PRODUÇÃO DA JUNTA SOLDADA DO AÇO ASTM A335 P11

PRODUÇÃO DA JUNTA SOLDADA DO AÇO ASTM A335 P11 PARA
TUBULAÇÃO DE VAPOR EM CALDEIRAS: CARACTERIZAÇÃO POR
ANÁLISE MICROESTRUTURAL E MICRODUREZA
Péricles Bosquetti1, Luiz Antonio Simões2, Matheus Covre3, Alessandro Fraga Farah4, José Roberto Garbin5,
Laura Alves Coelho6, Mara Regina Mellini Jabur7, Mirian Isabel Junqueira Sarni8
1
Professor Doutor da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio,
Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 ([email protected])
2
Tecnólogo em Mecânica: Processos de soldagem – FATEC-Sertãozinho ([email protected])
3
Tecnólogo em Mecânica: Processos de soldagem – FATEC-Sertãozinho ([email protected])
4
Professor Doutor da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio,
Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 ([email protected])
5
Professor Doutor da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio,
Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 ([email protected])
6
Professora Auxiliar Docente da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho, curso de Tecnologia em Mecânica: processos
de soldagem. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio, Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806
([email protected])
7
Professora Mestre da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio,
Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 ([email protected])
8
Professora Mestre da Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. Rua Jordão Borghetti, 480 - Jardim Recreio,
Sertãozinho - SP, 14170-120 - (16) 3942-5806 ([email protected])
Resumo - Neste trabalho, avaliaram-se as diferenças microestruturais formadas a partir da fabricação de tubulações de
vapor (SENAI 2013) em aço-carbono ASTM A335 em que as juntas soldadas que foram utilizadas na união destas
tubulações sofreram a aplicação de dois diferentes tipos de tratamento térmico: uma normalização e um revenimento a
altas temperaturas, e então sendo feitas comparações com uma amostra das mesmas tubulações que não sofreram
tratamentos (BATAGLIN, 2013) na fabricação. Para estas comparações, utilizaram-se ensaios de microdureza Vickers
ao longo da seção soldada e análise metalográfica, os quais apontam as principais diferenças microestruturais de cada
tratamento térmico e da amostra não tratada (BRACARENSE, 2013). Os tratamentos térmicos mostraram-se adequados
melhorando sensivelmente a microestrutura da região soldada e tornando as propriedades mecânicas mais adequadas
pela diminuição da dureza e, consequentemente, mais dúcteis.
Palavras-Chave: Microestrutura. ASTM A 335 P11. Tratamentos térmicos.
Introdução
A indústria sucroalcooleira utiliza equipamentos geradores de vapores, devido à grande quantidade de biomassa
provinda da cana-de-açúcar que pode assim ser aproveitada pela transformação de sua queima em vapor e
sucessivamente em energia mecânica ou elétrica (PASCOALI, 2013). Assim, tem-se que a geração o vapor é de
fundamental importância na indústria e seu transporte se faz necessário. Dessa forma, a boa resistência de uma junta
soldada, que é a região mais crítica de uma tubulação, bem como os tratamentos térmicos pós-soldagem de
uniformização da microestrutura, são importantes para o bom funcionamento destes sistemas, sendo para isso
importante a avaliação das diferenças microestruturais e de microdureza ao longo das juntas soldadas (GIMENES,
2013). O aço ligado ASTM A335 P11 é muito utilizado em tubulações por ter bom desempenho quando em uso em alta
temperatura, e pode apresentar diferentes comportamentos quando se aplicam diferentes tipos de tratamentos térmicos.
Desse modo, para o estudo desses sistemas soldados, produziram-se as diferentes amostras iniciando pelo processo de
soldagem TIG (FONSECA, 2013), seguidos da aplicação dos tratamentos térmicos e da avaliação da microdureza e, por
fim, a análise da microestrutura das amostras nas diferentes regiões da junta soldada. Avaliou-se uma peça em que foi
aplicado um tratamento térmico de normalização a 900°C e, à outra, um alívio de tensão (revenimento a alta
temperatura) a 675°C, e comparado com uma amostra em que não houve tratamento (GIMENES, 2013). Em seguida,
foi avaliada a microdureza ao longo da junta por meio do ensaio Vickers e fez-se a análise metalográfica para avaliar as
diferenças na microestrutura dos tubos de aço soldados nas diferentes regiões (MARQUES et al., 2009).
Parte Experimental
Processo de Soldagem TIG
Para a soldagem das amostras, utilizou-se fonte inversora de frequência, modelo Thermal Arc 300GTW AC/DC, da
Thermandyne™, em que os parâmetros utilizados na soldagem foram os mesmos para todos os corpos de prova. Para
soldagem TIG realizada, foram utilizados os parâmetros descritos na Tabela 1.
Tabela 1 Parâmetros de Soldagem.
Região
Polaridade
Tensão(V)
Corrente (A)
Raiz
CC-
10/20
100/120
Enchimento
CC-
20/30
120/160
Acabamento
CC-
20/30
120/160
Os outros componentes utilizados na soldagem foram: argônio puro como gás de proteção a 13 L/min; eletrodo de
tungstênio de 2,4mm EW Th-2 Tório (vermelho); ângulo de Bisel 45º; temperatura de preaquecimento ≥ 94ºC;
temperatura de entre passes ≤ 35ºC, sendo que os procedimentos de soldagem foram realizadas na TGM Turbinas
Indústria e Comercio Ltda®, e os principais parâmetros utilizados seguiram especificações “EPS” de produção já
utilizados na empresa.
Metal de Adição
Utilizou-se a vareta ER 80S-B2, indicada para soldagem de aços baixa liga, ligados ao cromo e molibdênio, sendo
estas varetas especialmente indicadas para aços que poderão atingir em condições de trabalho, temperaturas de até
550°C ou ficar submetidos a atmosferas ricas em gases sulfurosos. A Tabela 2 mostra a composição química da vareta.
Tabela 2 Composição Química (Típica) %.
C
Mn
Si
0,07-012
0,12-0,40
0,40-0,70
P
0,025
S
0,025
Ni
0,20
Cr
1,20-1,50
Mo
0,40-0,65
Tratamentos Térmicos
Nas amostras estudadas, foram utilizados dois tipos de tratamento térmico: a normalização e o revenimento a alta
temperatura para uniformização das microestruturas e uniformização dos tamanhos de grãos. Para a normalização,
utilizou-se um forno para tratamento térmico, mantendo a amostra à temperatura de 900ºC por uma hora e, em seguida,
resfriou-se ao ar. Para o revenimento, utilizou-se o forno colocando-se a amostra à temperatura de 675ºC por uma hora,
sendo em seguida, resfriada ao ar.
Preparação das Amostras
Após aplicação dos tratamentos térmicos, retirou-se parte do corpo de prova para ser analisado, possibilitando a
avaliação do metal de base quanto ao metal de adição incluindo, portanto, a zona de fusão, e região da ZAC (Zona
Afetada pelo Calor). Após o corte, as amostras foram preparadas adequadamente para análise metalográfica, lixando-se
e polindo-se, e realizando-se o ataque químico utilizando-se o NItal 2% para revelar a microestrutura da região soldada.
Análises Metalográficas
As análises metalográficas foram realizadas para estudo da morfologia e microestrutura dos aços soldados deste
trabalho, aplicando-se ampliações de 100x, 200x e 500x, sendo realizadas em um microscópio ótico da marca Kontrol
modelo IM713 para visualização e identificação das microestruturas feitas por meio de um sistema de captura de
imagens integrado, que permitiu o registro das análises realizadas.
Análises por Microdureza Vickers
Realizou-se ensaio de microdureza Vickers, carga de aplicação de 0,49 Kgf por 15s, penetrador cônico de diamante,
na secção transversal à soldagem seguindo o perfil de dureza para chanfro em “V” da norma Petrobrás N-0133 Rev. H,
conforme Figura 1.
Figura 1 Perfil de microdureza especificado pela norma N-0133 Rev. H.
Resultados e Discussão
Análise Metalográfica do Aço ASTM A335 P11 sem Tratamento Térmico
Por meio da análise metalográfica, as microestruturas formadas nos aços submetidos, ou não, aos diferentes tipos de
tratamento térmico. Nas microestruturas apresentadas, o aço não passou por tratamento algum após a soldagem. As
regiões apresentadas são: a região do metal de base, conforme ilustrado na Figura 1; a Figura 2 mostra a zona fundida,
ou seja, o metal depositado na soldagem e a ZAC (zona termicamente afetada pelo calor) que é a transição entre a zona
fundida e o metal de base, ilustrado na Figura 3. Todas as microestruturas foram obtidas por ataque com NItal 2%.
Figura 2 Metal de base do aço ASTM A335 P11 sem tratamento térmico, Nital 2%, aumentos em 200x e 400x.
Figura 3 Região da solda no aço ASTM A335 P11 sem tratamento térmico, Nital 2%, aumentos em 200x e 400x.
Figura 4 Região da ZAC no aço ASTM A335 P11 sem tratamento térmico, Nital 2%, aumentos em 100x e 200x.
Observou-se, por meio das microestruturas da região de solda (metal fundido) que, nestas regiões, houve a
formação dendrítica e grãos colunares, típica de solidificação, o que faz com que essa região deva apresentar
características mais frágeis e propriedades mecânicas inferiores, além de ocasionar durezas mais altas, exigindo a
aplicação de tratamentos térmicos posteriores. A região da ZAC apresentou uma microestrutura com grãos menores em
média que os grãos do metal de base, o que pode ser devido ao baixo tempo de resfriamento pós-soldagem o que
refletiu na microdureza mais alta que no metal de base.
Aço ASTM A335 Revenido a 650ºC
Observaram-se diferenças nas microestruturas encontradas ao analisar a amostra do aço após revenimento a 650ºC
por uma hora. A Figura 5 mostra o metal de base revenido; a Figura 6 ilustra a região da solda e, na Figura 7, observa-se
a região da ZAC revenida.
Figura 5 Metal de base do aço ASTM A335 P11 Revenido a 650ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x.
Figura 6 Região da solda no aço ASTM A335 P11 Revenido a 650ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x.
Figura 7 Região da ZAC no aço ASTM A335 P11 Revenido a 650ºC, Nital 2%, 100x e 200x.
Após revenimento, observou-se uma sensível melhora na microestrutura na região da solda, uma vez que foi
possível o processo de difusão que favorece a formação das microestruturas ferríticas e perlíticas esperadas, pela
composição do metal de solda utilizado. Esse fato melhora as propriedades mecânicas dessa região, bem como tornar a
mesma mais dúctil e apropriada para o uso, o que pode ser observado pela sensível queda na microdureza dessa região
em relação à mesma sem tratamento. Observou-se também, uma melhor uniformização nos tamanhos de grãos da ZAC
em relação à amostra não tratada e um ligeiro aumento, porém esperado, do tamanho médio de grãos do metal de base.
Aço ASTM A335 P11 Normalizado a 900ºC
Podem-se ainda observar as diferenças nas microestruturas formadas no aço após processo de normalização a 900ºC
por uma hora. A Figura 8 mostra o metal de base normalizado; a Figura 9 ilustra a região da solda e, na Figura 10,
observa-se a região da ZAC normalizada.
Figura 8 Metal de base ASTM A335 P11 Normalizado a 900ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x.
Figura 9 Região da solda no aço ASTM A335 P11 Normalizado a 900ºC, Nital 2%, aumentos de 200x e 400x.
Figura 10 Região da ZAC no aço ASTM A335 P11 Normalizado 900ºC Nital 2%, aumentos de 200x e 400x.
Ao analisar as microestruturas, observou-se o aumento do tamanho de grãos na ZAC (Zona Afetada pelo Calor),
bem como na região do metal de base devido ao efeito da normalização, por conta da difusão no forno e durante seu
resfriamento lento ao ar, que favorece ao crescimento dos grãos. A região soldada também apresentou granulometria
mais grosseira, que pode ter como consequência, o aumento da microdureza observada nessa região.
Resultados dos Ensaios de Microdureza Vickers
A Figura 11 apresenta os valores encontrados no ensaio de microdureza Vickers para o corpo de prova que não
sofreu tratamento térmico.
Figura 11 Perfil de microdureza obtida no CP sem tratamento térmico pós-soldagem.
O perfil de microdureza Vickers obtida para o corpo de prova submetido ao tratamento térmico de revenimento a
650ºC está demonstrado na Figura 12.
Figura 12 Perfil de microdureza do CP após revenimento a 650ºC pós-soldagem.
Os valores de microdureza Vickers encontrados para o corpo de prova submetido ao tratamento térmico de
normalização a 900ºC estão representados na Figura 13.
Figura 13 Perfil de microdureza do CP após normalização a 900ºC pós-soldagem.
Conclusão
Comparando-se as microestruturas e os perfis de dureza encontrados para a soldagem realizada, verificou-se que se
faz necessário o tratamento térmico pós-soldagem, visto que a microestrutura obtida após a soldagem sem tratamentos
pós-soldagem apresenta a região de metal fundido com alta dureza e microestrutura bruta de solidificação, tornando
essa região mais frágil e provavelmente de propriedades mecânicas inferiores.
Ambos os tratamentos térmicos pós-soldagem utilizados nos processos de fabricação dos corpos de prova
analisados mostraram-se adequados melhorando sensivelmente a microestrutura da região soldada e tornando as
propriedades mecânicas mais adequadas, pela diminuição da microdureza em todo perfil das regiões de soldagem e
ZAC. Como consequência da diminuição do perfil de microdurezas, obtêm-se propriedades mais dúcteis para o
material.
Comparando os dois tratamentos pós-soldagem, observou-se que a normalização apresentou grãos ligeiramente
mais grosseiros, o que pode ser melhorado com uma diminuição do tempo de austenitização.
Referências
BATAGLIN, M. Tratamento Térmico. Instituto Federal de Santa Catarina. Chapecó. Disponível em:
< http://professores.chapeco.ifsc.edu.br/marcelo/files/2013/03/Aula_12_Tratamentos-Termicos.pdf >. Acessado em 06
de mai. 2013.
BRACARENSE, A. Q. Processo de Soldagem TIG – GTAW. Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte.
Disponível
em: <http://www.infosolda.com.br/images/Downloads/Artigos/ processos_solda/processo-de-soldagemtig-gtaw.pdf >. Acessado em 01 de mai. 2013.
FONSECA, A. S. Soldagem TIG. Centro de Formação Profissional “Aloysio Ribeiro de Almeida” - SENAI Varginha
– MG. Disponível em: <http://www.elitemaquinas.com.br/site/images/ pdf_files/Soldagem_TIG.pdf>. Acessado em 25
de abr. 2013.
GIMENES J. L. Tratamento Térmico em Juntas Soldadas. Disponível em:
< http://www.infosolda.com.br/artigos/metalurgia/323-tratamento-termico-em-juntas-soldadas.html>. Acessado em 06
de mai. 2013
MARQUES, P. V.; MODENESI, P. J.; BRACARENSE, A. Q., 2009, Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 3. ed.
Belo Horizonte: UFMG, 2009.
PASCOALI, S. Módulo II:Tecnologia dos Materiais I. CEFET/Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa
Catarina - Unidade de Araranguá Curso Técnico. Disponível em: <https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/a/a1/
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SENAI – Programa de Certificação Operacional CST. Tubulação Industrial e estruturas. CST- Companhia
Siderúrgica de Tubarão. Disponível em: <http://www.abraman.org.br/Arquivos/51/51.pdf>. Acessado em 07 de mai.
2013.