Tecnologia da soldagem

Soldabilidade de Aços carbono e Aços

alta resistência baixa liga.

Aços Carbono

Aços carbono são ligas de ferro e carbono, com até 2% de carbono, que

pode conter como elementos residuais Mn, Si, S e P oriundos das matérias

primas ou processo de fabricação, ou seja, a sua presença não foi resultado de

uma adição intencional com o propósito de melhorar as propriedades do

material, como no caso dos elementos de liga utilizados nos demais tipos de

aços. Os aços carbonos podem ser divididos em quatro classes de acordo com

o teor de carbono apresentado, estas classes são:

Aços de baixo carbono: apresentam teores de carbono < 0,15%.

Aços doces “mild steels”: apresentam teores de carbono na faixa de 0,15

a 0,3%.

Aços de médio carbono: apresentam teores de carbono na faixa de 0,3 a

0,5%.

Aços de alto carbono: apresentam teores de carbono na faixa de 0,5 a

1,03%

O sistema usual para a classificação dos aços de uma forma geral é a

designação numérica de aços carbono e aços ligados do American Iron and

Steel Institute, ou sistema de classificação AISI ou como SAE, uma vez que foi

desenvolvido originalmente pela Society of Automotive Engineers. Neste

sistema os dois primeiros números nos indica o tipo e classes de liga ao qual o

material pertence e é denominado como designação da série, enquanto que os

dois últimos números nos indica o valor médio de carbono através do resultado

do resultado do teor médio de carbono multiplicado por 100. A seguir temos

uma tabela exemplificando a designação dos aços carbono através desse

sistema.

Recentemente, uma nova classificação dos aços introduziu a técnica de

processamento do aço como categoria. Estes aços, conhecidos por várias

designações, são comumente descritos como aços trabalhados

termomecanicamente.

Os aços carbono são geralmente aplicados quando não são exigidas

propriedades específicas como alta tenacidade, alta resistência mecânica ou

resistência a corrosão, ou seja, embora exista a possibilidade de submeter este

material a um processo de endurecimento superficial, serem trabalhadas a frio

e ao fato de que as ligas com maiores teores de carbono apresentam

resistências médias e condições de temperabilidade (reduzida), a sua utilização

se deve em grande parte ao fato de ser um material de baixo custo que pode

ser utilizado em aplicações que não possuem requisitos elevados. Dentre as

propriedades gerais podemos ressaltar: boa ductilidade, boa conformabilidade,

boa forjabilidade, usinabilidade ruim e baixa temperabilidade.

Dentre as possíveis aplicações podemos destacar: chapas pintadas

submetidas a baixas tensões, tubos, chapas utilizadas em estampagem

profunda, parafusos, eixos, alavancas de freio, ferramentas agrícolas,

engrenagens comuns, biela, peças forjadas, componentes estruturais de

máquinas, virabrequim etc.

Soldabilidade de Aços Carbono

O maior problema de soldabilidade relacionado aos aços carbono é a

formação de trincas induzidas pelo hidrogênio, principalmente na zona

termicamente afetada (ZTA). Este tipo de descontinuidade caracterizada por

uma trinca transgranular iniciada no ponto de máxima concentração de tensão,

ocorre principalmente devido a fatores como teor de hidrogênio, microestrutura

do metal de solda (MS) e da ZTA, ao nível de tensão ao qual a solda esta

exposta e a exposição da junta soldada a temperatura ambiente sem

tratamento térmico prévio, que agem de forma isolada ou combinada.

Pode-se reduzir a ocorrência de trincas induzidas por hidrogênio e

otimizar a tenacidade da ZTA através do controle de alguns fatores do metal de

base que favorecem este tipo de descontinuidade. Estes fatores são: a

martensita, o hidrogênio, as tensões residuais e a temperatura próxima a

temperatura ambiente sem tratamento térmico.

A redução da presença da fase martensita na ZTA é alcançada através

do pré-aquecimento da peça antes da soldagem a fim de diminuir a taxa de

resfriamento a fim de impossibilitar a transformação martensítica, além disso a

diminuição da taxa de resfriamento ainda favorece o alívio das tensões

residuais introduzidas pela transformação de fase, favorece a evolução do

hidrogênio para atmosfera. Fórmulas de carbono equivalente (CE) são

comumente usadas para estimar a necessidade de cuidados especiais, com a

elevação deste valor a temperabilidade do aço aumenta diminuindo assim a

sua soldabilidade, uma expressão muito difundida é:

CE = %C + %Mn/6 + %Mo/4 + %Cr/5 + %Ni/15 + %Cu/15 + %P/3

Esta fórmula deve ser utilizada com os valores oriundos da composição

real do aço, quando este é desconhecido é usual usar os valores limites

superiores como fator de segurança, a seguir uma tabela relacionando as

temperaturas de pré-aquecimento necessárias à alguns tipos de liga.

Tipo de aço Temperatura (oC)

Baixo carbono (%C < 0,30) 90-150

Médio carbono (0,30 < %C < 0,55) 150-260

Alto carbono (0,50 < %C < 0,83) 260-430

Aços C-Mo (0,10 < %C < 0,30) 150-320

Aços C-Mo (0,30 < %C < 0,35) 260-430

Aços Ni (< 3,5%Ni) 90-370

Aços Cr 150-260

Aços Cr-Ni 90-590

Ferro Fundido 370-480

O controle do teor de hidrogênio necessita que seja conhecida a fonte da

qual o hidrogênio esta sendo introduzido tais como: fluxos ou revestimentos

úmidos, gases de proteção contaminados, superfície da peça contaminada,

vazamento de água de refrigeração em tochas, pistolas entre outras. Logo é

necessário controlar a umidade do sistema utilizado na soldagem. Outras

formas de extrair o hidrogênio da junta soldada são: o uso de pós-aquecimento,

a fim de viabilizar a difusão do hidrogênio, e o uso de metal de adição

completamente austenítico, uma vez que devido a sua maior solubilidade de

hidrogênio em relação à fase ferrita, ocorre uma concentração de hidrogênio no

metal de solda livrando a região crítica da ZTA.

As tensões residuais podem ser minimizadas através de aquecimento

prévio balanceado e o procedimento de pós-aquecimento.

O pós-aquecimento deve ser em temperatura superior a 150°C,

temperatura abaixo da qual ocorre usualmente a fragilização por hidrogênio, na

maioria das vezes um pós-aquecimento de 2h a 250°C é suficiente para

promover a difusão do hidrogênio, eliminando a susceptibilidade à trinca a frio.

Outros problemas incluem a perda da tenacidade na ZTA, ou na zona

fundida associada com a formação de estruturas de granulação grosseira,

durante a soldagem com elevado aporte térmica, ou com a formação de

martensita na soldagem com baixo aporte térmico; formação de trincas de

solidificação em peças contaminadas ou na soldagem com aporte térmico

elevado, além de descontinuidades relacionadas ao processo e procedimento

de soldagem como mordedura, falta de fusão, porosidade, etc.

De forma geral as ligas de aços carbono podem ser soldados por

qualquer processo a arco, gás ou resistência, contudo devido as suas

diferenças químicas temos algumas ressalvas para cada classe destas ligas.

Aços de baixo Carbono e Aços Doces: incluem as séries AISI C1008 e

C1025. O teor de C varia entre 0,10 e 0,25%, o de Mn entre 0,25 e 1,5%, o teor

de P máximo é de 0,04% e o de S é de 0,05 (na prática teores de P e S

dificilmente chegam a estes limites atualmente), são materiais usados

comumente em construção e de forma geral são facilmente soldáveis.

Aços de Médio Carbono: incluem as séries AISI entre C1030 e C1050, a

composição química é semelhante à anterior, exceto pelo teor de C entre 0,3 e

0,5% e o teor de Mn entre 0,6 e 0,9%. Devido aos teores de C e Mn é

recomendável o uso de eletrodos de baixo hidrogênio, principalmente para

peças de maior espessura. Um pré-aquecimento entre 150 e 260°C pode ser

necessário. Pós-aquecimento pode ser necessário para o alívio de tensões e

reduzir a dureza que podem ser causadas pelo resfriamento rápido após a

soldagem. Tomando estas precauções é possível soldar facilmente as ligas

pertencentes a esta classe.

Aços de Alto Carbono: incluem as séries AISI entre C1050 e C1095, a

composição química é semelhante à anterior, exceto pelo teor de C entre 0,5 e

0,95% e o teor de Mn entre 0,3 e 1,0%. A soldagem das ligas pertencentes a

esta classe necessita de cuidados especiais. Processos de baixo hidrogênio

precisam ser usados com um pré-aquecimento entre 200 e 320°C,

especialmente para pecas mais pesadas. Um tratamento térmico após

soldagem a fim de viabilizar alívio de tensões ou mesmo recozimento é

usualmente especificado. Tomando estas precauções é possível soldar estes

aços carbono usando as mesmas técnicas.

Aços alta resistência e baixa liga (ARBL)

Aços do tipo alta resistência e baixa liga, denominados pela sigla ARBL

(ou HSLA do inglês – high strength low alloy) são definidos como aços com

composição química especialmente desenvolvida para proporcionar mais altos

valores de propriedades mecânicas e, em alguns casos, melhor resistência à

corrosão atmosférica do que aquelas obtidas em aços carbono convencionais.

São também geralmente conhecidos como do tipo carbono-manganês com

adições muito pequenas de nióbio e vanádio para garantir tanto refino de grão

quanto endurecimento por precipitação [1]. Usualmente se utilizado o termo

aço microligado para se referir a esses materiais.

Aços ARBL podem ser produzidos na condição de laminados, com limite

de escoamento na faixa de 290 a 550 Mpa, e resistência à tração na faixa de

415 a 700 MPa. Seu desenvolvimento foi impulsionado pela demanda por aços

resistentes, tenazes e soldáveis para tubulações de transporte de óleo e gás,

navios e plataformas de perfuração “off-shore”. Também podem ser usados

para reduzir o peso, e assim o consumo de combustível, de automóveis.

Os mecanismos de endurecimento utilizados nos aços ARBL incluem:

refino de grão; precipitação; subestrutura de discordâncias; endurecimento por

solução sólida; envelhecimento com deformação. Sua produção pode envolver:

pequenas adições de elementos formadores de carbetos e nitretos

(microligantes); laminação controlada; resfriamento controlado; controle de

forma de inclusões.

O desenvolvimento dos aços ARBL é um interessante caso de

conjugação de interesses econômicos e tecnológicos. O uso de pequenas

adições de nióbio para endurecer os aços ferrítico-perlíticos foi introduzido em

1936, mas àquela época o custo do nióbio e a falta de demanda por aços deste

tipo tornaram o processo pouco mais do que uma curiosidade científica.

Entretanto, ao final dos anos 1950, a queda no preço do nióbio e uma

simultânea demanda por maior resistência mecânica, tenacidade e

soldabilidade nos aços para tubulações levaram a um ressurgimento do

interesse pelo desenvolvimento dos aços ARBL [3].

Posteriormente, o desenvolvimento dos aços ARBL passou a se

concentrar nos fatores que controlam a ductilidade, a tenacidade e a

conformabilidade, especialmente no caso de aços com microestrutura ferrítico-

perlítica, que constituem a maioria dos aços ARBL. Entretanto, inicialmente o

projeto desses aços era baseado na resistência à tração, com pouca atenção

dispensada à resistência ao escoamento, à tenacidade e à soldabilidade, pois o

processo mais comum de junção era o rebitamento. Consequentemente os

aços apresentavam teores de carbono da ordem de 0,3 %, havendo poucas

modificações ao longo de muitos anos. Na época (início dos anos 30) os teores

de manganês e carbono eram mais altos, enquanto os teores de silício eram

mais baixos. O carbono era o elemento de liga mais barato e aumentava a

resistência à tração desses aços, que eram utilizados na condição como

laminados, mas com pouco ou nenhum controle de temperaturas de laminação.

Por volta de 1934 o teor de carbono ainda era relativamente alto, da ordem de

0,27 %, mas o teor de manganês já havia aumentado para 1,5 %, segundo as

especificações da época.

Aplicações dos aços ARBL

Os aços ARBL são comumente utilizados na confecção de tubos para o

transporte de óleo e gases. A escolha do aço para uma determinada aplicação

é função da composição química e resultantes níveis de escoamento inerentes.

O grau do aço ARBL, segundo a norma API 5L, reflete a tensão mínima de

escoamento do material expressa em [ksi], assim, o grau X-80 tem tensão

mínima de escoamento de 80 ksi (551 MPa).

Grau SMYS

Ksi Mpa A25 25 172

A 30 207

B 35 241

X42 42 289

X46 46 317

X52 52 358

X56 56 386

X60 60 413

X65 65 448

X70 70 482

X80 80 551

Para a soldagem longitudinal dos tubos com costura, os métodos mais

utilizados, são os processos de soldagem por arco submerso (SAW) e

soldagem por resistência elétrica (ERW). Já para a soldagem circunferencial

em campo, é comum o uso do método de soldagem manual por eletrodos

revestidos (SMAW). Neste método, os passes de solda da raiz e a quente são

depositados com eletrodos revestidos celulósicos adequados, enquanto os

passes de enchimento são realizados com eletrodos revestidos básicos. As

soldagens por arco submerso (SAW), a arco com proteção por gás e eletrodo

consumível (GMAW) e por arame tubular (FCAW) também podem ser

utilizadas.

Soldabilidade dos aços ARBL

Os aços ARBL são facilmente soldados devido ao seu baixo teor de

carbono e geralmente esses aços sofrem processos de soldagem tanto na

condição laminada quanto normalizada e sua soldabilidade é similar à dos aços

baixo carbono.

O advento do uso dos processos de soldagem em substituição ao

rebitamento como processo de junção exigiu a redução do teor de carbono de

todos os aços anteriormente utilizados para que se evitasse a porosidade e a

fragilização da ZAT.

A decisão tomada para se garantir os níveis de resistência mecânica dos

aços de médio e alto carbono, reduzindo-se as quantidades de carbono, foi a

de aumentar o teor de manganês e outros elementos de liga, embora não haja

nenhuma evidência de ganho de tenacidade. Dessa forma, o surgimento dos

aços ARBL foi difundido rapidamente graças às facilidades provenientes da sua

composição química.

Foi evidenciada a necessidade do aumento da tenacidade à fratura e ao

impacto desses aços e, essas averiguações foram confirmadas pela grande

ocorrência de falhas por fratura frágil nas estruturas soldadas.

Consequentemente houve a necessidade de obter baixa temperatura de

transição de impacto. Para se garantir essas propriedades e resultante

aumento da resistência ao escoamento foram reduzidos ainda mais os teores

de carbono enquanto o de manganês foi mantido em níveis bem elevados. As

vantagens de altas razões entre os teores de manganês e de carbono para a

tenacidade ao impacto são consideráveis, e finalmente passou a ser

considerado também, como requisito a obtenção de grãos finos.

Outra decisão tomada para se garantir boas propriedades à região da

solda do aço ARBL foi a introdução de elementos de liga refinadores de grão

como alumínio, nióbio, vanádio ou titânio e o resultado foi um aumento de

resistência ao escoamento de 225 para 300 MPa e uma redução na

temperatura de transição de impacto para valores inferiores a 0 ºC.

Posteriormente os esforços de desenvolvimento desses aços

concentraram-se em aumentar a conformabilidade, particularmente em

melhorar a ductilidade através da espessura e a tenacidade na placa. A

ocorrência de arranjos planares localizados de inclusões não metálicas não é

apenas prejudicial à tenacidade e ductilidade, mas também resulta num defeito

de soldagem denominado decoesão lamelar. Para resolver esse problema

passou-se a fazer uso intensivo de adições de zircônio, cério ou cálcio.

O principal mecanismo de endurecimento dos aços ARBL é o refino de

grão proveniente dos elementos de liga adicionados, porém, outro método para

elevação da resistência mecânica é o de precipitação de partículas em

temperaturas relativamente baixas na austenita, na interface ferrita-austenita

durante a transformação, e ferrita durante o resfriamento. A composição das

partículas que surgem são geralmente carbeto de nióbio, e o nitreto de vanádio

(que precipita na ferrita). Esse fenômeno é responsável pelas boas

propriedades observadas na ZAT em função dos ciclos térmicos

proporcionados pelo processo de soldagem.

Em muitos sistemas ocorre a precipitação interfase. Na transformação

de fase austenita -> ferrita, ocorre descontínuo decréscimo de solubilidade de

carbetos e nitretos. A nucleação e o crescimento de precipitados ocorrem na

interface austenita-ferrita, que normalmente se move descontinuamente. O

resultado é uma configuração na qual as partículas se formam nos planos das

interfaces e nas linhas desses planos. As linhas marcam antigas posições de

degraus nas interfaces.

O espaçamento de planos de precipitados decresce à medida que a taxa

de resfriamento aumenta. O crescimento das partículas ocorre por difusão do

nióbio na ferrita, que provavelmente é 100 vezes mais rápida na ferrita do que

na austenita. Na austenita a difusividade é dada por:

D = 400 exp (- Q/RT)

Onde Q = - 293 kJ/mol é a energia de ativação e R a constante

universal. D é a difusividade e T a temperatura.

Há evidências de que ocorre a nucleação de partículas de carbetos de

elementos de liga nas interfaces austenita-ferrita durante a transformação da

austenita. Estas interfaces dentro de um único grão de austenita são raramente

curvas, em geral são compostas por facetas planares unidas por degraus. Há

relação de orientação entre ferrita e austenita: os planos {111} da austenita são

paralelos aos planos {110} da ferrita e as direções <110> da austenita são

paralelas às direções <111> da ferrita, havendo ajuste entre os planos

compactos de ambos os reticulados cristalinos.

As partículas formadas durante precipitação interfase, ou na ferrita após

a transformação de fase, podem ser muito pequenas, da ordem de 5 nm, e

assim são muito efetivas como agentes endurecedores.

Os critérios para manter um alto nível de soldabilidade nos aços ARBL

são realmente a temperatura Mi e a dureza da martensita. Uma temperatura Mi

muito baixa e a dureza da martensita muito elevada levam à formação de

trincas na zona afetada pelo calor ou no metal de solda. Novamente é usual o

critério baseado no teor de carbono equivalente acima do qual a junta soldada

do aço pode apresentar trincas, devido à temperabilidade:

CE = C + Mn/6 + Si/24 + (Ni+Cu)/15 + (Cr+Mo)/10

Esta equação expressa os efeitos, observados empiricamente, destes

elementos na redução da temperatura Mi. Outra expressão semelhante

apresenta algumas variações:

CE = C + Mn/16 + Si/43 + (Ni+Cr)/28 + Mo/22

A efetividade relativa de cada elemento em ambas as expressões fica

aparente e novamente são claras as vantagens do baixo teor de carbono e alto

teor de manganês.

Outro problema provocado pela soldagem em aços ARBL é a baixa

ductilidade decorrente da presença de partículas de inclusões não metálicas,

que pode levar à fissuração durante o dobramento, à decoesão lamelar ou à

falta de ductilidade através da espessura em placas, ou a propriedades de

impacto inadequadas na direção através da espessura em placas. De um modo

geral a ductilidade diminui exponencialmente com o aumento da fração

volumétrica de partículas de segunda fase, principalmente se estas forem

inclusões não metálicas. O pior efeito ocorre quando estas inclusões são

alongadas na forma de linhas ou tiras, principalmente no caso de sulfetos como

o MnS. Este efeito nocivo ocorre mesmo no caso de inclusões com grande

plasticidade, não somente o MnS mas também óxidos. Quando as inclusões se

formam em regiões segregadas localmente, como no caso do MnS tipo II, os

arranjos planares alongados prejudicam muito a ductilidade e a tenacidade nas

direções transversais ou através da espessura.

Bibliografia

1- ASM, Metals Handbook – Welding and Brazing, American

Society for Metals, 8 a Edição, Vol. 6, 1971.

2- Site http://www.infomet.com.br/ (visitado dia 11/11/2011)

3- William C. Leslie, The Physical Metallurgy of Steels, McGraw –

Hill Book Company, Nw York, 1981, p. 189 – 201

4- F.B. Pickering, Physical Metallurgy and the Design of Steels,

Applied Science Publishers Ltd., London, 1978, p. 60 – 88.

5- Cary, H. B., Modern Welding Technology, Prentice-Hall, cap.

12-14, 1979.

6- Silva, J, L, C, Paranhos, R : Fissuração pelo Hidrogênio

“Trincas a Frio”, infosolda.