Análise microestrutural e avaliação mecânica de juntas soldadas por fricção e mistura mecânica (FSW) do aço inoxidável duplex UNS S31803

Abstract

Os aços inoxidáveis dúplex (AIDs) exibem uma combinação de propriedades mecânicas e de resistência à corrosão atraente que os destaca entre os demais aços inoxidáveis. Isso ocorre devido a sua microestrutura balanceada, consistindo de ferrita e austenita, e também pela sua composição química específica contendo elementos de liga como cromo e molibdênio. Considerando-se estes fatores positivos, os AIDs são amplamente utilizados nas indústrias de óleo e gás, petroquímica, papel e celulose, e de controle de poluição. A aplicação destas ligas usualmente depende de processos de soldagem, e os ciclos térmicos merecem atenção especial para se evitar alterações microestruturais que comprometam o desempenho mecânico e/ou eletroquímico (fundamentalmente a resistência à corrosão). A soldagem por fricção e mistura mecânica ou Friction Stir Welding é uma técnica de união no estado sólido que pode reduzir defeitos, como trincas, porosidades entre outros, frequentemente encontrados em processos de soldagem que envolvem fusão. Além disso, devido ao menor aporte térmico, os processos de união no estado sólido têm o potencial de minimizar alterações microestruturais, mantendo assim, no caso dos aços AIDs, a morfologia, a distribuição e a proporção das fases ferrita e austenita mais próximas do ideal. O presente estudo empregou o processo de FSW para produzir juntas de topo em chapas com 4 mm de espessura do aço inoxidável dúplex UNS S31803, com ferramenta de PCBN inclinada em 1,5º a uma velocidade rotacional de 500 rpm, força axial de 45 kN, e diferentes velocidades de soldagem. Soldas com penetração completa e livres de defeitos foram consolidadas aplicando velocidades de soldagem de 1, 2 e 3 mm/s, enquanto a velocidade de 4 mm/s resultou em defeitos do tipo vazios na zona de mistura (ZM) no lado de avanço. A caracterização através de microscopia óptica na secção transversal das soldas revelou um refino microestrutural que aumentou os valores de dureza na ZM. A técnica de difração de elétrons retroespalhados (EBSD) mostrou um conteúdo apropriado de ferrita, entre 40 e 60%, para todas as condições de soldagem testadas. Ensaios de tração de amostras transversais das juntas soldadas romperam no material de base (MB) para velocidades de soldagem entre 1 e 3 mm/s, e falharam no local onde existiam vazios para a velocidade de soldagem de 4 mm/s. Além disso, as juntas soldadas apresentaram limite de escoamento e limite de resistência à tração similares ao MB, mas com menor alongamento. As soldas produzidas com velocidade de soldagem de 1 mm/s mostraram indícios de fases intermetálicas, que não comprometeram a resistência mecânica das juntas. Uma correlação entre a história térmica associada ao processo de FSW, a microestrutura produzida e o desempenho mecânico das juntas soldas foi estabelecida.

Duplex stainless steels (DSS) exhibit an attractive combination of mechanical properties and corrosion resistance due to their balanced microstructure consisting of ferrite and austenite, and also their chemical composition containing alloy elements like chromium and molybdenum. Considering these positive factors, DSS are widely used in the oil and gas, petrochemical, pulp and paper, and pollution control industries. The application of these alloys usually depends on welding processes, and the thermal cycles deserve special attention in order to avoid microstructural changes that compromise the mechanical and/or electrochemical performance (fundamentally corrosion resistance). Friction Stir Welding is a solid-state joining technique which can reduce flaws, such as cracks and porosities often found on fusion welding processes. Furthermore, due to the lower heat input, solid-state joining techniques have the potential of minimizing microstructural alterations and maintain, in the case of DSS, morphology, distribution and proportion of the phases ferrite and austenite. The present study used FSW to produce butt joints on 4 mm thick sheets of UNS S31803 DSS, with a PCBN tool tilted 1,5º in a rotational speed of 500 rpm, axial force of 45 kN, and different welding speeds. Full penetration and defect free welds were consolidated applying welding speeds of 1, 2 and 3 mm/s, whereas 4 mm/s resulted in voids inside the stir zone (SZ) in the advancing side. Characterization through optical microscopy on transverse section of the welds revealed a microstructural refinement, which increased the microhardness values on the SZ. Electron backscatter diffraction (EBSD) technique showed a proper ferrite content between 40 and 60% for all the tested welding conditions. Transverse tensile tests of the welded joints failed at the base metal for welding speeds between 1 and 3 mm/s, and failed on the location of the voids defects for welding speed of 4 mm/s. Moreover, the welded joints presented similar yield and tensile strength to the base material and reduced elongation. The welds produced with welding speed of 1 mm/s showed evidences of intermetallic phases, which didn’t compromise the strength of the joints. A correlation between the thermal history associated to the FSW process, the produced microstructure, and the mechanical performance of the welded joints has been established.