Fig. 1 – Junta confeccionada pelo processo convencional de soldagem com incidência de feixe de elétrons numa chapa com 25 mm de espessura feita com aço GX2CrNiMoN22-5-3 (1.4470), com fração aproximada de 97% de ferrita no metal de soldagem (determinado por análise de imagens).

 

Os aços duplex se caracterizam por apresentar microestrutura constituída por duas fases, austenita e ferrita, estabelecendo uma combinação entre as propriedades de aços inoxidáveis ferríticos ao cromo e austeníticos ao cromo-níquel. Os aços duplex com boa soldabilidade são constituídos de, aproximadamente, 40 a 45% (máximo de 60%) de ferrita, sendo o restante austenita. A relação entre ferrita e austenita depende da sua composição química e do seu tratamento térmico (1). Esses aços são frequentemente emprega dos na fabricação de componentes com paredes espessas. Portanto, do ponto de vista econômico é vantajoso fabricar componentes por soldagem por feixe de elétrons, uma vez que, em função do seu aporte de

energia extremamente concentrado, é possível obter altas velocidades de soldagem pela aplicação de um único passe. Contudo, um problema crítico na soldagem de aços duplex é a ferritização do metal de soldagem (figura 1, pág. 26), que afeta a sua resistência ao impacto e à corrosão química (2). As causas desse problema são as altas velocidades de resfriamento decorrentes do processo e a efusão de nitrogênio a partir da poça de fusão. A ferritização pode ser evitada pela adição de elementos formadores da austenita como, por exemplo, níquel, ou por tratamento térmico posterior. Entretanto, é mais econômico efetuar a soldagem por feixe de elétrons sem o uso de materiais de adição e aplicando a técnica de múltiplas poças de fusão.

Materiais usados nos experimentos

Na soldagem de aços duplex sem o uso de materiais de adição ou execução de tratamento térmico posterior, a relação entre austenita e ferrita no metal de soldagem depende tanto da composição química do metal-base como do tempo de resfriamento t12/8 (ou seja, tempo de resfriamento do cordão entre 1.200°C e 800°C). Para estudar a influência do metal-base, foram elaboradas ligas experimentais com diferentes valores da razão entre os seus elementos formadores de austenita e ferrita (tabela 1). Essa razão foi definida pelo quociente dos parâmetros de cromo equivalente e níquel equivalente (CrEq/NiEq). No cromo equivalente são ponderados os elementos de liga formadores de ferrita, enquanto o níquel equivalente reúne os elementos formadores de austenita. Portanto, altos valores da relação CrEq /NiEq indicam a presença de baixos teores de elementos de liga formadores de austenita ou uma alta tendência de ferritização durante a solidificação (3). Os materiais 1.4362 e 1.4392, designados como “aços duplex enxutos”, apresentam baixos teores de elementos de liga níquel e molibdênio em relação aos “aços duplex convencionais”, como os materiais 1.4462 e 1.4470. É necessário mencionar que o conceito de “enxuto” não especifica nenhuma composição química definida. Laut (8) classificou como “enxuto” um aço duplex quase isento de molibdênio e com teor de níquel abaixo de 3%, enquanto fabricantes e processado res assim designam todos os aços duplex que apresentam teores de níquel e molibdênio menores que os correspondentes ao aço duplex convencional 1.4462 (9,10).

Desenvolvimento do processo

A soldagem por feixe de elétrons com múltiplas poças de fusão se caracteriza por apresentar desvios do feixe bidimensional de elétrons sob alta frequência e quase sem inércia, os quais formam múltiplas poças de fusão simultâneas. Assim, um feixe de elétrons com potência constante oscila entre coordenadas definidas sob uma frequência de deflexão muito alta, de forma que os capilares de vapor se mantêm e não entram em colapso durante a ausência do feixe. O princípio desse processo é mostrado na figura 2.

A ferrita primária que se solidifica no aço duplex sofre transformação microestrutural para austenita sob temperaturas entre 1.200°C e 800°C. Para obter o valor desejado da razão entre austenita e ferrita presentes na microestrutura é necessária uma permanência nessa faixa de temperaturas. No caso de componentes com paredes espessas, com alta condutividade térmica e submetidos à soldagem com baixo aporte de calor, como é o caso do processo usando feixe de elétrons, surge o risco de formação de baixas frações de austenita, permanecendo a microestrutura predominantemente ferrítica. Na soldagem com feixe de elétrons de componentes com paredes espessas, feitos com aço

Fig. 2 – Princípio do processo de soldagem por feixe de elétrons com múltiplas poças de fusão (P1 a P3, distribuição de potência nas poças de fusão: “a”, distância entre as poças de fusão; v , velocidade de soldagem; e “n”, número de poças de fusão).

 

duplex, pode ser prolongado o tempo de resfriamento t12/ 8 pela geração sequencial de múltiplas poças de fusão e obtida menor fração de ferrita na microestrutura. Contudo, as múltiplas fusões do metal de soldagem assim obtidas provocam efusões crescentes de nitrogênio, o que pode promover novo aumento da fração de ferrita na microestrutura. Portanto, para que a soldagem por feixe de elétrons com múltiplas poças de fusão seja bem-sucedida é necessário correlacionar o número de poças de fusão, o tempo de resfriamento t12/8 , o teor de nitrogênio e a fração de ferrita no metal de soldagem, cujo procedimento encontra-se descrito na literatura (4-6).

Este processo foi estabelecido a partir dos conhecimentos adquiridos por meio de pesquisas preliminares mencionadas, em que foi estudado o material 1.4462. Esse método de soldagem foi definido apenas de forma geral, tendo sido proposto o uso de três pequenas poças de fusão (pontos) móveis e uma poça de fusão final mais larga (figura 3). A quarta poça de fusão prolonga o tempo de resfriamento e limita a efusão de nitrogênio, em razão do menor período de tempo em que o metal-base rico em nitrogênio permanece no estado fundido.

Confecção e caracterização das juntas soldadas

A técnica de múltiplas poças de fusão desenvolvida foi aplicada na confecção de juntas soldadas de topo entre duas chapas, em forma de “I”. Seus parâmetros de processo são apresentados na tabela 2. Uma vez que as variantes de metal-base estudadas possuíam diversos valores de cromo e níquel equivalentes, bem como diferentes teores de nitrogênio,

Fig. 3 – Parâmetros de soldagem do processo com múltiplas poças de fusão tratado neste trabalho (UA, alta tensão; I B, intensidade de corrente do feixe; vS, velocidade de soldagem; “A”, distância focal; X-Amp., amplitude da deflexão do feixe na direção de soldagem; Y-Amp., amplitude da deflexão do feixe na direção transversal à de soldagem; e fB, frequência de deflexão).

 

foram necessários diferentes valores de tempo de resfriamento t12/8 para obter frações admissíveis de ferrita na microestrutura. Dessa forma, ambas as ligas ricas em nitrogênio fundidas, G1.4392 e G1.4 470, foram soldadas sem pré-aquecimento, enquanto ambas as ligas laminadas, 1.4362 e 1.4462, foram aquecidas a 250°C antes da soldagem. O pré-aquecimento local foi feito com um feixe de elétrons desfocado, o qual se deslocava para frente e para trás ao longo da junta. A temperatura de pré-aquecimento foi registrada em linha usando dois termopares, os quais estavam posicionados a igual distância a partir da junta, na face inferior de ambas as chapas, tendo sido aplicados por soldagem a ponto. Todas as chapas usadas nos ensaios foram previamente desmagnetizadas e limpas com acetona. As bordas da junta foram submetidas a fresamento plano, de forma a garantir uma folga nula regular ao longo delas, tendo sido fixadas em morsa para manter o alinhamento entre as bordas.

O estudo das juntas soldadas requereu exame visual, análise metalográfica e ensaios de tração e resistência a impacto, bem como de corrosão. A fração de ferrita no metal de soldagem foi determinada a partir da análise de imagens da junta soldada por feixe de elétrons, tendo sido feitas de dez a quinze medições.

A figura 4 (pág. 30) reproduz a macro e microestruturas da junta em forma de “I”, incluindo dados sobre a fração de ferrita nelas presente. Houve penetração plena da soldagem em todos os corpos de prova, mas com a presença de acentuados defeitos na face superior da junta em razão da posição de soldagem. Para obter juntas com boa qualidade superficial ao utilizar a soldagem por feixe de elétrons em componentes com paredes espessas é necessário que esse processo ocorra na posição “PC”. As análises metalográficas mostraram que apenas o aço duplex fundido enxuto G1.4392 (com teor de nitrogênio igual a 0,34%) processado por soldagem por feixe de elétrons apresentou valor aceitável de fração de ferrita, na faixa entre 47% a 59%. Por outro lado, o aço duplex fundido convencional G1.4470, que igualmente tinha altos teores de nitrogênio no metal-base, da ordem de 0,28%, apresentou fração de ferrita entre 66% e 76%. Uma razão para esse fato é a distribuição não-homogênea do nitrogênio no metal-base das ligas fundidas. As frações máximas de ferrita, em torno de 80%, foram obtidas nos cordões de solda de ambas as ligas laminadas. Aços duplex com altos teores de elementos formadores de austenita ou de nitrogênio requerem tempos de resfriamento significativamente menores para obter uma relação aceitável entre austenita e ferrita, como a obtida para a liga G1.4392 sem pré-aquecimento.

Os resultados dos ensaios de resistência ao impacto, os quais foram feitos de acordo com a norma técnica DIN EN 10045-1, são mostrados na figura 5 (pág. 31). A avaliação desses resultados foi feita a partir de especificações para a fabricação de tubos com grande diâmetro para a indústria de óleo e gás (11, 12) . Elas postulam que o valor médio de energia absorvida durante o ensaio de impacto efetuado sob temperatura de -40°C deve ser igual a 35 J. Os materiais experimentais 1.4462, G1.4470 e 1.4362 atenderam a esses requisitos. Com exceção do aço duplex laminado convencional 1.4 462, todas as juntas soldadas apresentaram menores valores médios de energia absorvida no ensaio de impacto em comparação com o metal-base

Fig. 4 – Macro e microestruturas da junta soldada em forma de “I” com dados médios, mínimos e máximos de fração de ferrita.

equivalente. O metal de soldagem da liga 1.4462 apresentou máximos valores de energia absorvida no ensaio de impacto para toda a série experimental, apesar de ter apresentado microestrutura com altas frações de ferrita, entre 76% e 82%. Contudo, foi constatada uma dispersão ligeiramente maior nos valores isolados obtidos. A superfície de fratura mostrou uma clara morfologia dúctil. Ao contrário do que era previsto, os valores mínimos de energia absorvida sob impacto foram observados na junta soldada da liga 1.4392, a qual se caracterizou por uma relação balanceada entre austenita e ferrita. Elas apresentaram energia absorvida durante o ensaio de impacto igual a 31 J para frações de ferrita variando entre 47% e 59%. As superfícies de fratura dos corpos de prova desse ensaio apresentaram nítido caráter frágil. Contudo, o metal-base apresentou baixos valores de energia absorvida durante o ensaio de impacto, igual a 51 J. Ambas as juntas soldadas das ligas G1.4470 e 1.4362 obtiveram valores médios aceitáveis de energia absorvida no ensaio de impacto, de aproximadamente 120 J. As superfícies de fratura dos corpos de prova após o ensaio de impacto, na região do metal de soldagem de ambos os materiais, se caracterizaram por apresentar fratura com caráter misto.

Os ensaios de resistência ao impacto Charpy, adequados para o estudo da tenacidade de juntas confeccionadas por soldagem a arco, não apresentaram resultados significativos nesta investigação.

Fig. 5 – Resistência ao impacto do metal-base (ensaio Charpy V) e dos cordões em forma de “I” confeccionados (ensaio Charpy VWT).

Isto se deve ao fato de as características das juntas confeccionadas por soldagem por feixe de elétrons serem significativamente diferentes das observadas nas juntas soldadas pelos processos a arco. Isso decorre sobretudo do tamanho muito menor do cordão de solda e da zona termicamente afetada com dureza consideravelmente maior, os quais dificultam a determinação dos parâmetros mecânicos e tecnológicos locais. Neste caso, deve ser mencionada a ocorrência de um desvio da trinca que se originou desde a junta de soldagem rumo ao metal-base durante o ensaio de resistência ao impacto. As juntas soldadas estudadas neste trabalho apresentaram largura do cordão igual a 4 mm, um valor relativamente grande para a soldagem por feixe de elétrons. Foram selecionados corpos de prova para ensaio de impacto rompidos para um estudo adicional, os quais foram cortados transversalmente, polidos e atacados no local em que ocorreram as trincas. Foi constatado que a trinca sempre se localizou no metal de soldagem, tendo sido observado nos corpos de prova um desvio da fratura em sua periferia. O corpo

 

Fig. 6 – Corpo de prova selecionado após ensaio de impacto (à esquerda) e sua seção transversal (à direita).

de prova extraído da junta soldada do material 1.4462 pode ser visto na figura 6, no qual a trinca se propagou através do metal de soldagem puro em seu interior (à direita) e parcialmente através da linha de fusão em sua periferia (à esquerda). Neste caso, os valores medidos de energia absorvida durante o ensaio de resistência ao impacto foram pouco influenciados pelo metal-base.

Os resultados dos ensaios de tração são mostrados na tabela 3. Os corpos de prova das juntas das ligas 1.4462, G1.4470 e G1.4392 apresentaram fratura no metal-base. Dessa forma, as juntas soldadas apresentaram valores de limite de escoamento (Rp0,2) e de resistência (Rm) comparáveis aos do metal-base, cujos dados foram obtidos junto aos fabricantes do material. Consequentemente, eles atenderam aos requisitos postulados pelas normas técnicas DIN EM 10088-2 e DIN EN 10283. Isto também foi constatado nas juntas soldadas das ligas 1.4362, embora nelas a fratura tenha ocorrido no metal de soldagem. Os valores para o alongamento total (A50 ) foram claramente menores para todos os materiais testados em razão da presença do cordão de solda confeccionado por feixe de elétrons.

A resistência à corrosão das juntas soldadas foi observada pela análise de ruído eletroquímico (7). Os resultados obtidos são mostrados na figura 7. Os aços duplex convencionais, laminados e fundidos, processados por soldagem por feixe de elétrons, apresentaram, em comparação com o metal-base, um valor apenas ligeiramente menor de temperatura crítica para corrosão por pites, o que foi considerado um resultado muito bom. No caso do metal de soldagem de ambos os aços duplex enxutos a diferença foi um pouco maior, particularmente no caso da liga fundida 1.4392, cujos desvios medidos foram atribuídos à distribuição não-homogênea do nitrogênio no metal-base ou no metal de soldagem.

Fig. 7 – Temperatura crítica para a corrosão por pites das juntas em forma de “I” confeccionadas (MB, metal base; e MS, metal de soldagem).

Conclusões

Este trabalho sobre juntas de chapas de aços duplex em forma de “I”, soldadas por feixe de elétrons, mostrou que, por meio de uma técnica otimizada envolvendo o uso de múltiplas poças de fusão, puderam ser observadas nelas boas propriedades mecânicas e tecnológicas, bem como boa resistência à corrosão, mesmo com a presença de altas frações de ferrita na microestrutura, da ordem de 80%. Deve ser mencionado que muitas especificações (11, 12) postulam que a fração máxima de ferrita na microestrutura deve ser igual a 65%, que foi obtida somente por soldagem por feixe de elétrons do aço duplex fundido enxuto 1.4392. Apesar do elevado valor de fração de ferrita decorrente da aplicação da técnica apresentada, voltada ao processamento dos materiais experimentais 1.4362, 1.4462 e 1.4470, as juntas soldadas apresentaram propriedades mecânicas e tecnológicas muito boas (determinadas a partir de ensaio de tração estática e de resistência ao impacto), bem como satisfatória resistência à corrosão por pites. No caso do material 1.4362 os valores obtidos foram ligeiramente menores, os quais resultam dos valores inferiores das propriedades que haviam sido determinadas no estado como fornecido.

Foram constatadas frações mais elevadas de ferrita nos outros três aços duplex. Os resultados das investigações permitem concluir que, ao empregar a técnica envolvendo múltiplas poças de fusão, se faz necessário exceder os requisitos especificados para o metal-base em termos dos teores de nitrogênio e níquel, elementos de liga formadores de austenita, para assegurar a obtenção dos valores máximos de fração de ferrita especificados conforme a norma técnica EN 10088. As propriedades mais importantes para as juntas soldadas de aços duplex são resistência mecânica, ao impacto e à corrosão, fatores que determinam diretamente a aplicabilidade de peças feitas com esses materiais. De acordo com a literatura especializada, pode-se esperar uma boa combinação dessas propriedades para uma fração de ferrita na microestrutura variando entre 65% e 70%. Esta investigação mostrou que pela aplicação da técnica aqui tratada é possível obter uma boa combinação das propriedades citadas, mesmo sob valores de fração de ferrita superiores aos recomendados. Uma vez que obter fração de ferrita abaixo de 65% é um requisito para a confecção de juntas soldadas de aço duplex, pode-se propor requisitos mais rígidos em termos dos teores de níquel e nitrogênio, de modo a garantir o atendimento às especificações que postulam um valor máximo de fração de ferrita na microestrutura. Nos casos em que a razão entre CrEq e NiEq for menor que 2,4, a técnica com múltiplas poças de fusão, associada a um pré-aquecimento a 250°C, pode ser empregada com sucesso para obter um cordão de solda com a fração necessária de ferrita na microestrutura. Sob menores valores dessa relação pode ser feito o pré-aquecimento sob menores temperaturas.

Não foi obtido um nível adequado de qualidade superficial na junta soldada. Mas a forte incidência de defeitos no cordão foi atribuída à utilização do equipamento de soldagem por feixe de elétrons na posição horizontal, quando somente poderia ter sido utilizado na posição “PA”. As irregularidades externas podem ser evitadas pela soldagem na posição “PC” ou por adequação adicional aos parâmetros de soldagem.

Agradecimentos

O projeto IGF 16.277B/DVS-Nummer 01.066, desenvolvido pela Associação de Pesquisa em Soldagem e Processos Aplicados da Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados (Foschungsvereinigung Schweiβen und verwandte Verfahren des Deutscher Verband für Schweiβen und verwandt Verfahren – D.V.S.), na Alemanha, foi apoiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, A.i.F.), por meio da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento (Industrielle Gemeinschaftsforschung, I.G.F.) do Ministério Federal Alemão para Economia e Tecnologia (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie – BWT) com base numa resolução do Parlamento Alemão.

Os autores agradecem pelo apoio concedido a este trabalho de pesquisa, inclusive às empresas BMA AG , sediada em Braunschweig; Klaus Kuhn Edelstahlgießerei, de Radevormwald; Schmidt-Clemens GmbH Co. KG, em Lindlar; H. Butting GmbH & Co. KG, em Knesebeck; e pro-beam Technologies GmbH, em Burg, todas situadas na Alemanha, bem como aos participantes do comitê de acompanhamento do projeto.

Referências

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