Viabilidade de soldagem por fricção orbital em tubos cladeados de aço API X65 e Inconel 625

Mar 25, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10669 (2023) Citar este artigo

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Uma correção do autor a este artigo foi publicada em 24 de julho de 2023

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A soldagem por fricção orbital (FSW) tem sido aplicada em tubos revestidos, o que certamente é de interesse para a indústria de petróleo e gás. Neste contexto, foi desenvolvido um sistema FSW capaz de realizar juntas sólidas em um passe com penetração total da ferramenta. O FSW orbital foi executado em tubos revestidos de aço API X65 PSL2 de 6 mm de espessura com Inconel 625 de 3 mm de espessura usando uma ferramenta de nitreto cúbico de boro policristalino (pcBN). As propriedades metalúrgicas e mecânicas das juntas foram investigadas. Foram obtidas juntas sólidas com forças axiais de 45–50 kN, velocidades de rotação da ferramenta de 400–500 rpm e velocidade de soldagem de 2 mm/s, ilustrando que o sistema desenvolvido pode realizar juntas FSW sem defeitos volumétricos.

Os principais desafios da indústria de petróleo e gás estão relacionados à exploração de poços profundos e ultraprofundos, que apresentam um ambiente agressivo com sal e gases como H2S e CO2. Nesse contexto, a utilização de tubos de aço carbono revestidos com liga resistente à corrosão (CRA) tem se mostrado uma opção adequada para atender aos requisitos de projeto com baixos custos de fabricação1,2,3. No entanto, a soldagem de dutos atualmente usada pela indústria de petróleo e gás, como a soldagem por fusão, geralmente envolve altas temperaturas e pode causar problemas metalúrgicos devido a juntas diferentes (por exemplo, tubos revestidos), resultando em rachaduras por solidificação, microestruturas duras no interface, altas tensões residuais de tração e difusão excessiva de carbono que podem comprometer o desempenho da junta4,5.

A soldagem por fricção orbital (FSW), um processo de união no estado sólido, é reconhecida como uma alternativa adequada que tem o potencial de minimizar os desafios normalmente encontrados na soldagem por fusão, uma vez que é realizada em temperatura mais baixa e tempo de processamento mais curto, o que resulta na redução do consumo de energia, evitando (ou minimizando) a maioria dos problemas acima mencionados6,7. O FSW utiliza a energia de atrito produzida entre os materiais a serem unidos e uma ferramenta rotativa não consumível. Duas abordagens são utilizadas no FSW orbital: na primeira, o tubo gira enquanto a ferramenta rotativa permanece estacionária; e no segundo, todo o cabeçote da ferramenta gira enquanto o tubo permanece estacionário8. Quanto ao FSW clássico, ocorrem deformações plásticas severas e fluxo de material ao longo do caminho de soldagem. Em suma, o material é transportado da frente da ferramenta até o bordo de fuga, posteriormente forjado, produzindo a junta9,10,11.

Embora o FSW seja aplicado com sucesso em chapas de diversos materiais, o FSW orbital envolve desafios a serem superados, uma vez que existem dificuldades associadas ao dispositivo de fixação8,12. Os desafios do FSW para juntas complexas e de formato circular foram revisados ​​recentemente por Senthil et al.8, onde o sistema de fixação foi um dos fatores mais significativos para o próprio processo de soldagem. Por exemplo, devido às elevadas forças durante a FSW, é necessário suporte interno dos tubos. Outra diferença na soldagem de tubos é o contato da ferramenta com as peças a serem unidas, por exemplo, dependendo do diâmetro do tubo, a curvatura do tubo resulta em um contato não completo do ressalto da ferramenta com a peça, influenciando assim o fluxo de material e a geração de calor12,13. Senthil et al.8 também apontaram que antes que o FSW possa ser considerado para união de tubos industriais, é essencial um profundo entendimento da influência do sistema de fixação.

No geral, apenas alguns estudos foram realizados sobre FSW orbital em dutos de aço usando diferentes abordagens para obter juntas sólidas. Feng et al.14 estudaram a soldagem FSW orbital de um aço API X65, onde soldas sólidas foram obtidas usando um sistema FSW portátil especialmente projetado. As juntas apresentaram resistência mecânica ligeiramente superior e resistência ao impacto superior ao material base (BM). Giorjao et al.15 realizaram FSW orbital em um tubo de aço inoxidável super duplex de 8 mm de espessura em modo de controle de força e penetração total da ferramenta. Os testes de dureza e tração mostraram aumento de dureza na zona de agitação (SZ) e falha no BM. No entanto, o FSW orbital em tubos revestidos é escasso, mas certamente necessário para aplicação industrial.