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REVESTIMENTO METÁLICO PLASMA PÓ – TESTE EXPERIMENTAL.
Autor: Adolpho Jr. Daniel
Petróleo Brasileiro S/A, Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Miguez de Mello, Avenida Horácio Macedo 950, Ilha do Fundão, CEP 21841915, RJ.
INTRODUÇÃO.
O artigo tem como objetivo abordar o uso do processo de soldagem plasma com adição de pó como consumível, também conhecido como PTA, utilizando como metal de adição o pó da liga de níquel Inconel 625, levando em consideração fatores tais como taxa de alimentação do pó consumível e teor de ferro próximo à superfície do cordão visando sua aplicação na soldagem de revestimento de uma chapa de aço carbono com esta liga de níquel resistente à corrosão, foi motivado por haver pouca informação em relação aos potenciais benefícios técnicos, econômicos, ambientais e de saúde que ele apresenta quando comparado com outros processos de revestimento com arco elétrico, como por exemplo, a menor diluição, a maior taxa de deposição e a melhor microestrutura do metal de solda, apontando o processo de soldagem PTA para revestimento como uma alternativa em vista da necessidade de revestir com ligas anticorrosivas materiais e equipamentos, sobretudo visando aplicação em exploração e produção em campos do pré-sal.
Para tal, cinco cordões de solda (único passe) de revestimento utilizando pó de Inconel 625 foram executados sobre uma chapa de aço carbono por uma empresa que já atua neste mercado, porém, tais cordões foram feitos sem otimização de parâmetros objetivando mostrar tal impacto sobre o processo em questão e vislumbrando a perspectiva futura do mesmo ser aplicado em soldagem de revestimento (welding overlay) interna de tubos de aço carbono atingindo o requisito de qualidade necessário (teor de Fe menor ou igual a 5% a 3mm do metal de base) com apenas um único passe em determinadas aplicações específicas com parâmetros otimizados.
A exploração e produção de petróleo e gás no Brasil exige a utilização de materiais que
possuam, concomitantemente, alta resistência mecânica e elevada resistência à corrosão. Por
exemplo, tubos de aço carbono ou baixa liga podem possuir alta resistência mecânica, mas
não a resistência à corrosão exigida; tubos de aços inoxidáveis ou ligas de níquel, por outro
lado, possuem a resistência à corrosão necessária, mas são extremamente caros, de modo que
seu emprego é economicamente quase proibitivo. Assim, a melhor alternativa é o uso de tubos
de aço carbono ou baixa liga revestidos internamente por soldagem com aço inoxidável ou
liga de níquel. [1]
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Inúmeros processos são empregados na soldagem de revestimento de aço carbono ou baixa liga com ligas resistentes à corrosão (CRA – acrônimo em inglês de "Corrosion Resistant Alloy"), cada um deles com sua(s) vantagem(ns) e limitação(ões). Dentre estes processos, o GTAW (acrônimo em inglês de "Gas Tungsten Arc Welding"), também conhecido com TIG (Tungstênio Inerte Gás), empregando arame quente como metal de adição é o mais utilizado no mundo e, em particular, no Brasil. O processo de soldagem PTA (acrônimo em inglês de
"Plasma Transferred Arc") com pó como metal de adição, todavia, em virtude inúmeras características suas, parece ser bem mais vantajoso por exemplo, que o GTAW com arame quente, tanto no que diz respeito aos aspectos técnicos e econômicos, como também aos relacionados ao meio ambiente e à saúde. Em virtude disto, é muito importante estudar a possibilidade de revestir chapas ou tubos de aço carbono ou baixa liga com liga resistente à corrosão utilizando o processo de soldagem PTA no Brasil, em substituição ao GTAW com arame quente. [1]
É muito importante que se obtenha, na soldagem de revestimento interno de tubo, simultaneamente:
a) Menor diluição possível, ou seja, uma participação mínima do metal de base no revestimento;
b) Maior a taxa de deposição possível, ou seja, a fusão da máxima quantidade de metal de adição;
c) Melhor estabilidade possível do arco elétrico, quando este é usado como fonte de calor;
d) Espessura mínima desejada de revestimento resistente à corrosão com a soldagem de uma única camada;
e) Menor distorção possível do tubo;
f) Zona afetada pelo calor no metal de base com a menor extensão possível; um revestimento o mais uniforme possível. [1]
Como é impossível um único processo de soldagem ter todas estas características juntas, na prática emprega-se inúmeros processos no revestimento interno de tubos. Mais ainda, é muito difícil determinar que processo de soldagem, dentre os disponíveis, é o mais adequado para fazer certo tipo de revestimento.
A principal diferença entre as soldagens de revestimento e de união diz respeito à geometria do cordão de solda. Na soldagem de revestimento (cladeamento) resistente à corrosão, o perfil geométrico desejado se resume a grandes larguras, pequenos reforços e pequenas penetrações do cordão de solda, bem como baixos percentuais de diluição do metal de base. Assim, um dos maiores desafios deste tipo de soldagem é o ajuste adequado dos parâmetros de processo para que o metal de solda possua a geometria desejada. [1]
Cladeamento interno de uma chapa ou tubo de aço carbono ou baixa liga é o revestimento por
soldagem com metal dissimilar (Figura 1). Seu objetivo é aumentar a resistência do material
(chapa ou tubo original) à corrosão.
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Figura 1: Tubos (esquerda e direita) e chapa (centro) de aço carbono ou baixa liga revestidos com liga resistente à corrosão. [1] [2]
A diluição (D) é definida como a participação do metal de base no metal de solda (mistura daquele com o metal de adição), conforme mostra a Figura 2. Na soldagem de revestimento resistente à corrosão, quanto maior a diluição, pior é, visto que menor será a resistência à corrosão do metal de solda (revestimento).
Figura 2: Diluição (D) em um passe de solda de revestimento feito sobre substrato de aço carbono ou baixa liga, onde “A” e "B" são, respectivamente, as quantidades de metal de adição e de metal de base (C) que participam do metal de solda (A + B).
As principais formas de corrosão observadas em equipamentos submarinos usados na exploração e produção de petróleo e gás no Brasil são por dióxido de carbono (CO2) e gás sulfídrico (H2S). Devido à impossibilidade de prever com precisão a taxa de corrosão por CO2 em aços carbono ou baixa liga, tem sido acrescido um elevado custo a equipamentos de prospecção de óleo e gás submarinos devido ao superdimensionamento de componentes fabricados. Isso ocorre, pois o mecanismo de corrosão por CO2 e H2S ainda não está completamente compreendido. Entendimento, prevenção e controle são as palavras-chaves para facilitar o projeto, a operação e, consequentemente, a segurança e a integridade do sistema. [1]
A superliga 625 (UNS N06625) é à base de níquel e contém cromo e molibdênio, elementos que lhe conferem alta resistência à corrosão em diversos meios. O metal de adição correspondente à superliga de níquel 625 é classificado como NiCrMo-3, de acordo com o ASME II parte C, SFA 5.14. A composição química nominal do metal de solda obtido com este consumível é 61%Ni, 22%Cr, 9%Mo e 3,5%Nb+Ta. Este metal de adição, usado na soldagem de ligas de níquel-cromo-molibdênio com elas mesmas (soldagem similar) ou de ligas de níquel com aços (soldagem dissimilar), é recomendado para aplicações a temperaturas de operação que vão das criogênicas a 540°C.
A maneira mais comum de controlar o efeito maléfico da diluição é o restringir a participação
do elemento prejudicial no metal de solda (no presente artigo, o ferro), melhorando o seu
desempenho. Quando se usa superliga de níquel 625 como metal de adição, deseja-se um teor
máximo de 5% de ferro na última camada do revestimento. Assim, o teor de ferro permitido
nesta liga foi ajustado para garantir boa resistência à corrosão. [1]
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Segundo a Especificação 6A do Instituto Americano de Petróleo (API – acrônimo em inglês de "American Petroleum Institute"), o revestimento de liga resistente à corrosão sobre aço carbono ou baixa liga precisa ter espessura mínima de 3 mm, de modo que o teor de ferro na superfície do revestimento seja menor que 5%, o que garantiria, assim, sua resistência à corrosão.
A soldagem de revestimento com o processo plasma de arco transferido pode ser dividida em dois tipos: o que usa metal de adição na forma de arame, chamado PAW (acrônimo em inglês de “Plasma Arc Welding”), e o que emprega pó, denominado PTA.
O processo PTA é adequado para a soldagem de revestimento, pois a diluição do metal de base no metal de solda é de 6% a 10%, muito inferior àquela que se obtém com muitos processos de soldagem com arco elétrico (da ordem de 15% a 25%), dentre eles o GTAW com arame quente. A pequena distorção, a zona termicamente afetada pelo calor estreita e a microestrutura refinada também são vantagens do PTA em relação a outros processos. [1]
Os processos PAW e PTA são semelhantes, conforme se constata na Figura 3. Ambos utilizam um eletrodo de tungstênio não consumível, situado no interior da tocha, um bico constritor refrigerado com água, gás de proteção para a poça fundida e gás de plasma. A diferença entre eles reside na natureza do metal aportado (arame e pó no PAW e PTA, respectivamente). Na soldagem PTA, o metal de adição requer um gás para o seu transporte até a região do arco elétrico. [1]
Figura 3: Desenhos esquemáticos mostrando as similaridades e diferenças na soldagem com o processo plasma empregando metal de adição na forma de pó e arame. [1] [2] [3] [4]
O equipamento necessário para soldar com PAW é similar ao empregado na soldagem PTA;
enquanto naquele é preciso um dispositivo de tração de arame de diversas espessuras e metais
bobinados, com velocidades constantes ou pulsadas, neste o consumível pulverulento exige
um alimentador especial para transportá-lo até o arco elétrico. A Figura 4 mostra o aspecto e a
microestrutura de revestimentos feitos com os processos plasma com arame e pó, onde se
pode verificar nitidamente o melhor aspecto e, principalmente, a microestrutura (mais
refinada) do segundo.
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Figura 4: Aspecto (esquerda) e microestrutura (direita) de revestimentos feitos com o processo plasma empregando arame e pó como metal de adição. [5]
Nos processos PAW e PTA utiliza-se gás inerte como gás plasma, que é forçado a passar pelo orifício do bico constritor, onde o eletrodo se encontra fixado concentricamente. O gás de proteção, que pode ser inerte ou ativo, passa por um bocal externo, concêntrico ao bico constritor, protegendo a solda e as regiões vizinhas da contaminação pelo ar atmosférico. No processo PTA, utiliza-se geralmente argônio como meio de transporte do pó, sendo este gás chamado de gás de transporte ou de arraste. O pó é carreado mediante mangueiras flexíveis até o bico constritor, permitindo sua entrada no arco plasma em forma convergente.
Como o eletrodo de tungstênio se situa no interior do bico constritor da tocha de soldagem, é impossível abrir o arco elétrico por contato, sendo por isto necessário usar um dispositivo para obter sua ignição (podendo ser interno ou externo à fonte de soldagem PTA), sendo denominado de módulo plasma quando externo. Um ignitor eletrônico fornece picos de alta tensão entre o eletrodo de tungstênio e o bocal constritor, gerando uma pequena centelha nesta região. Desta maneira, com a passagem do gás de plasma, surge um arco elétrico de baixa intensidade entre o eletrodo de tungstênio e o bocal constritor, chamado de arco piloto (arco não transferido). Por sua vez, o arco piloto forma um caminho de baixa resistência elétrica entre o eletrodo de tungstênio e a peça a ser soldada, facilitando o estabelecimento do arco principal quando a fonte de potência é acionada. Na prática, os parâmetros que controlam a qualidade da solda são a quantidade de metal de adição fornecida, a vazão dos gases (de proteção, de plasma e de transporte), a intensidade de corrente de soldagem, a distância do bico constritor à peça, distância interna do eletrodo em relação ao bico (recuo do eletrodo) e a velocidade de soldagem.
A Figura 5 mostra uma configuração básica do bico constritor, assim como os parâmetros
empregados no processo de soldagem de revestimento PTA. A distância da ponta externa do
bico constritor ao metal de base é denominada distância bico–peça (DBP); a da ponta do
eletrodo à ponta externa do bico constritor, recuo do eletrodo (Rc). As características do arco
elétrico são determinadas pelo Rc, responsável pelo grau de constrição e pela rigidez do jato
plasma. De maneira geral, a tensão do arco plasma muda cerca de 2,4 V quando o Rc varia 1
mm. O Rc máximo e mínimo depende do tipo de tocha empregado; em certa tocha de
soldagem plasma, por exemplo, ele pode variar entre 0,8 mm e 2,4 mm. À medida que se
reduz o Rc, a largura do cordão de solda aumenta e a penetração diminui. Este efeito do Rc
nas características geométricas do cordão de solda se deve à redução do efeito de constrição,
resultando em maior área de incidência do arco elétrico sobre o substrato. [1] [4] [5]
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Figura 5(à esquerda): Desenho esquemático mostrando a distância bico-peça (DBP) e o recuo do eletrodo (Rc) na soldagem de revestimento com o processo plasma PTA (com pó como material de adição). [3] [4] [5]
O revestimento com plasma pó é caracterizado por um arco de plasma de alta densidade, obtido por ionização de gás argônio passando através de um arco elétrico formado entre um eletrodo de tungstênio não consumível (com polaridade negativa) e o bocal de plasma de cobre (com polaridade positiva). Um segundo arco elétrico, chamado arco transferido, produz a energia necessária para fundir tanto o metal de base quanto o metal de adição. O arco transferido é "estrangulado" para que fique mais quente, quando se obtém uma coluna de plasma com temperatura entre 8.000ºC e 18.000ºC (Figura 6).
Figura 6: Caracterização esquemática do processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA). [4] [5]
Uma vez que a diluição quantifica o grau de mistura do metal de adição com o metal de base,
este de baixa resistência à corrosão ou ao desgaste abrasivo, quanto menor for a participação
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do metal de base no revestimento, maior será a eficiência deste na proteção contra a corrosão ou ao desgaste. É possível obter com PTA com pó revestimento de até 6 mm de espessura e 10 mm de largura com um único passe (dependendo da tocha utilizada). O revestimento feito com plasma com pó tem menor diluição que aquele obtido com plasma com arame, visto que na técnica com pó a energia nunca está diretamente focada no substrato; ao invés disto, a poça de fusão está sempre sob o arco elétrico, tendendo a isolar o substrato do contato direto com o arco.
Para efeito de comparação, as Tabela 1 e 2 apresentam as diluições dos principais processos empregados na soldagem de revestimento. Como se vê em especial na Tabela 1, a soldagem com plasma empregando pó tem uma diluição bem menor que a do processo GTAW, o que torna o primeiro processo de soldagem, sob este aspecto, bem mais atraente que o segundo.
Tabela 1: Diluição dos diferentes processos empregados na soldagem de revestimento.
Processo de soldagem Diluição [%] Observação
Plasma com pó 06 - 10
Eletroescória com fita 08 - 20
Arco submerso com fita 15 - 25
Eletrodo revestido 15 - 30
Arco submerso com um arame 15 - 30 CCEN
Arame tubular autoprotegido 15 -35 Arame tubular com proteção gasosa 15 -35
GMAW (MIG/MAG) 20 - 40
GTAW (TIG) 20 - 40 CCEP
Arco submerso com um arame 30- 70
Tabela 2: Diluição dos diferentes processos empregados na soldagem de revestimento levando em consideração a espessura do revestimento, taxa de deposição e diluição.
Processo Espessura [mm]
Taxa de deposição [kg/h]
Diluição [%]
Oxiacetileno 1,5 ≤ 1 1 - 5
Eletrodo revestido 3 1 - 4 15 - 30
GTAW (TIG) 1,5 ≤ 2 5 -10
Plasma 2 ≤ 10 2 -10
GMAW (MIG) 2 3 - 6 10 - 30
Arame tubular 2 3 - 6 15 -30
Arco submerso (arame) 3 1- - 30 15 - 30
Arco submerso (fita) 4 10 - 40 10 -25
Eletroescória (fita) 4 15 - 35 5 - 20
A Figura 7 mostra a taxa de deposição de diferentes processos de soldagem de revestimento, comprovando que o processo plasma com pó deposita mais metal de adição que o processo GTAW com arame quente. Estes dados são corroborados por K.Corgan e J.Haake, da Nuvonyx Incorporated, Bridgeton Missouri (USA), cujos resultados são mostrados na Tabela 3. Verifica-se, novamente, o enorme potencial do processo de soldagem de revestimento com plasma pó, quando comparado especialmente com o GTAW (TIG) hot wire (arame quente).
Observando-se as principais características de revestimentos feitos com estes dois processos
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(Tabela 3), verifica-se que é possível obter um revestimento com PTA de uma única camada de 3 mm de espessura. Como a diluição é extremamente baixa e o teor de ferro no revestimento pode ser menor que 5%, então a deposição de só uma camada de superliga de níquel seria suficiente para conferir internamente resistência à corrosão a um tubo, reduzindo consideravelmente seu tempo de revestimento. [1] [6]
Figura 7: Taxa de deposição de diferentes processos de soldagem de revestimento. [1] [6]
Tabela 3: Taxas de deposição máximas aproximadas de diferentes processos de soldagem de revestimento, segundo dados de K.Corgan e J.Haake, da Nuvonyx Incorporated, Bridgeton, Missouri, USA. [1] [7]
Processo de soldagem de revestimento Taxa de deposição máxima aproximada [lb/h]
Laser de diodo direto de alta potência (HPDDL) 8
GTAW com arame frio 5
GTAW com arame quente 18
Plasma com arame quente 18
Plasma com pó 22
GMAW 15
Arame tubular com proteção gasosa 15
Arame tubular autoprotegido 40
Arco submerso 50+
Os principais parâmetros de soldagem de revestimento com plasma pó são a intensidade de
corrente de soldagem, a velocidade de soldagem, a vazão do gás plasma, as vazões e os tipos
dos gases de proteção, de plasma e de arraste, a taxa de alimentação do metal de adição (pó),
o diâmetro e o ângulo de convergência do bico constritor, a distância do bico constritor à peça
e o recuo do eletrodo em relação à extremidade do bico constritor. A seleção correta destes
parâmetros permite obter um revestimento com baixa diluição, espessura ótima e elevada taxa
de deposição. A Figura 8 mostra a influência da distância bico-peça e da intensidade de
corrente de soldagem na soldagem de revestimento com plasma pó na taxa de deposição e
diluição; a Figura 9, a variação da diluição em função da intensidade de corrente de soldagem
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para diferentes taxas de deposição. A Figura 10 apresenta o efeito do ângulo dos canais de injeção de pó em relação ao bico constritor.
Figura 8: Influência da distância bico-peça e da intensidade de corrente de soldagem (esquerda) na soldagem de revestimento com plasma pó (PTA) na taxa de deposição e diluição do revestimento (direita). [4] [5]
Figura 9: Influência da intensidade de corrente de soldagem e da vazão do gás plasma na diluição e taxa de deposição na soldagem de revestimento com o processo plasma empregando pó (PTA) como metal de adição. [4] [5]
Figura 10: Efeito do ângulo dos canais de injeção de pó em relação ao bico constritor.
As figuras 11, 12, 13, 14, 15 mostram os equipamentos existentes no mercado e a figura 16,
duas válvulas revestidas com Inconel 625. [1]
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Figura 11: Equipamento de soldagem PTA manual do fabricante Eutectic Castolin. [3]
Figura 12: Equipamento de soldagem PTA automatizado e manual do fabricante Commersald à direita e equipamento robotizado de soldagem PTA do fabricante Arc Specialties à esquerda. [8] [9]
Figura 13: Equipamento de soldagem PTA automatizado do fabricante Deloro Stellite. [10]
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Figura 14: Equipamento de soldagem PTA automatizado do fabricante Arcfrat Plasma. [11]
Figura 15: Equipamento de soldagem PTA automatizado/manual do fabricante NACIONAL IMC Soldagem. [12]
Figura 16: Duas válvulas revestidas com Inconel 625, empresa Commersald. [9]
12 MATERIAIS E MÉTODOS.
A figura 17 abaixo exemplifica os materiais e métodos utilizados para elaboração do trabalho.
Figura 17: Materiais e métodos utilizados.
Foi utilizado como metal de adição a liga de Níquel (NiCrMo-3) conhecida comercialmente como Inconel 625 UNS N06625 em pó, tendo usualmente a seguinte composição química.
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Inicialmente foi utilizada uma chapa de aço carbono com cerca de 22 mm de espessura, 150 mm de largura e cerca de 1000 mm de comprimento, conforme figura 18.
Foram feitos cinco cordões de solda (único passe, posição plana) de revestimento utilizando pó de Inconel 625, mantendo as variáveis: corrente de solda, vazão do gás plasma, vazão do gás de proteção, vazão do gás de arraste do pó, tensão, velocidade de soldagem e stand off (distância do bico em relação à peça obra), setback (distância do eletrodo em relação a face do bico) fixas, sendo variado apenas o parâmetro taxa de alimentação do pó em gramas por minuto, conforme tabela abaixo.
Figura 18: Chapa de aço carbono com espessura de 22 mm juntamente com os cinco cordões de solda de revestimento (PTA) utilizando pó de Inconel 625 depositados sobre sua superfície da mesma
Abaixo, temos a composição química da chapa de aço carbono utilizada e a Tabela 4 com os parâmetros utilizados para execução dos cinco cordões de solda de revestimento PTA.
Tabela 4: Parâmetros utilizados para executar os cinco cordões de solda de revestimento (PTA) utilizando pó de Inconel 625 como consumível.
A fonte de soldagem utilizada, bem como tocha, alimentador de pó e fornecedor do pó consumível não foram mostradas em função de questões contratuais da empresa prestadora do serviço.
O gás utilizado foi argônio, sem nenhuma adição de outro gás.
Cordões Isolda (A) Vsolda (V) Vazão plasma
(lpm)
Vazão proteção
(lpm)
Vazão arraste
(lpm)
Velocidade Soldagem
(mm/s)
Alimentação pó (g/minuto)
1 85 30 2,5 20 2 10 26
2 85 30 2,5 20 2 10 29
3 85 30 2,5 20 2 10 31
4 85 30 2,5 20 2 10 33
5 85 30 2,5 20 2 10 36
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Após a execução dos cordões, um corte seccional com serra fita foi realizado conforme figura 19.
Figura 19: Corte seccional na chapa de aço carbono com os cordões de solda de revestimento utilizando pó de Inconel 625 como consumível para dar início ao trabalho de embutimento objetivando a medição do perfil de dureza (microdureza Vickers) de cada cordão.
Após o corte seccional, a superfície foi preparada para medição do perfil de dureza e medição da altura dos cordões conforme a figura 20 (escala em vermelho de 2000 µm). Na figura 21 exemplificamos a medição feita no cordão nº5 (PTA) que se aplica a todos os cordões.
Figura 20: Preparação da superfície para medição do perfil de dureza e altura dos cinco
cordões de solda de revestimento PTA, utilizando pó de Inconel 625 como consumível.
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A figura 21 referente ao cordão nº5 (PTA) mostra o perfil de dureza (Vickers) medido com vinte pontos válidos de medição.
Figura 21: Perfil de dureza (Vickers) do cordão de solda de revestimento nº5 utilizando pó de Inconel 625 como consumível com taxa de alimentação de pó de 36 g/minuto.
Abaixo, na figura 22 temos o perfil de dureza desde o ponto nº1 próximo a superfície do cordão até o material de base (ponto nº20) passando pela ZTA onde temos as maiores durezas, referente a todos os cordões de solda de revestimento utilizando pó de Inconel 625 como consumível (PTA) sobre a chapa de aço carbono descrita na página 13.
Figura 22: Perfil de dureza (Vickers) dos cinco cordões de solda utilizando o pó de Inconel
625 como consumível no processo de soldagem de revestimento plasma pó sobre a chapa de
aço carbono descrita na página 13.
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Após a verificação do perfil de dureza (Vickers), a altura de cada cordão foi medida aproximadamente, e a diluição foi calculada conforme formula apresentada na figura 2, conforme a Tabela 5 abaixo, para o calculo da diluição foi utilizado o software Imagetool.
Tabela 5: Altura dos cordões de solda de revestimento plasma pó utilizando pó de Inconel 625 x diluição de cada respectivo cordão.
Nº Cordão (PTA) Altura do cordão (mm) Diluição (%)
1 1,38 21,8
2 1,60 22,8
3 1,82 21,1
4 1,65 15,0
5 1,96 12,0
A altura foi medida de forma aproximada em virtude da condição superfície da chapa de aço carbono (em alguns trechos apresentar leve empeno), o ataque superficial foi feito com Nital 2% no metal de base e no cordão de solda de revestimento (PTA) utilizando pó consumível de Inconel 625. Após a medição de altura aproximada de cada cordão, foi realizada uma verificação com auxílio do microscópio eletrônico, sobretudo das bordas de cada cordão de solda de revestimento acima mencionados onde constatamos falta de fusão lateral em todos os cordões, conforme figura 23.
Figura 23: Falta de fusão existente nas bordas dos cordões de solda de revestimento plasma
pó, utilizando pó de Inconel 625.
17 19,10%
11,42%
55,99%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Cromo Ferro Níquel
EDS
Após a medição aproximada da altura, foi realizada uma avaliação do teor de ferro na proximidade da superfície do cordão de solda de revestimento utilizando o pó do Inconel 625 no processo plasma pó (PTA) como consumível, conforme figura 24 e 25 respectivamente.
Foram selecionados os cordões nº5 e nº1 respectivamente, sendo levados ao MEV (microscópio eletrônico de varredura) com EDS (espectrômetro de energia dispersiva).
Selecionamos basicamente três elementos, sendo o foco de nossa observação o teor de Ferro, conforme gráficos 1 e 2 abaixo.
Figura 24: Região submetida ao EDS para verificação do teor de Fe no cordão de solda nº5 de revestimento utilizando Inconel pó de 625 como consumível no processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA).
Gráfico 1: Percentuais de elementos químicos em peso existentes no cordão de solda nº5 de revestimento utilizando pó de Inconel 625 como consumível no processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA), destacando 11,42% do Fe em peso.
Figura 25: Região submetida ao EDS para verificação do teor de Fe no cordão de solda nº1 de
revestimento utilizando pó de Inconel 625 como consumível no processo de soldagem de
revestimento plasma pó (PTA).
18 17,72% 16,77%
52,43%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Cromo Ferro Níquel
EDS
-665 -660 -670 -650 -570
-610
-700 -650 -600 -550 -500
mV
Tempo em horas: Ao todo 2 horas de teste.
E (mV) x ECS
Imersão em solução salina 1000 ppm Cl-
Aço-Carbono Cordão nº1 Cordão nº 5 Primeira hora Segunda hora
Gráfico 2: Percentuais de elementos químicos em peso existentes no cordão de solda nº1 de revestimento utilizando pó de Inconel 625 como consumível no processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA), destacando 16,77% do Fe em peso.
Após os testes realizados acima, apenas para nortear uma ideia do seria a taxa de corrosão em função da diluição, realizamos um teste em imersão dos cordões nº5 e nº1 descritos nesse artigo em solução salina, e medimos após duas horas o potencial e valores dos pares galvânicos, abaixo selecionamos os cordões nº1 e nº5 respectivamente, conforme o gráfico 3.
Gráfico 3: Medição de potencial do aço carbono e pares galvânicos, cordão nº1 e nº5
respectivamente.
19 RESULTADOS E DISCUSSÕES.
Na soldagem por fusão podemos definir diluição como a quantidade de metal de base que entra na composição do metal de solda, softwares que fazem o cálculo da diluição com base na medição percentual de área conforme figura 2, não levam em consideração que a existência de falta de fusão lateral afeta o resultado da medição percentual da diluição.
Em todos os cordões de solda de revestimento utilizando o pó de Inconel 625 como consumível no processo de soldagem plasma pó foi observada falta de fusão lateral (devido a não otimização de parâmetros), conforme a figura 23.
Apesar da orientação da norma API de se realizar a medição da composição química a uma distância de 3 mm do metal de base, realizamos esta tarefa bem próxima à superfície do cordão de solda de revestimento (PTA), utilizando os cordões nº5 e nº1 em função de sua altura ser 1,9 mm e 1,3 mm aproximadamente, conforme Tabela 5.
Através do MEV (EDS) medimos um teor de Fe de 11,42% e 16,72% nos cordões nº5 e nº1 respectivamente, ou seja, a medição da composição química próxima à região central dos cordões de solda de revestimento onde existiu a fusão do metal de base com o metal de adição (neste caso, pó de Inconel 625) torna mais assertiva a medição e norteia a ideia de que se com apenas 1,9 mm de altura de cordão, um percentual de 11,42% Fe foi medido, somos levados a crer que com parâmetros otimizados e uma tocha específica, um cordão de solda de revestimento neste processo apresentaria uma altura maior ou igual a 5 mm com teor de Fe menor ou igual a 5% na última camada de revestimento.
Estudos recentes mostram que com apenas um único passe de TIG hot wire (arame quente), temos uma altura de cordão que varia de 1,36 – 1,56 mm com diluição de 23 – 30% e teores de Fe de 22,5 – 43,1% (Inconel 625). [13]
A vantagem do processo de soldagem plasma pó para revestimento (PTA) seria basicamente:
Com uma única operação de soldagem (único cordão) de revestimento com pó de Inconel 625 teríamos o mesmo resultado do processo TIG hot wire (arame quente) que necessita de 2 a 3 cordões de solda para alcançar um teor de Fe menor ou igual a 5% a 3 mm do metal de base e uma altura da camada com cerca de 5 mm de altura, na verdade a altura do cordão acaba sendo uma função da diluição e teor de Fe requerido.
No processo TIG hot wire (arame quente) conforme figura 26, utilizamos duas fontes, onde
uma delas é responsável pelo processo de aquecimento do arame e a outra para abertura de
arco e processo de soldagem TIG propriamente dito, também sendo necessário cuidado para
não existir a inclusão de tungstênio no cordão de solda de revestimento, mesmo usando o
método de abertura de arco com alta-frequência.
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Figura 26: Figura esquemática do processo de soldagem de revestimento TIG hot wire (arame quente) juntamente com a foto à esquerda de um equipamento existente no mercado. [2]
[8]
Em alguns casos quando se usa o gas lens (difusor de gás), apesar da vantagem do fluxo regular de gás conforme figura 27, temos a desvantagem da obstrução dos orifícios causada pelo vapor metálico com o tempo de uso, provocando contaminação do cordão de solda pelo ar atmosférico.
Figura 27: Uso de gas lens (difusor de gás), no processo TIG e podendo ser ainda usado no TIG hot wire (arame quente). [14]
Ainda no processo TIG hot wire (arame quente) é necessário uma certa atenção no que tange ao parâmetro de aquecimento do arame.
No processo plasma pó (PTA) o tungstênio está inserido dentro do bico (tip), não existindo o risco da inclusão de tungstênio no cordão de solda de revestimento, apenas uma única fonte de soldagem é utilizada, conforme figura 28.
Figura 28: Tocha de soldagem de revestimento plasma pó (PTA) em corte à esquerda e
descrição dos consumíveis à direita, ainda à esquerda percebemos que o consumível de
tungstênio está protegido no interior do porta bico. [4]
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Na figura 29 temos o esquema do processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA).
Figura 29: Figura esquemática do processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA).
[1] [2]
O custo do arame de Inconel 625 diâmetro 1,2 mm é em torno de R$ 250,00/kg, o pó de Inconel 625 custa em torno de R$ 270,00 com rendimento de 95%.
Alcançar um teor menor ou igual a 5% de Fe a 3 mm do metal de base é menos oneroso com pó do que com arame.
Aspectos ambientais se tornaram já há tempos uma preocupação presente nos processos industriais, assim como também saúde e bem estar da força produtiva. Neste contexto o processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA) apresenta uma clara vantagem em relação a processos de aspersão, nos quais há intensa geração de ruído e de pó residual.
O melhor desempenho ambiental do processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA) também fica evidente contra processos que formam escória. Nas informações da empresa Commersald é mencionado um certificado do Instituto Ecoricerche, no qual, numa comparação de fumos de soldagem, o processo de soldagem de revestimento plasma pó (PTA) mostrou menores níveis de emissão que processos convencionais de soldagem. [5]
O melhor acabamento superficial resulta em menor quantidade de material removido mecanicamente (menos resíduos), para obtenção da geometria final desejada.
Sobre o aspecto dureza do cordão de solda de revestimento, na indústria do petróleo um
grande número de falhas em peças e equipamentos pode ser associada à fragilização por
hidrogênio. Isso se deve principalmente a presença de ácido sulfídrico (H2S) principalmente
nas etapas de prospecção e refino. O ácido sulfídrico (H2S) encontrado juntamente com o
óleo e gás produzido nas prospecções submarinas, por exemplo, tem a capacidade de manter o
hidrogênio atômico mais tempo na superfície do metal. Com essa maior manutenção do
hidrogênio atômico na superfície do metal, a probabilidade de absorção do hidrogênio é
maior. Esse fenômeno ocorre devido ao fato do H2S reagir com o ferro, formando sulfeto de
ferro (FeS) e hidrogênio atômico. O sulfeto tem a característica de dificultar a formação do
hidrogênio molecular, fazendo com que o hidrogênio atômico permaneça mais tempo na
superfície do metal. [13]
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As trincas induzidas por sulfeto ou simplesmente SSC (Sulfide Stress Cracking) são a falha no metal causada pela ação simultânea da tensão e hidrogênio absorvido a partir da corrosão aquosa por ácido sulfídrico (H2S), A suscetibilidade as trincas induzidas por sulfeto é função de um grande número de variáveis; duas das mais importantes são a dureza e o nível de tensão do aço. Devido ao fato da soldagem poder induzir altos níveis de tensões residuais e aumentar a dureza do aço em algumas regiões da solda, as peças soldadas de materiais com alta resistência são mais susceptíveis as trincas induzidas por sulfeto SSC. [13]
A influência da dureza na suscetibilidade a SSC tem sido estudada desde os anos 40. Para aços carbono e aços baixa liga, durezas na faixa de 20 a 30 HRC, são recomendadas para evitar trincas por SSC. Porém para esses materiais a dureza máxima permitida conforme a norma NACE MR0175 é de 22HRC. Essa dureza máxima estabelecida pela norma NACE MR0175 também deve ser mantida na ZTA dos aços carbonos e baixa-liga soldados. [5]
Para a liga de Inconel 625, a dureza máxima estabelecida pela norma NACE MR0175 é de 35HRC. A dureza estabelecida, a qual acima dela os aços apresentam suscetibilidade a SSC é também uma função do meio, assim como também de outras variáveis, como a pressão parcial de H2S, o pH, etc. [13]
Na figura 30 abaixo, selecionamos os cordões de solda de revestimento pelo processo de soldagem plasma pó utilizando Inconel 625 como pó consumível e temos o perfil de dureza dos cordões nº1 e nº5 respectivamente onde é perceptível que o cordão nº5 atende ao requisito de dureza acima exposto com uma dureza na ZTA inferior a 35HRC.
Figura 30: Perfil de dureza dos cordões de solda de revestimento (PTA) nº1 e nº5
respectivamente, onde o nº5 atende o requisito NACE de dureza na ZTA.
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A figura 31 mostra uma tabela de conversão de durezas onde podemos relacionar a Vickers com a Rockwell C, por exemplo.
Figura 31: Tabela de conversão de durezas. [15]
A perspectiva da viabilidade econômica do processo de soldagem plasma pó (PTA) utilizando pó de Inconel 625 como consumível é principalmente dependente da otimização de parâmetros e aplicação de equipamentos de bom desempenho, sobretudo concernente ao revestimento interno de tubos com Inconel 625, uma tocha de solda de revestimento mal dimensionada não atingirá o requisito da NACE sobre teor de Fe com percentual próximo ao metal de adição (em torno de 5%) a 3 mm do metal base e altura mínima do revestimento, maior ou igual a 3 mm.
O custo do equipamento para soldagem plasma utilizando pó como metal de adição (PTA) atualmente é cerca de R$ 650.000,00 contra R$ 390.000,00 do TIG hot wire (arame quente), aproximadamente.
Atualmente o processo de soldagem plasma utilizando pó como metal de adição (PTA) está limitado a diâmetros internos mínimos da ordem de 3” e comprimentos de tubos com 6 metros ao contrário do TIG hot wire (arame quente) que é utilizado para revestir internamente tubos com comprimento de 12 metros.
O processo de soldagem plasma utilizando pó como metal de adição (PTA) se mostra uma
tecnologia promissora em função dos aspectos abordados neste artigo onde foi usado, por
exemplo, o pó de Inconel 625 como consumível, mesmo mediante o uso de parâmetros não
otimizados no caso da soldagem plasma de revestimento, obtivemos uma altura de cordão da
ordem de 1,97 mm o teor de Fe em uma região próxima a superfície foi de 11,42%, logo,
somos levados a crer que com uma tocha e equipamentos melhor dimensionados e parâmetros
otimizados, poderíamos obter cordões com altura de 4-5 mm e teores de Fe da ordem de 4,5 -
5%.
24 CONCLUSÕES.
O processo de soldagem plasma utilizando pó de Inconel 625 como metal de adição (PTA) é mais vantajoso economicamente em relação ao TIG hot wire (arame quente) utilizando o mesmo consumível em forma de arame, em determinadas aplicações com apenas um único passe tendo os parâmetros otimizados e melhor dimensionamento de equipamentos.
A microdureza da ZTA medida no cordão nº5 com a maior taxa de alimentação de pó atendeu os requisitos da NACE.
A falta de fusão lateral existente nos cordões de solda do processo de soldagem de revestimento plasma utilizando pó de Inconel 625 como metal de adição (PTA) pode ser atribuída à ausência de otimização de parâmetros, conforme visto na figura 25.
O processo de soldagem plasma utilizando pó de Inconel 625 como metal de adição (PTA) apresentou bom acabamento superficial.
O custo em reais (R$) por quilograma utilizado no processo de soldagem plasma utilizando pó de Inconel 625 como metal de adição (PTA) é maior do que o custo por quilograma do arame sólido de Inconel 625 utilizado no processo de soldagem de revestimento TIG arame quente.
No processo de soldagem plasma utilizando pó como metal de adição (PTA) é necessário apenas uma única fonte de soldagem quando comparada ao processo TIG hot wire (arame quente) que necessita de duas fontes de soldagem, uma para o processo TIG, a outra para aquecimento de arame.
O custo do equipamento de soldagem plasma utilizando pó como metal de adição (PTA) é superior ao custo do equipamento TIG hot wire (arame quente).
A medida do teor de Fe próximo à superfície do cordão de solda do processo de soldagem plasma utilizando pó de Inconel 625 como metal de adição (PTA), em especial do cordão nº5 aponta para perspectivas promissoras, ou seja, teores de Fe a 3 mm do metal de base que atenda aos requisitos da norma NACE, com apenas um único passe.
O custo do equipamento de soldagem plasma utilizando pó como metal de adição (PTA) é
superior ao processo TIG hot wire (arame quente).
25 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
[1] ADOLPHO JUNIOR D. “Apresentação De Proposta de Tese de Mestrado com o Título Revestimento De Materiais Metálicos Pelo Processo PPTAW”, UFRJ (2013).
[2]
PAYÃO, J. FILHO, “Proposta de Trabalho PTA”, UFRJ, (2014).[3]
Disponível em: <www.youtube.com/watch?v=k4SJt0-02vw>. Acesso em 20/07/2014.[4] DIAZ VICTOR M. V “Inovação Do Equipamento E Avaliação Do Processo Plasma De Arco Transferido Alimentado Com Pó (PTAP) Para Soldagem Fora De Posição”, Tese de Doutorado, UFSC, (2005).
[5] SILVA RÉGIS H. G. “Inovações Em Equipamentos E Em Parametrização No Processo De Revestimento Por Plasma-Pó (PTA-P)”, Tese de Doutorado, UFSC, (2010).
[6] L SMITH. “Engineering With Clad Steel”, Nickel Institute, (2012).
[7] K. CORGAN, J. HAAKE, “Cladding With High Power Diodes vs. Cladding with Traditional Arc Welding Processes”, Nuvonyx Inc., Bridgeton Missouri USA, (2005).
[8]
Disponível em: < www.arcspecialties.com>. Acesso em 20/07/2014.[9] Disponível em: < www.commersald.com>. Acesso em 20/07/2014.
[10] Apresentação Deloro Stellite Sobre PLASMA PÓ, PETROBRAS CENPES, (2014).
[11] Disponível em: < www.arcraftplasma.com>. Acesso em 20/07/2014.
