Metal Soldagem

ASPECTO TÉRMICO DA SOLDAGEM

Considere um ponto da junta soldada, definido pela sua distância ao centro da solda e pela sua posição em relação à espessura. O calor da operação de soldagem provoca, neste ponto, variações de temperatura, como indica a Figura 13.

Figura 13 - Ciclo térmico no ponto A.

CICLO TÉRMICO E REPARTIÇÃO TÉRMICA

Figura 14 - Curva de repartição térmica.


Com as duas funções, torna-se viável o estudo das transformações metalúrgicas no estado sólido em uma junta soldada. O ciclo térmico possibilita a interpretação ou previsão das transformações, enquanto que a repartição térmica permite determinar a extensão das zonas onde se passam tais fenômenos.

As curvas temperatura-tempo, levantadas em diversos pontos ao longo de uma perpendicular à solda, têm a forma da Figura 15. À medida que o ponto considerado se afasta da solda, as temperaturas máximas são decrescentes e atingidas com certo atraso. O tempo de permanência acima de uma certa temperatura decresce no mesmo sentido.

Figura 15 - Ciclos térmicos em diversas distâncias da solda.


Teoricamente, as velocidades de resfriamento decrescem à medida que a distância x aumenta.

Entretanto, do ponto de vista prático, e para a faixa de temperatura onde ocorrem os fenômenos de têmpera, pode-se considerar a velocidade de resfriamento - ou o tempo de resfriamento - como constante em toda extensão da zona afetada termicamente.


A temperatura máxima e a velocidade de resfriamento, calculadas pelas fórmulas abaixo, são os parâmetros principais do ciclo térmico.

FATORES DO CICLO TÉRMICO

Da análise dessas fórmulas, pode-se concluir que: • A temperatura máxima atingida e a velocidade de resfriamento dependem das propriedades físicas do material que está sendo soldado; • A temperatura máxima atingida varia diretamente com a energia de soldagem, isto é, quanto maior a energia de soldagem, maior será a temperatura máxima atingida. É importante observar que o aumento da temperatura inicial da peça equivale, simplificadamente, a um aumento da energia de soldagem; • A temperatura máxima atingida varia inversamente com a distância ao centro da solda, isto é, quanto mais afastado da solda estiver o ponto considerado, menor será a temperatura máxima atingida. • A velocidade de resfriamento varia inversamente com a temperatura inicial da peça que está sendo soldada, isto é, quanto maior a temperatura inicial da peça, menor a velocidade de resfriamento. A influência da temperatura inicial é mais significativa em peças de pequena espessura;


• A velocidade de resfriamento varia diretamente com a espessura da peça que está sendo soldada, isto é, quanto maior a espessura, maior a velocidade de resfriamento. Entretanto, a variação tem um limite. A partir de uma determinada velocidade de resfriamento, por mais que se aumente a espessura, a velocidade de resfriamento não se altera. A velocidade de resfriamento limite varia de acordo com a energia de soldagem (ver Figura 16). • A velocidade de resfriamento varia em sentido inverso à energia de soldagem, isto é, quanto menor a energia de soldagem, maior a velocidade de resfriamento. A influência da energia de soldagem na velocidade de resfriamento é maior em espessuras finas. • A velocidade de resfriamento varia com a forma geométrica das peças. A figura 17 mostra os coeficientes de correção para a energia de soldagem e a espessura da peça a serem empregados no cálculo da velocidade de resfriamento, em função da geometria das juntas.


Figura 16 - Influência da energia de soldagem e da espessura no tempo de resfriamento.


Figura 17 - Coeficiente de correção para a energia de soldagem e espessura da peça em função das geometrias das juntas.

• O processo de soldagem define a energia de soldagem e, portanto, influencia tanto a temperatura máxima quanto a velocidade de resfriamento.

Deve-se observar que, quanto maior é a temperatura máxima atingida, maior é a extensão da zona afetada termicamente e que, quanto menor é a velocidade de resfriamento, menor é a possibilidade de têmpera.


ZONA FUNDIDA

TRANSFORMAÇÕES ASSOCIADAS À FUSÃO

Chama-se de fusão para um determinado metal a sua passagem do estado sólido para o estado líquido. Essa transformação se dá com aumento de calor ou energia térmica. Durante a fusão, o metal passa por um processo de aquecimento.

Durante a breve permanência no estado líquido, a solda sofre alterações em sua composição química, que podem ser atribuídas às seguintes causas:

ZONA FUNDIDA. TRANSFORMAÇÕES ASSOCIADAS À FUSÃO

A perda de metal fundido é considerável, quando a pressão de vapor do metal é elevada na temperatura de soldagem. Se a temperatura de soldagem é próxima do ponto de fusão, as perdas são desprezíveis, como é o caso da soldagem a gás ou TIG de metais considerados voláteis como o chumbo e o magnésio.

Na soldagem com eletrodo revestido ou MIG, onde a

temperatura é elevada, as perdas por volatilização podem ser apreciáveis. Estas perdas, além de acarretarem problemas de segurança quanto à inalação dos fumos produzidos, alteram a composição química da solda.

VOLATILIZAÇÃO

Um bom exemplo é a volatilização do titânio, que impede o seu uso como elemento estabilizante de soldas de aço inoxidável austenítico.

O manganês, o ferro, o cromo e o alumínio, se comportam de

modo semelhante, porém, em menor intensidade. Além da temperatura, a volatilização depende também do tempo de permanência em alta temperatura.

Assim, a transferência rápida de metal por pulverização (MIG) é

menos favorável à perda do que a transferência por gotas da soldagem com eletrodo revestido.

VOLATILIZAÇÃO

As reações químicas no metal líquido são prejudiciais quando provocam o desprendimento de gases, que poderão ficar aprisionados na solda, acarretando porosidades.

A reação entre o óxido de ferro e o carbono do aço (FeO + C ↔

Fe + CO) tem grande influência na qualidade das soldas. O óxido de ferro pode se formar em virtude do contato do metal

líquido com a atmosfera (por exemplo: na raiz de soldas não protegidas) ou do contato com gases ativos (por exemplo: gás CO₂ no processo MIG / MAG).

REAÇÕES QUÍMICAS

Os aços efervescentes têm a tendência de reiniciar a reação mostrada acima por ocasião da soldagem, a menos que atuem agentes desoxidantes.

Os agentes desoxidantes, possuindo alta afinidade com o

oxigênio, têm a função de reagir com o oxigênio, preferencialmente ao carbono, com o produto da reação, óxidos (*), sendo escorificados.

Têm essa função os elementos de adição (manganês, silício,

alumínio, etc...) presentes no revestimento ou na alma dos eletrodos na soldagem a arco.

Na ausência de elementos desoxidantes, e com a solidificação

rápida da solda, o monóxido de carbono formado pela reação entre o óxido de ferro e o carbono tenderia a ficar retido.

REAÇÕES QUÍMICAS

Os valores elevados dos limites de escoamento e resistência da zona fundida na soldagem com eletrodo revestido, MIG e arco submerso são consequências da adição de elementos desoxidantes.

Quando a adição é exagerada, como pode acontecer na soldagem a arco submerso, os teores elevados de Mn e Si aumentam a resistência (dureza) das soldas predispondo-as à corrosão sob tensão pelo H₂S + H₂O.

Merecem destaque as reações entre escória e metal líquido, que possibilitam a adição de elementos de ligas a partir de ferros-liga presentes nos revestimentos e fluxos.

É o caso dos eletrodos revestidos de aço carbono e aços liga, que são todos produzidos com alma de aço carbono efervescente.

REAÇÕES QUÍMICAS

O metal líquido da solda pode dissolver gases, notadamente o hidrogênio, resultante da decomposição do vapor d’água no arco elétrico.

O vapor d’água provém da umidade absorvida pelos fluxos e eletrodos, da água de cristalização de alguns componentes, e dos produtos da combustão de substâncias orgânicas constitutivas dos revestimentos.

A variação de solubilidade, como indica a Figura 18, e a rapidez da solidificação, na soldagem a arco, provocam a supersaturação da solda em hidrogênio. Nessa condição, pode ocorrer a fissuração a frio (ou sob cordão), como será visto no item 13.1.

Após o resfriamento, o hidrogênio tende a se liberar espontaneamente. Essa liberação se dá lentamente à temperatura ambiente, e é bem mais rápida à temperatura elevada.

ABSORÇÃO DE GASES

Figura 18 - Curvas de Sieverts. Variação da solubilidade de hidrogênio com a temperatura.

ABSORÇÃO DE GASES Exclusivo para inspetor N2

A composição química de uma solda não é a mesma especificada para o metal de adição depositado. O coeficiente de diluição ou simplesmente diluição, indica a participação do metal de base na constituição da zona fundida. (ver figura 19).

A - área da seção transversal da zona fundida. B - área de participação do metal de base na seção transversal

da zona fundida. d - diluição.

Figura 19 - Diluição

DILUIÇÃO

A diluição é função do processo de soldagem e do procedimento de soldagem (variáveis de soldagem). Por exemplo, com eletrodo revestido, a diluição é da ordem de 25 a 35%, enquanto que, na soldagem a arco submerso, pode atingir 50%.

A extrapolação das propriedades dos metais de adição é geralmente comprometida pela diferença de diluição entre a preparação dos corpos de prova de avaliação de propriedades do metal de adição, e as soldas propriamente ditas. Daí a necessidade de simulação e teste do procedimento de soldagem antes da fabricação de equipamentos (Qualificação do procedimento de soldagem).

Na soldagem de metais dissimilares, a diluição é um dado indispensável para a previsão dos constituintes e propriedades da solda. Um exemplo clássico é o emprego do diagrama de Schaeffler na soldagem dos aços inoxidáveis, que será discutido adiante.

DILUIÇÃO

SOLIDIFICAÇÃO DA ZONA FUNDIDA

Durante a solidificação de uma peça fundida, o molde tem a função de resfriador, não influenciando a formação da granulação do material, que vai depender principalmente da velocidade de resfriamento e do número de núcleos (ver Figura 5).

Em soldagem, porém, a estrutura de solidificação se desenvolve como um prolongamento dos grãos da zona de ligação. Os grãos se solidificam adotando a mesma orientação cristalina e o tamanho dos grãos parcialmente fundidos ou não fundidos.

Os contornos de grão ultrapassam a zona de ligação, assegurando a continuidade metálica ao nível da estrutura cristalina (ver Figura 20).

EPITAXIA

Figura 20 - Influência da orientação dos grãos do metal de base sobre a estrutura de solidificação da zona fundida.

Este comportamento, conhecido como epitaxia, mostra que o

tamanho de grão da zona fundida depende diretamente da granulação da zona afetada termicamente, que, por sua vez, é grosseira em virtude do superaquecimento a que é submetida.

EPITAXIA

A partir da orientação, predeterminada pelo metal de base, os grãos obedecem a um crescimento competitivo. Os grãos que dispõem da orientação principal perpendicular às isotermas (curvas traçadas por pontos à mesma temperatura) crescem com maior facilidade que os demais (Figura 21).

Figura 21 - Crescimento competitivo dos grãos.

CRESCIMENTO COMPETITIVO DE GRÃOS

Assim, a zona fundida, além da granulação grosseira, tem uma estrutura orientada conforme a curvatura das isotermas e a velocidade da fonte de calor ou, com maior precisão, da relação entre a velocidade de soldagem e a velocidade de solidificação (Figura 22).

Figura 22 - Orientação da estrutura da zona fundida em função da velocidade de soldagem.


A granulação grosseira e a orientação da estrutura exercem uma influência marcante sobre as propriedades mecânicas da zona fundida. Torna-se mais fácil a propagação da fratura frágil (transgranular), que se constata pela diminuição da tenacidade. A segregação da zona fundida pode ocupar uma posição desfavorável em relação às tensões de contração da solda. Também, descontinuidades do metal de base - por exemplo, a dupla laminação - podem se propagar pelo metal fundido em direção à superfície da peça.

É óbvio que essas considerações se referem à soldagem em um só passe. A regeneração estrutural, conseguida com a soldagem em vários passes, atenua estes inconvenientes.


O diagrama de equilíbrio mostra que, à medida que a solidificação progride, o líquido se enriquece em impurezas ou elementos de liga (ver Figura 23).

Figura 23 - Segregação da zona fundida: A - Segregação; B - Propagação de uma segregação (ou defeito) preexistente.

SEGREGAÇÃO

A segregação de fases de ponto de fusão (ou resistência) mais baixo que a solda é, geralmente, a causa da fissuração a quente, como será visto adiante.

A zona fundida, com grãos envolvidos por um filme líquido, não tem resistência mecânica suficiente para suportar as tensões de contração da solda. É o caso, por exemplo, das soldas de aço-carbono com teor de enxofre elevado e do aço inoxidável tipo AISI-347, onde a fase pré-fusível é constituída de Nb, C e N.

Observe que a estrutura de uma solda de deposição lenta (Figura 22), para uma mesma geometria de junta, é mais favorável à segregação e à fissuração a quente. Porém, em uma solda de deposição rápida (Figura 23), a segregação e a fissuração a quente podem ocorrer no eixo do cordão, atingindo um grande comprimento.

SEGREGAÇÃO

PREAQUECIMENTO

O preaquecimento consiste no aquecimento da junta numa etapa anterior à soldagem. Tem como principal efeito reduzir a velocidade de resfriamento da junta soldada, permitindo desta forma: • Evitar a têmpera, isto é, a formação de martensita (finalidade principal); • Aumentar a velocidade de difusão do hidrogênio na junta soldada, favorecendo o seu escape (finalidade secundária).

O preaquecimento faz com que a junta soldada atinja

temperaturas ligeiramente mais elevadas e que permaneça nestas temperaturas por mais tempo. Isto permite que o hidrogênio dissolvido, em sua maior parte na austenita, tenha possibilidade de se difundir. Intensiona-se com o preaquecimento, evitar a formação de martensita (finalidade principal), assim como reduzir a possibilidade de fissuração pelo hidrogênio.

PREAQUECIMENTO

O preaquecimento influencia também as tensões de contração da junta soldada. As tensões de contração normalmente diminuem com o preaquecimento. Entretanto, se a junta possuir um alto grau de restrição, as tensões de contração podem ser aumentadas, por preaquecimento localizado, aumentando a possibilidade da fissuração.

O preaquecimento tem como desvantagem aumentar a extensão da zona afetada termicamente. Em alguns materiais, caso não se controle convenientemente a temperatura, o preaquecimento pode ter um efeito bastante prejudicial. Um exemplo é a soldagem de aços com 16% de cromo, nos quais um preaquecimento excessivo pode propiciar a formação de fases de baixa tenacidade. Em materiais de alta temperabilidade como, por exemplo, os aços-liga, é bastante usual a utilização de preaquecimento.

PREAQUECIMENTO

PÓS-AQUECIMENTO

O pós-aquecimento consiste na manutenção da junta soldada a uma temperatura acima da temperatura ambiente por um determinado tempo, por exemplo, duas horas a 250°C, com o objetivo principal de aumentar a difusão do hidrogênio na solda. O pós-aquecimento deve ser executado tão logo a soldagem termine, de forma a não permitir o resfriamento da junta soldada. A eficiência do pós-aquecimento depende deste fato, pois o resfriamento da junta soldada permitiria a formação de fissuração pelo hidrogênio.

É conveniente salientar que o pós-aquecimento, por ser executado em temperatura relativamente baixa, não deve ser considerado como um tratamento térmico de alívio de tensões, pois, para tanto, seria necessário um tempo de permanência nesta temperatura extremamente longo.

PÓS-AQUECIMENTO

FISSURAÇÃO PELO HIDROGÊNIO OU FISSURAÇÃO A FRIO

A fissuração pelo hidrogênio é consequência da ação simultânea de quatro fatores:

• Hidrogênio dissolvido no metal fundido;

• Tensões associadas à soldagem;

• Microestrutura frágil;

• Temperatura (abaixo de 150°C).

A fissuração a frio somente ocorrerá com a manifestação desses quatro fatores ao mesmo tempo. Em outras palavras, nenhum desses fatores, isoladamente, provoca a fissuração a frio.

MECANISMO

O mecanismo da fissuração pode ser estabelecido em função dos seguintes pontos: • Compostos que contêm hidrogênio, como, por exemplo, o vapor

d’água, se decompõem na atmosfera do arco, liberando hidrogênio atômico ou iônico (H⁺).

As principais fontes de hidrogênio são: − Revestimento orgânico dos eletrodos; − Umidade absorvida ou adsorvida pelo revestimento dos

eletrodos, particularmente os de baixo hidrogênio; − Compostos hidratados existentes na peça, como, por

exemplo, a ferrugem; − Umidade do fluxo, na soldagem a arco submerso; − Umidade do ar.

MECANISMO

• A microestrutura de baixa tenacidade como, por exemplo, a martensita, quando saturada em hidrogênio, é consideravelmente frágil. A solda, em virtude de sua composição química e das condições térmicas da soldagem, pode gerar tais microestruturas. Nessas condições, e na fase final do resfriamento, apresentará regiões frágeis, a baixa temperatura, saturadas em hidrogênio e submetidas a um sistema de tensões residuais, cuja intensidade é próxima do limite de escoamento do metal de solda. A ação simultânea desses quatro fatores é responsável pelo

aparecimento de trincas, que se manifestam segundo os tipos apresentados na Figura 26 e também nas Figuras 27. A têmpera poderá ser inevitável, como no caso dos aços-liga ou por descuido, como por exemplo, em peças preaquecidas incorretamente.

MECANISMO

Figura 27 - Tipos de trincas provocadas pelo hidrogênio.

MECANISMO

Figura 27 A e B– Trinca sob o cordão (A) e Trinca na raiz (B).

MECANISMO

A

B

Figura 27 C e D – Trinca na margem do cordão (C) e Trinca transversal (D).

MECANISMO

C D

• Os entalhes, como, por exemplo, mordeduras, falta de penetração e inclusões, promovem, através da concentração de tensões, deformações plásticas locais, que põem em movimento as discordâncias (imperfeições da estrutura cristalina). O hidrogênio, conduzido pelas discordâncias, aumenta sua concentração local, favorecendo a fissuração junto aos entalhes. As trincas das Figuras 27 A e 27 C resultam desse fato.

• A maior parte do hidrogênio em supersaturação se difunde e abandona a solda após um tempo que, como em todo mecanismo de difusão, depende da temperatura. Os dados da tabela a seguir ilustram a difusão do hidrogênio à temperatura ambiente. A 250°C, o hidrogênio difusível é eliminado em poucas horas.

MECANISMO

Evolução do hidrogênio das soldas

MECANISMO

Por intermédio destes dados, vê-se que o risco de fissuração é temporário, existindo enquanto o hidrogênio estiver se desprendendo da solda. É evidente a vantagem do pós-aquecimento de soldas sensíveis à fissuração a frio, pois, nessas condições - por exemplo, a 250°C durante duas horas -, o hidrogênio é eliminado enquanto a temperatura da solda é bem superior à temperatura de transição.

• É útil destacar que o exame radiográfico não permite detectar

certos tipos de trincas, especialmente as sob cordão, sendo necessário o exame ultrassônico para detectá-las. Além disso, as trincas podem aparecer ou se propagar várias horas após a conclusão da soldagem, tornando recomendável a aplicação dos exames não-destrutivos com uma defasagem de 48 horas. Esta recomendação se aplica, é claro, às soldas sem pós-aquecimento.

• As medidas preventivas da fissuração pelo hidrogênio são agrupadas em torno de seus quatro fatores, a saber:

MECANISMO

MECANISMO

MEDIDAS PREVENTIVAS CONTRA A FISSURAÇÃO PELO HIDROGÊNIO: • Teor em hidrogênio: A atmosfera do arco deve ter o menor teor possível em hidrogênio. Os eletrodos de baixo hidrogênio foram desenvolvidos com este propósito. Entretanto, tais revestimentos são altamente higroscópicos. Em consequência disso, a secagem e o manuseio desses eletrodos são de importância fundamental na prevenção do problema. As exigências nesse sentido são tanto mais necessárias quanto maior for a umidade relativa no ambiente e mais críticos forem os outros três fatores. A secagem do fluxo, na soldagem a arco submerso, embora menos necessária face à maior energia de soldagem, é uma medida a ser considerada no caso dos fluxos básicos. • Microestrutura frágil: Quando pode ser evitada ou diminuída, é um dos recursos preventivos. O preaquecimento, o aumento da energia de soldagem, e a escolha do metal de adição de menor resistência possível contribuem para a redução do risco de fissuração. A alta severidade térmica das soldas provisórias - fixação de dispositivos de montagem - é, frequentemente, a origem de trincas.

MECANISMO

MEDIDAS PREVENTIVAS CONTRA A FISSURAÇÃO PELO HIDROGÊNIO: • Tensões de restrição: A soldagem com o menor grau de restrição possível é uma medida útil. O tensionamento das juntas soldadas contribui para a fissuração, especialmente se for levado em conta que a deformação plástica - através da movimentação das discordâncias - eleva a concentração de hidrogênio na extremidade dos entalhes. Assim, deve-se considerar a ação de esforço como, por exemplo: peso próprio, contração de outras soldas, testes de pressão, dispositivos para correção de deformações, etc. • Temperatura: Manter a solda a uma temperatura suficiente que permita a difusão do hidrogênio é uma medida que pode ser empregada. Isto pode ser feito por meio de preaquecimento, do controle da temperatura interpasse e de pós-aquecimento.

A adição de elementos de liga no aço é geralmente utilizada para melhorar as propriedades mecânicas e as propriedades de resistência à corrosão dos aços. Entretanto, isto é acompanhado pelo deslocamento das curvas TTT dos aços para a direita, isto é, mesmo com menores velocidades de resfriamento pode-se atingir a estrutura martensítica. Os elementos que afetam de modo mais significativo o deslocamento das curvas TTT são: C, Mn, Ni, Cr, Cu, Mo e V. O efeito destes elementos é, assim, muito importante na tendência de formação da estrutura martensítica na zona afetada termicamente e, portanto, na tendência à fissuração pelo hidrogênio. Essa tendência é chamada de carbono equivalente (CE) e pode ser expressa da seguinte forma:

CARBONO EQUIVALENTE (CE)

É importante observar que existem inúmeras expressões para o CE. A equação citada acima é uma das mais comuns (“International Institute of Welding” – IIW).

O CE é utilizado para a avaliação da soldabilidade relativa dos aços temperáveis quanto à fissuração pelo hidrogênio. Por exemplo, aços com CE > 0,40 necessitam de cuidados especiais para evitar a fissuração pelo hidrogênio.

CARBONO EQUIVALENTE (CE)

FISSURAÇÃO LAMELAR

Ocorre na forma de degraus paralelos à direção de laminação do metal de base e à linha de fusão, normalmente, em junta de ângulo. Localiza-se no metal de base, e é paralela e próxima à zona afetada termicamente (Figuras 28 e 29). Não resulta de um processo essencialmente metalúrgico; ocorre por um efeito termomecânico. Sua ocorrência está associada à presença simultânea de inclusões não-metálicas alinhadas na direção de laminação no metal de base e tensões trativas de soldagem perpendiculares ao eixo dessas inclusões.


Figura 28 - Tipo de trinca ocasionada por fissuração lamelar.


Figura 29 - Tipo de trinca ocasionada por fissuração lamelar.


Para se prevenir deste defeito, devem ser avaliadas: a qualidade / especificação do metal de base, a geometria da junta e a sequência de soldagem. As impurezas no metal de base são formadas basicamente de sulfetos de manganês. Elementos como o enxofre devem ser evitados, e elementos desoxidantes como o Mn e Si, além de aumentarem a tensão de escoamento e a resistência à tração nos aços, diminuem a possibilidade de ocorrência de trincas ou fissuração lamelar. De outro modo, deve ser realizada numa sequência que admita, tanto quanto possível, uma distribuição uniforme de calor.


Uma maneira de evitar que ocorra fissuração lamelar, na soldagem de cordão multipasse de metal, onde se suspeita ou é comprovada a presença de inclusões não metálicas, é o emprego da técnica de amanteigamento (conforme mostrado na figura 30). No amanteigamento, deposita-se sobre as partes a soldar uma camada de material mais dútil do que o que está se soldando. Esta medida faz com que as tensões de origem térmica geradas na soldagem sejam absorvidas por essa camada de metal depositado, evitando, assim, que haja deformação no metal de base capaz de ocasionar a de coesão das inclusões alinhadas e, portanto, a fissuração lamelar.


FISSURAÇÃO A QUENTE

A fissuração a quente resulta da segregação de fases de ponto de fusão mais baixo que o metal da zona fundida ou da zona afetada termicamente. Os grãos envolvidos por um filme líquido não dispõem de resistência mecânica e ductilidade suficientes para suportar os esforços devidos à contração da solda. O mecanismo da fissuração a quente é, hoje em dia, controvertido. O mecanismo descrito a seguir é um dos possíveis, sendo classicamente indicado como o formador da fissuração a quente.

As trincas são do tipo intergranular e se manifestam macroscopicamente, como indicam a figura 31 e também as figuras 32a e 32b.


Figura 31 - Tipos de trincas a quente.


As medidas preventivas estão relacionadas aos dois fatores principais da fissuração, isto é, a existência de uma pequena quantidade de fase pré-fusível e os esforços de contração.

Figura 6.32a e b - Tipos de trincas a quente - trinca longitudinal na ZF (a) e Tipos de trincas a Quente – trinca de cratera (b).


a b

O fósforo e o enxofre, em teores superiores a 0,04%, são os principais causadores da fissuração a quente dos aços-carbono e de baixa-liga. O fósforo, associado ao ferro, manganês, níquel e cromo, forma eutéticos de baixo ponto de fusão. O baixo ponto de fusão do sulfeto de ferro (FeS) é o responsável pela ação nefasta do enxofre.

No caso do fósforo, a solução consiste em limitar o seu teor. Atualmente, a maioria das soldas tem teores de fósforo situados entre 0,02 e 0,03%, atingindo, em alguns aços de alta resistência, valores inferiores a 0,01%. Além da limitação do seu teor, a influência do enxofre pode ser anulada pela adição de manganês. O sulfeto de manganês solidifica-se em forma de inclusões, evitando a formação do filme líquido que conduz à fissuração a quente. A quantidade de manganês deve ser 1,75 vezes maior que a de enxofre. A soldagem de chapas com carepa ou óxidos pode resultar na oxidação de parte do manganês, não permitindo a fixação de todo o enxofre. Nessas condições, a solda pode apresentar fissuras a quente.

FASE PRÉ-FUSÍVEL

O silício também aumenta a susceptibilidade à fissuração. Os teores limites dependem do tipo de aço; alguns aços são afetados com teores da ordem de 0,75%, outros toleram até 1,5%. Em soldas de alta resistência, o teor de silício é limitado em 0,35% pela sua ação prejudicial sobre a tenacidade como, por exemplo, nos eletrodos da série E 100.

A fissuração a quente assume uma importância fundamental na soldagem do níquel e suas ligas. A contaminação da solda com compostos sulfetados - como lubrificantes, produtos de corrosão, lápis indicador de temperatura - resulta na formação de sulfeto de níquel que se segrega no contorno dos grãos e nos espaços interdendríticos. Decorrem desse fato as exigências de limpeza na soldagem das ligas de níquel.

FASE PRÉ-FUSÍVEL

Estruturas totalmente austeníticas predispõem os aços inoxidáveis à fissuração quente. É o caso dos aços 25%Cr-20%Ni e 18%Cr-38%Ni. Constata-se também que pequenas quantidades de ferrita tornam o aço imune à fissuração. O teor adequado de ferrita depende do grau de restrição da solda e da quantidade e natureza dos elementos de liga ou impurezas presentes. Para os aços 18%Cr-10%Ni e 25%Cr- 12%Ni, o teor recomendável situa-se entre 3% a 8%.

Esse teor é obtido pela seleção do metal de adição, com o auxílio do diagrama de Schaeffler, como será visto adiante. Admite-se que a ação benéfica da ferrita esteja relacionada à sua posição nos contornos de grão e a maior solubilidade quanto aos elementos causadores da fase pré-fusível: fósforo, enxofre, nióbio, silício, oxigênio, entre os de pior reputação.

Os aços inoxidáveis austeníticos estabilizados com nióbio são também sensíveis à fissuração a quente.

FASE PRÉ-FUSÍVEL

A fissuração a quente é, em resumo, a incapacidade do metal de solda de se deformar sob a ação dos esforços inerentes à soldagem. Algumas medidas preventivas podem ser tomadas para reduzir os esforços atuantes sobre a zona fundida na fase inicial do resfriamento. A diminuição da energia de soldagem, usando-se eletrodos de pequeno diâmetro, é um exemplo. A soldagem com o mínimo de restrição à contração, ou a transferência dos esforços da zona fundida para dispositivos de montagem, são providências úteis.

O final da solda - a cratera - é uma região suscetível à fissuração, devido aos elevados esforços de contração resultantes da solidificação rápida (Figura 31). A extinção gradativa do arco elétrico por meio de dispositivo especial (“crater filler”) é a melhor solução. O esmerilhamento da cratera é outra solução.

Mesmo que as medidas preventivas sejam adotadas, é aconselhável a inspeção com líquido penetrante de cada camada das soldas sensíveis à fissuração a quente.

ESFORÇOS DE CONTRAÇÃO

TENSÕES RESIDUAIS E DEFORMAÇÕES EM SOLDAGEM

A soldagem, devido ao aquecimento localizado, provoca tensões residuais e deformações que devem ser levadas em conta no projeto e fabricação das peças.

TENSÕES RESIDUAIS E DEFORMAÇÕES EM SOLDAGEM

• Repartições térmicas mais estreitas - soldagem com baixa energia (“low heat input”) - reduzem a zona plastificada, diminuindo as deformações. A soldagem a gás, por exemplo, provoca maiores deformações que a soldagem a arco. Pela mesma razão, o preaquecimento tende a aumentar as deformações.

• A contração de solidificação não tensiona a peça soldada. Em vista disso, ao avaliar as deformações, devemos nos reportar às dimensões da zona plastificada e não da zona fundida da solda.

• As deformações podem ser evitadas, com a utilização de dispositivos de montagem; entretanto, deve-se considerar que, quanto maior o grau de restrição, mais elevadas são as tensões residuais de soldagem.

REPARTIÇÃO TÉRMICA E PLASTIFICAÇÃO

TRATAMENTOS TÉRMICOS

Para obter o controle metalúrgico de uma junta soldada e, por consequência, o controle das propriedades mecânicas, é necessário que se conheça os ciclos térmicos a que a junta soldada é submetida. Os tratamentos térmicos têm o objetivo de alterar ou conferir características determinadas à junta soldada.

TRATAMENTOS TÉRMICOS

O tratamento térmico de alívio de tensões consiste, de modo simplificado, em aquecer uniformemente a peça, de maneira que o limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores às tensões residuais. Nesta condição, as tensões residuais provocam deformações plásticas locais, diminuindo de intensidade.

O tratamento térmico de alívio de tensões é executado

através do aquecimento da peça à temperatura apropriada e pela manutenção nesta temperatura por um determinado tempo, seguida de um resfriamento uniforme, de modo a impedir a introdução de novas tensões. Para impedir mudanças na microestrutura ou dimensões da peça, a temperatura é mantida abaixo da temperatura crítica.

TRATAMENTO TÉRMICO DE ALÍVIO DE TENSÕES

Para os aços-carbono, somente os tratamentos realizados em temperaturas superiores a 500°C são realmente eficazes. Para cada tipo de aço, temperaturas específicas de tratamento são recomendadas.

O tratamento térmico de alívio de tensões pode

reduzir a tenacidade do metal de base. Isto se torna bastante relevante em ocasiões em que se faz necessária a execução do tratamento por mais de uma vez.

TRATAMENTO TÉRMICO DE ALÍVIO DE TENSÕES

A normalização consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica (temperatura A3 ou temperatura Acm), seguido de resfriamento ao ar. É necessário que toda a estrutura se austenitize antes do resfriamento.

O objetivo da normalização é a obtenção de uma microestrutura mais fina e uniforme. Os constituintes obtidos a partir da normalização do aço carbono são ferrita e perlita fina (aços hipoeutetóides), ou cementita e perlita fina (aços hipereutetóides). Dependendo do tipo de aço, pode-se, eventualmente, obter bainita (ver Figura 34).

NORMALIZAÇÃO

Figura 34 – Normalização de um aço hipoeutetóide.

NORMALIZAÇÃO

O recozimento consiste no aquecimento do aço acima da zona crítica (temperatura A3 ou temperatura Acm) durante o tempo necessário para que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento muito lento, mediante o controle da velocidade de resfriamento do forno. A microestrutura obtida nos aços carbono é a perlita grossa e ferrita (ver Figura 35).

Figura 35 – Tratamento Térmico de Recozimento.

RECOZIMENTO

A têmpera consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica durante o tempo necessário para que toda a microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento rápido. O objetivo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica resultando, por este motivo, no aumento da dureza e na redução da tenacidade da peça.

O revenimento é o tratamento térmico que normalmente acompanha a têmpera, pois atenua os inconvenientes produzidos por esta. O revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas bastante inferiores à temperatura crítica, permitindo certa acomodação do sistema cristalino e, como consequência, a diminuição da dureza e o aumento da tenacidade da peça. A estrutura resultante chama-se martensita revenida. (ver Figura 36)

TÊMPERA E REVENIMENTO

Figura 36 - Tratamento Térmico de Têmpera e Revenimento.

TÊMPERA E REVENIMENTO

A grande maioria de aços-carbono empregados como elementos soldados tem percentagem de carbono inferior a 0,29%. Esses aços podem ser soldados pelos processos usuais de soldagem. Geralmente, aços-carbono contendo teores de C ≤ 0,19% e de Mn ≤ 1,0% podem ser soldados satisfatoriamente, sem preaquecimento ou pós-aquecimento, em espessuras inferiores a 25 mm. Entretanto, em aços-carbono com teores de C > 0,20% e de Mn > 1,0%, devem-se especificar procedimentos de soldagem que resultem em baixos teores de hidrogênio dissolvido na solda.

SOLDAGEM DE AÇOS CARBONO

Quando a espessura da peça a ser soldada é maior que 25 mm, podem ser necessárias precauções adicionais na soldagem como, por exemplo, preaquecimento, controle da temperatura interpasse e tratamento térmico de alívio de tensões. Tais precauções visam evitar a fissuração, que pode ocorrer na zona fundida ou na zona afetada termicamente, e a redução das propriedades mecânicas da junta soldada.


Quando, além de grandes espessuras, o material possui teores elevados de C e Mn, as precauções com a soldagem devem ser mais rigorosas. Deve-se incluir nos procedimentos de soldagem cuidados que resultem em baixos teores de hidrogênio. Nesses casos, é desejável a utilização de processos com alta energia de soldagem e/ou preaquecimento.

É sempre necessária a limpeza da junta na etapa anterior a soldagem. O projeto da junta é especialmente importante na soldagem de grandes espessuras, já que afetam de modo relevante a qualidade, as deformações e o custo da soldagem.


Os aços-liga Cr-Mo são soldáveis pelos processos usuais de soldagem. A característica dos aços Cr-Mo de serem temperáveis ao ar requer que os procedimentos de soldagem sejam desenvolvidos com precaução, para evitar a fissuração pelo hidrogênio. No desenvolvimento destes procedimentos, devem ser considerados o controle do preaquecimento, o pós-aquecimento, a composição do metal de adição e os tratamentos térmicos após a soldagem.

SOLDAGEM DOS AÇOS Cr-Mo

Recomenda-se que o metal de adição tenha a mesma composição química nominal que o metal de base, exceto no teor de carbono, que deve ser menor no metal de adição.

Quando aços Cr-Mo de diferentes composições têm que ser soldados, pode-se utilizar a composição que contenha mais elementos de liga, ou metal de adição cuja composição seja igual ou superior à média dos teores de cromo dos metais de base.


Por exemplo, na soldagem de um aço com 1 1/4%Cr - 1/2%Mo com um aço contendo 1/2%Cr - 1/2% Mo, pode-se utilizar o metal de adição com 1 1/4%Cr - 1/2%Mo. Nesses casos, costuma-se freqüentemente utilizar metais de adição de aço inoxidável austenítico, principalmente em casos de reparo, nos quais a solda não pode sofrer tratamento térmico após soldagem.


O metal de adição de aço inoxidável austenítico tem uma excelente ductilidade e absorve as tensões de contração, além de reduzir a possibilidade de fissuração pelo hidrogênio, pois retém o hidrogênio, que tem alta solubilidade na austenita.

Entretanto, no caso das condições de trabalho cíclico ou em temperaturas que permitam a difusão do hidrogênio para o metal de base, não se recomenda à utilização de metal de adição de aço inoxidável austenítico, pois as diferenças entre os coeficientes de expansão térmica e as composições químicas entre o aço inoxidável austenítico e os aços-liga Cr-Mo são muito elevadas.


Em soldagem, é importante a avaliação da estrutura e o consequente conhecimento das propriedades de um depósito de solda de aços inoxidáveis. Esse conhecimento influi na escolha do processo adequado para a execução da soldagem, bem como na previsão e prevenção dos problemas que podem ocorrer, determinando também, em consequência, os tratamentos térmicos necessários, anteriores ou posteriores à soldagem.

O diagrama de Schaeffler é o principal instrumento para a avaliação do depósito de solda. Ele permite prever com antecedência a microestrutura de uma solda de liga Cr - Ni. Permite também escolher os eletrodos apropriados para cada soldagem, mesmo heterogênea, de aço-liga, aço-carbono, aço inoxidável ferrítico, austenítico, etc. Chega-se a comparar a importância do diagrama de Schaeffler para os aços inoxidáveis à importância do diagrama Fe – Fe₃C para os aços-carbono.

Para a utilização do diagrama de Schaeffler, é necessário calcular os seguintes parâmetros:

DIAGRAMA DE SCHAEFFLER

• Cromo Equivalente

É definido igualmente como a soma ponderada dos elementos alfágenos, e expressa sua influência de vários elementos químicos relativamente ao Cromo. Schaeffler o definiu como:

• Níquel Equivalente

É definido igualmente como a soma do teor de níquel e dos elementos gamágenos, multiplicados pelo fator que expressa sua influência relativamente ao níquel. Assim, Schaeffler definiu o teor de níquel equivalente como:


A parte mais importante do diagrama é a região austeno-ferrítica, onde se encontram várias curvas que expressam o teor de ferrita na estrutura. Essas linhas são de grande utilidade (vide diagrama na Figura 32).

Cromo Equivalente = % Cr + % Mo + 1,5 x % Si + 0,5 x % Nb

Figura 32 - Diagrama de Schaeffler.


Região 1 Abrange a região dos aços inoxidáveis ferríticos ao cromo, com

baixo teor de carbono. Nesta região, o problema é o crescimento irreversível dos grãos, quando permanecem por muito tempo a temperaturas maiores que 1150°C.

Região 2 Esta região abrange as estruturas martensíticas e parte das

estruturas mistas martensítica-austenítica e martensítica- ferrítica. Nesta região, o problema é a fissuração pelo hidrogênio.

Região 3 Esta região engloba todas as composições de ligas que têm

possibilidade de dar, após longo tempo de permanência em temperaturas na faixa de 500 – 900°C, aparecimento a uma fase chamada fase sigma, basicamente Fe - Cr, que tem como principal característica uma grande fragilidade à temperatura ambiente. A fase sigma, sendo formada basicamente por ferro e cromo, tem mais facilidade de se formar a partir da ferrita. Entretanto, ligas austeníticas também podem gerar fase-sigma.


Região 4

Essa região engloba basicamente as composições austeníticas. O problema que pode ocorrer nas soldagens de ligas, cuja composição esteja neste campo, é a fissuração a quente.

Região Central


Ao centro do diagrama, existe uma região que não pertence a nenhum dos quatro campos. As composições químicas que pertencem a essa região indicam que a liga está praticamente livre dos quatro problemas citados. O objetivo, então, é tentar fazer com que a composição química da zona fundida caia dentro dessa região, embora esse procedimento não resolva a situação para a zona afetada termicamente, cuja composição química é a do metal de base. Os parâmetros a controlar para a consecução desse objetivo são basicamente a escolha do metal de adição (eletrodo, fluxo, etc.) e o controle da diluição (participação do metal de base), possível pela seleção apropriada dos parâmetros do processo de soldagem utilizado.

Ainda que esse objetivo não seja atingido, o diagrama de Schaeffler fornece a indicação do problema principal a encontrar na soldagem, possibilitando-nos a prevenção (ou correção) necessária.

− Exemplo de aplicação do Diagrama de Schaeffler:

Verificar a composição da solda executada em uma tubulação de aço-liga ASTM A 335 Gr P5 no processo manual com eletrodo revestido austenítico AWS E 309-16 (ver Figura 33).

Composição química do aço A 335 Gr P5

% C ≤ 0,15 % Si ≤ 0,50

0,30 ≤ % Mn ≤ 0,60 4% ≤ % Cr ≤ 6%

P ≤ 0,030 0,45 ≤ % Mo ≤ 0,65

S ≤ 0,030


Composição do eletrodo E 309-16

% C ≤ 0,15 % Mn ≤ 2,5

22 ≤ % Cr ≤ 25 % Si ≤ 0,9

12 ≤ % Ni ≤ 14 % P ≤ 0,04

% S ≤ 0,03

Cálculo dos teores de Cr e Ni equivalentes

− Metal de Base

Creq máx. = 6 + 0,65 + 1,5 x 0,5 = 7,4%

Creq mín. = 4 + 0,45 + 1,5 x 0,5 = 5,2%

Nieq máx. = 0 + 30 x 0,15 + 0,5 x 0,6 = 4,8%

Nieq mín. = 0 + 30 x 0,15 + 0,5 x 0,3 = 4,65%


− Metal de Adição

Creq máx. = 25 + 1,5 x 0,90 = 26,35

Creq mín. = 22 + 1,5 x 0,90 = 23,35

Nieq max. = 14 + 30 x 0,15 + 0,5 x 2,5 = 19,75

Nieq mín. = 12 + 30 x 0,15 + 0,5 x 2,5 = 17,75


Figura 33 - Diagrama de Schaeffler.



Pelo diagrama, vê-se que há uma linha reta que liga os centros de gravidade dos retângulos correspondentes às composições químicas do metal de base e do metal de adição.

A composição química da zona fundida não será a do metal de adição, devido à diluição (participação do metal de base). Mas estará em algum ponto dessa linha reta, entre o metal de base e o eletrodo, dependendo do grau de diluição, que, por sua vez, depende dos parâmetros de soldagem, do processo e do passe de solda executado. Espera-se a diluição máxima para o passe de raiz, justamente onde há a maior probabilidade de defeitos.

Com uma diluição de até cerca de 45% vemos no diagrama que a estrutura da zona fundida será totalmente austenítica. Como a diluição normal obtida em uma soldagem a arco com eletrodo revestido é da ordem de 10 a 30%, portanto menor que 45%, não deve ser considerado o problema de têmpera e fissuração pelo hidrogênio, embora deva ocorrer têmpera em uma faixa da zona afetada termicamente. O problema que pode ocorrer é a fissuração a quente (região 4 do diagrama).

No passe de raiz, a estrutura já será totalmente austenítica, qualquer que seja a diluição, por exemplo, 30%.

Para o 2º passe, o metal de base já não será o da tubulação, mas uma mistura entre ele e o metal da zona fundida do 1º passe, prevalecendo este em proporção.


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