Conhecimento Técnico
Ensaios Mecânicos em Juntas Soldadas de Lean Duplex: Tração, Dobramento e Impacto Charpy
A Importância da Caracterização Mecânica
Na engenharia de soldagem, a qualificação de um procedimento de soldagem (EPS/RQPS) exige comprovação empírica de que a junta soldada possui propriedades mecânicas compatíveis com o metal de base. Para validar o comportamento de juntas de Aço Inoxidável Lean Duplex S32101, uma bateria completa de ensaios mecânicos destrutivos é realizada, analisando tração, dobramento, impacto e dureza.
A seguir, analisamos os resultados desses ensaios comparando as juntas soldadas pelo processo TIG Convencional (GTAW) e TIG Dupla Fusão (GTAW-DF).
1. Ensaio de Tração: Onde ocorre a ruptura?
O ensaio de tração mede a resistência limite do conjunto soldado. Para que o procedimento de soldagem seja aprovado pelas normas de qualificação (como a ASME Seção IX), a ruptura do corpo de prova sob tensão deve ocorrer preferencialmente no Metal de Base (MB) ou, caso ocorra na solda, deve atingir o limite mínimo especificado para o metal de base (~700 MPa para o S32101).
Abaixo, vemos o gráfico comparativo de tensão de engenharia x deformação obtido para ambos os processos:
- Resultados obtidos: Ambas as juntas (GTAW e GTAW-DF) romperam de forma dúctil no Metal de Base.
- O limite de resistência obtido foi de aproximadamente 710 MPa, comprovando que a eficiência de junta de ambos os processos de soldagem é de 100%, sem perda de resistência na zona fundida.
2. Ensaio de Dobramento: Avaliação de Ductilidade e Sanidade
O ensaio de dobramento guiado submete as fibras da solda (face e raiz) a deformações severas de tração e compressão. Ele é o ensaio mais sensível para detectar falta de fusão, porosidades internas ou fragilização metalúrgica.
Abaixo, vemos a fotografia do aparato de execução real do ensaio de dobramento em nosso laboratório:
E o desenho esquemático do dimensional dos corpos de prova adotado para este estudo:
A comparação direta dos corpos de prova após o ensaio revelou diferenças cruciais:
- TIG Convencional (GTAW): Apresentou pequenas trincas de abertura na raiz durante o dobramento (conforme mostrado na imagem abaixo). Essas descontinuidades estão diretamente relacionadas a pequenas porosidades e falta de penetração na raiz causadas pelo processo multipasse manual.
- TIG Dupla Fusão (GTAW-DF): Obteve aprovação total, sem nenhuma abertura de trincas na face ou na raiz (conforme mostrado na imagem abaixo). A fusão contínua promovida pelas duas tochas sincronizadas garantiu uma raiz perfeitamente fundida, sã e dúctil.
3. Ensaio de Impacto Charpy: Tenacidade sob Condições Extremas
O ensaio Charpy avalia a tenacidade ao impacto (capacidade de absorver energia antes de fraturar) das diferentes regiões da junta: Metal de Base (MB), Zona Afetada pelo Calor (ZAC) e Metal de Solda (MS). As amostras são comumente testadas a temperaturas baixas (como -40 °C ou -20 °C) para garantir que a junta não sofra fratura frágil em operação.
- Metal de Solda (MS): Devido à utilização do consumível ER2209 (sobreligado com Ni), o metal de solda apresentou excelentes valores de energia absorvida (~70 J).
- ZAC: A ZAC do processo GTAW-DF registrou valores de impacto médios ligeiramente superiores ou equivalentes aos da ZAC do GTAW convencional. Isso prova que, apesar do segundo arco elétrico (segundo aporte de calor), a ZAC não sofreu superaquecimento prejudicial ou crescimento excessivo de grão que causasse fragilização.
Abaixo, podemos ver o gráfico comparativo da energia absorvida no ensaio de impacto Charpy (em Joules) a -40 °C, tanto para a Zona Afetada pelo Calor (ZAC) quanto para o Metal de Solda (MS) de ambos os processos:
4. Ensaio de Dureza Vickers: Microestrutura sob Pressão
O perfil de microdureza Vickers ($HV_{0.2}$) é crucial para detectar picos de dureza que indicam fases frágeis ou zonas de amolecimento excessivo na junta. As medições cruzaram o Metal de Base (MB), a Zona Afetada pelo Calor (ZAC) e o Metal de Solda (MS).
Abaixo, o gráfico combinando os valores medidos ao longo de toda a junta soldada para ambos os processos (GTAW Convencional e GTAW-DF):
- Análise dos resultados: A dureza média no metal de solda (~260 HV) e na ZAC (~250 HV) manteve-se perfeitamente compatível com o metal de base (cerca de 240 HV). A ausência de picos anômalos de dureza confirma que não houve formação severa de precipitados duros e frágeis, validando a sanidade térmica da solda.
Conclusões para Engenharia de Projetos
Os ensaios mecânicos revelam que o processo TIG Dupla Fusão (GTAW-DF) não apenas atende a todos os requisitos rigorosos de qualificação mecânica, mas supera o TIG convencional em termos de sanidade física da raiz e ductilidade sob flexão. Trata-se de uma tecnologia de alta confiabilidade estrutural para vasos de pressão e tubulações industriais pesadas em aços duplex.