Avaliação da Soldabilidade do Aço Sincron EN 10025-4 S355M ... · com consumível de 1,2 mm de...

Soldagem & Inspeção.2017;22(4):413-428http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/SI2204.12

Artigos Técnicos

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Recebido: 16 Nov., 2017 Aceito: 25 Jan., 2018

E-mail: [email protected] (TMDB)

a Trabalho apresentado no XLIII CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem, 06 a 09 de Novembro de 2017 Joinville-SC, Brasil.

Resumo: A busca de soluções em melhoria da produtividade tem sido a tônica nas relações entre a siderurgia e os fabricantes de torres eólicas. Nesse sentido, a Usiminas, após a implantação da tecnologia CLC (Continuous on-Line Control), tem realizado diversos projetos de desenvolvimento de produtos e aplicação dos aços estruturais TMCP (Thermo-Mechanical-Control-Process) com características mecânicas e metalúrgicas diferenciadas em relação aos aços convencionalmente utilizados pela indústria brasileira, em especial pelos fabricantes de torres eólicas. Devido à importância que os processos de soldagem representam na fabricação de torres eólicas, estudos de soldabilidade são importantes para a elaboração de procedimentos e a seleção adequada dos aços e consumíveis que permitam o aperfeiçoamento das etapas de soldagem. Nesse contexto, este trabalho visou avaliar comparativamente as propriedades mecânicas e a caracterização microestrutural da região soldada do aço Sincron EN 10025-4 S355M, produzido pelo processo TMCP, e ASTM A572 grau 50, produzido por laminação convencional, ambos soldados pelo processo SAW Tandem Arc, empregando aportes de calor superiores aos comumente utilizados na soldagem convencional dos tramos metálicos. De acordo com os resultados obtidos, foi possível obter juntas soldadas SAW Tandem Arc com excelentes propriedades mecânicas e tenacidade, especialmente quando empregado o aço Sincron EN 10025-4 S355M, em conjunto com a combinação arame/fluxo OK Autrod12.22/OK Flux 10.72. Os procedimentos de soldagem avaliados neste trabalho podem ser uma excelente referência para o aumento da produtividade na fabricação de torres eólicas, com a redução de passes nas soldas longitudinal e circunferencial das virolas.

Palavras-chave: Aço TMCP; SAW tandem arc; Energia eólica; Zona afetada pelo calor; EBSD.

Weldability Evaluation of Sincron EN 10025-4 S355M Steel Applied in Wind Tower Manufacturing Welding with High Efficiency ProcessAbstract: The search for solutions to improve productivity has been the emphasis in relations between the steel industry and the wind tower manufacturers. In this sense, Usiminas, after the implementation of CLC technology (Continuous On-Line Control), has conducted several development projects and implementation of structural steel TMCP (Thermo-Mechanical-Control-Process) with mechanical and metallurgical characteristics differentiated in relation to steels conventionally used by Brazilian industry, especially the wind tower manufacturers. Because of the importance of the welding processes in the manufacture of wind towers, weldability studies are important for the development of procedures and the proper selection of steels and consumables enabling the improvement of welding activities. In this context, this work has the objective of comparative evaluate the weldability of steel Sincron EN 10025-4 S355M (TMCP steels) and ASTM A572 grade 50 (Normalizing steels), when welded by SAW Tandem Arc process using heat inputs higher than those commonly used in wind turbine manufacturing. The results obtained showed that is possible to obtain SAW Tandem Arc welded joints with excellent results for mechanical properties and toughness when employed especially Sincron EN 10025-4 S355M steel, together with combination wire/flux OK Autrod12.22/OK Flux 10.72. The welding procedures evaluated in this work can be an excellent way to increase the productivity in the manufacture of wind towers decreasing the number of pass in longitudinal and circumferential welds.

Key-words: TMCP Steel; SAW tandem arc; Wind power; Heat affected zone; EBSD.

Avaliação da Soldabilidade do Aço Sincron EN 10025-4 S355M Aplicado na Fabricação de Torres Eólicas com Processo de Soldagem de Alta Deposiçãoa

Tadeu Messias Donizete Borba1, Rodrigo Sanches Oliveira2, Hugo Reis Gama2, Marília Faria de Oliveira Caizer1, Leonardo de Oliveira Turani3

1 UsinasSiderurgicasdeMinasGeraisS.A–USIMINAS,CentrodePesquisa&Desenvolvimento,Ipatinga,MG,Brasil.2 ElektriskaSvetsningsAktieBolaget–ESAB,AssistênciaTécnica,Contagem,MG,Brasil.3 UsinasSiderurgicasdeMinasGeraisS.A–USIMINAS,AssistênciaTécnica,BeloHorizonte,MG,Brasil.

Borba et al.

414 Soldagem & Inspeção.2017;22(4):413-428 414/428

1. Introdução

Ageraçãodeenergiaelétricaatravésdaconversãodaenergiacinéticadosventos(energiaeólica)éumatecnologia muito utilizada por diversos países por necessitar de baixos investimentos para implantação e para manutençãoemrelaçãoàsusinashidrelétricasenucleares,eporserumafontedegeraçãorenovávelelimpa,independentedautilizaçãodecombustíveisfósseis.

Impulsionadoporincentivosfederais,comdestaqueparaopioneirismodoPROINFA(ProgramadeIncentivoàsFontesAlternativasdeEnergiaElétrica)[1],oBrasilsócomeçouaexploraressaformadegeraçãodeenergia,de formaexpressiva,apartirde2009,principalmentedevidoàreduçãodosníveisdosreservatórioshídricosocorridosnosúltimosanos.Apartirdesseperíodo,aenergiaeólicatemexperimentadoumexponencialevirtuosocrescimentonoBrasil.SegundoaABEEOLICA(AssociaçãoBrasileiradeEnergiaEólica) [2], atualmente o Brasil possuiemoperação400usinascommaisde5milaerogeradoreseumacapacidadeinstaladaparaageraçãode9,4GW/ano,representando7%damatrizenergéticabrasileira.AmaiorgeraçãodeenergiaeólicaseconcentranasregiõesNordesteeSul,sendooRioGrandedoNorte,Bahia,CearáeRioGrandedoSulosestadoscommaiorcapacidade instalada, Figura1(a).

Paraospróximos2anos,estãoprevistosmaisde7bilhõesdedólareseminvestimentosparaodesenvolvimentodemais175parqueseólicos.Estima-sequeoBrasilsetorne,até2020,osextomaiorprodutordeenergiaeólicadomundo,ficandoatrásdaChina,EUA,Alemanha,ÍndiaeEspanha[2].

Figura 1.Mapadosetoreólicobrasileiroaté2016(a)eilustraçãodeumaerogeradoredasprincipaisetapasdafabricaçãodeumtramoparatorreseólicas(b).AdaptaçãoPROINFA[1] e ESAB [3].

Apesardosgrandesinvestimentoseincentivosparaodesenvolvimentodosetoreóliconacional,aindaexisteumagrandenecessidadededesenvolvimentonasdiversastemáticasdosetor,principalmentenatecnologiadefabricaçãodeaerogeradoresedemateriais,embuscademelhordesempenhodefabricação.NoBrasil,maisde60%dosinvestimentosdeumparqueeólicosãodestinadosàfabricaçãodosaerogeradores[4],sendode20a25%deste custo destinado à construção das torres [4], que são na grande maioria do tipo cônicas de aço, podendo utilizar,dependendodesuaaltura,de100a200ton.deaçoparaasuaconstrução.

Torres de aço cônicas envolvem basicamente operações de caldeiraria e corte das chapas, dobramento e váriasoperaçõesdesoldagem.Astorressãoproduzidasem3ou4segmentos,denominadosseçõesoutramos.

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Avaliação da Soldabilidade do Aço Sincron EN 10025-4 S355M Aplicado na Fabricação de Torres Eólicas com Processo de Soldagem de Alta Deposição

Cadatramoéproduzidopelauniãode,geralmente,5a6virolasdeaproximadamente3metrosdecomprimentocada.Tantoparaasoldagemlongitudinal,utilizadanafabricaçãodasvirolas,quantoparaasoldagemcircunferencial,aplicadanauniãoentrevirolas,éutilizadooprocessodesoldagemaarcosubmerso(SAW),Figura1(b).

Dessaforma,aUsiminaseaESAB,vêmrealizandoestudosparaodesenvolvimentodaengenhariadeaplicaçãodeaçoseconsumíveisparaomercadoeólico,otimizandoasváriasetapasdafabricaçãodostramosmetálicosemelhorandoaprodutividadedafabricaçãodessasestruturasmetálicas.Nessecontexto,estetrabalhovisouavaliarodesempenhodosaçosestruturaisS355MeASTMA572grau50,de40mme38mmdeespessura,respectivamente,quandosoldadospeloprocessoSAWcomaadiçãodedoisaramesenergizados(SAWTandem Arc)empregandoaportesdecalorsuperioresaoscomumenteutilizadosnasoldagemconvencionaldostramosmetálicos.

2. Materiais e Métodos

2.1. Materiais

Nesteestudo,foramavaliadoscomometalbase(MB)osaçosestruturaisprocessadosemescalaindustrial:(i)(SincronS355M):materialqueatendeosrequisitosdanormaEN-10025-4S355Mproduzidovialaminaçãocontroladaseguidaderesfriamentoacelerado(Thermo Mechanically Controlled Processed-TMCP)e;(ii)(A572):materialqueatendeosrequisitosdanormaASTMA572grau50produzidoporlaminaçãoconvencionalseguidode tratamento térmicodenormalização.Acomposiçãoquímica realizadaviaespectroscopiaótica,oaspectomicroestruturalapósataquecomreativonital4%,easpropriedadesmecânicasdessesmateriaisseencontramna Tabela 1, Figura 2, e Tabela 2, respectivamente.

Tabela 1.ComposiçãoquímicadosaçosSincronEN-10025-4S355MeASTMA572grau50(%p/p).

Aço C Mn Si P S Al

Sincron S355 M 0,08 1,51 0,24 0,012 0,002 0,042A572 0,17 1,46 0,34 0,022 0,008 0,033

Ca N Cu + Ni + Cr Nb + V + Ti Ceqa

Sincron S355 M 0,0015 0,0052 0,050 0,031 0,34A572 0,0010 0,0030 0,039 0,059 0,42

aCeq=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5[5].

Tabela 2.ValoresdepropriedadesmecânicasdeterminadosemtraçãodosaçosSincronEN-10025-4S355MeASTMA572grau50.

Aço Limite de Escoamento (MPa)a Limite de Resistência (MPa)a Alongamento (%)b

Sincron S355 M 451 ± 11 534 ± 11 30 ± 2Especificação ≥345 470 - 630 ≥21

A572 430 ± 9 563 ± 9 23 ± 4Especificação ≥345 ≥450 ≥21

avalormédiodeterminadoapartirdoensaiodetrêscorposdeprova.bBasedeMedida=50mm.

AsmicroestruturascaracterísticasdosaçosSincronS355MeA572podemserobservadasnaFigura 2. O aço A572apresentaumbandeamentomicroestruturaldeferritapoligonaleperlita.NocasodoaçoSincronS355M,percebe-seapresença,emmaiorquantidade,debainitae,emmenorquantidade,deferritapoligonalefinosnódulosdeperlita,bemmaisrefinadasdoqueosconstituintesobservadosnoaçoA572.

OrefinamentomicroestruturaldoaçoSincronS355Mpodeseratribuídoaoefeitocombinadodosparâmetrosdelaminaçãocontroladaedoresfriamentoaceleradoque,associadosàcomposiçãoquímica,afetamsignificativamenteosprodutosdetransformaçãodaaustenita.Comojádemonstradoemdiversostrabalhos[6-8],esserefinamentoestruturalproporcionaumaexcelentecombinaçãoderesistênciamecânicacomelevadosvaloresdetenacidade.

Borba et al.


2.2. Confecção e caracterização das juntas soldadas

AsinformaçõestípicasdosconsumíveisempregadosnasoldagemestãoapresentadasnaTabela 3. Como metaldeadição,foiusadaacombinaçãofluxoeeletrodosegundoaclasseAWSA5.17–F7A8-EM12Kde5,0mmdediâmetro.Ofluxoempregadofoiespecialmentedesenvolvidoparaasoldagemdetorreeólicaeédotipoaglomeradoneutro/básico,quepossibilitaadeposiçãodeummetaldeelevadatenacidadeabaixastemperaturas.Paraasoldagemdasduasamostras,foiutilizadoumchanfrosimétrico,duploV,comângulode80°e5mmdenariz.Nasduasjuntas,foirealizadoumpassedeselagemempregandooprocessodesoldagemMAG(Metal Active Gas)comconsumívelde1,2mmdediâmetroAWSSFA5.18ER70S-6.Nãofoiutilizadopreaquecimentoeatemperaturaentrepassesfoimantidaabaixode250°C.

Figura 2.Microestrutura(aeb),distribuiçãodotamanhodegrãoferrítico(c)efraçãovolumétricadosconstituintesmicroestruturaisdosmetaisbaseavaliados(d).Ataque:Nital4%.

Tabela 3.Composiçãoquímicaevaloresdepropriedadesmecânicastípicosdosconsumíveisutilizados[9].

Comercial Classe AWS C Si Mn LE (MPa)

LR (MPa)

AL(%)

CVN(J)

Ok Autrod 12.51 (selagem) ER70S-6 0,8 0,90 1,50 470 560 25 70 (-20°)OK Autrod 12.22 (eletrodo)

F7A8-EM12K 0,05 0,30 1,50 415 500 30 50 (-62°)OK Flux 10.72 (fluxo)

GásAr+20%CO2.

Paraaperfeiçoarasetapasde soldagemutilizadasna fabricaçãodos tramosmetálicos foipropostaaalteraçãodoprocedimentodesoldagem,deformaareduzironúmerodepassesdesoldadepositados.Paraisso,foiconfeccionada,paracadatipodeaço,umajuntasoldadapeloprocessoSAW Tandem arc empregando aporte



decalor superioraoscomumenteutilizadospelos fabricantesde torreseólicas.Osparâmetrosdesoldagemutilizados neste trabalho estão apresentados na Tabela 4(Tandem arc procedimento otimizado)ondetambéméapresentado,apenascomoinformação,oprocedimentodesoldagemconvencional(Tandem arc procedimento convencional)quenãofoiavaliadonesseestudo.

Tabela 4.ParâmetrosdesoldagemTandem Arc, procedimentos convencional e otimizado.

Lado do Chanfro Passe Corrente

(A)Tensão

(V)Velocidade

(cm/min)Aporte de

Calor (kJ/cm)Deposição

(kg/h) Geometria do Chanfro

Proc

edim

ento

de

Sold

agem

Con

venc

iona

l Selagem MAG 270 27 40 12

20,3Externo

1°800a 34a

75 42700b 36b

2° - 5°750a 34a

75 41720b 35b

Interno1°

900a 33a

50 6021,2

580b 35b

2° - 4°750a 34a

75 41720b 36b

Lado do Chanfro Passe Corrente

(A)Tensão

(V)Velocidade

(cm/min)Aporte de

Calor (kJ/cm)Deposição

(kg/h) Geometria do Chanfro

Proc

edim

ento

de

Sold

agem

Oti

miz

ado

Selagem MAG 278 27 34 12

25,3Externo

1°1000a 32a

45 71800b 34b

2°1000a 32a

45 71800b 34b

Interno1°

950a 33a

60 5325,3

800b 34b

2°1000a 32a

43 87900b 34b

afonteretificadoradecorrentecontínua.bfontedecorrentealternadadeondasquadrada.

Apósasoldagem,realizou-seanálisemacrográficadeseçãotransversalàsolda,emamostrasatacadascomreativoquímiconital4%.Nestamesmaseção,foirealizadoomapeamentodedurezaVickerscomcargade1kgfedistânciaentreimpressõesde0,35mm,tantonadireçãoverticalquantonahorizontal,deformaaevidenciaravariaçãodedurezaprovocadapelociclotérmicodesoldagem.Aanálisemicroestruturaldasjuntassoldadastambémfoirealizadaapartirdaseçãoutilizadanaanálisemacrográfica.Paraisto,selecionou-seumaregiãodoladoexternodajunta,emqueometalbasefoiafetadopelociclotérmicodeumúnicopasse.Foiavaliada,viamicroscopiaótica(MO)eapósataquequímicocomreativonitala4%,somentearegiãodegrãosgrosseiros(RGG)dazonaafetadapelocalor(ZAC).

AmicroestruturadaZACtambémfoicaracterizadaemtermosdeorientaçãocristalográficasutilizandoummicroscópioeletrônicodevarreduracapazderealizaranálisedeDifraçãodeElétronsRetroespalhadosEBSD-Electron backscatter diffraction.Paratal,asamostrasforampreparadasviapolimentoconvencionalseguidodepolimentomecânicoautomáticoemsoluçãocontendopastadediamantede0,1µmesílicacoloidal.Asanálisesforamrealizadasposicionandoasamostrasaumadistânciadetrabalhode17,5mmecomumângulodeinclinaçãode70°emrelaçãoaofeixedeelétronsincidentee20kVdetensão.

Oselétronsretroespalhadosgerampadrõesdedifraçãoquesãocapturadosporumateladefósforoposicionadanointeriordacâmaradevácuoetransmitidosàumacâmera(fabricanteHKL)osquaissãoprocessadosatravésdosoftwareHKLfast acquisition 2007ecomparadoscomospadrõesderaiaspré-estabelecidosdeKikuchi(padrãodedifraçãodoselétronsretroespalhados).

Borba et al.


Paracadajuntasoldada,foramensaiados4corposdeprova(CPs)detraçãoe2CPsdedobramentoretiradosdoladointernoeexternodochanfro.Acondiçãodedobramentoutilizadafoide4E-180°,sendoEaespessuradachapae4Eoraiodedobramento.OsCPsparaestesensaiosforamconfeccionadossegundoocódigoASME,seção IX [10],eensaiadoscombasenanormaASTMA370[11].OsensaiosdeimpactoCharpy-Vforamrealizadosem5CPsdotipofull size,(10×10×55)mm,retiradosa1/4daespessura,eensaiadosdeacordocomanormaASTMA370[11].Osentalhesforamposicionadosnometaldesolda(MS),linhadefusão(LF)+1mmeLF+5mm,retiradosdeumdosladosdochanfro.OsCPsdoMSedaZACforamensaiadosnastemperaturasde-20e-30°C,respectivamente.

3. Resultados e Discussão

3.1. Caracterização metalográfica e mapeamento de dureza das juntas soldadas

Oaspectomacrográficodasjuntassoldadas,comoslocaisondeforamrealizadasasanálisesmicroestruturaisviaMOeEBSD,assimcomoosresultadosdoensaiodomapeamentodedurezaVickerssãoapresentadosnaFigura 3.Épossívelobservarqueospassesderaizapresentaramboapenetraçãoeasjuntasestavamisentasdedefeitos,comprovandoqueosparâmetrosdesoldagemaplicadosforamapropriados.

Figura 3.AspectomacrográficodaregiãodesoldadasjuntasSAWtandem arcdosaçosSincronS355MeA572emapeamentodedurezaVickerscomcargade1kgfedistânciade0,35mmentreimpressões.



OmapeamentodedurezaéextremamenteútilparaestimarasvariaçõesdepropriedadesaolongodaZACedometaldesolda(MS),umavezqueosvaloresdedurezapodemserempiricamentecorrelacionadoscomaresistênciamecânicaecomasusceptibilidadeàocorrênciadetrincasinduzidaslocalmenteporhidrogênio.Observa-se,nocasodajuntasoldadadoaçoA572,queometaldesoldaapresentavaloresdedureza(170–210HV)próximosaometalbase(175-212HV),indicandoquearesistênciamecânicadasoldaématched(MScomresistênciapróximaaoMB).JánocasodajuntasoldadadoaçoSincronS355M,ometaldesolda(178–205HV)éovermatched(MScomresistênciasuperioraoMB)emrelaçãoaometalbase(158–178HV).

Asregiõesdemaioresvaloresdedurezanocordãodesolda,tantoparaajuntaSincronS355MquantoparaajuntaA572,estãolocalizadasnaraizdasolda,aqualfoirealizadacomeletrodoOKAutrod12.51,quepossuimaioresteoresdecarbonoevaloresdepropriedadesmecânicas,Tabela 4,alémdisso,essaéaregiãoondesofreumamaiorvelocidadederesfriamentoequalitativamenteumamaiordiluiçãodoMS,favorecendo,especialmenteparaajuntadoaçoA572,aformaçãodeestruturasdemaiordureza.Asregiõescommenoresvaloresdedureza(140–150HV)nocordãodesoldadasduasjuntasavaliadasestãoassociadasazonasafetadaspelocalornocordãodesolda(ZACMS)esãoreferentesaospassesdepositadosdoladointernodochanfro.Essasregiõesamaciadas,claramente evidenciadas na Figura 3,sofreramreaquecimentodevidoàdeposiçãodopassesubsequentedoladoexternodochanfro,provocandoseurefinamentoerevenimentomicroestrutural.Demodogeral,areduçãodaestruturabrutadefusãodecorrentedasolidificaçãodopasseanterior,provocaaquedadedurezaeaumentaatenacidade a baixa temperatura do metal de solda [12].

Épossívelobservarquetodososvaloresdedurezaestãobemabaixode350HV,sugerindoqueosdoisaçosavaliadospossuembaixasusceptibilidadeàocorrênciadetrincasafrioinduzidasporhidrogênionaZAC[13-15]. Analisando a Figura 3épossívelevidenciarqueaRGGdajuntaASTMA572grau50(áreascomtonalidadesamarelase vermelhas da Figura 3)apresentou,praticamenteaolongodetodaasuaextensão,comexceçãodasregiõesreaquecidas,valoresdedurezamuitosuperiores(240–260HV)aosvaloresdedurezadometalbase.JáparaoaçoSincronS355Mobserva-sequeessadiferençaentreosresultadosdedurezadaRGGedoMBtambémexiste,porém,nãoétãoexpressiva.OaçoA572possuimaioresvaloresdecarbonoedecarbonoequivalentee,portanto,émaissensívelaosciclostérmicosdesoldagemutilizadosnestetrabalho.

Oprocedimentodesoldagemaplicadonafabricaçãodostramosmetálicosdevelevaremcontaascondiçõesquefavorecemaresistênciaàfadigadatorreeólicaqueconstantementesofresolicitaçõescíclicas.Paraisso,nãobastasomenteaaplicaçãodemetalbaseeconsumíveisdesoldaquepossuemelevadaresistênciamecânica,mastambémadotarprocedimentosdesoldagemquepossibilitemadeposiçãodecordõesdesoldacomgeometriaideal,deformaaminimizaraformaçãodeconcentradoresdetensões,comoporexemplooformatodopédocordão [16,17].SegundoanormaISO5817:2003 [18],oângulodopédocordãodevesermaiorque150°que,nocasodasjuntasdestetrabalho,comopodeservistonaFigura 3,atenderamaesserequisito.Casocontrário,recomenda-seseguirasorientaçõescitadasnaseção8.4danormaAWSD1.1-2010[19]paramodificaroperfildocordãodesoldacomo,porexemplo,aplicandoosmétodosderetificaçãoouderefusão(pelosprocessosdesoldagemaTIGe/ouaplasma).

Na Figura 4sãoapresentadasasmicroestruturastípicasdoMSdasduasjuntassoldadas.Aidentificaçãoviamicroscopiaótica(MO)dosdiferentesconstituintesdazonafundidafoirealizadasegundoosistemadeclassificaçãodoInstitutoInternacionaldeSoldagem(IIW)[20].

Demaneirageral,emtermosmicroestruturais,a regiãoMSdasduas juntas soldadasapresentouumamicroestruturapredominantedeferritadecontornodegrão(FG),perlita(P)eferritaacicular(FA).Qualitativamentefoiobservada,paratodasasjuntassoldadas,umamaiorquantidadedeFA,comsuatípicamorfologiadeagulhasnucleadas a partir de inclusões [21],emrelaçãoaosdemaisconstituintes. Jáas regiõesdoMSquesofreramaquecimento acima da temperatura Ac1devidoaociclo térmicodopassede solda subsequente (ZAC-MS),apresentaramumrefinamentodaestruturagrosseiradoMS,formandoferritaequaxial(F)eperlitafina(P)oque,normalmente, melhora a tenacidade dessa região.

Amicroestruturadocordãodesoldaéinfluenciadapelaestruturaprimáriadesolidificação,pelotamanhodegrãodaaustenitaprévia,peladistribuiçãoetipodeinclusõesnãometálicas,peloteordosdiferenteselementosdeligaepelociclotérmicodesoldagem.Aalteraçãodequalquerumadessasvariáveisafetaráasdemais,tornandoaprevisãodamicroestruturafinaldoMScomplexaquandoanalisadaainfluênciadeapenasumdessesfatores[13].

Borba et al.


Na Figura5sãoapresentadasasmicroestruturasidentificadasnaregiãodegrãosgrosseiros(RGG)daZACdasjuntassoldadasavaliadas.Estaanáliseconcentrou-seemregiõesquenãosofreramreaquecimentoemfunçãodeciclotérmicodeoutrospassesdesoldaconformeindicadonaFigura 3.AidentificaçãoviaMO,dosdiferentesconstituintesfoirealizadasegundoosistemadeclassificaçãoThe Welding Institute(TWI)[22].Verificou-senasduasjuntasqueamicroestruturaseapresentamaisgrosseirapróximaàlinhadefusãoeàmedidaqueseafastatorna-semaisrefinada.Deformageral,observa-se,próximoalinhadefusão,umaumentodogrãodaaustenitapréviadevidoàaltatemperaturadepicoatingidanessaregião,acimade1100°C,eapresençademicroestruturasmaisgrosseirasedemaiortemperaturadetransformação,favorecidaspelamenorvelocidadederesfriamentoproporcionadapelosaportestérmicosempregadosnaconfecçãodasjuntasemquestão.

AanálisemetalográficaqualitativaaolongodaRGGdasduasjuntassoldadasreveloudiferentesproporçõesdosmesmosconstituintesmicroestruturaisentreosaçosavaliados.NaRGGdoaçoSincronS355Mobserva-seferritadecontornodegrão(FG)e,emalgumasregiões,pequenosnódulosdeperlita(P)eferritapoligonal(FP)noscontornosdegrãosdaaustenitaprévia(CGγp),eferritacomsegundafasealinhada(FSA)enãoalinhada(FSN)nointeriordosgrãos.JáaRGGdoaçoA572(Figura6(a)),émaisextensa,comFGePnosCGγp,enoseuinteriorFSAeFSN.ÉevidentequeasmicroestruturasdaRGGdoaçoSincronS355MsãomaisgrosseirasqueosconstituintesdaRGGdoaçoA572.OaçoTMCP,emfunçãodeseumenorteordecarbonoevalordecarbonoequivalente,apresentao iníciode transformaçãoemtemperaturasmaiselevadasqueoaçoconvencional,favorecendoocrescimentoe,dessaforma,oalargamentodasripasdaferritaFG,FSAeFSN.NocasodoaçoA572,devidoaomaiorteordecarbono,observa-seumamaiorquantidadedesegundafaseentreasripasdasFSAeFSN,asquaispodemsercarbonetos,martensitaemartensita/austenitaretida(M-A),quetemsuaformaçãofavorecidaemfunçãodasbaixasvelocidadesderesfriamento,oqueéocasodasoldagemcomelevadoaportedecalor.Porém,essadiferenciaçãosóépossívelatravésdeanáliseviamicroscopiaeletrônicadetransmissãoouviaataquemetalográficoeletrolítico,quenãoforamrealizadosnesteestudo.OutradiferençasignificativaentreasRGG dos aços avaliados, principalmente nas Figuras6(b),équeotamanhodegrãodaaustenitaprévia,quepodeserestimadapelaposiçãodasFG,équalitativamentemaiornaZACdosaçosA572doquenaZACdosaçosSincronS355M.OmenortamanhodegrãodaaustenitapréviaassimcomoamenorextensãodaRGGdosaçosS355M

Figura 4.MicroestrturadoMS.Ataquenital4%.



Figura 5.Microestruturanaregiãodegrãosgrosseiros(RGG).Ataquenital4%.RGR:Regiãodegrãosrefinados;MS:Metaldesolda;LF:Linhadefusão.

Figura 6.ResultadosdetraçãodasjuntassoldadasdosaçosSincronS355MeA572.

Borba et al.


esta associado à presença de precipitados de TiN homogeneamente distribuídos e coerentes com a matriz do MB,osquaisdificultamamigraçãodoscontornosdegrãodevidoaoefeitopinning [21]emregiõesdaZACondea temperatura de pico não supere a temperatura de dissolução dos mesmos.

3.2. Ensaios de tração e de dobramento

TantoajuntadoaçoSincronS355MquantoàdoaçoA572nãoapresentaramtrincasnaregiãodocordãodesoldaduranteoensaiodedobramento,comprovandoaausênciadedefeitoseaboaductilidadedoMS.

OsresultadosobtidosnosensaiosdetraçãodasjuntassoldadaspodemserobservadosnaFigura6. A linha vermelhacontínuaindicaovalorespecificadoparaolimitedeescoamento(LE)que,paraambososaços,devesermaiorque345MPa.Jáalinhavermelhapontilhadamarcaovalorespecificadoparaolimitederesistência(LR)que,paraocasodosaçosSincronEN10025S355M,correspondeàfaixade470MPaa630MPa,eparaoaçoASTMA572grau50devesersuperiora450MPa.

OúnicorequisitoespecificadoparaasjuntassoldadasnoensaiodetraçãoéqueoLRatendaaovalorespecificadopara o metal base [23]. Os valores de limite de escoamento apresentados na Figura6sãoapenasinformativos.EssecritériofoiatendidoparatodososCPsensaiados,comomostradonaFigura6.TodasasfraturasocorreramnoMB,nocasodajuntasoldadadoaçoSincronS355M,enoMS,nocasodasjuntassoldadasdoaçoA572.

Umajuntasoldadapodeserconsideradacomosendoumconjuntodediferentes“materiais”,MS,ZACeMB,apresentandoumaheterogeneidademecânicaemicroestrutural[24]aolongodesuaseção,comojáevidenciadono mapeamento de dureza da Figura 3.Oefeitoda interaçãodaspropriedadesdessasdiferentesregiõesnaspropriedadesdeumaestruturasoldadarealédifícildesermensuradoeosCPstradicionaisparaqualificaçãodeprocedimentosdesoldagemnãosãocapazesdeevidenciarainteraçõesdetaisregiões.Dessaforma,essaheterogeneidadenãoéconsideradanomomentododesenvolvimentodoprojetodeumaestruturasoldada,sendoutilizada,namaioriadoscasos,umaabordagembastanteconservadora.Ressalta-seque,nasúltimasdécadas,váriospesquisadoresvêmtrabalhandoprincipalmentecomumavisãodamecânicadafratura,comdiferentesferramentascomoamodelagemcomputacionaleutilizaçãodeCPsdediferentesconfiguraçõesparadiferentestiposdeensaiosparatentardeterminaroefeitodetalheterogeneidadenaspropriedadesdasjuntassoldadasena integridade de uma estrutura real [25,26].

3.3. Ensaios de impacto Charpy-V

Comrelaçãoaoensaiode impactoCharpydas juntas soldadas,osvaloresdeenergiaabsorvidadevemsatisfazeraosmesmosrequisitosespecificadosparaometalbase(34Ja-30°C).Osresultadosobtidosatenderamaessesrequisitos,conformeilustradonaFigura7.

Todososresultados,independentedotipodeaço,foramsuperioresaomínimoespecificadoparaosmateriaisavaliados.TodososCPscomentalhenoMStambémforamsuperioresa34J.Pode-sedizerqueosexcelentesvaloresobservadosnoMSforamemfunçãodamaiorfraçãodeFAemrelaçãoaFG,evidenciadonaFigura 4.Aferritadecontornodegrãoqueéprejudicialàtenacidadeabaixastemperaturasporapresentarpacotesgrosseirosecontornosdebaixoângulocomoseráevidenciadonaseção3.4atravésdaanaliseviaEBSD.NãoforamobservadasdiferençassignificativasentreosresultadosdoMSdajuntadoaçoSincronS355MedajuntadoaçoASTMA572grau50,comprovandoqueacombinaçãodeconsumíveisutilizadaéapropriadaparaambososmateriais.

OsresultadosdeensaioCharpy-VdaZAC,geralmenteapresentamumamaiordispersãoemfunçãodasuanaturezaheterogênea[27], principalmente no caso dos CPs amostrados na LF + 1 mm, Figura7, propiciando a amostragemdediferentesregiõescomoZAC,MBeMSaolongodoentalhedeummesmoCPCharpy,etambémdevidoapoucaagudezdoentalhe,sendoumtestepoucosensívelàsdiferenteszonasdaZAC[27].SegundoKudohe Pisarski [28],aenergiaabsorvidaemCPsCharpycomumadistribuiçãoheterogêneademicroestruturasaolongodoentalheédominadapelaregiãodemenortenacidade,quandoestaocupamaisde30%doentalhe.

OsmaioresvaloresdetenacidadeforamobservadosparaasjuntassoldadasdoaçoSincronS355M.Issosedeveprincipalmenteaomenortamanhodegrãodaaustenitapréviaeaosmenoresteoresdecarbonoevaloresdecarbonoequivalente,queproporcionamaformaçãodeconstituintesdemenordurezanaZAC,Figura 3, e a formaçãodeumamenorquantidadedesegundafasedosconstituintesFSAeFSN.Segundoaliteratura[21,27], FSAeFSNsãoconstituintesfrágeis,principalmentequandoassociadosagrandestamanhosdegrãosdaaustenita



Figura 7.MapeamentodedurezanolocaldaamostragemdosCPsdeimpactoCharpy-VeosrespectivosresultadosdeenergiaabsorvidosnoMS(-20°C)edaZAC(-30°C).

prévia,devidoaosseuscontornosdebaixoânguloenãoproporcionamimportantesdesviosnafratura,gerandofacetasdeclivagensplanas,asquaisreduzematenacidadedomaterial[14].

3.4. Características cristalográficas da região soldada

OciclotérmicodesoldagemprovocatransformaçõesmicroestruturaiscomplexasnoMBresultandoemumaheterogeneidadedepropriedadesmecânicasaolongodaZAC.AsdiferentesmicroestruturasformadasnaZACgeralmentesãocaracterizadasusandoMOdevidoasuafacilidadedeexecução.Porém,hácertaslimitaçõesprincipalmentequandosedesejacorrelacionarosconstituintesmicroestruturaiscomosresultadosdetenacidadeobtidoscomensaiosCharpy-V.AanáliseviaEBSDéumaeficientetécnicaparacaracterizaçãodemicroestruturascomplexas,especialmentecomrelaçãoaorientaçãocristalográficaedesorientaçãodegrãos,informaçõesúteisparaentenderosmecanismosdefalhaaolongodaZAC[29].

Na Figura 8, sãoapresentadasas imagensdosmapasdeorientaçãopróximosaRGGobtidosviaEBSDatravésdavarreduradeumaáreade2000x450µmusandoumpassedeanálisede0,9µm.Asdiferentescoresindicampacotesdediferentesorientações,osquaissãocompostosporvariassubestruturasmicroestruturaisdemesmaorientaçãocristalográficas.Observa-sequeaRGGdoaçoSincronS355MébemmenorqueaRGGdoaçoASTMA572Gr.50,jáevidenciadonaFigura6,equeestáassociadoaoefeitopinning provocado pelos precipitados de TiN coerentes com a matriz.

Segundo a literatura [30]contornosdegrãodealtoângulo,>45°,sãoefetivosparadificultarapropagaçãodemicrotrincase,dessaforma,favorecematenacidade.Dessaforma,foirealizadoanaliseviaEBSDparaavaliarosgrausdedesorientaçõesentregrãosvizinhosemduasáreasde400×560µmcada,nasregiõesondeforam

Borba et al.


amostradososCPsdeCharpy-VLF+1mm.AaquisiçãoeoprocessamentodosdadosforamfeitasatravésdosoftwareHKLfast acquisition 2007easimagenseoshistogramascomadistribuiçãodosângulosdedesorientaçõesforamgeradosautomaticamente.OsresultadosmostradosnaFigura9evidenciamanaturezaheterogêneada

Figura 8.MapadeorientaçãocristalográficadaZACdosaçosavaliadosviaEBSD.

Figura 9.DistribuiçãodograudedesorientaçãodosgrãosvizinhosnaLF+1mmdaZACdosaçosanalisadosviaEBSD.Linhavermelha:Ângulodedesorientaçãoentregrãosvizinhos≥a45°.



amostragem do entalhe Charpy [27,31],ondepróximoaLF,RGG,nãoháumadiferençasignificativaentreosdoisaçoscomrelaçãoàquantidadedegrãosdealtoângulo,>45°.Porém,a1mmdaLF,aZACdoaçoSincronS355MapresentaumaquantidadesuperiordegrãoscomsubestruturasdealtoânguloemrelaçãoaZACdoaçoA572,oqualpossuicercade60%degrãoscompostos,nasuamaioria,porpacotesgrosseirosdeFSAcomsubestruturasparalelasedebaixoângulodedesorientação,<20º, considerados,prejudiciaisa tenacidadedessematerial.Na Figura10e11sãomostradososperfisdedesorientação,nosentidodassetaspretas,nointeriordaFSN(SincronS355M)eFSA(A572)naRGG,enaFAeFGdoMS,respectivamente.Observa-sequeassubestruturasinternasdaFSN(RGGSincronS355M)edaFA(MS)sãopróximasumadasoutraseamaioriadoscontornosédealtoângulocomdesorientaçãosuperiora45°oqueconfereumaexcelentecombinaçãoentreresistênciaetenacidade.JáaFSA(A572)eaFG(MS)sãocompostasporsubestruturasgrosseirasedebaixoânguloprejudicandoatenacidadedessa região [31].

OutrofatorquepodetercontribuídoparaosmelhoresresultadosdetenacidadedasjuntasSincronS355MemrelaçãoaoaçoA572éamenorsusceptibilidadeàformaçãodemicrofasesfrágeiscomoaM-A[21], entre as placas deferritadosconstituintesFSAeFSN,devidoaoseumenorteordecarbono.SegundoIkawaetal.[32]eKomizoeFukado [33],materiaiscommaioresteoresdecarbonoquandosoldadoscommaioresaportestérmicospossuemumamaiortendênciaàformaçãodeconstituintesfrágeisdotipoM-AcomopodeserobservadonaFigura 12, ondeaRGGdomaterialA572apresentaumaquantidadeconsideráveldeM-AemrelaçãoàZACdoaçoSincronS355M.ApresençademicrofasesM-Aentreasplacasdeferritasãopontosfavoráveisparaanucleaçãodetrincas,reduzindoatensãodefraturadomateriale,dessaforma,facilitandoapropagaçãoinstáveldafratura[21,32,33] na ZAC,mesmoseessaapresentarquantidadeconsideráveldecontornosdegrãossuperioresa45°.

Figura 10.MapacristalográficoeperfildedesorientaçãonosentidodasetanointeriordosconstituintesFSN(a)eFSA(b)daRGGdosaçosSincronS355MeASTMA572,respectivamente.

Borba et al.


4. Conclusões

NestetrabalhofoiavaliadoodesempenhodosaçosestruturaisSincronS355MeASTMA572,quandosoldadospeloprocessoSAWTandem Arcempregandoelevadoaportedecalor.Osresultadosdosensaiosmecânicosedascaracterizaçõesmicroestruturaisrealizadasnaregiãosoldadapermitiramconcluirque:

•Macrografiaeensaiosmecânicos: (i) todasas juntassoldadasapresentaram-se isentasdedefeito; (ii)oaspectogeométricodoscordõesdesoldafoifavorávelparaaplicaçõescomcarregamentocíclicos;(iii)nãofoiobservadotrincasnoensaiodedobramentoe;(iv)todososCPsdetraçãoapresentaramlimitederesistênciasuperioraosvaloresespecificadosparaosMBs.Todosessesresultadosratificandoqueoprocedimentodesoldagemempregadoestáadequadoparaafabricaçãodostramosmetálicos;

Figura 11.MapacristalográficoeperfildedesorientaçãonosentidodasetanointeriordosconstituintesFA(a)eFG(b)doMSdajuntasoldadadoaçoASTMA572.

Figura 12.AnálisemetalográficaevidenciandomicrofaseM-AnaRGGdoaçoASTMA572(a)esuaausêncianaRGGdoaçoSincronS355M(b).Ataque:picral+metabissulfitodesódio.



•MapeamentodedurezaVickers:(i)asduasjuntassoldadasapresentaramvaloresinferioresa350HV,indicandobaixasusceptibilidadeàformaçãodetrincasinduzidaspelohidrogênionascondiçõesavaliadasnesteestudo;(ii)osmaioresvaloresdedurezaforamobservadosaolongodetodaaRGGdaZACdoaçoASTMA572grau50;(iii)oMSdasduasjuntasapresentarammaioresvaloresdedurezanaregiãodaraizdevidoamaiorvelocidadederesfriamentodessaregiãoeautilizaçãodoconsumívelER70S-6demaiorresistêncianopassedeselagem;

• TenacidadeCharpy-V:(i)osvaloresdeenergiaabsorvidanoensaiodeimpactoCharpy-V,independentedotipodeaçoedaregiãodasoldaavaliada,ficaramacimadomínimoespecificadoparaosmetaisbase;(ii)oMSdosdoisaçosemquestão,apresentaramexcelentesvaloresdetenacidadesendojustificadopelapresençadeumamaiorfraçãodeFAemrelaçãoaFG;(iii)osmelhoresresultadosdetenacidadeforamobtidosparaoaçoSincronS355Mque,próximoa1mmdalinhadefusão,apresentouvaloresdaordemde370J,superioresaovalormédio,89J,obtidonessamesmaregiãodajuntasoldadadoaçoASTMA572;(iv)omenorteordecarbonoeosmenoresvaloresdecarbonoequivalente,amenortendênciadeformaçãodedemicrofasesfrágeiscomoaM-Ae,principalmente,omenortamanhodegrãodaaustenitapréviadaregiãodegrãosgrosseiras,eamaiorquantidadedeestruturascomcontornosdegrãodealtoângulo,foramosprincipaisfatoresparaamaiortenacidadedoaçoSincronS355M;

•AnáliseCristalográfica:autilizaçãodaanáliseviaEBSDdemonstrouserumaexcelente ferramentaparaauxiliarnacaracterizaçãoediferenciaçãodascomplexasmicroestruturasformadasnaZACesuainfluencianaspropriedadesfinaisdasjuntassoldadas.

Pode-seconcluirqueautilizaçãodacombinaçãoaçoSincronS355Mcomofluxo/eletrodoAWSA5.17–F7A8-EM12KemconjuntocomoprocedimentodesoldagemSAWTandem Arc otimizado apresentado neste trabalhopodeserumaexcelenteopçãoparaoaumentodaprodutividadedosfabricantesdetorres,podendoreduzirdenoveparaquatro,onúmerodepasses,aumentandoataxadedeposiçãomédiade20para25kg/hnassoldaslongitudinalecircunferencialdostramosmetálicos.

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Avaliação da Soldabilidade do Aço Sincron EN 10025-4 S355M ... · com consumível de 1,2 mm de...

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