Avaliação de diferentes gases de proteção na soldagem de aço inoxidável superduplex pelo
processo (GTAW) gas tungsten arc welding orbital
Evaluation of different shielding gases in the welding of superduplex stainless steel by the
process (GTAW) gas tungsten arc welding orbital
Bruno Brandolin1, D.Sc. Annelise Zeemann do Pinho2
1 – Engenheiro de soldagem - FMC Technologies, Rio de Janeiro / Brasil
2 – Consultora - Tecmetal, Rio de Janeiro / Brasil
Resumo
Tubings de aço inoxidável superduplex UNS32750 foram soldados pelo processo Gas Tungsten Arc
Welding orbital, utilizando quatro misturas gasosas diferentes como gás de proteção. Foram
avaliados o percentual de ferrita e a presença de nitretos tanto no metal de solda quanto na zona
termicamente afetada (ZTA), além de terem sido realizados ensaios de corrosão por pites de acordo
com a norma ASTM G48 método A, para todas as misturas gasosas. A resistência à corrosão
apresentou características similares para todas as juntas soldadas. A adição de Hélio na mistura
gasosa apresentou os melhores resultados tanto na avaliação do percentual de ferrita do metal de
solda e da ZTA, quanto na presença de nitretos. A melhor relação entre custo e benefício foi a do
uso da mistura gasosa Argônio e Hélio como gás de proteção.
Palavras-chave: soldagem, duplex, ferrita, nitreto, gás de proteção.
Abstract
UNS32750 superduplex stainless steel tubings were welded by the process Gas Tungsten Arc
Welding orbital, using four different gas mixtures as shielding gas. The ferrite content and the
presence of nitrides were evaluated both in the weld metal and in the heat affected zone (HAZ), as
well as pitting corrosion tests according to the standard ASTM G48 method A, for all the gas
mixtures. The corrosion resistance characteristics are similar for all welded joints. The addition of
Helium in the gas mixture showed the best results both in the ferrite content of the weld metal and
HAZ, and in the presence of nitride. The best relation between cost and benefit was using the
Argon and Helium gas mixture as shielding gas.
Key words: welding, duplex, ferrite, nitrite, shielding gas.
1. Introdução
A necessidade de extrair petróleo em grandes profundidades e ambientes bastante agressivos tem
levado à pesquisa por materiais que atendam a estas condições. Neste sentido, os aços inoxidáveis
duplex correspondem a uma importante classe de materiais que possui tanto resistência mecânica
quanto à corrosão e têm sido utilizados em larga escala na indústria de óleo e gás.
Os aços inoxidáveis duplex surgiram na década de 30 e são materiais que possuem um balanço
microestrutural entre as fases ferrita e austenita, em frações volumétricas próximas a 50%. Este
balanço de fases é dependente do tratamento térmico a que o material foi submetido e da
composição química da liga.
A soldagem de aço inoxidável duplex requer alguns cuidados como manutenção da temperatura de
interpasse em torno de 150⁰C e aporte de calor na ordem de 0,5 a 2 KJ∕mm [1], para que seja
possível atingir as propriedades desejadas, uma vez que quando estes materiais são submetidos a
ciclos térmicos entre 300 e 1000ºC, podem se formar fases deletérias (fase sigma, fase chi, nitreto
de cromo, etc.), o que poderá prejudicar a tenacidade ou a resistência à corrosão destes materiais
[2].
O processo GTAW orbital por sua vez é muito utilizado para a soldagem de tubings de
instrumentação, com diâmetros inferiores a 1 polegada e espessuras de 1 a 3 mm, comumente
fabricados em materiais duplex. Sendo assim, é fundamental definir uma mistura gasosa para ser
utilizada como gás de proteção, que permita a obtenção das propriedades esperadas para a junta
soldada, além de custo baixo.
Além do Argônio e Hélio que são bastante utilizados no processo GTAW, outro gás que também
pode ser adicionado na proteção da poça de fusão é o Nitrogênio, que tem o objetivo principal de
facilitar o balanço de fases na zona fundida.
2. Materiais e Métodos
O material utilizado neste trabalho é o aço inoxidável superduplex UNS32750 com espessura de
0,065” e diâmetro externo de 0,630”. A Tabela 1 mostra a composição química do material.
Tabela 1 – Composição química do metal base (%).
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
W
Cu
N
0,014 0,330 0,420 0,017 0,001 25,400 6,430 3,850 0,010 0,140 0,300
Os corpos de prova utilizados nos testes foram preparados em uma biseladora portátil. O chanfro
definido para a soldagem com o processo GTAW orbital foi do tipo "J", com nariz de 1 mm, ângulo
de 17 a 19 graus e raio de 3,2 mm.
Quatro diferentes gases/misturas gasosas foram utilizadas nos testes como gás de proteção. O gás
de purga utilizado na soldagem de todos os corpos de prova foi argônio. A Tabela 2 mostra a
composição e o preço por cilindro dos diferentes gases.
Tabela 2 – Gases de proteção.
Corpos de prova
1
2
3
4
Gases de Proteção
Ar
70% Ar + 30% He
78% Ar + 20% He + 2% N2
97,5 % Ar + 2,5% N2
Preço (R$)
88,27
361,89
754,86
358,65
O consumível utilizado na soldagem foi o arame AWS ER2594. A Tabela 3 mostra a composição
química do consumível. Comparando a composição química do metal base com a composição
química do consumível, pode ser observado um teor maior de níquel no consumível. Este aumento
no percentual de níquel no metal de adição tem como objetivo favorecer a formação de austenita no
metal de solda [3].
Tabela 3 – Composição química do metal de adição (%).
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
W
Cu
N
0,016 0,350 0,400 0,018 0,0008 25,190 9,530 4,060 0,010 0,076 0,230
Nb
Co
V
Ti
0,010 0,094 0,039 <0,005
A soldagem foi realizada sem abertura de raiz. Todos os 8 corpos de prova, dois deles para cada
gás de proteção, foram “ponteados” pelo processo GTAW manual, utilizando uma máquina de alta
frequência, onde o arco é aberto através de um dispositivo de acionamento existente na tocha, não
sendo necessário o tungstênio tocar a peça. O gás de proteção utilizado no “ponteamento” foi o
mesmo gás utilizado na soldagem dos corpos de prova. Não foi realizado pré-aquecimento na
soldagem.
A soldagem dos corpos de prova foi realizada utilizando um equipamento Arc Machine Inc. AMI
227. Este equipamento permite a divisão do diâmetro a ser soldado em quatro regiões,
possibilitando assim diferentes programações de parâmetros para cada um dos quatro quadrantes.
Na Tabela 4 estão listados os parâmetros utilizados na soldagem dos corpos de prova. Todos os
corpos de prova foram soldados com dois passes, utilizando os mesmos parâmetros tanto no
primeiro quanto no segundo passe.
Tabela 4 - Parâmetros de soldagem
Corpo de
Amperagem Voltagem Velocidade de soldagem Heat input Média heat
Quadrante
prova
(A)
(V)
(mm/min)
(J/mm) input (J/mm)
1⁰
40
11
32,0
825
2⁰
38
11
44,0
570
1
665
3⁰
39
11
44,0
585
4⁰
40
11
38,8
680
1⁰
39
11
32,0
804
2⁰
37
11
44,0
555
2
620
3⁰
35
11
44,0
525
4⁰
35
11
38,8
595
1⁰
39
11
31,4
811
1⁰
37
11
44,0
562
3
627
1⁰
35
11
44,0
524
1⁰
36
11
38,8
612
1⁰
42
11
31,4
885
1⁰
41
11
44,0
616
4
698
1⁰
41
11
44,0
609
1⁰
40
11
38,8
682
Após a soldagem dos corpos de prova, a superfície foi escovada para remover os óxidos formados
durante o processo de soldagem e os corpos de prova foram submetidos à inspeção por gamagrafia,
não sendo detectados defeitos em nenhuma das juntas soldadas.
3. Resultados e Discussões
3.1 Macrografia
Foram realizadas macrografias nas posições 0 e 180 das juntas soldadas, tendo sido constatado
perfil similar para todos os corpos de prova, com exceção do corpo de prova 3, que apresentou uma
região soldada com técnica inadequada para aços inoxidáveis duplex. A Figura 1 ilustra a
macrografia tipicamente verificada nos corpos de prova 1, 2 e 4.
Figura 1 – Macrografia do corpo de prova 2, soldado com a mistura gasosa 70% Ar + 30% He.
Na macrografia do corpo de prova soldado com a mistura gasosa 78% Ar + 20% He + 2% N2 (CP3)
foi evidenciada a realização de wash pass ou “caldeamento”, que é uma técnica de refusão, onde o
operador mantém o arco aberto sem inserir metal de adição na poça de fusão. Geralmente esta
técnica visa melhorar o acabamento superficial da solda e costuma ser adotada no fechamento do
arco. A Figura 2 mostra a macrografia evidenciando o wash pass.
Figura 2 – Macrografia do corpo de prova número 3 apresentando wash pass.
3.2 Caracterização microestutural
Foram realizadas micrografias no metal base, além de micrografias nas regiões da face e raiz da
zona termicamente afetada (ZTA) e metal de solda de todos os corpos de prova, nas posições 0 e
180 das juntas soldadas. As amostras utilizadas para análise microestrutural foram retiradas por
intermédio de corte utilizando serra de fita, com lubrificação, em seguida submetidas à preparação
metalográfica convencional, que consiste no embutimento, lixamento por intermédio de lixa d'água
grãos 80, 100, 220, 320, 400 e 600 m; seguido de polimento mecânico, onde se utilizam panos e
pasta de diamante industrial com granulometrias de 15, 6, 3 e 1 m. Após esta etapa as amostras
foram submetidas a ataques eletrolíticos utilizando os reagentes NaOH, para diferenciar fases
ferríticas e austeníticas, e ácido oxálico, com o objetivo de verificar a presença de CrN e Cr2N.
Também foi realizada metalografia quantitativa, de acordo a norma ASTM E562 [4], através do
método por pontos (Pp) em 5 campos por região, com grade de 117 pontos.
A Figura 3 apresenta as micrografias do metal base. O percentual de ferrita encontrado foi de 50%.
Não foi observada a presença de nitretos na Figura 3b.
(a)
(b)
Figura 3 – Aspecto microestrutural característico dos metais de base. (a) amostra atacada eletroliticamente
com reagente NaOH; (b) amostra atacada eletroliticamente com reagente ácido oxálico.
Na Tabela 5 pode ser observado o percentual de ferrita de todos os corpos de prova. A média dos
percentuais de ferrita no metal de solda de todos os corpos de prova atende aos requisitos
especificados na norma NORSOK M601 [5] (percentual de ferrita entre 30 e 70%), que é
usualmente aplicado para a indústria do petróleo. A adição de Hélio nos gases de proteção (CP2 e
CP3) diminuiu o percentual de ferrita tanto no metal de solda quanto na ZTA, devido ao fato deste
gás possuir um poder calorífico superior ao do argônio, aumentando assim o calor fornecido à poça
de fusão, diminuindo a velocidade de resfriamento e por consequência favorecendo a formação de
austenita.
Tabela 5 – Percentual de ferrita verificado nos corpos de prova.
CP
Gás de proteção
1
Ar
2
70% Ar + 30% He
3
78% Ar + 20% He + 2% N2
4
97,5 % Ar + 2,5% N 2
Posição
0⁰
180⁰
0⁰
180⁰
0⁰
180⁰
0⁰
180⁰
Metal de solda
Face
Raiz
Média
61
60
56,5
52
53
53
56
51,25
44
52
61
53
55
55
51
61
77
63,75
56
61
ZTA
Média
64
62
60
56
59
60
64
62
63
58
59,5
63
A Figura 4 apresenta as micrografias da região do metal de solda do corpo de prova soldado com a
mistura 70% Ar + 30% He (CP2). As amostras foram atacadas com o reagente NaOH. O
percentual de ferrita na face do corpo de prova na posição 0 foi de 53% e na posição 180 foi de
44%. Esta variação no percentual de ferrita verificada nas diferentes posições dos corpos de prova
ocorre devido aos diferentes aportes e taxas de resfriamento local, proveniente da utilização de
diferentes parâmetros de soldagem ao longo dos quatro quadrantes da junta soldada.
(c)
(d)
Figura 4 – Aspecto microestrutural característico do metal de solda do CP2. (c) posição 0; (d) posição 180.
A Figura 5 apresenta a micrografia do metal de solda do corpo de prova soldado com a mistura 78%
Ar + 20% He + 2% N2 (CP3), na região do wash pass. Esta técnica de refusão promove uma grande
velocidade de resfriamento, geralmente acarretando em um alto teor de ferrita e podendo levar a
uma grande presença de nitretos formados por uma saturação elevada. Estes precipitados
precisariam ser avaliados por microscopia eletrônica de transmissão para confirmar que se tratam de
nitretos de cromo. Na Figura 5 também é mostrada a micrografia da ZTA do corpo de prova
soldado com Ar puro. Ambas as amostras foram atacadas com ácido oxálico.
(g)
(h)
Figura 5 (g) Aspecto microestrutural característico do metal de solda com 78% Ar + 20% He + 2% N2 (CP3).
(h) Aspecto microestrutural característico da ZTA com Ar.
Uma comparação da quantidade de nitretos verificada nos corpos de prova é apresentada na Tabela
6. Pode-se observar que a presença de nitretos no metal de solda é maior na região da raiz do que
na face, devido à maior taxa de resfriamento verificada no primeiro passe. Nestas situações, onde as
taxas de resfriamento são elevadas, a formação da austenita é dificultada e o nitrogênio encontra-se
em solução sólida supersaturada na ferrita, provocando a precipitação de nitretos de cromo na matiz
ferrítica [2]. Outra análise obtida a partir dos dados da Tabela 6, é que os corpos de prova soldados
com a mistura 78% Ar + 20% He + 2% N2 (CP3) não apresentaram nitretos no metal de solda, com
exceção da face do corpo de prova número 3, onde foi verificada a realização de wash pass. Este
fato pode ser explicado, pois a combinação de He e N2 permite um aumento no percentual de
austenita do metal de solda, dissolvendo todo o nitrogênio.
Tabela 6 – Presença de nitretos nos corpos de prova
CP
Gás de proteção
Posição
1
Ar
2
70% Ar + 30% He
3
78% Ar + 20% He + 2% N 2
4
97,5 % Ar + 2,5% N 2
0⁰
180⁰
0⁰
180⁰
0⁰
180⁰
0⁰
180⁰
ZTA
Face
Raiz
alta
alta
alta
alta
média
média
baixa
baixa
média
média
baixa
baixa
média
alta
baixa
baixa
Metal de solda
Face
Raiz
baixa
média
ausente média
baixa
baixa
baixa
baixa
alta
ausente
ausente ausente
ausente média
ausente
baixa
3.3 Teste de corrosão
Todos os quatro corpos de prova foram submetidos a ensaios de corrosão por pites de acordo com a
norma ASTM G48 método A [6] (temperatura 40C ± 2C por 24 horas). Os resultados estão
apresentados na Tabela 7.
Tabela 7 – Resultados do ensaio de corrosão.
CP
1
2
3
4
Dimensões
(cm)
e 1,59
Ar
i 1,26
comp. 3,70
e 1,59
70% Ar + 30% He
i 1,26
comp. 4,00
e 1,59
78% Ar + 20% He + 2% N2 i 1,26
comp. 4,27
e 1,59
97,5 % Ar + 2,5% N 2
i 1,26
comp. 4,17
Gás de proteção
Área (m )
Massa (g)
Antes
Depois
0,003667
23,225
0,003817
Perda de massa
(g/m2 )
Avaliação do processo
corrosivo
23,225
0,00
Livre de pites
24,842
24,800
11,00
Presença de pites no
centro da solda
0,003952
26,574
26,574
0,00
Livre de pites
0,003902
25,995
25,995
0,00
Livre de pites
2
A região com ataque localizado (pites) do corpo de prova soldado com a mistura 70% Ar + 30% He
(CP2) foi avaliada por microscopia ótica e na superfície do corpo de prova constatou-se um
percentual de ferrita superior a 80%, pois era uma região de wash pass.
Dos oito corpos de prova soldados, quatro deles foram destinados à realização dos ensaios de
macrografia e caracterização microestrutural, e os outros quatro foram utilizados para avaliação do
ensaio de corrosão.
Diferentemente do corpo de prova soldado com a mistura 78% Ar + 20% He + 2% N2 (CP3), não foi
possível identificar o uso de wash pass no CP2, visto que a macrografia foi realizada em posição
diferente do ensaio de corrosão. Isso explica também o porquê do CP3 não apresentar pites no
ensaio de corrosão, conforme mostrado na Tabela 7. A justificativa para a ocorrência da falha é que
a precipitação de nitretos de cromo pode reduzir a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis
duplex, devido ao empobrecimento de cromo nas regiões adjacentes aos precipitados. Além disso,
outros fenômenos como corrosão galvânica entre a zona empobrecida e a matriz, o desarranjo
interfacial entre nitreto-matriz, ou os esforços internos podem contribuir para a corrosão localizada
[2].
4. Conclusões
Com base no que foi apresentado e discutido acima, pode-se concluir que:
 Todos os gases de proteção apresentaram resultados satisfatórios no teste de corrosão;
 O uso de Argônio como gás de proteção apresentou uma quantidade elevada de nitretos na ZTA,
podendo prejudicar a tenacidade da junta soldada [7];
 O uso da mistura gasosa 97,5 % Ar + 2,5% N2 apresentou os maiores percentuais de ferrita tanto
no metal de solda quanto na ZTA, desfavorecendo o balanço de fases;
 A adição de Hélio na mistura gasosa apresentou os melhores resultados tanto no percentual de
ferrita do metal de solda e ZTA, quanto na minimização dos nitretos;
 A mistura 78% Ar + 20% He + 2% N2 apresentou a menor presença de nitretos no metal de
solda, com exceção da face do corpo de prova número 3, onde foi verificada a realização de
wash pass;
 A mistura Argônio e Hélio foi a que apresentou o percentual de ferrita mais próximo de 50%,
quando comparado com os outros três gases;
 A condição de melhor relação entre custo e benefício foi a do uso da mistura gasosa Argônio e
Hélio como gás de proteção.
5. Referências Bibliográfica
[1] VAN DER MEE V., NEESSEN F., CHADHA V. Welding duplex stailess steel – Industry
Guide. In: Duplex World Conference Proceeding, 2010.
[2] LODOÑO A. J. R., Precipitação de fases intermetálicas e austenita secundária na ZAC de
soldagens multipasse de aços inoxidáveis duplex. São Paulo: USP, 2001. 265p.
[3] LIPPOLD J. C., KOTECKI D. J. Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels,
Wiley-Interscience. New Jersey, 2005. 357p.
[4] ASTM E562-11: Standard Test Method for Determining Volume Fraction by Systematic
Manual Point Count., ASTM International.
[5] NORSOK STANDARD M-601: Welding and Inspection of Piping. Edition 5, April 2008.
[6] ASTM G48-11: Standard Test Methods for Pitting and Crevice Corrosion Resistance of
Stainless Steels and Related Alloys by Use of Ferric Chloride Solution., ASTM International.
[7] LODOÑO A. J. R. Estudo da precipitação de nitreto de cromo e fase sigma por simulação
térmica da zona afetada pelo calor na soldagem multipasse de aços inoxidáveis duplex. São
Paulo: USP, 1997. 176p.
Corresponding author: Bruno Brandolin
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