Especificações técnicas Vol.16

O consumíveis de soldagem TIG para os aços com elevada resistência a tração de 490 Mpa

1. Prefácio

Tabela 1: Lista de varetas TIG para os aços 490 MPa HT

Nome do produto	AWS A5.18	ASME F-No.	ASME A-No.
TG-S50	ER70S-G	6	1
TG-S51T	ER70S-6	6	1
NO65G	ER70S-2	6	1
TG-S70S2*	ER70S-2	6	1
TG-S70S3*	ER70S-3	6	1
Note: *= New Product

Os aços com elevada resistência a tração (HT) 490 MPa são comuns em uma vasta gama de campos industriais. Para a eficiência e a facilidade de soldagem, a soldagem por arco elétrico com gás de proteção (GMAW) ou a soldagem por arco com arame tubular (FCAW) são usadas geralmente, mas para a soldagem (unilateral) de passe de raiz de junta tubulação à tubulação onde os métodos de depósitos altos acima mencionados são problemáticos, a soldagem por arco de tungstênio de gás é aplicada na soldagem de todas as posições. O processo GTAW é igualmente apropriado para a soldagem dos membros críticos como tubulações, flanges dos centrais químicas porque produz os metais de solda de oxigênio extremamente baixo que oferecem elevada limpeza assim como alta qualidade.

Tabela 2: Especificações A5.18 de AWS nas química de varetas TIG (mass%)

Classificação	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Cu	Ti	Zr	Al
ER70S-2	0.07	0.40-0.70	0.90-1.40	0.025	0.035	0.15	0.15	0.15	0.03	0.50	0.05-0.15	0.02-0.12	0.05-0.15
ER70S-3	0.06-0.15	0.45-0.75									-	-	-
ER70S-6		0.80-1.15	1.40-1.85								-	-	-
ER70S-G	(not specified)
Nota: Os valores únicos são máximos.

Tabela 3: Especificações A5.18 de AWS para propriedades mecânicas de metais de solda

Classificação	Tension test			Teste de impacto
	TS (MPa)	YS (MPa)	EI (%)	Temp. de teste (°C)	Energia absorvida (J)
ER70S-2	490min	400min	22min	-30	27min
ER70S-3				-20
ER70S-6				-30
ER70S-G				Como concordado entre o fornecedor e o comprador

Kobe Steel fabrica as varetas TIG para os aços 490 MPa HT (veja a Tabela 1). As varetas FAMILIARCTM TG-S70S2 e FAMILARCTM TG-S70S3 foram recentemente desenvolvidas para responder melhor à procura do mercado. A Tabela 2 alista a química das varetas TIG (varetas de enchimento) e a Tabela 3 detalha as propriedades mecânicas dos metais de solda das especificações A5.18 de AWS. Este artigo discutirá as propriedades das varetas TIG de Kobe Steel na Tabela 1 em detalhe e sugerirá algumas dicas para melhores resultados de soldagem com o GTAW.

2. Propriedades de FAMILIARCTM TG-S50

TG-S50 é classificado como ER70S-G na especificação A5.18 de AWS. Contudo, é um tipo C-Si-Mn de vareta que exibe propriedades excelentes de resistência à tracção e de impacto para a soldagem GTAW dos aços 490 MPa HT. Fornece uma usabilidade superior com a fluidez de metal derretido e a molhadela da superfície de cordão de solda e pode ser aplicada não somente à soldagem de passe de raiz de juntas de tubulação, mas também para quase todas as juntas assim como as posições de soldagem. Foi a vareta GTAW a mais altamente reputada de Kobe Steel e foi adotada em uma vasta gama de aplicações.

O TG-S50 é bem adaptado para o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT), e de facto, submeteu-se a PWHT quando é aplicada aos membros estruturais de grande escala, tais como reactores químicos. Contudo, os usuários devem notar a condição PWHT recomendada de aproximadamente 625°C×5 horas (hr) porque o YS diminui durante o PWHT.

Tabela 4: Química típica do metal de solda (mass%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.17	0.76	1.43	0.011	0.015	0.20	0.01	0.02	<0.01	<0.01

Tabela 5: Propriedades mecânicas típicas do metal de solda

	Teste de tração na TA*			Absorbed energy (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C	0°C
As-welded	485	586	36	163 168 142	192 198 198	216 238 218	244 256 230
Note: *RT (Room Temperature) = Temperatura ambiente (TA)

A Tabela 4 mostra a química típica do metal de solda TG-S50, e a Tabela 5 indica as propriedades mecânicas típicas em condições "em estado bruto" e de PWHT (625°C × 5hr).A Figura 1 mostra as propriedades de resistência à tracção com relação às temperaturas de teste. O TS aumenta em uma gama de temperaturas de 200 - 350°C na condição "em estado bruto"; isto é sabido como o fenômeno de fragilidade azul.

A Figura 2 mostra a aparência de cordão de solda continua após a soldagem de passe de raiz na posição 1G por TG-S50 (diâmetro de 2,4 mm).　A configuração do sulco era de 60°V único, com uma folga original de 3,0-3,5 mm. As condições de soldagem eram de 110A-12V e sem protecção na parte de baixo do cordão ("back-shielding").

3. Propriedades de FAMILIARCTM TG-S51T

Como o TG-S50, o TG-S51T é um tipo de vareta C-Si-Mn, mas é equivalente à especificação A5.18 ER70S-6 de AWS. Com quantidades mais altas de C, Si e Mn, produz uns níveis mais altos de TS e YS do que o TG-S50; contudo, as propriedades de impacto do metal de solda TG-S51T são quase as mesmas que aquelas do TG-S50.

Similar ao TG-S50 em usabilidade, aparência de cordão e acessibilidade, o TG-S51T é usado igualmente através de uma vasta gama de aplicações.

Porque o metal de solda de TG-S51T retem suficientes propriedades de resistência à tracção dos aços HT MPa 490, mesmo durante uns períodos mais longos do processo PWHT, pode ser aplicado às juntas dos membros estruturais em grande escala que exigem o recozimento de alívio de tensão.

Tabela 6: Química típica do metal de solda (mass%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.11	0.82	1.55	0.011	0.012	0.20	0.01	0.01	<0.01	<0.01

Tabela 7: Propriedades mecânicas típicas do metal de solda

PWHT	L.M.P.*1 (×103)	Teste de tração na TA			Absorbed energy (J)
		YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-30°C
As-welded	-	523	621	35	168, 174, 160
625°C × 8hr	18.77	422	562	37	194, 176, 176
625°C × 14hr	18.99	414	550	37	188, 172, 191
625°C × 30hr	19.29	396	535	37	160, 178, 172
625°C × 45hr	19.44	382	524	38	184, 156, 158
Note: *1 L.M.P. = Larson-Miller Parameter

As Tabelas 6 e 7, e a Figura 3 mostram a química típica do metal de solda TG-S51T, as propriedades mecânicas típicas em condições "em estado bruto" e várias condições do processo PWHT e as propriedades de resistência à tracção com relação aos Parâmetros de Larson-Miller, respectivamente.

A Figura 4 mostra a aparência de cordão de solda continua na posição 1G. A configuração do sulco era de 60°V único, com uma folga original de 3,0-3,5mm. As condições de soldagem eram 110A-12V e sem protecção na parte de baixo do cordão ("back-shielding").

4. Propriedades de FAMILIARCTM No.65G

A vareta NO65G TIG, equivalente ao AWS A5.18 ER70S-2, contem menos teores de C, Si e Mn do que o TG-S50 ou o TG-S51T; em vez disso, Al, Ti e Zr são agregados especialmente. Estes elementos ajudam a diminuir a quantidade de oxigênio na poça de fusão, permitindo que o NO65G forneça um metal de solda com limpeza relativamente elevada. Por outro lado, é ligeiramente inferior ao TG-S50 ou ao TG-S51T em termos de fluidez do metal derretido, devido a que sua tensão de superfície aumenta quando o teor de oxigênio no metal derretido for diminuído.

Porque Al, Ti ou Zr são elementos com afinidade alta de oxigênio, a escória pode ser gerada na superfície do cordão depois que uma parte do elemento combina com o oxigênio no metal derretido durante a soldagem. Conseqüentementes, recomenda-se que o usuário tenha cuidado com os defeitos de solda, tais como aparência pobre do cordão ou inclusão de escória, que são causados pela escória.

Cada elemento químico na vareta NO65G é rigorosamente controlado para manter uma gama estreita dentro da especificação A5.18 ER70S-2 de AWS, de modo que possa atender aos mais rigorosos requisitos exigidos pelos clientes japoneses para as propriedades mecânicas nos projectos estruturais críticos.

Tabela 8: Química típica do metal de solda (mass%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Al	Ti	Zr
0.04	0.50	1.20	0.007	0.012	0.22	0.06	0.05	0.02

Tabela 9: Propriedades mecânicas típicas do metal de solda

	Teste de tração na TA			Absorbed energy (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C
As-welded	584	635	29	Av 165	Av 200	Av 215
625°C × 8hr	545	615	30	Av 138	Av 160	Av 175

As Tabelas 8 e 9 e a Figura 5 mostram a química típica do metal de solda NO65G, as propriedades mecânicas típicas em condições "em estado bruto" e de PWHT (625°C×8 horas), e as energias absorvidas com relação às temperaturas de teste, respectivamente.

As Figuras 6 e 7 mostram a aparência do cordão de frente depois do passe de raiz e do segundo passe e a aparência do cordão de solda continua após a soldagem de passe de raiz nas posições 1G e 3G (ascendente) pelo NO65G (diâmetro de 2,4 mm), respectivamente. As Figuras 8 e 9 mostram as macro-estruturas de soldagem de passe de raiz e do segundo passe nas posições 1G e 3G (ascendente), respectivamente. A configuração do sulco era de 60°V único, com uma folga original de 3,0-3,5 mm. As condições de soldagem eram 110A-12V para o passe de raiz sem "back-shielding" e 160A-13V para a soldagem de segundo passe, respectivamente.

5. Propriedades de FAMILIARCTM TG-S70S2

Como o NO65G, o TG-S70S2 é projectado para atender as especificações A5.18 ER70S-2 de AWS, embora tem algumas diferenças chaves. O TG-S70S2 é visado para um grupo comparativamente mais versátil de estruturas que caem sob as exigências das especificações A5.18 ER70S-2 de AWS, e suas químicas são mais largas do que aquelas do NO65G dentro das especificações ER70S-2.

Al, Ti e Zr, a geração aumentada de escória e as propriedades de impacto ligeiramente inferiores podem resultar em comparação com o NO65G, em que estes elementos são controlados mais rigorosamente. Umas quantidades mais altas de Al, Ti e Zr fazem que as propriedades de impacto comecem a flutuar.

Tabela 10: Química típica do metal de solda (mass%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Al	Ti	Zr
0.05	0.42	1.05	0.010	0.009	0.11	0.09	0.06	0.04

Tabela 11: Propriedades mecânicas típicas do metal de solda

	Teste de tração na TA			Absorbed energy (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C
As-welded	563	622	28	Av 125	Av 205	Av 247
625°C × 8hr	526	604	30	Av 107	Av 156	Av 180

As Tabelas 10 e 11, e a Figura 10 mostram a química típica do metal de solda TG-S70S2, as propriedades mecânicas típicas em condições "em estado bruto" e de PWHT (625 °C×8 horas), e as energias absorvidas com relação às temperaturas testadas, respectivamente.

A Figura 11 mostra a aparência do cordão de solda continua nas posições 1G e 3G (ascendente) pelo TG-S70S2 (diâmetro de 2,4 mm).

6. Propriedades de FAMILIARCTM TG-S70S3

O TG-S70S3 é o tipo C-Si-Mn de vareta, como o TG-S50 ou o TG-S51T, mas é projectado para atender às especificações de A5.18 ER70S-3 de AWS. Contudo, é projectado para conter umas mais baixas quantidades de C-Si-Mn do que TG-S50, tendo por resultado propriedades de resistência à tracção mais baixas do metal de solda. Conseqüentemente, o processo PWHT não é recomendado, mas somente para a condição "em estado bruto".

Tabela 12: Química típica do metal de solda (mass%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.10	0.53	1.11	0.010	0.015	0.13	0.01	0.02	<0.01	<0.01

Tabela 13: Propriedades mecânicas típicas do metal de solda

	Teste de tração na TA			Absorbed energy (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-20°C	0°C
As-welded	460	553	36	200 170 190	240 240 245	255 260 286

As Tabelas 12 e 13 mostram as química típicas e as propriedades mecânicas do metal de solda TG-S70S3 na condição "em estado bruto", respectivamente.

7. Comparação de propriedades de resistência à tracção

A Figura 12 compara as propriedades de resistência à tracção dos metais de solda por cinco varetas TIG que satisfazem os requisitos das especificações A5.18 de AWS.

Pode-se ver que a vareta com elevada resistência à tracção e tensão de ruptura é a NO65G, enquanto estas propriedades forem as mais baixas no TG-S70S3. Estas varetas são arranjadas em seqüência, em termos de propriedades de resistência à tracção como segue:

NO65G>TG-S70S2>TG-S51T>TG-S50>TG-S70S3

8. Dicas para melhores resultados de soldagem em GTAW

Uma vantagem de usar o processo de soldagem TIG para os aços do 490 MPa HT é a capacidade para obter o metal de solda com elevada limpeza devido ao baixo teor de oxigênio no metal de solda, ao utilizar o gás de protecção Ar 100% puro. Por outro lado, a dureza pode aumentar em zonas "em estado bruto" e em zonas não reaquecidas, como após o passe final na soldagem multicamada ou na soldagem em ângulo em passe único.

Quando o metal de solda de passe final de uma junta de tubulação com dureza aumentada está exposto, por exemplo, a uma ambiência enchida com hidro-sulfureto (H2S), o hidrogênio, tendo um raio atômico pequeno, difunde no metal de solda e pode aumentar o risco de rachaduras atrasadas.

Quando a soldagem TIG é aplicada às estruturas que estarão expostas a uma atmosfera que contem H2S, as seguintes dicas são recomendadas para evitar a dureza aumentada e impedir o rachamento atrasado:

(1) Impeça o endurecimento excessivo mantendo uma baixa velocidade de arrefecimento do metal de solda ao aplicar a entrada de calor elevado.
 (2) Impeça o endurecimento excessivo mantendo uma baixa velocidade de arrefecimento do metal de solda ao aplicar uma elevada temperatura de interpasse ou ao pré-aquecimento.
 (3) Forneça um metal de solda "em estado bruto" com reaquecimento pelo PWHT. (Este processo não será utilizado nos membros estruturais que serão deixados em uma condição "em estado bruto".)
 (4) É igualmente eficaz aplicar a FAMILIARCTM TG-S35.

Tabela 14: Classificações de AWS e de JIS do TG-S35

AWS A5.18	ASME F-No.	ASME A-No.	JIS Z3316
-	6	1	W35A0U 10

O TG-S35 é projectado ser usado para aços suaves com baixos TS e é somente limitado à solda de passe final. Não é classificada em A5.18 de AWS, mas no Padrão Industrial Japonês (JIS) Z3316 W35A0U 10 (Tabela 14).

Tabela 15: Química típica do metal de solda TG-S35 e especificação de JIS

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
TG-S35	0.01	0.02	0.44	0.012	0.008	0.17	0.01	0.01	<0.01	<0.01
JIS Z3316 W35A0U 10	0.02 max	0.20 max	0.70 max	0.025 max	0.025 max	0.50 max	0.15 max	0.15 max	0.10 max	0.05 max

A química típica do metal de solda TG-S35 e a especificação JIS da química de vareta são mostradas na Tabela 15.

Tabela 16: Propriedades mecânicas típicas do metal de solda TG-S35

	Teste de tração na TA			Absorbed energy (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-30°C	-20°C	0°C
TG-S35	335	405	37	36 46 32	154 132 136	212 226 228
JIS Z3316 W35A0U 10	250 min	350-450	22 min	0°C
				47J min

As propriedades mecânicas típicas do metal de solda TG-S35 e a especificação JIS das propriedades mecânicas ambas em condições "em estado bruto" são mostradas na Tabela 16.

Para a referência, o resultado de teste de dureza do metal de solda TG-S35 em comparação com o metal de solda TG-S50 é mostrado na Figura 13. A dureza foi medida segundo as indicações do desenho abaixo.

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