Posso soldar chapa de aço ASTM A387 Gr22 e 304 juntos?

A soldadura de aço dissimilar tem uma ampla aplicação no campo como a aeroespacial, a indústria petroquímica, a indústria de maquinaria. O aço dissimilar é realmente diferente na composição química, compatibilidade metalúrgica e propriedades físicas e etc., que surgirão da migração de elementos de liga, composição química desigual e organizações metalográficas no processo de soldadura, também podem produzir tensões térmicas e deformações ou fissuras na soldadura, o que reduzirá as propriedades mecânicas das juntas soldadas. Neste artigo, foi analisada a soldabilidade de juntas soldadas de aço dissimilares da ASTM A387 GR22 Chromoly steel plate e S30408 stainless steel plate, e foram seleccionados os métodos de soldadura apropriados, materiais de soldadura e parâmetros do processo de soldadura, bem como o tratamento térmico pós-soldadura.

Classificações	C	Si	Mn	Cr	Mo	Cu	Ni	N	P	S
A387 GR22	0.11	0.35	0.46	2.21	1.06	0.12	0.22	/	0.01	0.006
304	0.05	0.62	1.83	19.16	/	/	8.97	0.06	0.027	0.015

S30408 é um aço inoxidável austenítico comummente utilizado, ASTM A387 GR22 é um aço de baixa liga resistente ao calor com boa resistência a altas temperaturas e resistência ao hidrogénio, utilizado principalmente em reactores de instalações de hidrogenação e permutadores de calor e outros equipamentos. O crómio e o molibdénio podem melhorar significativamente a temperabilidade do aço, e , o metal de solda e a zona afectada pelo calor podem formar microestruturas sensíveis à fissuração a frio a uma taxa de arrefecimento específica. A fragilização progressiva ocorre quando o teor total de metais residuais perigosos excede o limite admissível de 350-550℃ durante longos períodos de operação. As principais dificuldades que temos de enfrentar são:

• Diluição da soldadura

O metal de soldadura é diluído pelo metal depositado durante o processo de soldadura. Forma-se uma camada de transição no metal de soldadura perto da zona de fusão num dos lados da placa de aço ASTM A387 GR22. A composição da camada de transição é diferente da do metal de soldadura. Quanto maior for o teor da liga do metal de base, maior é a relação de fusão e maior é a taxa de diluição. A camada de transição no lado ASTM A387 GR22 pode produzir uma estrutura de Martensite quebradiça devido à diluição.

• Migração de carbono

O crómio e átomos de carbono sob alta temperatura é fácil de formar compostos de carboneto de crómio, o lado da chapa de aço ASTM A387 Gr22 forma átomos de carbono da área de descarbonatação devido ao crómio pobre no processo de soldadura, por sua vez, amolecimento, grãos grosseiros, aumento da fragilidade, resistência à corrosão, e o lado S30408 para enriquecer os átomos de crómio e carbono para formar a migração da camada de descarbonatação, e endurecimento, granulometria e melhor desempenho.

• Tensão de soldadura

Devido à diferente condutividade térmica e coeficiente de expansão linear dos dois materiais, serão geradas tensões térmicas na zona de alta temperatura durante o processo de soldadura, que não podem ser eliminadas, resultando em tensões adicionais perto da zona de soldadura e fusão, e tensões residuais de soldadura geradas no processo de arrefecimento devido à retracção inconsistente, resultando em fissuras no lado da chapa de aço ASTM A387GR22.

Depois de conhecer os possíveis problemas, os materiais para esta experiência são placas de aço inoxidável ASTM A387GR22 e S30408, com especificações de 400mm×150mm×10mm. A composição química dos dois materiais é apresentada na tabela:

• Método de soldadura

A fim de reduzir a diluição das juntas de soldadura e evitar a fenda a frio e o reaquecimento da fenda, o material de soldadura de liga à base de níquel é revestido pela primeira vez no lado da ASTM A387GR22 durante a soldadura. São seleccionados métodos de soldadura com pequena relação de fusão e baixa taxa de diluição, tais como a soldadura por arco de tungsténio argônio e a soldadura por arco de eléctrodo. Nesta experiência, a soldadura por arco de árgon é utilizada como suporte e como método de soldadura da cobertura de soldadura por arco.

• Materiais de Soldadura

Eléctrodos à base de níquel e fios ERNiCr-3/ENiCr-3 são utilizados para bloquear a formação de carboneto pela grafitização do níquel, reduzir a camada de transição e evitar a geração de estrutura de martensita frágil, e inibir ainda mais a migração do carbono na chapa de aço ASTM A387GR22.

• Ranhura de soldadura

O tipo de ranhura de soldadura deve considerar o número de camadas de soldadura, a quantidade de metal de enchimento e a relação de fusão e a tensão residual de soldadura. O tipo e o tamanho da ranhura projectada são mostrados abaixo:

• Pré-aquecimento e controlo da temperatura entre camadas

A microestrutura de ASTM A387 GR22 é de bananite temperada e a de S30408 é de Austenite. A primeira tem endurecimento, tendência para reaquecer fendas e fragilidade temperada, enquanto a segunda tem boa soldabilidade. De acordo com a composição química, forma da junta, método de soldadura e material de soldadura dos materiais, determinámos que a temperatura de pré-aquecimento era cerca de 200℃, e a temperatura entre as passagens de soldadura estava dentro de 100℃. Após a soldadura, o tratamento térmico foi realizado imediatamente em 350℃×2h.

• Parâmetro do processo de soldadura

Camada de soldadura	Métodos de soldadura	Arames de soldadura	Eléctrodo de soldadura	Corrente de soldadura I/A	Pressão de soldadura U/V	Velocidade de soldadura v/cm
Surfacing	SMAW	ERNiCr-3, 4.0mm	DCEP	140-160	23-26	16-20
Soldadura por pontos/1	GTAW	ERNiCr-3, 2.4mm	DCSP	120-150	13-15	8-10
2-fim	SMAW	ERNiCr-3, 4.0mm	DCEP	140-160	23-26	16-20

Antes de soldar, limpar a camada de óxido, óleo, humidade, ferrugem, etc. dentro de 200mm da ranhura e de ambos os lados da placa de aço. Os parâmetros específicos do processo de soldadura são mostrados na tabela.

• Tratamento térmico de alívio de tensões pós-soldadura

O tratamento térmico de alívio de tensões após a soldadura é um processo importante para evitar fissuras na soldadura. Grandes tensões residuais de soldadura serão geradas durante a soldadura, pelo que é necessário um tratamento térmico de 690±10℃×2h após a soldadura para eliminar a tensão residual de soldadura e evitar a geração de fissuras.

• Resultados e análise

Realizámos uma inspecção de aparência na chapa de aço de acordo com a norma de avaliação de soldadura para equipamento de suporte de pressão, e verificámos que não havia defeitos tais como poros, inclusão de escória e fissuras na superfície. Em seguida, realizámos a inspecção radiográfica 100% e testes de propriedades mecânicas, tais como tracção, flexão e impacto. Os resultados dos ensaios são apresentados na tabela.

Item	Largura/mm	Thickness/mm	CSA/mm²	Carga máxima	Resistência à tracção
I1	20.30	39.72	806.3	507.12	625 Mpa
I2	20.28	39.78	806.7	482.83	600 Mpa

Número da amostra	Tipo de curva	Thickness/mm	Diâmetro de curva	Ângulo de curvatura	Resultados
C1	Flexão lateral	10	D=40 mm	180°	Qualificado
C2	Flexão lateral	10	D=40 mm	180°	Qualificado
C3	Flexão lateral	10	D=40 mm	180°	Qualificado

Número da amostra	Tamanho da amostra mm	Posição de disparidade	Temperatura de teste	Absorção de energia/Akv de impacto
R1	10*10*55	A387 GR22 lado	0℃	152
R2	10*10*55	A387 GR22 lado	0℃	176
R3	10*10*55	A387 GR22 lado	0℃	122

A partir dos dados acima, pode-se ver que os ensaios de tracção, flexão e impacto são todos qualificados, indicando que o nosso plano de processo de soldadura é qualificado, a soldadura de chapas de aço de material diferente entre ASTM A387 Grau 22 e 304 são perfeitamente viáveis.