Análise de juntas soldadas por fricção utilizando pinos consumíveis com adição de níquel em chapas de aço com manganês

Abstract

Os processos de união por soldagem entre peças e componentes metálicos são indispensáveis para nossa realidade tecnológica. O processo de soldagem por fricção com pino consumível conhecido como FHPP (Friction Hydro Pillar Processing) é um processo desenvolvido recentemente que ocorre no estado sólido através da fricção entre dois materiais e, com isso, reúne algumas vantagens sobre os processos convencionais de soldagem por fusão. Esta técnica apresenta grande potencial de aplicação na indústria de óleo e gás visando reparos de trincas e descontinuidades em equipamentos e estruturas de aços em geral. Apesar do grande potencial desta técnica, o estudo sobre a sua aplicação para produzir juntas com materiais dissimilares ainda é escasso se comparado com outras técnicas de soldagem. Desta forma, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento e a análise de juntas soldadas utilizando pinos com adição de níquel em chapas de aço com manganês, visando determinar a combinação entre material de pino e parâmetros de soldagem que forneça a junta com melhores características mecânicas e metalúrgicas. Os parâmetros de soldagem que variaram foram: velocidade de rotação e a força axial. Os materiais utilizados nos conjuntos soldados foram chapas de aço ao manganês, classificadas comercialmente como ASTM A516 grau 70, e barras de aço baixo carbono com adição de 3, 6 e 9% de níquel. A análise realizada sobre as juntas abrangeu a caracterização da microestrutura e das propriedades de dureza das regiões específicas da solda além dos ensaios mecânicos de dobramento, tração com micro-amostras e de tenacidade à fratura através do parâmetro CTOD. Todas as soldas tiveram bom preenchimento, porém alguns materiais de pino não proporcionaram boa ductilidade durante o dobramento. As falhas ocorridas durante o dobramento juntamente com os estudos da tenacidade à fratura na zona de ligação mostraram que o acúmulo de inclusões nesta região representa degradação das propriedades mecânicas localmente. Os ensaios de tração com micro-amostras indicam aumento da resistência mecânica na região do material depositado do pino e os valores de CTOD no material termomecânicamente afetado são significativamente maiores do que na zona de ligação, porém não alcançam os valores obtidos nos materiais como não processados.

The processes of union by welding between parts and metallic components are indispensable for our technological reality. The Friction Hydro Pillar Processing (FHPP) process is a newly developed process that occurs in the solid state through friction between two materials and thus has some advantages over conventional fusion welding processes. This technique presents great potential of application in the oil and gas industry aiming repairs of cracks and discontinuities in equipment and steel structures in general. Despite the great potential of this technique, the study of its application to produce joints with dissimilar materials is still scarce compared to other welding techniques. The aim of this work is the development and analysis of welded joints using rod with nickel addition in steel sheets with manganese, in order to determine the combination of rod material and welding parameters that provides the joint with better mechanical and metallurgical characteristics. The welding parameters that varied were: speed of rotation and axial force. The materials used in the welded assemblies were manganese steel plates, commercially classified as ASTM A516 grade 70, and low carbon steel with addition of 3, 6 and 9% nickel. The analysis of the joints included the characterization of the microstructure and the hardness properties of the specific regions of the weld in addition to the bend test, micro-tensile test and fracture toughness through the parameter CTOD. All welds were well filled, however, some rod materials did not provide good ductility during bend test. The failures during folding together with the fracture toughness studies in the bonding zone showed that the accumulation of inclusions in this region represents degradation of the mechanical properties locally. The micro-tensile test indicate increased mechanical strength in the region of the deposited material of the rod and the values of CTOD in the thermomechanically affected material are significantly higher than in the bonding zone, but do not reach the values obtained in the unprocessed material.