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Study of influence of process parameters on the thermomechanically affected zone microstructure in C-Mn steel hydro-pillar friction process welding/Estudo da influencia dos parametros de processo na microestrutura da zona termo-mecanicamente afetada na soldagem por atrito com pino consumivel em acos C-Mn.

1 INTRODUCAO

O processo de soldagem por atrito com pino consumivel foi desenvolvido pelo Instituto Internacional de Soldagem (TWI--The Welding Institute) na decada de 1990. (1,2) O processo desenvolvido no estado solido consiste na introducao de um pino com formato cilindrico e ponta conica, que gira, no interior de um furo previamente usinado no material ou chapa base, o qual nao necessariamente tem o formato e angulo do pino. Como resultado da aplicacao de uma forca axial e da velocidade rotacional e criado um contacto intimo entre a superficie externa do pino e a face interior do furo obtendo-se aquecimento pelo atrito, que por sua vez gera um fluxo de material amolecido ao redor do pino. Devido aos fenomenos citados e criada uma juncao permanente entre o pino e o metal base, tal como e mostrado na Figura 1.

[FIGURA 1 OMITTED]

O processo de soldagem com pino consumivel tem um alto potencial de aplicacao na fabricacao e manutencao de estruturas onde se requerem, por exemplo, baixo nivel de calor gerado, ausencia de fumos e gases residuais excessivos alem da exposicao da juncao em ambientes agressivos onde nao pode ser aplicada protecao atmosferica facilmente. Alem do anterior, pelo carater de processo de soldagem no estado solido, obtem-se juntas soldadas com a ausencia de problemas correlatos ao desenvolvimento de trincas por acao do hidrogenio e ao processo de solidificacao. (3) Uma das maiores aplicacoes deste processo e a fabricacao e reparo de estruturas submersas, como plataformas e navios utilizados na extracao de oleo e gas. (4-6) Apesar da gama de aplicacoes, pouco e conhecido da metalurgia do processo.

Trabalhos recentes tem demonstrado que este processo aplicado em acos C-Mn de baixa liga obtem resultados satisfatorios, produzindo juntas soldadas livres de defeitos. (7) Foi observado que o processo de soldagem gera uma regiao no metal de base ao redor do pino devido ao efeito da deformacao e o aquecimento. Esta regiao afetada apresenta tres sub-regioes nomeadas: zona de material nao afetado pelo processo, tanto no pino quanto no metal de base e a zona termomecanicamente afetada (ZTMA) a qual e produto dos efeitos da deformacao e do aquecimento. (8) Ainda nao se tem esclarecimento da forma de ocorrencia dos diversos mecanismos que induzem cada uma das transformacoes presentes na ZTMA.

Os acos de baixa liga e alta resistencia C-Mn sao amplamente reconhecidos por apresentarem excelentes propriedades mecanicas, boa soldabilidade e bom comportamento durante a conformacao plastica. (9-11) A presenca do constituinte A-M (austenita retida--martensita), em acos C-Mn e fundamental como fator que influencia na tenacidade. A presenca do constituinte A-M em acos C-Mn compromete seriamente a tenacidade local. (12) O desempenho de processos de soldagem por atrito com pino nao consumivel aplicada sob diversos tipos de acos C-Mn, especialmente aqueles destinados a fabricacao de tubulacoes e estruturas, tem sido estudado recentemente mostrando o excelente desenvolvimento e juntas livres de defeitos, alem de ter sido avaliada a influencia da variacao dos parametros de soldagem sob a qualidade das juntas e as propriedades mecanicas e a microestrutura da regiao misturada. (13-15) No entanto, ha muito pouca informacao tecnica disponivel sobre a influencia dos parametros do processo na microestrutura e propriedades das juntas soldadas por atrito com pino consumivel.

O objetivo deste trabalho e avaliar a evolucao da microestrutura na zona afetada termomecanicamente (ZTMA) de juntas soldadas de acos C-Mn de alta resistencia e baixa liga sob a influencia dos efeitos da variacao dos parametros de processo, forca axial e temperatura de preaquecimento.

2 MATERIAIS E METODOS

A composicao quimica e a microdureza dos materiais de base e do pino sao mostradas na Tabela 1. Na Tabela 2 sao apresentados os parametros de processamento, forca axial e temperatura de preaquecimento, assim como a identificacao dos corpos-de-prova fabricados.

As soldas foram realizadas utilizando uma maquina modificada de soldagem por atrito NEI--John Thompson modelo FW-13 com uma potencia maxima de 75 kW e uma forca axial limite de 500 kN. Todas as amostras foram fabricadas utilizando uma velocidade rotacional de 1.550 RPM e um comprimento de queima (burn-off) de 12 mm. A geometria e dimensoes das juntas soldadas sao apresentadas na Figura 2.

[FIGURA 2 OMITTED]

Todas as amostras foram cortadas longitudinalmente e a face plana foi preparada para observacao metalografica mediante lixamento com papel de SiC com granulometrias 220, 400, 600 e 1.200. O polimento foi realizado com pasta de diamante de 3 [micron]m, 1 [micron]m e 0,25 [micron]m; o polimento final foi realizado utilizando silica coloidal com tamanho de particula de 0,05 [micron]m. O ataque quimico foi realizado com Nital 2%.

As amostras para microscopia eletronica de transmissao foram obtidas a partir de folhas de 2,0 mm de espessura contendo a secao completa da ZTMA, cortada na direcao paralela da face, anteriormente preparada para observacao metalografica. Posteriormente, as folhas foram reduzidas ate 80 [micron]m atraves de lixamento. Discos de 3,0 mm de diametro foram retirados das regioes de interesse e a espessura do centro deles foi reduzida ate 30,0 nm mediante polimento mecanico e bombardeio com ions de Ar. As observacoes foram feitas em microscopio optico Leica DMLP acoplado com programa para analise de imagens PAX-It, microscopio eletronico de varredura (MEV) JEOL JSM 5900LV e um microscopio eletronico de transmissao (MET) JEOL 3010 URP.

Com o objetivo de elucidar as transformacoes de fase que acontecem na ZTMA de cada especime foi feita uma modelagem fundamentada nos parametros de processamento e medidas de temperatura, feitas atraves de termopares adequadamente localizados, como mostrado na Figura 2b. A modelagem foi dividida em duas etapas: a primeira, feita por meio do conhecido metodo Calphad, (16) cujo objetivo foi obter curvas de fracao de fases em funcao da temperatura em equilibrio dos materiais de base e do pino, a segunda, baseada em um software denominado Ac3, que e fundamentado em bases de dados e calculos de regressao linear. Teve como objetivo obter diagramas CCT e informacao sobre as fases presentes ao final do resfriamento e durezas de cada uma das regioes da junta soldada.

3 RESULTADOS

Na Figura 3 pode se observar que, tanto o material de base quanto o material do pino, possuem uma microestrutura similar de laminacao composta de ferrita e perlita, acompanhada de precipitados de segundas fases do tipo (Ti,Nb) (C,N). A estrutura observada nos materiais de base e do pino e caracteristica de acos C-Mn laminados. Os resultados da observacao microestrutural sao consistentes com os calculos do equilibrio obtidos mediante o metodo Calphad. A Figura 4 apresenta macrografias das secoes transversais das diferentes amostras ordenadas segundo a forca axial e o nivel de preaquecimento aplicado. Observam-se claramente nesta figura as diferencas na extensao da ZTMA atraves do pino e o metal de base.

Na Tabela 3 sao consignados os valores da extensao da ZTMA, que foi medida utilizando analisador de imagens acoplado ao microscopio optico. Nesta mesma tabela e apresentado o valor maximo da microdureza atingido no centro da ZTMA e a microestrutura observada.

[FIGURA 3 OMITTED]

[FIGURA 4 OMITTED]

Na Figura 5 sao apresentados os resultados e a localizacao da observacao microestrutural feitas atraves de MEV das regioes de soldagem identificadas na zona central da ZTMA para cada especime. Nas Tabelas 4 e 5 sao apresentados os resultados da medicao de temperaturas maximas, junto com o tempo de processamento, a taxa de resfriamento e a dureza do metal de base e pino, assim como as fases presentes na ZTMA, calculadas pela modelagem, respectivamente.

Nas amostras que obtiveram o maior valor de dureza na regiao central da ZTMA (500 MHV) foram realizadas observacoes por MET com o intuito de esclarecer a origem da dureza elevada nesta regiao. Na Figura 6 e apresentado um arranjo das imagens obtidas por MET assim como o padrao de difracao da amostra identificada como 400N-25C.

Finalmente, na Figura 7 e apresentada uma curva dos resultados, tanto experimentais quanto os calculados, da dureza maxima da ZTMA em funcao do nivel de forca axial aplicado para as amostras sem aplicacao de temperatura de preaquecimento.

4 DISCUSSAO

A dependencia do tempo de processamento em funcao do nivel de forca axial aplicada durante a soldagem por atrito de pino consumivel e de grande importancia na extensao da ZTMA nas amostras estudadas. Menores valores de forca axial envolvem maiores tempos de processamento e um maior aporte de calor, e resultam em uma maior extensao da ZTMA e um maior deslocamento de material amolecido ao redor do pino. Estas observacoes sao consistentes com os resultados mostrados na Figura 4 e na Tabela 3.

[FIGURA 5 OMITTED]

[FIGURA 6 OMITTED]

[FIGURA 7 OMITTED]

A medicao da microdureza no centro da ZTMA, apresentada na Tabela 3, e as relacoes entre esses valores e a forca axial aplicada, exibida na Figura 7, mostram que a aplicacao de maior forca axial produz maior dureza na ZTMA. Relacionando-se a dureza do centro da ZTMA com as observacoes microestruturais apresentadas na Tabela 3, junto com as estruturas e durezas observadas nos materiais antes do processo de soldagem, observase que as transformacoes metalurgicas ocorridas poderiam estar influenciadas fortemente pelo nivel de deformacao, pela temperatura maxima atingida nesta regiao e pela taxa de resfriamento posterior. Observa-se que o efeito do preaquecimento esta relacionado com a diminuicao dos valores de dureza, ao se comparar as amostras com o mesmo nivel de forca axial aplicado.

Os resultados da modelagem das taxas de resfriamento, durezas e microestruturas da ZTMA obtidos com o programa Ac3 (Tabela 5) mostram que os niveis de forca axial, baixo e intermediario, ajustam-se razoavelmente com os niveis de dureza e microestruturas observadas experimentalmente. No caso das amostras processadas com a maior forca axial, o valor de microdureza obtido pela modelagem nao se ajusta ao observado experimentalmente (Figura 7). O fato anterior poderia ser explicado pelas limitacoes do programa Ac3, ja que, neste caso, nao podem ser levados em conta os efeitos da deformacao nas transformacoes microestruturais simuladas alem da limitacao no valor da temperatura maxima de simulacao do inicio do resfriamento, a qual so e possivel selecionar ate 1.050[grados]C. Nao obstante, as observacoes feitas pela tecnica MET nas amostras soldadas com forca axial maxima (Figura 6) mostram a presenca do constituinte A-M na zona central da ZTMA. E possivel relacionar o incremento da dureza e as diferencas entre os resultados experimentais e os obtidos na modelagem a presenca do constituinte A-M. Entretanto, isto nao e determinante. A presenca de A-M em acos C-Mn sob influencia de alta deformacao localizada e alta temperatura tem sido estudada e bem documentada. (17-19)

As analises dos resultados experimentais e os obtidos mediante a modelagem das transformacoes na zona central da ZTMA permitem distinguir grupos de resultados bem diferenciados que determinam a influencia dos parametros aqui estudados na soldagem por atrito com pino consumivel de acos C-Mn: i) grupo de forca axial baixa, no qual o tamanho da ZTMA e o maior, o valor maximo da microdureza e o menor e a microestrutura presente e dominada pela presenca de ferrita; ii) grupo compreendido pelas amostras soldadas com forca axial intermediaria que produz uma menor extensao da ZTMA ao se comparar com o grupo anterior, durezas intermedias e uma microestrutura dominada pela combinacao de ferrita, bainita e martensita revenida; e iii) grupo conformado por amostras soldadas com a maior forca axial, que apresenta a menor extensao da ZTMA, a maior dureza e uma microestrutura dominada por martensita nao revenida e pela presenca do constituinte A-M.

Devem ser realizados futuros esforcos na medicao mais precisa da temperatura maxima atingida na ZTMA e na estimacao da taxa de resfriamento durante o processo. Tambem devera ser realizada modelagem mais precisa da evolucao microestrutural na ZTMA levando em conta o efeito da recristalizacao e das deformacoes presentes.

5 CONCLUSOES

Os resultados apresentados neste trabalho permitem concluir:

1. Com o aumento da forca axial aplicada, o valor da microdureza no centro da ZTMA aumenta; no entanto a sua extensao diminui. Ao se comparar amostras fabricadas utilizando o mesmo nivel de forca axial, observa-se que, com a aplicacao de preaquecimento, o valor da dureza maxima diminui; e

2. A presenca da martensita e incrementada e e evidenciado o surgimento do constituinte A-M com o aumento da forca axial. O fato anterior pode ser atribuido ao incremento da taxa de resfriamento devido ao tempo de processo e ao nivel de esforcos envolvidos neste conjunto de amostras.

doi: 10.4322/tmm.00602002

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro deste trabalho ao CNPq, ao Laboratorio Nacional de Luz Sincrotron (LNLS) e a Petrobras.

REFERENCIAS

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(3) ANDREWS, R. E.; MITCHELL, J. S. Underwater repair by friction stitch welding. Metals and Materials, v. 6, n. 12, p. 796-7, Dec. 1990

(4) BLAKEMORE, G. R. Applications of state of the art portable friction welding equipment euro-join. In: EUROPEAN CONFERENCE ON JOINING TECHNOLOGY, 2., 1984, Florence; Italy. Proceedings ... Genova: Istituto italiano della saldatura, 1994. p. 127-36.

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(6) BLAKEMORE, G. R. Friction welding-technology for the new millennium. In: OFFSHORE TECHNOLOGY CONFERENCE, 31., 1999, Houston, Texas. [S.n.t.]. Paper M063-MS

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(8) UNFRIED, J.; HERMENEGILDO, T. F.; RAMIREZ, A. J. Influencia dos parametros de processo na zona termomecanicamente afetada (ZTMA) na soldagem por atrito com pino consumivel em acos C-Mn. Campinas: Petrobras, 2008. (Relatorio interno LNLS--Petrobras, 3).

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(19) BYUN, J. S.; SHIM, J. H.; CHO, Y. W. Influence of Mn on microstructural evolution in Ti-killed C-Mn steel. Scripta Materialia, v. 48, n. 4, p. 449-54, Feb. 2003.

Recebido em: 27/03/2009

Aceito em: 2l/10/2009

Jimy Unfried S [1]

Tahiana Francisca Hermenegildo [2]

Marcelo Torres Piza Paes [3]

Alexander Meirelles Pope [4]

Antonio Jose Ramirez [5]

[1] MSc. Eng. Mecanico. Laboratorio Nacional de Luz Sincrotron--LNLS, Laboratorio de Microscopia Eletronica--LME. CP 6192, Cep 13083-970, Campinas, SP Brasil. E-mail: junfried@lnls.br.

[2] MSc. Fisica. Laboratorio Nacional de Luz Sincrotron--LNLS, Laboratorio de Microscopia Eletronica--LME. CP 6192, Cep 13083-970, Campinas, SP, Brasil. E-mail: therme@lnls.br.

[3] MSc. Eng. Materiais. Centro Nacional de Pesquisa--CENPES, Petrobras. Av. Horacio Macedo, 950. Cidade Universitaria, Cep 21941-915, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. E-mail: mtpp@petrobras.com.br

[4] PhD. Eng. Materiais. Centro Nacional de Pesquisa--CENPES, Petrobras. Av. Horacio Macedo, 950. Cidade Universitaria, Cep 21941-915, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. E-mail: apope@petrobras.com.br

[5] PhD. Eng. Mecanico. Laboratorio Nacional de Luz Sincrotron--LNLS, Laboratorio de Microscopia Eletronica--LME. CP 6192, Cep 13083-970, Campinas, SP, Brasil. E-mail: ramirez@lnls.br
Tabela 1. Composicao quimica e microdurezas do material de base
e do pino

Material    C      Si    Mn      P       S      Cr     Ni     Mo

Base       0,14   0,23   1,5   0,019   0,002   0,14   0,11   0,03
Pino       0,13   0,37   1,4   0,014   0,003   0,02   0,02   0,01

Material    Cu     Al      Nb      Ti       V

Base       0,21   0,009   0,005   0,019   0,003
Pino       0,02   0,03    0,03    0,005   0,008

Microdureza (MHV/0,2kg/15s) Metal de base = 274; Pino = 205

Tabela 2. Parametros de soldagem para fabricacao
das amostras

Amostra     Temperatura de    Nivel de forca
            preaquecimento      axial (kN)
             ([grados]C)

25N-25C           NA          25       Baixo
50N-25C           NA          50
200N-25C          NA         200   Intermediario
200N-200C        200         200
400N-25C          NA         400       Alto
400N-200C        200         400

Tabela 3. Dureza, microestrutura e tamanho da ZTMA em todas as
amostras

Amostra     Dureza no          Microestrutura             Extensao
            centro da             observada             lateral ZTMA
            ZTMA (1)                                      (mm) (2)

25N-25C        280      Ferrita poligonal e acicular        >12 (3)
50N-25C        310      Ferrita poligonal e acicular        >12 (3)
200N-25C       500      Martensita e bainita                   7
200N-200C      300      Bainita, ferrita poligonal             8
                          e acicular
400N-25C       570      Martensita                             3
400N-25C       330      Martensita revenida,                   4
                        bainita e ferrita acicular

(1) MHV/0,2 kg/15 s. (2) Medido radialmente iniciando no pino;
(3) A ZTMA abarca a extensao total do pino.)

Tabela 4. Tempo de processo e temperatura pico da
ZTMA para cada amostra

Amostra         Tempo de        Temperatura medida
            processamento (s)   na ZTMA ([grados]C)

25N-25C            70                  1.270
50N-25C           50-60                1.260
200N-25C           20                   800
200N-200C         20-22                 980
400N-25C           18                   560
400N-25C           7,5                  670

Tabela 5. Resultados e dados obtidos na modelagem
das transformacoes da ZTMA

Temperatura          Taxa de        Microdureza
maxima simulada   resfriamento       maxima da
([grados]C)        calculado *      ZATM (MHV)
                  ([grados]C/s)

1.050                 1-20        150-220/180-250
980                   20-50       240-410/250-410
822                   20-60       238-320/280-370
800                  60-200       286-315/364/396

Temperatura             Fases calculadas a
maxima simulada        partir da composicao
([grados]C)                 simulada

                  Metal de base         Pino

1.050               80F + 20P       80F + 15P + 5B
980               30F + 60B + 10M      60B + 40M
822               5M + 26B + 69F    39M + 39B + 22F
800                 50M + 50F          80M + 20F

* A taxa de resfriamento calculada foi estimada
para cada caso sendo mostrados aqui os resultados
que melhor se ajustam ao comportamento observado
na caracterizacao microestrutural.
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Title Annotation:articulo en portugues
Author:Unfried S., Jimy; Hermenegildo, Tahiana Francisca; Paes, Marcelo Torres Piza; Pope, Alexander Meirel
Publication:Tecnologia em Metalurgia e Materiais
Date:Oct 1, 2009
Words:3188
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