soldagem em aço inox

soldagem em aço inox

(Parte 1 de 3)

XI CONGRESSO LATINO-AMERICANO e V ÍBERO-AMERICANO DE SOLDAGEM

Fortaleza - CE De 20 a 23 de Setembro de 1998

Foram realizados ensaios em aço inox martensítico “macio” CA-6NM, visando estabelecer procedimentos de reparo pela técnica da “dupla-camada”, que permite dispensar a necessidade do tratamento térmico posterior, normalmente recomendado para atingir os níveis de tenacidade do material original. A deposição de cordões em chapa previamente temperada mostrou que o efeito de revenido produzido por um passe de soldagem subseqüente ocorre numa estreita faixa da ZTA, o que está associado à baixa temperatura Ac1 desse material. Adicionalmente, quando da soldagem com eletrodo similar (E 410NiMo) a dureza dentro do metal de solda atingiu valores ainda maiores (450HV) que aqueles da ZTA produzida no metal de base. Assim sendo, explorou-se uma variante de reparo com reaquecimento por TIG, com o uso de uma primeira camada de amanteigamento com material de adição autenítico (E 309), em cima do qual foram efetuados três passes TIG com energias gradativamente menores. A redução da dureza máxima na ZTA para o nível de 360 HV e a tenacidade ao impacto da junta soldada são promissores quando confrontados com dados da literatura sobre a aplicação da técnica da dupla-camada para esse aço.

Palavras-chave: aços inoxidáveis martensíticos; soldagem de reparo; soldagem sem tratamento térmico posterior.

Tests were done in “soft” martensitic stainless steel CA-6NM, in order to specify welding procedures by the double-layer technique, that avoids the need of postweld heat treatment frequently recommended to meet original base metal toughness. Bead on plate welds made on base metal quenched plate revealed that the tempering effect imposed by a subsequent pass occurs over a narrow band of HAZ, due to the low Ac1 temperature of that material. When welding with a similar consumable (E 410NiMo) the weld metal showed hardness values (450 VHN) in excess of that of the base metal HAZ. Accordingly, an alternative technique was explored, which involves a buttering layer with an austenitic material (E 309) followed by three TIG reheating passes, applied with gradually decreasing energies. The observed reduction in the HAZ maximal hardness to 360 VHN and the level of weld joint toughness are encouraging when compared to reported data on the application of the double-layer technique to this kind of steel.

Keywords: martensitic stainless steels; repair welding; welding without PWHT.

(1) Físico, pesquisador do LAC-COPEL/ Paraná. Aluno de mestrado do CPGEM- UFSC. (2) M. Sc. Eng. Mecânica, professor do EMC-UFSC. Campus universitário- Trindade. Labsolda/EMC.

Florianópolis- SC. CEP 88040-900. Fone 048-2319471, fax 2346516. E-mail: cenino@emc.ufsc.br. (3) Dr. Ing. Mecânico, professor titular do EMC-UFSC. E-mail: buschi@emc.ufsc.br.

(4) Engo do CETEQ/RLAM-PETROBRÁS. Rod. BA-523 km 4, Mataripe-BA.

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Fortaleza - CE De 20 a 23 de Setembro de 1998

1– INTRODUÇÃO

Um número significativo de rotores de turbinas hidráulicas e componentes da indústria química e petroquímica vem sendo fabricado com aços inoxidáveis martensíticos “macios” (AIMM) contendo 1-13% Cr e 1-6% Ni. Tais aços, além de possuírem uma tensão de escoamento cerca de duas vezes superior aos convencionais aços C-Mn e melhor soldabilidade se comparados aos tradicionais aços inoxidáveis martensíticos com 12% Cr e 0-1% Ni, oferecem uma maior resistência à erosão por cavitação, o que os torna economicamente viáveis para uso em rotores de turbinas com até 100 ton [1].

Dentro desta categoria de aços a mais conhecida é a liga fundida CA-6NM, classificada conforme a norma ASTM A743-93, que contém 13% Cr , 4% Ni e C máximo de 0,06%. Quando de sua soldagem com eletrodos similares são recomendados tratamentos térmicos na faixa de 550 a 650°C, a fim de se obter no metal de solda e ZTA propriedades próximas às do metal base.

O uso de metais de solda da classe austenítica não é recomendado em componentes estruturais, devido à sua baixa tensão de escoamento comparada aos da classe martensítica. No entanto, suas propriedades mecânicas não inviabilizam o seu uso na reconstrução de superfícies erodidas por cavitação em rotores de turbinas hidráulicas.

Neste trabalho são avaliadas técnicas alternativas de soldagem que permitam eliminar a necessidade de tratamentos térmicos posteriores à soldagem (TTPS), atendendo satisfatoriamente as exigências relacionadas ao uso dos AIMM do tipo CA-6NM.

2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1- Aços inoxidáveis martensíticos macios AIMM Um dos problemas enfrentado quando da utilização dos aços inoxidáveis martensíticos convencionais- essencialmente ligas Fe-Cr-C com teores de 1.5-18% Cr e 0.1-1.2% C- é a baixa soldabilidade, particularmente sua susceptibilidade a trincas a frio no metal de solda ou na ZTA. Os AIMM surgiram no mercado no final da década de 50 atendendo à necessidade de reduzir a dureza e conseqüentemente aumentar a tenacidade em tais regiões pelo abaixamento do teor de carbono. Entretanto, a redução do teor de carbono em aços contendo 13% de Cr resulta na contração do campo austenítico, o que exige a adição de elementos austenitizantes como o níquel, a fim de manter a capacidade de obtenção de uma estrutura totalmente martensítica isenta de ferrita delta.

No final dos anos 80 a família dos aços inoxidáveis martensíticos macios era constituída por ligas contendo um teor máximo de 0.08% C, 12-17% Cr, 3.5-6% Ni e até 2.5% Mo [2].

Apesar do seu baixo teor de C, os aços AIMM possuem pouca tenacidade na condição temperada (inferior a 35 J) de modo que, na maioria das vezes, necessitam tratamento de revenido a fim de se obter a tenacidade e resistência mecânica requeridas (figura 1). A melhor tenacidade é conseguida mediante o revenido a cerca de 600 ºC, graças à formação de uma austenita estável, finamente distribuída, que não se transforma em martensita no resfriamento. Essa austenita só é detectável por microscopia eletrônica [3], difratometria de raio-X [4,5] ou efeito Mössbauer [6].

2.2- Soldabilidade dos aços inoxidáveis martensíticos macios A formação de uma martensita de baixo carbono “macia e tenaz”- tanto no metal de solda como na ZTA-, a baixa quantidade de ferrita delta (o que reduz o risco de crescimento de grão) e, ainda, o fato de apresentarem uma menor tendência à fissuração provocada pelo hidrogênio (devido à presença de austenita residual), são os principais fatores que proporcionam uma melhor soldabilidade a tais aços [3, 4, 5, 7].

A fim de garantir a qualidade da solda, são recomendados os seguintes procedimentos:

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· Soldar com eletrodo similar, contendo no máximo 0.040 % C, aproximadamente 12% Cr e 4-6% Ni, com a finalidade de obter ao redor de 5% de ferrita delta no metal de solda e evitar dureza elevada.

• Eletrodos revestidos e fluxos devem ser previamente secados, no mínimo a 300°C por duas horas, para manter o hidrogênio difusível abaixo de 3 ppm e evitar a fragilização [4].

• Efetuar a soldagem abaixo da temperatura Ms, com uma temperatura interpasse entre 100 a 150 °C. Desta forma, a estrutura de cada cordão de solda após ser transformada de austenita em martensita, pode ser revenida pelos passes subseqüentes [7].

• Para obtenção de altos valores de resistência ao impacto, tenacidade à fratura e resistência à fadiga, faz-se necessário a realização de tratamento térmico posterior à soldagem, como revenido ou têmpera e revenido [7, 8]. Soldas efetuadas com eletrodo revestido similar [7] apresentaram valores de resistência ao impacto (a temperatura ambiente) entre 30 e 40 J na condição como soldada. Destaca-se, por outra parte, a excelente resistência ao impacto de 110 J obtida por Bilmes et al [6] em metal depositado pelo processo MIG com arame 13Cr-4Ni contendo apenas 0.018% C

2.3 - Técnicas de reparo sem tratamento térmico pós-soldagem (TTPS).

Com as técnicas de reparo sem TTPS pretende-se, através da utilização de procedimentos estritamente controlados, aproveitar o calor gerado em cada passe de soldagem para alcançar na microestrutura da ZTA do metal de base, requisitos mínimos de tenacidade e de dureza máxima, que garantam a integridade do componente reparado, em particular sua resistência à fratura frágil e à corrosão sob tensão. A técnica da dupla-camada foi inicialmente desenvolvida nos anos 60 para evitar as trincas de reaquecimento na ZTA que ocorriam quando da execução de TTPS em aços Cr- Mo-V. Esta técnica utiliza um método controlado de deposição, de modo que a segunda camada promova o refino e a redução de dureza da ZTA gerada pela primeira camada de solda. A sua eficácia depende da correta relação de energias entre os vários passes de solda e, ainda mais, das condições de soldagem determinadas para os materiais de base e de adição específicos [9].

Os efeitos produzidos na ZTA da primeira camada pelo calor da camada seguinte são ilustrados na figura 2. Normalmente considera-se para os aços ferríticos que numa faixa abaixo da isoterma Ac1 ocorrerá revenido, entre as isotermas Ac1 e Ac3 refino parcial e revenido, entre Ac3 e aproximadamente 10 ºC refino e acima de 10 ºC crescimento de grão e retêmpera. Os parâmetros mais importantes para conseguir o refino e revenido são a altura média do reforço da primeira camada (R1), a profundidade da região de grãos grosseiros da primeira camada (P1), e a penetração das isotermas (Ac3, Ac1) da segunda camada de solda. Esses valores e sua relação com as condições de soldagem são estimados a partir de medidas realizadas em depósitos simples representativos de cada camada [9]. Conforme pode-se extrair do pseudo-binário da figura 3, aplicável para o aço CA-6NM, para a relação Cr:Ni= 13:4 as temperaturas Ac3 e Ac1 são relativamente baixas, 720 e 630 ºC respectivamente, dificultando sobremaneira a aplicação da técnica da dupla-camada para esse tipo de material, como veremos a seguir.

3- MATERIAIS E MÉTODOS

Para os ensaios foram usadas placas medindo 200x100x30 m, cortadas a partir de tarugos de aço CA-6NM (fundidos em conjunto com rotores para turbinas hidráulicas) com composição química e propriedades mecânicas dadas nas tabelas 1 e 2, respectivamente. Esse material mostrou tenacidade ao impacto a 20 ºC de 119 J.

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Nas soldagens foram utilizados eletrodos revestidos, de materiais similares e dissimilares ao material base, cujas composições químicas encontram-se na tabela 3.

3.1- Teste de Higuchi [10]

Este teste consiste em depositar sobre chapa do metal de base previamente temperada (e não revenida) cordões de solda com diferentes níveis de energia, o que permite avaliar a extensão das zonas revenidas e re-temperadas pelo calor da soldagem. No presente estudo este teste foi realizado com 6 níveis de energia, entre 5 e 25 kJ/cm, usando eletrodos AWS E 410NiMo e AWS E NiCrFe-2.

A extensão das subregiões da ZTA foi avaliada por metalografia e microdureza Vickers com carga de 100 g. A extensão da zona revenida, parcialmente identificável no exame metalográfico, foi considerada como sendo aquela em que os valores de dureza ficaram abaixo de 340 HV.

3.2 - Avaliação das dimensões da camada e da ZTA. Para tal foi efetuada a deposição de uma camada de solda com energia de 5 kJ/cm

(I= 70 A, U= 24 V, Vs= 2.5 cm/min, fe = 2.5 m), utilizando eletrodo dissimilar sobre placa em condições similares às de uso ( temperada e revenida a 600 °C/2h). Na seção transversal à camada foram determinados o reforço e penetração e a profundidade da ZTA, através de microscopia estereoscópica com dez aumentos.

3.3 - Levantamento das condições para revenido com TIG.

Em vista de grande parte da ZTA apresentar elevada dureza, a faixa revenida pelo calor de soldagem ser estreita e o metal de solda obtido com eletrodo similar possuir elevada dureza (item 4.1), explorou-se realizar o reparo usando camada de amanteigamento com eletrodo austenítico, a seguir reaquecida com três passes TIG com energias decrescentes, a fim de promover o revenido da ZTA do metal de base.

Vários eletrodos austeníticos foram ensaiados. A camada depositada com AWS

ENiCrFe2 ao ser reaquecida com TIG, já nos primeiros passes gerou trincas a quente no sentido longitudinal e no meio dos cordões. Outras opções testadas com melhores resultados, em sua ordem foram: E309L e E309Mo (livres de trincas), ENiCrMo3 e ENiCrFe3 (trincas localizadas nas crateras dos passes TIG). Face a esses resultados optouse por trabalhar com o eletrodo E309L.

Para aplicar de forma eficaz o reaquecimento foi necessário antes verificar, mediante medidas de dureza, a profundidade das isotermas produzidas por passes TIG com diferentes energias sobre a chapa de aço CA-6NM.

3.4- Verificação do efeito de revenido com aquecimento por TIG

Sobre uma camada depositada com eletrodo E 309-L15 usando energia de 5 kJ/cm foi feito o reaquecimento com passes TIG de energias decrescentes (12.3, 10.3 e 8.7 kJ/cm), calculadas de acordo com os resultados dos itens 3.2 e 3.3, visando que as faixas revenidas ficassem distribuídas ao longo da ZTA. O efeito de revenido produzido sobre a ZTA do metal de base foi avaliado através de medidas de microdureza.

3.5 - Simulação de reparo para avaliação da tenacidade. A fim de avaliar e comparar a tenacidade da ZTA, nas condições antes e após reaquecimento com TIG, foi soldada uma junta em semi-V com ângulo de 45°, para retirar corpos de prova Charpy com entalhe totalmente localizado na ZTA junto à linha de fusão.

Antes de posicionar as chapas na junta, foi depositada sobre o bordo reto de uma delas uma camada de amanteigamento com eletrodo E 309L-15, com as condições de soldagem descritas no item 3.2. A seguir foi realizado o reaquecimento com TIG sobre metade da camada, permanecendo inalterada a outra metade a fim de comparar a tenacidade entre as regiões como soldada e reaquecida por TIG. Posteriormente foram depositadas duas camadas com eletrodo usando baixas energias, com o intuito de evitar a re-austenitização da ZTA no metal de base.

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