Soldagem a laser Nd:YAG em chapa de aço inoxidável duplex sob lâmina de água

Abstract

This study aims to analyze the impact of water on the efficiency of wet LASER welding (Underwater LASER Welding). The research includes a literature review on the operation of the Nd:YAG LASER, the solidification process relevant to welding, possible discontinuities in the process, and previous studies conducted in this field. In the experimental part, the depth of the weld bead was quantitatively analyzed through optical microscopy in three samples of superduplex stainless steel UNS S32750: the first welded in dry conditions (P0), the second under 1 mm of water (P1), and the third under 3 mm of water (P3). The LASER was configured to emit 10 Joules of energy per 5 ms pulse, with a peak power of 2 kWp and a frequency of 9 Hz, at a welding speed of 1 mm/s and 90% pulse overlap in the “bead on plate” condition. Between P0 and P1, a reduction of 87% in weld bead depth was observed, and between P1 and P3, a further 20% reduction. In the second experiment, five samples were welded under dry conditions, 1 mm, 2 mm, 3 mm, and 5 mm of water, labeled W0, W1, W2, W3, and W5 respectively. These were welded under the same conditions as the initial experiment, but with 2 kWp pulses lasting 6 ms, resulting in 12 Joules per LASER pulse. Optical and scanning electron microscopy were also performed to determine the microstructure of the fusion zones, along with Vickers hardness tests, tensile tests, and pitting corrosion tests for all samples. As a result, W0 exhibited a weld bead depth of 1.79 mm, while W5 showed a depth of 0.46 mm. The presence of ferrite in the fusion zone increased proportionally with the water layer thickness, approximately 90.4% for W0 and 96.1% for W5, which led to an increase in the Vickers hardness of the weld joint, ranging from 358 Hv to 381 Hv. In the tensile test, W0, W1, and W2 fractured in the base metal at 845 MPa, while W3 and W5 fractured in the weld joint at 624 MPa and 435 MPa, respectively. This weakening is associated with the formation of significant voids in W3 and W5, as observed in macrographs. In the pitting corrosion test, W0 exhibited pitting initiation at 75 °C, while all other samples showed pitting at 65 °C. It is concluded that up to a 2 mm water layer, welding remains effective, as it still prevents plasma formation that absorbs the energy emitted by the equipment and compromises the integrity of the weld beads. Further studies can be conducted to explore the effects of varying other parameters such as LASER speed, frequency, and power, as well as the composition of the metal or water and the feasibility of creating a protective atmosphere.

O presente trabalho tem como objetivo realizar uma análise a fim de observar o impacto que a água possui na eficiência da soldagem a LASER úmida (Underwater LASER Welding). A pesquisa faz uma revisão de literatura a respeito do funcionamento do LASER Nd:YAG, o processo de solidificação relevante para a soldagem, as descontinuidades que podem ser observadas no processo e sobre as pesquisas realizadas anteriormente neste nicho. Na parte experimental, foi analisada quantitativamente por micrografia ótica a diferença na profundidade do cordão de solda em três amostras de aço superduplex UNS S32750, a primeira amostra soldada a seco (P0), a segunda soldada sob 1 mm de água (P1) e a terceira soldada sob 3 mm de água (P3). O LASER foi configurado para emitir 10 J de energia em cada pulso de 5 ms, com potência de pico de 2 kWp e 9 Hz de frequência em velocidade de solda de 1 mm/s com 90% de sobreposição de pulsos na condição “bead on plate”. Entre P0 e P1, foi observado uma diminuição em 87% na profundidade do cordão de solda e entre P1 e P3, 20%. Em um segundo experimento, 5 amostras soldadas à seco, 1 mm, 2 mm, 3 mm e 5 mm de água denominadas de W0, W1, W2, W3 e W5 respectivamente, foram soldadas nas mesmas condições do experimento inicial, porém em pulsos de 2 kWp de 6 ms, resultando em 12 J por pulso do laser. Também foram feitas microscopias óticas e eletrônicas de varredura para se determinar a microestrutura das zonas de fusão, ensaios de dureza Vickers, ensaios de tração e ensaios de corrosão por pite em todas as amostras. Como resultado, W0 exibiu um cordão de solda de 1,79 mm de profundidade e W5, um cordão de 0,46 mm de profundidade. A presença de ferrita na zona de fusão aumenta proporcionalmente com o tamanho da lâmina de água, cerca de 90,4% para W0 e 96,1% para W5, o que acarreta no aumento da dureza Vickers da junta de solda que varia de 358 Hv a 381 Hv. No ensaio de tração, W0, W1 e W2 romperam no metal base em 845 MPa, W3 e W5 romperam na junta soldada em 624 MPa e 435 MPa respectivamente, esta fragilização está relacionada com a formação de vazios significativos nas amostras W3 e W5 observados em macrografia. No ensaio de corrosão por pite, W0 exibiu formação de pite em 75°C, as demais amostras, em 65°C. Conclui-se que em até 2 mm de lâmina d’água, a solda se mostrou eficaz, pois ainda evita a formação de plasma que absorve a energia emitida pelo equipamento que comprometem a integridade dos cordões de solda. Estudos ainda podem ser realizados para explorar os efeitos causados pela mudança de outros parâmetros como a velocidade, frequência e potência do LASER, composição do metal ou da água e a viabilidade da criação de uma atmosfera protetora.