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INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE SOLDAGEM NA TENACIDADE A FRATURA DE UM AÇO MICROLIGADO APLICADO EM ESTRUTURA OFF-SHORE

LIMA, C. A. S (1); GUIMARÃES, V.A. (2)

Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333 – Bloco 1 DMT -CEP 12516-410

Guaratinguetá – SP – valdir @feg.unesp.br

Construtora Andrade Gutierrez S/A (2) UNESP – Campus de Guaratinguetá



RESUMO

Os aços TMCP (Thermo-Mechanical Controlled Processing) podem ser consideradrdos uma nova classe de aços que são produzidos utilizando-se as técnicas de laminação controlada visando a obtenção de boa resistência mecânica e tenacidade. Na presente pesquisa foi realizada a soldagem de um aço API 2W 50, fabricado com a tecnologia TMCP, com o processo de soldagem SAW-Tandem, utilizando elevada energia de soldagem (4,0 kJ/mm) com a finalidade de aumento de produtividade. Após a soldagem parte das amostras foram submetidas a um tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT). Os resultados obtidos demonstraram que a elevada energia de soldagem associada ao TTAT não promoveram variações significativas na microestrutura na tenacidade a fratura (CTOD) possibilitando o aumento de produtividade na soldagem do material.
Palavras-chave: Aços TMCP, Soldagem SAW, Tenacidade a Fratura
INTRODUÇÃO 

Até a década de 80 os aços utilizados na construção de plataformas off-shore eram os aços normalizados. No entanto, devido ao maior rigor dos requisitos de projeto, principalmente na tenacidade à fratura, foram desenvolvidos os aços TMCP (Thermo-Mechanical Controlled Processing). Estes aços são produzidos utilizando-se as técnicas de laminação controlada e resfriamento acelerado para se obter boa resistência mecânica e tenacidade, sem a adição de elementos de liga. Alguns elementos de liga podem promover a formação de precipitados frágeis na ZTA devido às taxas de resfriamento relacionadas à soldagem multipasses. O aumento na produtividade na soldagem, por intermédio do aumento da energia da soldagem, também foi possível devido ao processamento TMCP. A energia de soldagem comumente utilizada no processo Arco Submerso (SAW) para aços convencionais normalizados é de 2,5 a 3,0 kJ/mm. Neste trabalho experimental utilizou-se um aço TMCP soldado com o processo SAW com energia de soldagem de 4,0 KJ/mm, visando-se o aumento na produtividade.

Os aços produzidos pelo processo TMCP (Thermo-Mechanical Controlled Processing) podem ser considerados uma nova família de aços que apresentam soldabilidade melhor que os aços C - Mn convencionais de igual nível de resistência mecânica(1). O aço TMCP utilizado neste trabalho é o API 2W 50 e foi aplicado na construção da jaqueta da plataforma 1, da Petrobras, lançada ao mar em 31/12/06 na bacia petrolífera de Campos – RJ, como pode ser visualizado na figura 1

O objetivo desta pesquisa é analisar a influência do tratamento térmico de alívio de tensões após soldagem na tenacidade ao impacto e à fratura da ZTA (Zona Termicamente Afetada) por meio de soldagem multipasses de aços produzidos pelo processo TMCP (de granulação fina) soldados com elevada energia de soldagem (4,0 kJ/mm) visando-se aumento na produtividade do processo.


Figura 1.1: Sequência de lançamento ao mar da Jaqueta da plataforma off-shore PRA-1, com peso aproximado de 9.000 t e lâmina d´água de 90 m.



MATERIAIS E MÉTODOS
O material usado foi uma chapa de aço microligado, de 40 mm de espessura, especificação API 2W 50, produzida pelo processo TMCP pela siderúrgica Voest Alpine na Áustria. Os consumíveis utilizados foram o arame AWS 5.17 EM 12K ø 4,0 mm marca comercial BMAS122 e fluxo aglomerado neutro marca comercial Lincoln-860. A especificação da composição química da chapa-teste e do material de adição são apresentadas na tabela 1.
Tabela 1 - Composição química em porcentagem de peso dos principais elementos do aço API 2W50 e do material de adição.

MATERIAL

C%

Mn%

P%

S%

Si%

Ni%

V%

Nb%

Ti%

API 2W 50

0,066

1,36

0,005

0,0006

0,33

0,014

0,008

0,024

0,012

Metal solda

0,05

1,32

0,023

0,015

0,31

0,025

0,006

0,003

0,002

1.2 Procedimento de Soldagem


As chapas foram chanfradas conforme geometria e dimensões da figura 2, travadas e soldadas pelo processo Arco Submerso Tanden-2 arames (SAW-Tanden:Submerged Arc Welding), utilizando-se duas fontes Lincoln Power Wave AC/DC 1000 e cabeçote Lincoln Model TC-3, conforme figura 2.








Figura 2: Geometria e dimensões das chapas-teste (comprimento de 1000 mm).
O primeiro arco elétrico foi desenvolvido em corrente contínua, polaridade positiva, voltagem constante e o segundo arco elétrico em corrente alternada, onda senoidal, freqüência 60Hz. A energia de soldagem foi mantida em torno de 4,0 kJ/mm. As variáveis do procedimento de soldagem estão descritas na tabela 2.

Tabela 2: Variáveis do procedimento de soldagem.



Processo

Arco Submerso (Tanden - 2 arames)

Corrente

700 - 750 A (CC+) – Arame 1




600 - 650 A (AC 60 Hz) – Arame 2

Tensão

29 - 30 V

Velocidade

55 - 60 cm/min

Stickout (distância entre os contatos elétricos no arame e a chapa-teste)

25 - 30 mm

Temperatura de Pré-Aquecimento

150°C

Temperatura Interpasses

250°C

Energia Média de Soldagem

4,0 kJ/mm

Tratamento Térmico de Alívio de Tensões

O tratamento térmico foi realizado utilizando taxas de aquecimento e resfriamento de 200°C/h e tempo de permanência na temperatura de 590± 10°C por 4h. Este ciclo foi adotado em atendimento à norma AWS D1.1 (2) e à especificação API 2W (3).
CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E MICROESTRUTURAL
As juntas soldadas foram preparadas para a análise metalografica dentro do procedimento convencional. Os ensaios mecânicos de tração, dureza, impacto do tipo charpy e mecânica da fratura do tipo CTOD foram realizados de acordo com as a normas da ASTM. Os entalhes dos corpos de prova apropriados para a realização do ensaio CTOD e Impacto do tipo charpy foram posicionados na zona térmicamente afetada. Os ensaios de mecânica da fratura do tipo CTOD foram realizados a uma temperatura de -20 °C. Os corpos de prova pré-trincados foram acondicionados em uma câmara climática refrigerada com solução de álcool e CO2.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A figura 3 apresenta o resultado da análise metalográfica realizada na junta soldada onde pode-se visualizar a morfologia do cordão obtida pela soldagem multipasses. As juntas soldadas apresentaram boa profundidade de penetração sem defeitos macroscópicos nos cordões como trincas, porosidades ou falta de fusão.

Figura 3: Secção transversal da junta soldada para análise metalográfica


A figura 4 apresenta os valores de microdureza HV0,2 obtidos no metal base e na ZTA nas condições (CS) e (TT). Pode-se verificar pequena influência nos valores de microdureza obtidos nas diversas regiões estudadas. No entanto verificou-se uma menor dispersão dos resultados medidos pelo desvio padrão das amostras submetidas ao tratamento térmico de alívio de tensões.

Figura 4: Valores de microdureza do metal base e ZTA. condições (CS) e (TT).


A figura 5 apresenta as curvas de variação das energias do ensaio de impacto Charpy-V com a temperatura para a ZTA, nas condições (CS) e (TT). Observa-se que a elevada energia de soldagem (4,0 kJ/mm) não produziu efeitos significativos na tenacidade da ZTA. As causas deste fenômeno estão relacionadas ao ciclo térmico e à técnica de soldagem multipasses. Os passes subseqüentes reaquecem, e normalizam ou revinem os passes anteriores e também a ZTA promovendo desta forma o refino de grão. Resultados semelhantes foram obtidos por Kubo et al.(4) e Gianetto et al.(5) para aços TMCP de composição química, Ceq, propriedades mecânicas e microestruturas similares, soldado com energia de soldagem similar.

Figura 5: Curvas de variação das energias de impacto-Charpy-V x Temperatura para a ZTA nas condições (CS) e (TT).


É importante notar que as elevadas energias obtidas no ensaio de impacto podem ser atribuídas à microestrutura ferrítica perlítica de granulação fina e à ausência de fases e precipitados duros e frágeis. A introdução de partículas de segunda fase, como carbonetos, nitretos, carbonitretos, e óxido estáveis (principalmente de titânio e terras raras) restringem ou retardam o crescimento do grão austenítico, o que leva à formação de produtos de transformação de granulação fina e funcionam como sitios de nucleação para a ferrita acicular na ZTAGG conforme Shiga (6).

Pela análise da tabela 3 pode-se constatar uma diferença significativa entre as tenacidades nas condições (CS) e (TT); a média dos resultados foi de 0,16 mm na condição (CS) enquanto que na condição (TT) foi de 1,08 mm. A chapa-teste, de 40 mm de espessura, foi soldada travada na bancada de testes, numa condição de elevado nível de restrição à deformação, o que elevou significativamente o nível de tensões residuais decorrentes da soldagem. Analisando o resultado do ensaio de microdureza observa-se que não ocorreram variações significativas entre o metal base e a ZTA, em ambas as condições (CS) e (TT). No entanto, a diferença de tenacidade verificada pelo ensaio CTOD da condição (CS) para a condição (TT) é muito significativa.


Tabela 3 – Resultados do ensaio de CTOD para a ZTA na temperatura de -20ºC, nas condições (CS) e (TT).




σe (MPa)

CTOD (mm)

Média (mm)

Desvio Padrão

ZTA (CS

406

0,16

0,08

ZTA (TT)

407

1,08

1,06


CONCLUSÕES
Os resultados das análises microestruturais e dos ensaios de microdureza, Charpy-V e CTOD constatam que a elevada energia de soldagem de 4,0 kJ/mm, na soldagem multipasses, não afetou significativamente a microdureza e as tenacidades ao impacto e à fratura na ZTA, em ambas as condições (CS) e (TT). Os reduzidos resultados de tenacidade a fratura na ZTA na amostra como soldada quando comparado com a amostra tratada térmicamente demonstra que o tratamento térmico de alívio de tensões apresentou contribuição significativa na melhora da tenacidade a fratura. No entanto devido a pequena extensão da ZTA a baixa tenacidade da amostra como soldada pode ser atribuída à presença de algum volume de metal de solda, de baixa tenacidade, ao longo da pré-trinca de fadiga. Os resultados do trabalho demonstraram a viabilidade de utilizar elevada energia de soldagem no aço em estudo propiciando significativo aumento na produtividade do processo.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Fundunesp pelo auxílio.
REFERÊNCIAS
1. HOSKINS, S. J., The weldability of TMCP microalloyed structural steel, Tese (mestrado), University of Alberta, Canadá, 2002

2. AWS D1.1, Structural Welding Code-Steel, 17th Edition, 2004.

3. API 2W, Specification for Steel Plates for Offshore Structures, Produced by Thermo-Mechanical Control Processing (TMCP), 1999.

4. KUBO, T. et al., A 100mm thick API 2W GR. 60 steel plate produced by TMCP and its…, Materials Engineering ASME, v. III, p. 307-314, 1994.

5. GIANETTO, J. A. et al., HAZ toughness of a TMCP steel designed…, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, v. 119, p. 138-144, 1997.

6. SHIGA, C., Application of TMCP to high strength steels with excellent weld properties, Doc. IIW-1446, 1994.



INFLUENCE OF POST WELD HEAT TREATMENT IN TOUGHNESS OF THE HEAT AFFECTED ZONE OF A TMCP MICROALLOYED STEEL APPLICATED IN OFFSHORE STRUCTURES.

ABSTRACT

It was done the welding of the samples of a steel API 2W 50, manufactured by TMCP process, without accelerated cooling, with SAW-Tanden process, with high heat input (4,0 kJ/mm), with goal to increase the productivity, and applied a PWHT. The results showed that the PWHT and the high heat input didn´t promove significative changes in the microestructure, in the microhardness (HV0,2) and in the impact (Charpy-V) and fracture toughness (CTOD). Furthermore, the results of the CTOD in HAZ were low due to the fact the crack tip wasn´t localized fully in HAZ; a considerable volume of the weld metal, of the low toughness, was reveled in the extension of the crack. The characteristics of the thermomechanical cicle of TMCP process (strengthening by grain refinemment and by increasing in dislocations density) were the causes determinants to getting the good results of toughness in base metal and HAZ, in conditions of the high heat input and PWHT.


Key-words: TMCP Steel, Welding SAW, Fracture Toughness



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