Influência do processo de corte via jato d'água abrasivo na qualidade de chapas de aço AISI 316L com canais unidas por difusão em estado sólido

Abstract

Em virtude dos desafios associados à exploração de petróleo em plataformas offshore, como espaço reduzido, elevada distância da costa e os altos custos de operação e manutenção, o uso de dispositivos de alta eficiência, confiabilidade e volume reduzido é essencial. Neste contexto, os trocadores de calor compactos (compact heat exchangers ? CHEs) destacam-se por apresentarem uma elevada razão de área de superfície de troca térmica por volume. Dada a quantidade de elementos a serem unidos e a complexidade geométrica destes trocadores, em especial na região interna onde contam com uma gama diversificada de formas e tamanhos de canais, o processo de união por difusão em estado sólido é o processo de fabricação mais adequado, uma vez que garante a integridade da união do trocador sem a presença de zona termicamente afetada (ZTA). Desta forma, o estudo dos processos envolvidos na manufatura destes trocadores é essencial para garantir a efetiva fabricação de dispositivos robustos e isentos de defeitos. O presente trabalho analisa a influência do processo de corte via jato d?água abrasivo na integridade de superfície de chapas de aço inoxidável 316L com canais e seu impacto na qualidade final da união. Para tal, delineou-se um planejamento experimental do tipo 2k fatorial em que foram variados os parâmetros de velocidade de avanço, pressão do jato e distância entre o bocal e a peça. As amostras fabricadas foram caracterizadas utilizando técnicas de interferometria ótica de luz branca, perfilometria, microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Posteriormente as condições de corte que apresentaram a pior e a melhor qualidade de acabamento foram selecionadas e dois blocos de 100 x 100 mm², simulando o núcleo de um trocador de calor compacto, foram fabricados pelo processo de união por difusão, dos quais foram retirados corpos de prova para caracterização microestrutural e ensaios de tração. Ao final do trabalho verificou-se que os impactos causados pelo processo de corte via jato d?água abrasivo concentram-se nas regiões adjacentes ao corte, de modo que na face de entrada do jato há a deterioração da textura e integridade de superfície das regiões próximas a borda dos canais, onde foram identificadas partículas abrasivas de Garnet incrustradas, formação de rebarba com tamanho médio de 31 µm e aumento nos parâmetros de superfície Sa, Sq, Sz e Pt. Na face de saída do jato identificou-se apenas a formação de rebarbas, cujo a altura média de 74 µm foi cerca de duas vezes maior que a observada na face de entrada, não sendo verificadas alterações significativas no acabamento de superfície das amostras. Estes impactos puderam ser minimizados com a correta seleção dos parâmetros de corte, em especial a redução da distância entre o bocal e a peça, permitindo a redução do tamanho médio da região afetada de 326 µm na pior condição observada para 149 µm na condição otimizada. Os blocos unidos apresentaram linhas de união com continuidade de material e grãos comuns as duas superfícies, indicativos da consolidação da união com boa qualidade. Estes resultados foram confirmados a partir dos ensaios de tração, os quais ultrapassaram os requisitos mínimos especificados em norma para o material de base, sendo observados valores próximos a 520 MPa de tensão máxima, 230 MPa de tensão de escoamento e 45% de alongamento em ambos os blocos. Entretanto, nas regiões com canais verificou-se um aumento significativo no comprimento e quantidade de defeitos nas linhas de união, indicativo de redução na qualidade da união, oriundos da degradação da textura e integridade de superfície próximo aos canais. Dada a pequena área afetada pelo corte em relação a área total de união, a qualidade final dos blocos nas regiões maciças não apresentou variações significativas em função dos parâmetros de corte utilizados. Contudo, regiões de área reduzida e/ou cortes com pequenas distâncias entre si, a exemplo das aletas dos canais onde a zona afetada pelo corte atingiu valores próximos a 40% da área a ser unida, são regiões críticas para o processo de união, visto a intensa degradação da superfície, presença de partículas abrasivas incrustadas e rebarba.

Abstract: Due to the challenges associated with oil exploration on offshore platforms, such as limited space, long distances to the shore, and high operation and maintenance costs, the use of devices with high efficiency, reliability and small volumes are essential. In this context, compact heat exchangers (CHEs) stand out for their high heat exchange area to volume ratio. Given the number of parts to be welded and the geometric complexity of these exchangers, especially in its internal structure which can be designed in a variety of channel shapes and sizes, the solid-state diffusion bonding process is the most suitable process for CHE?s manufacturing, ensuring the integrity of the welded exchanger without the presence of a heat affected zone (HAZ). Thus, the study of the processes involved in the manufacturing of these exchangers is essential to guarantee the fabrication of robust and defect-free devices. The present work analyzes the influence of the abrasive waterjet cutting process on the surface integrity of stainless steel 316L sheets with channels and its impact on the final quality of the weld. For this purpose, a 2k factorial experimental design was designed in which the parameters feed rate, jet pressure and stand-off distance were evaluated. The manufactured samples were characterized using white light optical interferometry, profilometry, optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) techniques. Subsequently, the cutting conditions that resulted in the best and worst surface quality were selected and two 100 x 100 mm² blocks, simulating the core of a compact heat exchanger, were fabricated by the diffusion bonding process, from which specimens were taken for microstructural characterization and tensile tests. At the end of the study, it was found that the impacts caused by the abrasive waterjet machining are concentrated in the regions adjacent to the cut. At the jet entrance face deterioration of the texture and integrity of the surface near the edge of the channels was observed, where embedded Garnet abrasive particles, burr formation with an average size of 31 µm and an increase in the surface parameters Sa, Sq, Sz and Pt were identified. On the jet exit face, only burr formation was identified, whose average height of 74 µm was about twice as large as that observed on the entry side, while no significant changes in the surface finish of the samples were observed. These impacts could be minimized with the correct selection of cutting parameters, especially the reduction of the stand-off distance, reducing the average size of the affected region from 326 µm in the worst observed condition to 149 µm in the optimized condition. The bonded blocks presented bond lines with continuity of material and grains common to both surfaces, indicating a good quality weld. These results were confirmed by the tensile tests, which exceeded the minimum requirements specified in the norm for the base material, with values close to 520 MPa of maximum tension, 230 MPa of yielding tension and 45% of elongation in both blocks. However, in the regions with channels there was a significant increase in the length and quantity of defects in the bond lines, indicating a reduction in the bond quality, resulting from the surface texture and integrity degradation near the channels. Given the small area affected by the cut in comparison to the total bond area, the final quality of the blocks in the massive regions did not present significant variations as a function of the cutting parameters used. However, regions with reduced area and/or cuts with small distances between them, such as the channels flanges, where the zone affected by the cut reached values close to 40% of the area to be welded, are critical regions for the diffusion bonding process, due to the presence of intense surface degradation, embedded abrasive particles and burr.