Caracterização mecânica e metalúrgica de juntas soldadas pelo processo de soldagem por fricção e mistura mecânica (SFMM) em chapas de aço API X65 cladeadas com Inconel 625

Abstract

O uso de tubos rígidos cladeados no transporte de óleo e gás garante a segurança da operação em ambientes agressivos, porém os processos convencionais de união destes tubos requerem um rígido controle a fim de reduzir os riscos de fragilização das juntas. Portanto, o presente trabalho estudou a viabilidade técnica da aplicação do processo de soldagem por fricção e mistura mecânica (SFMM), em substituição aos processos convencionais de soldagem por arco elétrico, na união de chapas de aço cladeadas. Para isso, foram utilizadas chapas de aço de API 5L X65 cladeadas por weld overlay, com Inconel 625, nas dimensões de 500 mm de comprimento, 125 mm de largura e 7 mm de espessura (4 mm de aço e 3 mm de Inconel). A soldagem por SFMM foi realizada em 2 passes, um para cada lado da chapa, com os parâmetros de soldagem iguais a 400 rpm, 8 mm/s e 50 kN para o aço API 5L X65 e para o Inconel 625 foram utilizados os parâmetros de 200 rpm, 2 mm/s e 60 kN. A norma DNV F101 (2017) foi utilizada para a qualificação das soldas e os ensaios de dureza, dobramento, tração e de CTOD foram realizados. Adicionalmente, foi realizada uma análise microestrutural tanto do metal base quanto das soldas, para a identificação das alterações impostas pelo processo de soldagem por fricção. Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram que as soldas possuem uma elevada resistência mecânica, uma vez que as amostras dos ensaios de tração vieram a romper fora da região da solda e que maiores valores de dureza foram encontrados tanto na solda do lado do aço quanto do Inconel 625. Valores de dureza máximos de 341 HV e 280 HV foram encontrados na solda do Inconel 625 e da solda do aço API X65, respectivamente. Esses valores estão dentro dos limites determinados pela norma DNV F101 (2017). Além disso, no ensaio de dobramento de face e raiz da solda, não foram encontradas trincas ou descontinuidades. Por fim, o ensaio de CTOD foi realizado na temperatura de 0ºC e as seguintes regiões foram avaliadas: centro da zona de mistura do aço (ZMa), zona termicamente afetada do lado de avanço (ZTA-LA) e material base (MB) do aço API X65. Os resultados mostraram uma alta tenacidade nas regiões da solda (ZMa e ZTA-LA), com valores médios de CTOD iguais a 0,517 mm e 0,575 mm, respectivamente. O MB do aço API X65 alcançou um valor médio igual a 0,791 mm. Todas as amostras apresentaram um mecanismo de fratura dúctil por rasgamento (tearing), com a presença de shear dimples. Portanto, a partir dos resultados obtidos neste trabalho, foi possível concluir que o processo de SFMM é capaz de produzir soldas de qualidade em chapas de aço cladeadas.

The application of the friction stir welding (FSW) process, in substitution to arc welding processes, in the joining of API 5L X65 steel plates cladded with Inconel 625 was studied. Therefore, a two-step welding procedure was developed, in order to reduce the mixture between the two dissimilar materials. The samples for this study had 500 mm length, 125 mm width and 7 mm thickness (4 mm of steel and 3 mm of Inconel 625). The welding parameters of 400 rpm, 8 mm/s and 50 kN for API X65 steel and 200 rpm, 2 mm/s and 60 kN for Inconel 625 were defined. The DNV F101 (2017) standard was used to qualify the welds and the mechanical test of hardness, tensile, bending and CTOD were performed. Additionally, a microstructure analysis of both, the base material and the welds, was carried out to identify the changes in the microstructure. Visual inspections were performed and a macrograph of the weld region was done and no defects were found. The mechanical tests results showed that the welds had higher mechanical properties than the base materials. The transverse tensile test of the welds achieved the same values of yield strength and tensile strength of the base material and the fracture occurred far from the welds. Furthermore, higher values of hardness were measured in both welds, with a maximum hardness of 341 HV at the Inconel 625 and 280 HV at the API X65. After the bend test of the welds, the samples were analyzed and no cracks were found. The CTOD tests were performed in 0ºC and three locations were tested at the API X65 steel: FSW stir zone (SZ), heat affected zone of the advancing side (HAZ-AS) and the base material (BM). The CTOD results showed a high toughness of the weld, with CTOD average values equals to 0,575 mm (HAZ-AS) and 0,517 mm (SZ). The BM achieved an average CTOD value of 0,791 mm. Those values are higher than the minimum specified value of DNV (2017) standard. The CTOD tests presented a tearing ductile fracture mechanism, with the presence of shear dimples. Therefore, the results obtained in this work showed the feasibility of the application of the FSW process in the joining of API X65 steel plates cladded with Inconel 625, once that welds with high mechanical properties were produced.