TRINCAS DE SOLIDIFICAO E LIQUAO DE AOS INOXIDVEISSUPERAUSTENTICOS AISI 904L SOLDADOS POR ARCO ELTRICO.

(1) Ramn S. Corts Paredes, Dr. Eng.; ramon@demec.ufpr.br(2) Ana Sofia C.M. DOliveira, PhD.; sofmat@demec.ufpr. br

Resumo. O trabalho apresenta os resultados do estudo da soldabilidade do ao inoxidvelAISI 904L tipo 25 Ni 20 Cr superaustentico, contendo adies de Molibdnio e Cobre. Estetipo de ao resistente aos meios corrosivos altamente agressivos que segundo a literaturaso susceptveis trincas de solidificao e liquao durante a soldagem. Para avaliar asusceptibilidade ao trincamento foram preparados corpos de prova soldados por doisprocessos de soldagem, com eletrodos revestidos ou semi-automtico MIG, com diferentescondies de soldagem em ambos os processos. Com o objetivo de estudar as microestruturasobtidas, corpos de prova foram analisados atravs de microscopia tica e eletrnica para averificao da existncia de trincas na zona de solidificao ou na zona termicamenteafetada. No foram observadas trincas de solidificao a quente durante a soldagem e nemposteriormente na estrutura solidificada nos dois processos de soldagem estudados. Noentanto, foram observadas trincas de liquao na zona termicamente afetada, trincas essasque foram eliminadas pela utilizao de praquecimento do substrato. Pode-se concluir queos procedimentos de soldagem utilizados nos processos com eletrodo revestido e semi-automtico MIG permitiram evitar o surgimento de trincas de solidificao e que opreaquecimento foi fundamental para eliminar as trincas de liquao.

Palavras-chave: soldagem inoxidvel, inoxidvel superaustentico, trincas de liquao.

1. INTRODUO

O ao inoxidvel superaustentico AISI 904L com 25 % Ni e 20 % Cr com adies demolibdnio (4 a 4,8%) e cobre (entre 1 e 2 %), trata-se de um ao inoxidvel com elevado teorde molibdnio, distingue-se pela sua excelente resistncia corroso localizada, corrosopor pites, corroso galvnica e em forma especial corroso em ambientes fortementeagressivos. especialmente empregado em meios sulfurosos, fosfricos, hidroclricos, naindstria de fertilizantes, instalaes offshore, indstria qumica e petroqumica, assimcomo tambm na produo de papel e celulose. A adio de cobre melhora a resistncia corroso nos meios cidos (Rabensteiner, 1985; Liljas, 1985). Quando comparados a outrostipos de aos inoxidveis, como observados na Figura 1, pode-se constatar seu superiordesempenho.

a bFigura 1. Comparao do ao AISI 904L com outros tipos de aos inoxidveis (a) quando

exposto no cido fosfrico e (b) efeito do molibdnio na corroso por pites (Thomas andWorman, 1986; Creusot Ind., 1990).

Algumas dificuldades ocorrem nestes aos quando soldados, podem ocorrer fenmenosindesejveis, tais como, trincas a quente, sensitizao, formao de fase sigma e segregao,que podem afetar a qualidade e integridade da unio soldada, principalmente as propriedadesmecnicas e a resistncia corroso (Pertenecer et al, 1990).

Nos aos superaustenticos, a estrutura austentica estvel, produzida pelo elevado teorde nquel e a desvantagem deste tipo de estrutura durante a soldagem que ela s pode serobtida durante a solidificao do cordo de solda por solidificao primria da austenta, oque incrementa a tendncia fissurao a quente em comparao com os metais de solda, quecontm ferrita. Esse fenmeno, associado segregao de elementos que promovem aformao de constituintes de baixo ponto de fuso, acentuado pelo maior coeficiente dedilatao da rede cristalina austentica, que produz no material grandes esforos de contraotrmica, o que facilita a fissurao a quente na forma de trincas de solidificao no metal desolda, ou como trincas de liquao na zona termicamente afetada (ZTA), seja no metal debase como na zona fundida de uma soldagem multipasse (Pertenecer et al, 1990; Bilmes,1992).

As trincas de liquao so favorecidas pelo crescimento de gro na ZTA, uma vez queisso acentua a segregao nos contornos de gro e com isso a formao de fases de baixoponto de fuso, principalmente porque na regio no misturada ou parcialmente fundidaapresenta um nvel elevado de segregao, principalmente de molibdnio.

O recurso conhecido para minimizar ou eliminar a tendncia fissurao a quente utilizar materiais de adio que permitam a formao de ferrita delta (2 a 3 %) o quepermitiria reduzir a concentrao de segregao, porm, nestes aos quando expostos acondies de servio em meios corrosivos, a ferrita delta presente traz consigo uma reduoda resistncia corroso (Bilmes, 1992; Folkhard, 1988).

Com relao precipitao da fase sigma (), segundo a literatura (Padilha, 1994) se ocromo equivalente for superior a 17,8 % esperada a precipitao da fase sigma e se o aocontiver molibdnio tambm pode precipitar a fase qui (), sendo que a fase sigma nodissolve elementos intersticiais (carbono, boro e provavelmente nitrognio) e a fase podedissolver carbono. Por conseguinte, alm de outras razes de ordem metalrgica, nos aossuperaustenticos, h necessidade do empobrecimento prvio da matriz, o que pode ser feitopela precipitao de carbonetos e boretos ou limitando o teor de carbono a nveis baixos,

como o caso dos aos AISI 904L. De qualquer forma as fases e so consideradasnegativas para as propriedades mecnicas e corrosivas dos aos superaustenticos.

2. RECOMENDAES PARA A SOLDAGEM DOS AOS AISI 904L COMMATERIAIS DE APORTE SUPERAUSTENTICOS

Para evitar a fissurao a quente na soldagem dos aos totalmente austenticos importante considerar sugestes prticas da literatura (Folkhard, 1988), tomando precauesdesde a fase de projeto do equipamento ou componente e da unio soldada como tal, nosentido de reduzir a rigidez dos componentes, evitar a superposio de cordes de solda emudanas de espessura, as quais so potencialmente regies de elevadas tenses, e portantosensveis fissurao a quente. Quanto ao procedimento de soldagem deve-se selecionar umaporte reduzido visando minimizar o crescimento de gro na ZTA. Contribuem tambm paraessa finalidade as baixas temperaturas de interpasses e a alterao da seqncia de soldagem.Na soldagem de aos com elevado Mo as soldas devem se realizar com baixas energias desoldagem, o que tambm contribui para minimizar as segregaes.

A soldagem com baixo aporte trmico, principalmente nos aos inoxidveis com elevadoMo, permite durante a solidificao do cordo de solda, o aparecimento de gros austenticosprimrios pequenos, com isso reduz a tendncia a formar fases liquidas (minimiza asegregao), minimizando a fissurao a quente, principalmente a que ocorre durante asolidificao. Para reduzir ou eliminar a formao de trincas de liquao pode ser convenientea utilizao de preaquecimento da superfcie a ser soldada (Bilmes, 1992). Outro efeitobenfico da utilizao de baixo nveis de aporte trmico, evitar a precipitao de fasesintermetlicas, aliado tambm ao efeito benfico que produz controlar a temperatura deinterpasse na soldagem de materiais de grande espessura.

Uma outra forma que a literatura recomenda (Pertenecer et al, 1990) para melhorar aresistncia fissurao a quente que o material de aporte contenha elevado teor demangans (> 4 %), sendo por enquanto o mangans s utilizado nos eletrodos AISI 904L, emteores no mximo de 2 %.

Outras recomendaes prticas so: alternar a seqncia dos passes de soldagem; formaruma poa lquida pequena e no fazer tecimento (oscilao transversal) com o eletrodo eutilizar cobre junta.

3. METODOLOGIA E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O objetivo deste estudo analisar a soldabilidadade do ao inoxidvel AISI 904Lutilizando os processos de soldagem com eletrodo revestido (ER) e o processo MIG. Foramutilizados dois eletrodos para cada processo, procurando otimizar os procedimentos desoldagem para permitir soldas isentas dos possveis fenmenos indesejveis.

3.1 Composio qumica

A Tabela 1 contm a composio qumica do metal de base e dos eletrodos utilizados.

Tabela 1. Composio qumica do metal de base e eletrodos.Composio

[%]C Cr Ni Mo Cu Mn Si P S

Metal base* 0,02 19-22 22-27 4-4.8 1-2 2,0 0,5 0,03 0,01ER1 0,02 20,3 25,1 3,5 2,0 2,0 0,6 0,02 0,02**ER2 0,25 20,0 25,5 4,8 1,5 1,0 0,9 ND ND

MIG1 0,13 20,0 25,0 4,5 1,5 1,7 0,4 ND NDMIG2 0,02 20,0 25,0 4,5 1,5 1,7 0,35 ND ND

Dados do fabricante do ao; ** 0.07% Nitrognio; ND = no determinado. 3.2 Condies e procedimento de soldagem

Os corpos de prova para soldagem tiveram as seguintes dimenses, considerando a chapacomo semi-infinita.

- comprimento = 300 mm; largura = 200 mm ; espessura = 9,6 mm.- Junta em V (60 graus); reforo (nariz) = 2 mm e folga = 2 mm.

Eletrodo e condies de soldagem- dimetro dos eletrodos AISI 904L: ER = 3.2 mm e MIG = 1,2 mm- gs de proteo do processo MIG = 98 % Ar e 2 % O2- temperatura de preaquecimento = 200 oC.- temperatura de interpasse 100 oC.Todas as soldas foram feitas na posio plana com arco curto e reto. Na Tabela 2

registram-se os parmetros de soldagem utilizados.

Tabela 2. Parmetros de soldagem.Parmetros

EletrodosCorrente

[A]Tenso

[V]Velocidade de soldagem

[cm/min]Energia imposta

[kJ/cm]No.

passesER1 120 15 24 4,5 8ER2 120 14 22 4,6 8

MIG1 180 24 60 4,3 10MIG2 180 24 60 4,3 10

As condies e parmetros de soldagem foram estabelecidas aps testes preliminares combase em recomendaes prticas e recomendaes da literatura (Folkhard, 1988; Rojas eoutros, 1992).

3.3. Ensaios mecnicos

Foram preparados corpos de prova para ensaios de trao e tenacidade (ensaio charpy,entalhe na zona fundida) respectivamente, de acordo com as normas ASTM E8-81 e ASTME23-72, num total de 10 corpos de prova para cada ensaio.

A dureza Vickers foi medida com carga de 10 kgf, os valores apresentados correspondem mdia de 5 pontos por regio, mostrando na Figura 2 o grfico que registra as medies nometal de base, ZTA e zona fundida.

3.4 Metalografia

Para medies de dureza e anlises de microestrutura as superfcies do metal de base edas unies soldadas foram preparadas da seguinte maneira:

- Lixamento: retifica e lixas 200, 320, 400, 600 e 1000,

- Polimento eletroltico: cido perclrico 70 % (50 ml), etano (750 ml), gua destilada(40 ml), intensidade de corrente (1 A), tempo (10 s),

- Ataque eletrlitico: cido oxlico (10 g), gua destilada (100 ml),- Intensidade de corrente (6 A), tempo (45 s).

4. RESULTADOS E DISCUSSO

4.1. Dureza

Os valores de dureza observados na Figura 2, medidos no metal de base, zona fundida ezona afetada termicamente so compatveis com o material de microestrtura austentica. Adureza mais elevada do depsito feito com o eletrodo ER2, da ordem de 231 HV10, mostraque esse valor fica ainda abaixo do limite fixado pela norma NACE (248 HV) para aossujeitos a corroso sob tenso em meios contendo H2S (NACE Standard, 1990).

Figura 2. Resultados das medies da dureza HV10 do metal de base e unio soldada.

4.2. Trao

Com relao aos resultados no ensaio de trao de corpos de prova soldados (Figura 3),pode-se comentar que as fraturas ocorreram no metal de base nos corpos de prova ER1 e ER2.Nos corpos de prova MIG 1 e MIG2, a fratura ocorreu no cordo de solda, sendo que s nocorpo de prova MIG2 a resistncia trao ficou menor que a do metal de base.

Figura 3. Resultados do ensaio de trao, medido no metal de base e nas unies soldadas.

4.3. Tenacidade

Grfico de Dureza

0

50

100

150

200

250

Du

reza

HV

10

METBASE

ZACR1E

ZFR1

ZACMIG1E

ZFMIG1

ZACR2E

ZFR2

ZACMIG2E

ZFMIG2

MB ER1 MIG1 ER2 MIG2

ZTAZF

ZTAZF

ZTA

ZF

ZTAZF

Grfico de Trao

0

15

30

45

60

75

Tra

o

(kg

f/m

m2)

MBESCMBMAXSR1ESCSR1MAXM1ESCM1MAXSR2ESCSR2MAXM2ESCM2MAX

MB ER1 MIG1 ER2 MIG2

ESC

RUP

ESC

RUP

ESC

RUP

ESC

RUP

ESC

RUP

Os resultados da medio da tenacidade apresentados na Figura 4 mostram que em todosos corpos de prova os valores obtidos so menores que o metal de base. A queda detenacidade na zona fundida poderia estar associada segregao, que comum nessesmateriais de estrutura puramente austentica de elevado teor de Ni e Cr e tambm de Mo e Cu[7]. Este fenmeno acentuado pela estrutura de solidificao dendrtico-celular (vide Figura6) que facilita a segregao intergranular, o que ainda incrementado pelo tipo de estrutura desolidificao (granulao grosseira) produzida no centro do cordo de solda, produto daselevadas velocidades de soldagem utilizadas, seja na soldagem com eletrodo revestido comocom soldagem MIG. Uma outra justificativa a ser comentada diz relao com a possibilidadeda formao de fases intermetlicas indesejveis, tais como fases sigma () e Qui (), quesegundo a literatura [8] pelo elevado cromo equivalente que apresentam os aos inoxidveisAISI 904L (Creq. = 23,9) esperada a precipitao destas fases, o que explicaria a sensvelqueda da tenacidade em todas as unies soldadas.

Figura 4. Resultados da medio da tenacidade do metal de base e das unies soldadas.

No caso da unio soldada com eletrodo revestido ER2 a de menor tenacidade e maiordureza (Figuras 2 e 3), a menor tenacidade poderia ser explicada pela participao donitrognio na forma de carbonitretos complexos o que permite aumentar a dureza, porem, aestrutura fica de menor resistncia quando exposta ao ensaio de impacto.

Outro problema srio que afeta a integridade das unies soldadas so as trincas deliquao observadas na ZTA e outras descontinuidades nos cordes de solda, conformeapresentado a seguir.

4.4. Microestrutura e defeitos de soldagem

Atravs da Figura 5 pode-se observar a microestrutura tpica completamente austenitica,com maclas dessa estrutura cristalina.

Grfico de Tenacidade

0

6

12

18

24

30

36

Ten

acid

ade

(Kg

-m/c

m2 )

METBASE

SAMR1

MIG1

SAMR2

MIG2

MB ER1 MIG1 ER2 MIG2

Figura 5. Microestrutura do metal de base AISI 904L.

Na Figura 6 pode-se observar a estrutura tpica de solidificao da soldagem comeletrodo revestido e processo MIG com consumvel tipo 904L, onde coexistem as morfologiascolunar dendrtica e celular dendrtica na regio central do cordo de solda.

a bFigura 6. Microestrutura de solidificao a) microestrutura da soldagem com ER1, b)

microestrutura da soldagem com MIG1.

Os procedimentos de soldagem adotados permitiram evitar trincas de solidificaodurante a soldagem nos cordes de solda. Entretanto, em todas as soldas realizadas pelos doisprocessos, foram detectadas trincas de liquao. Como ilustrado na Figura 7 observa-se asmicrotrincas, que tem entre 150 e 200 m de extenso alongando-se intergranularmente entrea zona de ligao e a ZTA de gros grosseiros.

a bFigura 7. Microestrutura da zona de ligao mostrando a formao das microtrincas de

liquao, a) Soldagem com eletrodo revestido ER1 e b) soldagem MIG 2.

A formao de trincas de liquao atribuda ao crescimento de gros na ZTA e aoelevado teor de molibdnio (4 a 4,8 %), que favorece a segregao ao longo da rea reduzidados contornos de gros, levando a formao de filmes lquidos locais.

Entre as recomendaes para minimizar ou eliminar a incidncia das trincas de liquaona unio soldada, alm de realizar a solda com baixa energia de aporte, preaquecer osubstrato (200 oC), tal recomendao foi posta em prtica com sucesso, no ocorrendo trincasde liquao em corpos de prova mantendo em 100 oC a temperatura de interpasse entre cadacordo de solda, isto foi possvel pela reduo das tenses trativas na fase de resfriamentodurante a soldagem.

5. CONCLUSES.

Pelos resultados obtidos, conclui-se que o procedimento de soldagem permitiu evitar astrincas de solidificao durante a soldagem, sendo que para a eliminao das trincas deliquao foi necessrio realizar preaquecimento do metal de base.

Com relao s propriedades mecnicas, pode-se concluir que as unies soldadas pelosdois processos so adequadas quando solicitadas na trao, porm a tenacidade fica reduzida.

REFERNCIAS

[1] Rabensteiner G. 1985. The welding of austenitic CrNi stainless with high Mo-content forseawater applications. Doc. IIS/Iiw-800-84. Publ. In Welding in the world, Vol. 23.

[2] Liljas M.. 1985. Ulandender A, and Holmerg B. Welding of high molybdenum austeniticstainless steel. Metal construction.

[3] Thomas R.D., JR, and Workman. 1986. Weld Surfacing a Distillation Columns with 904LStainless Steel. Welding Journal, August.

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de aos inoxidveis austenticos com elevados teores de molibidnio, Anais XV EncontroNacional de Tecnologia de Soldagem.

[6] Bilmes P.D.; Gonzales C.; Llorente C.L.; Solari M.J. 1992. Metalurgia de la Soldadura yguias de la soldabilidad de los aceros inoxidables austeniticos. Anais III CongressoIberoamericano de Soldagem.

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Propriedades. Ed. Hemus, Printed in Brazil.[9] Rojas M., Rojas E., Corts R.. 1992. Estudio y soldabilidad del acero inoxidable AISI

904L. Projeto para obtener el titulo de Ingeniero Mecnico. UTA Arica Chile.[10] NACE Standard MR 0175-1990 Standard Materials Requirements Sulfide Stress

Cracking Resistant Metallic Materials for Oilfield Equipment.

CRACKING OF SOLIDIFICATION AND LIQUATION OF STAINLESS STEELSUPERAUSTENITIC AISI 904L WELDED FOR ELECTRIC ARC.

Abstracts. This work presents a study on the weldability of AISI 904L, type 25 Ni 20 Crsuperaustenitic stainless steel, with additions of Molybdenum and Copper. This type of steel isresistant to highly aggressive and corrosive medium and according to literature data they aresusceptible to solidification cracking and liquation during welding. To evaluate the crackingsolidification susceptibility, samples were prepared by two welding processes: shielded metalarc welding and semi-automatic MIG welding. Different processing parameters wereevaluated in both welding processes. Microstructural analysis was performed by optical andelectron microscopy (SEM) where particular emphasis was given on the evaluation of thesolification cracks and on the thermally affected zone. Results showed that for the twowelding processes studied, hot solidification cracks were not observed during welding even

after solidification on the melted region. However, liquation cracks that disappeared whenthe substrate was pre-heated were identified on the thermally affected zone. It can beconcluded that the welding procedures used in shielded metal arc welding and semi-automatic MIG welding prevented the occurence of solidification cracks and that pre-heatingthe substrate was fundamental for the prevention of liquation cracks.

keywords: superaustenitic stainless steel, cracking of solidification, cracking of liquation