Plasma Arame
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SOLDAGEM PLASMA PTA COM ALIMENTAÇÃO DE ARAME SOBRE CABEÇA (1) Ramón S. Cortés Paredes – LACTEC/UFPR (2) Walter Kapp – LACTEC (3) Jair Dutra – UFSC (4) Augusto Buschinelli – UFSC (5) Nelso Gauze Bonacorso – UFSC (6) Luiz Alberto Procopiak - LACTEC (7) Rodrigo B. Silvério – LACTEC/UFPR Resumo A manutenção de turbinas em campo se faz desde muito tempo através de soldagem, na atualidade principalmente pelo processo MIG/MAG convencional e recentemente com corrente pulsada. No entanto, um dos problemas que os reparos apresentam é a elevada tensões residuais após soldagem. Tem- se abordado várias alternativas tecnológicas para minimizar o problema das tensões residuais, por exemplo, a utilização de procedimentos e processos de soldagem que transferem ao metal de base baixa energia térmica. Este trabalho mostra uma alternativa para aumentar a resistência à cavitação e reduzir as tensões residuais, pela utilização do processo a plasma PTA com alimentação de arame – AISI 309L e Liga ao Cobalto – com proteção de gás argônio. Além disso, é explorado o recurso da refusão do revestimento depositado. Trabalhos já realizados em laboratório mostram que as soldas ficam livres dos defeitos comuns da solda MIG/MAG, a estrutura do revestimento é mais refinada e a superfície mais lisa.
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Plasma Arame
Transcript of Plasma Arame
PLASMA PTA: Uma realidade para manuteno de turbinas em campo
SOLDAGEM PLASMA PTA COM ALIMENTAO DE ARAME
SOBRE CABEA
(1) Ramn S. Corts Paredes LACTEC/UFPR
(2) Walter Kapp LACTEC
(3) Jair Dutra UFSC
(4) Augusto Buschinelli UFSC
(5) Nelso Gauze Bonacorso UFSC
(6) Luiz Alberto Procopiak - LACTEC
(7) Rodrigo B. Silvrio LACTEC/UFPRResumo
A manuteno de turbinas em campo se faz desde muito tempo atravs de soldagem, na atualidade principalmente pelo processo MIG/MAG convencional e recentemente com corrente pulsada. No entanto, um dos problemas que os reparos apresentam a elevada tenses residuais aps soldagem. Tem-se abordado vrias alternativas tecnolgicas para minimizar o problema das tenses residuais, por exemplo, a utilizao de procedimentos e processos de soldagem que transferem ao metal de base baixa energia trmica. Este trabalho mostra uma alternativa para aumentar a resistncia cavitao e reduzir as tenses residuais, pela utilizao do processo a plasma PTA com alimentao de arame AISI 309L e Liga ao Cobalto com proteo de gs argnio. Alm disso, explorado o recurso da refuso do revestimento depositado. Trabalhos j realizados em laboratrio mostram que as soldas ficam livres dos defeitos comuns da solda MIG/MAG, a estrutura do revestimento mais refinada e a superfcie mais lisa.
Palavras chaves: Plasma PTA arame, tenses residuais, revestimentos turbinas.
(1) Pesquisador LACTEC e professor dos curso de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da UFPR [email protected] ,[email protected](2) Pesquisador LACTEC [email protected](3,4) Professores do LABSOLDA UFSC
(5) Doutorando do curso de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da UFSC.
(6,7) Pesquisadores LACTEC
1. INTRODUO
O reparo das turbinas realizado por soldagem, seja nas regies com cavitao, porosidade e trincas. Os processos de soldagem mais utilizados so: por arco eltrico utilizando eletrodos revestidos e o processo MIG/MAG (arame slido e tubular). Como conseqncia dos parmetros de soldagem (corrente, tenso e velocidade de soldagem) se introduz na estrutura metlica das ps das turbinas enrgicos ciclos trmicos. Durante a soldagem ocorre resfriamento da zona fundida (ZF) e na zona s aquecida (zona termicamente afetada - ZTA). Na ZF se produz contrao do material depositado, esta contrao resulta na gerao de tenses residuais, que permanecem na estrutura da turbina. Alm disso, o aquecimento e resfriamento da ZF e ZTA produzem no metal de base e/ou nas soldas anteriores, mudanas em sua microestrutura e conseqentemente variao nas propriedades mecnicas (dureza, tenacidade e resistncia mecnica).
Portanto, os procedimentos de soldagem levam em conta mudanas de microestrutura e a gerao de tenses residuais, sendo ambas de maior intensidade quanto maior seja a energia de soldagem imposta durante os reparos.
Neste sentido importante ressaltar que atravs dos processos de soldagem pode-se controlar a energia imposta, principalmente pelo controle da corrente (I) e da velocidade de soldagem (Vs). Os processos de soldagem com eletrodos revestidos so utilizados com mdia e elevada corrente e com baixa velocidade de soldagem, portanto, geralmente com elevada energia de aporte.
Os processos de soldagem MIG/MAG e o processo mais moderno Plasma PTA, podem ser utilizados com correntes baixas e elevadas, porm, as velocidades de soldagem geralmente so maiores que no processo de soldagem com eletrodo revestido. Portanto, para as mesmas faixas de corrente, estes processos introduzem no material menor energia trmica. No entanto, existe uma diferena entre o processo MIG/MAG e Plasma, no processo PTA o plasma muito concentrado, com isso funde uma quantidade menor de material base, sendo portanto, a diluio menor e com isso a quantidade de calor transferido ao metal de base tambm ser menor, garantindo com isso uma reduo das tenses`residuais e menores mudanas de propriedades mecnicas na ZTA.
O reparo de reas cavitadas e de trincas realizado mediante a deposio por soldagem de materiais em quantidades significativas, dependendo da extenso do reparo. Por exemplo, em uma turbina de 450 MW, pode-se chegar a depositar at 1000 kg de material. Sendo, portanto, as tenses residuais um tema de constante preocupao para quem trabalha no reparo de turbinas hidrulicas.
As tenses residuais, mesmo que minimizadas durante a soldagem, no podem ser totalmente eliminadas. possvel, entretanto, a utilizao de tratamentos trmicos localizados para alivi-las. Esta prtica ainda pouco utilizada, e requer estudos mais aprofundados para a sua correta aplicao. A influncia do tratamento trmico pode ser avaliada do ponto de vista metalrgico, mecnico e por meio de simulaes numricas, que permitam determinar o campo de tenses resultantes do ciclo trmico imposto ao metal base durante a soldagem e nos tratamentos trmicos localizados.
Inmeros trabalhos de reparo de turbinas preocupam-se em desenvolver ligas resistentes cavitao (com baixa probabilidade de aparecimento de trincas). Isto acarretar a reduo do tempo que as turbinas hidrulicas so mantidas fora de operao para a realizao de reparos e o aumento da confiabilidade quanto a possveis falhas catastrficas, o que permitir reduzir os custos de gerao de energia eltrica.
O aumento da resistncia cavitao e minimizao das tenses residuais tambm pode ser obtido atravs da obteno de estruturas de solidificao refinadas. Isto na prtica pode ser obtido atravs da utilizao do recurso trmico de refuso, realizada aps a soldagem (Zhao, dOliveira).
Diversos trabalhos publicados sobre reparo de turbinas mostraram o desenvolvimento de novas ligas com maior resistncia cavitao.
Os trabalhos de Aktar (1986), Simoneau (1987) e Richman (1990) so alguns exemplos, que culminaram no desenvolvimento de diversas ligas contendo Co, e que so hoje largamente empregadas. Procopiak (UFSC - 1995 Dissertao de mestrado intitulada Resistncia Cavitao de 3 revestimentos soldados) fez um interessante estudo comparativo de resistncia cavitao, entre o ao inox AISI 309, e ligas comerciais contendo Co e Mn. Os resultados mostraram claramente que estas ltimas ligas apresentam resistncia cavitao muito superior ao tradicional AISI 309. Boccanera (UFSC 1999 Tese de doutorado intitulada Resistncia a eroso por cavitao de revestimentos depositados por soldagem e asperso trmica) avaliou o reparo de reas cavitadas utilizando soldagem com o ao AISI 309 e outras ligas contendo Co, Mn e Si, alm de verificar a aplicabilidade da utilizao da asperso trmica neste reparo. Constatou que o revestimento aplicado por asperso trmica pode se utilizada em regies onde a cavitao de baixa intensidade. As ligas contendo Co, Mn e Si apresentaram resultados superiores ao AISI 309, tendo ainda constatado que a cavitao afetada pela presena de poros nos cordes e pelo seu tamanho de gro. Na UFPR e LACTEC, foram pesquisadas as ligas especiais :Cavitec, Hidroloy e Stellite, depositadas pelos processos com eletrodo revestido, MIG/MAG. Recentemente foi defendida a tese de doutorado Effect of surface modification processes on cavitation erosion resistance [1] onde foi estudada a influncia da refuso sobre as ligas especiais (Cavitec, Hidroloy e Stellite) e do revestimento de inoxidvel AISI 309LT, todas apresentando excelente desempenho quando ensaiadas em equipamento de cavitao acelerada.Recentemente no Brasil, se esta desenvolvendo em conjunto, LACTEC, UFSC e UFPR, junto empresa DURUM, uma liga resistente cavitao, principalmente para ser utilizada por plasma e asperso trmica.
2. PROCESSO DE SOLDAGEM PLASMA COM MATERIAL DE ADIO PARA DEPOSIO DE REVESTIMENTOS.
A adio automtica de arame uma alternativa quando se deseja aliar qualidade e taxa de deposio no processo PLASMA. Neste caso adicionado material na forma de arame bobinado, em muitos casos, o mesmo utilizado no processo MIG/MAG. O arame movimentado at a tocha de soldagem atravs de um cabeote tracionador, de forma contnua com velocidade controlada. Ao chegar na pistola de soldagem, o arame conduzido ao PLASMA atravs de um sistema direcionador como observado na figura 1. Nas figuras 2 e 3, mostram as pistolas de plasma PTA.
Figura 1 Tocha Plasma com Direcionador de Arame.
Figura 2. Esquema da pistola Plasma - PTA
Figura 3. Plasma PTA alimentado com arame posio sobre cabea.
2.1. Procedimento Plasma com adio Automtica de Arames de Ao Inoxidvel AWS 309-L e Liga de Cobalto.
O ao inoxidvel 309-L utilizado nos reparos em turbinas hidrulicas para formar uma camada intermediria entre o material que compe a p do rotor e o revestimento superficial composto de ao inoxidvel ligado ao cobalto, como revestimento final. Torna-se importante, desta maneira, a investigao do comportamento do plasma com alimentao automtica de arame utilizando estes dois materiais de adio.
A deposio de arame slido de ao inoxidvel 309-L, dimetro de 1,2 mm foi testado utilizando os ajustes iniciais determinados a partir das experincias com ao carbono, ou seja, alimentao a r e a meia altura de distncia tocha pea (DTP).
Para determinar a faixa de velocidade tima do arame em funo da corrente de soldagem, foi empregado o critrio da posio da ponta do arame em relao coluna do arco plasma.
A varredura da corrente foi realizada de 10 em 10 A entre os valores de 60 e 200 A. O limite inferior foi imposto pelo cabeote tracionador de arame (STA-TIG) que no identifica correntes menores e no libera a alimentao de arame. Correntes superiores a 200 A no foram testadas devido ao comprometimento do bocal constritor em valores maiores.
Para o gs de plasma foi utilizado argnio (99,99% de pureza) nas vazes de 2; 2,2; 2,4 e 3,0 l/min. Para o gs de proteo foi testado argnio puro, posteriormente, uma mistura de 96% de Ar + 4% de CO2. A vazo de gs de proteo foi mantida em 15 l/min.
O levantamento da faixa de operao da velocidade do arame em funo da corrente foi conduzido na posio plana. Posteriormente os valores timos de alimentao de arame foram testados na posio vertical/sobrecabea (figura 3).
Os depsitos foram feitos sobre corpos de prova de ao carbono com superfcie usinada, nas dimenses de 250x200x12,7 mm.
O mesmo procedimento descrito acima foi utilizado na determinao da faixa de operao da velocidade em funo da corrente para o arame tubular de ao inoxidvel ligado ao cobalto.
3. DESENVOLVIMENTO DE PARMETROS DE SOLDAGEM PARA O PROCESSO PLASMA
3.1. Deposio de arame AISI 309L pelo processo plasma alimentado (tabela 1).
Tabela 1. Parmetros da soldagem plasma com alimentao de arame AISI 309L.
MaterialIp [A]Tp [s]Ib [A]tb [s]
ER 3092200,6500,4
3.2. Deposio da liga de cobalto (DURUM)
Neste item esto includos os resultados da deposio de ao inoxidvel AISI 309LT (duas camadas) e da liga de cobalto, atravs do processo plasma sem pulsado trmico em corpo de prova com resfriamento forado. A soldagem robotizada sobre cabea pe observada na figura 4. Na tabela 2 encontram-se os parmetros de soldagem plasma sem pulsado. A soldagem foi realizada sobre cabea a 45.
Figura 4. Bancada de soldagem com sistema de resfriamento forado com gua.
Tabela 2. Parmetros de deposio Plasma arame Durum
Corpo de
provaCorrente
[A]Vel. Arame
[cm/min]Vel. solda
[cm/min]Gs Proteo
[l/min]Gs Plasma [l/min]
A1402.1013.0015.002.40
Dimetro do bocal = 3.2 mm; Recuo do eletrodo = 0.8 mm; Distncia tocha pea = 8.0 mm
3.3. Descrio do processo de soldagem
Soldagem por plasma pulsado na posio sobre-cabea a 45 (figura 4). Os parmetros encontram-se na tabela 1 e 2. O substrato utilizado de ao carbono com revestimento de ao inox 309L (arame tubular) soldado tambm por plasma.
4. RESULTADOS
Foram depositadas duas camadas de DURUM, com posterior refuso por plasma. Foi testada a corrente de 80 A para a refuso, o comportamento da poa fundida foi satisfatrio, aumentando-se, ento, a corrente para 100 A, a fim de proporcionar maior penetrao da refuso. Na figura 5 observa-se a deposio do revestimento de inox AISI 309L e da liga base cobalto.
4.1. Refuso superficial por plasma a 100 A
Figura 5. a) Corpo de prova revestido com ao inox AISI 309 e liga cobalto, b) Revestimento aps refuso.
Na figura 6 observa-se o corpo de prova revestido, no qual foi realizada refuso com 100A, no revestimento DURUM na posio sobre cabea.
Figura 6. AMOSTRA 1 Refuso superficial por plasma 100 A.
Figura 7. a)Ao Inoxidvel AISI 309L, (b) Revestimento DURUM
Na figura 7 observa-se a interface entre o ao AISI 309L e o revestimento DURUM, mostrando na regio do ao inoxidvel a estrutura tpica de solidificao e a linha de fuso com o DURUM livre de defeitos e descontinuidades.
Nas figuras 8 at 11 observa-se a regio que foi refundida com a mesma tocha Plasma. A faixa de transformao pela refuso est na faixa de 400 a 500 (m. Observa-se que a refuso permite obter uma estrutura mais refinada.
Figura 8. DURUM regio refundida por plasma a 100A.
Figura 9: Revestimento DURUM - regio da refuso a 100A.
Figura 10: DURUM, detalhe da regio refundida.
Figura 11: DURUM, micro impresses na regio refundida.
4.2. Refuso superficial por plasma a 80 A (figura 12).
Figura 12: Corpo de prova revestido Inox AISI 309l + DURUM
Na figura 12 observa-se o corpo de prova revestido, no qual foi realizada refuso com 80A, no revestimento DURUM na posio sobre cabea. Na figura 13 pode-se observar a regio que foi refundida e que foi obtido refinamento da estrutura de solidificao.
Figura 13: Revestimento DURUM - camada refundida por plasma a 80A.
Figura 14: Revestimento DURUM - camada refundida por plasma a 80A, detalhe do ponto das medies da microdureza.
Na figura 14 observa-se a estrutura mais refinada da refuso com 80 A com os pontos onde foi medida a microdureza.
4.3. Medio de Microdureza Vickers
Grfico 1: Perfil de dureza Vickers (HV) da amostra sem refuso.
Grfico 2: Perfil de dureza da amostra refundida.
5. COMENTRIOS E CONCLUSES:
De acordo com os resultados verificou-se que o processo PTA com alimentao de arame vivel para depositar revestimentos na posio sobrecabeza.
Os resultados permitem confirmar que o processo de refuso melhora as propriedades que fornecem maior resistncia cavitao: o refinamento de microestrutura e dureza, da regio refundida.
Da observao da superfcie dos revestimentos depositados pelo processo plasma, foi observado que muito irregular, pelo que ser realizada deposio com pulsos de menor freqncia.
6. AGRADECIMENTOS
Companhia Paranaense de Energia - COPEL
Centrais Eltricas S. A - FURNAS
Financiadora de Estudos e Projetos FINEP
Pelo Financiamento e incentivo.
7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS CONSULTADAS
[1]HEYMANN, F. J. Liquid Impingement Erosion. ASM International, ASM Handbook. v. 18, 1992, p. 223-232.
[2]LIPPOLD, J. C. Introduction to the Selection of Stainless Steels. ASM International, ASM Handbook. v. 6, 1992, p. 455.
[3]XIAOJUN, Z. Effect of Surface Modification Processes on Cavitation Erosion Resistance. Curitiba, 2002. 105f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecnica) Setor de tecnologia, Universidade Federal do Paran.
[4]PROCOPIAK, L. A. J. Resistncia Cavitao de Trs Revestimentos Soldados. Florianpolis, 1997. 74f. Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica) Setor de Tecnologia, Universidade de Santa Catarina.
[5]BROOKS, J. A.; LIPPOLD, J. C. Selection of Wrought Austenitic Stainless Steels. ASM Intenational, ASM Handbook. v. 6, 1992, p. 456-469.
[6]ZHANG, X.; FANG, L. The Effect of Stacking Fault Energy on the Cavitation Erosion Resistance of (-phase Aluminum Bronzes. Wear, v. 253, n. 11/12, p. 1105-1110, dezembro de 2002.
a
a
b
Regio de refuso superficial
440m
240 HV
265 HV
AISI 1020
AISI 309
DURUM
244 HV
Regio de refuso superficial
162 m
369 m
470 m
299 HV
EMBED Excel.Chart.8 \s
DURUM
309L
EMBED Excel.Chart.8 \s
DURUM
REFUSO
DURUM
309L
Arco Plasma
Substrato
Eletrodo
Gs de Plasma
Gs de Proteo
Bocal gs de proteo
Orifcio Constritor
Regio de recuo do eletrodo
b
AISI 309L
Durum
_1124095188.xlsGrf1
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Distncia (mm)
HV
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0
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distancia
HV
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Plan3
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Perfil de Dureza
Plan3
