Residual stress analysis in AISI 347L steel coating welding on Cr-Mo steel using coordinate measurement method

Silva, Gleryston Thiago Gomes da; Hermenegildo, Tahiana Francisca da Conceição; Torres-López, Edwar Andrés; Santos, Tiago Felipe de Abreu; Urtiga Filho, Severino Leopoldino

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Sumário

Artigos • Matéria (Rio J.) 29 (1) • 2024 • https://doi.org/10.1590/1517-7076-RMAT-2023-0349 copy

Residual stress analysis in AISI 347L steel coating welding on Cr-Mo steel using coordinate measurement method

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ABSTRACT

This study evaluated the quality of AISI 347L stainless steel coating on Cr-Mo steel substrate produced by GMAW process, considering the influence of welding parameters and stress-relieving heat treatments. The Coordinated Point Displacement (CPD) method was used for residual stress analysis. Three (3) specimens with dimensions of 300 × 150 × 12.7 mm were fabricated with variations in shielding gas composition (100% Ar, 98% Ar + 2% CO₂, and 96% Ar + 4% CO₂), and post-weld heat treatments were performed following ASME BPVC VIII standard. Optical microscopy, macrographic examination, and hardness testing were performed to evaluate the microstructure of the coating. The results indicate that the stress-relieving heat treatments effectively reduce residual stresses and improve coating quality. Optical microscopy analysis revealed a homogeneous microstructure without cracks or porosity, indicating satisfactory performance of the GMAW process. These test results are important for qualifying the welding process and ensuring the quality of the coating in practical applications.

Keywords
GMAW; AISI 347L; Residual Stress; Displacement Coordinate Points Method (DCP)

Material	C	Mn	P	S	Si	Cr	Mo	Cu	Ni	V	Nb	J
2,25Cr-1Mo	0,10	0,44	0,011	0,006	0,17	2,25	0,91	0,01	0,01	–	–	67

MATERIAL	RESISTÊNCIA A TRAÇÃO (MPa)	LIMITE DE ESCOAMENTO (MPa)	ALONGAMENTO (%)	REDUÇÃO DE ÁREA (% mín.)	IMPACTO (J) – 46 ºC (média de 3)
2,25Cr-1Mo^* *(ASTM) [31].	515 a 690	310	18	45	54 (min)
2,25Cr-1Mo^ Valor mínimo definido pela norma.	632	486	25	52	345

Material	C	Mn	P	S	Si	Cr	Mo	Cu	Ni	Nb
ER 309L	0,01	1,63	0,02	0,001	0,80	23,05	0,11	0,11	13,87	0,01
ER 347Si	0,04	1,39	0,01	0,02	0,74	19,17	0,06	0,04	9,65	0,46

Revestimento	RV0	RV2	>RV4
Gás de proteção	100% Ar	Ar + 2%CO₂	Ar + 4%CO₂
Método de deposição^* *O método de deposição corresponde técnica para a aplicação dos depósitos e movimentação da poça de fusão.	Retilíneo/oscilante
Porcentagem de recobrimento	30% – 40%
Espessura do revestimento	3 mm (1^a camada)/6 mm (3^a camada)
Consumíveis utilizados:	1^a camada – AWS 309L 2^a/3^a camada – AWS 347Si

	TENSÃO (V)	VELOCIDADE DE ALIMENTAÇÃO (mm/s)	CORRENTE (A)	VELOCIDADE DE SOLDAGEM (mm/s)	AT (kJ/cm)
RV0	19,3	7,3	185	5,23	0,56
RV2			203	5,56	0,59
RV4			201	6,11	0,47

PARÂMETROS DE TRATAMENTO	1º CICLO		2º CICLO
PARÂMETROS DE TRATAMENTO	ESPECIFICADO	REALIZADO	ESPECIFICADO	REALIZADO
Gradiente durante Aquecimento (ºC/h máximo)	56 a partir de 300	50	56 a partir de 300	50
Temperatura de Patamar (ºC)	660	660	705	700
Duração do Patamar (minutos)	240	240	480	480
Gradiente de resfriamento (ºC/h máximo)	56 até 300	50	56 até 300	50

CAMADA	CORPO DE PROVA	QUANTIDADE DE FERRITA (MÉDIA %)	DESVIO PADRÃO (%)
1 (309L)	RV0	9,7	1,2
	RV2	7,8	1,2
	RV4	4,6	1,8
2 (347L)	RV0	7,1	1,1
	RV2	6,2	0,7
	RV4	5,6	0,7
3 (347L)	RV0	6,6	1,3
	RV2	6,1	1,0
	RV4	5,9	0,7

FURO	E/1–v²	(ε_x + vε_y)	(ε_y + vε_x)	σ_x (MPa)	σ_y (MPa)	σ_total (MPa)
1	226373,6	–0,0005029	–0,0025	–113,83	–565,70	518,24
2	226373,6	–0,0007856	–0,00317	–177,85	–717,47	647,14
3	226373,6	–0,0010133	–0,00456	–229,37	–1031,79	938,37
4	226373,6	–0,0009088	–0,00254	–205,72	–575,92	505,50
5	226373,6	–0,0009681	–0,00273	–219,15	–617,01	541,76
6	226373,6	–0,0011542	–0,00362	–261,28	–818,52	724,14
7	226373,6	–0,0010253	–0,00236	–232,09	–533,88	463,67
8	226373,6	–0,0011871	–0,00283	–268,72	–640,56	557,13
9	226373,6	–0,0013724	–0,00356	–310,68	–805,14	703,30
MB
10	226373,6264	0,0005516	0,000788089	124,88	178,40	158,57
11	226373,6264	–0,0000028	–0,000207243	–0,64	–6,91	46,60
12	226373,6264	–0,0001662	–0,000315661	–37,62	–71,46	61,91
13	226373,6264	–0,0001130	–0,000319517	–25,57	–72,33	63,53
14	226373,6264	–0,0001068	–0,000327669	–24,17	–74,18	65,52

FURO	E/1–v²	(ε_x + vε_y)	(ε_y + vε_x)	σ_x (MPa)	σ_y (MPa)	σ_total (MPa)
1	226373,6	–0,002266591	–0,00174	–513,10	–393,98	465,12
2	226373,6	–0,001306672	–0,00259	–295,80	–585,30	506,89
3	226373,6	–0,001598354	–0,00172	–361,83	–389,74	376,56
4	226373,6	–0,000443886	–0,00099	–100,48	–224,23	194,54
5	226373,6	–0,001339491	–0,00179	–303,23	–406,33	365,84
6	226373,6	–0,001387208	–0,00364	–314,03	–823,30	719,65
7	226373,6	–0,000181032	–0,00146	–40,98	–331,23	312,76
8	226373,6	–0,000429238	–0,00199	–97,17	–450,37	410,51
9	226373,6	–0,000694291	–0,00356	–157,17	–806,42	740,45
	MB
10	226373,6	0,000486573	–0,00048	110,15	–109,20	189,96
11	226373,6	0,000095778	–0,00011	21,68	–24,23	39,78
12	226373,6	–0,00037349	–0,00067	–84,55	–151,57	131,56
13	226373,6	–0,000445486	–0,00078	–100,85	–175,99	152,95
14	226373,6	0,001141819	0,000148	258,48	33,60	243,42

FURO	E/1–v²	(ε_x + vε_y)	(ε_y + vε_x)	σ_x (MPa)	σ_y (MPa)	σ_total (MPa)
1	226373,6	–0,002255899	–0,00251	–510,68	–569,02	542,21
2	226373,6	–0,002553672	–0,00311	–578,08	–703,45	649,90
3	226373,6	–0,002904166	–0,00477	–657,43	–1079,95	942,61
4	226373,6	–0,001079117	–0,00263	–244,28	–596,03	518,96
5	226373,6	–0,001152095	–0,00283	–260,80	–641,34	558,63
6	226373,6	–0,001284664	–0,00378	–290,81	–856,31	754,20
7	226373,6	–0,000419507	–0,00219	–94,97	–494,83	454,84
8	226373,6	–0,000754593	–0,00303	–170,82	–685,29	617,86
9	226373,6	–0,001052147	–0,00465	–238,18	–1053,45	956,86
MB
10	226373,6	0,000441826	–0,0007	100,02	–159,39	226,61
11	226373,6	8,8422E–05	–0,00016	20,02	–35,11	48,34
12	226373,6	–0,000445769	–0,00088	–100,91	–199,06	172,39
13	226373,6	–0,000533773	–0,00102	–120,83	–229,92	199,20
14	226373,6	0,001252698	0,000115	283,58	26,09	271,48

MATERIAL	TENSÃO RESIDUAL MÉDIA RESULTANTE (MPa)
MATERIAL	RV0	RV2	RV4
347L	622,14 ± 149,09	454,70 ± 179,75	666,23 ± 181,84
MB	79,23 ± 44,98	151,53 ± 75,51	183,60 ± 84,02

MATERIAL	DUREZA (HV_0.2/15)
MATERIAL	RV0	RV2	RV4
347L	227,3 ± 7,5	223,8 ± 9,1	225,5 ± 6,6
309L	193,0 ± 14,5	221,6 ± 6,6	196,8 ± 20,9
MB	178,6 ± 7,9	190,4 ± 11,0	176,9 ± 5,8

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[1] Autor Responsável: Tiago Felipe de Abreu Santos, e-mail: tiago.felipe@ufpe.br, gleryston.silva@ufpe.br, tahiana.francisca.056@ufrn.br, eandres.torres@udea.edu.co, severino.urtigafo@ufpe.br, jvaraujo@usp.br