Apostila Metalurgia Soldagem

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5 Trincas

As trincas so um dos tipos mais graves de descontinuidade em uma junta

soldada, por serem fortes concentradores de tenses. Formam-se quando tenses de

trao (tenses transientes, residuais ou externas) se desenvolvem em um material

fragilizado, incapaz de se deformar plasticamente para absorver estas tenses.

Tenses de trao elevadas se desenvolvem na regio da solda como resultado das

expanses e contraes trmicas localizadas (associadas com o ciclo trmico de

soldagem), das variaes de volume devido a transformaes de fase e como

resultado das ligaes entre as peas sendo soldadas e o restante da estrutura. (12)

A fragilizao na regio da solda pode resultar de tratamentos trmicos, da

presena de elementos nocivos (como o hidrognio) e de mudanas microestruturais.

As trincas em soldas podem ocorrer na zona de fuso, na zona termicamente

afetada e no metal de base e podem ser macroscpicas ou microscpicas.

Diferentes tipos de trincas podem ser associados com a soldagem. So elas:

- Trincas a quente;

- Decoeso lamelar;

- Trincas por liquao na ZTA;

- Trincas a frio (ou induzidas por hidrognio). (12)

Neste trabalho sero analisadas as trincas a frio por meio dos testes de

soldabilidade Tekken e Implante, portanto apenas os tipos de trincas relacionados a

estes testes sero estudados.

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5.1 Trincas a frio ou induzidas por hidrognio

So chamadas trincas a frio, ou trincas induzidas por hidrognio, as

descontinuidades que ocorrem algum tempo aps a soldagem. Este fenmeno de

trincamento ocorre depois que a solda j est solidificada e pode levar minutos,

horas ou at mais tempo para surgirem, depois da solidificao do metal de solda.

s vezes o aparecimento destas trincas pode chegar a dezenas de horas aps a

soldagem e pode possuir tamanhos abaixo do limite de deteco dos ensaios no

destrutivos adequados, o que as torna muito perigosas. O tempo para a formao da

trinca aps o resfriamento depender da taxa de difuso do hidrognio naquela

microestrutura sob a influncia de tenso, num dado ponto. (13)

5.1.1 Condies necessrias para o aparecimento das trincas a frio

As trincas a frio esto geralmente associadas com a presena de hidrognio

em aos. As condies necessrias para que as trincas a frio ocorram so:

1) Tenses (carga externa ou tenso residual da soldagem);

2) Microestrutura suscetvel a trincas;

3) Presena de hidrognio;

4) Temperatura. (10, 26)

As condies acima apresentam a mesma importncia, mas dependendo da

situao, uma delas pode ser predominante. (9)

1) Tenses:

As tenses podem ser externas ou podem ocorrer a partir de contraes

trmicas durante o aquecimento e o resfriamento da solda, que so as tenses

residuais. As tenses internas (ou residuais) so causadas por contraes locais na

solda. Tenses locais tambm podem ser geradas pela transformao austenita-


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ferrita. As tenses residuais podem resultar em tenses da ordem do ponto de

escoamento na zona de fuso ou da ZTA. (14)

A presena de hidrognio pode abaixar o nvel de tenso para o qual a trinca

pode ocorrer. Quanto mais duro o material, maior a intensificao de tenses de

contrao, por causa da restrio, ou seja, a falta de liberdade para acomodao das

tenses impostas na solda pelas diferentes partes da junta. (26)

As tenses promovem a deformao plstica do material, que por sua vez,

aumenta o nmero de discordncias, que so responsveis pelo transporte do

hidrognio para as extremidades dos entalhes. (27)

Deve-se ainda levar em conta a ao dos esforos, como por exemplo,

concentrao de outras soldas. (27) A nucleao das trincas induzidas por hidrognio

tambm est associada a pontos concentradores de tenses, como por exemplo,

cantos vivos da raiz da solda, ou heterogeneidades microestruturais, que exibem

mudanas bruscas na dureza, tal como incluses de escria, interface ferrita-

martensita, ou ainda contornos de gros. Alm disso, o grau de concentrao de

tenses depende da forma das incluses. Incluses mais circulares geram menores

tenses que incluses alongadas. (9, 14)

2) Microestrutura suscetvel a trincas:

Uma microestrutura de elevada dureza na regio da solda aumenta a chance

de fissurao pelo hidrognio. Alm de sua menor ductilidade e tenacidade, esta

microestrutura reduz a capacidade de acomodao das tenses na regio da solda.

Desta maneira uma microestrutura macia capaz de tolerar, sem trincar, uma maior

quantidade de hidrognio que as mais duras. As microestruturas finais da junta

soldada dependem diretamente da temperabilidade e da taxa de resfriamento. (26, 28)

A temperabilidade do ao, e tambm a sua dureza, so governadas pela

composio qumica, ou seja, pela contribuio total dos elementos presentes no

ao. A temperabilidade pode ser calculada pelo carbono equivalente, que ser

explicado no captulo seguinte. (26)


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A taxa de resfriamento funo do aporte de calor, da temperatura de

preaquecimento, da espessura e da geometria da junta. De um modo geral, as

microestruturas formadas em baixas temperaturas de transformao no estado slido

e as resultantes de altas taxas de resfriamento ou baixa energia de soldagem so as

mais sensveis a trincas a frio, que o caso da martensita. (9, 26)

A martensita, que uma microestrutura de baixa tenacidade e a mais

suscetvel a trincas por hidrognio, quando saturada em hidrognio

consideravelmente frgil. O metal de solda, em virtude de sua composio qumica e

das condies trmicas da soldagem, pode gerar tais microestruturas. Nessas

condies e na fase final do resfriamento, o metal de solda apresentar regies

frgeis a baixas temperaturas, saturadas em hidrognio, submetidas a um sistema de

tenses residuais, cuja intensidade prxima do limite de escoamento da zona de

fuso. O mesmo pode ocorrer na zona termicamente afetada. (27)

3) Presena de hidrognio:

O hidrognio pode ser oriundo do revestimento orgnico dos eletrodos, da

umidade do fluxo, da umidade do ar, gordura, graxa, leos, compostos orgnicos,

tintas e contaminaes da superfcie. O hidrognio absorvido pela poa de fuso e

pode ser transferido, por difuso, para a ZTA. (26) Assim, importante manter os

eletrodos armazenados em lugares adequados e secos, promovendo a secagem em

estufa dos mesmos antes de utiliz-los. (9)

4) Temperatura:

O maior risco de ocorrer trincas induzidas por hidrognio quando a

temperatura est prxima da temperatura ambiente, j que estas ocorrem algumas

horas aps o trmino da soldagem. possvel, assim, evitar trincas a frio em uma

microestrutura suscetvel tomando medidas que reduzam a taxa de resfriamento e

aumentam a difuso do hidrognio, como o preaquecimento ou mantendo a


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temperatura suficientemente elevada pelo ps-aquecimento at que uma quantidade

suficiente de hidrognio j tenha difundido para fora da solda. (26)

Com o pr ou ps-aquecimento possvel fazer um controle da taxa de

resfriamento propiciando microestruturas de baixa dureza, diminuindo a

suscetibilidade de ocorrncia de trincas a frio. (9)

Kasuya (18) afirma que a temperatura ambiente pode afetar bastante a

suscetibilidade a formao de trincas induzidas por hidrognio. Quanto menor a

temperatura ambiente maior o preaquecimento mnimo para se evitar trincas a frio.

Assim, em locais frios o preaquecimento deve ser maior do que em locais quentes. (18)

5.1.2 Hidrognio na solda

Durante a soldagem, o hidrognio absorvido da atmosfera e das outras

fontes, pela poa de fuso. O hidrognio que pode ser fornecido pelas diferentes

fontes, se decompe na atmosfera do arco liberando hidrognio atmico ou inico.

Durante o resfriamento, uma parte desse hidrognio escapa por difuso do metal de

solda solidificado para a atmosfera, mas outra parte difunde para a zona

termicamente afetada ou permanece no metal de solda. O hidrognio formado que

no escapa para a atmosfera, fica retido na estrutura solidificada. (9, 26, 27)

Vale ressaltar que o hidrognio total contido na junta soldada a soma do

hidrognio difusvel, ou seja, aquele que mesmo na temperatura ambiente difunde

para a superfcie escapando do metal slido e do hidrognio residual, aquele que

difunde somente a temperaturas elevadas. O hidrognio mais perigoso para a

formao de trincas o hidrognio difusvel, pois pode escapar do metal de solda

para a ZTA, induzindo a formao de trincas na ZTA. J o hidrognio residual no

difunde pelo metal de solda, permanecendo preso no material por longos perodos de

tempo.

Se o teor de carbono do metal de solda (MS) for menor que o do metal de

base (MB), e conseqentemente o MS for mais macio que a ZTA, a temperabilidade

do MS se torna inferior da ZTA e ser mais difcil a formao de trincas induzidas


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por hidrognio no metal de solda, o que permite que o hidrognio migre para a ZTA.

Isto o que acontece no caso de aos C-Mn, que so formados por ferrita-perlita e

apresentam grande quantidade de carbono, geralmente maior que no MS. Caso a

temperabilidade do MS seja superior ou quando a estrutura for austentica, o

hidrognio fica retido no MS, isso ocorre para o caso de aos baixo carbono,

microligados e baixa liga e tambm os aos temperados e revenidos, que so aos de

maior resistncia. (22)

Por ser um elemento qumico de dimetro muito pequeno, o hidrognio pode

ser encontrado em soluo slida na estrutura cristalina dos metais e suas ligas e

mover-se por difuso no estado slido com relativa facilidade. A mobilidade do

hidrognio na rede cristalina dos metais alta quando comparada de outros tomos

e pode causar vrios problemas junta soldada. (9, 29)

A difusividade do hidrognio varia com a temperatura, com a composio e

a condio do material. Quanto mais alta a temperatura, maior a difusividade do

hidrognio. A difusividade do hidrognio nos aos ferrticos pode ser estimada a

partir das equaes 3, sendo que a primeira deve ser utilizada para temperaturas

abaixo de 200C e a segunda para temperaturas acima de 200C: (9, 26)

smmTR

D

smmTR

D

/32700exp12

/13400exp14,0

2

2

=

= (3)

O MS no estado lquido dissolve quantidades apreciveis de hidrognio e a

solubilidade decresce com a temperatura de forma contnua na solidificao e com a

transformao austenita-ferrita. Conseqentemente, na fase final do resfriamento, o

MS estar super saturado em hidrognio, conforme a figura 15. Isso ocorre quando o

MS menos tempervel que o MB. Neste caso, o hidrognio difunde do MS para o

MB, formando trincas na ZTA. (22, 27)


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J se o MS for mais tempervel que o MB, o hidrognio ir difundir no

sentido inverso, ou seja, do MB para o MS. Assim, as trincas por hidrognio se

tornam mais suscetveis no MS.

Figura 15: Variao do teor de hidrognio com a temperatura Curva de Sieverts. (9)

Alguns fatores contribuem para aumentar ou diminuir a facilidade com que o

hidrognio se solubiliza e/ou se difunde em materiais metlicos slidos

temperatura ambiente: composio qumica, estrutura cristalina, microestrutura,

subestrutura, taxa de deformao, presena de xidos na superfcie dos metais e

temperatura. (29)

A acumulao do hidrognio em stios da rede pode enfraquecer as ligaes

metlicas e nuclear uma trinca, a qual, sob condies apropriadas, se propagar e

levar fratura dos componentes metlicos contaminados. O resultado disto a

fragilizao pelo hidrognio. (29)

Tambm influenciam a facilidade do hidrognio de se acumular em stios

defeituosos da rede cristalina, ncleos das discordncias, vazios, lacunas e

interfaces. (29)

importante lembrar que o mecanismo de difuso depende da temperatura e

faz com que a maior parte do hidrognio em super saturao se difunda e abandone

o MS aps um determinado tempo. Portanto, o risco de fissurao temporrio,


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existindo enquanto o hidrognio estiver se desprendendo da solda. Portanto, um

tratamento de ps-aquecimento de juntas soldadas sensveis fissurao a frio pode

ser til para acelerar o processo de eliminao do hidrognio. (27)

5.1.3 Fontes de hidrognio

O hidrognio provm de componentes qumicos hidrogenados que se

dissociam na coluna do arco. Estes componentes so em sua maioria

hidrocarbonetos ou gua. Em ambos os casos, eles podem ser introduzidos no arco

pela contaminao de gases, eletrodos, fluxos na amostra, enquanto o vapor de gua

pode ser oriundo do prprio ar em ambientes midos. Entretanto, a fonte mais

importante de hidrognio o revestimento dos eletrodos ou o fluxo. (14)

O revestimento dos eletrodos consiste em minerais, substncias orgnicas,

ligas ferrosas e ps de ferro colados com, por exemplo, bentonita e silicato de sdio.

O revestimento celulsico o que gera maior quantidade de hidrognio, pois possui

elevada quantidade de substncia orgnica, cuja decomposio pelo arco gera

grandes quantidades de gases que protegem o metal lquido. J os revestimentos

bsicos no possuem substncias orgnicas em sua formulao e, se armazenados e

manuseados corretamente, produzem soldas com baixo teor de hidrognio,

minimizando os problemas de fissurao e de fragilizao induzidas por este

elemento. Alm disso, os eletrodos celulsicos e rutlicos no podem ser aquecidos a

temperaturas muito altas, por conterem substncia orgnica, ao contrrio dos

eletrodos bsicos, que podem ser aquecidos a temperaturas de 400-450C. (14) Assim,

no caso dos eletrodos celulsicos e rutlicos, o hidrognio gerado tanto pela gua

residual quanto pela celulose. Os eletrodos e os fluxos tambm no devem ser

expostos a atmosfera depois de aquecidos de modo a no absorverem gua.

A quantidade de hidrognio presente no metal de solda estabelecida pelo IIW

: (9, 14)

1. 0-5ml/100g de metal depositado -> quantidade muito baixa de hidrognio;

2. 5-10ml/100g de metal depositado -> quantidade baixa de hidrognio;

3. 10-15ml/100g de metal depositado -> quantidade mdia de hidrognio;


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4. Acima de 15ml/100g de metal depositado -> quantidade alta de hidrognio.

A literatura recomenda que a quantidade de hidrognio na solda deve ser

baixa ou muito baixa, a fim de se evitar as trincas por hidrognio.

5.1.4 Tipos de trincas provocadas pelo hidrognio

Do ponto de vista morfolgico, trincas a frio podem ser classificadas com

base na sua posio (zona termicamente afetada, metal de solda ou zona de fuso) e

na sua orientao (longitudinal ou transversal). (13) As trincas a frio normalmente

aparecem na ZTA, podendo tambm ocorrer, porm mais raramente, no MS de aos

de maior resistncia mecnica. (26, 27)

A seguir esto exemplificados alguns tipos de trincas induzidas por

hidrognio:

1- Trincas na zona termicamente afetada: trincas na zona termicamente afetada

so, quanto a posio, na maioria das vezes longitudinais. na ZTA que

encontramos trincas sob cordo (figura 16), que em geral aparecem paralelas

linha de fuso e tm a peculiaridade de no emergir na superfcie. Elas aparecem

com um alto grau de endurecimento e grande quantidade de hidrognio, que torna a

trinca possvel, mesmo com baixas tenses. (13)

Dois outros tipos de trincas longitudinais, trincas na margem e trincas de

raiz (figura 16) ocorrem com uma pequena quantidade de hidrognio porque elas

resultam do entalhe, no qual as tenses so concentradas e rene a quantidade de

hidrognio necessrio para a formao da trinca. (13) Estas trincas resultam de

entalhes como: mordedura, falta de penetrao e incluses, que promovem, atravs

da concentrao de tenses, deformaes plsticas locais que pem em movimento

as discordncias, que conduzem o hidrognio, aumentando a sua concentrao no

local, favorecendo a fissurao junto aos entalhes. (27)

Trincas transversais (figura 16) ocorrem mais raramente na ZTA, na

presena de martensita de alto carbono, e quando a configurao da junta permite a

predominncia de tenses longitudinais. (13)


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Figura 16: Tipos de trincas induzidas por hidrognio na ZTA.

2- Trincas no metal de solda: trincas a frio surgem no metal de solda quando

este apresenta dureza igual ou maior que o metal base, sendo, portanto mais difceis

de ocorrerem. Podem ser tanto longitudinais, devido ao efeito do entalhe na raiz,

como transversais, com orientaes perpendiculares ou inclinadas com relao

superfcie da solda. As trincas no metal de solda podem emergir ou no na

superfcie. Elas iniciam a partir de incluses ou porosidades que renem o

hidrognio necessrio para fragilizao, com a ajuda de tenses longitudinais. (13, 26)

As trincas no metal de solda podem ser intergranulares, transgranulares ou

uma mistura das duas. As trincas no metal de solda so geralmente transgranulares,

apesar de que em soldas com maior quantidade de elementos de liga, podem tambm

ser intergranulares. As trincas intergranulares so mais comuns em aos de alta

dureza, alto teor de carbono e alta liga. (26)

3- Soldas multi-passes: em soldas multi-passes, as condies que governam as

trincas a frio podem ocorrer ou no com cada passe. Mltiplos passes podem ser

completados sem uma nova trinca, por exemplo, uma trinca pode ser formada entre

o primeiro e segundo passe, mas a nova fuso causada pelo segundo passe pode

modificar parcialmente a aparncia dessa trinca inicial sem remov-la, enquanto o

ciclo trmico correspondente transforma a estrutura em volta. Tambm podemos ver


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trincas a frio aparecerem em um passe de solda, por causa de tenses de outros

passes. (13)

5.1.5 Variveis essenciais

5.1.5.1 Preaquecimento

possvel evitar trincas a frio em uma microestrutura suscetvel tomando

medidas que reduzam a taxa de resfriamento e aumentam a difuso do hidrognio,

como por exemplo, com o tratamento de preaquecimento. (5)

Com o aumento da temperatura no metal, ocorre uma expanso trmica. Em

seguida ocorre uma mesma quantidade de contrao trmica at o resfriamento, na

mesma faixa de temperatura. Assim, se o material no aquecido uniformemente,

como no caso da soldagem, deformaes inelsticas podem acontecer resultando em

distores at alcanar o resfriamento. (1,5)

Com o preaquecimento, o metal de base expandido e como o metal de

solda est se solidificando, a diferena de temperatura entre o metal de solda e o

metal de base menor, o que reduz a quantidade de deformaes e esforos

residuais que surgem na junta soldada. (1)

Entretanto, esse tratamento afeta a microestrutura resultante da junta soldada

e conseqentemente suas propriedades mecnicas. A estrutura do material pode ser

afetada pela taxa de resfriamento entre as temperaturas de 800 e 500oC (t8-5)

influenciando o tempo disponvel para difuso do hidrognio da junta soldada, na

faixa de temperatura de 300 at 100oC (t3-1). (1)

O preaquecimento aumenta a temperatura do metal prximo ao metal de

solda, de forma que o gradiente de temperatura (isto , a diferena de temperatura)

entre o metal de solda e sua vizinhana fique reduzido. Assim, a zona termicamente

aquecida resfria mais lentamente, visto que a taxa de resfriamento diretamente

proporcional ao gradiente de temperatura entre as massas quente e fria. (1, 5)


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5.1.5.2 Ps-aquecimento

Ps-aquecimento significa o aquecimento da junta soldada imediatamente

aps a soldagem ter sido realizada. possvel evitar trincas induzidas por

hidrognio mantendo a temperatura da junta soldada suficientemente elevada pelo

ps-aquecimento at que uma quantidade suficiente de hidrognio j tenha difundido

para fora da junta.

O ps-aquecimento tem a mesma funo do pr-aquecimento: mantm a

temperatura da pea em um nvel suficientemente elevado de tal maneira que a junta

soldada resfrie lentamente e uma maior quantidade de hidrognio tenha tempo de

difundir para fora da solda. Assim como no preaquecimento, o resultado uma

ductilidade maior na regio do metal de base. O ps-aquecimento raramente

aplicado de forma isolada, quase sempre conjugado com o preaquecimento. (12)

5.1.5.3 Tempo de resfriamento entre 800 e 500C

No intervalo de resfriamento entre 800C e 500C podem ocorrer

transformaes de fases importantes nos aos. Um maior perodo para este

resfriamento pode intensificar estas transformaes, e, neste caso, a microestrutura e

as propriedades mecnicas do ao dependem da t8-5.

Segundo Piza (22), o valor de t8-5 responsvel pela temperatura de incio de

transformao da austenita, e quanto maior for a taxa de resfriamento neste intervalo

de temperatura, menor ser a temperatura de incio da transformao e maior ser a

suscetibilidade formao de trincas a frio. Isto ocorre devido a alguns fatores:

1- microestrutura mais tensionada e dura devido a maior taxa de resfriamento;

2- menor tempo disponvel para difuso do hidrognio na estrutura ferrtica, j

que, conforme a figura 15, o hidrognio difunde mais rpido na ferrita do

que na austenita, assim, uma reduo na temperatura de incio de

transformao da austenita, diminui o tempo para que o hidrognio se

difunda na estrutura em que ele se difunde mais facilmente;


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3- menor intervalo para a difuso do hidrognio entre a temperatura de fuso e

a temperatura ambiente, com um resfriamento mais rpido.


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