WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM COMPONENTE, …
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WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
A SOLDAGEM É UMA ETAPA NO
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM
COMPONENTE, ESTRUTURA OU
EQUIPAMENTO, E A FORMA COMO A
SOLDAGEM PODE AFETAR O
COMPORTAMENTO DE UM
MATERIAL DEPENDE
FUNDAMENTALMENTE DAS
CARACTERÍSTICAS DO QUE SE
ESPERA PARA A “SOLDA”.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
Por mais caro e luxuoso que seja um portão,
utilizando um aço estrutural, o requisito para uma
solda neste portão é muito diferente do requisito de
qualquer componente estrutural em uma
plataforma de petróleo.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
Algumas soldas precisam resistir a carregamentos cíclicos de alta intensidade e frequência,
enquanto outras soldas precisam oferecer completa vedação e resistir ao colapso.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
Existem tubos
aéreos,
existem tubos
estruturais,
existem tubos
submarinos ...
Será que os
requisitos são
similares ?
O quê se espera de uma solda de um
navio é igual ao que se espera em uma
solda de um reator nuclear?
Os materiais adotados em um navio são
similares aos adotados em um reator nuclear?
As normas de construção em
uma refinaria são as mesmas de
construção offshore?
Produtividade
teste ou
comissionamento
operaçãofabricaçãoprojeto
VIDA ÚTIL
Solicitações Mecânicas
Meio
Temperatura
Inspeção
Configuração
Material
Tecnologias de Fabricação e Inspeção
Qualidade
PREMISSASMODELOS
MÉTODOS DE
CONSTRUÇÃO
CAPEX OPEXLIFE CYCLE COST = CAPEX + OPEX
SOLDAGEM
RISCOQual a probabilidade de falhar?
Qual a consequência de falhar?
INTEGRIDADE
NORMAS DE PROJETO
NORMAS DE CONSTRUÇÃO
NORMAS DE SOLDAGEM
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
O comportamento em serviço de construções soldadas (em
estruturas e equipamentos) depende de dois fatores básicos :
• integridade (ausência de defeitos)
(quais ? Defeitos x descontinuidade ? END)
• atendimento aos requisitos
(quais ? Como não perder ?)PROJETO
especificação
inspeção
FABRICAÇÃO
OPERAÇÃO
10
AMBIENTES
(AGRESSIVOS)
PRESSÕES
ESFORÇOS
TEMPERATURAS
FUNÇÃO
(normas)
DIMENSÕES
(estado de tensões)
RISCO
(inspeção)
FORMA
(fabricação)
seleção de materiais para
atendimento às solicitações
impostas
seleção e especificação de materiais
para atendimento a uma aplicação
PREMISSAS TÉCNICAS PARA A SELEÇÃO E
ESPECIFICAÇÃO DE MATERIAIS
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
A SOLDAGEM PODE SER REQUERIDA PARA
CUMPRIR DIFERENTES FUNÇÕES, E CADA
UMA TRAZ DIFERENTES REQUISITOS PARA O
MATERIAL SOLDADO:
• UNIR MATERIAIS
(join)
• RESTAURAR MATERIAIS
(build-up, restore, repair)
• REVESTIR MATERIAIS
(clad, overlay, hardface)
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
QUAIS OS REQUISITOS DA
SOLDA QUANDO É
NECESSÁRIO UNIR MATERIAIS.
O QUÊ O PROJETO DETERMINA ?
MATERIAIS ? ESPESSURAS ? FORMAS ? QUALIDADE ?
O QUÊ O CLIENTE QUER?
PRODUTIVIDADE ? MENOR CUSTO ?
Produtividade
operaçãofabricaçãoprojeto
VIDA ÚTIL
Solicitações Mecânicas
Meio
Temperatura
Inspeção
Configuração
Material
Tecnologias de Soldagem e Inspeção
Qualidade
PREMISSASMODELOS
MÉTODOS DE
CONSTRUÇÃO
SOLDAGEM
RISCOQual a probabilidade de falhar?
Qual a consequência de falhar?
INTEGRIDADE
150x150x
35x
zonatermicamenteafetada
zona deligação
metalde solda
ferritadelta
Inox 316
Solda Autógena
(quantidade de ferrita delta)
metalografias de uma junta de
aço inoxidável AISI 304
soldada autogenamente por
TIG, apresentando corrosão
preferencial da ferrita delta.
16
POSIÇÃO DE
SOLDAGEM
plana rodando
horizontalquase todas ...
plana horizontal verticalsobre-cabeça
SOLICITAÇÕES
MECÂNICAS
TEMPERATURA
Resistência Mecânicatensão limite de escoamento (LE)
Resistência à Fadigalimite de resistência à fadiga
Tenacidadeenergia acumulada
Resistência ao Calor
Tenacidade Resistência à
propagação de trincas
Charpy V, CTOD
REQUISITOS
DA SOLDA ?
Resistência à Corrosãotaxa de corrosão (proteção)
efeito no material
não susceptível à fragilização
Controle de Dureza, Inclusões
Resistência ao Desgaste
MEIO
REQUISITOS
DO PROJETO?
PROJETO DO EQUIPAMENTO
PROJETO DA JUNTA SOLDADA
REQUISITOS DA
SOLDAGEM?
PROJETO DE JUNTAS SOLDADAS
É IMPORTANTE SABER QUE O PROJETO DETERMINA O TIPODE JUNTA SOLDADA EM FUNÇÃO DAS SOLICITAÇÕES
JUNTAS DE PENETRAÇÃO TOTAL/PARCIALmesma solicitação do metal de base
JUNTAS DE FILETE E JUNTAS SOBREPOSTASimportantes são os tamanhos do filete e a penetração
TOPO (pode ou não ter chanfro)
EM ÂNGULO (pode ou não ter chanfro)
SOBREPOSTA
SOLDAS DE PENETRAÇÃO PARCIAL
SOLDAS DE PENETRAÇÃO TOTAL
SOLDA EM FILETE
19
SOLDAGEM
MANUAL
GTAW na raiz
SMAW no
enchimento e
acabamento
SOLDAGEM
MECANIZADA
GTAW
TUBOS
DIÂMETRO 8”
ESPESSURA 1”
metal
de
solda
metal de
base
25 mm
25 mm
32 PASSES
10 PASSES
DECIDIR AUTOMATIZAR
DEPENDE DO PROJETO?
20
SOLDAGEM REALIZADA EM 9 PASSES
Raiz 90A 11 V aporte 1,2 Kj/mm
Enchimento 120A 11V aporte 1,3 a 1,5 KJ/mm
Acabamento 120A 11V aporte 0,9 KJ/mm
SOLDAGEM REALIZADA EM 13 PASSES
Raiz 95A 10V aporte 1,6 KJ/mm
Enchimento 120A 12V aporte 0,8 a 1,1KJ/mm
Acabamento 120A 12V aporte 0,9KJ/mm
VARIAÇÕES DE APORTE, VARIAÇÕES DE DILUIÇÃO,
VARIAÇÕES DE PERFIL PODEM AFETAR OS REQUISITOS?
CORROSÃO ...
FRESTAS ...METAL DE
SOLDA
21
SOLDAGEM MECANIZADA EXECUTADA
POR DIFERENTES OPERADORES ...
POSICIONAMENTO
INCORRETO DO
EQUIPAMENTO
PODE CRIAR UMA
CONDIÇÃO
DESFAVORÁVEL
DE “QUALIDADE”
(ATENDIMENTO AO
REQUISITO),
APESAR DO
PROCESSO TER
SIDO
MECANIZADO MATERIAL QUE EXIGE
CONTROLE DE DUREZA,
QUE NÃO ATENDEU AO
REQUISITO DE QUALIDADE
PARA DEFINIR QUAIS OS REQUISITOS DE UMA SOLDA DE UNIÃO É
IMPORTANTE ENTENDER :
• Qual é a APLICAÇÃO ?
estrutural, pressurizado, alta temperatura, baixa temperatura
• Qual a combinação entre CARREGAMENTO e MATERIAL ?
espessuras, materiais de alta resistência, fadiga
• Será exposto a MEIOS AGRESSIVOS ?
• COMO SERÁ FABRICADO ?
tecnologias disponíveis, produtividade, distorções
RISCO
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QUAIS OS REQUISITOS DA
SOLDA QUANDO SE REALIZA
UM REPARO, OU UMA
RESTAURAÇÃO.
“BUILD UP”
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
Turbina PELTON que
trabalhou durante
algum tempo e, para
melhorar sua
performance
hidrodinâmica, foi
retirada de operação
para RECONSTRUÇÃO
(com alteração) DOS
RAIOS DE
CURVATURA.
Soldagem com pré-aquecimento uniforme e de alta temperatura, na posição plana, com
técnicas de baixa diluição (cordões filetados, com grande sobreposição), baixa corrente
em eletrodo de pequena bitola para garantir baixo aporte e duplo tratamento térmico.
Aço Inox MartensíticoFundido 13-4
26
Este componente foi
recebido como novo,
mas o cliente
resolveu fazer um LP
e verificou a presença
de “poros”. A
macrografia do dente
da engrenagem
revela o reparo por
solda dissimilar
trinca na réplica sem ataque
réplica com ataque
RESTAURAR DIMENSÕES COM QUAL MATERIAL ?
Aço Baixa Liga Forjado, temperado e revenido, para trabalhar em contato metal-metal, restaurado com um material dissimilar (aço inox).
Fundido Bronze - Estrutura bifásica ( + )
CONCENTRADORES
(SOLDAGEM DE REPARO)
EM HÉLICE DE EIXO PROPULSOR
FADIGA NÃO É UMA
CAUSA MAS UM
MECANISMO
CARACTERÍSTICO DE
UM MATERIAL QUE
SOFREU
CARREGAMENTO
CÍCLICO E TEM
CONCENTRADORES
QUE ELEVAM A
TENSÃO
LOCALIZADAMENTE
FADIGA
SOLDAGEM DE REPARO
RESTAURAR DIMENSÕES ONDE?
Ensaio LP
Ensaio PM
EQUIPAMENTO DE PERFURAÇÃO
TRINCAS UM POUCO AFASTADAS DA
SOLDA SOMENTE DETECTADAS POR PM
8”
IDENTIFICAR A NATUREZA DE
TRINCAS É UMA DAS MAIORES
INFORMAÇÕES QUE A ANÁLISE
METALÚRGICA FORNECE.
Este componente foi
reparado para
colocar de novo um
revestimento duro,
mas o cliente
resolveu fazer um LP
e verificou a presença
de “poros”. Ao fazer
o ensaio PM foi
possível ver que de
fato não eram poros
e sim trincas
subsuperficiais.
Aço Baixa Liga Forjado, temperado e revenido, com um hard bandingexterno para evitar desgaste.
TRINCA A FRIO SOB CORDÃO.
Aço baixa liga de médio carbono reparado por soldagem, sem o devido pré-aquecimento .
EQUIPAMENTO
DE PERFURAÇÃO
CARBONO EQUIVALENTE
Aço Baixa Liga Forjado, temperado e revenido, com um hard bandingexterno para evitar desgaste.
Dureza 400 HB
Microtrincas
Dureza 200 HB
Consumível E10018-D2
Fadiga
FADIGA
RUPTURA
DE EIXO
PROPULSOR
REPAROS A FRIO NA SOLDA DE RECONSTRUÇÃO
POUCOS ANOS
APÓS A
RESTAURAÇÃO,
O EIXO SOFREU .
FADIGA DEVIDO
À PRESENÇA DE
TRINCAS NAS
REGIÕES DE
REPARO.
RESTAURAR DIMENSÕES
COM QUAL REQUISITO DE
INTEGRIDADE?
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
UMA DAS MAIORES DIFICULDADES DA SOLDAGEM
DE REPARO OU RESTAURAÇÃO É QUE MUITAS
VEZES OS MATERIAIS QUE PRECISAM
RESTAURAÇÃO SEQUER SÃO ROTINEIRAMENTE
SOLDADOS, E COM ISSO OS PROCEDIMENTOS DE
SOLDAGEM NÃO SÃO OS TIPICAMENTE ADOTADOS
CONFORME AS NORMAS E CÓDIGOS.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
QUAIS AS
ESPECIFICIDADES DAS
SOLDAS DE
REVESTIMENTO CONTRA
CORROSÃO OU CONTRA
DESGASTE, VISTO QUE OS
REQUISITOS ENVOLVEM
RESISTIR À CORROSÃO
OU AO DESGASTE, NA
SUPERFÍCIE .
Christmas Trees
Internet / FMC site
Internet – Oil refineryPhilips Petroleum Company
COMPLETION
PRODUCTION
REFINARIA
Fluidos corrosivos
com alto CO2 e
pressão, e baixa
temperatura.
Resistência ao ácido
naftênico em alta
temperatura.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
RESISTÊNCIA À CORROSÃO
LIGA 625Inconel
VÁLVULA CLADEADA
Tubo de aço C-Mn resistente à
pressão
Liga de Niresistente à
corrosão
Camada de Inconel 625
Tubo de aço C-Mn
“Clad” envolve união metalúrgica, neste caso entre uma chapa de liga de Ni e uma chapa de aço C-Mn
TIPOS DE TUBOS CLADEADOSTubos co-extrudadosTubos de chapas laminadase soldadas (costura)Tubos sem costura revestidos internamente
aço C-Mn API 5L X-70
Inconel 625 CRA
MATERIAL Limite de escoamento Limite de resistência
X-70 Min 482 Mpa Min 565 Mpa
Alloy 625 Min 415 MPa 830-950 MPa
Tratamento térmico é requerido ...
Válvula de aço baixa liga 4130 (temperado e revenido) revestido com Inconel 625 (Ni-Cr-Mo).
GTAW automática
REVESTIR POR OVERLAYcontra corrosão
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
SOLDA DE REVESTIMENTO CONTRA CORROSÃO INCONEL 625
SOBRE AÇO BAIXA LIGA POR PROCESSO GTAW ARAME QUENTE
metal de base
zona termicamente afetada
consumível
zona de
ligação
cordões de solda
AISI 8630 x A106 x X52
98Fe
1Cr
0,3Mo
0,5Ni
0,3C
Inconel 625
60Ni
20Cr
9Mo
5Fe
3,5Nb
0,08C
diluição
DILUIÇÃOquantidade de
metal de base
introduzida na
solda
quantidade de calor imposta
pelo arco elétrico - APORTE
APORTEvalor facilmente reconhecido pois depende de parâmetros
elétricos e velocidade de movimentação do arco
quantidade de calor que se
dissipa pelo material ?
depende de espessura,
geometria, massa
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
teor de ferro de 5% teor de ferro de 12%
a 1/8”
diferentes penetrações na mesma região de uma solda
manual (SMAW)
teste de
corrosão G48
lado Alado B
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
GTAW HOT WIRE
SMAW
A CARACTERÍSTICA DA
FUSÃO DE METAL DE
BASE E SUA
INTRODUÇÃO NA
SOLDA É MUITO
IMPORTANTE E VARIA
COM OS PROCESSOS
SAW
CLADDING
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
metal de base
zona termicamente afetada
AISI 8630
98Fe
1Cr
0,3Mo
0,5Ni
0,3C
Inconel 625
60Ni
20Cr
9Mo
5Fe
3,5Nb
0,08C
superfície
original
superfície
usinada
cada camada 2,5 mm - pode ser otimizado ...
espessura de solda 3,2 mm
SOLDAGEM DE REVESTIMENTO
(CLADDING )
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
EQUIPAMENTOS CLADEADOS
Superfícies em contato com fluidos corrosivos devem ter a composição
química resistente à corrosão no meio. Como é possível garantir que toda
uma superfície, cuja geometria é complexa, esteja revestida?
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
REVESTIMENTO
CONTRA DESGASTE
Revestimento Solda Ni-Cr-B
VENTANEIRA
APÓS 210
DIAS DE
OPERAÇÃO
Ao contrário dos revestimento contra corrosão,
os revestimentos contra desgaste não costumam
exigir que toda a superfície seja soldada, e sim
apenas as regiões que serão submetidas ao
desgaste abrasivo, erosivo ou metal-metal.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
UMA REGIÃO REVESTIDA CONTRA CORROSÃO
PRECISA SER CONTÍNUA E COM ESPESSURA SUPERIOR
À MÍNIMA CUJA COMPOSIÇÃO QUÍMICA GARANTA
RESISTÊNCIA AO MEIO; ENQUANTO UMA REGIÃO
REVESTIDA CONTRA DESGASTE PRECISA TER UMA
ESPESSURA INFERIOR À MÁXIMA PARA AINDA ASSIM
TER O REQUISITO MECÂNICO, POIS MUITAS CAMADAS
DE SOLDA DEGRADAM A ESTRUTURA E REDUZEM A
RESISTÊNCIA AO DESGASTE .
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
O QUE PODE AFETAR O
COMPORTAMENTO DE UM
MATERIAL METÁLICO
QUANDO ELE É SOLDADO.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
O que é o material ?
• Quais seus requisitos?
• Quais suas
propriedades?
• Como as propriedades
são obtidas?
Como é feita a soldagem?
• Quais os requisitos de
qualidade?
• Quais os requisitos de
produtividade/custo?
• Quais as tecnologias de
soldagem?
• Quais as tecnologias de inspeção?
• Quais os riscos?
corte da chapa
conformação
soldagem por resistência
retirada de rebarba
tratamento térmico
TUBOS FERRÍTICOS DE BAIXO CARBONO,
COM COSTURA LONGITUDINAL POR
RESISTÊNCIA, DE PEQUENO DIÂMETRO
(BOBINADO) CLASSE 80 KSI (LE)
RESISTENTES AO H2S
Operação (vida útil)FabricaçãoProjeto
SOLDAGEM
QUALIDADE
PRODUTIVIDADE
Qualquer construção em engenharia é projetada e
fabricada para durar toda a vida útil (10 anos, 20 anos, ...),
sem sofrer falhas.
TECNOLOGIAS DE SOLDAGEM E DE INSPEÇÃO
Solicitações mecânicas
Meio
Temperatura
Inspeção
Configuração
Material
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
Quanto mais um
material tem requisitos
de propriedades mais
ele pode perder a
propriedade na
soldagem
Quanto mais
“energia” se coloca
para soldar, mais os
requisitos de
propriedades podem
ser alterados
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
ALTERAÇÕES PROMOVIDAS
PELA SOLDAGEM NO
ESTADO SÓLIDO.
Energia mecânica
TIPO DE
SOLDAGEM
NATUREZA
DA ENERGIAPROCESSO
estado
sólidomecânica
fricção
explosão
laminação
difusão
FSW
SOLDAGEM NO ESTADO SÓLIDO
Antônio Ramirez
SINCROTON
Campinas SP
FORÇA AXIAL
COMPRIMENTO
DE
QUEIMA
VELOCIDADE
ROTACIONAL
CONCENTRICIDADE
ÂNGULO DO PINO
ÂNGULO DO FURO
Deslocamento interface
Comprimento dentro da placa
Velocidade tangencial
ou periférica
Alinhamento
SOLDAGEM POR FRICÇÃO
Variáveis do Processo pino
Chapa
base
Soldagem
Flash
APESAR DE NÃO
FUNDIR A
TEMPERATURA DO
PROCESSO É
ELEVADA E
OCORREM MUITAS
TRANSFORMAÇÕES
TERMOMECÂNICAS
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
FABRICAÇÃO DO DRILL PIPE Fricção (FRW)
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
QUAIS AS PRINCIPAIS
ALTERAÇÕES
METALÚRGICAS
PROMOVIDAS PELA
SOLDAGEM QUE
ENVOLVE A FUSÃO
LOCALIZADA.
TIPO DE
SOLDAGEM
NATUREZA DA
ENERGIAPROCESSO
por fusão
químicaoxi-combustível
aluminotérmica
elétrica
(arco elétrico)
GTAW (TIG)
SMAW
(eletrodo revestido)
GMAW (MIG/MAG)
FCAW
(arame tubular)
SAW
(arco submerso)
elétrica
(resistência)
ponto
costura
física (radiação)laser
feixe eletrônico
PREPARAÇÃO MECÂNICA PARA A SOLDAGEM
TRATAMENTO TÉRMICO
PÓS-AQUECIMENTOINTERPASSE
PRÉ-AQUECIMENTO
PONTEAMENTO
SOLDAGEM
ALÍVIO DE TENSÕES
PÓS-AQUECIMENTO
Temperatura
tempo
relaxar o material
sair o hidrogênio
reduzir a velocidade de resfriamento
ALTERAÇÕES PROMOVIDAS PELA SOLDAGEM ENVOLVEM NÃO
SOMENTE EFEITOS DA FUSÃO MAS DOS DIFERENTES AQUECIMENTOS
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
O que é o material ?
• Quais seus requisitos?
• Quais suas
propriedades?
• Como as propriedades
são obtidas?
Como é feita a soldagem?
• Quais os requisitos de
qualidade?
• Quais os requisitos de
produtividade/custo?
• Quais as tecnologias de
soldagem?ALTERAÇÕES METALÚRGICAS
• COBRE
• NÍQUEL
• TITÂNIO
• COBALTO
AO CARBONO
sem elementos de liga (Mn)
Estruturais, construção mecânica , tubulações
BAIXA LIGA
somatório dos elementos de liga < 5%
ferríticos de granulometria refinada (Mn, Nb,V,Ti)
martensíticos revenidos (Cr, Mo, Ni)
estruturais, vasos de pressão, construção mecânica
ALTA LIGA
somatório dos elementos de liga > 8%
RESISTENTES
• à corrosão
• ao calor
• ao desgasteLIGAS
NÃO
FERROSAS
AÇOS
FERROS
FUNDIDOS
MÉDIA LIGA
somatório dos elementos de liga entre 5 e 8%
Cr-Mo, Ni
• austeníticos 316
• ferríticos 405
• martensíticos 410, F6NM
• duplex 2205, 2507
METAIS E
LIGAS DE
APLICAÇÃO
COMERCIAL
AÇOS LIGA
ALLOY STEELBaixa temperatura
Alta temperatura
AÇOS INOX
STAINLESS STEELPRE – Duplex
Austeníticos
Martensíticos
AÇOS CARBONO
CARBON STEEL
CUSTO da
matéria-prima
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
Quanto mais um
material tem requisitos
de propriedades mais
ele pode perder a
propriedade na
soldagem
Quanto mais
“energia” se coloca
para soldar, mais os
requisitos de
propriedades podem
ser alterados
macrografia5 mm
solda autógena
EM MATERIAIS ENCRUADOS É IMPORTANTE TOMAR CUIDADO COM A PERDA DE RESISTÊNCIA PELA RECUPERAÇÃO OU RECRISTALIZAÇÃO. NESTE CASO MAIS IMPORTANTE DO QUE A REGIÃO FUNDIDA (NO CENTRO), É A REGIÃO AQUECIDA PRÓXIMA DA TEMPERATURA DE RECRISTALIZAÇÃO.
ONDE O MATERIAL ESTÁ ENCRUADO E FOI AQUECIDO NA FAIXA DE TEMPERATURAS DE RECUPERAÇÃO E RECRISTALIZAÇÃO, A ESTRUTURA SOFRE PERDA DE RESISTÊNCIA .
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM 64
MECANISMOS DE ENDURECIMENTO
A palavra endurecimento pode não ser a ideal pois a DUREZA não tem relação
com a TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO (que é a tensão onde o material
inicia o deslizamento dos planos), mas a literatura chama de mecanismos de
endurecimento a todas as formas de aumento da tensão de escoamento ...
As propriedades mecânicas dependem fundamentalmente da estrutura do
material (macro e microscópica) e todas as formas de “endurecer” um material
estão relacionadas a algum fenômeno metalúrgico onde se cria uma restrição à
movimentação das discordâncias.
MECANISMOS DE ENDURECIMENTO
ENCRUAMENTO
SOLUÇÃO SÓLIDA
FORMAÇÃO DE SEGUNDAS FASES
ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
MARTENSITA REVENIDA
REFINO DE GRÃO
TRATAMENTOS TÉRMICOS em materiais que
apresentem elementos de liga que favoreçam a
formação martensítica (temperabilidade) e que
não sofram amaciamento no revenimento
tratamentos siderúrgicos, TÉRMICOS OU TERMOMECÂNICOS em
materiais que apresentem elementos de liga específicos
METAL DE BASE
dual phase
AÇOS
QUALQUER LIGA
estrutura cristalina
inclusões
linhas de
deformação
precipitados
coerentes
vazios
discordâncias
em 1 mm 2 existem centenas de grãos
átomo
substitucional
átomo intersticial
precipitados
incoerentes
precipitados
em contornos
de grãoEstrutura policristalina de um aço, na forma ferrítica (estrutura CCC)
Todas as características da ESTRUTURA METALÚRGICA que restringem a
movimentação das discordâncias, exigem uma tensão maior para fazê-las caminhar
(deformação/regime plástico).
ENCRUAMENTO
SOLUÇÃO SÓLIDA
REFINO DE GRÃO
PRECIPITAÇÃO
MARTENSITA REVENIDA ...
% PERLITA ...
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM 67
ENCRUAMENTO
quando um material é submetido a
uma tensão superior ao seu limite
de escoamento, ele sofre
deformação plástica (encruamento)
e aumenta sua resistência mecânica
mas sua estrutura é instável e
facilmente perde resistência quando
aquecida
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM 68
RECRISTALIZAÇÃO
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM 69
diagrama de equilíbrio de uma
liga que apresenta linha
solvus, ou seja existe uma fase
que apresenta solubilidade
limitada do soluto
PRECIPITAÇÃO
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM 70
CURVAS DE
TRANSFORMAÇÃO
T
início da transformação
término da transformação
tempo
dão idéia da cinética de
transformação e da
morfologia das fases
por exemplo para uma liga
de níquel endurecível por
precipitação
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM 71
CURVA DE
TRANSFORMAÇÃO
Para os aços a curva de
transformação está
associada com a
temperabilidade, que é a
capacidade de
endurecimento em
profundidade.
PROCESSO FEIXE
ELETRÔNICO (EBW)
ALTA INTENSIDADE
E BAIXA ENERGIA
INTENSIDADE DE FONTE
X
ENERGIA DE SOLDAGEMÁREA ...
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
GTAW
arco
poça de fusão
proteção do arco e da poça
eletrodo
corrente
tensão
troca de calor com o metal de base
velocidade
SOLDAGEM A ARCO ELÉTRICO
DEPOSIÇÃO DE MATERIAL ?Depende se o eletrodo é consumível ou não consumível (e neste caso se é colocado um consumível ou não - SOLDA AUTÓGENA)
PROTEÇÃO GASOSA ?SempreInjeção de gás (inerte, ativo ou mistura)Queima de fluxo
Ciclo Térmico
Tempo
Te
mpera
tura
DistânciaTem
pera
tura
máx
LF
Tf
Repartição Térmica
12
3
Tf
Tt 2
1
1
2
3
Tt
3
Tf - temperatura de fusão
Tt – temperatura de transformação E = f . V. I
vESPESSURA
PRÉ-AQUECIMENTO
APORTE
Transformações pelo aquecimento Transformações
no resfriamento
REPARTIÇÃO TÉRMICA PARA UMA JUNTA DE
AÇO BAIXO CARBONO EM UM ÚNICO PASSE
A VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO
(ou o tempo entre 800 e 500°C) DEPENDE
• DO APORTE DE CALOR
• DAS DIMENSÕES DA JUNTA
• DO PRÉ-AQUECIMENTO
AS TRANSFORMAÇÕES DEPENDEM
DAS CURVAS TTT DOS AÇOS ...
CICLOS TÉRMICOS
t 8/5 – tempo de resfriamento entre 800°C e 500°CT0 – temperatura de pré-aquecimentoQ – quantidade de calor fornecidod – espessura da chapa
CHAPA GROSSA
CHAPA FINA
COSTURA LONGITUDINAL SOLDA A ARCO ELÉTRICO SAW
passe externo
passe interno
metal de base API 5L X-80
metal de base X-80
ZTA
ZTA
metal de solda
metal de solda
20 mm
diâmetro 20”
metal de solda
ZTA
metal de
base
(alto C ...,
impurezas)
REGIÕES DE UMA JUNTA SOLDADA MULTIPASSESDILUIÇÃO
% MB no MS
Quando se solda aço baixa liga (principalmente de alta resistência) a diluição pode ser um grande problema ... pois para o metal de base o mecanismo de endurecimento é diferente do metal de solda e a diluição pode modificar a composição do consumível, projetada para assegurar a propriedade.
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
inoxbaixa liga
MATERIAIS DISSIMILARES
JUNTA MULTIPASSES
QUANDO O MECANISMO DE ENDURECIMENTO É POR REFINO DE GRÃO, E OS ELEMENTOS DE LIGA NÃO SÃO RESISTENTES AO REAQUECIMENTO, DEVE SER TOMADO MUITO CUIDADO COM A SOLDAGEM MULTIPASSES E O TRTAMENTO TERMICO DE ALÍVIO DE TENSÕES.
METAL DE BASE 1
PREAQUECIMENTO
TRATAMENTO TÉRMICO
DE ALÍVIO DE TENSÕES
APORTE
METAL DE BASE 2
PREAQUECIMENTO
TRATAMENTO TÉRMICO
DE ALÍVIO DE TENSÕES
APORTE
METAL DE SOLDA
DILUIÇÕES
METAL DE ADIÇÃO
COMPOSIÇÃO QUÍMICA
PROCESSAMENTO
TRATAMENTOS TÉRMICOS
REAQUECIMENTOS
AS WELDED TTAT
CERTIFICAÇÃO ...Sem diluição, TTAT AWS, aporte AWS
PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM
integridade (ausência de defeitos) – AVALIAR A SUSCEPTIBILIDADE
AO TRINCAMENTO A QUENTE, A FRIO E NO REAQUECIMENTO
atendimento aos requisitos (propriedades) – AVALIAR QUAIS AS
CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS ENVOLVIDOS E COMO COMBINÁ-LAS
Fundido Utilizado em
Componente de Sustentação Fundidos são especialmente susceptíveis a
trincas a quente (liquação e solidificação)
Aço Baixa Liga
Temperado e Revenido
TRINCAS A QUENTE
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
Tensões residuais são geradas na soldagem devido ao aquecimento em alta
temperatura de forma muito localizada, que plastifica regiões adjacentes à
solda e as mantém com um nível de tensões internas de magnitude próxima a
do limite de escoamento do material.
TENSIONAMENTO RESIDUAL
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
ANALOGIA DA BARRA AQUECIDA...
https://www.slideshare.net/jeetendramalav/residual-stress-in-welding
As tensões que precisam ser aliviadas são as tensões residuais geradas pelo aquecimento localizado, com dilatações, deformações e contrações diferenciais ao longo do material.
Após a soldagem, e dependendo:• do tipo de material,• da espessura, • da geometria dos metais
de base, • do tipo de chanfro, • da quantidade de metal
de solda, o componente apresenta uma distribuição de tensões não uniforme, muitas vezes com distorções, que tornam o componente bastante instável pois as máximas tensões, na solda, podem ser iguais ou mesmo ultrapassar a tensão limite de escoamento do material.
TENSÕES RESIDUAIS DE
SOLDAGEM
JUNTAS SOLDADAS POR FUSÃO
Importante ter uma ideia física do que acontece em algumas
condições de tensionamento.
1. Quando qualquer material é tensionado abaixo da tensão
limite de escoamento ocorre um alongamento elástico e
isso significa que ele muda seu tamanho, mas se a tensão
for suprimida o material retorna ao tamanho original.
2. Quando o material ultrapassa a tensão limite de
escoamento, ele sofre deformação plástica e isso significa
que ele muda de tamanho de forma definitiva. Durante
um ensaio de tração o que se quer é conhecer as tensões
que levam o material a diferentes percentuais de
deformação e por isso o ensaio continua impondo
deformações, mas na prática quando um material sofre
uma deformação, ele PLASTIFICA, mudando seu tamanho
definitivamente, encruando (o que aumenta sua
resistência) e relaxando a tensão.
Como o material relaxa ?
O ALÍVIO SOMENTE OCORRE
QUANDO O MATERIAL PLASTIFICA
Esquema de um ensaio de tração. Neste caso o corpo de prova é tracionado pelodeslocamento de um barramento acionado pela rotação de parafusos sem-fim
Quais são os métodos de
alívio de tensões?
A forma de relaxar é através da plastificação. Existem duas formas de plastificar:
1. impondo uma tensão controlada para permitir que o material deforme na forma que se deseja, mecanicamente, em
✓ Expansão de tubos.✓ Vibrações .✓ “Martelamento” ??
2. ou reduzindo a tensão limite de escoamento do material assegurando que a tensão residual esteja superior à tensão limite de escoamento na temperatura de alívio, em
✓ Tratamento térmico.
Alívio Mecânico
Alívio Térmico
Comparison of reduction factors of 0.2% yield strength
Tanto para aços de baixo carbono como aços de alta resistência a tensão limite de escoamento cai a 30% de seu valor em temperaturas na ordem de 600°C.
Redução da tensão limite de
escoamento com a temperatura
• abaixo de 500°C não
existe grande redução
da tensão limite de
escoamento
Alívio Térmico
Relaxamento imposto ou não ?
Um material que for colocado em operação com tensões residuais vai relaxar estas tensões (internas) no momento em que for submetido a tensões externas (para as quais foi projetado), ou seja em testes (de carga ou hidrostático) ou no início de operação.
De uma forma ou de outra ele vai aliviar a tensão, o problema é que ele pode PLASTIFICAR OU ROMPER, e a gente precisa entender em que situações precisamos impor o relaxamento na fabricação, e quando não precisamos nos preocupar pois ele vai aliviar sozinho.
O ensaio de tração mostra diferenças importantes
entre os materiais. A medida que a resistência
mecânica aumenta, a tensão limite de escoamento
deixa de se mostrar nítida e a relação entre a tensão
limite de escoamento e a tensão limite de resistência
vai aumentando, indicando que materiais de baixa
resistência escoam muito antes de romper, ao
contrário dos materiais de alta resistência, que escoam
em tensões bem próximas da necessária para romper.
MATERIAIS QUE APRESENTAM LE/LR ELEVADO raramente são soldados sem um tratamento térmico posterior pois existe o risco de trincar se não forem
relaxados antes de iniciar a operação.
Obrigatório relaxar materiais cuja natureza não permite seu relaxamento em operação
Diferentes tipos de materiais e sua capacidade de relaxar
Estrutura
austenítica tem
LE/LR na ordem
de 0,3 a 0,4.
Raramente
precisam relaxar
antes de entrar
em operação.
Estrutura ferrítica
tem LE/LR na
ordem de 0,5 a
0,7.
Depende um
pouco da
tenacidade do
material, pois
nem sempre é
possível
plastificar sem
trincar.
Estrutura martensítica tem LE/LR entre 0,8 e 0,99.
Em geral precisam relaxar ates de entrar em operação. Somente
relaxamento térmico é permitido pois a estrutura precisa de alívio
microestrutural além de mecânico.
MATERIAIS
ESPESSURAS GRANDES geram estados triaxiaisde tensões que inibem a plastificação, e se o material não consegue deformar a tensão aumenta e chega na tensão limite de resistência.
Relaxar para evitar fratura frágil.
Relaxar para garantir estabilidade dimensional.
COMPONENTES QUE TRABALHAM BALANCEADOS, independente do material, precisam alívio para não mudarem seu dimensional pois a plastificação envolve mudança de tamanho ou forma e se isso ocorrer no momento de entrar em operação,será um grande problema.
Corrosão-sob-tensão
em soldas de reparo
em tubulão de
caldeira, sem alívio,
operando com
tratamento de água
inadequado
Relaxar para não corroer sob tensão.
MATERIAIS QUE SOFREM CORROSÃO SOB TENSÃO podem
precisar ser relaxados antes de iniciar a
operação.
283 HV
SOLDAGEM DE CONEXÃO EM RAMIFICAÇÃO DE 3” PARA 1 ½”
FILETE DE SOLDA
Alguns projetistas de refinarias no Brasil definem que
somente é necessário o TTAT se tiver dureza acima de 200
HB na solda ... mas ... e se não der para medir (por exemplo
em solda de filete) ? basta que o procedimento de soldagem
seja qualificado com dureza baixa? Será que este tipo de
solda de produção foi avaliada na qualificação ? E será que o
material adotado na qualificação é igual ao de produção?
Relaxar para não fragilizar.
251 HV
MATERIAIS QUE SOFREM
FRAGILIZAÇÃO PELO H2S precisam relaxar
para reduzir a dureza.
O TRATAMENTO TÉRMICO PÓS-SOLDAGEM É RECOMENDADO EM SOLDAS DE:1) COMPONENTES DE GRANDE ESPESSURA2) COMPONENTES QUE REQUEREM ESTABILIDADE DIMENSIONAL3) CONDIÇÕES ESPECIAIS EM MEIOS CORROSIVOS OU FRAGILIZANTES4) MATERIAIS DE ALTA RESISTÊNCIA
CUIDADO COM MATERIAIS QUE SOFREM ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃOUm tratamento incorreto pode levar a trincas de reaquecimento, inclusive em serviço.CUIDADO COM MATERIAIS QUE SOFREM FRAGILIZAÇÃO AO REVENIDOUm resfriamento muito lento após o ciclo pode fragilizar o material. É preciso resfriar rapidamente.CUIDADO COM MATERIAIS QUE PRECISAM TER DUREZAS MUITO CONTROLADASÉ preciso qualificar com os tempos mínimos e máximos. CUIDADO COM MATERIAIS QUE TEM ALTA RESISTÊNCIA MAS NÃO SÃO MARTENSÍTICOSEncruamento e refino de grão sofrem perda de resistência nas temperaturas usuais de alívio.
RECOMENDAÇÃO DE TRATAMENTO TÉRMICO
Qual a diferença entre localizado e global?AQUECIMENTO LOCALIZADO
Aquecimento por condução no contato entre uma fonte de calor e o material, ou indução. Controle do calor imposto ao material (que
será traduzido em uma temperatura) através de um termopar localizado no ponto onde se
deseja o máximo aquecimento.
AQUECIMENTO EM FORNO (GLOBAL)Aquecimento por convecção entre a atmosfera do forno aquecido e todo o material, com duas
formas de controle de temperatura, por um termopar acoplado à peça (que mede a
temperatura da peça) ou pelo termopar do forno (que mede a temperatura do forno).
100
composição química processamento
microestrutura propriedades mecânicas
aços ao carbonoaços baixa liga
termomecânicotérmico
baixa resistênciamédia resistênciaalta resistência
tenacidade controlada MATERIAL
solicitações
esforços corrosão
tecnologias para construção e montagem processos x produtividade
normas
tecnologias de inspeção
PROCESSOS
APLICAÇÃOPROJETO
FABRICAÇÃO E INSPEÇÃO
qualificação
102
AMBIENTES
(AGRESSIVOS)
PRESSÕES
ESFORÇOS
TEMPERATURAS
DIMENSÕES
(estado de tensões)
RISCO
(inspeção)
AÇO CARBONO
FUNÇÃO
(normas)
FORMA
(fabricação)
TEMPERATURA
AMBIENTE TROPICAL
OFFSHORE
COM
PROTEÇÃO
POR PINTURA
ESTÁTICOS,
CÍCLICOS
103
AMBIENTES
(AGRESSIVOS)
PRESSÕES
ESFORÇOS
TEMPERATURAS
seleção de materiais para
atendimento às solicitações impostas
TEMPERATURA
AMBIENTE TROPICALOFFSHORE COM
PROTEÇÃO POR
PINTURA
ESTÁTICOS,
CÍCLICOS
AÇO CARBONO
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM 104
ENSAIO DE TRAÇÃO
• tensão limite de escoamento (LE)
ou Yield Strenght (YS), que é a tensão
acima da qual o material começa a
sofrer deformação permanente
(plástica)
• tensão limite de resistência (LR)
ou Ultimate Strenght (US) ou Tensile
Strenght, que é a máxima tensão;
• alongamento %
• redução de área %
RESISTÊNCIA MECÂNICA
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
EFEITO DE UM CONCENTRADOR DE TENSÕES
Material tenaz
Material frágil
Trinca arredonda
(deforma) e se abre
com alta carga
Trinca propaga
sem abrir, com baixa
carga
TENSÕES CÍCLICAS ... ?
TENSÕES ESTÁTICAS
106
ESTRUTURAS DE AÇO CARBONO PARA MÓDULOS TOP SIDE
Tensão limite de escoamento
Charpy V a
+ 20°C- 20°C- 40°C
ESTRUTURAS ESPECIAIS
Tensão limite de escoamento
Charpy V a
+ 20°C- 20°C- 40°C
ESTRUTURAS PRIMÁRIAS
Tensão limite de escoamento
Charpy V a + 20°C
ESTRUTURAS SECUNDÁRIAS
ASTM A 131
Tensilerequirements
YieldStrength
(YS)
Charpy V tested at
20°C (A)
Charpy V tested at
0°C (B)
Charpy V tested at
- 20°C (D)
Charpy V tested at
- 40°C (E)
Charpy V tested at
- 60°C (F)
Ordinary 235MPa A (sem requisito até 2”)
B D E -
High Strength
H32 315MPa AH 32 - DH 32 EH 32 FH 32
H36 355MPa AH 36 - DH 36 EH 36 FH 36
H40 390MPa AH 40 - DH 40 EH 40 FH 40
Aço C
Aço baixa liga
Aço baixa liga
Aço C
WORKSHOP METALURGIA DA SOLDAGEM
O comportamento em serviço de construções soldadas (em
estruturas e equipamentos) depende de dois fatores básicos :
• integridade (ausência de defeitos)
(quais ? Defeitos x descontinuidade ? END)
• atendimento aos requisitos
(quais ? Como não perder ?)PROJETO
especificação
inspeção
FABRICAÇÃO
OPERAÇÃO