Influência do eletropolimento na união por difusão de chapas em aço inoxidável 316L

Abstract

Trocadores de calor compactos, comumente usados na indústria de óleo e gás, são dispositivos térmicos que promovem uma grande área de troca de calor por volume. A manufatura desses dispositivos é feita através do processo de união por difusão, um tipo de soldagem no estado sólido que ocorre com o empilhamento de chapas e promove a união das partes, empregando temperaturas abaixo das de fusão do material, com aplicação de pressão e tempo adequados. Neste contexto a superfície é de extrema importância, uma vez que, para haver uma soldagem efetiva, o contato entre as partes que serão unidas por difusão deve ser o maior possível. Assim, um acabamento de superfície que promova a diminuição na rugosidade é um potencial processo a ser aplicado antes da união por difusão. O eletropolimento se destaca como um processo de acabamento de superfície para reduzir a rugosidade através da dissolução anódica, com uma combinação de densidade de corrente e tempo adequados. Desse modo, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência dos principais parâmetros de eletropolimento na qualidade de superfície de chapas do aço AISI 316L eletropolidas bem como avaliar a influência do eletropolimento no processo de união por difusão de chapas empilhadas de aço AISI 316L. A partir de análises em interferometria óptica e microscopia eletrônica de varredura foi possível observar a evolução do eletropolimento nas diferentes condições de tempo e densidade de corrente. Foram analisadas as regiões de borda de usinagem e a topografia, sendo que a melhor combinação de parâmetros obtida foi o maior tempo (20 minutos) com a maior densidade de corrente (0,5 A/cm²), que promoveu a retirada de todo resquício do processo de usinagem, deixando a borda do canal arredondada e sem incrustações e promoveram a redução dos parâmetros de rugosidade, com reduções percentuais de 35% para rugosidade média, 55% para rugosidade média quadrática, 72% na diferença entre o pico mais elevado e o vale mais profundo, 54% em altura máxima de pico e 75% em profundidade máxima de vale. Essa combinação de parâmetros foi usada no eletropolimento de chapas que posteriormente passaram pelo processo de união por difusão. A interface de união, analisada em microscópio óptico apresentou continuidades da microestrutura ao longo da linha de união. As propriedades mecânicas atingiram valores mais altos que as da união por difusão de chapas sem eletropolimento, sendo que a tensão máxima apresentou valores entre 537 a 554 MPa para a condição eletropolida contra 495 a 498 MPa para sem eletropolimento, enquanto o alongamento atingiu valores entre 64 e 86% para o bloco com eletropolimento, mostrando um comportamento mais dúctil que o bloco com chapas sem eletropolimento, que apresentou um alongamento entre 33 e 34%.

Abstract: Compact heat exchangers, commonly used in the oil and gas industry, are thermal devices that provide a large heat exchange area per volume. The manufacture of these devices is done through the diffusion bonding process, a type of solid-state welding that occurs by the stacking of sheets, which are subjected to high temperatures below the material melting temperature, with the application of adequate pressure and time. In this context, the surface quality is extremely important, since, to have effective welding, the contact between parts to be joined by diffusion must be as large as possible. Thus, a surface finishing that promotes a roughness decrease is a potential process to be applied to improve the quality of the diffusion bonding. Electropolishing stands out as a surface finishing process to reduce roughness through anodic dissolution, with a proper combination of current density and time. Thus, the objective of this work is to evaluate the influence of the main electropolishing parameters on the surface integrity of electropolished AISI 316L stainless steel sheets as well as to evaluate the influence of the electropolishing process on the diffusion bonding process of stacked AISI 316L steel sheets. By optical interferometry and scanning electron microscopy analysis, it was possible to observe the electropolished surface evolution under different conditions of time and current density. Machining edge regions and surface topography were analyzed, and the best combination of parameters was: the longest time (20 minutes) with the highest current density (0.5 A/cm²). At these conditions, all remnants of the machining process were removed, leaving the edge of the channel rounded, without incrustations and promoting the reduction of roughness, with reduction of 35% for average roughness, 55% for squared average roughness, 72% for the difference between the highest peak and the deepest valley, 54% for the maximum peak height and 75% for the maximum valley depth. This combination of parameters was used in the electropolishing of plates that underwent the diffusion bonding process. The bonding interface, analyzed under an optical microscope, showed microstructure continuity along the bonding line. The mechanical properties reached values higher than those obtained for the diffusion bonding of sheets without electropolishing, the tensile strength presented values between 537 and 554 MPa for the electropolished condition against 495 a 498 MPa given for the condition without electropolishing, the elongation reached values between 64 and 86% for the sample with electropolishing (a more ductile behavior than the sample with plates without electropolishing) and an elongation between 33 and 34%.