Caracterização de placas de aço inoxidável AISI 316L corrugadas e soldadas a laser

Abstract

Este trabalho trata da caracterização de corpos de prova retirados de uma estrutura interna soldada a laser de um trocador de calor casco-placa (Plate and Shell Heat Exchanger - PSHE) e propõe um tratamento térmico para alívio de tensões residuais (decorrentes dos processos de laminação e soldagem), cuja duração é de uma hora a 455 ? em forno mufla. O material do qual são fabricadas as placas é um aço inoxidável austenítico de baixo teor de carbono (AISI 316L). Por meio de técnicas de microscopia óptica e eletrônica de varredura, pontos de concentração de tensão, decorrentes do processo de capilaridade da zona fundida, foram observados na região de junta da solda. Após o processo de tratamento térmico, ocorreu a formação de carbetos de cromo, em pequena quantidade, principalmente na região de interface e metal solda. Na matriz austenítica do material base, houve redução nas marcas de laminação, além de maior definição dos contornos de grãos. Além do mais, após o processo térmico para alívio de tensões, verificou-se que há aumento no valor médio da dureza Vickers (de 186 GPa para 1,94 GPa) e na dureza média obtida por nanoindentação instrumentada (de 2,10 GPa para 2,42 GPa). Ainda, a média do módulo de elasticidade do material passou de 184,81 GPa para 199,17 GPa após o tratamento térmico. Alterações nas impressões obtidas pelo ensaio de risco, como desprendimento de material ao redor das trilhas, indicam um decréscimo na ductilidade do material após o tratamento, bem como um acréscimo na resistência à deformação plástica. Caracterizou-se também a estrutura soldada por meio de ensaios mecânicos de tração não convencionais antes e após o processo de tratamento térmico, obtendo um comportamento de maior resistência às solicitações mecânicas. Cabe ressaltar que novas geometrias de corpos de prova foram propostas para realização dos ensaios mecânicos de tração. O limite de resistência à tração da condição \"como recebida\", em que a linha do cordão de solda é perpendicular ao sentido de tração longitudinal, foi validado, confirmando a efetividade do ensaio proposto. Finalmente, por meio destas análises comparativas, entendeu-se que o tratamento térmico para alívio de tensões pode viabilizar melhorias no comportamento mecânico da estrutura de placas corrugadas e soldadas a laser de aço AISI 316L.

Abstract: This work addresses the characterization of specimens taken from an internal structure welded by laser of a Plate and Shell Heat Exchanger (PSHE) and proposes a thermal treatment to relieve residual stresses (due to the lamination and welding processes), whose duration is one hour at 455 ? in a muffle furnace. The material from which the plates are manufactured is a low carbon austenitic stainless steel (AISI 316L). Through optical and scanning electron microscopy techniques, stress concentration points, resulting from the capillary process of the molten zone, were observed in the weld joint region. After the heat treatment process, a small amount of chromium carbides was formed, mainly in the interface and weld metal region. In the austenitic matrix of the base material, there was a reduction in the rolling marks, in addition to a greater definition of grain boundaries. Furthermore, after the thermal process for stress relief, it was found that there is an increase in the mean value of Vickers hardness (from 186 GPa to 1.94 GPa) and in the mean hardness obtained by instrumented nanoindentation (from 2.10 GPa to 2.42 GPa). Also, the mean modulus of elasticity of the material went from 184.81 GPa to 199.17 GPa after heat treatment. Changes in the impressions obtained by the scratch test, such as material detachment around the tracks, indicate a decrease in the ductility of the material after treatment, as well as an increase in the resistance to plastic deformation. The welded structure was also characterized through non-conventional mechanical tensile tests before and after the heat treatment process, obtaining a behavior of greater resistance to mechanical stresses. It is noteworthy that new geometries of specimens were proposed to carry out the mechanical tensile tests. The tensile strength limit of the \"as-received\" condition, in which the weld bead line is perpendicular to the longitudinal tensile direction, was validated, confirming the effectiveness of the proposed test. Finally, through these comparative analyses, it was understood that the heat treatment for stress relief can enable improvements in the mechanical behavior of the structure of corrugated and laser welded plates of AISI 316L steel.