EMPREGO DO PÓS-AQUECIMENTO NA SOLDAGEM … · O calor cedido ao metal de solda para soldagem...

1

EMPREGO DO PÓS-AQUECIMENTO NA SOLDAGEM SUBAQUÁTICA

MOLHADA

Aluno: Daniel Lamarca Marques

Orientadores:

Fernando Cosme Rizzo Assunção e Valter Rocha dos Santos

2

Índice 1. Introdução...............................................................................................3

2. Objetivo...................................................................................................3

3. Processos de soldagem...........................................................................3

4. Soldagem subaquática............................................................................4

4.1 Pós-aquecimento da soldagem molhada...................................4

5. Transferência de Calor............................................................................5

5.1 Fórmulas teóricas........................................................................5

6. Tabelas e valores numéricos...................................................................6

6.1 Definição – velocidade de soldagem e calor recebido pela ZTA.6

6.2 Definição das máximas temperaturas locais..............................7

6.3 Propagação de calor e perfil de temperatura na ZTA.................9

7. Conclusões.............................................................................................14

8. Referências Bibliográficas.....................................................................15

3

1. Introdução

O processo de soldagem é conhecido popularmente em obras quando se vê aquele intenso brilho entre a chapa de aço e o arco elétrico da solda. O responsável em soldar utiliza uma máscara para proteger os olhos do forte brilho citado e as muitas faíscas. As pessoas responsáveis devem tomar muito cuidado porque, além de proteger os olhos durante o processo, deve-se evitar o contato com a parte soldada já que ela pode estar até acima de 1000ºC.

A soldagem é utilizada hoje na engenharia para unir duas partes metálicas através da aplicação do metal de solda (que estará no estado líquido) na falha ou na interseção a ser unida. O técnico soldador deve ter ampla experiência na prática já que uma falha na deposição do metal de solda nos dutos pode comprometer toda uma plataforma offshore.

Considerando o elevado número de estruturas de produção flutuantes na Bacia de Campos (navios e plataformas semi-submersíveis) e que não é economicamente viável a docagem destas estruturas para manutenção e reparos, por implicar em enormes lucros cessantes, as sociedades classificadoras passaram a demonstrar uma pré-disposição de aceitar a aplicação de métodos de reparo anteriormente recusados como a soldagem subaquática molhada.

2. Objetivo

O objetivo deste trabalho de pesquisa experimental é verificar influências do pós-aquecimento com chama na microestrutura e, conseqüentemente, na dureza da ZTA. Esse pós-aquecimento é realizado pelo próprio arco elétrico de solda, mas sem a deposição de material e sem a intenção de fundir a ZTA. Caso ocorra uma fusão, não terá servido de nada todo o procedimento, pois a ZTA voltará a resfriar rápido e formará novamente martensita de elevada dureza. Serão investigadas as temperaturas alcançadas durante o revenimento (pós-aquecimento) em função da profundidade e da parte lateral da ZTA.

3. Processos de soldagem

Os processos de soldagem Mig/Mag (MIG – Metal Inert Gas e MAG – Metal Active Gas) e TIG (Tungsten Inert Gas) são soldagens por arco elétrico, porém o primeiro é com gás de proteção, entre a peça e o consumível em forma de arame, fornecido por um alimentador contínuo realizando uma união de materiais metálicos pelo aquecimento e fusão. Já o segundo acontece entre um eletrodo não consumível de tungstênio e a poça de fusão com proteção gasosa, em que é possível fazer ou não o acréscimo de um metal de adição.

MIG/MAG – Atualmente, a soldagem Mig/Mag é aplicada na união da maioria dos metais utilizados na indústria (aços, alumínio, aços inoxidáveis, cobre), e MIG é o processo de soldagem em que se utiliza o gás de proteção quando ela for constituída de

4

um gás inerte e que não tem nenhuma atividade física ou poça de fusão, ao contrário de Mag, que ocorre quando a proteção gasosa é feita com um gás ativo, ou seja, que interage com a poça de fusão (por exemplo, o CO2). Uma característica destes processos é o fato de que eles geralmente são utilizados com corrente elétrica contínua.

TIG – Quanto ao processo TIG, ele é muito utilizado na indústria aeroespacial e de aviação, pois a qualidade da solda é muito alta. Este processo é indicado para peças pequenas e chapas finas por serem objetos que necessitam de uma soldagem muito mais precisa do que os outros. Ao contrário dos processos MIG/MAG, no TIG não existe soldagem com eletrodo de tungstênio em atmosfera não protetora, sendo assim, não existe o que seja um processo “TAG”, pois a utilização de gás ativo no processo oxidaria o próprio eletrodo de tungstênio.

Para os processos MIG/MAG, os equipamentos necessários para soldagem manual são a tocha de soldagem e acessórios, o motor de alimentação do arame e a fonte de energia. Nos processos TIG de soldagem manual é necessário ter basicamente a tocha de soldagem com o eletrodo de tungstênio, a fonte de energia e o gás de proteção.

4. Soldagem subaquática molhada

Como o próprio nome já diz, a soldagem subaquática acontece debaixo d’água e é um procedimento muito importante para o reparo de grandes plataformas offshore. Os problemas encontrados na soldagem à seco se intensificam na subaquática, porque debaixo d’água o resfriamento do metal acontece muito mais rápido, o que induz a formação de martensita e aumenta a probabilidade do nascimento de trincas. Além disso, quanto maior a velocidade de resfriamento, maior a possibilidade de aprisionamento de inclusões de escória, o que aumenta o aparecimento de trincas. Para tentar resolver esses problemas, é proposto o uso de uma técnica chamada de pós-aquecimento.

4.1. Pós-aquecimento da soldagem subaquática molhada (revenimento)

O pós-aquecimento na soldagem subaquática molhada acontece naturalmente para o metal de solda durante a própria soldagem. Dessa forma, a soldagem da camada acima acaba realizando o pós-aquecimento da camada inferior, por isso a dureza do metal de solda não é tão alta quanto a da ZTA. Agora para a ZTA, o pós-aquecimento realizado é controlado e é feito pelo próprio arco elétrico de solda, mas sem a deposição de material e sem a intenção de fundir a ZTA.

Quanto maior a temperatura atingida pelo aço durante o revenimento, menor será a sua nova dureza. Essa importante diminuição da dureza é resultante da transformação da martensita em martensita revenida, tornando o material mais dúctil e tenaz, ou seja, mais resistente.

Para realizar o pós-aquecimento, é necessário saber quanto de calor é gerado em função da corrente e voltagem utilizado no arco elétrico de solda. Além disso, é preciso

5

definir o máximo de calor que possa ser transferido para o metal para que não ocorra fusão. E não se pode esquecer de definir uma velocidade de soldagem razoável pois é outro fator que influência nesse processo.

5. Transferência de Calor

Cada ponto da junta soldada da ZTA (Zona Termicamente Afetada) pode ser representado por sua história ou Ciclo Térmico de Soldagem aonde se distinguem a sua temperatura máxima e o tempo gasto no resfriamento após a passagem do arco elétrico que induz o pós-aquecimento.

5.1. Fórmulas teóricas

A quantidade de calor que a ZTA recebe do arco elétrico no pós-aquecimento pode ser determinado pela equação do aporte térmico líquido, segundo o livro “Metalurgia Física da Soldagem”:

퐻 = 푓 ∙ ∙ (1)

Esse calor recebido (퐻 ) em Joule por milímetro é função da voltagem (V) em volts, da corrente do arco (A) em ampères, da velocidade de soldagem (v) em milímetros por segundo e da eficiência da transferência de calor do arco à ZTA (f) que é adimensional. O fator de eficiência f não é fácil de determinar por isso utilizaremos o valor que está na Tabela II do livro “Metalurgia Física da Soldagem” para eletrodo revestido que está em entre 0,70 e 0,85.

Esse calor será transferido para uma área circular (ou elíptica dependendo do ângulo entre o arco de solda e o metal a ser soldado) da superfície da ZTA e a temperatura da superfície crescerá centenas de graus Celsius. Temos, segundo Chon-Liang Tsai e Koichi Masubuchi, que:

6

푄̇ = 휋 ∙ 푊 ∙ 푘 ∙ 푇 1 + ∙ ∙∙

(2)

O calor recebido pela superfície (푄̇) em Watts. Coeficiente de troca de calor (푘) do material em W/m∙K. Velocidade de soldagem (푣) em m/s. Espessura da placa a ser soldada (푊) em metros. O valor (훼) é a difusividade térmica. E a temperatura (푇 ) é a temperatura de fusão do material em graus Celsius.

Esse calor será transferido por condução tanto para os lados quanto para dentro (pronfundidade). Para essa transferência de calor em regime permanente, temos, segundo a referência de Washington Braga Filho, que:

푇 − 푇 = (3)

Coeficiente de troca de calor (푘) do material em W/m∙K. Calor transferido (푞) em Watts. Temperaturas (푇 e 푇 ) em graus Celsius.

6. Tabelas e valores numéricos

O calor cedido ao metal de solda para soldagem comum, que faz o metal passar da temperatura de fusão (e consequentemente virar metal líquido), é de aproximadamente 2000 J/mm. Como nosso objetivo é apenas fazer o revenimento, ou seja, um pós-aquecimento, não queremos que o metal atinja a temperatura de fusão, logo tomaremos como valor máximo de segurança o aporte térmico líquido igual a 1500 J/mm.

6.1 Definição – velocidade de soldagem e calor recebido pela ZTA

Tomando como referência 20 Volts (voltagem da solda), 150 Ampéres (corrente da solda) e fator de eficiência num valor médio de 0,78, variamos a velocidade de soldagem longitudinal para calcular o aporte térmico líquido, que é o calor recebido pela ZTA no pós-aquecimento:

Velocidade de soldagem (mm/s) Calor recebido pela ZTA (J/mm) 1 2340

1,5 1560 2 1170

2,5 936 3 780

3,5 669 4 585

4,5 520 5 468

5,5 425 6 390

6,5 360 7 334

7,5 312

7

8 292,5 8,5 275

Quanto maior for a temperatura do revenimento, mais eficiente será esse processo. Então, quanto maior o calor recebido pela ZTA, melhor será o pós-aquecimento, embora se tenha que tomar cuidado para não atingir a temperatura de fusão do metal. Analisando a tabela acima, notamos que apenas os dois primeiros valores de calor passaram de 1500 J/mm, que é o nosso aporte térmico líquido de segurança (acima de 1500 J/mm o metal entra em fusão). A partir dos resultados da tabela 1, deve-se descartar os dois primeiros valores e escolher a opção que tenha o maior calor recebido pela ZTA. A melhor opção é aquele em que o calor recebido é igual a 1170 J/mm, ou seja, nossa melhor opção de velocidade de soldagem é igual a 2 mm/s.

Continuando com a referência de 20 Volts e 150 Ampères, iremos variar o fator de eficiência f entre os valores 0,70 e 0,85 e fixar a velocidade de soldagem no valor de 2 mm/s. A partir desses dados, calculamos o calor recebido pela ZTA:

Fator de eficiência f Calor recebido pela ZTA (J/mm) 0,70 1050 0,72 1080 0,74 1110 0,76 1140 0,78 1170 0,80 1200 0,82 1230 0,84 1260 0,85 1275

A partir da Tabela 2, vemos que para qualquer valor para o fator de eficiência, o calor recebido pela ZTA é menor que 1500 J/mm (máxima calor admitido). Isso torna possível a realização do revenimento (pós-aquecimento) a uma velocidade de soldagem igual 2 mm/s.

6.2 Definição das máximas temperaturas locais

Para calcular as temperaturas locais alcançadas pela ZTA neste pós-aquecimento, foi considerado a separação do metal em nós assim como acontece em elementos finitos. Os nós foram separados de um em um milímetro.

Utilizando a velocidade de soldagem de 2 mm/s, fixamos a voltagem em 26 Volts e variamos o valor da corrente. Essa energia em forma de calor recebida pela ZTA provoca um grande acréscimo em sua temperatura, e a partir da equação (2) foram calculadas as temperaturas atingidas pela superfície da ZTA:

8

Q algebrismo Temp 260 0,116233 0,025267341 1,020214 0,118583 213,4492 286 0,127857 0,027794075 1,022235 0,1307 235,2593 312 0,13948 0,030320809 1,024257 0,142863 257,154 338 0,151103 0,032847543 1,026278 0,155074 279,1333 364 0,162727 0,035374277 1,028299 0,167332 301,1972 390 0,17435 0,037901012 1,030321 0,179636 323,3457 416 0,185973 0,040427746 1,032342 0,191988 345,5787 442 0,197597 0,04295448 1,034364 0,204387 367,8963 468 0,20922 0,045481214 1,036385 0,216833 390,2985 494 0,220843 0,048007948 1,038406 0,229325 412,7853 520 0,232467 0,050534682 1,040428 0,241865 435,3567 546 0,24409 0,053061416 1,042449 0,254451 458,0127 572 0,255713 0,05558815 1,044471 0,267085 480,7532 598 0,267337 0,058114884 1,046492 0,279766 503,5783 624 0,27896 0,060641618 1,048513 0,292493 526,488 650 0,290583 0,063168353 1,050535 0,305268 549,4823 676 0,302207 0,065695087 1,052556 0,31809 572,5612 702 0,31383 0,068221821 1,054577 0,330958 595,7246 728 0,325453 0,070748555 1,056599 0,343874 618,9727 754 0,337077 0,073275289 1,05862 0,356836 642,3053 780 0,3487 0,075802023 1,060642 0,369846 665,7225 806 0,360323 0,078328757 1,062663 0,382902 689,2243 832 0,371947 0,080855491 1,064684 0,396006 712,8106 858 0,38357 0,083382225 1,066706 0,409156 736,4816 884 0,395193 0,08590896 1,068727 0,422354 760,2371 910 0,406817 0,088435694 1,070749 0,435598 784,0772 936 0,41844 0,090962428 1,07277 0,44889 808,0019 962 0,430063 0,093489162 1,074791 0,462228 832,0112 988 0,441687 0,096015896 1,076813 0,475614 856,1051

1014 0,45331 0,09854263 1,078834 0,489046 880,2835 1040 0,464933 0,101069364 1,080855 0,502526 904,5466

O resultado das temperaturas na superfície marcados em verde é bem plausível para um revenimento, uma vez que a temperatura de austenitização (aproximadamente 700°C) não foi alcançada. Além disso, todas as temperaturas ultrapassaram 490°C, o que significa que o revenimento feito (independente do valor do fator de eficiência) é de boa qualidade.

Esses resultados tiveram origem devido às seguintes condições:

velocidade V I W 0,002 26 10 0,000699 0,002 26 11 0,000769 0,002 26 12 0,000839 0,002 26 13 0,000909

9

0,002 26 14 0,000979 0,002 26 15 0,001049 0,002 26 16 0,001119 0,002 26 17 0,001189 0,002 26 18 0,001259 0,002 26 19 0,001329 0,002 26 20 0,001399 0,002 26 21 0,001469 0,002 26 22 0,001539 0,002 26 23 0,001609 0,002 26 24 0,001679 0,002 26 25 0,001749 0,002 26 26 0,001818 0,002 26 27 0,001888 0,002 26 28 0,001958 0,002 26 29 0,002028 0,002 26 30 0,002098 0,002 26 31 0,002168 0,002 26 32 0,002238 0,002 26 33 0,002308 0,002 26 34 0,002378 0,002 26 35 0,002448 0,002 26 36 0,002518 0,002 26 37 0,002588 0,002 26 38 0,002658 0,002 26 39 0,002728 0,002 26 40 0,002798

É possível concluir que para uma velocidade de soldagem 2 mm/s, o valor da corrente que percorre a solda deve estar entre 23 e 31 Àmperes (usando de 26 Volts).

6.3 Propagação do calor e perfil de temperatura na ZTA

Agora esse calor vai se propagar por condução para dentro do metal. Essa região também terá um acréscimo significativo de temperatura. Utilizando a equação de troca de calor por condução, podemos definir o perfil de temperatura da seção transversal à direção de soldagem. Para calcular as temperaturas locais alcançadas pela ZTA neste pós-aquecimento, foi considerado a separação do metal em nós assim como acontece em elementos finitos. Os nós foram separados de um em um milímetro.

Foi definido o diâmetro da solda igual a 8 milímetros, ou seja, a temperatura calculada anteriormente para a superfície alcança os 8 elementos centralizados na parte superior. Consideramos a transferência de calor em um regime permanente. Além disso o coeficiente de troca de calor por condução (푘) do material do duto (metal) é de 52,9 W/m∙K.

10

Primeiro será testado uma condição em que é possível realizar o pós-aquecimento na soldagem subaquática molhada. E através do programa Excel, foram feitos os nós e construídos todos os elementos numa área de 20 mílimetros de comprimento e altura (cada nó equivale a 1 mílimetro). Retirando das tabelas anteriores, será utilizado o calor transferido para a superície de 780 Watts (corrente 퐼 =30Á푚푝푒푟푒푠 e temperatura da superfície 푇 ≅ 666º퐶), assim temos que a diferença de temperatura entre os nós dos elementos é de 14,8ºC: (gráficos estão em graus Celsius)

Agora será feito para uma transferência de calor para a superfície igual a 260 Watts (corrente 퐼 = 10Á푚푝푒푟푒푠 e temperatura da superfície 푇 ≅ 213º퐶), logo a diferença de temperatura entre os nós dos elementos é de 4,9ºC:

11



12


Agora será feito para uma transferência de calor para a superfície igual a 910 Watts (corrente 퐼 = 35Á푚푝푒푟푒푠 e temperatura da superfície 푇 ≅ 784º퐶), logo a diferença de temperatura entre os nós dos elementos é de 17,2ºC. Percebe-se que dessa vez a superfície entrará em processo de fusão:

13

Agora será feito para uma transferência de calor para a superfície igual a 1040 Watts (corrente 퐼 = 40Á푚푝푒푟푒푠 e temperatura da superfície 푇 ≅ 905º퐶), logo a diferença de temperatura entre os nós dos elementos é de 19,7ºC. Nota-se que maior parte da seção transversal entrará em processo de fusão, já que uma quantidade maior de calor é transferida para a superfície:

Esses dois últimos perfis de temperatura não servem para quem planeja realizar um revenimento, mas é uma ótima observação para estudo em caso de querer-se revenir apenas certa quantidade da parte interna.

14

Após a definição da temperatura em graus Celsius de cada nó para diferentes calores absorvidos pela superfície do duto, a dureza e fragilidade de cada nó é diminuído. Ainda não pode definir em valores exatos as durezas alcançadas, precisa-se de um estudo técnico, experimental e orientado para definir os valores em função da temperatura máxima alcançada no revenimento.

7. Conclusões

O pós-aquecimento que acontece durante o processo de soldagem subaquática molhada transforma a estrutura martensítica da ZTA em estruturas de martensita revenida com reconhecida melhoria de tenacidade e maior ductilidade (suporta maiores deformações). Além disso, a ocorrência de fissuração pelo hidrogênio na ZTA pode ser evitada pela aplicação adequada da técnica de pós-aquecimento.

Através de referências citadas aqui, calculamos uma velocidade de soldagem razoável para realizar o processo, buscamos como calcular o calor recebido pela ZTA e a temperatura máxima atingida após o procedimento em função do calor gerado pelo arco de solda durante o pós-aquecimento. A partir desses resultados, torna-se possível a composição de perfis de temperatura em função da profundidade e da distância lateral para qualquer quantidade de calor gerado pelo arco de solda.

Vale lembrar que foi considerado o sistema em regime permanente para a transferência de calor da solda para a superfície do metal e, conseqüentemente, da superfície para as áreas internas dos dutos.

Há técnicas que podem definir a dureza do material em função do percentual de carbono dele e do tempo de resfriamento de 800ºC a 500ºC, mas apenas para o metal que acaba de sofrer a solidificação. Para o metal que acaba de sofrer o revenimento, não há nenhum método que calcula a dureza final em função da temperatura máxima de revenimento, percentual de carbono ou taxa de resfriamento. Porém, já sabe-se que o revenimento reduz a dureza consideravelmente e quanto maior a temperatura alcançada nesse processo, menor será a dureza final atingida.

15

8. Referências Bibliográficas

[1] “Metalurgia Física da Soldagem”, Sérgio de Carvalho Perdigão.

[2] “Interpretive Report on Underwater Welding”, by Chon-Liang Tsai and Koichi Masubuchi.

[3] “Transmissão de Calor”, Washington Braga Filho.

EMPREGO DO PÓS-AQUECIMENTO NA SOLDAGEM … · O calor cedido ao metal de solda para soldagem...

Documents

Transcript of EMPREGO DO PÓS-AQUECIMENTO NA SOLDAGEM … · O calor cedido ao metal de solda para soldagem...