UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

RELATÓRIO TÉCNICO CIENTÍFICO

Período: 02/2015 à 08/2015

() PARCIAL

(X) FINAL

IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO

Título do Projeto de Pesquisa: Estudo e avaliação de procedimentos de

soldagem de juntas dissimilares considerando as aplicações submarinas do

setor de petróleo e gás natural – PROSOL

Nome do Orientador: Carlos Alberto Mendes da Mota.

Titulação do Orientador: Professor Doutor em Engenharia Mecânica.

Faculdade: Faculdade de Engenharia Mecânica.

Unidade: ITEC

Laboratório: SOLDAGEM

Titulo do Plano de Trabalho: Soldagem dissimilares do aço ASTM A182 F22

pelo processo MIG.

Nome do Bolsista: Fabrício Pereira Medeiros

Tipo de Bolsa () PIBIC/CNPq () PIBIC/UFPA () PIBIC/INTERIOR (X) PIBIC/FAPESPA () PARD () PARD - renovação () Bolsistas PIBIC do edital CNPq 001/2007

INTRODUÇÃO O estudo de procedimentos de soldagem de juntas dissimilares com superligas de níquel busca a melhoria das resistências mecânica, ao desgaste e a corrosão. Os revestimentos a base de superligas de níquel tem possibilitado aumentar a resistência em componentes estruturais com chapas planas e/ou tubo. Falhas em juntas dissimilares têm sido registradas em componentes submarinos. Estas podem representar elevados custos de produção e, principalmente, o maior risco de vazamento de fluidos. Os impactos previstos no âmbito econômico são relacionados ao aumento da vida útil de equipamentos e componentes; o desenvolvimento de procedimentos de soldagem com baixa relação custo/beneficio; a redução de custos associados à qualidade e ao tempo de união por soldagem.

OBJETIVO GERAL

Estudar procedimentos de soldagem para a união de chapas planas de juntas

dissimilares

OBJETIVOS ESPECIFICOS (i) Levantar parâmetros exploratórios da soldagem MIG. Fazer análise

visual, líquido penetrante e por ultra som.

(ii) Analisar características metalúrgicas e de resistência mecânica da união.

JUSTIFICATIVA

O petróleo empregado nas diversas unidades de refino da Petrobrás apresenta

elevados teores de enxofre. Tem baixa qualidade e pouca aceitação no

mercado internacional. Ataca por corrosão naftênica o “clad” expondo o aço

estrutural ao contato com o meio agressivo, acelerando o processo de

degradação das paredes de componentes. Este processo de degradação prevê

uma intervenção durante as paradas programada ou não programada de uma

unidade. Neste trabalho pretende-se estudar a viabilidade operacional da

soldagem MIG (Metal Inert Gas) na união de chapas chanfradas que exigem

maior resistência, promovendo um aumento da produtividade e diferentes

concepções metalúrgicas do metal de solda.

MATERIAIS E MÉTODOS

Máquina de soldagem transistorizada, Inversal 300, Figura 1.

.

Figura 1. Fonte de soldagem, Inversal 300.

Sistemas de alimentação de arame eletrodo, Figura 2.

Figura 2. Cabeçote de alimentação arame eletrodo

Bancada e suporte com sistema para posicionamento de atracação de

amanteigamento Figura 3(a) e de soldagem da junta (chapa) a ser

soldada Figura 3(b), dispositivos desenvolvidos pelo laboratório de

pesquisas GetSOLDA da UFPA.

(a) (b)

Figura 3. Bancada e suporte de posicionamento de peça para

amanteigamento (a) e soldagem (b).

Tartílope V2, para posicionamento e deslocamento da pistola de soldagem

mecanizada, Figura 4.

Figura 4. Controle Tartílope V2.

Metal de adição

Composição do Metal de Adição

Ni Cr Mo Nb+Ta Fe

Min 58% 20-23% 8 - 10% 3,15-4,15% Max 5%

Fonte: FABRICANTE

Gás de proteção

Argônio puro e 75% argônio + 25%CO2 (Stargold)

Metal de base

Chapas de aço 1020

METODOLOGIA

As juntas são chapas de aço C em meio V e de aço F22 sem chanfro/amanteigadas, soldadas em múltiplos passes com eletrodo de níquel, Inconel 625.

A soldagem de revestimento em chapas planas foi realizada para o levantamento e a otimização dos parâmetros operacionais. Os revestimentos experimentais foram depositados conforme os parâmetros de soldagem estão listados na Tabela 1.

A metodologia adotada neste trabalho é mostrada no fluxograma Figura 5.

Seleção dos materiais de base, de adição e do gás de proteção.

Corte e preparação de amostras para a soldagem.

Montagem e da bancada de trabalho e preparação para soldagem.

Seleção e programação das atividades complementares de análises da qualidade, geométrica, revenimento, métodos estatísticos, dos ensaios de metalografia, mecânico, metalúrgicos etc.

A metodologia utilizada para este trabalho seguiu o fluxograma mostrado na

Figura 5.

Figura 5. Fluxograma das etapas realizadas no trabalho (SILVA, 2015)

Etapa 1-Teste de

Higuchi convencional

e modificado.

Etapa 2- Soldagem das

juntas.

Discussão, análise

e conclusão.

Soldagem dos corpos

de prova.

Análise de microdureza

Análise geométrica e

microestrutural.

Seleção dos parâmetros

de amanteigamento.

Soldagem de

amanteigamento.

Soldagem de união das

juntas amanteigadas.

Caracterização

microestrutural.

Análise de propriedades

mecânicas.

M.O.

M.E.V.

Dureza

Microdureza

RESULTADOS As análises geométrica e metalográfica na região da solda, cada um dos cordões das amostras foram seccionadas transversalmente ao cordão de solda e nomeadas em A, B e C, conforme a Figura 6.

Figura 6. Passes em simples deposição sobre chapas de aço ASTM 1020.

Tabela 1 - Parâmetros de soldagem MIG

Condição Vel. Soldagem Vel. Alimentação DBCP Tensão

T01 30 12 13 34

T02 40 12 13 34

T03 50 12 13 34

T04 30 10 13 34

T05 40 10 13 34

T06 50 10 13 34

T07 30 12 17 34

T08 40 12 17 34

T09 50 12 17 34

T10 30 10 17 34

T11 40 10 17 34

T12 50 10 17 34

T13 30 12 21 34

T14 40 12 21 34

T15 50 12 21 30

T16 30 12 17 30

T17 40 12 17 30

T18 50 12 17 30

T19 60 12 17 30

T20 30 12 17 34

T21 40 12 17 34

T22 50 12 17 34

T23 60 12 17 34

Para o passe de simples deposição a relação à microestrutura da ZAC, a Figura 7 (a-c) é observada as regiões de grãos grosseiros e grãos finos ao longo da ZAC até o início do metal de base dos passes em simples deposição, este refinamento de grãos é causado pela energia de soldagem associada à composição química do metal de base.

(a)

(b)

(c)

Figura 7. Microestrutura dos grãos nas regiões: (a) Próximo à linha de fusão;

(b) meio da ZAC; (c) Final da ZAC e início do metal de base (SILVA, 2015)

Através da análise dos diagramas mostrados nas Figuras 8, utilizando a metodologia da sucessão passes sobrepostos em 50%, amanteigaram-se duas chapas de aço ASTM A182 F22, mostradas, conforme a figura suas condições. Ao final em media as três camadas obtiveram espessura total de 10 mm.

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

T01

T02

T03

T04

T05

T06

T07

T08

T09

T10

T11

T12

T13

T14

T15

T16

T17

T18

T19

T20

T21

T22

T23

Afa

stam

ento

(m

m)

Condição de soldagem

Diagrama de decisão - ASTM A182 F221ª Camada na condição T01

Figura 8- Diagramas de decisão (SILVA, 2015)

Através dos resultados dos ensaios de microdureza, analise da morforlogia dos grãos e da análise geométricas dos passes em simples deposição montou-se o Gráfico 01, o qual apresenta às extensões geométricas e metalúrgicas em função da energia de soldagem de todos os passes, ou seja, zona dura, zona macia, reforço e penetração.

Gráfico 01. Extensões geométrica e metalúrgica dos passes em simples

deposição (SILVA, 2015).

No gráfico 01, é possível observar que houve uma considerável variação na extensão das ZAC-ZD e ZAC-ZM de cada passe em função da energia de soldagem. Logo, para cada passe em simples deposição haverá uma maior ou menor extensão da região de ZD a ser revenida e para este revenimento alcançar a região de ZD do metal de base, quanto depositado sobre outra camada, a energia de soldagem do passe posterior deve ser suficiente para vencer a barreira térmica formada pela camada anterior. Conforme Niño (1995) recomenda que a energia de soldagem da segunda camada pode ser até duas vezes maior que a energia da primeira camada. Entretanto, no trabalho de Bueno (1999) foram testadas relações em que a energia de soldagem da primeira camada foi maior que a da segunda, tendo sido satisfatório o resultado. Além disso, deve ser observada a extensão da zona dura formada na ZAC que deve ser a menor possível, pois, esta região é mais propicia ao aparecimento de trincas.

As Figuras 9 mostram a macrografia da seção transversal do amanteigamento A1. Por esta figura não ocorreram defeitos como falta de fusão entre passes, porosidades, trincas ou outros problemas de inclusões.

Figura 9 - Macrografia da seção transversal amanteigada A1

Finalizados os amanteigamentos, as chapas foram submetidas ao processo de usinagem de sua face amanteigada. Para uma posterior análise metalúrgica e mecânica foram retiradas amostras de 25 mm das duas extremidades de cada chapa amanteigada, conforme mostra a Figura 10.

Figura 10 – Chapa de aço ASTM A182 F22 amanteigada e localização das

endentações de microdureza (SILVA, 2015).

As Figuras 10 e 11 mostram as microestruturas da ZAC do amanteigamento A1. A análise destas Figuras indica a presença das microestruturas

bainita+ferrita (B+F) e martensita revenida (MR). Estas formações microestrutural este de acordo com o indicado pela literatura para o aço ASTM A182 F22. Segundo Modenesi (2012) em temperaturas entre 550 e 250ºC, a decomposição da austenita resulta em bainita caracterizada por agregados de finas lâminas de ferrita e partículas de carboneto. Em aços baixo carbono e baixa liga a formação da bainita ocorre principalmente à elevada velocidade de resfriamento, baixo teor de oxigênio (JWS, 1983).

Figura 10 - Micrografias da ZAC próxima a linha de fusão.do

amanteigamento A1.

Figura 11 - Micrografias intermediarias da ZAC do amanteigamento A1.

MR-Martensita revenida; B+F-Bainita+Ferrita

A Figura 12 mostra a partir do metal de solda em direção a ZAC algumas endentações do ensaio de microdureza no membro amanteigado A1.

Figura 12 - Perfil de microdureza nos membros amanteigados nas

regiões do MS, ZPM e ZAC A1.

Os perfis de microdureza do membro amanteigado A1 mostrado na Figura 13 apresenta picos de microdureza na região da ZAC próximos à linha de fusão de 395 HV. Segundo a norma ASTM E384 (ASTM, 2002), regiões com valores de microdureza acima de 392 HV são propicias ao aparecimento de trincas.

Perfil de microdureza Vickers amanteigamento A1

-0,3 0,0 0,4 0,7 1,1 1,4 1,8 2,1 2,4 2,8 3,1 3,5 3,8 4,2 4,5 4,8

Distância da interface (mm)

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

Mic

rod

ure

za

(H

V)

ZAC

Figura 13 - Perfil de microdureza Vickers na ZAC do membro

amanteigado A1

Na segunda etapa, a chapa amanteigada foi disposta topo a topo com outra chapa de aço carbono ASTM 1020 chanfrado em 45°, como mostra a Figura 14. O enchimento da junta foi executado pelo processo MIG, na posição plana, no sentido empurrando, com velocidades de soldagem de 40 cm/min e alimentação de arame de 12 m/min utilizando como gás de proteção a mistura gasosa de argônio com 25% de hélio.

Figura 14. Esquema de uma junta de topo amanteigada e soldada (SILVA,

2015)

Ao realizar o procedimento de enchimento do chanfro seguiu-se uma sequência de passes para enchimento de tal forma que iniciavam sempre no seu lado reto em direção ao membro chanfrado em 45°, conforme mostra a Figura 15.

Figura 15. Processo de enchimento do chanfro da junta (SILVA, 2015)

Esta metodologia para o enchimento do chanfro contribuiu consideravelmente para a não ocorrência de falta de fusão entre os passes como mostra a Figura 16.

Camadas de amanteigamento

Figura 16. Esquema do Amanteigamento

As Figuras 17 mostra os valores de microdureza Vickers das juntas J1 nas regiões do MS, ZPM e ZAC. Os ensaios de microdureza realizados ao longo da ZPM tanto na junta J1 apresentou valores na ordem de 255HV, ou seja, abaixo da microdureza da ZAC (390HV) e ligeiramente abaixo da dureza do metal de solda (280HV).

Figura 17 - Valores de microdureza nas regiões do MS, ZPM e ZAC J1

A análise por EDS na junta J1, nos pontos localizados no metal de base (PT4, PT5, PT9, PT10, PT14 e PT15), ZPM (PT3, PT8, PT13) e MS (PT1, PT2, PT6, PT7, PT11 e PT12) conforme a Figura 18 mostra uma considerável variação no perfil da composição química na interface dissimilar (ZPM) causada principalmente pela mistura parcial do metal de base e metal de solda. Segundo Savage (1976) a região da ZPM se forma como resultado do desenvolvimento de uma camada limite estagnada devido ao movimento da poça de metal líquida, próxima à linha de fusão.

Figura 18 - Pontos analisados por EDS para determinação da composição

química das regiões da ZAC e ZPM da junta J1

Os Gráficos 2 mostra a variação média de composição química ao longo das

regiões do metal de solda, zona parcialmente misturada e metal de base das

juntas soldadas J1.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

ZPMMS

Ni

Fe

Cr

Mo

Distância em microns

Co

mp

os

iça

o (

% e

m p

es

o)

EDS da junta J1

MB

Gráficos 2 – Concentração média dos principais elementos químicos nas

regiões do MB, ZPM e MS nas juntas J1

Analisando os Gráficos 2 da esquerda para a direita observa-se que o níquel teve uma queda acentuada ao entrar na região da ZPM, enquanto que o teor de ferro aumentou. Este fenômeno pode ser justificado pelos movimentos difusionais dos elementos de liga e impurezas oriundos do metal de solda, que migram dessa região para a camada estagnada na interface entre o metal de solda e o metal de base formando uma região de composição química intermediária. Além disso, o fenômeno da camada limite onde um fluido escoando sobre uma superfície sólida apresenta uma zona cuja velocidade varia desde a velocidade de escoamento até zero na adjacência com um sólido, contribuiu para a difusão dos elementos de liga e a formação da ZPM.

As condições estudadas apresentaram picos de dureza Vickers na região próxima à linha de fusão na faixa entre 305 a 338 HV considerando as três regiões analisadas (topo, meio e raiz) de cada junta. Como apresentado na Figura 19, à medida que nos afastamos da linha de fusão em direção ao final da ZAC, em uma extensão de aproximadamente 1,5 mm, o perfil de dureza decai até o patamar de dureza do metal de base, ou seja, 200HV, tal situação esta relacionada às transformações microestruturais sofridas pelo metal de base devido aos ciclos térmicos e a utilização dos parâmetros de soldagem criteriosamente aprovados nos teste de Higuchi e Higuchi modificado oque contribuiu, também, para minimizar o tamanho da ZAC.

Perfil de dureza no amanteigamento na condição (T01/T01/T01)

TOPO

MEIO

RAIZ-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Distância da l inha de fusão (mm)

180

200

220

240

260

280

300

320

340

Du

reza

(HV

10

)

Figura 19. Perfil de dureza Vickers na ZAC das chapas amanteigadas.

Após a união da junta J1 utilizando parâmetro de soldagem constante (Vs=40cm/min; Va=12m/min; U=34 V, I=280 A e Es=1,5 kJ/cm) , observou-se que os perfis de microdureza Vickers na ZAC do amanteigamento das juntas soldadas apresentaram alterações significativas em seus valores, quando comparados ao perfil de microdureza do amanteigamento, ou seja, os valores de microdureza caíram de 388 e 320 HV, de acordo com a norma NACE MR 0175 (2005). Além disso, o valor da extensão da ZAC também se manteve na média de 1,8mm, conforme mostra a Figura 20.

Perfil de microdureza Vickers da ZAC do amanteigamento A1 e da junta soldada

J1

-0,3 0,0 0,4 0,7 1,1 1,4 1,8 2,1 2,4 2,8 3,1 3,5 3,8 4,2 4,5 4,8

Distância da interface (mm)

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

Mic

rod

ure

za

(H

V)

J1A1

ZAC

Figura 20 - Microdureza Vickers na ZAC do amanteigamento; (a) Membros A1

e junta J1

As Figuras 21 mostram o perfil de dureza Vickers da junta J1. As análises mostram que após o procedimento de enchimento do chanfro a região da ZAC do amanteigamento da junta soldada sofreu alterações significativas, em relação ao seu perfil de dureza Vickers do amanteigamento, ou seja, o perfil de dureza caiu em média de 320HV para 280HV. Portanto, a camada de amanteigamento não funcionou como barreira térmica protegendo a ZAC das juntas de possíveis alterações em suas propriedades mecânicas, que a energia de soldagem envolvida no procedimento de enchimento dos chanfros.

Perfil de dureza Vickers do amanteigamento A1 e junta J1

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Distância da interface (mm)

180

200

220

240

260

280

300

320

Du

reza

(H

V1

0)

J1A1

Figura 21 - Perfil de dureza Vickers (a) amanteigamento A1 e junta J1

CONCLUSÕES Os valores de dureza e microdureza da ZAC do amanteigamento da junta

J1 sofreu queda em seus valores em comparação com a ZAC do membro amanteigado A1, indicando que a energia de soldagem envolvida no procedimento de enchimento do chanfro alterou as propriedades mecânicas da ZAC do amanteigamento da junta J1.

A combinação do parâmetro (T01/T01/T01) utilizada para amanteigamento A1, selecionada através do método de Higuchi e Higuchi modificado obteve resultado satisfatório em relação ao perfil de dureza e microdureza na ZAC, ZPM e metal de solda.

Na ZAC do amanteigamento A1 e na ZAC do amanteigamento da junta J1 as microestruturas encontradas foram martensita revenida, ferrita e perlita.

Os valores de dureza e microdureza encontrados ZAC amanteigamento A1 quanto da junta soldada J1 superaram os valores de dureza e microdureza máxima de 250HV estabelecidos pela norma NACE 0175.

PUBLICAÇÕES:

Publicações sendo desenvolvidas para os congressos na área de materiais.

MEDEIROS, Fabrício Pereira e MONTELLO JUNIOR, Valter Figueiredo. Caracterização de um Amanteigamento de duas camadas com arame Inoxidável Austenítico Inconel 316L e um Aço 1020. UFPA. 66o SBPC: Sociedade Brasileira para Progresso da Ciência, Rio Branco, AC, julho de 2014.

Mota, C. A. M.; NASCIMENTO, A. S.; SILVA, D. A. S.; SÁBIO, A. D.;SILVA FILHO, C. B. A. Caracterização de Soldas Dissimilares Depositadas pelo Processo MIG com uma Superliga de Níquel. 21o CBECiMat: Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Cuiabá, MT, Novembro de 2014.

SILVA, D. A. S.; MOTA, C. A. M.; NASCIMENTO, A. S.; SILVA FILHO, C. B. A.; SABIO, A. D.; SODRE, R. M. R.; GIL, M. R.; MEDEIROS, F. P. Caracterização metalúrgica de soldas dissimilares depositadas pelo processo MIG. 2014. (Apresentação de Trabalho/Congresso).

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: AGUIAR, W.M. Soldagem do aço ABNT 4140 sem Tratamento Térmico

posterior. Dissertação de mestrado-Programa de Engenharia e Ciências de

Materiais, Universidade Federal do Ceará. Fortaleza, 2001.

BUENO, E. R. Desenvolvimento do Procedimento de Soldagem do AISI 4140 sem Tratamento Térmico Posterior. Dissertação de Mestrado. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 1999 NIÑO, C. E. B., BUSCHINELLI, A. J. A. Análise de Alternativas de Reparo por Soldagem de Aços Cr – Mo. XXI Encontro Nacional de Tecnologia da Soldagem. Caxias do Sul, jun/1995.

SILVA, D. A. S. “Avaliação Metalúrgica e do Comportamento Mecânico de

Soldas Dissimilares depositadas pelo processo MIG.” – Universidade

Federal do Pará, UFPA, Belém, 2015.

MOTTA, M. F., “Aplicação do Processo MIG/MAG Pulsado com Duplo Arame e Potenciais Isolados em Soldagem de Revestimento”. Dissertação de Mestrado - Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Florianópolis, 2002.

DIFICULDADES A maior dificuldade foi encontrar os parâmetros adequados para realizar as soldas de revestimento dissimilar com liga de níquel (Inconel 625).

PARECER DO ORIENTADOR O plano de trabalho e os resultados obtidos estão de acordo com o esperado e satisfazem aos objetivos da pesquisa. O discente apresenta desempenho acadêmico adequado.

Data: 10/07/2015.

Prof. Carlos Alberto Mendes da Mota

ASSINATURA DO ORIENTADOR.

Fabrício Pereira Medeiros

ASSINATURA DO ALUNO.