Efeito do resfriamento no teor de oxigênio na soldagem com eletrodo revestido E7018 utilizando experimentos fatoriais (Dissertação de Mestrado)

Na manutenção de tubulações e dutos de aços de alta resistência baixa liga (ARBL), os reparos são executados com eletrodo revestido e com o equipamento operação, com o intuito de reduzir custos com paradas. Nesta aplicação, os gradientes de temperatura são mais elevados quando comparados com soldagens realizadas ao ar, o que pode levar à redução das propriedades mecânicas nessas juntas soldadas e causar maiores impactos financeiros ou mesmo ambientais. No metal depositado resultante do eletrodo revestido AWS E7018-1, usualmente utilizado no reparo de dutos de aços ARBL, as propriedades mecânicas têm forte relação com a ferrita acicular, microestrutura que ocorre intergranularmente, nucleando preferencialmente em inclusões do metal depositado. O objetivo desse trabalho é analisar a influência de diferentes condições de soldagem e de resfriamento sobre o teor de oxigênio e sobre a microdureza do metal depositado resultante do uso de eletrodos revestidos AWS E7018-1, usando técnicas de planejamento experimental como as metodologias Taguchi e experimentos fatoriais. Usando o método Taguchi foi possível observar que os três fatores (fabricante do eletrodo, corrente de soldagem e condição de resfriamento) influenciam no teor de oxigênio e que o fornecedor do eletrodo é o fator com maior efeito sobre a resposta, seguido pela corrente de soldagem. Com relação à etapa de experimentos fatoriais mapas operacionais para o teor de oxigênio e microdureza dos cordões de solda foram construídos. Foi possível observar que a corrente de soldagem tem efeito mais impactante que a taxa de resfriamento sobre o teor de oxigênio e a microdureza.

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1. ca Grupo de Pesquisa em Soldagem e Junção 08/Jun/2018 Apresentação de dissertação de mestrado
2. ca Efeito do resfriamento no teor de oxigênio na soldagem com eletrodo revestido E7018 utilizando experimentos fatoriais Gustavo José Suto de Souza Prof. Dr. Sérgio Duarte Brandi
3. ca 1. Introdução O uso de eletrodos revestidos na soldagem em operação 2. Revisão bibliográfica A ferrita acicular e o papel do oxigênio 3. Objetivo 4. Materiais e métodos 5. Resultados e discussão 6. Conclusões 3 Sumário
4. ca 1. INTRODUÇÃO
5. ca 5 1. Introdução Histórico de desenvolvimento XIX 1907 1904 Soldagem com arco elétrico Eletrodo revestido Oscar Kjellberg
6. ca 6 1. Introdução Soldagem em operação Execução de reparo enquanto a linha está “viva”
7. ca 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
8. ca Formação da ferrita primária em contorno de grão. Matriz austenítica com inclusões. Crescimento da ferrita em contorno de grão. Formação da ferrita de Widmanstätten. 8 2. Revisão bibliográfica 2.1 Mecanismo de formação da ferrita acicular Formação da ferrita acicular (intragranular). Fonte: Adaptado de (2001, Babu.).
9. ca 9 2. Revisão bibliográfica 2.1 Mecanismo de formação da ferrita acicular Formação de ferrita acicular. Mecanismos de nucleação: • Nucleação heterogênea; • Relações cristalográficas favoráveis à nucleação heterogênea; • Variação da composição química local na vizinhança da inclusão; • Deformações devido às diferenças de coeficiente de expansão térmica.
10. ca 10 2. Revisão bibliográfica 2.1 Mecanismo de formação da ferrita acicular Não nucleante Nucleante
11. ca 11 2. Revisão bibliográfica 2.2 O papel da ferrita acicular Ensaio de tração Tenacidade ao entalhe Fonte: Adaptado de (1986, ABSON, D. J.; PARGETER, R. J. ).
12. ca 12 2. Revisão bibliográfica 2.3 Absorção de oxigênio e formação dos óxidos Fonte: Adaptado de (1997, GRONG, Ø.).
13. ca 13 2. Revisão bibliográfica 2.3 Absorção de oxigênio e formação dos óxidos Revestimento: FeO, SiO2 e MnO Fonte: Adaptado de (1997, GRONG, Ø.).
14. ca 3. OBJETIVO
15. ca 3. Objetivo 15 Relacionar os parâmetros de soldagem (corrente nominal de soldagem) e condições simuladas de soldagem em operação (resfriamento forçado) com o teor de oxigênio e a microdureza do metal depositado de eletrodos E7018 (dois fabricantes) usando metodologias de planejamento experimental.
16. ca 4. MATERIAIS E MÉTODOS
17. ca 17 Revestimento do eletrodo Difração de raios X Eletrodos: W70 (E7018 - fabricante W) Z70 (E7018 - fabricante Z) Metal de base: Chapa de aço carbono ASTM A36 Ensaio de microdureza Quantificação de inclusões Espectrometria de emissão óptica por centelhamento Análise de oxigênio por fusão em gás inerte Metal depositado Resfriamento com água: W71 Z71 W72 Z72 W73 Z73 W74 Z74 W70 Z70 Soldagem das amostras
18. ca 18 Revestimento do eletrodo Difração de raios X Eletrodos: W70 (E7018 - fabricante W) Z70 (E7018 - fabricante Z) Metal de base: Chapa de aço carbono ASTM A36 Ensaio de microdureza Quantificação de inclusões Espectrometria de emissão óptica por centelhamento Análise de oxigênio por fusão em gás inerte Metal depositado Resfriamento com água: W71 Z71 W72 Z72 W73 Z73 W74 Z74 W70 Z70 Resfriamento ao ar: W75 Z75 W76 Z76 W70 Z70 Soldagem das amostras Experimentos fatoriais Mapas operacionais Abordagem clássica Comparação
19. ca 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
20. ca 20 5. Resultados e discussão 5.1 Análise de oxigênio (Comparação entre água e ar) Ao ar Resfriamento forçado 550 500 450 400 350 300 Ao ar Resfriamento forçado Conjunto = W70 Oxi gê nio (ppm) Conjunto = Z70 Gráfico de Intervalos de Oxigênio (ppm) IC de 95% para a Média Os desvios padrão individuais foram usados para calcular os intervalos. 367 318 450 403
21. ca 21 5. Resultados e discussão 5.2 Mapa operacional para o teor médio de oxigênio (ppm) W70 Z70 > 500 475 a 500 450 a 475 425 a 450 400 a 425 375 a 400 375 a 400 350 a 375 325 a 350
22. ca 22 5. Resultados e discussão 5.3 Análise de microdureza Vickers do metal depositado Ao ar Resfriamento forçado 280 260 240 220 200 Ao ar Resfriamento forçado W70 Microdureza (HV0.5) Z70 IC de 95% para a Média Os desvios padrão individuais foram usados para calcular os intervalos. 273 212 245 196 Microdureza (HV0.5) até 0,5 mm de profundidade
23. ca 23 5. Resultados e discussão 5.4 Mapa operacional para o valor médio de microdureza (HV0,5) 255 a 260 < 240 240 a 245 245 a 250 250 a 255 > 280 275 a 280 270 a 275 W70 Z70
24. ca 24 5. Resultados e discussão 5.5 Mapa de contornos sobrepostos (Janela operacional) Corrente de soldagem (A) Taxa de resfriamento (ºC/s) 98 96 94 92 90 88 86 42 40 38 36 34 32 > – – – – – – – < 325 325 350 350 375 375 400 400 425 425 450 450 475 475 500 500 (ppm) Oxigênio Gráfico de Contorno de Oxigênio (Corrente de soldagem (A) versus Taxa de resfriamento (ºC/s))
25. ca 25 5. Resultados e discussão 5.5 Mapa de contornos sobrepostos (Janela operacional) Corrente de soldagem (A) Taxa de resfriamento (ºC/s) 98 96 94 92 90 88 86 42 40 38 36 34 32 > – – – – – – – < 325 325 350 350 375 375 400 400 425 425 450 450 475 475 500 500 (ppm) Oxigênio Gráfico de Contorno de Oxigênio (Corrente de soldagem (A) versus Taxa de resfriamento (ºC/s))
26. ca 26 5. Resultados e discussão 5.5 Mapa de contornos sobrepostos (Janela operacional) Corrente de soldagem (A) Taxa de resfriamento (ºC/s) 98 96 94 92 90 88 86 42 40 38 36 34 32 > – – – – – – – < 325 325 350 350 375 375 400 400 425 425 450 450 475 475 500 500 (ppm) Oxigênio Gráfico de Contorno de Oxigênio (Corrente de soldagem (A) versus Taxa de resfriamento (ºC/s)) 240 a 260 HV0,5 425 a 475 ppm O
27. ca 27 5. Resultados e discussão 5.6 Carbono equivalente IIW Ao ar Resfriamento forçado 0,38 0,36 0,34 0,32 0,30 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 Ao ar Resfriamento forçado Eletrodo = W70 CE-IIW (%) Eletrodo = Z70 Gráfico de Intervalos de CE-IIW (%) IC de 95% para a Média Os desvios padrão individuais foram usados para calcular os intervalos. 0,3133 0,3526 0,2304 0,2497
28. ca 28 5. Resultados e discussão 5.7 Difração de raios X do revestimento do eletrodo
29. ca 29 Composto Fórmula química Código de referência Fração mássica (%) Calcita Ca6.00 C6.00 O18.00 96-901-6707 53 Coesita Si16.00 O32.00 96-900-7170 22 Fluorita Ca4.00 F8.00 96-100-0044 16 Rutilo Ti2.00 O4.00 96-901-5663 4 Ferro Fe2.00 96-900-0658 1 Linzhiite * Fe1.00 Si2.00 96-901-6135 1 Periclase Mg4.00 O4.00 96-900-6469 1 9008655 ** K4.00 O4.00 96-900-8656 1 9008600 ** Ba4.00 S4.00 96-900-8601 1 Composto Fórmula química Código de referência Fração mássica (%) Calcita Ca6.00 C6.00 O18.00 96-901-6707 48 Fluorita Ca4.00 F8.00 96-100-0044 23 Quartzo Si3.00 O6.00 96-500-0036 12 Zircon Zr4.00 Si4.00 O16.00 96-900-0685 5 Rutilo Ti2.00 O4.00 96-900-7433 5 Periclase Mg4.00 O4.00 96-901-3200 4 Hercynite * Fe8.00 Al16.00 O32.00 96-900-1971 2 Linzhiite * Fe1.00 Si2.00 96-901-6135 1
30. ca 30 5. Resultados e discussão 5.7 Difração de raios X do revestimento á W70 Z70
31. ca 31 Composto Fórmula química Código de referência Fração mássica (%) Calcita Ca6.00 C6.00 O18.00 96-901-6707 53 Coesita Si16.00 O32.00 96-900-7170 22 Fluorita Ca4.00 F8.00 96-100-0044 16 Rutilo Ti2.00 O4.00 96-901-5663 4 Ferro Fe2.00 96-900-0658 1 Linzhiite * Fe1.00 Si2.00 96-901-6135 1 Periclase Mg4.00 O4.00 96-900-6469 1 9008655 ** K4.00 O4.00 96-900-8656 1 9008600 ** Ba4.00 S4.00 96-900-8601 1 Composto Fórmula química Código de referência Fração mássica (%) Calcita Ca6.00 C6.00 O18.00 96-901-6707 48 Fluorita Ca4.00 F8.00 96-100-0044 23 Quartzo Si3.00 O6.00 96-500-0036 12 Zircon Zr4.00 Si4.00 O16.00 96-900-0685 5 Rutilo Ti2.00 O4.00 96-900-7433 5 Periclase Mg4.00 O4.00 96-901-3200 4 Hercynite * Fe8.00 Al16.00 O32.00 96-900-1971 2 Linzhiite * Fe1.00 Si2.00 96-901-6135 1 5. Resultados e discussão 5.8 Temperatura liquidus da escória
32. ca 32 Composto Fórmula química Código de referência Fração mássica (%) Calcita Ca6.00 C6.00 O18.00 96-901-6707 53 Coesita Si16.00 O32.00 96-900-7170 22 Fluorita Ca4.00 F8.00 96-100-0044 16 Rutilo Ti2.00 O4.00 96-901-5663 4 Ferro Fe2.00 96-900-0658 1 Linzhiite * Fe1.00 Si2.00 96-901-6135 1 Periclase Mg4.00 O4.00 96-900-6469 1 9008655 ** K4.00 O4.00 96-900-8656 1 9008600 ** Ba4.00 S4.00 96-900-8601 1 Composto Fórmula química Código de referência Fração mássica (%) Calcita Ca6.00 C6.00 O18.00 96-901-6707 48 Fluorita Ca4.00 F8.00 96-100-0044 23 Quartzo Si3.00 O6.00 96-500-0036 12 Zircon Zr4.00 Si4.00 O16.00 96-900-0685 5 Rutilo Ti2.00 O4.00 96-900-7433 5 Periclase Mg4.00 O4.00 96-901-3200 4 Hercynite * Fe8.00 Al16.00 O32.00 96-900-1971 2 Linzhiite * Fe1.00 Si2.00 96-901-6135 1 5. Resultados e discussão 5.9 Viscosidade da escória
33. ca 33 5. Resultados e discussão 5. Quantificação de inclusões
34. ca 34 5. Resultados e discussão 5. Quantificação de inclusões
35. ca 35 5. Resultados e discussão 5. Quantificação de inclusões
36. ca 36 5. Resultados e discussão 5. Quantificação de inclusões
37. ca 37 5. Resultados e discussão 5. Quantificação de inclusões 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Diâmetro (µm) Freq uê ncia Histograma de Diâmetro (µm) Quantificação de inclusões da mostra Z74
38. ca 38 5. Resultados e discussão 5. Velocidade terminal da inclusão = 2 18 × × × ( − )
39. ca 39 5. Resultados e discussão 5. Velocidade terminal da inclusão Efeito Marangoni Convecção induzida pelas forças eletromagnéticas
40. ca 40 5. Resultados e discussão 5. Quantificação de inclusões Ao ar Resfriamento forçado 0,750 0,725 0,700 0,675 0,650 Ao ar Resfriamento forçado Eletrodo = W70 Condição D iâ metro (µm) Eletrodo = Z70 Gráfico de Intervalos de Diâmetro (µm) IC de 95% para a Média Os desvios padrão individuais foram usados para calcular os intervalos. 0,65 0,74 0,66 0,73 Ao ar Resfriamento forçado 0,84 0,80 0,76 0,72 0,68 Ao ar Resfriamento forçado Eletrodo = W70 Fr açã o de inclu sõ es (%) Eletrodo = Z70 Gráfico de Intervalos de Fração de inclusões (%) IC de 95% para a Média Os desvios padrão individuais foram usados para calcular os intervalos. 0,77 0,73 0,80 0,73
41. ca 41 5. Resultados e discussão Sumarizando Eletrodo W70 Z70 W70 Z70 IBEagar 1,38 1,67 1,38 1,67 Oxigênio (ppm) 367 450 318 403 CEIIW (%) 0,31 0,23 0,35 0,25 Microdureza (HV0,5) 273 245 212 196 F.V. Inclusões (%) 0,77 0,80 0,73 0,73 D.M. Inclusões (µm) 0,65 0,66 0,74 0,73 Água Ar
42. ca 6. CONCLUSÕES
43. ca 6. Conclusões • Existe uma diferença entre a origem do eletrodo revestido, a corrente de soldagem e a taxa de resfriamento no teor de oxigênio e os valores de microdureza do metal depositado; • Foi possível obter modelos empíricos capazes de prever o teor de oxigênio e a microdureza, seja separadamente ou em conjunto, utilizando-se do gráfico de contornos sobrepostos; • Não foi possível encontrar uma relação entre o teor de oxigênio com o teor de inclusões, e o teor de oxigênio com a microdureza. Ou seja, essas respostas podem estar relacionadas entre si, mas sem levar em conta as condições de soldagem, não é possível obter um modelo para previsão de inclusões e microdureza baseados no teor de oxigênio, ou vice-versa. • O resfriamento forçado com água, produziu valores de oxigênio maiores que os soldados ao ar, pois o maior tempo de solidificação das amostras soldadas ao ar possibilita uma maior remoção de óxidos do cordão. 43
44. ca Agradecimentos 44 Projeto n.º 0050.0086316.13.9