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O objetivo desse trabalho é avaliar o efeito do aporte térmico sobre a morfologia da austenita do aço duplex SAF 2205, além de identificar quais são os parâmetros ideais de soldagem que proporciona um equilíbrio das frações volumétricas de ferrita e austenita. Os materiais analisados são de aço inoxidável duplex SAF2205, soldadas pelo processo de soldagem GTAW variando o aporte térmico em aproximadamente 1,2 1,6 e 2,0 kJ/mm.
Tipologia: Teses (TCC)
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Trabalho de conclusão de curso submetido ao departamento de Engenharia Mecânica da FAACZ – Faculdades Integradas de Aracruz como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Me. João Paulo Calixto da Silva . ARACRUZ 2019
Declaro, para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que este Trabalho de Conclusão de Curso pode ser parcialmente utilizado, desde que se faça referência à fonte e ao autor.
O objetivo desse trabalho é avaliar o efeito do aporte térmico sobre a morfologia da austenita do aço duplex SAF 2205, além de identificar quais são os parâmetros ideais de soldagem que proporciona um equilíbrio das frações volumétricas de ferrita e austenita. Os materiais analisados são de aço inoxidável duplex SAF2205, soldadas pelo processo de soldagem GTAW variando o aporte térmico em aproximadamente 1 , 2 1, 6 e 2,0 kJ/mm. Após a soldagem, os corpos de prova foram preparados para a análise metalográfica e de microdureza da morfologia de austenita formada. Os resultados mostraram a presença da austenita alotriomórfica de contorno de grão, a austenita de Widmanstätten e a austenita intragranular. Foi verificado que o aporte térmico que menos alterou o balanceamento das fases ferrita e austenita foi o de 1, 2 kJ/mm, concluindo que se deve utilizá-lo quando o objetivo for manter a proporção volumétrica das fases no aço duplex SAF2205.
Tabela 1- Composição química do aço duplex UNS S31802 (SAF 2205) ................. 13 Tabela 2 - Composição química do eletrodo ER2209.................................................. 19 Tabela 3 - Aporte Térmico nos corpos de Prova.......................................................... 19
ANEXO A
Este trabalho visa verificar os efeitos do aporte térmico na junta soldada do aço inoxidável duplex SAF 2205 ou UNS S31803, visando aprimorar a soldagem e melhorar a propriedade do aço sem alterar sua estrutura. O Processo utilizado será o GTAW- (Tungsten Inert Gas). Através da verificação do aporte térmico serão observadas as diferenças microestruturais e mecânica do material. As juntas soldadas do aço inoxidável duplex SAF 2205 , unidas pelo método convencional sem pré-aquecimento, serão submetidas a testes variando o aporte térmico com os valores de 1,0 kJ/mm, 1,5 kJ/mm e 2,0kJ/mm através da mudança da intensidade de corrente, a fim de checar qual o aporte térmico causará menor mudança na composição do material, para isso os ensaios de micrografia e microdureza são essenciais.
Estudar a influência do aporte térmico da soldagem GTAW na microestrutura e nas propriedades mecânicas na soldagem do aço SAF 2205. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os ciclos térmicos de soldagem geralmente fazem ocorrer algumas alterações nas fases de austenita e ferrita e com isso suas propriedades são alteradas. Além disso, algumas fases intermetálicas que são prejudiciais ao material poder surgir em sua composição, são elas a fase chi, carbonetos e fase sigma. A fase sigma aparece com mais frequências nos AID; e ela é indesejável por ser quebradiça devido ao seu alto índice de dureza, o que prejudica suas propriedades mecânicas também diminui a resistência à corrosão do material devido à perda de cromo para fase sigma (PEREIRA 2009). A composição química do aço inoxidável duplex abaixo conforme tabela: Tabela 01 – Composição química do aço duplex UNS S31802 (SAF 2205) AISI/UNS % c %si %mn %cr %ni %mo %n microestrutura S 31802 0,03 1 2 22 5,5 3,2 0,18 Duplex Fonte: adaptado da UNS: Unified Numbering System AISI ; American Iron and Steel Institute 2000 3.1.2 - APORTE TÉRMICO E PARÂMETROS DE SOLDAGEM Na soldagem de AID’s um parâmetro fundamental de controle é o aporte térmico, uma vez que quanto maior, menor a taxa de resfriamento. É recomendado utilizar aporte térmico entre 0,5 kJ/mm e 2,5 kJ/mm para a soldagem de aços inoxidáveis duplex e entre 0,2 kJ/mm e 1,5 kJ/mm para os aços inoxidáveis super duplex (AISD). (GNANASUNDARAM, B.R., NATARAJAN, M 2014) Além da busca da energia de soldagem próxima do ideal, deve-se ainda considerar o fato de que, na soldagem multipasse, a junta é submetida a vários ciclos térmicos. Isto significa que a região soldada passa por aquecimentos e resfriamentos consecutivos, comumente pouco controlados. Tais variações de temperatura podem modificar a microestrutura original e, consequentemente, afetar o desempenho da junta, modificando suas propriedades. O reaquecimento repetido da ZF e da ZTA pode levar à precipitação de nitretos e fases intermetálicas, como a fase sigma e fase R. (NUNES, 2011, LONDOÑO 1997)
Uma grande importância tem sido dada a este tema pela comunidade científica e pelos produtores destes aços, principalmente no caso dos AID. Já existem pesquisas que têm verificado as mudanças microestruturais acontecidas na zona afetada pelo calor submetida à temperatura elevada, e seu efeito no desempenho da junta soldada, já que esta região é de difícil controle. (NUNES 2011) O balanço de fase também depende do aporte térmico do processo utilizado no processo de soldagem. O nível de energia de soldagem influi diretamente na taxa de resfriamento e por consequência, a temperatura efetiva abaixo da qual cessa a transformação ferrita-austenita (MUTUPHANDI et al., 2003). Altos níveis de energia resultam em resfriamento mais lento, por outro lado, essas condições tendem a produzir crescimento de grão, ampliação da zona afetada pelo calor e precipitação de fases intermetálicas. (ZAMPROGNO, 2010) Um dos principais problemas na soldabilidade desses aços é o surgimento de trincas induzidas pelo hidrogênio, que é um agente fragilizante. Há também perda de tenacidade, tanto na Zona Termicamente Afetada, como na Zona Fundida, na soldagem desses aços. O aporte térmico elevado também contribui para esses efeitos. (SOUZA, M., PARDAL, J. 2014) PEREIRA 2009, mostra em sua tese que o efeito da soldagem sobre as frações volumétricas das fases no metal de base foi baixo e que no metal de solda houve uma tendência de queda na quantidade de ferrita com o aumento da energia de soldagem. Houve também um aumento no reforço e na penetração do metal de adição quando se empregaram altas energias de soldagens. Devido aos ciclos térmicos aos quais o material é submetido durante um processo de soldagem, há uma tendência de desbalanceamento de sua microestrutura. A soldagem também expõe o material a faixas de altas temperaturas, nas quais ocorre a precipitação de compostos intermetálicos (fase sigma, fase chi, nitretos de cromo, carbonetos de cromo entre outros) de efeitos danosos ao material, um estudo microestrutural das morfologias das fases de ferrita e austenita no aço duplex mostra se essas fases prejudiciais podem estar presentes nessas fases. (MENEZES, J.W.A
Por isso além de buscar uma energia de soldagem ótima, deve se considerar o fato de que na soldagem multipasse, a junta é submetida a vários ciclos térmicos. Isto significa que a região soldada passa por aquecimentos e resfriamentos consecutivos, comumente poucos controlados. Tais variações de temperatura. Podem modificar a microestrutura original e, consequentemente, afetar o desempenho da junta, modificando suas propriedades. O reaquecimento repetido da Zona Fundida (ZF) e da Zona termicamente afetada (ZTA) pode levar a precipitação de nitretos e fases intermetálicas como a Fase Sigma. 3.4 MICROGRAFIA Colpaert (1998) diz que a técnica de micrografia pode ser dividida nas seguintes partes:
de resfriamento, e à medida que a velocidade de resfriamento reduz, esta se torna cada vez mais contínua. ZAMPROGNO diz em sua pesquisa que ocorreram as mesmas formação de austenita secundária tanto na ZTA quanto na zona fundida. Porém o autor não subdividiu a austenita secundária da primária, ele apenas observou o percentual de austenita e ferrita e concluiu que o aporte térmico influenciou da seguinte forma, quanto maior a energia de soldagem o maior o favorecimento de austenita em todas as formas e menor ocorrência de ferrita. 3.5 ZONA TERMICAMENTE AFETADA Durante o aquecimento dos metais pelos processos de soldagem por fusão, há a união dos metais onde, a microestrutura original e as propriedades do metal na região próxima do metal de solda são modificadas devido a fusão localizada destes materiais, seguido por um rápido resfriamento sob condições de restrição imposta pela geometria da junta. Esta parte transformada do metal de base, que não chega a ser fundida, é usualmente conhecida como zona termicamente afetada (ZTA) (SILVA, 2010). De acordo com o tipo de metal que está sendo soldado, os efeitos dos ciclos térmicos poderão ser os mais variados. O processo e procedimento de soldagem e tipo de metal de base, a ZTA pode apresentar diversas características, pois são influenciadas por esses fatores, isto é, dos ciclos térmicos da repartição térmica. (MARQUES, MODENESI e BRACARENSE, 200 5 ). Nos aços duplex, o balanço estrutural na ZTA é determinado pelas condições de resfriamento e aquecimento, pela temperatura máxima atingida pelo tempo de permanência nessa temperatura, isto é, devido ao ciclo térmico de soldagem na sua partição. Temos algumas consequências de fatores tais como espessura do material, energia de soldagem, temperatura de pré-aquecimento e temperatura de interpassse no caso vamos nos aprofundar principalmente na energia de soldagem onde também chamamos de aporte térmico.
Tabela 0 2 – Composição química do eletrodo ER2209 Fonte : EC CastoTIG 2209 2017 4.3 PREPARAÇÃO E SOLDAGEM DAS AMOSTRAS 4.3.1 Corpo de prova A partir das amostras foram preparados 10 corpos de prova em formato de barras com 125x40x8mm a fim de que destes 10 corpos de provas fossem escolhidos 3 para análise, enquanto os outros corpos foram para testes e soldagens iniciais, no caso foram utilizados para ajustes de parâmetros para um procedimento ideal. Com ângulo de 30°, conforme a ASME IX. De acordo com a EPS cedida por uma empresa de metal Mecânica, Situada em Aracruz (ANEXO A). Figura 03 – Detalhe ilustrativo do chanfro Fonte: Os autores 2018 Para deixar os corpos de prova com as dimensões conforme a norma foi utilizada a fresadora modelo CLEVER VH- 1 cedida pelo laboratório de mecânica da FAACZ. Figura 04 – Fresadora CLEVER VH- 1 Fonte : Arquivo pessoal, 2018. CONSUMIVEL VARETA COMPOSIÇÃO QUIMICA (%PESO) (Fe BALANÇO) Cr Ni Mo Mn Si N C P S ER 2209 2,4 23 8,63 3,07 1,51 0,47 0,17 0,009 0,018 0, 3,
Figura 05 – Corpos de Prova Fonte – Arquivo Pessoal 2018 4.3. 2 Processo de soldagem TIG O equipamento para soldagem GTAW foi a máquina para soldagem de Solda Inversora 200A Tig Mma 200S V8, que pertence a escola CEET “Talmo Luiz Silva”, soldador qualificado CINETE 1855. A soldagem dos corpos de prova se foi preparada com os seguintes parâmetros: Corpo de Prova Aporte Térmico (Kj/mm) Tensão (V) Intensidade de Corrente (A) Velocidade de Soldagem(mm/s) 1 1,2375 11 120 1, 2 1,58125 11 130 0, 901 3 1,925 11 140 0, 802 Tabela 0 3 – Aporte Térmico nos corpos de Prova Fonte: Os Autores, A equação para cálculo de aporte térmico ou energia de Soldagem: 𝐸=(𝑉.𝐼)/1000𝑣 onde: E = energia de soldagem em KJ/mm; V = tensão no arco, em V; I = corrente de soldagem, em A; v = velocidade de soldagem, em mm/s.
