Avaliação mecânica da solda e zona termicamente afetada de tubo de aço carbono de alta resistência soldado por indução de alta frequência

Abstract

Com as constantes evoluções tecnológicas de produtos que aplicam tubos de aço carbono, têm se tornado constante a procura por tubos fabricados a partir de aços com alta resistência, visando a redução no peso das estruturas. Os tubos são fabricados a partir de bobinas de aço, as quais são cortadas longitudinalmente em fitas para serem conformadas mecanicamente a frio, em linha de produção contínua por rolos. Após conformação mecânica, os tubos são soldados em um processo de solda por indução de alta frequência, em que o próprio material se funde e por pressão de aperto nas matrizes de solda é unido, gerando os tubos de aço carbono soldados por indução de alta frequência. Nesta pesquisa, seis condições de pressões de aperto nas matrizes de solda foram utilizadas a fim de gerar tubos com diferentes larguras médias de zona termicamente afetada, com o aço de grau S700 da Norma DIN EN 10149-2. Experimentalmente, as superfícies de amostras na região da solda foram visualizadas por estereoscópio, em que observou-se que o acréscimo na pressão de aperto nas matrizes de solda gera um decréscimo na largura média da zona termicamente afetada, apresentando um comportamento aproximadamente linear. E ainda, nessas amostras, para as diferentes condições de pressão de aperto, as regiões da solda compostas por metal base, zona termicamente afetada e linha de solda foram avaliadas com a medição da dureza Vickers, em que observou-se diferentes valores de dureza nas região avaliadas, sendo a zona termicamente afetada a região com os menores valores de dureza. Adicionalmente, para a avaliação mecânica de tubos por ensaios mecânicos de achatamento e expansão, corpos de prova foram retirados de tubos em função das seis pressões de aperto realizadas no processo produtivo, que geraram diferentes larguras médias de zona termicamente afetada. O percentual de expansão do diâmetro externo do tubo foi avaliado em função da largura média da zona termicamente afetada, sendo possível notar uma tendência de maior capacidade do tubo em expandir com menores larguras médias da zona termicamente afetada, e atingido um percentual médio de expansão de 27% para a quarta pressão de aperto. Com relação a conformação mecânica por achatamento, para a quinta pressão de aperto o tubo foi achatado até uma altura de 24,31 mm, sendo observada novamente uma tendência em maior capacidade de conformação antes do surgimento de trincas na região da solda, para menores larguras médias de zona termicamente afetada. Com o percentual de expansão e altura após achatamento, obtidos para a sexta pressão de aperto, ficou evidente que excesso de pressão de aperto nas matrizes de solda pode gerar trincas na região externa da solda e influenciar diretamente nos resultados dos ensaios mecânicos de achatamento e expansão, como verificado nos resultados dos ensaios e na análise metalográfica. Por fim, neste trabalho verificou-se que com o aumento da pressão de aperto nas matrizes de solda ocorre um decréscimo na largura média da zona termicamente afetada, influenciando diretamente no comportamento mecânico de tubos de aço carbono com aço S700 soldados por indução de alta frequência, quando submetidos aos ensaios mecânicos de expansão e achatamento.

Abstract: With the constant technological developments in products that use carbon steel tubes, the demand for tubes made from high-strength steels is constant, resulting in a reduction in the weight of structures. The tubes are manufactured from steel coils, which are cut lengthwise into strips to be mechanically cold formed, in a continuous roller production line. After mechanical forming, the tubes are welded in a high frequency induction welding process, in which the material itself melts and is joined by opening pressure in the welding dies, generating carbon steel tubes welded by high frequency induction. In this research, six opening pressure conditions in the welding dies were used in order to generate tubes with different average widths of the thermally affected zone, with steel grade S700 from DIN EN 10149-2. Experimentally, the sample surfaces in the weld region were visualized using a stereoscope, in which it was observed that the increase in opening pressure in the welding dies generates a decrease in the average width of the thermally affected zone, presenting an approximately linear behavior. Furthermore, in these samples, for different opening pressure conditions, the regions of the weld composed of metal base, thermally affected zone and weld line were evaluated by measuring Vickers hardness, in which different hardness values ??were observed in the regions evaluated, with the thermally affected zone being the region with the lowest hardness values. Furthermore, for the mechanical evaluation of tubes by mechanical flattening and expansion tests, test specimens were removed from tubes depending on the six opening pressures carried out in the production process, which generated different average widths of the thermally affected zone. The percentage of expansion of the tube's outside diameter was evaluated as a function of the average width of the thermally affected zone, making it possible to notice a tendency towards a greater capacity of the tube to expand with smaller average widths of the thermally affected zone, and reaching an average percentage of expansion of 27% for the fourth clamping pressure. Regarding mechanical forming by flattening, for the fifth clamping pressure the tube was flattened to a height of 24.31 mm, again observing a trend towards greater forming capacity before the appearance of cracks in the weld region, for smaller widths thermally affected zone averages. With the percentage of expansion and height after flattening, obtained for the sixth clamping pressure, it was evident that excess clamping pressure in the welding dies can generate cracks in the external region of the weld and directly influence the results of the mechanical flattening and expansion tests, as verified in the test results and metallographic analysis. Finally, in this work it was found that with an increase in clamping pressure in the welding dies, there is a decrease in the average width of the thermally affected zone, directly influencing the mechanical behavior of carbon steel tubes with S700 steel welded by high frequency induction, when subjected to mechanical expansion and flattening tests.