjected to stringency conditions which is employed Inconel 625 verifying therefore a need for a greater number of tests to this coating. However the coating of AISI 904L has a PREN result similar to the family Duplex stainless steels, with a great potential for corrosion resistance and can therefore be used for services with lower requirements corrosion or a lower usage time.
SUMÁRIO
1. Introdução ...1 2. Referência Bibliográfica ...3 2.1 Revestimentos Metálicos...3 2.2 Inconel 625...4 2.3 AISI 904L...42.4 Soldagem MIG (GMAW)...5
2.5 Soldagem Arame Tubular (FCAW)...7
2.6 Gases de Proteção...11
2.7 Soldagem Dissimilar...13
2.8 Corrosão por Pites...17
3. Materiais e Métodos...18
3.1 Metal de Base e Metal de Solda...18
3.2 Processo de Soldagem...19
3.2.1 Inconel 625...19
3.2.2 AISI 904L...20
3.3 Identificação das Amostras...22
3.4 Preparação Metalográfica...22 3.5 Ensaios de Microdureza...22 3.6 Ensaios de Dobramento...22 3.7 Análise Macrográfica...23 3.8 Análise Micrográfica...24 3.9 Análise Química...25 3.10 Ensaio de Corrosão...25 4. Resultados e Discussões...26 4.1 Análise Micrográfica...26 4.1.1 Metal de Base...26
4.1.2 Metal de Solda...27
4.2 Diluição Global...28
4.3 Análise Química...31
4.4 Microscopia de Varredura Eletrônica e Espectroscopia de Energia Dispersiva...34 4.5 Ensaio de Microdureza...39 4.6 Carbono Equivalente...41 4.7 Ensaio de Dobramento...42 4.8 Ensaio de Corrosão...42 5. Conclusão...43
6. Sugestões para Trabalhos Futuros...44
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-Exemplo esquemático da Soldagem GMAW [8]. ... 5
Figura 2 - Seção transversal de um arame tubular [8]. ... 7
Figura 3–Processo de soldagem arame tubular auto protegido[10]. ... 8
Figura 4 -Processo de soldagem arame tubular com proteção gasosa [10]. ... 9
Figura 5 - Região Clara da ZPD quando atacada com Nital 2%. ... 14
Figura 6 - Ataque corrosivo de nital 2% e Água Régia. ... 15
Figura 7 - Estruturas do tipo "praias" descritas pro DOODY [19]. ... 16
Figura 8 - Estruturas do tipo "baías" descritas por DOODY [19]. ... 16
Figura 9 - Estruturas do tipo "ilhas" descritas por DOODY [19]. ... 16
Figura 10 - Tubo de aço inoxidável AISI 304 com corrosão por pite. ... 17
Figura 11 – Geometria da chapa utilizada para a deposição do Inconel 625. ... 19
Figura 12 - Disposição dos cordões de solda da liga Inconel 625. ... 19
Figura 13 – Geometria da chapa utilizada para a deposição do Aço AISI 904L ... 20
Figura 14 - Disposição dos cordões de solda do aço AISI 904L. ... 21
Figura 15- Corpo de prova do ensaio de dobramento segundo ASME Secção IX [7]. .. 23
Figura 16 - Amostra 1, revestimento de Inconel 625. ... 24
Figura 17 - Amostras 2, revestimento de AISI 904L. ... 24
Figura 18 – Microestrutura martensítica do Metal de Base próximo a ZTA. ... 26
Figura 19 – Microestrutura ferrita-perlita do Metal de Base distante da ZTA. ... 27
Figura 20 – Microestrutura colunar-dendrítica do metal de solda da Amostra 1 (Inconel 625). ... 27
Figura 21 – Detalhe da ZPD da Amostra 1. ... 28
Figura 22 – Detalhe da ZPD da Amostra 2. ... 28
Figura 23 - Relação da Área depositada e da Área Penetrada. ... 29
Figura 24 -Macrografia da Amostra 1, Inconel 625. ... 29
Figura 25 -Macrografia da Amostra 2, AISI 904L. ... 30
Figura 26 - Variação da Taxa de Diluição das Amostras 1 e 2. ... 30
Figura 27 – Variação da concentração de Ni e Cr em função da distância da linha de fusão para o Inconel 625. ... 32
Figura 28 – Variação da composição química do Ni e Cr em função da distância da linha de fusão para o AISI 904L ... 33
Figura 29 – Resultado do parâmetro PREM das amostras 1 e 2. ... 34
Figura 30 – Microestrutura na região da linha de fusão da Amostra 1. ... 35
Figura 31 – Microestrutura do revestimento INCONEL 625 com um aumento de 3000x. ... 36
Figura 32 – Microestrutura na região da linha de fusão da Amostra 2. ... 36
Figura 33 – Microestrutura do revestimento AISI 904L com um aumento de 3000x. ... 37
Figura 34 – Gradiente da composição química da Amostra 1 com revestimento Inconel 625. ... 38
Figura 35 – Gradiente da composição química da Amostra 2 com revestimento AISI 904L. ... 38 Figura 36 – Micrografia ótica com aumento de 100x das regiões dos ensaios de
microdueza Vickers do revestimento de Inconel 625. ... 39 Figura 37 – Micrografia ótica com aumento de 100x das regiões dos ensaios de
microdueza Vickers do revestimento AISI 904L. ... 39 Figura 38 – Variação dos valores de microdurezaVickers em função da posição,
tomando como referência a linha de fusão da Amostra 1... 40 Figura 39 – Variação dos valores de microdurezaVickers em função da posição,
tomando como referência a linha de fusão da Amostra 2... 41 Figura 40 - Diagrama de Graville adotado pela AWS para a definição do método a usar para prevenção de trincas a frio [15]. ... 42
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição Química do Metal de Solda (% em peso) ... 18
Tabela 2 - Composição química do Metal Base. ... 18
Tabela 3 - Parâmetros de Soldagem para o Inconel 625. ... 20
Tabela 4- Parâmetros de Soldagem para o AISI 904L. ... 21
LISTA DE ABREVEATURAS E SIGLAS
FCAW – Flux-Cored Arc Welding AISI – American Iron and Steel Institute ZPD –Zona Parcialmente Diluída
ISO – Internationa lOrganization for Standardization MIG – Metal Inert Gas
GMAW – Gas Metal Arc Welding EDS – Electron Diffraction Scanning
MEV – Microscopia de Varredura Eletrônica CCC – Cúbica de Corpo Centrado
CFC – Cúbica de Face Centrada
ASME – American Society of Mechanical Engineers ASTM – American Society for Testing and Materials ZTA – Zona Termicamente Afetada
API –American Petroleum Institute
LISTA DE SÍMBOLOS
ºC – Graus Celsius A – Amper V – Volts kJ – quilo Joule Ad – Área depositada Ap – Área penetrada D(%) – Diluição percentual HV –Dureza Vickers CE – Carbono Equivalente mm - milímetro μm – mícron cm – centímetro min – minuto gf – grama forçaCapítulo 1
Introdução
Vasos de pressão são componentes amplamente utilizados em plantas deprocessos na indústria Petroquímica. Essa utilização normalmente demanda a combinação de elevada resistência mecânica, boa tenacidade e alta resistência à corrosão devido aos tipos de materiais processados que entram em contato com a parede do vaso ou os produtos do processamento. Uma das opções para se obter uma melhor resistência à corrosão dos componentes consiste na aplicação de revestimentos metálicos. A deposição por soldagem é um dos métodos mais comuns de aplicação de revestimentos metálicos para a fabricação de vasos de pressão.
Um dos revestimentos metálicos atualmente utilizado é a superliga de níquel Inconel 625, depositado através de soldagem por Arame Tubular (FCAW), tratando-se de um revestimento metálico de alto custo. Visando buscar uma alternativa para os materiais e métodos atualmente empregados para revestimentos de vasos de pressão na indústria, este estudo propõe a substituição da liga de níquel Inconel 625 pelo aço inoxidável AISI 904L.
A superliga de níquel Inconel 625 [1] possui uma boa resistência à fluência, excelente resistência à oxidação e à corrosão em ambientes severamente agressivos e uma elevada resistência mecânica. É amplamente utilizado nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, nuclear, química, petroquímica e naval [2].
O aço inoxidável superaustenítico AISI 904L [3] se destaca devido a sua resistência à corrosão em ambientes agressivos como instalações da indústria “Offshore”, porém possuindo fenômenos indesejados quando soldado, como trincas de solidificação e de liquação.
Sendo o material de base o aço carbono ASTM A516 Gr. 70 a deposição por soldagem se apresenta como um caso típico de soldagem dissimilar. Neste caso, devem ser observados dois aspectos em especial neste tipo de soldagem. O primeiro é a formação da chamada Zona Parcialmente Diluída (ZPD), que são regiões formadas ao longo da linha de fusão, e que possuem composição química intermediária entre o metal de solda e o substrato.
O revestimento de Inconel 625 foi depositado através do processo de soldagem Arame Tubular (FCAW) e o revestimento AISI 904L foi depositado através do processo de soldagem MIG (GMAW) devido a não disponibilidade do consumível do mesmo para o processo de Arame Tubular.
Visando comparar as propriedades mecânicas e metalúrgicas das ligas metálicas AISI 904L e INCONEL 625, foram realizados ensaios de Dobramento, Composição Química, Corrosão, Microdureza Vickers, exames Macrográficos, Microscopia de Varredura Eletrônica (MEV) e Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raio-X (EDS).
Com os ensaios realizados foi possível avaliar as características mecânicas e metalúrgicas de ambos os revestimentos e com base nestas determinar a viabilidade de substituição da liga de níquel Inconel 625 pelo aço inox superaustenítico AISI 904L.
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
O presente capítulo busca apresentar os conceitos básicos, de acordo com o estado da arte, dos revestimentos metálicos Inconel 625 e AISI 904L focando em suas propriedades mecânicas e metalúrgicas, assim como os processos de soldagem MIG (GMAW) e Arame Tubular (FCAW) utilizados para deposição deste revestimentos. Também serão apresentados os principais conceitos, descritos na literatura, quanto aos gases de proteção e suas influências nos processos GMAW e FCAW, a soldagem dissimilar e corrosão por pites.
2.1 Revestimentos Metálicos
Os revestimentos metálicos são camadas de metal com propriedades específicas aplicadas sobre outra superfície metálica (substrato), dificultando o contato do substrato com um meio corrosivo, diminuindo dessa forma a degradação do mesmo pela ação do meio[4].
Segundo NUNES [4], os revestimentos metálicos podem ser aplicados por cladização, que consiste na aplicação de chapas de um metal ou liga, com elevada resistência à corrosão, revestindo um outro metal com função estrutural. São geralmente de grande espessura e podem ser aplicados pelos processos de laminação, soldagem por explosão ou soldagem por deposição. Os revestimentos metálicos também podem ser aplicados por deposição por imersão a quente, no caso de superfícies zincadas e estanhadas. Tal processo resulta em pequenas espessuras, normalmente da ordem de 20 a 120 μm, e é mais utilizado para superfícies expostas à atmosfera. A metalização também é utilizada como processo de revestimento e consiste na deposição do revestimento sobre uma superfície previamente preparada. Os revestimentos aplicados são fundidos por uma fonte de calor de combustão de gases, arco elétrico, plasma ou detonação. A eletrodeposição também é utilizada na aplicação de revestimentos metálicos e consiste na deposição de metais que se encontram na forma iônica em um banho. A superfície a ser
revestida é colocada no catodo de uma célula eletrolítica. É geralmente utilizada na necessidade de um bom acabamento, tendo sua principal aplicação em peça pequenas.
Neste trabalho, o revestimento metálico tem aplicação na fabricação de vasos de pressão utilizados em plantas de processamento e tratamento de fluídos produzidos nos campos de petróleo, revestindo os vasos de pressão internamente, sendo uma alternativa para vasos de pressão fabricados inteiramente com ligas Super Duplex.
2.2 Inconel 625
A liga de Inconel 625 possui um lugar de destaque na família das ligas Ni-Cr-Mo, tendo sido desenvolvida em 1964, inicialmente com o intuito de operar em altas temperaturas teve sua aplicação estendida para diversas aplicações que requerem alta resistência à corrosão e elevada resistência mecânica, sendo aplicada em diversos setores da indústria [5].
A adição de nióbio e molibdênio às ligas Ni-Cr-Mo resulta em maior endurecimento da matriz da liga oferecendo, dessa forma, alta resistência sem a necessidade de tratamentos térmicos. Para manter sua excelente resistência à corrosão, os teores de ferro e carbono são mantidos em níveis baixos, minimizando também a precipitação nos contornos de grãos, evitando problemas de corrosão localizada ou por pite [5].
Devido as suas características de resistência à corrosão, resistência mecânica, resistência à fadiga além de excelente resistência a fluência, a liga Inconel 625 é extensamente aplicada plantas de processamento de fluídos corrosivos a alta temperatura nos campos de petróleo onshore e offshore. São muito utilizadas como revestimento em aços de alta resistência e aços de baixa resistência. Possui também aplicação na engenharia aeroespacial, em equipamentos de controle de poluição e reatores nucleares[5].
2.3 Aço AISI 904L
O aço AISI 904L é um aço superaustenítico com 25% de níquel, 20% de cromo, com adições de molibdênio, de 4 a 4,8%, e com 1 a 2% de cobre. É um aço inoxidável
com elevada resistência à corrosão, sendo utilizado em ambientes altamente corrosivos. Também possui boa tenacidade a baixa temperatura e boa resistência à fluência [6].
O aço AISI 904L é utilizado em meios com altos níveis de corrosão, sendo estes meios sulfurosos, fosfóricos e hidrocloródricos, nas industriais de fertilizantes, plantas de processamento de petróleo da indústria offshore e industriais químicas. Possui boa soldabilidade, sendo largamente empregados em vasos de pressão da indústria petroquímica e em reatores nucleares [6].
2.4 Soldagem MIG (GMAW)
A Soldagem MIG (Metal Inert Gas) ou GMAW (Gas Metal Arc Welding) consiste em um processo de soldagem ao arco elétrico que proporciona a união dos metais através de seu aquecimento por um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico consumível de alimentação contínua e a peça de trabalho. A proteção do arco e da poça de fusão se dá através do fornecimento de um fluxo laminar de um gás de caráter inerte ou mistura de gases [7]. A Figura 1, a seguir, apresenta um exemplo esquemático do processo GMAW.
Figura 1-Exemplo esquemático da Soldagem GMAW [8].
O equipamento para a soldagem GMAW é constituído por uma fonte de energia, uma tocha de soldagem, uma fonte de gás e um alimentador de arame. A fonte de energia normalmente utilizada é a de saída de tensão constante, sendo essa disposta em conjunto com um alimentador de arame de velocidade regulável. Disposto desta forma o sistema é
capaz de ajustar automaticamente o comprimento do arco através de variações da corrente [8].
Esse ajuste automático do comprimento do arco pode ser obtido de duas maneiras, sendo mais comum a utilização de uma unidade de alimentação de eletrodo com velocidade constante (mas ajustável) e uma fonte de energia com corrente variável e tensão constante. Quando há variações da distância entre o eletrodo e a peça (o que causa variações instantâneas no comprimento do arco) a fonte de energia fornece mais corrente, quando o comprimento do arco é reduzido, ou menos corrente, quando o comprimento do arco é aumentado. Esta mudança no fornecimento de corrente acarreta uma alteração correspondente na taxa de fusão do eletrodo mantendo-se assim o comprimento de arco desejado [7].
A segunda maneira de ajuste do comprimento do arco consiste em usar uma fonte de energia com corrente constante, uma velocidade variável e um alimentador de eletrodo com sensor de tensão. As alterações no comprimento do arco provocam uma mudança correspondente na voltagem através do arco, esta variação de voltagem é detectada pelo sensor ligado ao alimentador de arame que altera a velocidade de alimentação do arame que disponibiliza mais ou menos arame por unidade de tempo. Este método de ajuste fica limitado a eletrodos de maior diâmetro com baixas velocidades de alimentação [7].
De acordo com a literatura [7], a aplicabilidade de um processo de soldagem é ditado por suas vantagens e limitações. E no caso do processo de soldagem MIG, suas principais vantagens tornam o processo particularmente bem adaptado para aplicação em soldas de alta produção e automatizadas. De arco com MODENESI [8], e ASM Metal HandBook [7], as principais vantagens e limitações do processo MIG são:
I. Vantagens:
Eletrodo de alimentação contínua permite que soldas longas seja depositadas sem interrupção;
A soldagem pode ser executada em qualquer posição, desde que sejam utilizados os parâmetros corretos;
Elevada taxa de deposição de metal;
Elevada penetração, o que permite o uso de filetes de menor tamanho para forças equivalentes;
Exige menos habilidade do operador quando comparado a outros processos, uma vez que o arco é mantido constante com pequenas variações da distância entre o eletrodo e a peça;
Exige menos limpeza após soldagem devido à ausência de uma escória pesada.
II. Limitações:
Equipamento mais complexo e de maior custo;
Processo mais difícil de ser aplicado em locais de difícil acesso, devido ao tamanho da tocha e ao fato de que a mesma deve ser mantida a uma distância de 10 a 19mm da junta a ser soldada para garantir que metal de solda esteja devidamente protegido pela coluna de gás de proteção;
Limitada aplicação em campo, pois o arco deve ser protegido de correntes de ar que causam dispersão da coluna de gás de proteção.
2.5 Soldagem Arame Tubular (FCAW)
A soldagem com arame tubular (Flux Cored Arc Welding - FCAW) consiste em um processo de soldagem a arco no qual se utiliza um eletrodo de perfil tubular, cujo interior é preenchido com o fluxo fusível [7].
O fluxo interno do arame tubular, Figura 2, tem a função de proteger da poça de fusão, estabilizar do arco, transferir elementos de liga, desoxidar o metal de solda, e aumenta a taxa de deposição (adição de pó de ferro ao fluxo) [7,8].
Segundo ASM [7], MODENESI [8] e MACHADO [9], este processo apresenta duas opções para realização da solda, sendo estas denominadas auto protegido (self-shielded ou innershield) e soldagem com proteção gasosa (gas-(self-shieldedou dual shield).
No processo auto protegido, Figura 3, o fluxo do eletrodo é responsável por fornecer proteção para poça de fusão (através da produção de escória) e alguns eletrodos também produzem gases de proteção através da queima do fluxo [7].
Figura 3–Processo de soldagem arame tubular auto protegido [10].
Nos eletrodos auto protegidos a proteção gasosa adquirida através da queima do fluxo não é tão eficiente como a do eletrodo revestido, por exemplo, se fossem adicionados elementos que enriquecessem a produção de gases de proteção haveria um aumento excessivo de respingos e devido a isso elevada exposição do metal fundido à atmosfera. Esses eletrodos também devem ter em seu fluxo elementos desoxidantes e formadores de nitretos, uma vez que que no processo auto protegido é inevitável a absorção de oxigênio e nitrogênio do ambiente [9].
Segundo MACHADO [9], a eficiência do processo auto protegido encontra-se entre 80 a 87%, considerando a razão entre a massa do metal depositado e a massa de eletrodo consumido.
O processo com eletrodo auto protegido é empregado nas indústrias automotiva e de fabricação de equipamentos pesados (elementos estruturais, caixas de eixos, componentes de suspensão entre outros) [7].
No processo com proteção gasosa, Figura 4, é utilizada uma tocha que proporciona um fluxo externo de gás de proteção, que tem como função proteger a poça de fusão da atmosfera, estabilizar o arco, formar escória e também atuar como desoxidante. Como gases de proteção podem ser utilizados gases inertes como argônio, hélio ou misturas e gases ativos como o CO2 ou misturas de envolvendo gases inertes e ativos como argônio e CO2 [9].
Figura 4 -Processo de soldagem arame tubular com proteção gasosa [10].
A qualidade da solda com proteção gasosa é superior a do eletrodo auto protegido, uma vez que a contaminação por elementos da atmosfera diminui notavelmente devido à presença do gás de proteção. A utilização do gás de proteção também proporciona
melhoria das propriedades mecânicas do cordão de solda, quando comparado ao eletrodo auto protegido e proporciona uma eficiência de deposição de 85 a 90% [9].
Outra importante característica da solda com proteção gasosa é a elevada penetração, que proporciona uma redução na massa total de metal de solda necessária para preencher a junta. Por exemplo, uma solda de filete com penetração completa, necessitaria de um chanfro com 50º para o processo com eletrodo revestido, no entanto com arame tubular utilizando proteção gasosa o ângulo necessário passa a ser de 35º, o que reduz consideravelmente a quantidade de metal depositado e o tempo de execução da solda [9].
MACHADO [9], ressalta que quando CO2 é utilizado como gás de proteção devem ser considerados os seguintes fatores com relação a formulação do fluxo e a composição dos metais envolvidos:
1. Adição de elementos desoxidantes, uma vez que o teor oxidante do gás CO2 causa diminuição da tenacidade do metal de solda
2. A soldagem com eletrodos tubulares gera níveis mais elevados de oxigênio no metal de solda do que o processo por eletrodo revestido, por exemplo, portando se faz necessária a adição de elementos de liga como o níquel para se adquirir uma boa tenacidade no cordão de solda;
3. Para evitar que o CO2 forme porosidades no metal de solda, deve-se adicionar elementos desoxidantes ao fluxo, desta forma o oxigênio não reagirá com o carbono e irá formar compostos que irão sobrenadar o metal fundido (escória).
O arame tubular com proteção gasosa é comumente utilizado na indústria para a soldagem de aços de baixa liga e aços inoxidáveis utilizados na construção de vasos de pressão e tubulações para processamento de produtos químicos, refino de petróleo e equipamentos da indústria de geração de energia e também para soldagem de aços com liga de níquel [7].
De acordo com ASM [7] e MACHADO [9], as principais vantagens e desvantagens do processo FCAW são:
I. Vantagens:
Altas taxas de deposição;
Necessária menor habilidade do soldador quando comparado ao processo GMAW;
Elevada penetração;
Mais tolerante à ferrugem e à carepa do que o GMAW.
II. Desvantagens:
A escória deve ser removida da solda; Maior produção de fumaça e fumos;
A extração dos fumos é geralmente necessária; Equipamento mais complexo e menos portátil.
2.6 Gases de Proteção
A principal finalidade do gás de proteção na soldagem é proteger a poça de fusão e o metal fundido que está sendo transferido de elementos contidos na atmosfera que podem causar efeitos nocivos ao metal de solda depositado. Os principais elementos dos quais é desejável proteger a poça de fusão são nitrogênio, oxigênio e hidrogênio, pois estes levam à formação de nitretos e óxidos que causam defeitos como porosidades e retenção de escória que consequentemente causa fragilização do cordão [10, 11].
O gás pode ser de natureza inerte, não tem solubilidade na maioria dos metais, de natureza ativa (ou oxidante) ou misturas destes dois tipos. Dependendo da natureza e composição, o gás exerce influência sobre a estabilidade do arco, nas características geométricas do cordão, como penetração e formato do cordão de solda, nas propriedades mecânicas do cordão, velocidade de soldagem e ainda no custo final da operação de soldagem [10, 11, 12].
Segundo TATAGIBA et al. [12] e MOREIRA [13] as principais características ou propriedades de um gás de proteção são condutividade térmica, potencial de ionização e potencial de oxidação. Estas propriedades influenciam diretamente parâmetros de soldagem como tensão, corrente e o arco de soldagem que por sua vez tem influência sobre características como a geometria do cordão e o perfil de penetração da solda.
Potencial de ionização: pode ser definido como a diferença de potencial necessária para possibilitar a remoção de um elétron de um átomo do gás e torná-lo um íon. A facilidade de ionização da atmosfera formada pelo gás de proteção e os metais em estado de vapor determina a capacidade do arco em conduzir corrente elétrica e manter sua estabilidade.
Condutividade térmica: é relacionada à quantidade de calor transferido devido ao choque entre as partículas em suspensão na coluna de plasma (gás de proteção + metal em estado de vapor). Esta exerce influência sobre características geométricas do cordão de solda como: penetração; perfil e também na microestrutura do material depositado.
Potencial de oxidação: é definido como a capacidade do gás de oxidar um metal durante a soldagem. Este afeta diretamente as propriedades do arco e as características geométricas do cordão assim como as propriedades do metal depositado. Um potencial de oxidação elevado proporciona maior estabilidade do arco, melhora a penetração e suaviza o cordão de solda, no entanto causa perda de elementos de liga por oxidação o que afeta as propriedades mecânicas do cordão. Um baixo potencial de oxidação reduzem a tensão no arco diminuindo assim a penetração.
Os principais gases utilizados nos processos GMAW e FCAW são argônio (Ar), dióxido de carbono (CO2), hélio (He) e oxigênio (O2). Os gases argônio, dióxido de carbono e hélio são utilizados puros e ou em misturas destes, no entanto o oxigênio é usado apenas em misturas com estes outros gases devido ao seu alto potencial de oxidação. As misturas de gases podem ser binárias, terciárias e até mesmo quaternárias e estas são utilizadas afim de se obter vantagens ao processo através da associação de características de cada gás utilizado [11, 12].
O hélio (He) é um gás inerte, ou seja, não oxida e não influencia a composição do metal depositado. Suas principais características são alto potencial de ionização, isto requer um maior nível de tensão para abertura do arco e alta capacidade de troca de calor, capacidade esta que facilita a soldagem de materiais de alta condutividade térmica. O He produz cordões mais largos e arredondados, mas não necessariamente com maior penetração, em comparação com argônio. As soldagens executadas com He apresentam perfil arredondado, melhor molhabilidade e uma baixa relação de penetração-largura [10, 11, 14].
O argônio (Ar) é um gás inerte que possui baixo potencial de ionização, isto proporciona uma maior facilidade para abertura do arco. Argônio puro só é utilizado em soldagem de materiais não ferrosos e reativos, uma vez que seu potencial de oxidação é quase nulo. Para soldagem de materiais como aços baixo carbono e inoxidáveis utiliza-se a mistura de Ar – CO2, onde o percentual de CO2 a ser utilizado na mistura será
determinado pelo tipo de material a ser soldado. Utiliza-se um teor de CO2 de 3% a 25% para aços baixa liga e percentuais menores que 3% para aços inoxidáveis. A adição de CO2 ao Ar aumenta a estabilidade do arco, na soldagem de materiais ferrosos, melhora o aspecto superficial do cordão de solda e reduz a quantidade de respingos [11, 13, 14].
Misturas de Ar-O2 proporcionam maior estabilidade do arco, melhor molhabilidade da poça de fusão aumentando sua fluidez e consequentemente proporciona cordões de maior largura, aumentando a qualidade e produtividade da soldagem, no entanto esta mistura gera um perfil um de penetração centralizado que pode ocasionar falta de fusão nas paredes do chanfro. O oxigênio tem seu teor de utilização limitado devido ao seu alto potencial de oxidação, é usado em teores menores do que 5% para aços carbono e teores menores do que 2% aços inoxidáveis. É importante destacar que teores de oxigênio acima de 5% acarretam perda de elementos de liga provocando porosidade ou oxidação excessiva na superfície do cordão [11, 14].
O dióxido de carbono (CO2) é um gás ativo, que possui alta energia de ionização, o que produz um arco instável e violento e por consequência um cordão de aspecto superficial irregular. O CO2 puro proporciona uma maior penetração na junta soldada quando comparado a outros gases e misturas. Este gás é utilizado exclusivamente para soldagem de aços carbono e aços baixa liga, porém deve-se tomar cuidado ao soldar materiais de teor de carbono muito baixo, como por exemplo aços inoxidáveis, uma vez que atmosferas ricas em CO2 apresentam tendência em transferir carbono para a poça de fusão [11, 13].
2.7 Soldagem Dissimilar
O conceito de soldagem dissimilar está atrelado à união de dois metais de composições químicas diferentes, geralmente envolvendo aço carbono, aços inoxidáveis e sistemas de ligas, como por exemplo, ligas de níquel e cobalto. Este conceito é observado na aplicação de revestimentos, onde geralmente é soldado a um determinado tipo aço carbono, uma liga com alta resistência a corrosão, obtendo dessa forma um composto com elevada resistência mecânica e resistência a corrosão [15].
Uma característica distinta decorrente do processo de soldagem dissimilar é a formação das zonas parcialmente diluídas. Durante o processo de soldagem das duas ligas dissimilares ocorre próximo à linha de fusão, a formação de uma região com composição
química intermediária entre o substrato e o metal de solda que está sendo depositado, afetando também as propriedades mecânicas dessa região, gerando regiões de elevada dureza próximo à linha de fusão, essas regiões são denominadas de Zonas Parcialmente Diluídas ou abreviadamente ZPD [15].
As Zonas Parcialmente Diluídas (ZPD) possuem dimensões da ordem de dezenas de mícrons, possuindo valores de dureza na faixa característica de microestruturas martensíticas, acima de 340 HV [15].
Para a visualização das ZPD através do microscópio ótico, pode-se utilizar ataque químico com reagentes tradicionais como nital 2%. As zonas parcialmente diluídas podem ser reconhecidas através de regiões claras junto à linha fusão, Figura 5.
Figura 5 - Região Clara da ZPD quando atacada com Nital 2%.
Porém, devido às características de resistência à corrosão de determinadas ligas, tal ataque químico não é suficiente para a visualização da microestrutura do metal de solda. Em determinados casos, quando se deseja a observar a microestrutura do metal de base e do metal de solda torna-se necessário utilizar dois processos de ataque químico independentes. Nestes casos são utilizados reagentes menos corrosivos, como por exemplo, o nital 2%, para revelar a microestrutura do metal de base, utilizando posteriormente, um novo ataque químico com reagentes mais corrosivos, como misturas de ácido nítrico e ácido clorídrico, para revelar a microestrutura do metal de solda [15], Figura 6.
Figura 6 - Ataque corrosivo de nital 2% e Água Régia.
Segundo KEJELIN [15] o processo de formação da ZPD está associado à taxa de resfriamento imposta pelos parâmetros de soldagem aplicados, às diferentes estruturas cristalinas entre o metal de base (CCC) e o metal de solda (CFC), os movimentos de difusão dos elementos de liga presente no metal de solda que ficam estagnados no metal de base, aos movimentos hidrodinâmicos insuficientes junto à linha de fusão às alterações na diluição do metal de base, as quais afetam o gradiente de composição a partir da linha de fusão.
Devido à complexidade do mecanismo de formação das ZPDs as mesmas possuem uma grande variedade de formas e tamanhos. De acordo com DOODY [19] as ZPDs podem ser classificadas da seguinte forma:
Estruturas de Praias: faixas finas e estreitas ao longo da linha de fusão, Figura 7;
Estruturas de Baías: áreas parcialmente circundadas pelo metal de base, Figura 8;
Estruturas de Ilhas: áreas inteiramente circundadas pelo metal de solda, desprendidas, grandes e abauladas, Figura 9.
Figura 7 - Estruturas do tipo "praias" descritas pro DOODY [19].
Figura 8 - Estruturas do tipo "baías" descritas por DOODY [19].
2.8 Corrosão por Pite
Segundo GIRÂO [23] a corrosão por pite pode ser caracterizada por um ataque localizado, se iniciando em diferentes pontos da superfície de aços inoxidáveis passivos na presença de cloretos. Sendo uma causa destrutiva de corrosão, causando perfuração no equipamento, Figura 10.
Figura 10 - Tubo de aço inoxidável AISI 304 com corrosão por pite.
Este tipo de corrosão ocorre devido à atuação da pilha ativa-passiva nos pontos nos quais a camada passiva é rompida. A dissolução localizada da película gera uma área ativa que é cercada por material passivo, gerando assim uma corrosão muita intensa e localizada [4].
Capitulo 3
Materiais e Métodos
Neste capítulo são descritos os materiais, os processos de soldagem utilizados, a metodologia para retirada de corpos de prova e para realização de ensaios mecânicos e metalográficos.
3.1 Metal de Base e Metal de Solda
Neste trabalho foram analisados dois tipos de revestimento, a liga a base de níquel denominada Inconel 625 [1], e o aço superaustenítico AISI 904L [3]. A composição química segundo o fabricante de ambos os revestimentos citados encontra-se na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição Química do Metal de Solda (% em peso).
Item Composição, % peso
C Mn Si Cr Ni Mo Nb Fe Cu N Inconel 625
(ENiCrMo3T1) 0,05 0,4 0,4 21 58 8,5 3,3 <1,0 - - AISI 904L
(ER385) 0,02 4,7 0,7 20 25,4 6,2 - 46,8 1,5 0,12
Como metal de base foi utilizado o aço ASTM A516 Gr. 70 [6] com composição química disponível pelo fornecedor apresentada na Tabela 2.
Tabela 2 - Composição química do Metal Base.
Item Composição, % em peso
Ni C Cr Mo Fe Al Mn V Cu Si ASTM A516
3.2 Processo de Soldagem
3.2.1 Inconel 625
Para a deposição do Inconel 625 foi utilizado o processo de soldagem Arame Tubular, na posição de soldagem Plana, em uma chapa com dimensões de 200 x 250 x 12,5 mm, Figura 11.
Figura 11–Geometria da chapa utilizada para a deposição do Inconel 625.
Os cordões foram depositados em um comprimento útil de 102 mm, em três camadas com altura média total de 7 mm, totalizando 40 passes, com uma sobreposição de 50%, Figura 12, com o eletrodo inclinado para o metal de base. Foi utilizado corrente contínua, de polaridade positiva. O diâmetro do eletrodo utilizado em todos os passes é 1,2 mm.
Figura 12 - Disposição dos cordões de solda da liga Inconel 625.
Como gás de proteção foi utilizado uma mistura de argônio e dióxido de carbono, na proporção de 75% para o argônio e 25% para o dióxido de carbono, com uma vazão de 16 litros por minuto.
A amostra não passou por nenhum tratamento térmico pós-soldagem. Sua temperatura de preaquecimento mínima foi de 15°C, com uma temperatura máxima de interpasse de 150°C.
A variação da velocidade de soldagem utilizada foi de 38 a 40 cm/min, mantendo uma corrente de 167 a 185 A, com uma tensão de 25 a 26 V. Os parâmetros de soldagem utilizados em cada passe podem ser observados na Tabela 3.
Tabela 3 - Parâmetros de Soldagem para o Inconel 625.
Passe Camada Consumível Tensão (V)
Corrente Velocidade (cm/min) Energia de Soldagem (kJ/mm) Tipo Polaridade Intensidade (A)
1 ao 15 1 ENiCrMo-3T1 25 CC + 167 38 0,66 16 ao 28 2 ENiCrMo-3T1 26 CC + 185 40 0,72 29 ao 40 3 ENiCrMo-3T1 26 CC + 185 40 0,72
A amostra retirada do corpo de prova para o estudo possui dimensões de 30 x 20 x 15mm.
3.2.2 AISI 904L
A deposição do aço superaustenítico AISI 904L foi realizada pelo processo de soldagem MIG, na posição de Plana de soldagem, em uma chapa com dimensões de 200 x 250 x 12,5 mm, Figura 13.
Os cordões foram depositados em um comprimento útil de 103 mm, em três camadas com altura média total de 8 mm, totalizando 46 passes, com uma sobreposição de 50%, Figura 14, com o eletrodo inclinado para a poça de fusão. O diâmetro do eletrodo utilizado em todos os passes é 1,2 mm, Figura 14.
Figura 14 - Disposição dos cordões de solda do aço AISI 904L.
Como gás de proteção foi utilizado uma mistura de argônio e dióxido de carbono, na proporção de 98% para o argônio e 2% para o dióxido de carbono, com uma vazão de 15 a 20 litros por minuto.
A amostra não passou por nenhum tratamento térmico pós-soldagem. Sua temperatura de preaquecimento mínima foi de 15°C, com uma temperatura máxima de interpasse de 150°C.
A variação da velocidade de soldagem utilizada foi de 36 a 40 cm/min, mantendo uma corrente de 170 a 215 A, com uma tensão de 28 a 30 V. Os parâmetros de soldagem utilizados em cada passe podem ser observados na Tabela 4.
Tabela 4- Parâmetros de Soldagem para o AISI 904L.
Passe Camada Consumível Tensão (V)
Corrente Velocidade (cm/min) Energia de Soldagem (kJ/mm) Tipo Polaridade Intensidade (A)
1 ao 17 1 ER-385 28 CC + 170 38 0,73 18 ao 33 2 ER-385 30 CC + 215 40 0,96 34 ao 46 3 ER-385 30 CC + 215 40 0,96
A amostra retirada do corpo de prova para o estudo possui dimensões de 30 x 20 x 15mm.
Para garantir o paralelismo da face frontal com a face posterior da amostra, a mesma foi embutida com uma resina sintética denominada baquelite.
3.3 Identificação das Amostras
As amostras foram divididas com as notações Amostra 1, para a amostra revestida com a liga de Inconel 625, e Amostra 2, para a amostra revestida com o aço AISI 904L.
3.4 PreparaçãoMetalográfica
As amostras foram preparadas para o exame metalográfico através do lixamento com lixas metalográficas de granulometria de 100, 220, 320, 400 e 600 e polidas por feltros com pasta de diamante com granulometria de 6, 3 e 1μm.
A microestrutura do metal base foi revelada através da imersão em nital 2%, composto por 2% de ácido nítrico e 98% de álcool PA. Com a microestrutura do metal base revelada e observada, a amostra foi imersa em solução química de Água Régia, composta de 33 ml de água destilada, 33 ml de ácido nítrico e 33 ml de ácido clorídrico, permitindo dessa forma a revelação da microestrutura do metal de solda.
3.5 Ensaios de Microdureza
Foram realizados ensaios de microdureza Vickers com carga de 500 gf em um durômetro da marca Instron-Wilson Intruments, modelo 402 MVD. Foram realizadas em média 13 identações por amostra, com um espaçamento de 0,1 mm, num perfil perpendicular à linha de fusão.
3.6 Ensaios de Dobramento
Para avaliação da qualidade da junta soldada, foi realizado o ensaio de dobramento lateral, que evidencia defeitos de soldagem, sendo mais comum a ocorrência de falta de penetração, inclusões metálicas e poros. Segundo a ASME Secção IX QW-163, o corpo
de prova não deve possuir descontinuidades abertas superiores a 1,6 mm na zona termicamente afetada, medidas em qualquer direção sobre a superfície convexa do corpo de prova após a flexão.
Os corpos de prova foram preparados segundo a norma ASME Seção IX QW 462.5 (d), Figura 15.
Figura 15- Corpo de prova do ensaio de dobramento segundo ASME Secção IX [7].
3.7 Análise Macrográfica
As Figuras 16 e 17 apresentam o aspecto macrográfico das amostras de deposição com Inconel 625 e aço AISI 904 L respectivamente, a partir das quais foi realizado o cálculo de diluição.
Figura 16 - Amostra 1, revestimento de Inconel 625.
Figura 17 - Amostras 2, revestimento de AISI 904L.
3.8 Análise Micrográfica
A análise micrográfica foi realizada por meio do microscópico ótico marca Olympus BX60M e do microscópico eletrônico de varredura marca Cam Scan 3200 LV. As imagens obtidas com o microscópico ótico foram utilizadas para avaliar a microestrutura, mensurar as “ZPDs” e verificar a existência de descontinuidades derivadas do processo de soldagem. A utilização da microscopia eletrônica de varredura permitiu maior detalhamento da microestrutura. Empregou-se a técnica de EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) para realizar uma análise do perfil de composição química ao longo da ZPDs.
3.9 Análise Química
As análises químicas foram realizadas em amostras sólidas no Espectrômetro de Emissão Ótica, marca 3460 Metals Analyzer. Foram realizadas análises químicas, tomando como referência zero a linha de fusão até o final do metal de solda.
3.10 Ensaio de Corrosão
O Ensaio de corrosão tem por finalidade determinar à resistência a corrosão por pite de aços inoxidáveis e ligas de níquel expostos a ambientes oxidantes. Dessa forma foi adotado o Método A da norma ASTM G48 que visa avaliar a resistência à corrosão por pite.
As amostras foram colocadas em uma solução de cloreto férrico e água destilada, na proporção de 100 gramas de cloreto férrico para 900 mililitros de água destilada. Mantendo-se a temperatura controlada em 40°C, com tolerância de mais ou menos 1°C, as amostras foram imersas na solução durante um período de 24 horas. Após o tempo de ensaio, as amostras foram limpas em água corrente, sendo as mesmas esfregadas por escovas de nylon para a remoção dos reagentes presentes. Foi realizada a pesagem das amostras e feita comparação das massas então obtidos com as massas iniciais das amostras.
Capítulo 4
Resultados e Discussão
Neste capítulo serão expostos e discutidos os resultados obtidos pelos ensaios experimentais.
4.1 Análise Micrográfica
Com a análise micrográfica ótica das Amostras 1 e 2 foi possível observar o padrão de crescimento das ZPDs, aspectos microestruturais como o tamanho e formação das ZTAs, microestrutura do metal de base e do metal de solda e a extensão da linha de fusão.
4.1.1 Metal de Base
A microestrutura do metal de base presente em ambas as amostras é dividida em duas regiões, primeiramente a ZTA composta por uma estrutura predominantemente martensítica (Figura 18), e a segunda, distante da ZTA, composta por ferrita e perlita, Figura 19.
Figura 19 – Microestrutura ferrita-perlita do Metal de Base distante da ZTA.
4.1.2 Metal de Solda
Para ambos os metais de solda foi observada uma microestrutura colunar-dendrítica, decorrente do processo de solidificação dos metais de solda, que é característico destas ligas. A Figura 20 apresenta o aspecto microestrutural da amostra 1 de Inconel 625.
Figura 20 – Microestrutura colunar-dendrítica do metal de solda da Amostra 1 (Inconel
625).
Na análise por microscopia ótica foi observado que as ZPDs apresentam uma tendência para se formar na região inferior do cordão de solda (Figura 21) assim como em locais de transição da região de baixa penetração para a região de alta penetração.
Esse comportamento se torna ainda mais evidente na Amostra 2 (aço AISI 904L), já que esta apresenta o chamado perfil “fingertype”, decorrente do processo de soldagem como também do gás de proteção utilizado, Figura 22.
Figura 21 – Detalhe da ZPD da Amostra 1.
Figura 22 – Detalhe da ZPD da Amostra 2.
4.2 Diluição Global
A diluição global pode ser definida como sendo a quantidade de material de base que se mistura ao metal de adição durante o processo de soldagem. A diluição global pode
ser mensurada como a relação percentual entre a área depositada, Ad, e a soma da mesma com a área penetrada, Ap, conforme a equação 1. A Figura 23mostra esquematicamente as respectivas áreas consideradas para o cálculo da diluição.
100 ) ( (%) x A A A D d p p Eq. 1
Figura 23 - Relação da Área depositada e da Área Penetrada.
A medição das áreas de deposição e penetração foram realizadas com o auxílio do software AutoCAD sobre imagens macrográficas das juntas soldadas. Figura 24 e Figura 25.
Figura 25 -Macrografia da Amostra 2, AISI 904L.
A variação da Taxa de Diluição das Amostras 1 e 2 pode ser observada na Figura 26.
A Amostra 1, com revestimento de Inconel 625, possui uma taxa de diluição de 7,89%, enquanto a Amostra 2 possui uma taxa de diluição de 11,2%. A diferença encontrada entre as duas amostras pode ser justificada pelos diferentes parâmetros de soldagens utilizados, como a inclinação do eletrodo que, na Amostra 1, a soldagem é realizada com o eletrodo inclinado para o metal de base, gerando menor penetração, em contra partida, na Amostra 2, a soldagem é realizada com o eletrodo inclinado para a poça de fusão, tendo assim penetração máxima. Outro parâmetro que afeta a penetração, mesmo que de maneira mais discreta, é a mistura de gás de proteção utilizada em cada amostra. Por um lado, quanto maior for a concentração de Ar presente na mistura, maior será a probabilidade da formação do perfil de soldagem conhecido como “fingertype” cuja característica é um perfil estreito e profundo. Este perfil tende a gerar um aumento na penetração, caso observado mais claramente na Amostra 2. Porém, quanto maior for o potencial de ionização da mistura do gás de proteção, maior será a penetração do perfil soldado. Como a Amostra 1 apresenta uma maior concentração de CO2, que possui um potencial de ionização maior que o Ar, está amostra será mais afetada por este parâmetro[7].
Em relação aos valores de diluição encontrados, BATISTA [24] afirma que os mesmo devem ser os menores possíveis, controlando a penetração no cordão de solda para que a mesma não resulte em uma zona termicamente afetada muito grande, comprometendo desta forma, as propriedades mecânicas e microestruturais do revestimento. Em termos de valores numéricos KEJELIN [15] obteve variações de diluições, considerados aceitáveis, na ordem de 11 a 38% para perfis soldados pelo processo de soldagem TIG, utilizando como revestimento o Inconel 625.
Apesar da Amostra 1, revestida por Inconel 625, apresentar valores inferiores aos encontrados por KEJELIN [15] o valor de 7,89% de diluição global pode ser considerado satisfatório já que, como será demonstrado no item 4.1.2, a união metalográfica necessária para a fusão do revestimento com seu substrato foi obtida, obedecendo assim a recomendação de BATISTA [24].
4.3 Análise Química
Com o intuito de avaliar a extensão das Zonas Parcialmente Diluídas presentes na soldagem dissimilar de ambas as amostras, ou seja, avaliar a extensão da variação do
percentual de cada elemento utilizando a linha de fusão como referência, foi realizada a análise química das Amostras 1 e 2.
Com os resultados obtidos a partir da análise química pode-se observar que os teores de níquel na linha de fusão são relativamente baixos, Figura 27, o que indica maior presença do metal de base. Na medida em que o ocorre o distanciamento da linha de fusão o teor de níquel aumenta até o valor de 65%, indicando a composição correspondente ao revestimento do Inconel 625.
Figura 27 – Variação da concentração de Ni e Cr em função da distância da linha de
fusão para o Inconel 625.
Os resultados para a variação da composição química para a Amostra 2 mantém o mesmo padrão ocorrido com a Amostra 1. A composição química dos elementos Ni e Cr aumentam quando se distanciam da linha de fusão, Figura 28.
Figura 28 – Variação da composição química do Ni e Cr em função da distância da
linha de fusão para o AISI 904L
Com os resultado da análise química também foi possível avaliar a Resistência Equivalente à Corrosão por Pite (PREN, Pitting Resistance Equivalent Number) no revestimento de cada amostra. Seu cálculo foi desenvolvido de acordo com a ASTM A890/A890M, abaixo e pode ser observado na equação 2.
PREN=%Cr+[(3,3)x(%Mo)]+[(16)x(%N)] (Eq. 2)
Os resultados indicam que o Inconel 625 possui PREN superior a família dos aços Super Duplex [29], demonstrando dessa forma excelente resistência à corrosão, e o AISI 904L possui um resultado PREN equivalente aos aços da família Duplex [29], tendo uma resistência à corrosão inferior ao Inconel 625. Desta forma pode-se observar que apesar do AISI 904L possuir uma resistência à corrosão menor que o Inconel 625, ele pode ser utilizado para serviços com menores exigências a corrosão ou por um tempo de uso menor.
Figura 29 – Resultado do parâmetro PREM das amostras 1 e 2.
4.4 Microscopia de Eletrônica de Varredura e Espectroscopia de
Energia Dispersiva
Com o intuito de realizar uma análise microestrutural mais profunda, Figura 30 e Figura 32, foi realizada uma microscopia de varredura eletrônica nas Amostras 1 e 2, destacando, dessa forma, as diferenças e regiões de transição microestrutural entre os revestimentos Inconel 625 e AISI 904L das Amostras 1 e 2, respectivamente.
Figura 30 – Microestrutura na região da linha de fusão da Amostra 1.
Pode-se observar na Figura 30, uma estrutura predominantemente martensítica referente ao metal de base e uma interface representada pela faixa clara logo após a linha de fusão, onde ocorre uma zona de transição entre o substrato ASTM A516 Gr.70 e o metal de solda Inconel 625 a qual é denominada de zona parcialmente diluída. Como já citado anteriormente, essa zona de transição apresenta uma variação na composição dos elementos de liga entre o metal de base e o metal de solda. Posterior a ZPD é observado uma região de crescimento colunar referente ao revestimento Inconel 625.
Figura 31 – Microestrutura do revestimento INCONEL 625 com um aumento de
3000x.
Para o revestimento da mesma amostra, observa-se a presença de regiões equiaxiais e colunares, com a presença de precipitados na matriz, conforme pode-se observar na Figura 31.
A exemplo da Amostra 1, na Amostra 2, Figura 32 com o revestimento composto pelo aço AISI 904L, também é observada uma faixa de transição entre o substrato e metal de solda posterior à linha de fusão. No revestimento também é observada uma região de crescimento celular.
Figura 33 – Microestrutura do revestimento AISI 904L com um aumento de 3000x.
Para o revestimento com AISIS 904L da Amostra 2, observa-se a presença de regiões equiaxiais e colunares, sem a presença de precipitados aparentes na matriz, porém, com a presença de poros, conforme pode-se observar na Figura 33.
Através da análise química por EDS foi possível mapear a composição química na região de transição do metal base através da zona fundida. Na Figura 34, da amostra com o Inconel 625, pode-se observar que ocorre o empobrecimento do Fe no sentido do substrato em relação ao metal de solda, enquanto com o Ni e o Cr ocorre um enriquecimento no sentido do substrato ao metal de solda. Tal comportamento também pode ser observado na Amostra 2, Figura 35.
Figura 34 – Gradiente da composição química da Amostra 1 com revestimento Inconel
625.
Figura 35 – Gradiente da composição química da Amostra 2 com revestimento AISI
4.5 Ensaio de Microdureza
Foram realizados ensaios de microdureza das Amostras 1 e 2 com uma carga de 500 gf para avaliar os pontos de dureza elevada que podem ser tornar zonas frágeis localizadas, Figura 36 e Figura 37.
Figura 36 – Micrografia ótica com aumento de 100x das regiões dos ensaios de
microdueza Vickers do revestimento de Inconel 625.
Figura 37 – Micrografia ótica com aumento de 100x das regiões dos ensaios de
A Tabela 5 mostra os valores de máximo, mínimo e da linha de fusão do ensaio de microdureza Vickers das amostras 1 e 2. Os valores apresentados estão dispostos na área total onde foram realizadas as indentações, ou seja, 2 mm após a linha de fusão, tanto para o metal de base como para o metal de solda.
Tabela 5 - Valores de Microdureza Vickers.
Dureza (HV0.5) Amostra 1 (Inconel 625) Amostra 2 (AISI 904L)
Máximo 383 444
Mínimo 197 194
Linha de Fusão 335 377
As Amostras 1 e 2 apresentam variações de dureza semelhantes em função do deslocamento, porém com resultados pontuais máximos diferentes. Como esses resultados apresentam apenas um ponto, não serão interpretados como comportamento global das amostras. Os valores de microdureza no metal base das Amostras 1 e 2 variam de 200 a 250 HV, ocorrendo um aumento na ZTA até suas respectivas Linhas de Fusão, tendo estas com valores de microdureza de 335 e 377HV, respectivamente. Os valores próximos da linha de fusão são coerentes com a ocorrência de uma microestrutura predominantemente martensítica, assim como a existência da própria ZPD, [27].
Figura 38 – Variação dos valores de microdureza Vickers em função da posição,
Figura 39 – Variação dos valores de microdureza Vickers em função da posição,
tomando como referência a linha de fusão da Amostra 2.
4.6 Carbono Equivalente
Visando avaliar a soldabilidade do metal base, foi calculado o índice do Carbono Equivalente. Este índice é utilizado para a determinação da temperatura de preaquecimento da junta. O Carbono Equivalente foi calculado de acordo com a equação 3. 15 5 6 Cu Ni V Mo Cr Mn C CE (Eq. 3)
O diagrama da Figura 40 classifica a soldabilidade dos aços a partir do carbono equivalente segundo a equação 3. A soldagem dos aços da zona 1 não é propensa à ocorrência de trincas a firo, a menos que envolva alto teor de hidrogênio. A zona 2 corresponde a aços mais propensos à ocorrência de trincas a frio que aqueles situados na zona 1, possuindo média soldabilidade. Os aços situados na zona 3 possuem alta temperabilidade, tendo desta forma uma alta susceptibilidade ao trincamento a frio [15].
Com o valor encontrado de 0,384 para o aço ASTM A516 Gr. 70, pode-se afirmar que o aço possui uma soldabilidade média [30],[31], já que seu carbono equivalente pertence a Zona 2, Figura 40.
Figura 40 - Diagrama de Graville adotado pela AWS para a definição do método a usar
para prevenção de trincas a frio [15].
4.7 Ensaio de Dobramento
Todas as amostras foram aprovadas pelo ensaio de dobramento utilizando o critério de aceitação da norma ASME Seção IX QW 163. Os corpos de prova foram preparados segundo a norma ASME Seção IX QW 462.5 (d).
4.8 Ensaio de Corrosão
Com ambas as amostras ensaiadas seguindo as recomendações do Método A da ASTM G48, a Amostra 1, com revestimento de Inconel 625, não demonstrou nenhuma descontinuidade por pite. Porém a Amostra 2 apresentou descontinuidades por pite em sua superfície após o ensaio.
Capítulo 5
Conclusão
As características de ambos os revestimentos foram estudados com o objetivo de avaliar a substituição da liga de níquel Inconel 625 pelo aço inox superaustenítico AISI 904L. Os depósitos proveniente das amostras foram obtidos pelas técnicas MIG (Metal Inert Gas) e Arame Tubular, sobre o substrato ASTM A516 Grau 70.
Baseando-se nos resultados obtidos através das técnicas de microdureza, da análise micrográfica, além dos ensaios de corrosão e análise química de emissão ótica, foi possível obter as conclusões apresentadas a seguir.
A aplicação dos revestimentos com os parâmetros de soldagem utilizados neste trabalho possibilitaram obter baixos valores de diluição em ambas as amostras e uma pequena zona termicamente afetada (ZTA), o que garante as propriedades mecânicas e microestruturais dos revestimnentos;
Foi possível comprovar a existência das zonas parcialmente diluídas (ZPD) através variação da composição química presente próximo à linha de fusão; Os elevados valores de microdureza encontrados nas zonas parcialmente diluídas
de ambas as amostras sugere a existência de uma microestrutura frágil nestas regiões as quais podem ser potenciais zonas frágeis localizadas;
Pelo ensaio de corrosão foi observado que a amostra com revestimento de Inconel foi aprovada, porém, a amostra com revestimento AISI 904L apresentou descontinuidade por pite.
Os resultados dos ensaios de corrosão realizados de acordo com a ASTM G48 com os parâmetros adotados neste trabalho não se mostraram conclusivos quanto a resistência a corrosão do revestimento com o aço AISI 904L quando submetido as mesmas condições de severidade nas quais se emprega o Inconel 625 verificando-se, portanto, a necessidade de um maior número de ensaios para este revestimento.
No entanto cabe observar que o aço AISI 904L possui um resultado PREN equivalente aos aços da família Duplex [29]. Desta forma pode-se observar que apesar do AISI 904L possuir uma resistência à corrosão menor que o Inconel 625, este pode ser
utilizado para serviços com menores exigências a corrosão ou por um tempo de uso menor.
Um estudo de viabilidade econômica se demonstrou prematuro uma vez que os resultados até então obtidos se mostram inconclusivos quanto a utilização do AISI 904L como alternativa para o Inconel 625.
Capítulo 6
Sugestões para Trabalhos Futuros
Como proposta para futuros trabalhos sugere-se estudos visando o desenvolvimento de consumíveis para a aplicação do aço AISI 904L como revestimento, uma vez que este ainda está em desenvolvimento.
Realização de um maior número de ensaios de corrosão com o aço AISI 904L com o objetivo de determinar à resistência a corrosão do revestimento.
Sugere-se também avaliar a variação dos parâmetros de soldagem que afetam diretamente a penetração, como por exemplo, a corrente adotada na soldagem e a inclinação do eletrodo, que se demonstraram eficientes na diminuição da ocorrência das zonas parcialmente diluídas no revestimento Inconel 625, que por serem pontos preferenciais de corrosão, afetam diretamente a ocorrência de descontinuidades de corrosão por pite e podem ser estudados para o revestimento AISI 904L.
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