UNIVERISDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS – UFMG DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEMEC CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DA SOLDAGEM TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO: VALIDAÇÃO DA QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM PARA A RECOMPOSIÇÃO DE METAL BASE SAE-4140 DE EIXOS DE PROPULSORES DO SEGMENTO NAVAL. Belo Horizonte – MG 2018 ELLEN DOS SANTOS LEANDRO DE MATOS LOPES SOARES ELLEN DOS SANTOS LEANDRO DE MATOS LOPES SOARES TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO: VALIDAÇÃO DA QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM PARA A RECOMPOSIÇÃO DE METAL BASE SAE-4140 DE EIXOS DE PROPULSORES DO SEGMENTO NAVAL. Monografia apresentada ao Curso de Especialização em Engenharia de Soldagem do Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, como pré-requisito para a obtenção do título de Engenheiro de Soldagem, orientado pelo Professor Dr. Alexandre Queiroz Bracarense Belo Horizonte – MG 2018 AGRADECIMENTOS Agradecemos a Deus por permitir a realização de mais uma etapa. Agradecemos as nossas famílias pelo apoio, compreensão pela ausência e carinho. Aos mestres pelo empenho, dedicação, paciência e conhecimento transferido. Em especial ao nosso orientador, o prof. Alexandre Queiroz Bracarense, que desenvolveu e estruturou o Curso, ao professor Paulão por doar e viver o seu dom de lecionar e ao professor Guilherme Marconi pelos conselhos e mentoria. Aos amigos de classe por contribuírem para o nosso crescimento pessoal, profissional e por tornarem nossa jornada mais leve. DEDICATÓRIA A minha família que sempre apoiou e acompanhou a minha jornada. Em especial aos meus pais que abriram mão de tantas coisas para que eu pudesse chegar até aqui. Ao colega Jeferson Pimentel por sua postura profissional e por ter me apresentado a este Curso. Ao Leandro de Matos pela parceria neste trabalho. Ellen dos Santos Aos meus pais por apoiarem e contribuírem para a obtenção deste novo título. Aos meus filhos por compreenderem os momentos de ausência em virtude dos estudos para a realização e conclusão desta pós-graduação. A Ellen dos Santos pela parceria neste trabalho, pela orientação em como proceder em algumas situações e pelo empenho para realização do mesmo. Leandro de Matos Lopes Soares RESUMO Na indústria da conformação mecânica é comum, desde que acordado previamente com o cliente, realizar soldagem de enchimento nas peças não conformes. O trabalho a seguir aborda a documentação técnica de soldagem (EPS e RQPS) elaboradas, por uma forjaria, para de revestir os rechupes proveniente do processo de forjamento em eixos propulsores de navios-sonda e tem como objetivo discutir os procedimentos de soldagem desenvolvidos a fim de validar sua eficácia e garantir a padronização e repetibilidade do processo de soldagem. Para a qualificação dos procedimentos duas chapas teste do material SAE- 4140 foram soldadas utilizando o processo SMAW. Em função do metal base ser um aço classificado como baixa liga o eletrodo ER11018G foi selecionado com base nas propriedades mecânicas. Pós soldagem as peças foram temperadas, revenidas e submetidas aos ensaios de ultrassom e partícula magnética. Na sequência as chapas foram usinadas e retalhadas para a retirada de corpos de provas dos ensaios de macrografia, dureza, tração, dobramento e impacto Charpy. Os resultados encontrados nos ensaios realizados mostraram que os procedimentos de soldagem e seus respectivos registros (RQPS) estão aptos a garantir que os produtos retrabalhados atendam as propriedades requeridas para aplicação. Palavras chave: Eixos propulsores, navio-sonda, retrabalho, ensaios, SMAW, aço baixa liga. ABSTRACT It is common in the mechanical forming industry (as long as previously agreed with the customer) to repair by welding non-conforming parts. This work show welding technical documentation (WPS and SWPS), elaborated by a forging factory, to cover propeller shafts shrink hole from the forging process. This work aims to discuss the welding procedures developed in order to to validate its effectiveness and to guarantee the standardization and repeatability of the welding process. For the qualification of the welding procedures two plates test specimens were welded using the SMAW process. Because of base metal (SAE-4140) is a low alloy steel the electrode ER11018G was selected based on the mechanical properties. After welding the pieces were quenched, tempered and subjected to ultrasonic and magnetic particle tests. Following the plates were machined and cut for samples removal ( macrography, hardness, tension, bend test and Charpy impact test) The results found show that the welding procedures (WPS) and their respective registers (SWPS) are able to guarantee that the reworked products get the properties required for application. Key words: Propeller shafts, ship-rig, rework, tests, SMAW, low alloyed steel. Lista de Figuras Figura 1: Representação esquemática do processo de forjamento em matriz aberta 13 Figura 2: Navio-sonda utilizado na logística de extração do pré-sal. 17 Figura 3: Diagrama do processo de soldagem com eletrodo revestido. 18 Figura 4: Classificação dos eletrodos revestidos para aços baixa liga segundo a AWS. 20 Figura 5: Fragilização por hidrogênio 24 Figura 6: Detalhamento da região não conforme do eixo propulsor. 24 Figura 7: Dimensional da chapa teste conforme QW-462.5 26 Figura 8: Diagrama de retirada de CP para revestimentos que necessitam atender aos requisitos de dureza QW-462.5(a) 29 Figura 9: Dimensionamento dos corpos de prova de tração. 31 Figura 10: Dimensionamento dos corpos de prova de dobramento. 32 Figura 11: Detalhamento da junta soldada referente a EPS-005. 34 Figura 12: Detalhamento da junta soldada referente a EPS-006. 34 Figura 13: Resultados do ensaio macrográfico 37 Figura 14: Ruptura dos corpos de prova de tração 38 Figura 15: Corpos de prova do ensaio de dobramento 39 Listas de tabelas Tabela 1: Aços e suas aplicações na indústria de forjados. 16 Tabela 2: Características dos eletrodos revestidos por tipo de revestimento. 19 Tabela 3: Composição Química do Aço SAE-4140 21 Tabela 4: Propriedades Mecânicas do aço SAE-4140 21 Tabela 5: Variáveis do Processo SMAW segundo a norma ASME IX:2015 25 Tabela 6: Determinação da espessura mínima da chapa teste conforme ASME IX:2015 27 Tabela 7: Composição química do eletrodo ER 11018 G 27 Tabela 8: Propriedades mecânicas do eletrodo ER 11018 G 28 Tabela 9: Parâmetros de soldagem recomendados pelo fabricante para o eletrodo ER 11018G 28 Tabela 10: Determinação do número de corpos de prova de tração e dobramento QW-451.2 30 Tabela 11: Parâmetros de soldagem recomendados para o procedimento 005 34 Tabela 12: Parâmetros de soldagem recomendados para o procedimento 006. 34 Tabela 13: Resultados do ensaio de dureza Brinell (HB). 36 Tabela 14: Resultados do ensaio de Tração. 37 Tabela 15: Resultados do ensaio de Dobramento. 38 Tabela 16: Resultados do ensaio de Impacto Charpy 39 Sumário 1. INTRODUÇÃO 11 2. OBJETIVOS 12 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 13 3.1. Forjamento 13 3.1.1. Classificação quanto à temperatura de operação 14 3.1.2. Classificação quanto ao tipo de equipamento 14 3.1.3. Classificação quanto ao tipo de Matriz 15 3.1.4. Materiais utilizados no forjamento 16 3.1.5. Produtos 16 3.1.5.1. Produto e aplicação do estudo de caso 16 3.2. Soldagem 17 3.2.1. Processo SMAW 18 3.2.2. Soldagem dos Aços baixa liga 20 3.2.2.1. Aços baixa liga 20 3.2.2.2. Fragilização por hidrogênio 21 3.2.2.3. Eletrodos revestidos para soldagem de aços baixas ligas 22 3.2.3. Normas 23 4. ESTUDO DE CASO 24 4.1. Qualificação da EPS 24 4.1.1. Chapa Teste (CT) 26 4.2. Consumível 27 4.3. Metodologia e critérios de Aceitação dos ensaios 29 4.3.1. Dureza 29 4.3.2. Ensaios destrutivos 30 4.3.3. Ensaio de Tração 30 4.3.4. Ensaio de Dobramento 31 4.3.5. Ensaio de Impacto Charpy 33 4.4. Execução da solda para qualificação do procedimento 33 4.4.1. Preparação 33 4.4.2. Soldagem 33 4.4.3. Pós soldagem 34 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 36 5.1. Partícula Magnética 36 5.2. Ultrassom 36 5.3. Dureza 36 5.4. Macrografia 37 5.5. Ensaio de tração 38 5.6. Dobramento 5.7. Impacto Charpy 38 6. CONCLUSÃO 39 Referência bibliográfica 41 Anexo 43 11 1) INTRODUÇÃO Na indústria da conformação mecânica a definição do processo de forjamento de peças complexas, em relação ao perfil ou diferença de massa, é exaustivamente analisada antes de se iniciar a fabricação de forjados. Apesar da análise criteriosa, em algumas situações o escoamento do material durante a conformação ocorre de forma inesperada mostrando que processo escolhido não foi o mais adequado. Nesses casos é comum, desde que acordado previamente com o cliente, realizar soldagem de enchimento nas peças não conformes. Na empresa “A” o forjamento em matriz aberta de eixos propulsores de navios- sonda, fabricados em aço SAE-4140, apresentaram falta de material no diâmetro interno do flange. A fim de atender a necessidade do cliente em relação ao prazo de entrega e evitar o refugo das peças foi acordado entre as partes a recuperação do componente através do processo de soldagem SMAW. O presente trabalho aborda um estudo de caso sobre o processo de qualificação de soldagem das soldas de reparo realizadas nos eixos que compõe o sistema de propulsão de embarcações utilizadas na extração de petróleo na região do pré-sal. 12 2) OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo discutir o procedimento de soldagem desenvolvido para realizar o retrabalho dos eixos propulsores para navio-sonda, a fim de validar sua eficácia e garantir a padronização e repetibilidade da forma de realizar o retrabalho e assim garantindo a qualidade do procedimento realizado e a produção de soldas com as propriedades adequadas para a aplicação pretendida. 13 3) REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Forjamento O forjamento está entre os processos de conformação mecânica de metais mais antigo que se conhece. Há relatos de versões primitivas desse processo que datam de 800 A.C Existem diversas definições para o forjamento, todas convergem para o mesmo conceito. As mais usuais são: “O Forjamento é o processo de conformação mecânica pelo martelamento ou prensagem” (CHIAVERINI, 1986) “O Forjamento consiste no trabalho mecânico ou na deformação de peça de metal normalmente a quente; isso pode ser obtido pela aplicação de insuflações sucessivas ou através de compressões contínuas. ” (CALISTER, 2008) Figura 1: Representação esquemática do processo de forjamento em matriz aberta Fonte: Revista Forge 2017 O forjamento pode ser classificado conforme a temperatura de operação, de acordo com o equipamento utilizado para gerar a deformação no tarugo e conforme o tipo de matriz. 14 3.1.1 Classificação quanto à temperatura de operação O forjamento a quente é realizado em temperaturas acima da de recristalização do metal. A máxima temperatura de forjamento corresponde à temperatura em que pode ocorrer fusão incipiente ou aceleração da oxidação e a mínima corresponde à temperatura abaixo da qual o material pode começar a encruar, ou seja, dependerá do material forjado. Para o caso dos aços-carbono, a faixa usual de temperatura é de 800°C a 1000°C. Em aços altamente ligados, as temperaturas de operação são mais elevadas, uma vez que a estrutura do material é mais complexa (CHIAVERINI, 1986). O forjamento a quente facilita o escoamento do material, contribuindo para menor surgimento de trincas e diminuição de heterogeneidade na microestrutura, devido às rápidas taxas de difusão. No forjamento a frio não há aquecimento e o material é forçado a escoar entre matriz e um macho, resultando em peças com forma e tolerância precisas. Necessita de menor quantidade de material se comparada ao forjamento a quente e, por isso, vem ganhando grande espaço (FENILI, 2009). 3.1.2 Classificação quanto ao tipo de equipamento Existem dois tipos gerais de equipamentos para forjamento: os martelos de forja e as prensas. Nos martelos, golpes rápidos e sucessivos são aplicados no metal, enquanto em prensas o metal fica sujeito à ação de força de compressão a baixa velocidade. Assim, no martelamento, a pressão atinge a máxima intensidade quando o martelo toca o metal, decrescendo rapidamente à medida que a energia do golpe é absorvida pelo metal, promovendo sua deformação. Na prensagem, atinge-se o valor máximo da pressão instantes antes de o esforço ser retirado. Sendo assim, o martelamento produzirá deformação principalmente nas camadas superficiais, enquanto a prensagem atingirá as camadas mais profundas, promovendo deformação resultante mais regular do que a que é produzida pela ação dinâmica do martelamento (CHIAVERINI,1986). 15 3.1.3 Classificação quanto ao tipo de Matriz Os esforços submetidos ao material na operação de forjamento são compressivos e alteram as dimensões e características metalúrgicas de uma peça, que tenderá a assumir o contorno da ferramenta utilizada na conformação. As matrizes são as principais ferramentas utilizadas nesse processo, que pode ser diferenciado, devido ao tipo de matriz, em forjamento em matriz aberta e em matriz fechada (LOPES, 2011). No forjamento em matriz fechada ocorre a movimentação de duas ou mais matrizes entre si para conformar um tarugo. As matrizes contêm impressões com o formato desejado da peça. Esse tipo de forjamento produz peças com tolerâncias dimensionais menores do que no de matriz aberta. A matriz fechada promove forte restrição ao espalhamento do material, visando obter um produto ou matéria-prima para outro processo como por exemplo: a usinagem. A tensão limite de escoamento do material deve ser reduzida para permitir que a pressão na matriz seja menor que a tensão limite de resistência à tração, para que não ocorra rompimento da peça. O volume de material que deve ser colocado na matriz deve ser o suficiente para preencher suas cavidades. Se estiver em excesso, pode danificar a matriz e/ou a prensa. Esse tipo de forjamento é normalmente utilizado para conformar peças simétricas e com uso de matrizes com várias cavidades, ocorrendo em mais de uma etapa. No forjamento em matriz aberta o material é disposto sobre diferentes tipos de matrizes, côncavas, convexas, e com superfícies planas. Esses tipos de matrizes são mais simples que as do forjamento em matriz fechada. Ocorre estiramento do material, que consiste em sucessivos golpes ao longo do comprimento do material, promovendo redução na seção transversal e aumento no comprimento. A primeira etapa do forjamento em matriz aberta é o recalque, que promove compressão sucessiva do material, resultando em escoamento na direção transversal. Em seguida, ocorre o estiramento, que é o escoamento longitudinal da peça, aumentando seu comprimento. Por fim, ocorre o alargamento, que é a expansão perpendicular ao eixo da peça. Esse tipo de forjamento é comumente utilizado para conformar peças de elevada dimensão com formato relativamente simples e pode anteceder o forjamento em matriz fechada. 16 3.1.4 Materiais utilizados no forjamento Os materiais mais utilizados na produção de peças forjadas são os aços (carbono, baixa liga, aços estruturais, para cementação, para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos e aços ferramenta), ligas de alumínio, de cobre (especialmente os latões), de magnésio, de níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) e de titânio. Anteriormente ao processo de forjamento, o material é geralmente fundido ou laminado. A Tabela 1 apresenta os principais metais utilizados pela empresa “A” no seu processo de fabricação. Tabela 1: Aços e suas aplicações na indústria de forjados. Fonte: Autor Material Característica Aplicação SAE 1524 Alto teor de Mn Eixos SAE 1045 0,45% C Eixo de moenda SAE 1055 0,55% C Eixo rodoviário SAE 4130 Cr-Mo Conectores óleo e gás, SAE 4140 Cr-Mo Eixo naval, rodas SAE 4150 Cr-Mo Rodas SAE 8630 Cr-Ni-Mo Trilhos 3.1.5 Produtos Rodas, engrenagens, tubulação para a produção de conectores de linhas flexíveis, peças e componentes para equipamentos de prospecção e produção de Petróleo, trilhos e eixos de médio e grande porte tais como: eixos ferroviários, eixos de turbina a vapor, eixos ventiladores, eixos de moenda e virabrequins podem ser citados como os principais produtos de forjarias de matriz aberta. 3.1.5.1 Produto e aplicação do estudo de caso As plataformas de petróleo necessitam de uma logística que opere de forma eficiente. Esta logística pode ser feita por helicópteros, que em geral transportam pequenas cargas e/ou pessoas, ou por embarcações nas quais transportam os 17 materiais requeridos (COSTA et al., 2008, p. 128). Estas embarcações servem de apoio offshore e possuem características exclusivas para o tipo de serviço que irão realizar. O componente submetido ao reparo neste trabalho trata-se de um eixo forjado do sistema de propulsão de navios-sonda equipados com aparelhagem de perfuração e projetados para exploração de poços submarinos na região do pré-sal. Figura 2: Navio-sonda utilizado na logística de extração do pré-sal. Fonte: Site Wartsila 2017 3.2 Soldagem O processo de soldagem e sua aplicação podem ser definidos conforme as citações abaixo: “Processo de união de materiais baseado no estabelecimento de forças de ligação química de natureza similar às atuantes no interior dos próprios materiais, na região de ligação entre os materiais que estão sendo unidos. ” (MARQUES, 2007, p. 18). “Os processos de soldagem são utilizados para fabricar produtos e estruturas metálicas, aviões e veículos espaciais, navios, locomotivas, veículos ferroviários e rodoviários, pontes, prédios, oleodutos, gasodutos, plataformas marítimas, reatores nucleares e periféricos, trocadores de calor, utilidades domésticas, componentes eletrônicos etc.” (WAINER, 2008, p. 02). Os processos de soldagem podem ser classificados de acordo com a fonte de energia, tipo de proteção gasosa, natureza da união. Podem também ser subdividido em dois grandes grupos, citados a seguir, baseando-se no método dominante para produzir a solda: 18  Soldagem por pressão ou deformação: soldagem por forjamento, soldagem por fricção, caldeamento.  Soldagem por fusão: soldagem a gás, soldagem com eletrodo revestido, TIG, MIG/MAG, soldagem a plasma, etc. Para a recomposição do estudo de caso foi utilizado o processo de solda com eletrodo revestido. 3.2.1 Processo SMAW O processo de soldagem com eletrodo revestido consiste na união entre duas ou mais partes através do calor gerado pelo arco elétrico estabelecido entre um eletrodo metálico revestido e as peças a serem soldadas. (WAINER, 2008). O eletrodo revestido é composto por duas partes: uma vareta metálica denominada alma e o revestimento. A alma conduz a corrente elétrica e, ao aquecer, funde fornecendo metal de adição para a solda, já o revestimento consiste na mistura de diversos materiais que têm como principais funções estabilizar o arco elétrico, criar uma atmosfera segura para realização da solda impedindo a presença de impurezas e ajustar composição química do cordão. (MARQUES, 2007) Figura 3: Diagrama do processo de soldagem com eletrodo revestido. Fonte: ESAB, 2005 Embora não seja o processo mais eficiente, a soldagem com eletrodos revestidos é amplamente utilizada em função do seu baixo custo, simplicidade do 1.Revestimento de Fluxo 2.Vareta (Alma) 3.Gás de proteção 4.Poça de fusão 5.Metal base 6.Metal de solda 7.Escória solidificada 19 equipamento e da execução e grande versatilidade devido as diversas combinações de revestimento que podem ser formuladas. (WAINER, 2008). Por se tratar de um processo manual o comprimento do arco elétrico na soldagem SMAW é determinada pelo soldador. Para compensar a instabilidade e variações no arco fontes de corrente constante são indicadas para execução desse processo. A grande versatilidade do processo SMAW é atribuída a imensa gama de formulações que existem e podem ser desenvolvidas para o revestimento, que tem como função: estabilizar o arco elétrico, ajustar a composição química do cordão de solda e proteger o metal de solda e a poça de fusão da contaminação da atmosfera através da formação de gases e formação de escória. (ESAB, 2005). Os eletrodos possuem alma metálica cujo diâmetro varia ente 1,5 a 8mm e comprimento entre 23 e 45mm eles podem ser classificados de acordo com o revestimento como básico, básico, celulósico, oxidante e ácido. (ESAB, 2005). As principais características de cada tipo de revestimento podem ser observadas na Tabela 2. Tabela 2: Características dos eletrodos revestidos por tipo de revestimento. Fonte: Autor TIPO COMPOSIÇÃO ESCÓRIA CORRENTE CORDÃO BÁSICO CaCO3 CaF2 Básica Dessulfurante CC com polaridade reversa, CA Média penetração RUTÍLICO TiO2 Ácida, Densa, Abundante, Fácil de destacar CC CA Média a baixa penetração Boa aparência CELULÓSICO C6H10O5 Material Orgânico Pouca CC com polaridade direta, CA Alta penetração Aparência ruim OXIDANTE FeO, Fe2O3, Fe3O Mn Oxidante, Abundante, Fácil de destacar CC, CA Baixo % de C e Mn. Boa aparência ÁCIDO FeO, Fe2O3, Fe3O, Mn ,SiO2 Ácida, Porosa, Abundante, Fácil de destacar CC CA Penetração média Boa aparência Os eletrodos de aço carbono e de baixa liga também podem ser classificados de acordo com as regras da AWS (Figura 4): 20 Figura 4: Classificação dos eletrodos revestidos para aços baixa liga segundo a AWS. Fonte: Marques, 2007 3.2.2 Soldagem dos Aços baixa liga 3.2.2.1 Aços baixa liga Os aços denominados como baixa-liga são aqueles que possuem adição de elementos de ligas tais como o Cr, Ni e Mo com o objetivo de melhorar a temperabilidade e, consequentemente, a resistência mecânica desses materiais (Silva, 1988). Nesses aços os elementos residuais possuem teores acima do considerado normal. A soma dos elementos adicionados e dos residuais não deve ultrapassar o valor de 5%. Embora o percentual de liga adicionado promova mudança nas propriedades ele não é suficiente para alterar significativamente a estrutura do material, nem a natureza dos tratamentos térmicos aos quais devem ser submetidos. (Chiaverini,2015). São amplamente utilizados em função da excelente relação custo benefício pois possuem boas propriedades mecânicas, elevado limite de escoamento, boa formabilidade, soldabilidade e excelente tenacidade (Silva, 1988). O metal de base utilizado no presente trabalho, SAE-4140, é classificado como aço para construção mecânica, baixa liga e especial em função das exigências de ensaio de impacto no estado temperado e revenido. (Filho, 2011). 21 De acordo com a norma SAE-404 J 404 o aço SAE-4140, ligado ao cromo e molibdênio, deve atender a composição química descrita na Tabela 3. Tabela 3: Composição Química do Aço SAE-4140 Fonte: SAE J 404 Gr.4140 C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) Cr (%) Mo (%) 0,38 -0,40 0,15 -0,30 0,75 – 1,00 0,035 máx. 0,035 máx. 0,80 – 1,10 0,15 – 0,25 As propriedades mecânicas especificadas para o SAE-4140, de acordo com as normas ASTM, por tipo de tratamento térmico ao qual foi submetido estão descritos na Tabela 4. Tabela 4: Propriedades Mecânicas do aço SAE-4140 Fonte: Autor. Tratamento Térmico LR (MPa) LE (MPa) A (%) Dureza Brinnel (HB) Normalizado 740 mín. 590 15 230-231 Beneficiado 750 mín. 720 15 270-331 3.2.2.2 Fragilização por hidrogênio Popularmente conhecida como “flocos”, a fissuração por hidrogênio é o problema mais recorrente relacionado a soldagem de aços baixa liga. Esse defeito também é conhecido como fissuração a frio devido ao fato de que as trincas podem aparecer ou terminar o seu desenvolvimento até 48 horas após a soldagem. Sua ocorrência está, necessariamente, associada a dois fatores: tensão e presença de hidrogênio. (MARQUES, 2007). 22 Figura 5: Fragilização por hidrogênio. Fonte: ESAB, 2005 Durante a soldagem a arco o hidrogênio presente no ar e em compostos que compõe o revestimento se dissociam e se dissolvem na poça de fusão, a medida que o metal vai solidificando sua capacidade de solubilizar o hidrogênio atômico diminui. Sem espaço para se acomodar os átomos de hidrogênio migram para as regiões adjacentes. Parte do hidrogênio sai na superfície sem causar nenhum dano, o restante tende a se concentrar nos poros da ZTA formando, instantaneamente o gás hidrogênio (H2). A concentração de moléculas de hidrogênio nesses sítios aprisionadores exerce altíssimas pressões internas que se estiverem associadas a uma microestrutura pouco tenaz e dura, tal como a martensita, leva a formação de trincas (ESAB,2005). 3.2.2.3 Eletrodos revestidos para soldagem de aços baixas ligas Normalmente os revestimentos dos eletrodos utilizados no processo SMAW são higroscópicos. Devido à alta susceptibilidade a fragilização por hidrogênio os eletrodos utilizados na soldagem dos aços HSLA são confeccionados de modo a possuírem baixo teor de hidrogênio em suas formulações e são submetidos a procedimentos de secagem a fim de reduzir a probabilidade de ocorrência de trincas a frio. Quanto maior a temperatura de secagem suportada pelo eletrodo, maior a ausência de umidade e consequentemente menor a presença de hidrogênio no eletrodo (ZEEMANN,2016). 23 Os eletrodos para soldagem de aços baixa liga são selecionados de acordo com a propriedade mecânica e não de acordo com a composição química como ocorre com os aços carbono. O metal de adição escolhido deve possuir valores de limite de escoamento e limite de resistência iguais ou superiores ao do metal de base para que a junta soldada possa suportar as solicitações requeridas (ESAB, 2005). As diretrizes para a especificação de eletrodos revestidos de aço estrutural de alta resistência e baixa liga podem ser encontrados nas normas AWS A5.5 e ANSI A5.1. 3.3) Normas As normas e especificações são elaboradas com o intuito de garantir a qualidade, repetibilidade, reprodutibilidade e padronização das informações técnicas. Além disso, a normatização tem como objetivo prevenir acidentes e evitar prejuízos para as pessoas, processos e meio ambiente. No universo da soldagem as normas citadas abaixo são as mais utilizadas:  ANSI/AWS D1.1 - Structural Welding Code for Steel.  ANSI/AWS D1.5 - Bridge Welding Code.  ANSI/AWS D1.1 - Structural Welding Code for Stainless Steel.  ASME - Boiler and Pressure Vessel Code - Seção IX.  ISO 3834:2005 - Quality requirements for fusion welding of metallic materials.  API STD 1104 - Standard for Welding Pipelines and Related Facilities  DNV - Rules for Design, Construction and Inspection of Offshore Structures Todas as normas mencionadas descrevem procedimentos de como elaborar as documentações que regem os processos de soldagem que são: Especificação Técnica de Soldagem (EPS), Registro de Qualificação do Procedimento de soldagem (RQPS) e (CQS). No presente trabalho a norma ASME -Boiler and Pressure Vessel Code - Seção IX, Welding, Brazing and Fusing Qualifications determinou a diretriz da fabricação. Por se tratar de um produto naval que deve ser submetido à aprovação da certificadora ABS (American Bureau of Shipping) o caderno de encargos ABS- Part 2 – Materials and Welding também foi consultado e considerado neste processo. 24 4) ESTUDO DE CASO Eixos propulsores de navios-sonda utilizados no sistema de extração do pré- sal, forjado em aço SAE-4140, apresentaram rechupe no diâmetro interno do flange conforme apresentado na Figura 6. Figura 6: Detalhamento da região não conforme do eixo propulsor. Fonte: Autor. Com o intuito de atender a necessidade do cliente e evitar o refugo sem prejuízo da qualidade e do prazo de entrega foi proposto, como medida corretiva, que a região do defeito fosse preenchida por soldagem utilizando o processo SMAW. Neste estudo de caso será apresentado o desenvolvimento da documentação pertinente ao processo de soldagem (EPS, RQP, Qualificação do soldador) que será executado para reparar as peças. 4.1 Qualificação da EPS A EPS é um documento que tem como objetivo garantir que o processo de junção proposto para confecção de um componente seja capaz de produzir soldas com as propriedades adequadas para a aplicação pretendida. Em seu conteúdo deve constar as variáveis essenciais e não essenciais. As variáveis essências são aquelas que promovem variações nas propriedades mecânicas quando são modificadas. (ASME BPVC: 2015) 25 Para o processo SMAW essas variáveis estão listadas na tabela QW-253 da norma ASME IX conforme Tabela 5: Tabela 5: Variáveis do Processo SMAW segundo a norma ASME IX:2015. Fonte: ASME IX:2015 Embora a norma ASME B31.3 indique que não há necessidade de realizar o ensaio de impacto e, consequentemente, considerar as variáveis suplementares na qualificação do procedimento de soldagem a certificadora ABS, responsável pelo 26 diligenciamento e aprovação da peça, exigiu a retirada de corpos de prova e a execução do teste como um dos requisitos para aprovação do produto. 4.1.1 Chapa Teste (CT) Devido a especificação do eixo propulsor solicitado pelo cliente, o SAE-4140 foi determinado como metal de base. Este aço não está diretamente listado no QW 422 da norma ASME IX:2015. Entretanto, por estar presente na relação de aços da norma ASTMA A 519 podemos classificar o material como pertencente ao P-number de número 1.  EPS 005 Por se tratar de um processo de revestimento, inicialmente foi elaborada a EPS 005 definida com base no capítulo de Processos especiais – QW382- HARD-FACING WELD METAL OVERLAY (WEAR RESISTANT) da norma ASME IX: 2015. A largura e comprimento foram definidos conforme a Figura 7 QW-462.5 Figura 7: Dimensional da chapa teste conforme QW-462.5. Fonte: ASME IX:2017. 27 A chapa utilizada na qualificação do procedimento 005 possui 50mm de espessura qualificando a faixa de 25mm a ilimitado conforme tabela QW-453 (Tabela 6). Tabela 6: Determinação da espessura mínima da chapa teste conforme ASME IX:2015. Fonte: ASME IX:2015 Durante o desenvolvimento do projeto verificou-se que embora a soldagem de recuperação consistisse em uma solda de revestimento o metal de adição depositado não tinha como função atender a requisitos de propriedade de dureza como definido no QW382 (HARD-FACING WELD METAL OVERLAY). Para adequar a o serviço executado aos requisitos especificados na norma ASME IX foi elaborado a EPS 006.  EPS 006 Segundo a chapa utilizada para qualificação da EPS-006 deve ter, no mínimo, o seguinte dimensional: 29mm x150x150 para atender a ASME. Para a realização dos testes que qualificam o procedimento foi utilizada uma chapa de SAE-4140, retirada de uma das peças não conforme, cujo dimensional é: 30x280x300mm. 4.2 Consumível Como dito anteriormente os eletrodos de baixa liga são selecionados de acordo com as propriedades físicas do aço a ser soldado. No presente estudo o eletrodo revestido ER 11018G (Marca comercial OK 75.75 – ESAB, 2005) foi escolhido com base nos níveis apropriados de resistência mecânica e no serviço pretendido para a junta soldada. Sua composição química encontra-se na Tabela 7 28 Tabela 7: Composição química do eletrodo ER 11018 G. Fonte: Autor C Mn* Si P S Mo* Ni* Cr V 0,086 1,60 0,35 0,015 0,008 0,28 1,59 0,30 0,004 Através do sistema de classificação da AWS é possível identificar as principais características do eletrodo ER 11018G:  ER – Eletrodo Revestido.  110XX – Possui limite de resistência mínimo a tração 110KSi ou 751Mpa.  XXX1X – Pode ser utilizado para soldar em todas as posições.  XXXX8 – Trata-se de um eletrodo básico que possui potássio e pó de ferros adicionados na composição do revestimento.  G – Eletrodos de aço baixa liga em geral com o teor mínimo de pelo menos um dos seguintes elementos: 1% Mn, 0,8% Si, 0,5% Ni, 0,3% Cr, 0,20% Mo, 0,10% V ou 0,20% Cu. Tabela 8: Propriedades mecânicas do eletrodo ER 11018 G. Fonte: Autor PROPRIEDADE Resistência a Tração (MPa) 840 Limite de Escoamento (MPa) 730 Alongamento (%) 23 A Tabela 9 mostra os parâmetros de soldagem recomendados para a soldagem com o eletrodo revestido ER 11018G. Para a realização da soldagem de recomposição foi utilizado um eletrodo de 5mm de diâmetro. Tabela 9: Parâmetros de soldagem recomendados pelo fabricante para o eletrodo ER 11018G. Fonte: ESAB, 2005 Diâmetro (mm) Corrente (A) Valor Ótimo (A) Taxa de deposição (kg/h) Eficiência de deposição (%) 2,5 3,2 4,0 5,0 65 – 105 100 - 150 130 – 200 185 – 270 90 120/140 140/170 200/250 0,8 1,2 / 1,2 1,4 / 1,7 2,2 / 2,4 66 72 / 71 75/ 74 76/ 75 29 4.3 Metodologia e critérios de Aceitação dos ensaios Para a EPS 005 foram requeridos os ensaios de análise química, dureza e macrografia. As amostras foram retiradas e preparadas conforme a figura QW-462-5 (Figura 7) retirada do código ASME IX edição 2015. Figura 8: Diagrama de retirada de CP para revestimentos que necessitam atender aos requisitos de dureza QW- 462.5(a). Fonte: ASME IX:2015 4.3.1 Dureza O ensaio de dureza Brinell foi realizado em 5 amostras retiradas da EPS 005 utilizando o durômetro de bancada Otto Wolpet-Werke tipo HT1a. Em cada amostra foram realizadas 20 indentações (5 em cada região: solda, linha de fusão, zona termicamente afetada e metal de base). Para a qualificação do procedimento relativo a EPS-006 foram retirados 2 corpos de prova para a realização do ensaio de impacto e 4 corpos de prova para a realização do ensaio de dobramento conforme tabela QW-451.2 do código ASME (Tabela 10). 30 4.3.2 Ensaios destrutivos As quantidades de corpos de prova ensaiados para validar a EPS foram determinadas com base na tabela (QW-451.2). Tabela 10: Determinação do número de corpos de prova de tração e dobramento QW-451.2. Fonte: ASME IX:2015 Além do solicitado no código, outros dois dos corpos de prova de dobramento foram retirados de acordo com a solicitação do cliente. 4.3.3 Ensaio de Tração Os corpos de prova para realização do ensaio de tração foram realizados conforme Figura 9 (QW-462-1(a)). 31 Figura 9: Dimensionamento dos corpos de prova de tração.Fonte: ASME IX:2015 O ensaio foi executado no equipamento SHIMADZU 1000KN, a temperatura ambiente, conforme método especificado na norma ASTM A 370 – 2014. O critério de aceitação para este ensaio está estabelecido no artigo QW-153 e possui quatro pontos: 1- A tensão de ruptura obtida deve ter, no mínimo, a resistência a tração especificada para o metal base. 2- Quando se tratar de soldas dissimilares deve-se considerar o menor limite de resistência especificado. 3- Quando houver abertura para utilizar metal de adição com limite de resistência menor do que o limite especificado para o metal de base, considerar a especificação do metal de adição como referência para a aprovação. 4- Caso a ruptura ocorra no metal de adição o valor obtido deverá se maior ou igual a 95% do limite de resistência especificado para o metal base. 4.3.4 Ensaio de Dobramento Os corpos de prova para realização do ensaio de dobramento foram realizados conforme Figura 10 (QW-462-2). 32 Figura 10: Dimensionamento dos corpos de prova de dobramento.Fonte: ASME IX:2015 Os corpos de prova do ensaio de dobramento, bem como os corpos de prova de tração foram realizados na máquina universal SHIMADZU UH-F 1000KN a temperatura ambiente, e metodologia conforme norma ASTM A 370 – 2014. Na execução do ensaio foi utilizado um cutelo que possuia raio de 19mm e o ângulo de dobramento considerado foi de 30º. O critério de aceitação para este ensaio está estabelecido no artigo QW-162 que estabelece: 1- Na região convexa do dobramento não deve haver descontinuidades maioes do que 3,2mm. 33 2- Descontinuidades abertas nos cantos da amostra durante o teste não devem ser consideradas a menos que haja evidência definitiva que resultam da falta de fusão, inclusões de escória, ou outras descontinuidades internas. 4.3.5 Ensaio de Impacto Charpy NA chapa teste da EPS-006 foram retirados 2 SET’s de CP (três CPs por SET) para a realização do ensaio de impacto, conforme a norma ASTM A 370. Para a execução utilizou-se o pêndulo de Impacto da marca Wolpert modelo PW 30/15. Todos os corpos de prova foram fresados e posteriormente retificados para atender as dimensões de 10x10x 55mm. 4.4 Execução da solda para qualificação do procedimento 4.4.1 Preparação Para a execução do serviço as chapas teste foram usinadas e posteriormente pré-aquecidas a uma temperatura de 275ºC. O controle da temperatura foi realizado por meio da utilização de lápis térmico. Os eletrodos foram submetidos ao processo de secagem a temperatura de 250ºC durante 2 horas. 4.4.2 Soldagem Os parâmetros de soldagem foram determinados conforme norma ASME IX 2015 e dados do fabricante e podem ser observados nas tabelas 8 e 9. Os detalhes das juntas e a sequência de execução dos passes podem ser observados nas Figuras 11 e 12. 34  EPS-005 Figura 11: Detalhamento da junta soldada referente a EPS-005.Fonte: autor Tabela 11: Parâmetros de soldagem recomendados para o procedimento 005. Fonte: autor Camada Passe Eletrodo Ø Amperagem Voltagem Corrente Polaridade Velocidade 1a 1 E11018G 5 240-250 24-26 CC + 24-28 Enchimento Acabamento Demais E11018G 5 250-260 24-26 CC + 26-30  EPS-006 Figura 12: Detalhamento da junta soldada referente a EPS-006. Fonte: autor Tabela 12: Parâmetros de soldagem recomendados para o procedimento 006. Fonte: autor Camada Passe Eletrodo Ø Amperagem Voltagem Corrente Polaridade Velocidade 1a 1 E11018G 3,25 135-145 24-25 CC + 14-16 Enchimento 2 E11018G 4 175-190 25-26 CC + 15-20 Enchimento Acabamento Demais E11018G 5 220-240 25-26 CC + 18-26 35 4.4.3 Pós-soldagem Após a execução do processo a região soldada foi isolada com fibra cerâmica de modo a garantir o resfriamento lento e controlado até que a peça atingisse a temperatura ambiente 24 horas após o resfriamento testar 100% das amostras por partícula magnética e ultrassom. Na sequência as chapas teste foram submetidas ao processo de têmpera e revenimento objetivando atingir um valor de dureza entre 225 a 270HB. Na sequência foram executados os ensaios não destrutivos. Os tópicos abordados no estudo de caso (Qualificação da EPS, testes e resultados) estão consolidados nas EPS 005 e 006 e em seus respectivos registros (RQPS) disponibilizadas no anexo do trabalho. 36 5) RESULTADO E DISCURSÕES Os ensaios de partícula magnética e ultrassom foram executados nas chapas de ambos os procedimentos. A análise macrográfica e o ensaio de dureza foram executados na chapa referente a EPS-005. Os corpos de prova dos demais ensaios (tração, dobramento e impacto) foram retirados da chapa soldada referente a EPS- 006. 5.1 Partícula Magnética As chapas de teste foram 100% submetidas ao ensaio de partícula magnética, via úmida, utilizando a técnica de magnetização longitudinal com o auxílio de yoke Metal Check –HMM6 conforme norma KZP1059.E REV.04.2. Todas as chapas foram aprovadas. 5.2 Ultrassom O ensaio de ultrassom foi realizado em 100% das soldas conforme norma ASTM A 388. Para a execução do ensaio foi utilizado o equipamento Sonatest Master Scan 340- Série 340/569C utilizando a técnica Pulso eco e metil como acoplante. Todas as chapas ensaiadas foram aprovadas. 5.3 Dureza O ensaio de dureza Brinell foi realizado em 5 amostras retiradas da EPS 005 utilizando o durômetro de bancada Otto Wolpet-Werke tipo HT1a. Em cada amostra foram realizadas 20 indentações (5 em cada região: solda, linha de fusão, zona termicamente afetada e metal de base). Os valores médios de dureza por região encontram-se na Tabela 13: 37 Tabela 13: Resultados do ensaio de dureza Brinell (HB). Fonte: autor Especificado: 225 a 270HB ENCONTRADO M1 M2 M3 M4 M5 SOLDA 253,4 249,0 252,0 252,0 263,8 LINHA DE FUSÃO 274,4 271,4 274,2 274,2 291,2 ZTA 292,8 276,0 283,2 283,2 281,6 METAL DE BASE 292,8 292,8 293,0 293,0 296,0 5.4 Macrografia Cinco amostras retiradas conforme indicado na Figura 13 foram atacadas com o reagente nital 4%. Figura 13: Resultados do ensaio macrográfico. Fonte: Ronaldo Paizante Todas as amostras foram aprovadas, pois encontram-se sem defeitos e apresentam fusão completa. 38 5.5 Ensaio de tração Os resultados obtidos estão listados na Tabela 14: Tabela 14: Resultados do ensaio de Tração. Fonte: autor DADOS CP1 CP2 Dimensões 19,54 x 28,70 20,02 x 29,10 Resistência a Tração (MPa) 930,49 906,56 Região da Ruptura(%) Metal base Solda Embora um dos corpos de prova tenha rompido na solda o limite de resistência obtido no ensaio é maior do que 95% do LR especificado para o metal de base e, por isso, o ensaio encontra-se aprovado. Figura 14: Ruptura dos corpos de prova de tração. Fonte: Ronaldo Paizante 5.6 Dobramento Os resultados obtidos no ensaio de dobramento estão listados na Tabela 15. 39 Tabela 15: Resultados do ensaio de Dobramento. Fonte: autor CP’S DIMENSÕES INSPEÇÃO VISUAL CP 01 230,60 X 25,56 X 9,27 Apresentou descontinuidade <3,00mm CP 02 230,80 X 25,48 X 9,63 Ruptura do corpo de prova CP 03 230,72 X 25,50 X 10,24 Não apresentou descontinuidade CP 04 230,76 X 25,17 X 10,04 Apresentou descontinuidade <3,00mm CP 05 266,84 X 28,45 X 9,73 Não apresentou descontinuidade CP 06 266,38 X 28,44 X 9,69 Apresentou descontinuidade <3,00mm Figura 15: Corpos de prova do ensaio de dobramento. Fonte: Ronaldo Paizante. 40 5.7 Impacto Charpy Os resultados obtidos no ensaio de dobramento estão listados na Tabela 16. Tabela 16: Resultados do ensaio de Dobramento. Fonte: autor DADOS SET 1 SET 2 Dimensões do CP 10x10x 55mm Temperatura do Ensaio -20°C Especificado (MPA) Valor Médio – 41MPA Resultados (J) 55; 62; 51 53; 55; 61 Os resultados encontrados estão compatíveis com a especificação do cliente para o material. 41 6 CONCLUSÃO Após a realização dos ensaios, podemos observar que o material manteve suas características mecânicas, conforme objetivo inicial. Pôde-se observar também que com uma EPS/ RQPS bem elaboradas as condições dos parâmetros para realizar a solda influenciam diretamente no resultado esperado. As evidências dos ensaios não destrutivos (partícula magnética e ultrassom) bem como as evidências dos ensaios destrutivos (dureza, tração, dobramento e macrografia) mostraram que o procedimento de soldagem desenvolvido está apto para garantir a integridade estrutural do componente recuperado. Durante a avaliação da documentação foi observado que o conceito da EPS/RQPS 005 foi definido com base no capítulo de Processos especiais QW382. Este capítulo fornece as diretrizes para qualificação de procedimentos de revestimentos que possuem requisitos de dureza e abrasão, o que não se aplica ao produto a ser retrabalhado. Foi observado também que a elaboração da documentação de EPS/RQPS 005 foi desnecessária, pois apenas o desenvolvimento da EPS/RQPS 006 qualificaria todos os requisitos para aprovação do retrabalho que foi realizado. O conhecimento do corpo técnico envolvido, os equipamentos utilizados e o tempo para entrega do produto foram de grande contribuição para concretizar o trabalho, atendendo todos os requisitos específicos das normas e do cliente. 42 Referência bibliográfica CALLISTER, William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 705 p., il. ISBN 978-85-216-1595-8. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: Processos de Fabricação. Editora Mc Graw-Hill, 2ed., v.II, São Paulo, 1986. Cleber Fortes, Apostila de Eletrodos Revestidos, Contagem/MG, 2005. COSTA, Ricardo Cunha da; PIRES, Victor Hugo; LIMA, Guilherme Penin Santos de. Mercado De Embarcações De Apoio Marítimo Às Plataformas De Petróleo: Oportunidades E Desafios, 2008. Disponível em: . Acesso em: 04 de novembro de 2017, às 16:40. FENILI, Cléber Pereira. Avaliação de forjamento a quente, a morno e a frio. Universidade do Extremo Sul Catarinense, 2009. LOPES, W. Notas de aula: Processos de conformação mecânica - Forjamento. CEFETMG, Belo Horizonte, 2011. MARQUES, Paulo Villani. Introdução à soldagem. In: Soldagem: Fundamentos e tecnologia. 2. Ed. Belo Horizonte: UFMG, 2007. MOLLAND, Anthony F; TURNOCK, Stephen R; HUDSON, Dominic. Ship resistance and propulsion practical estimation of propulsive power. New York: Cambridge University Press, 2011. VALLE, Gilberto Dória do. Avaliação das instalações de máquinas em navios visando redução do uso de combustível fóssil, 2011. Monografia (Mestrado em Engenharia) – Universidade de São Paulo. São Paulo. WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio D.; MELLO, Fábio D. H. Soldagem, Processos e Metalurgia. São Paulo, SP. Editora Edgard Blücher LTDA. p. 1-6, 1992. 43 http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-nao-destrutivos-e- mecanicos/213-ensaio-mecanico-dobramento.html. Acessado em 04 de novembro de 2017, às 19:30 https://pt.linkedin.com/pulse/hidrog%C3%AAnio-em-soldas-de-a%C3%A7o-carbono- e-baixa-liga-annelise-zeemann. Acessado e disponível em 14 de março de 2018 as 21:15. http://revistaforge.com.br/wp-content/uploads/revista/03023-conceito-basico-do- forjamento-de-uma-peca-com-simetria-axial-utilizando-matriz-com-mascara.jpg. Acessado em 12 de novembro de 2017, às 20:35 https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/oil-gas-documents/brochure-offshore- solutions.pdf?sfvrsn=febbe945_11. Acessado em 04 de novembro de 2017, às 21:30 THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. IX Qualification Standard for Welding, Brazing, and Fusing Procedures, Welders, Brazers, and Welding, Brazing, and Fusing Operators. ASME, 2015. THE AMERICAN WELDING SOCIETY. AWS A5.5. Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. AWS, 2014. THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. B31.3 Process Piping. ASME, 2016. THE AMERICAN WELDING SOCIETY. AWS A5.1/A5.1M. Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal ArcWelding. AWS, 2012. THE AMERICAN WELDING SOCIETY. AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code— Steel. AWS, 2010. THE AMERICAN WELDING SOCIETY. AASHTO/AWS D1.5M/D1.5. Bridge Welding Code AWS, 2010. 44 Anexos EPS 005 Folha 1/2 45 EPS 005 Folha 2/2 46 RQPS 005 Folha 1/3 47 RQPS 005 Folha 2/3 48 RQPS 005 Folha 3/3 49 EPS 006 Folha 1/2 50 EPS 006 Folha 2/2 51 RQPS 006 Folha 1/3 52 RQPS 006 Folha 2/3 53 RQPS 006 Folha 3/3