REVIEW: WELDING CORROSION-RESISTANT MATERIALS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10790432
R.E. PIMENTEL1,
A.R. GONZALEZ2,
M. BOTEGA3,
J.L.S. GONÇALVES1,
V.C. MARCOLIN3
RESUMO
O crescente emprego de materiais mais nobres revestindo materiais menos nobres faz com que se busquem estudos relacionados aos materiais com elevado potencial anticorrosivo. Os processos de soldagem aplicados a esses materiais, tanto como metal de adição como de modo autógeno (fusão do substrato) servem de base para que se consiga tentar entender os fenômenos que norteiam a aplicação desses materiais em suas diferentes frentes. O presente estudo buscou uma revisão de materiais inoxidáveis, superligas de níquel e principalmente superausteníticos, em aplicações de soldagem em diversos tipos de processos de soldagem por fusão ou a arco elétrico, para expor a aplicação e desenvolvimento de estudo na área. Os resultados mostraram uma grande quantidade de pesquisas em diversos processos, com estudos mais recentes e em maior quantidade em processos a LASER e TIG, pelo possível melhor controle do aporte térmico. O estudo serve para compilar e aprimorar a pesquisa e literatura com estudos de soldagem em materiais com alto cromo e níquel, elementos que promovem resistência elevada à corrosão.
Palavras-Chave: soldagem, revestimento, processos de soldagem, cromo, níquel.
ABSTRACT
The increasing use of nobler materials coating fewer noble materials leads to the search for studies related to materials with high anticorrosive potential. The welding processes applied to these materials, both as a filler metal and as an autogenous (fusion of the substrate) suit as a basis to make and understanding the phenomena that guide the application of these materials on their different fronts. The present study sought a review of stainless materials, nickel superalloys and especially superaustenitics, in welding applications in various types of fusion or electric arc welding processes, to expose the application and development of study in the area. The results showed a large amount of research in several processes, with more recent studies and in greater quantity in LASER and TIG processes, due to the possible greater control of the thermal input. The study is used to condense and improve the research and literature with welding studies in materials rich in chromium and nickel, elements that usually promote high resistance to corrosion.
Key-Words: Welding, clad, Welding Process, Chrome, Nickel.
1.INTRODUÇÃO
A aplicação de materiais resistentes à corrosão, aqueles com presença expressiva de cromo e níquel, tem crescido. Uma delas, as superligas de níquel, que apresentam características, além de elevada resistência à corrosão, suportar esforços em temperaturas elevadas (ASM, 1990), são divididos em três grandes grupos: a base de níquel, a base de ferro (menor dissimilaridade) e a base de cobalto (CHOUDHURY E EL-BARADIE, 1998). Além do comportamento mecânico do material ser melhorada por adição de elementos de liga, esse material tem a capacidade de ter suas propriedades de resistência mecânica melhorada de diversos modos (ASM, 1990).
Outra família de materiais resistente à corrosão são os aços inoxidáveis, que apresentam, de acordo com sua composição e microestrutura, 5 tipos: austeníticos, duplex, ferríticos, martensíticos, endurecidos por precipitação (LO ET AL., 2009). Além deles, há um grupo especial de aços inoxidáveis austeníticos com elevados valores de cromo e níquel e reduzido valor de ferro, que são denominados superausteníticos e são exemplos o 654 SMO e AISI 904L (PLAUT ET AL., 2007).
Em destaque, dentro da família da série 900, que apresentam resistência à corrosão elevada em ambientes corrosivos além das que os aços inoxidáveis austeníticos e duplex padrão podem suportar (BAȘKAN ET AL., 2014; LILJAS, 1997), apresentando valores de equivalência por pite acima de 30, ou especificamente no AISI 904L o valor de 35,49, o maior da série (OUTOKUMPU, 2013; ROBERGE, 2000). O cromo é o elemento responsável por formar a camada apassivadora que é responsável pela camada de proteção anticorrosiva, mas alguns elementos são inseridos na matriz com usos pontuais, como o cobre, que em pequenas quantidades melhoram a resistência em meio ácido (BRANDI ET AL., 2008).
2.MATERIAIS E MÉTODOS
Para o emprego das vantagens dos AISAs com maior eficácia, as técnicas de soldagem adequadas devem ser estabelecidas, bem como os processos escolhidos e os refinamentos dos parâmetros para sua possível otimização. O entendimento da aplicação dos AISAs, em especial o AISI 904L, no revestimento de materiais de baixo custo, foi estudado por (GUO ET AL., 2021), que abordaram revestimento por fricção de AISA AISI 904L, apresentando resultados importantes nas propriedades mecânicas e microestruturais, mostrando a atual aplicação de pesquisa sobre a liga, e um grande potencial de futuros estudos. O estudo em soldagem ao arco elétrico de metal a gás (MIG/MAG convencional) em AISA de 12 mm de espessura apresentou mais de um tipo de precipitado na zona afetada pelo calor (ZAC) (HEINO ET AL., 1999), mudando a formação das estruturas em relação à temperatura atingida no processo. Com o mesmo processo de soldagem, foi realizado estudo sobre o AISA AISI 904L de 5 mm de espessura e arame de 1,2 mm de diâmetro (MANAVALAN ET AL., 2015), e, também, mostram que os parâmetros otimizados para a resistência máxima à tração foi utilizando a corrente de pico de – 354 A , 132 Hz de frequência de pulso, 88 A de corrente de base. O estudo empregado (SATHIYA ET AL., 2010b), avaliaram a soldagem de AISI 904L de 5 mm de espessura, e constataram que quando o gás de proteção utilizado é o argônio, ocorre uma mistura mais efetiva do material. No processo de soldagem ao arco elétrico com eletrodo revestido (SMAW), (KCHAOU ET AL., 2014) observaram na soldagem de AISA 28 (UNS N08028) fratura dúctil em ensaios de tração e impacto. Notaram ainda que a maior resistência do cordão de solda coincide com a presença de estrutura dendrítica fina. No mesmo processo (KCHAOU ET AL., 2016), estudaram a fadiga de AISA 28 (UNS N08028), que apresentou fratura transgranular tanto no metal-base quanto no metal de solda. Os autores, também apontam que a presença de partículas frágeis do eletrodo revestido, e o consequente aprisionamento dessas partículas no metal de solda, fizeram com que o metal de base apresentasse maior resistência à fadiga que o metal de solda. Aplicando uma vibração ultrassônica ao processo, onde a liga AISA AL-6XN foi soldada também com processo SMAW, (CUI ET AL., 2006), apresentaram a ausência de uma zona não misturada, e concluíram que essa zona impacta diretamente no desempenho frente à corrosão do material. E ainda, analisaram a influência da carga no crescimento da trinca.
Em processo de soldagem a LASER (LBW) (VIGNESH, 2017), empregou simulação transiente por elementos finitos, tanto de temperatura como de perfil do cordão AISI 904L, e determina que a entrada de calor é diretamente proporcional à largura e à profundidade de penetração do cordão de solda. Segundo o autor, a velocidade de soldagem teve efeito negativo nas respostas dos parâmetros mencionados e recomenda usar os parâmetros de entrada otimizados 3,5 kW de potência do feixe de LASER, velocidade de deslocamento de 2 m/min e posição focal de 0 m, para soldagem efetiva do AISI 904L. (KUMAR E SINHA, 2020) realizaram uma comparação entre o AIA 304L e o AISI 904L usando uma configuração de soldagem a LASER pulsado. Os autores apresentaram que as estruturas na zona de fusão são diferentes, sendo ferrita e austenita no AISI 304L e totalmente dendrítica no AISI 904L. Empregando a recomendação do projeto experimental de Taguchi de soldagem a LASER de CO2 de AISA usando 100% N2 e 50% N2 + 50% Ar e uma vazão de 30 l/min (SATHIYA ET AL., 2010c), os autores apontam que toda a solidificação do metal de solda ocorreu no modo de solidificação austenítica (SATHIYA ET AL., 2010b). Também possui o mesmo modo de solidificação totalmente austenitico (SATHIYA E JALEEL, 2010a), pesquisando soldagem a LASER de CO2 de AISI 904L usando gás de proteção hélio e argônio e demonstram que a dureza do metal de solda com argônio foi menor, se comparado com o hélio. Em processos de soldagem por fricção e mistura mecânica (FSW), autores como (BALAMURUGAN ET AL., 2014), obtiveram sucesso em resistência à fadiga frente a otimização de parâmetros de soldagem com AISI 904L. No mesmo processo, (LI ET AL., 2017), conduziram estudos em AISA S32654 a 300 rpm e 400 rpm produzindo soldas sem defeito. Eles também notaram que a zona de mistura apresentou granulação fina. (MIRONOV ET AL., 2011), empregaram soldagem por fricção em AISA S31254, e não houve recristalização completa da zona de mistura, no produto final, surgindo uma estrutura de grãos deformados na zona de mistura. Estudos com soldagem ao arco elétrico utilizando gás inerte e eletrodo de tungstênio (TIG), (BANOVIC ET AL., 2001), mostraram resultados de AISA e ligas a base de níquel e investigaram o efeito de parâmetros no processo e as propriedades do metal de fusão. Os autores confirmaram que à medida que a taxa de alimentação do metal de adição aumenta e a potência do arco elétrico diminui, a diluição do metal de solda também diminui. No mesmo processo (RAMKUMAR ET AL., 2016), conduziram um estudo de TIG com corrente pulsada de AISI 904L de 5 mm de espessura usando vareta ERNiCu – 7, ERNiCrMo -14, ERNiCrMo – 10, ERNiCrMo – 4, e concluíram que o emprego de varetas ricas em Ni – Mo apresentam uma zona não misturada na interface da solda. Também, observaram que o Mo teve baixa segregação nas soldas com varetas ricas em Ni – Mo, sendo isso atribuído ao pulso de corrente utilizado. No estudo (ZHOU E LÖTHMAN, 2017), conduziram ensaios de soldagem TIG, em aço inoxidável super duplex 2507 (UNS S32750) e AISA 6Mo (UNS S31254) usando materiais de adição de liga de níquel ERCiCrMo – 3 e ERNiCrMo – 13. Os autores recomendaram o uso de gás de proteção Ar + 2% N2 em conjunto com o arame ER2594 para melhorar a resistência à corrosão por pite e as propriedades mecânicas do metal de solda. Realizaram ensaios de soldagem em Hastelloy® C – 276 e AISI 321 (SHARMA ET AL., 2017), utilizando processo TIG com corrente contínua e pulsada. Os autores avaliaram que a pulsação (frequência) da corrente de soldagem reduz a largura do cordão de solda. Soldagem de aços inoxidáveis superausteníticos, AISI 904L de 5 mm de espessura, com gás inerte de tungstênio (TIG) ativado com fluxo assistido por SiO2 (A – TIG), foram estudados por (RAMKUMAR ET AL., 2017), que demonstraram sucesso na aplicação do processo e concluíram que os resultados de penetração são duas vezes maiores que o obtido com o processo TIG convencional com os mesmos parâmetros elétricos do processo. Apontaram as vantagens do processo A – TIG em comparação ao TIG convencional, obtendo o modo de fratura dúctil e valores de resistência à tração e eficiência maiores das juntas. Além disso, (SAHA E DAS, 2018), conduziram pesquisas do efeito do fluxo ativado na soldagem TIG da liga AIA AISI 316L com 6 mm de espessura, e mostraram que o fluxo do gás utilizado, TiO2, trouxe vantagens como o aumento da penetração e a redução da largura do cordão de solda. Pesquisaram soldagem A – TIG utilizando fluxos mono e tricomponentes para união de AISI 904L com 10 mm de espessura, e na composição otimizada do fluxo tricomponente que, de acordo com o estudo (VENKATESAN ET AL., 2017), aumentou a penetração para 82% em relação à soldagem TIG convencional. (SATHIYA ET AL., 2012), mostraram a sensibilidade da profundidade de penetração em relação ao fluxo, ao pesquisarem soldagem A – TIG de AIA AISI 304L, obtendo também bons resultados. (SATHIYA ET AL., 2012), apresentam estudos em soldagem a LASER híbrida (HL) e avaliaram o efeito do gás de proteção no processo de soldagem TIG a LASER híbrida em AISI 904L com 5 mm de espessura. Os resultados mostraram que uma pequena adição de nitrogênio e oxigênio ao gás de proteção melhora as propriedades do metal de solda, como também a resistência à tração do material. Os autores concluíram também que o emprego do gás de proteção 50% He + 45% Ar + 5% O2 aumentou o valor da tenacidade em 36%, comparado ao metal-base. Na pesquisa de (RAGAVENDRAN E VASUDEVAN, 2020), foi proposto estudos de soldagem a LASER híbrido TIG (HLT) e soldagem a LASER híbrido MIG (HLM) de AIA AISI 316L com 5 mm de espessura. Os autores concluíram que o processo HLM exibiu maior resistência à tenacidade e à ductilidade em comparação com o processo HLT. Essas vantagens são atribuídas à adição do material consumível que ocorreu durante o processo de soldagem HLM.
Estudos de revestimentos com processo de soldagem TIG têm crescido e sido implementados em grande escala devido às características inerentes ao processo. Inúmeros estudos de revestimento, com o objetivo de melhorar as características e otimização, mostram que o processo TIG, com os parâmetros adequados, pode ser utilizado pensando em fatores como qualidade, custo, aplicação, produção. A tecnologia de soldagem TIG, especialmente em revestimento, tem apresentado bons resultados (DEBTA E MASANTA, 2022; HUANG ET AL., 2022; ZHU ET AL., 2021). No processo de soldagem TIG, pode-se também adicionar arame quente. Essa adição gera maiores custos, pois precisa de uma fonte externa para o aquecimento do arame a depositar como revestimento. A adição de arame quente aumenta significativamente a taxa de deposição em relação ao arame frio (MACHADO, 1996), mas otimizando os parâmetros do processo com arame frio pode-se alcançar elevada produtividade e menores investimentos, visando os parâmetros adequados para obter a morfologia desejada do revestimento como reforço, largura, diluição. Com isso, resultados como (SILVA ET AL., 2014), mostraram que é possível produzir revestimentos com baixos níveis de diluição em uma única camada. Com relação à microestrutura, houve uma forte segregação de elementos de liga durante a solidificação. O ensaio de resistência ao corte mostrou coalescência entre o revestimento e o substrato, produzindo uma alta resistência ao corte, mesmo com a possível presença de defeito. Os autores observaram que na área de ataque, a corrosão preferencial foi em torno das partículas ou área ricas em Mo, ocorrendo um fenômeno de perda de elementos de liga, semelhante ao observado para os carbonetos de cromo nos aços inoxidáveis. Também, concluíram que um ajuste adequado dos parâmetros de soldagem TIG com deposição de arame frio pode produzir revestimentos com baixo teor de ferro para liga Inconel® 625 em apenas uma camada. A liga Hastelloy® C276, mesmo quando soldada com os mesmos parâmetros, não atingem o mesmo nível de diluição, mostrando a influência do material. A resistência ao cisalhamento dos revestimentos para ambas as ligas foi superior ao mínimo exigido. A liga Hastelloy® C276, mesmo com maior teor de ferro, teve temperatura crítica de formação de pitting mais baixa se comparada com a liga Inconel® 625, indicando, portanto, que a diluição e a concentração de ferro na zona de fusão não são as únicas mudanças químicas e metalúrgicas observadas no estudo. (DÍAZ ET AL., 2017), realizaram um trabalho comparativo entre o processo TIG com arame quente e arame frio, nos quais o revestimento foi depositado na posição plana sobre uma chapa de aço carbono SAE 1015. Como resultado do estudo, foi constatado que a adição de arame quente apresentou baixos valores de diluição e a morfologia dos cordões de solda mostrou maior largura, menor reforço e menor penetração quando comparado com a adição de arame frio. Ao produzir-se o desvio do arco, a pressão do arco tende a diminuir no centro da poça de fusão pelo fato de a energia do arco elétrico estar dividida entre o material de base e o material de adição, gerando um efeito expressivo na morfologia do revestimento. (VERGARA ET AL., 2015) realizaram ensaios com o processo TIG com arame frio e oscilação triangular da tocha, conseguindo valores de largura do cordão de solda de 12,11 mm na posição plana. Os resultados nesse estudo com arame quente sem oscilação mecânica do arco elétrico atingiram valores de largura de 16,11 mm, ou seja, um acréscimo na largura de 24,8%, evidenciando-se o melhor desempenho do arame quente em relação ao arame frio. Além disso, autores (ZHILIN ET AL., 2020) investigaram a característica de diferentes métodos de deposição de revestimento usando arame quente e arame frio, a fim de aumentar a produtividade e melhorar a qualidade das camadas depositadas. Revestimento de ligas resistentes à corrosão em substrato de aço ao carbono aplicados por TIG com arame frio, com ajustes adequados nos parâmetros de soldagem, conseguiram baixa difusão de ferro e pequenos valores de diluição, promovendo o processo com características inerentes a bons revestimentos, com o emprego de apenas uma camada (SILVA ET AL., 2014).
Além disso, estudos conduzindo aplicando metal de adição AWS A5.9 ER385, análogo ao AISI 904L, são difíceis de encontrar na literatura, ainda mais em conjunto com o substrato ASTM A36. Porém, alguns estudos (PIMENTEL ET AL., 2023a E PIMENTEL, 2023b) mostraram bons resultados a respeito da morfologia do revestimento, e suas propriedades. Os autores ainda mostraram sobreposição vertical e horizontal, com aplicação de processo TIG – P com tecimento, apresentando valores reduzidos de diluição, na casa de 5%. Os mesmos ainda aplicaram projeto de experimento, uma vez que os parâmetros de soldagem com o par de materiais para revestimento e pouco vista.
3. CONCLUSÕES
- Nota-se um grande interesse em estudos de materiais resistente à corrosão nos processos de soldagem, seja via metal de adição, (arame ou vareta) e substrato.
- Uma vasta gama de pesquisa nos mais diversos processos, principalmente TIG e LASER, pelo menor aporte térmico e uma menor distorção e alteração nas características microestruturais.
- Estudos comparativos, alterando tipo de gás, características do tecimento e parâmetros de soldagem são comuns.
- Quando do substrato, diversas espessuras sendo aplicadas e analisadas, visando menor custos, visto seu elevado valor, principalmente pelos elementos responsáveis pela resistência à corrosão.
- A revisão é útil para condensar estudos de diversos processos relacionados a materiais resistentes à corrosão.
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1Engenheiro mecânico. Doutorando em Engenharia Mecânica – UFRGS/PROMEC.
2Dr. Engenheiro. Professor em Engenharia Mecânica UFRGS – UFRGS/PROMEC.
3Engenheiro Mecânico. Mestrando em Engenharia Mecânica – UFRGS/PROMEC.