União dissimilar de aços inoxidáveis austenítico uns s31603 e superduplex uns s32750 pela técnica de soldagem por atrito com pino não-consumível



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UNIÃO DISSIMILAR DE AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICO UNS S31603 E SUPERDUPLEX UNS S32750 PELA TÉCNICA DE SOLDAGEM POR ATRITO COM PINO NÃO-CONSUMÍVEL


Theodoro, M. C.¹; Ferrinho, V. P.¹; Mei, P. R.²; Ramirez, A.J.¹

¹ Laboratório Nacional de Nanotecnologia, Campinas, SP, Brasil. maria.theodoro@lnnano.org.br

² Fac. Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP, Brasil.

Resumo
A fim de verificar a viabilidade de obter uniões dissimilares de aços inoxidáveis austenítico ABNT 316L e superduplex UNS S32750 através da técnica de Solda por Atrito com Pino Não-Consumível, foram feitas juntas em chapas de 6 mm de espessura, com ferramenta de PCBN WRe. Os parâmetros utilizados foram: frequência de rotação da ferramenta de 100- 300 rpm, velocidade de avanço de 100 mm.min-1. As juntas produzidas apresentaram boa aparência, adequada largura do cordão de solda, baixa rugosidade apesar de não apresentar penetração total. Foram preparadas amostras no sentido transversal ao sentido de soldagem e verificou-se que houve consolidação das juntas. No entanto, houve aquecimento da ferramenta próximo à temperatura limite (800 ºC) e o torque e as forças axiais envolvidos chegaram próximo ao limite suportado pelo equipamento (180 N.m e 70 kN respectivamente).
Palavras-Chave: Soldagem Por Atrito Com Pino Não-Consumível; Soldagem Dissimilar; Aço Inoxidável Duplex, Aço Inoxidável Austenítico.

1 – INTRODUÇÃO

O interesse da indústria química, petroquímica e de papel, em aços inoxidáveis austeníticos e duplex vem crescendo ao longo dos anos, em especial. Os aços inoxidáveis austeníticos são utilizados para trocadores de calor em refinarias e, normalmente, o fluido que passa por ele ainda é agressivo porque contém sulfatos e compostos orgânicos sulfurados, nitrogenados e oxigenados [1]. A corrosão reduz a vida útil e aumenta os custos de manutenção dos equipamentos e, para minimizá-los, é necessário utilizar materiais que, além de possuírem boa tenacidade e resistência para suportar as altas pressões em temperaturas acima da ambiente, devem ser resistentes à corrosão. Além dos aços austeníticos, são muito utilizados também os aços inoxidáveis duplex, caracterizados por proporções quase iguais das fases ferrita e austenita e por combinarem propriedades de ambas as fases. Embora sejam superiores em resistência mecânica e à corrosão relativamente aos aços austeníticos, possuem menor soldabilidade [2; 3]. Ainda assim, são bastante utilizados no transporte e processamento de matéria-prima e derivados do petróleo. A união desses dois aços pode gerar redução de custos de fabricação das unidades de destilação e de processamento de petróleo e de manutenção das mesmas [1].

A soldagem por atrito com pino não-consumível (SAPNC) permite a união de materiais no estado sólido. Traz como vantagens a redução de macro e micro defeitos, a ausência trincas e porosidade causada pela fusão e ressolidificação do material e excelentes propriedades mecânicas da junta soldada [4]. Além disso, o processo mantém o balanço das fases presentes no material, o que é benéfico para diversos tipos de ligas. Dessa forma, utilizando a técnica de SAPNC na união dissimilar dos aços inoxidáveis austenítico e duplex, é possível, além de produzir a união sem defeitos, gerar melhoria das propriedades [5].
1.1 Características do material após a soldagem


Figura 1 – Esquema da secção transversal da junta soldada por SAPNC, mostrando a zona misturada (ZM), a zona termomecanicamente afetada (ZTMA), a zona termicamente afetada (ZTA) e o metal de base (MB).
O material soldado pelo processo de SAPNC apresenta quatro regiões, diferenciadas pelo tipo de influência recebida na soldagem: a zona misturada (ZM), a zona termomecanicamente afetada (ZTMA), a zona termicamente afetada (ZTA) e o metal de base (MB). A ZM é a região pela qual passou o pino, de forma a misturar o material deformado. Geralmente, essa região apresenta tamanho de grão muito menor em comparação com as demais regiões. A ZTMA é a região externa à ZM, e se caracteriza por ter sofrido a deformação plástica causada pelo movimento de rotação do pino e mudanças microscópicas devido à temperatura provocada pelo atrito, mas não foi misturada. A ZTA é a parte que sofreu influência somente da temperatura provocada pelo atrito do pino e do ombro com o material. O MB é a região que possui as mesmas propriedades do material antes de ser soldado.

Essas regiões não têm perfil simétrico em relação ao centro da junta soldada. Isso se deve à rotação e translação do pino, que gera os chamados lado de avanço (LA) e lado de retrocesso (LR). O LA é o lado em que ocorre a maior deformação plástica e a maior velocidade relativa durante a soldagem, enquanto o LR é onde há a menor velocidade realtiva e a maior parte da mistura do material deformado, pois este é forçado contra o sentido de avanço [4].


2- MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais estudados
Para a obtenção das juntas soldadas foram utilizadas chapas 6 x 95 x 450 mm. O aço 316L foi fornecido pela Villares Metals® e o superduplex UNS S32750 pela Outokumpu®; suas composições encontram-se na Tab. 1. A chapa de aço inoxidável duplex foi posicionada no lado de avanço (LA) e a chapa de aço inoxidável austenítico, no lado de retrocesso (LR), uma vez que o aço S32750 possui maior dureza e resistência mecânica do que o aço 316L, e por isso necessita de maior atrito e esforço para se deformar plasticamente.
Tabela 1 – Composição química dos materiais utilizados (% em massa)

Aço

Cr

Ni

Mo

Mn

C

N

Si

Cu

P

Ti

S

UNS S31603(1)

16,5

10,0

2,04

1,30

0,016

0,037

0,50

0,06

0,032

0,002

0,001

UNS S32750 (2)

24,9

6,9

3,79

0,78

0,020

0,260

0,25

0,34

0,023

-----

0,001

  1. Aço inoxidável austenítico equivalente ao AISI/ABNT 316L. Composição fornecida pela Villares Metals ®.

  2. Aço inoxidável superduplex equivalente ao SAF 2507. Composição química fornecida pela Outokumpu®.


2.2 União por SAPNC
A máquina utilizada para a soldagem foi a Friction Stir Welding RM-2 da TTI® (Transformation Technologies Inc.), podendo operar até 70 kN de força axial e torque máximo de 186 N.m. Foi utilizada ferramenta do compósito de 60%volume de nitreto cúbico de boro policristalino com 40% da liga W-Re (PCBN-WRe), da qual 75%peso é W e 25%, Re. A temperatura máxima recomendada de operação da ferramenta é de 800ºC e a temperatura da ferramenta durante o processo de soldagem é medida por meio de um termopar acoplado à ferramenta.

Pino

Ombro


Figura 2 – a) Máquina de SAPNC. b) ferramenta de PCBN-WRe, com indicações do pino e do ombro.
2.3 Análise Metalográfica e Ensaios
As juntas com melhor resultado foram cortadas e embutidas em baquelita, lixadas com lixas de granas de 200 a 2000 e polidas com pasta de diamante de 1 μm. Com o intuito de observar a microestrutura, o preenchimento total da junta e a presença de defeitos internos, como cavidades e outros, as amostras foram submetidas a ataque eletrolítico em solução de 40% de ácido nítrico em água, a 1,5 V por 60 segundos. As amostras foram observadas em microscópio ótico Olympus BX51M. Foram também realizados ensaios de dobramento e por líquidos penetrantes.
3- RESULTADOS E DISCUSSÕES
Foram realizadas cinco juntas soldadas com diferentes parâmetros (Tab. 2), tendo como principal variável a velocidade de rotação da ferramenta. A última junta foi realizada com controle de força axial ao invés de controle de posição da ferramenta a fim de obter melhor controle sobre a qualidade, a aparência e a penetração da junta. As juntas foram feitas até ser atingida a melhor combinação de parâmetros como menores temperaturas e forças envolvidas, boa aparência, menor rugosidade e ausência de defeitos internos e externos.

Tabela 2 – Parâmetros de soldagem por SAPNC utilizados nos testes para o presente trabalho.



Nº da junta

Penetração (mm)

Vel. avanço (mm/min)

Frequência de rotação (rpm)

Tipo de controle

Aporte térmico

(kJ.mm-1)

Torque máx. (N.m)

Força axial máx. (kN)

Temp. máx. (ºC) (*)

01

5,54

100

300

Posição


1,81

100

58,5

811

02

5,47

200

1,63

150

54,0

760

03

5,47

200-150-100

1,41

120-150-225

48,5

750

04

5,47

150

1,23

140

47,0

680

05

5,42

Força Z (57 kN)

1,60

180

-

805

(*) Temperatura Máxima registrada da ferramenta.
Ao iniciar a soldagem com 100 rpm, o torque da ferramenta ultrapassou o limite da máquina, impossibilitando de concluir a união das chapas. Na junta 05 a força de penetração máxima não foi 47 kN, como foi obtido como referência na junta anterior, pois não gerava boa penetração da ferramenta nas chapas, por isso foi necessário aumentar a força vertical para aumentar a penetração da ferramenta.

Nas juntas feitas com controle de posição, a força vertical, a temperatura da ferramenta e o aporte térmico diminuem à medida que a frequência de rotação do processo é reduzida. Isso é devido à diminuição do atrito da ferramenta com o material provocado pela rotação da mesma, o que gera menos calor. No entanto, ao se operar em controle de força, o aporte térmico, o torque e a temperatura da ferramenta aumentaram enquanto a penetração diminuiu. Esse resultado não era esperado e será necessário reproduzir mais juntas com os mesmos parâmetros para confirmar os valores encontrados e assim determinar as possíveis causas.

As juntas 02 (Fig. 3a), 04 e 05 (Fig. 3b) apresentaram os melhores resultados: boa largura do cordão de solda e redução ou ausência de defeitos superficiais, sendo que a junta 05 não apresentou rebarba no lado de avanço. Todas as outras apresentaram defeitos como elevada rugosidade, excesso de aquecimento do material, falta de penetração e rebarba. A elevada rugosidade e a rebarba são ocasionadas pelo aquecimento excessivo da junta durante a soldagem. Não foi observada aderência do material soldado ao material de suporte, nem falta de preenchimento.

Apesar de não ser detectado pelo ensaio por líquidos penetrantes, o ensaio de dobramento indicou que não houve penetração total das juntas realizadas, sendo necessária uma ferramenta com pino maior para unir os materiais até à raiz.




a)

b)

20 mm

LA

LA

LR

LR

5 mm

5 mm

Figura 3 – a) Junta 02 (300 rpm e 100 mm.min-1 ) em controle de posição. A região de cordão mais estreito apresenta falta de penetração por parte da ferramenta, representando um tipo de defeito externo. Há uma pequena quantidade de rebarba e rugosidade no lado de avanço (região em detalhe). b) Junta 05, (controle de força em 57 kN), sem defeitos superficiais ou rebarbas.



LA

LA

LR

LR

a)

1 mm

1 mm

b)

1

2

3

1

2

3

Figura 4 –Macrografia da junta 02 (a) e 05 (b) com o aço austenítico no lado do retrocesso (LR) e aço duplex no lado de avanço (LA). Nota-se em ambas as juntas uma interface bem definida na Zona Misturada (ZM) entre a parte que possui microestrutura duplex (região mais clara) e a que possui microestrutura totalmente austenítica (região mais escura), além de ausência de defeitos gerados por falta de preenchimento. Indicados nas figuras estão as zonas de solda: (1) ZM, (2) ZTMA e (3) ZTA/MB. Ataque eletrolítico usando solução de 40% de ácido nítrico em água, a 1,5 V por 60 segundos. A linha tracejada ao centro indica o centro da junta soldada.


Das juntas realizadas, somente as 02 e 05 foram submetidas à análise metalográfica (Fig. 4). Nessas análises foi possível observar que as mesmas não apresentaram defeitos causados por falta de preenchimento. Além disso, ambas aparentaram ter penetração total, o que foi posteriormente confirmado pelo teste de líquidos penetrantes. Em ambas as juntas há uma interface bem definida na ZM entre a parte que possui microestrutura duplex (região mais clara) e a que possui microestrutura totalmente austenítica (região mais escura), o que mostra que não houve mistura dos aços a ponto de gerar uma nova região de composição diferente àquelas dos metais de base.

A junta 05 aparenta ter maior influência do ombro do que do pino, apesar do mesmo ter penetrado menos no material, uma vez que a extensão da ZM e da ZTMA, na superfície da junta, é maior do que a solda 02, possuindo um perfil menos acentuado. Isso se deve ao fato de a junta 05 ser mais quente do que a junta 02, influenciando mais a microestrutura.


4- CONCLUSÕES
Juntas dissimilares de aços inoxidáveis austenítico ABNT 316L e duplex UNS S32750 podem ser unidas pelo processo de SAPNC. Os melhores parâmetros encontrados para chapas de 6 mm de espessura utilizando ferramenta de PCBN-WRe foram frequência de rotação de 150 e 200 rpm, velocidade de avanço de 100 mm.min-1. Essas juntas apresentaram baixa rugosidade, pouca rebarba e ausência de defeitos internos. A junta 05 apresentou maior influência do ombro da ferramenta do que a junta 02.
5- AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer ao LNNano/CNPEM pelo suporte técnico e infraestrutura, ao CNPq pela bolsa concedida, à Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) pelo mestrado e à Petrobrás, pelo projeto e equipamentos.
6- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. MACHADO, J. P. S. E., et al. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE P&D EM PETRÓLEO E GÁS. 2, 2003. Rio de Janeiro. Influência do óleo nacional pesado na corrosão de aços inoxidáveis. Anais... Natal: ABGP, 2003. v. 11, p 4066-4071.
2. ASM Metals Handbook: Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys. United States of America: Metals Handbook, 2005, v. 1. pp. 1304, 1353, 1354, 1395, 1396.
3. ASM Metals Handbook: Corrosion. United States of America: Metals Handbook, 2005, v. 13.pp. 265, 266, 269, 275, 276.
4. MISHRA, Rajiv S.; MAHONEY, Murray W. Friction Stir Welding and Process. USA: ASM International, 2007. v. 1 , pp. 1- 5.
5. SANTOS, Tiago F. A. In: International Offshore and Polar Engineering Conference. 21, 2011, Maui. Correlating Microstructure and Performance of UNS S32750 and S32760 Superduplex Stainless Steels Friction Stir Welding (Proceedings).... Danvers: ISOPE, 2011. v. 4. 534 -540.

Dissimilar friction stir welding between AISI 316L austenitic stainless steel and UNS S32750 superduplex stainless steel
Abstract

In order to verify the viability of dissimilar AISI 316L austenitic and UNS S32750 superduplex stainless steels joining by FSW, 6-mm-thick plates were welded using a PCBN-WRe tool. The welded joints were performed in position control mode at rotational speeds of 100-300 rpm and travelling speed of 100 mm.min-1. These welded joints showed adequate bead width, low roughness and good appearance. Metallographic analysis showed no internal defects. However, tool temperature reached its limit (800 ºC) and spindle torque and vertical forces were near the limit supported by FSW machine (180 N.m and 70 kN respectively).


Keywords: Friction stir welding; Dissimilar welding; duplex stainless steel, austenitic stainless steel.

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