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Metalurgia da soldagem: Conceitos

Todos direitos reservados. Qualquer parte desta obra pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. Livro Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1a ed. 1997.


Metalurgia da soldagem: Conceitos

Soldabilidade

A soldagem envolve aquecimento, fusão, solidificação e resfriamento de um material ou de diversos materiais, dependendo da aplicação do componente soldado. Assim, as transformações que ocorrem no aquecimento, as fases formadas durante a fusão, a solidificação e as transformações que ocorrem no resfriamento determinam o desempenho da junta soldada. Em outras palavras, a metalurgia da soldagem está intimamente ligada à qualidade da junta soldada, bem como ao conceito de soldabilidade.

Por soldabilidade entende-se a facilidade com que uma junta soldada é fabricada de tal maneira que preencha os requisitos de um projeto bem executado. Para facilitar a compreensão, é possível desdobrar o conceito de soldabilidade em soldabilidade operacional, soldabilidade metalúrgica e soldabilidade em serviço.

soldabilidade operacional

A soldabilidade operacional diz respeito diretamente à facilidade de execução da junta. Esta, por sua vez, está associada às particularidades do processo de soldagem, à habilidade do soldador e às características do material a ser soldado.

Com relação às particularidades de processos, por exemplo, tem-se que no processo TIG a soldagem pode ocorrer em todas as posições enquanto no processo MIG a posição fica sujeita à regulagem dos parâmetros no equipamento.

A regulagem mal feita no processo MIG pode acarretar descontinuidades e comprometer o desempenho da junta soldada. Se, além da posição de soldagem, houver restrição de acesso à junta soldada, tanto o processo TIG quanto o MIG podem deixar de ser adequados. Neste caso, e conforme a qualidade requerida da junta, é recomendada a utilização do processo de soldagem com eletrodo revestido.

Com relação às características do material a ser soldado, é sabido que certos materiais requerem uma preparação mais cuidadosa no momento da soldagem. Neste caso estão incluídos o alumínio e suas ligas. Com efeito, estes são materiais para os quais é necessário proceder à limpeza da junta antes da soldagem, caso contrário a qualidade da junta soldada poderá ser seriamente comprometida.

A condutividade térmica também influi na soldabilidade. A soldagem do cobre, por exemplo, que apresenta alta condutividade térmica, exige cuidados como o pré-aquecimento em temperaturas na faixa de 500°C a 700°C.

soldabilidade metalúrgica

A soldabilidade metalúrgica envolve transformações de fase que ocorrem no aquecimento, na fusão, na solidificação e no resfriamento. Está associada com a natureza do material e com a transferência de calor na junta soldada e também pode afetar o desempenho da junta soldada. A soldabilidade metalúrgica é a que mais diz respeito à metalurgia da soldagem.

Estão relacionados à soldabilidade metalúrgica: o aquecimento mais intenso e crescimento de grão na região soldada; as incompatibilidades entre materiais; a microssegregação durante a solidificação; as transformações de fase na ZAC e na zona fundida.

O aquecimento mais intenso na região soldada da junta pode promover o crescimento de grão na ZAC. Dependendo dos parâmetros de soldagem, este fenômeno é bastante comum em aços inoxidáveis ferríticos e afeta tanto as propriedades mecânicas à tração como a tenacidade da junta soldada. Também é comum em aços inoxidáveis ferríticos a zona fundida apresentar crescimento de grão.

No caso de soldagem de materiais dissimilares, podem ocorrfer incompatibilidades entre os materiais, quando houver a fusão da junta; como exemplo, podem- se citar as juntas de aço carbono com ligas de alumínio. Estas juntas são normalmente executadas por processos de soldagem no estado sólido, justamente para contornar a formação de fases intermetálicas ricas em ferro (Fe) e alumínio (Al). As fases intermetálicas Fe-AI provocam a fragilização da junta quando soldada por processos que envolvem a fusão da junta.

A microssegregação no líquido é um tipo de fenômeno bastante comum em aços inoxidáveis austeníticos, ligas de alumínio e ligas de níquel. Ocorre durante a solidificação e diminui localmente o ponto de fusão do líquido remanescente. Neste caso, o cordão apresenta-se macroscopicamente solidificado, porém microscopicamente com fases líquidas nas regiões interdendríticas. Esse fato, associado à presença de tensões residuais de tração, pode gerar o aparecimento de trincas a quente no cordão de solda, entre cordões na soldagem multipasse ou na zona de ligação.

a soldabilidade metalúrgica pode-se apresentar com diferentes características, dependendo do material

As transformações de fase na ZAC e na zona fundida podem ocorrer durante o resfriamento e induzir à fragilização da junta. Dessa maneira, tanto o resfriamento lento como o resfriamento rápido podem prejudicar o desempenho da junta soldada, a depender da natureza do material que está sendo soldado.

No caso da soldagem de aços inoxidáveis austeníticos ou ferríticos, o resfriamento muito lento pode ocasionar a precipitação de carbetos de cromo nos contornos de grão. Em ambos os materiais, a resistência à corrosão e a tenacidade da junta podem ser prejudicadas, e por isso recomenda-se um resfriamento rápido na faixa de temperatura de 850°C a 600°C. Já para os aços carbono com temperabilidade elevada, o resfriamento rápido é extremamente nocivo, pois pode ocorrer a formação de um microconstituinte, a martensita, tanto na zona fundida como na zona afetada pelo calor.

A martensita, associada à presença de hidrogênio e tensões residuais de tração, gera um dos tipos mais perigosos de descontinuidade: a trinca a frio induzida por hidrogênio. Esta trinca é pequena, difícil de ser detectada e pode gerar desastres bastante sérios tanto para o meio ambiente quanto para vidas humanas. Por esta razão, é fundamental que a ocorrência desse tipo de trinca seja minimizada.

soldabilidade em serviço

A soldabilidade em serviço diz respeito ao desempenho e à vida útil do equipamento soldado. Está associada tanto à escolha do metal de base e de adição para a soldagem da junta quanto à escolha do procedimento de soldagem, tais como parâmetros de soldagem, temperatura de pré-aquecimento, temperatura interpasse, temperatura de pós-aquecimento, tratamento térmico pós-soldagem e outros.

Se o projeto e a fabricação forem bem executados, a soldabilidade não tem razão de existir. O equipamento terá vida útil dentro do projetado e dificilmente falhará em serviço. Assim, a soldabilidade em serviço é mais uma dificuldade da falta de identificação precisa dos fenômenos e condições envolvidos no projeto e na utilização do componente soldado.

Um exemplo de soldabilidade em serviço diz respeito ao aço inoxidável AISI 316L (Cr-Ni-Mo). Se este aço for soldado com uma adição de ER 308 (Cr-Ni), dificilmente apresentará problema durante a execução da soldagem, apesar de a adição indicada para este aço ser o ER 316L. Contudo, a junta terá vida bastante abreviada caso o requisito do projeto seja resistência à corrosão. Este fato é devido a que o aço AISI 316L é mais nobre que o metal de adição ER 308L. Desta maneira, dar- se-á a formação de um par galvânico entre o metal de base e o metal de adição e, conseqüentemente, a presença de corrosão por par galvânico.

Outro exemplo é o da junta dissimilar submetida a ciclos de aquecimento e resfriamento, que pode apresentar fadiga térmica. Trata-se de um problema que pode ocorrer quando se amanteigam as faces do chanfro com material que compatibiliza os materiais da junta solda. Neste caso, o coeficiente de dilatação térmica dos materiais utilizados deve ser compatibilizado para evitar uma falha prematura da junta em serviço. Desta maneira, os valores de tensão gerados podem ser bastante elevados, dependendo da diferença entre os coeficientes de dilatação térmica linear dos diferentes materiais e da variação de temperatura.

O terceiro exemplo é o do tratamento térmico pós- soldagem, que tem a função de aliviar as tensões residuais introduzidas durante o processo de soldagem. A presença de tensões residuais de tração pode gerar falhas prematuras dos componentes, as quais são associadas, por exemplo, à corrosão-sob-tensão ou à fadiga da junta soldada. Neste caso, o alívio de tensões deve ser executado, por mais difícil que a tarefa possa ser ou pelo acréscimo que isto pode trazer no custo das operações adicionais.

Metalurgia da soldagem: Transferência de calor

Sérgio Duarte Brandi

História térmica da soldagem

            Por história térmica entende-se a evolução de temperatura para um dado material e procedimento de soldagem, tanto em função do tempo quanto da distância ao centro do cordão de solda. Assim, a história térmica abrange tanto a repartição térmica quanto o ciclo térmico de soldagem.

repartição térmica

            A repartição térmica é representada pela máxima temperatura atingida em cada ponto, em função da distância deste ponto ao centro do cordão de solda. Ela está associada basicamente à extensão da zona afetada pelo calor. Esta, por sua vez, é determinada pela mínima temperatura (TZAC), que afeta a microestrutura e/ou as propriedades do metal de base.

repartição térmica TIG e MIG

            A diferença entre a repartição térmica do processo TIG e a do MIG está no fato que, no processo TIG, a vareta entra fria na região do arco e absorve um pouco do calor gerado pelo processo. Já no processo MIG, o arame é aquecido por efeito Joule, antes de ser fundido.

            Comparando-se os dois processos, TIG e MIG, com a soldagem com eletrodo revestido, percebe-se que as eficiências térmicas dos processos TIG e MIG são inferiores às do processo com eletrodo revestido; a explicação está na perda de calor que, nos processos TIG e MIG, ocorre através do bico de contato feito de cobre e do fluxo de gás de proteção, o qual se encontra em uma temperatura bem abaixo da temperatura do arco elétrico. Já o eletrodo revestido perde energia por meio da fusão do revestimento e do aquecimento da alma metálica. Esta perda de energia é bastante inferior à ocorrida nos processos TIG e MIG.

ciclo térmico

O ciclo térmico de soldagem é o lugar geométrico dos pontos de variação da temperatura em função do tempo, em uma distância fixa a partir do centro do cordão.

O ciclo térmico está relacionado às transformações de fase que ocorrem durante o resfriamento da junta soldada. A tangente em uma dada temperatura crítica (Tc) determina a velocidade de resfriamento (R) na mesma temperatura.


diferenças entre repartição térmica e ciclo térmico

            A repartição térmica e o ciclo térmico de soldagem são funções das propriedades físicas do material, geometria da junta e procedimento de soldagem. Contudo há diferenças entre eles. Na repartição térmica trabalha- se com a máxima temperatura atingida durante a soldagem em função da distância. Já no ciclo térmico utiliza-se a temperatura e não a temperatura máxima. Assim, para um dado material e condição de soldagem, existe apenas uma repartição térmica, mas infinitos ciclos térmicos de soldagem.

A repartição térmica e o ciclo térmico estão relacionados no espaço tridimensional, ou 3-D. Sempre que for definida uma repartição térmica, automaticamente são definidos também os ciclos térmicos de soldagem. Isto significa que tanto a extensão da ZAC como a sua microestrutura estão determinadas para um dado material e parâmetros de soldagem.

energia de soldagem

Energia de soldagem (E) é a energia introduzida o metal de base por unidade de comprimento do cordão de solda. A energia de soldagem é calculada por meio de uma equação na qual o produto V.I tem unidade de potência e está relacionado com a energia elétrica produzida no arco elétrico pelo equipamento de soldagem.

De acordo com a própria definição de energia de soldagem, a energia elétrica produzida pelo arco deve ser corrigida para a energia térmica que efetivamente foi introduzida na peça. A fração de energia térmica perdida é função das particularidades de cada processo de soldagem. Por isso, para corrigir a energia de soldagem é definido o adimensional η que é chamado eficiência térmica do processo de soldagem.

eficiência térmica

A eficiência térmica característica de cada processo de soldagem é vista no quadro.

Uma eficiência térmica bastante baixa é a dos processos de soldagem e corte a laser e feixe de elétrons. Na soldagem a laser, por exemplo, ocorrem perdas por refrigeração nos espelhos refletores do feixe, tanto na cavidade quanto na transmissão do feixe de laser para soldagem ou corte. O valor da eficiência térmica deste processo deixa uma dúvida: como um processo com eficiência térmica tão baixa tem uma velocidade de soldagem e corte tão elevada? A resposta está na potência específica do processo.

potência especifica

Potência específica é a potência disponível por unidade de área da fonte de calor. Quanto maior for a potência específica, mais concentrada é a fonte de calor e mais eficiente é a fusão localizada. O quadro mostra potência específica de alguns processos de soldagem.

Apesar de os processos laser e feixe de elétrons terem eficiências térmicas baixas, suas potências específicas são bastante elevadas. Este fato é devido a uma área pequena de incidência do feixe, de 0,1 mm aproximadamente, comparada com 5 a 10mm para os processos de soldagem a arco elétrico. Em outras palavras, a potência específica do processo é uma medida da concentração de calor por unidade de área.

Tanto a eficiência térmica quanto a potência específica do processo determinam a repartição térmica durante a soldagem por um dado processo. Dessa maneira, processos com potência específica elevada apresentam uma zona afetada pelo calor mais estreita e velocidades de resfriamento bastante elevadas. Já o comprimento da zona fundida (ZF) e o da ZAC são diferentes para os diversos processos de soldagem, sendo que a espessura da chapa influi tanto na largura da ZF como na da ZAC.

Conceito de chapa

Em soldagem, o conceito de chapa fina ou grossa não está relacionado apenas à espessura da chapa. Assim, uma chapa de 100mm tida como chapa grossa para o processo TIG, pode ser considerada como chapa fina para o processo de soldagem por eletroescória.

chapa fina

O conceito de chapa fina está relacionado a um escoamento de calor bidimensional em uma junta. Isto significa que as isotermas ao longo da espessura da chapa são linhas retas paralelas e perpendiculares à superfície da chapa.

chapa grossa

Uma chapa é grossa quando envolve um escoamento de calor tridimensional em uma junta. As isotermas ao longo da espessura da chapa são círculos concêntricos com origem na fonte de calor.

É interessante observar, nas chapas fina e grossa, o formato da fonte de calor e das isotermas ao longo da espessura da chapa. Também sâo ressaltadas as direções de escoamento de calor ao longo das chapas.

Para saber com precisão se a espessura de uma chapa em questão é classificada como chapa fina ou grossa, basta utilizar o adimensional – desenvolvido por Adams, e aplicá-lo na fórmula. O adimensional dá um critério aproximado de classificação das chapas; para chapa fina o adimensional t é igual ou menor que 0,75; para chapa grossa, é maior que 0,75.

Tome-se como exemplo uma chapa de 10mm de espessura de aço carbono, na temperatura ambiente de 25°C soldada pelos processos TIG e M AG e com energias de soldagem de 400J/mm no caso de processo TIG e 700J/mm no caso de MAG. Sabendo que pC é igual a 4,44.106J/m3K e Tc igual a 550°C, é possível calcular 7 para os dois processos, bem como classificar as chapas.

Substituindo-se os valores dados e compatibilizando as unidades de medida, encontra-se o resultado 0,76, que classifica a chapa como grossa no caso de processo TIG; e o resultado 0,54, que classifica a chapa como fina no processo MAG.

Observa-se então que, dependendo dos parâmetros de soldagem, das constantes físicas e da temperatura de pré-aquecimento, uma chapa que à primeira vista pode ser classificada como grossa, pode ser na realidade fina para uma dada condição de soldagem.

A classificação de chapa fina e chapa grossa está relacionada com os modos de transferência de calor bi e tridimensional. Isso significa que quanto mais caminhos houver para o calor escoar, maior será a velocidade de resfriamento da junta soldada. Assim, é importante saber se a chapa é fina ou grossa para calcular a velocidade de resfriamento. Pode-se desejar o resfriamento lento ou rápido da chapa em função da transformaçção da fase ocorrida da ZF e na ZAC do material.

Velocidade de resfriamento

Na soldagem, ao contrário do que ocorre com o tratamento térmico, o aquecimento é localizado. Isso resulta que chapas grossas resfriam mais rápido que chapas finas. Pode-se desejar o resfriamento lento ou rápido da chapa em função da transformação de fase ocorrida. A velocidade de resfriamento pode ser calculada por meio das inúmeras soluções das equações de transferência de calor. Uma delas é a solução simplificada proposta por Adams para chapas grossa e fina.

No caso da chapa grossa, a velocidade de resfriamento (R) no centro do cordão em uma chapa grossa é dada por uma equação chamada de equação de Adams para chapa grossa.

Já no caso da chapa fina, a velocidade de resfriamento (R) no centro do cordão é dada por outra equação, conhecida como equação de Adams para chapa fina.

Mudanças nas variáveis envolvidas afetam de modo diferente a velocidade de resfriamento em chapas finas e grossas. O efeito dos parâmetros de soldagem na velocidade de resfriamento (R) de chapas finas e chapas grossas pode ser visto no quadro.

velocidade de resfriamento para alguns materiais

Para alguns materiais é desejável uma velocidade de resfriamento baixa e em outros uma velocidade de resfriamento elevada. Isto significa tempos de resfriamento longos e curtos, respectivamente.

aços carbono

Na soldagem de aços carbono com temperabilidade, a junta deve esfriar em velocidade a mais lenta possível, para evitar a formação de martensita na ZF e na ZAC. Quando possível, a velocidade de resfriamento pode ser controlada por um aumento na corrente de soldagem e na temperatura de pré-aquecimento.

ferro fundido cinzento

A soldagem de manutenção de um ferro fundido cinzento também deve produzir uma velocidade de resfriamento a mais baixa possível. Isto porque, quando a velocidade de resfriamento é elevada, forma-se ferro fundido branco na zona de ligação, além de martensita de alto carbono na zona afetada pelo calor. Ambas as fases são frágeis e podem destacar o cordão de solda.

A soldagem de aços inoxidáveis austeníticos requer uma velocidade de resfriamento alta, a fim de evitar a precipitação de carbetos de cromo nos contornos de grão na zona fundida e na zona afetada pelo calor. Resulta que nem sempre o pré-aquecimento é recomendado.

influências na velocidade de resfriamento

Mantendo-se todos os parâmetros de soldagem iguais, uma chapa grossa resfria muito mais rápido que uma chapa fina. Da mesma maneira, uma junta topo-a- topo pode apresentar dois caminhos para extração do calor. Já uma junta em ângulo apresenta três caminhos para extração de calor. Isto mostra que a geometria da junta também influi na velocidade de resfriamento.

Pode-se perceber o efeito da espessura da chapa na velocidade de resfriamento por meio do cálculo da velocidade de resfriamento aplicado a chapas de aço carbono, finas e grossas, em função da temperatura de pré-aquecimento e da energia de soldagem, admitindo-se Tc igual a 550°C. Os cálculos, já realizados, podem ser encontrados em um quadro para chapa grossa e chapa fina, em que as velocidades de resfriamento das chapas grossas são bem maiores que as das chapas finas.

A energia de soldagem e a temperatura de pré- aquecimento têm uma influência maior na velocidade de resfriamento da chapa fina que na da chapa grossa. Essas diferenças podem-se tornar maiores, dependendo da espessura das chapas.

Extensão da zona afetada pelo calor

A extensão da zona afetada pelo calor pode ser calculada por uma equação que descreve a evolução da temperatura máxima (Tmáx) da chapa em função da distância a partir da zona de ligação. Essa equação é derivada do conceito de chapa fina e com 100% de penetração do cordão de solda.

A Tmax é utilizada para calcular a extensão da zona afetada. O valor de Tmáx depende das condições de fornecimento do material antes da operação de soldagem. Para uma chapa de aço normalizada ou recozida, o valor de Tmáx deve ser o da temperatura eutetóide do aço (ao redor de 723°C). Isso significa que a região da chapa aquecida a uma temperatura acima de 723°C teve mudanças de microestrutura e de propriedades mecânicas.

Para a reparação em um eixo de aço carbono média liga ao Cr-Ni-Mo, temperado e revenido a 400°C, o cálculo da extensão da ZAC considera que o valor de Tmáx deve ser o da temperatura de revenido, uma vez que as mudanças microestruturais ocorrerão principalmente acima desta temperatura.

cálculo da extensão da ZAC

Para uma chapa de um material deformado a frio o valor de Tmax é o de início de recuperação do material. Percebe-se então que a extensão da zona afetada pelo calor depende da condição inicial da chapa a ser soldada. Chapas de aço com a mesma composição mas com tratamentos térmicos diferentes, têm diferentes extensões da zona afetada pelo calor.

Pode-se obter um exemplo de como o tratamento térmico afeta diferentes zonas de chapas de aço, calculando-se a extensão da zona afetada pelo calor.

Suponha-se o cálculo da extensão da ZAC para uma chapa de aço carbono com 5mm de espessura, nas condições normalizada, temperada e revenida a 450°C. Deve-se verificar o efeito de temperatura de pré- aquecimento (25 e 100°C) e da energia de soldagem (700 e 1400J/mm) na extensão da ZAC e admitir a temperatura de fusão do aço em 1500°C e pC igual a 0,0044J/mm3. Substituindo os valores na equação, obtêm-se os valores mostrados no quadro.

Com o resultado encontrado, é possível concluir que a extensão da ZAC é bem mais influenciada pela energia de soldagem do que pela temperatura de pré- aquecimento da chapa. Da mesma maneira, a chapa temperada e revenida apresenta uma ZAC mais extensa.

É muito importante conhecer os efeitos dos parâmetros de soldagem, da natureza do material e da geometria da junta na velocidade de resfriamento e na extensão da ZAC. Trata-se de conceitos indispensáveis para avaliar a presença de defeitos ou mesmo o comportamento da junta soldada em serviço.

Solidificação da poça de fusão

Nos processos de soldagem por fusão ocorre o fenômeno de solidificação da região da chapa que foi fundida. Disto resulta que a chapa fica com uma descontinuidade tanto de microestrutura como de homogeneidade de composição química.

Os defeitos gerados na zona fundida, como porosidade e inclusão de escória, podem ser minimizados pelo tempo de residência da poça de fusão no estado líquido, o qual também é útil para melhoraras propriedades mecânicas do cordão de solda através da diminuição da microssegregação e tamanho de grão na zona fundida.

tempo de residência

Tempo de residência (ts) é o tempo em que a poça de fusão permanece no estado líquido. Na verdade, trata-se de uma simplificação para indicar o tempo de solificação de uma poça de fusão estacionária com um determinado volume de líquido, visto que não é possível calcular o tempo de solificação real da poça de fusão quando esta se desloca sobre a chapa.

Para dar um exemplo, calcula-se o tempo de solidificação da poça de fusão de um aço carbono, com calor latente de fusão 2J/mm3 e temperatura liquidus de 1500°C, admitindo-se temperaturas de pré-aquecimento de 25 e 100°C e energias de soldagem de 700 e 1400J/mm. O tempo de solidificação é dado por um quadro.

Os cálculos efetuados permitem observar que o tempo de solidificação da poça de fusão situa-se ao redor de 2s. Trata-se de um tempo bem pequeno, comparado com o de uma peça fundida em molde de areia.

A poça de fusão solidifica-se ao se deslocar continuamente sobre a superfície de uma chapa. Cada vez que isto ocorre, o cordão de solda fica marcado por escamas. Escamas de aparência e formato regulares indicam se o processo de soldagem foi realizado dentro de parâmetros adequados e se a alimentação de arame foi regular.

formato da poça de fusão

Com relação ao formato, a poça de fusão pode ser no formato elíptico ou de gota. No formato elíptico, os grãos são mais refinados e não existe um plano central definido pelos grãos que se encontram no meio do cordão. Trata-se de um tipo de formato menos sucetível à trinca de solificação.

A poça, no formato de gota, apresenta grãos grosseiros e um plano central no meio do cordão, definido pelo encontro dos grãos. Este tipo de formato é bastante suscetível à trinca de solidificação.

Na soldagem ao arco submerso de aços carbono, a poça de fusão no formato de gota pode causar perda de propriedades mecânicas devido à presença de microssegregação no centro do cordão. Por isso as normas recomendam o posicionamento do entalhe do ensaio Charpy no centro do cordão.

Metalurgia da soldagem: Descontinuidades

Sérgio Duarte Brandi

Características

            Descontinuidade é a interrupção física causada em um material pela abertura de uma trinca ou pela presença de um segundo material: gás, inclusão de escória e de tungstênio.

As descontinuidades podem ser classificadas quanto à origem e à forma. Com relação à origem, as descontinuidades podem ser geométricas (operacionais) e metalúrgicas. Com relaçãoà forma, as descontinuidades podem ser planas e volumétricas.

É interessante notar que as descontinuidades geométricas geralmente são planas, enquanto as descontinuidades metalúrgicas podem ser planas ou geométricas. Um quadroindicaostiposde descontinuidades mais comuns associados aos processos de soldagem.

As descontinuidades são detectadas por ensaios não destrutivos após a soldagem. A escolha dos ensaios não destrutivos está relacionada às características das descontinuidades. Assim, uma descontinuidade volumétrica pode ser melhor detectada por um ensaio radiográfico, enquanto que para uma descontinuidade plana prefere-se o ensaio ultra-sônico. Descontinuidades que atingem um tamanho crítico determinado pela norma de inspeção são consideradas defeitos e devem ser reparadas. Os ensaios não destrutivos mais empregados para detectar diferentes descontinuidades podem ser vistos no quadro.

As diferentes descontinuidades em uma junta de topo com chanfro em X podem ser vistas num desenho esquemático, segundo a terminologia Petrobrás.

Descontinuidades geométricas

As descontinuidades geométricas são geradas na etapa de montagem e de soldagem. Os exemplos mais comuns são falta de fusão, falta de penetração e mordedura; citam-se também desalinhamento, superposição, deposição insuficiente.

falta de fusão

A falta de fusão é uma descontinuidade caracterizada pelo não coalescimento de parte do cordão na lateral do chanfro ou entre cordões na soldagem multipasse.

A falta de fusão pode ser causada pela insuficiência da energia de soldagem para fundir as laterais do chanfro ou por algum tipo de contaminação superficial, que impede o coalescimento ou isola termicamente a face do chanfro da fonte de calor.

falta de penetração

A falta de penetração está relacionada ao cordão de solda que não une completamente as partes a serem soldadas ao longo da espessura. Isto ocorre porque partes da raiz do cordão de solda não foram completamente fundidas.

A falta de penetração tem as mesmas causas que a falta de fusão, isto é, ou a energia do arco não é suficiente para fundir o metal de base ou as superfícies do chanfro estão isoladas da fonte e impedem a fusão.

mordedura

A mordedura é caracterizada pela fusão da superfície da chapa do metal de base próxima à margem do cordão. Dependendo da norma utilizada na soldagem, a mordedura é aceitável. Contudo, dependendo do material a soldar, pode ser bastante perigosa, visto que cria um entalhe na zona de ligação e concentra ainda mais tensão nesse local.

As descontinuidades metalúrgicas são originadas por algum fenômeno metalúrgico presente na poça de fusão como o refino, a desoxidação, a desgaseificação e as transformações de fase no estado sólido, estas tanto na zona fundida quanto na zona afetada pelo calor.

Descontinuidades metalúrgicas

As descontinuidades metalúrgicas mais comuns são a porosidade, a trinca de soldificação e a trinca a frio induzida por hidrogênio.

porosidade

A porosidade é um defeito volumétrico, geralmente aceito pelas normas de qualificação de procedimentos e soldadores até uma determinada quantidade, tamanho e distribuição.

A porosidade é causada principalmente pela presença de gases na poça de fusão que não puderam sair para a atmosfera; esta ocorrência tanto pode estar relacionada a procedimentos de soldagem quanto a variações na composição química do metal de base e do metal de adição.

Os gases mais comuns encontrados na soldagem são o nitrogênio, o oxigênio e o hidrogênio. O nitrogênio e oxigênio podem ser introduzidos através da contaminação da poça de fusão com o ar atmosférico. O oxigênio pode vir também através das oxidações superficiais das chapas.

quanto maior a diferença entre a solubilidade do gás nos estados líquido e sólido, maior a intensidade da porosidade

As fontes de hidrogênio são várias: contaminação do gás de proteção como cilindro de gás e vazamentos na tocha; contaminação do metal base, como peças fundidas ou trabalhadas; e contaminação do metal de adição.

Há outras causas de porosidade. Uma delas é a soldagem executada sobre superfícies contaminadas com óleos, graxas, tintas, vernizes, revestimentos plásticos, etc. Neste caso, a porosidade ocorre porque esses materiais decompõem-se nas temperaturas de fusão dos materiais metálicos e contaminam a poça de fusão.

O teor de carbono também constitui causa de porosidade em aços. Isto acontece quando o carbono reage com o oxigênio dissolvido na poça de fusão e forma bolhas de C0/C02 que podem ficar aprisionadas no cordão e causar a porosidade.

formação de poros

A presença ou não dos poros na zona fundida depende da competição entre a velocidade de subida do poro para a superfície livre da poça de fusão e a velocidade da frente de solidificação. Se a velocidade da frente de solidificação for maior que a de subida da bolha, ocorre a porosidade agrupada.

Caso ambas as velocidades sejam próximas, a porosidade poderá ser do tipo alinhada ou vermiforme.

Quando a velocidade da frente de solidificação é muito menor que a velocidade de subida da bolha, há tempo suficiente para a bolha de gás atingir a superfície livre do líquido e sair para a atmosfera.

Pode-se minimizar a quantidade de poros aumentando-se o tempo de residência no estado líquido da poça de fusão. O efeito das variáveis de soldagem e do material no tempo de residência pode ser, por meio de equação:

Duas das variáveis dessa equação estão relacionadas com o procedimento de soldagem; são elas a energia de soldagem e a temperatura de pré- aquecimento. Um aumento na energia de soldagem ou a presença de pré-aquecimento aumentam o tempo de solidificação da poça de fusão. Essas mudanças no procedimento de soldagem podem minimizar a porosidade da zona fundida.

É interessante ressaltar que a porosidade é um defeito volumétrico, geralmente aceito pelas normas de qualificação de procedimentos e soldadores até uma determinada quantidade, tamanho e distribuição.

Inclusão de escória é uma descontinuidade que se caracteriza pelo aprisionamento de materiais não metálicos (escória) no cordão de solda ou entre cordões de solda; podem ser facilmente detectáveis por ensaios não destrutivos adequados.

inclusão de escória

A inclusão de escória é geralmente causada por um erro de projeto de junta ou por técnicas incorretas adotadas pelo soldador.

Um reforço excessivo em uma junta topo-a-topo com chanfro em V é um exemplo de como conseguir facilmente uma inclusão de escória. Neste caso, o reforço deve ser removido a fim de que a escória aderida às margens do cordão possa ser destacada. Caso contrário, ocorrerá perda de tempo e de material e, consequentemente, diminuição na produtividade.

É muito comum a prática de soldar o cordão por cima da escória, sem removê-la antes. Esta é uma prática que não só prejudica bastante a qualidade da solda como também pode levar à diminuição da produtividade e o aumento do custo, em razão do necessário retrabalho da junta.

minimização da inclusão escória

É possível minimizar a presença de inclusão de escória; para isso, deve-se observar que o projeto de junta seja realizado de maneira a facilitar o acesso e a técnica de deposição do cordão de solda. São igualmente importantes a formação e a experiência do soldador, o qual deve utilizar técnicas de deposição adequadas ao trabalho de soldagem da junta. Finalmente, também influi a escolha do acabamento do cordão: um cordão com acabamento côncavo facilita mais a remoção da escória do que um cordão com acabamento convexo.

diferença entre inclusão de escória e micro-inclusões

A inclusão de escória difere das micro-inclusões, presentes em todos os processos de soldagem que geram escória. Com tamanho ao redor de 10 mm, as micro-inclusões não são detectadas pelos ensaios não destrutivos e, dependendo de sua composição química, podem melhorar as propriedades mecânicas de aços de alta resistência e baixa liga.

trincas de solidificação

As trincas de solidificação ocorrem normalmente devido à presença de fase líquida no interior do cordão de solda ou na metal de base, que parecem macroscopicamente solidificados. Aparecem geralmente durante o resfriamento com uma localização no centro do cordão de solda.

causas das trincas de solidificação

As trincas de solidificação podem também ocorrer devido a dois fatores conjuntos: a composição química da poça de fusão e as tensões geradas durante a solidificação e o resfriamento da junta. No caso da composição química, ocorre a microssegregação de elementos de liga que abaixam a temperatura solidus. Assim, apesar de parecer completamente solidificado, o cordão de solda continua microscopicamente com a presença de filmes líquidos na região interdendrítica.

O abaixamento da temperatura solidus para os metais ferrosos e os não ferrosos tem origens diferentes. No caso dos metais ferrosos essa diminuição de temperatura é devido à presença de elementos químicos como: enxofre, fósforo, boro e silício entre outros. Já nos metais não ferrosos, a probabilidade de ocorrer uma trinca de solidificação é diretamente proporcional à extensão do intervalo de solidificação e à micro- segregação de elementos de liga.

Borland propôs um mecanismo para a formação de trincas de solidificação em metais não ferrosos a partir da observação de que a composição química mais susceptível a trinca de solidificação é a de maior intervalo de solidificação. No modelo de Borland, a região sólido+líquido do diagrama de fases compreende três estágios: no primeiro, as dendritas formadas estão circundadas pelo metal líquido, não existindo, praticamente, contato entre dendritas; no segundo estágio, as dendritas começam a se tocar, havendo quantidade de líquido suficiente para preencher qualquer trinca que porventura venha a ocorrer; no terceiro, as dendritas continuam se tocando cada vez mais e, ocorrendo uma trinca, o líquido disponível não é suficiente para preenchê-la e a trinca continua a se propagar.

As tensões residuais dependem da secção transversal do cordão de solda, do coeficiente de dilatação térmica linear e da restrição da junta soldada.

a ocorrência da trinca de solidificação está relacionada ao tamanho do cordão

Quanto maior for o tamanho do cordão, maior a probabilidade de ocorrer a trinca de solidificação. Esse fato é devido à dependência do valor da tensão residual transversal com a área do cordão de solda. Um cordão muito largo gera uma tensão residual muito maior que um cordão mais estreito. Da mesma maneira, um cordão muito estreito e profundo pode apresentar trincas de solidificação. Assim, é desejável um equilíbrio entre a largura e a penetração do cordão.

A soldagem de um aço ferrítico com um austenítico pode gerar tensões que acabem por gerar trincas. Da mesma maneira, a soldagem de manutenção de um aço carbono com uma liga austenítica para diminuir o teor de hidrogênio na zona afetada pelo calor pode resolver o problema da trinca a frio mas pode gerar uma trinca de alta temperatura ou na ligação entre os dois materiais. Outro exemplo seria o revestimento da superfície do chanfro para minimizar a diluição ou promover uma compatibilidade entre o metal de base e o de adição.

Quanto maior for a restrição de uma junta, maior a possibilidade de ocorrer a trinca de solidificação. A restrição da junta é determinada por fatores que impedem a livre dilatação e contração durante a soldagem. Assim, uma chapa com espessura de 2,5mm é menos restrita que uma chapa de 25mm, admitindo-se a mesma área para ambas. Neste caso, o peso da chapa mais grossa age como fator que limita a livre movimentação e, como consequência, aumenta a restrição da chapa.

O efeito da diferença de coeficiente de dilatação linear é marcante para a soldagem de materiais dissimilares ou com metal de adição dissimilar.

Da mesma maneira, uma junta topo-a-topo é menos restrita que uma junta em ângulo, admitindo-se a mesma espessura para ambas. A chapa soldada perpendicularmente à chapa-base impede a livre dilatação e contração desta, que também restringe a movimentação da outra chapa. A restrição aumenta mais ainda quando se passa de uma junta em ângulo para uma junta cruciforme.

trinca a frio induzida por hidrogênio

A trinca a frio induzida por hidrogênio é o tipo de descontinuidade mais perigoso de todos; um dos motivos é que logo após a soldagem a trinca pode ainda não ter se formado. Às vezes, o tempo de aparecimento dessas trincas é de dezenas de horas após a soldagem. Outro motivo é que as trincas podem ter tamanho abaixo do limite de detecção dos ensaios não destrutivos adequados. Dessa maneira, este tipo de descontinuidade deve ser evitado ao máximo, uma vez que pode causar danos muito sérios a um equipamento soldado.

Para ocorrer a trinca a frio induzida por hidrogênio são necessários os seguintes requisitos: presença de hidrogênio, microestrutura favorável, tensão residual de tração e temperatura.

As principais fontes de hidrogênio durante a soldagem são: umidade no revestimento ou fluxo, contaminação do gás de proteção com vapor de água, metal de base com teores elevados de hidrogênio dissolvido e contaminação superficial por materiais orgânicos.

todo fator que altera a temperabitidade de um aço carbono favorece a ocorrência da trinca a frio induzida por hidrogênio

A microestrutura mais favorável para o aparecimento de trinca a frio induzida por hidrogênio é a martensítica, devido a sua dureza elevada e pouca tenacidade. Essa microestrutura é obtida por mudanças na composição química do aço ou por uma velocidade de resfriamento muito elevada.

Carbono equivalente

A temperabilidade de um aço carbono é determinada pelo teor de carbono e dos elementos de liga. Essa determinação é feita por equações que representam um teor de carbono equivalente, calculado a partir dos elementos de liga mais comuns e do teor de carbono chamado de carbono equivalente.

Existem diversas fórmulas para calcular o carbono equivalente; uma equação bastante empregada é a desenvolvida pelo Instituto Internacional de Soldagem (IIW).

A soldabilidade de um aço carbono é determinada pelo teor seu carbono equivalente. Quanto menor for o carbono equivalente, menor a probabilidade de ser obtida uma microestrutura martensítica e, consequentemente, melhor a soldabilidade do aço.

Um carbono equivalente elevado não é indicador de que o aço não é soldável mas sim de que são necessários cuidados cada vez maiores. Segundo a classificação da soldabilidade do aço, quanto menor o carbono equivalente melhor sua soldabilidade. Assim, a tendência atual é reduzir cada vez mais o teor de carbono no metal de solda e aumentar o teor de elementos de liga que, apesar de terem um peso menor no carbono equivalente, endurecem o aço que comporá o metal de solda.

Por outro lado, o metal de base especificado para uma determinada aplicação nem sempre pode ser substituído por um aço com teor de carbono menor e, conseqüentemente, com carbono equivalente menor. Nesse caso, devem ser adotadas práticas que evitem a trinca a frio induzida por hidrogênio, como: pré- aquecimento, consumível com baixo teor de hidrogênio, controle da temperatura interpasse, processo de soldagem que introduza pouco hidrogênio na peça, pós- aquecimento e tratamento térmico pós-soldagem de alívio de tensões.

tensão residual de tração

A tensão residual de tração constitui outro fator fundamental para a ocorrência da trinca a frio induzida por hidrogênio, em que os locais críticos são, geralmente, os dos cordões de solda, como a região da zona de ligação.

Finalmente, a temperatura na qual ocorre a trinca a frio induzida por hidrogênio está geralmente situada abaixo de 150°C. Temperaturas acima desta podem promover a evolução do hidrogênio do material para a atmosfera, ajudando a minimizar esse tipo de descontinuidade.

O mecanismo de aparecimento da trinca a frio induzida por hidrogênio foi esquematizado por Granjon. Segundo ele, a solubilidade do hidrogênio na austenita é muito maior que na ferrita; portanto, a concentração de hidrogênio é muito maior na austenita que na ferrita.

Durante o resfriamento, a austenita pode-se transformar em martensita com teores elevados de hidrogênio dissolvido; esses dois fatores, associados às tensões residuais e à temperatura baixa, promovem a origem de uma trinca. O hidrogênio geralmente entra no material através do arco elétrico e na forma nascente.

Pode-se compreender melhor a ocorrência de descontinuidades metalúrgicas no cordão de solda observando um diagrama esquemático dos intervalos de tempo e temperatura, tal como adaptado da norma DIN

8524. Nele estão mostradas as faixas de temperatura e o tempo de ocorrência de diferentes descontinuidades em função de dois ciclos térmicos e de um tratamento térmico pós-soldagem.

Observa-se, nesse diagrama, que as trincas de solidificação e de liquação ocorrem em temperaturas acima da temperatura solidus do aço. Já a trinca a frio induzida por hidrogênio ocorre em temperaturas menores que a temperatura Ms, isto é, no início da transformação de fase martensítica.

Descontinuidades planas

As descontinuidades planas apresentam praticamente duas dimensões: é o caso das trincas de solidificação e das trincas induzidas por hidrogênio, da falta de fusão e da falta de penetração. Essas descontinuidades geram uma concentração de tensão muito elevada nas suas extremidades e geralmente devem ser reparadas.

Descontinuidades volumétricas

As descontinuidades volumétricas apresentam três dimensões: poros, inclusões de escória e inclusões de tungstênio, no caso do processo TIG; apresentam concentração de tensão bem menor que as descontinuidades planas e, por isto, são menos críticas que estas. O reparo é necessário quando as descontinuidades atingem um determinado tamanho e/ou quando se verifica uma extensão acumulada delas.

Metalurgia da soldagem: Soldabilidade de alguns materiais

Sérgio Duarte Brandi

Características

O conhecimento da metalurgia da soldagem é importante para a soldagem de qualquer material metálico, visto que graças a este conhecimento pode-se controlar a qualidade e a durabilidade do produto, além de reduzir custos.

Na soldagem de produção, os metais de base e de adição são muitas vezes controlados pelos sistemas de qualidade das empresas. Ainda assim, conhecer a metalurgia da soldagem auxilia bastante no procedimento de soldagem de um material metálico, sobretudo quando ocorrem falhas ou dificuldades para atingir determinadas propriedades mecânicas ou de corrosão

É na soldagem de manutenção que o conhecimento da metalurgia da soldagem é fundamental. Neste tipo de soldagem não há, em geral, tempo disponível para realizar testes antes da soldagem e isto pode tornar difícil o reparo do material. Outro fator é que nem sempre o material a ser soldado é identificado através de composição química. Ou ainda pode se tratar de um material já trabalhado. Neste caso, as técnicas a serem utilizadas devem ser as mais amplas possível para realizar a manutenção.

Soldabilidade do aço carbono

A soldabilidade dos aços carbono baixa e média liga está bastante associada à presença de trinca a frio induzida por hidrogênio. Como estão relacionadas à microestrutura na junta soldada, essas trincas são determinadas pela composição química do material. Em outras palavras, a soldabilidade é relacionada com a temperabilidade de um aço; assim, quanto maior for a temperabilidade do aço, maior a probabilidade de ocorrência dessas trincas.

A temperabilidade é ditada basicamente pelo teor de carbono e pelos elementos de liga; quanto menores esses teores, menos cuidados serão necessários para soldar um aço. A prática adotada atualmente é a de reduzir o teor de carbono. Essa solução funciona bastante para o metal de solda mas não para o metal de base, uma vez que este é especificado pela aplicação do equipamento.

O efeito de outros elementos químicos, além do carbono, também é utilizado no metal de solda para aumentar a resistência e a tenacidade. Essa melhora nas propriedades mecânicas no metal pode ser conseguida com adições de manganês ou níquel, associadas a elementos químicos como boro, titânio, nióbio e molibdênio. Esses elementos de liga em conjunto com o oxigênio favorecem a formação de um microconstituinte chamado ferrita acicular, presente nos aços ARBL ou aços de alta resistência e baixa liga.

ferrita acicular

A ferrita acicular forma-se durante o resfriamento, na faixa de temperatura entre 650 e 500°C e tem fator de forma entre 1:2 e 1:5 (proporção largura/comprimento). A nucleação deste microconstituinte ocorre geralmente de forma intragranular e na interface de micro-inclusões de escória.

As micro-inclusões de escória têm composição química específica (TiO) e são mais efetivas na faixa de 10mm (micro metro) de tamanho. Por este motivo, o oxigênio dissolvido no metal de solda é também importante para a formação da ferrita acicular; neste caso, seu teor deve ser controlado ao redor de 400ppm (partes por milhão) e a fração volumétrica de ferrita acicular no metal de solda na faixa de 60%. A ferrita acicular pode ser circundada por martensita e outros microconstituintes que deterioram a tenacidade; assim, teores ao redor de 80% não são recomendáveis.

Pode-se minimizar a ocorrência de trincas a frio induzidas por hidrogênio e também otimizar a tenacidade da ZAC (zona afetada pelo calor) controlando-se no metal de base alguns fatores que favorecem a formação da trinca a frio. Estes fatores são: a martensita, o hidrogênio, as tensões residuais e a temperatura próxima da temperatura ambiente.

martensita

Para reduzir a presença de martensita é comum pré-aquecer a chapa e controlar a temperatura interpasse. Estes recursos visam basicamente a minimizar a presença de martensita na ZAC, quando possível, por meio de uma redução na velocidade de resfriamento. A velocidade lenta alivia as tensões residuais introduzidas pela transformação de fase e favorece a evolução do hidrogênio do aço para a atmosfera. Em aço temperável ao ar não é possível evitar a formação da martensita; assim, para estes materiais, é imprescindível a redução da velocidade de resfriamento da junta.

hidrogênio

É possível controlar o teor de hidrogênio desde que sejam conhecidas suas fontes como: fluxos ou revestimentos úmidos, gases de proteção contaminados, superfície da chapa contaminada, vazamento da água de refrigeração em tochas, pistolas, cabeçotes de soldagem e outras. Os revestimentos e fluxos devem ser secos e armazenados em local com umidade relativa controlada para evitar a absorção de umidade do ar. Do mesmo modo, deve-se cuidar para que os eletrodos sejam mantidos em estufas portáteis, também chamadas cochichos.

Para remoção do hidrogênio podem-se empregar, ainda, cuidados adicionais como o pré ou pós-aquecimento da junta soldada. Entre outros efeitos, o pós-aquecimento reduz o teor de hidrogênio dissolvido no aço e as tensões residuais geradas pela transformação martensítica, tanto reduzindo o teor de hidrogênio como diminuindo as tensões residuais. Também é possível controlar o hidrogênio dissolvido na junta utilizando um metal de adição completamente austenítico. Como a austenita dissolve mais hidrogênio que a ferrita, o hidrogênio difunde-se em maior quantidade para o material austenítico e diminui seu teor na zona afetada pelo calor.

tensões residuais

As tensões residuais podem ser minimizadas por meio de técnicas como: a deposição do cordão com aquecimento balanceado da chapa, o pré-aquecimento e o tratamento térmico. A deposição do cordão com aquecimento balanceado da chapa diminui as tensões residuais durante a soldagem. Já o tratamento térmico pós-soldagem alivia as tensões residuais após a soldagem.

temperatura

Com relação ao efeito da temperatura, a fragilização por hidrogênio ocorre geralmente abaixo de 150°C. Assim, ocorrendo a fragilização por hidrogênio, deve-se tentar manter a peça em temperaturas superiores a 150°C. Neste caso, o pós-aquecimento é bastante útil, para difundir o hidrogênio remanescente.

Soldabilidade dos aços inoxidáveis

A soldabilidade dos aços inoxidáveis é função do aço ou combinação de aços que serão soldados. Cada tipo de aço inoxidável tem uma particularidade com relação à fragilização que pode ocorrer.

Os aços inoxidáveis são classificados em: ferríticos, austeníticos, martensíticos, duplex e endurecíveis por precipitação. Cada um desses grupos apresenta uma particularidade com relação à soldabilidade.

Os aços inoxidáveis ferríticos apresentam um crescimento exagerado de grão enquanto os aços austeníticos apresentam o risco das trincas de solidificação. Os aços inoxidáveis martensíticos têm o mesmo tipo de risco que os aços carbono baixa liga. Finalmente, os aços inoxidáveis duplex, contendo 50% ferrita e 50% austenita, apresentam um risco de crescimento de grão e também de precipitação de fase sigma e nitreto de cromo.

Diz-se que um aço é ferrítico ou austenítico quando é necessária uma quantidade de elementos de liga alfagênicos para estabilizar a ferrita e outra de elementos de liga gamagênicos para estabilizar a austenita. Dentre os elementos de liga alfagênicos podem ser citados o cromo, o molibdênio, o nióbio e silício. Como elementos gamagênicos têm-se o níquel, o carbono, o nitrogênio e o manganês. A partir desses elementos foram desenvolvidas fórmulas de cromo e níquel equivalentes.

diagrama de Schaeffler

Na década de 50, Schaeffler desenvolveu um diagrama que relaciona a composição química do aço inoxidável com a microestrutura obtida. É um diagrama bastante empregado na soldagem de aços inoxidáveis, apesar de ter sido criado para condições de equilíbrio; apresenta um campo completamente austenítico, outro completamente ferrítico e outro completamente martensítico, com regiões de duas e até de três fases entre os campos.

Para aplicação em soldagem, o diagrama de Schaeffler foi dividido em quatro regiões de composição química, as quais apresentam alguns tipos de descontinuidades ou fragilizações. As regiões são as seguintes: crescimento de grão; trinca a frio induzida por hidrogênio; precipitação de fase sigma entre 600 e 950°C e trinca de solidificação e liquação. Entre estas há uma quinta região, situada em torno de 21%Cr e 10%Ni e isenta de qualquer tipo de problema.

Na década de 70, o diagrama de Schaeffler foi corrigido para a presença de nitrogênio como elemento gamagênico. Neste caso, foi adicionado o teor de nitrogênioao de carbono na fórmula do níquel equivalente. Dessa adição resultou o diagrama de DeLong, que tem a posição dos campos ferrita mais austenita modificada em relação ao diagrama de Schaeffler.

utilização do diagrama de Schaeffler

Para utilizar o diagrama de Schaeffler calculam-se o cromo e níquel equivalentes dos materiais utilizados por meio das equações dadas; colocam-se os pontos no diagrama e a partir disso, têm-se três modos de utilização do diagrama.

O primeiro diz respeito à soldagem autógena. No caso de soldagem autógena de materiais similares, basta verificar em qual das quatro regiões a composição química caiu e se existe algum problema de soldabilidade. Existindo problemas, devem-se empregar as ações corretivas. Na soldagem autógena de materiais dissimilares, coloca-se a composição dos dois materiais no diagrama. Os pontos são unidos com um segmento de reta e o ponto médio do segmento deve ser analisado com relação a problemas de soldabilidade.

O segundo modo refere-se à soldagem de um aço inoxidável com adição. Neste caso, colocam-se os dois pontos no diagrama e, depois, traça-se um segmento de reta unindo esses dois pontos. Em seguida, o segmento de reta é dividido em 10 partes iguais, que representam a diluição do processo de soldagem a ser empregado. Colocando-se 0% de diluição no ponto que corresponde à composição química do metal de adição e 100% no ponto da composição química do metal de base, cada uma das partes do segmento representará de 0 a 100% de diluição. Admitindo-se que o processo de soldagem a ser utilizado tem uma diluição média de 30%, marca-se este ponto no segmento de reta e verifica-se em qual das regiões caiu. Na prática, é comum escolher um metal de adição cuja composição química em função do processo de soldagem tenha uma diluição tal que o ponto determinado cai na quinta região, isenta de problemas.

O terceiro modo está relacionado à soldagem dissimilar entre um aço carbono e um aço inoxidável com adição. Neste caso, o procedimento é um pouco diferente. Primeiro calculam-se o cromo e o níquel equivalente dos dois metais de base. Em seguida, unem-se os dois pontos com um segmento de reta e marca-se o seu ponto médio, que deve ser unido ao ponto determinado pela composição química do metal de adição. O segmento de reta obtido pela união destes dois pontos deve ser dividido em 10 partes. A partir desta etapa, o procedimento é semelhante ao do caso da soldagem de um aço inoxidável com adição.

Pode-se ter um exemplo de utilização do diagrama de Schaeffler, soldando-se um aço carbono com 2% de Creq e 4% de Nieq a um aço inoxidável com 32% de Creq e 9% de Nieq e metal de adição com 30% de Creq e 22% de Nieq Para realizar a soldagem é preciso definir a faixa de diluição ideal, situada entre 50 e 80%, aproximadamente, segundo a colocação dos pontos no diagrama de Schaeffler. Como se trata de uma faixa de diluição bastante elevada, nem todos os processos de soldagem conseguem atingir o valor desejado. Deve- se, então, procurar uma outra adição com flexibilidade maior em relação à diluição dos processos de soldagem. Mudando-se para uma adição com 24% Creq e 18% Nieq, a faixa de diluição fica entre aproximadamente 20 e 80%.

O diagrama de Schaeffler é bastante útil para analisar o que pode ocorrer na soldagem de um aço inoxidável, mas pode não ser suficiente no caso da soldagem dos aços inoxidáveis austeníticos. Neste caso deve-se levarem conta a presença de elementos residuais, como o enxofre e o fósforo, que favorecem a formação da trinca de solidificação e de liquação. Geralmente recomenda-se um teor de fósforo e enxofre máximo de 0,04%, combinados com um teor de ferrita no cordão de solda ao redor de 10%. A ferrita tem a função de dissolver parte desses elementos, aliviar as tensões residuais durante o resfriamento e aumentar o número de interfaces para distribuir o eventual líquido formado durante a solidificação.

Apesar de sua grande utilidade, o diagrama de Schaeffler pode trazer eventuais problemas de corrosão em aços inoxidáveis. Um exemplo importante é a

sensitização na zona afetada pelo calor dos aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos. Em ambos os aços ocorre a precipitação de carbetos de cromo nos contornos de grão, diminuindo o teor de cromo em volta e favorecendo a corrosão intergranular. A sensitização é minimizada utilizando-se metal de base e de adição com teores baixos de carbono ou com elementos de liga formadores de carbetos como titânio e nióbio.

Soldabilidade dos ferros fundidos

Os ferros fundidos são materiais bastante empregados na construção de equipamentos. Muitas vezes, durante o uso, os ferros fundidos podem apresentar trincas que devem ser reparadas com bastante cuidado. Durante a soldagem, a região da zona fundida com temperatura acima da eutética pode, dependendo da velocidade de solidificação, tornar-se um ferro fundido branco. Devido à elevada dureza e à baixa ductilidade desse ferro fundido, o cordão de solda pode se destacar após a soldagem.

A zona afetada pelo calor dos ferros fundidos também apresenta bastantes problemas. Como esses materiais contêm um teor de carbono elevado, a zona afetada pelo calor tem uma microestrutura martensítica. Trata-se de uma martensita de dureza elevada, circundada por veios ou nódulos de grafita que atuam como descontinuidades na microestrutura. Este efeito indesejável pode ser minimizado, em parte, utilizando-se o pré-aquecimento. O diagrama de fases Fe-C mostra as diversas regiões da ZAC de um ferro fundido cinzento.

o aquecimento ao redor de 25CPC do ferro fundido cinzento minimiza a presença de ferro fundido branco na zona de ligação

Os ferros fundidos cinzentos e nodulares têm ductilidade menor que os aços, por isso sua soldagem deve ser realizada de maneira a não produzir tensões residuais muito elevadas; recomendam-se técnicas de soldagem como: cordões curtos de 5cm, aproximadamente; martelamento dos cordões sempre que interromper a soldagem; soldagem a ré, para distribuir melhor o calor

sobre a peça e metais de adição, mais dúcteis e com coeficiente de expansão térmica linear próximos dos ferros fundidos (ligas Fe-Ni).

Os ferros fundidos brancos dificilmente são soldados devido a sua baixíssima ductilidade. Esses materiais são reparados por processos que não utilizam aquecimento, como adesivo do tipo epóxi misturado com partículas duras.

Soldabilidade das ligas de alumínio

As ligas de alumínio apresentam, quase sempre, uma grande ocorrência de poros. Trata-se de ligas que, dificilmente, terão 0% de poros como um aço inoxidável, por exemplo. A ocorrência de porosidade nas ligas de alumínio deve-se à grande diferença de solubilidade do hidrogênio no estado sólido e no estado líquido. Isto porque o alumínio dissolve grandes quantidades de hidrogênio no estado líquido, enquanto que, no estado sólido, a solubilidade do hidrogênio é bastante reduzida.

classificação das ligas de alumínio

As ligas de alumínio são classificadas em ligas endurecíveis por precipitação, e ligas endurecíveis por solução sólida. Cada um destes grupos apresenta problemas de soldabilidade completamente diferentes.

As ligas endurecíveis por solução sólida — Al-Mn, Al-Si e Al-Mg — dificilmente perdem as propriedades mecânicas na zona afetada pelo calor, a menos que estejam na condição de deformadas a frio. Neste caso, no projeto deve-se calcular a espessura do material, levando em conta a perda da resistência após a soldagem.

As ligas endurecíveis por precipitação — Al-Cu, Al-Si-Mg e Al-Zn — perdem as propriedades mecânicas quando soldadas, principalmente se tratadas termicamente. Neste caso, ocorre uma dissolução dos precipitados na ZAC, gerando uma região com características de material solubilizado. Adjacente a esta região, existe uma outra onde ocorreu o coalescimento dos precipitados. Em ambas as regiões ocorre uma perda das propriedades mecânicas, com maior intensidade para a região solubilizada.

Caso o equipamento deva ser fabricado sem um tratamento térmico posterior, deve-se calcular no projeto a espessura do material utilizando as propriedade mecânicas da liga solubilizada. Se for possível um tratamento térmico após a soldagem, a região solubilizada da ZAC pode recuperar as suas propriedades, porém a zona onde ocorreu o coalescimento dos precipitados não irá recuperar as propriedades mecânicas. Este fato deve ser levado em conta durante o projeto de concepção do equipamento mesmo que a queda nas propriedades não seja tão intensa.

porosidade nas ligas de alumínio

A porosidade nas ligas de alumínio acarreta uma grande produção de bolhas de H2 na frente de solidificação da poça de fusão. Este fato pode ser minimizado durante a soldagem, utilizando-se técnicas que aumentam o tempo de residência da poça de fusão no estado líquido. Uma técnica recomendável é o aumento da energia de soldagem. Outra é utilizar o hélio como gás de proteção; como estegásgera um arco com tensãoaproximadamente duas vezes maior que o argônio, o tempo de residência é aumentado e a porosidade diminuída. A utilização ou não do hélio depende da aplicação do equipamento, visto se tratar de um gás caro.

trincas de solidificação e de liquação nas ligas de alumínio

As ligas de alumínio apresentam também trincas de solidificação e de liquação. Neste caso deve-se evitar que a composição da poça de fusão atinja determinados valores de alguns elementos de liga, como o magnésio, o silício e o cobre. Para estes elementos de liga, a probabilidade de ocorrência de trinca de solidificação é máxima se o teor na poça de fusão for próximo de 2%. A solução é utilizar metais de adição com teores elevados desses elementos de liga como as ligas AI-5%Si e Al- 5%Mg. Trata-se de ligas que podem ser utilizadas para soldar uma gama grande de ligas de alumínio.

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