UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Soldabilidade de Algumas Ligas Metálicas
Prof. Paulo J. Modenesi
Maio de 2008
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Soldabilidade de algumas ligas metálicas, Notas de estudo de Eletromecânica
Soldabilidade de algumas ligas metálicas
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
1 / 26
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Soldabilidade de Algumas Ligas Metálicas
Prof. Paulo J. Modenesi
Maio de 2008
Soldabilidade de Algumas Ligas Metálicas
1. Soldabilidade:
A American Welding Society (AWS) define soldabilidade como “a capacidade de um material ser soldado nas condições de fabricação impostas por uma estrutura específica projetada de forma adequada e de se comportar adequadamente em serviço”. Esta definição coloca pontos importantes como: “o projeto é adequado?”, “e as condições e o procedimento de soldagem?” Uma definição alternativa, mais prática, seria: “a facilidade relativa com que uma solda satisfatória, que resulte em uma junta similar ao metal sendo soldado, pode ser produzida”.
A maioria das ligas metálicas são soldáveis, mas, certamente, algumas são muito mais difíceis de serem soldadas por um dado processo que outras. Por outro lado, o desempenho esperado para uma junta soldada depende fundamentalmente da aplicação a que esta se destina. Assim, para determinar a soldabilidade de um material, é fundamental considerar o processo e procedimento de soldagem e a sua aplicação. Assim, é importante conhecer bem o material sendo soldado, o projeto da solda e da estrutura e os requerimentos de serviço (cargas, ambiente, etc).
Com base nessas definições, para melhor determinar a soldabilidade, é interessante fazer algumas suposições:
- O metal base é adequado para a aplicação desejada, isto é, ele possui as propriedades adequadas e necessárias para resistir aos requerimentos da aplicação.
- O projeto da estrutura soldada e de suas soldas é adequado para o uso pretendido.
Baseado nestas suposições, é necessário, então, avaliar a própria junta soldada. Idealmente, uma junta deveria apresentar resistência mecânica, dutilidade, tenacidade, resistências à fadiga e à corrosão uniformes ao longo da solda e similares às propriedades do material adjacente.
Na maioria dos casos, a produção de uma solda envolve o uso de calor e/ou deformação plástica, resultando em uma estrutura metalúrgica diferente da do metal base. Soldas podem, também, apresentar descontinuidades como vazios, trincas, material incluso, etc. Três tipos de problemas inter-relacionados devem ser considerados:
- Problemas na zona fundida ou na zona termicamente afetada que ocorrem durante ou imediatamente após a operação de soldagem, como poros, trincas de solidificação, trincas induzidas pelo hidrogênio, perda de resistência mecânica, etc.
- Problemas na solda ou no material adjacente que ocorrem nas etapas de um processo de fabricação posteriores à soldagem. Incluem, por exemplo, a quebra de componentes na região da solda durante processos de conformação mecânica.
- Problemas na solda ou no material adjacente que ocorrem em um certo momento durante o serviço da estrutura soldada. Estes podem reduzir a eficiência da junta nas condições de serviço e incluem, por exemplo, o aparecimento e a propagação de trincas por diversos fatores, problemas de corrosão, fluência, etc.
Para se evitar estes problemas, é importante conhecer as possíveis complicações que os materiais podem apresentar ao serem soldados, os fatores do material, do projeto e do procedimento de soldagem que as afetam e a sua influência no comportamento em serviço da estrutura soldada.
Tabela 2 – Exemplos de designações de aços pelo sistema AISI-SAE.
Aços carbono Aço ligados
- 1006 0,08 max. 0,25-0,40 0,040 0,050 C N o SAE C Mn P (max) S (max) N o AISI - 1010 0,08-0,13. 0,30-0,60 0,040 0,050 C - 1015 0,13-0,18 0,30-0,60 0,040 0,050 C - 1016 0,13-0,18. 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1020 0,18-0,23. 0,30-0,60 0,040 0,050 C - 1022 0,18-0,23 0,70-1,00 0,040 0,050 C - 1025 0,22-0,28 0,30-0,60 0,040 0,050 C - 1030 0,28-0,34 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1040 0,37-0,44 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1045 0,43-0,50 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1050 0,48-0,55 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1055 0,50-0,60 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1060 0,55-0,65 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1065 0,60-0,70 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1070 0,65-0,75 0,60-0,90 0,040 0,050 C - 1074 0,70-0,80 0,50-0,80 0,040 0,050 C - 1320 0,18-0,23 1,60-1,90 0,040 0,040 0,20-0,35 -- -- -- SAE C Mn P (m) S (m) Si Ni Cr Outros AISI
- 1340 0,38-0,43 1,60-1,90 0,040 0,040 0,20-0,35 -- -- --
- 2317 0,15-0,20 0,40-0,60 0,040 0,040 0,20-0,35 3,25-3,75 -- --
- 2340 0,33-0,43 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 3,25-3,75 -- --
- 2512 0,09-0,14 0,45-0,60 0,025 0,025 0,20-0,35 4,75-5,25 -- -- E
- 3115 0,13-0,18 0,40-0,60 0,040 0,040 0,20-0,35 1,10-1,40 0,55-0,75 --
- 3140 0,38-0,43 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 1,10-1,40 0,55-0,75 --
- 3150 0,48-0,53 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 1,10-1,40 0,55-0,75 --
- 3315 0,08-0,13 0,45-0,60 0,025 0,025 0,20-0,35 3,25-3,75 1,40-1,75 -- E
- 4017 0,15-0,20 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 -- -- 0,20-0,30 Mo
- 4042 0,40-0,45 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 -- -- 0,20-0,30
- 4068 0,63-0,70 0,75-1,00 0,040 0,040 0,20-0,35 -- -- 0,20-0,30
- 4130 0,28-0,33 0,40-0,60 0,040 0,040 0,20-0,35 -- 0,80-1,10 0,15-0,25
- 4140 0,38-0,43 0,75-1,00 0,040 0,040 0,20-0,35 -- 0,80-1,10 0,18-0,25
- 4320 0,17-0,22 0,45-0,65 0,040 0,040 0,20-0,35 1,65-2,00 0,40-0,60 0,20-0,30
- 4340 0,38-0,43 0,60-0,80 0,040 0,040 0,20-0,35 1,65-2,00 0,70-0,90 0,20-0,30
- 4615 0,13-0,18 0,45-0,65 0,040 0,040 0,20-0,35 1,65-2,00 -- 0,20-0,30
- 4640 0,38-0,43 0,60-0,80 0,040 0,040 0,20-0,35 1,65-2,00 -- 0,20-0,30
- 4820 0,18-0,23 0,50-0,70 0,040 0,040 0,20-0,35 3,25-3,75 -- 0,20-0,30
- 5045 0,43-0,48 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 -- 0,55-0,75 --
- 5130 0,28-0,33 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 -- 0,80-1,10 --
- 50100 0,95-1,10 0,25-0,45 0,025 0,025 0,20-0,35 -- 0,40-0,60 -- E
- 52100 0,95-1,10 0,25-0,45 0,025 0,025 0,20-0,35 -- 1,30-1,60 -- E
- 6150 0,48-0,53 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 -- 0,80-1,10 0,15 min. V
- 8615 0,13-0,18 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 0,40-0,70 0,50-0,60 0,15-0,25 Mo
- 8740 0,38-0,43 0,75-1,00 0,040 0,040 0,20-0,35 0,40-0,70 0,40-0,60 0,20-0,30
- 9260 0,55-0,65 0,70-1,00 0,040 0,040 1,80-2,20 -- -- --
- 9440 0,38-0,43 0,90-1,20 0,040 0,040 0,20-0,35 0,30-0,60 0,30-0,50 0,08-0,15
- 9840 0,38-0,43 0,70-0,90 0,040 0,040 0,20-0,35 0,85-1,15 0,70-0,90 0,20-0,30
Outro sistema comumente utilizado para a classificação de aços e outras ligas metálicas é feito pela American Society for Testing and Materials (ASTM). Este sistema é publicado anualmente em um livro de normas ASTM que consiste de, pelo menos, 33 partes. Sete destas partes especificam metais: Part 1: Steel piping, tubings and fittings. Part 2: Ferrous castings-ferro-alloys. Part 3: Steel sheet, strip, bar, rod, wire, etc. Part 4: Structural steel, steel plate, steel rails, wheels, etc. Part 5: Cooper and cooper alloys. Part 6: Die-cast metals, light metals and alloys. Part 7: Nonferrous metals and alloys.
Outras partes cobrem materiais diversos como concreto, produtos químicos, materiais isolantes, papel, produtos de petróleo, combustíveis, borracha, etc. Três partes são relacionadas com testes: Part 30: General Test Methods. Part 31: Metals-Physical and Mechanical Non-destructive Tests. Part 32: Analytical Methods of Analysis.
As especificações ASTM para metais são identificadas por uma letra, A para ligas ferrosas e B para ligas não ferrosas. Após esta letra, um grupo de um, dois ou três dígitos indica o número da especificação, seguido por dois dígitos que indicam o ano de sua adoção formal. As especificações ASTM apresentam uma posição comum de fabricantes, usuários e outros grupos interessados em um dado tipo de produto ou material. Elas especificam as propriedades mecânicas do material e, em muitos casos, a sua composição química.
Outras organizações que especificam aços, cujos sistemas de especificação são usados algumas vezes em nosso país, incluem a American Society of Mechanical Engineers (ASME), o American Petroleum Institute (API) e o American Bureau of Shipping (ABS), além de diversas organizações normalizadoras nacionais como a British Standard (BS) e a DIN.
2.2. Soldagem de Aços Carbono e de Baixa Liga:
Aços carbono são ligas de ferro e carbono (até 2%C) contendo ainda, como residuais (de materiais primas ou do processo de fabricação), outros elementos como Mn, Si, S e P. Aços de baixo carbono têm um teor de carbono inferior a 0,15%. Aços doces (“ mild steels ”) contêm de 0,15 a 0,3%C. Aços de baixa liga têm uma quantidade total de elementos de liga inferior a 2%. Estes grupos de aços serão considerados neste item.
O maior problema de soldabilidade destes aços é a formação de trincas induzidas pelo hidrogênio, principalmente na zona termicamente afetada (ZTA). Outros problemas mais específicos incluem a perda de tenacidade na ZTA, ou na zona fundida (associada com a formação de estruturas de granulação grosseira, durante a soldagem com elevado aporte térmico, ou com a formação de martensita na soldagem com baixo aporte térmico) e a formação de trincas de solidificação (em peças contaminadas ou na soldagem com aporte térmico elevado). Ainda, em função de uma seleção inadequada de consumíveis ou de um projeto ou execução incorretos (ver item 1 - soldabilidade), podem ocorrer problemas de porosidade, mordeduras, falta de fusão, corrosão, etc.
após soldagem é recomendável. Na soldagem SMAW, eletrodos de baixo hidrogênio com sufixo C1 ou C2 (tabela 3) devem ser usados dependendo do teor de níquel do metal base.
Aços de Baixa Liga ao Manganês
Este grupo inclui os tipos AISI 1320, 1330, 1335, 1340 e 1345. Nestes aços, o teor de carbono varia de 0,18 a 0,48%, de manganês entre 1,6 e 1,9% e de silício entre 0,2 e 0,35%. Pré- aquecimento não é necessário para os menores teores de C e Mn. Para C > 0,25%, um pré- aquecimento entre 120 e 150ºC é necessário. Para maiores teores de C e Mn e para juntas de grande espessura, a temperatura de pré-aquecimento pode atingir 300ºC, sendo recomendado o uso de alívio de tensões. Eletrodos E80XX e E90XX com sufixo A1, D1 e D2 devem ser usados.
Tabela 3 - Código de composição química do metal depositado por eletrodos revestidos segundo a norma AWS A5.5. Designação Características Exxxx-A1 Eletrodos de aço C-Mo com 0,40 a 0,65%Mo. Exxxx-B1 Eletrodos de aço Cr-Mo com 0,40 a 0,65% de Cr e Mo. Exxxx-B2 Eletrodos de aço Cr-Mo com 1,00 a 1,50%Cr e 0,40 a 0,65%Mo. Exxxx-B2L Eletrodos de aço Cr-Mo com 1,00 a 1,50%Cr e 0,40 a 0,65%Mo e baixo teor de carbono (<0,05%).. Exxxx-B3 Eletrodos de aço Cr-Mo com 2,00 a 2,50%Cr e 0,90 a 1,20%Mo. Exxxx-B4L Eletrodos de aço Cr-Mo com 1,75 a 2,25%Cr e 0,40 a 0,65%Mo e baixo teor de carbono (<0,05%). Exxxx-B5 Eletrodos de aço Cr-Mo com 0,40 a 0,60%Cr e 1,00 a 1,25%Mo e <0,05%V. Exxxx-C1 Eletrodos de aço Ni com 2,00 a 2,75%Ni. Exxxx-C2 Eletrodos de aço Ni com 3,00 a 3,75%Ni. Exxxx-C3 Eletrodos de aço Ni com 0,80 a 1,10%Ni, <0,15%Cr, <0,35%Mo e <0,05%V. Exxxx-D1 Eletrodos de aço Mn-Mo com 1,25 a 1,75%Mn e 0,25- 0,45%Mo. Exxxx-D2 Eletrodos de aço Mn-Mo com 1,65 a 2,00%Mn e 0,25- 0,45%Mo. Exxxx-G Todos os outros eletrodos de aço baixa liga com
1,00%Mn mais diferentes teores de Ni, Cr, Mo e V. Exxxx-M Classes especiais ligadas a especificações militares.
Aços de Baixa Liga ao Cromo
Este grupo inclui os aços dos tipos AISI 5015, 5160, 50100, 51100 e 52100. Nestes aços, o teor de carbono varia entre 0,12 e 1,1%, o manganês varia entre 0,3 e 1,0%, o silício entre 0, e 0,3% e o cromo entre 0,2 e 1,6%. Aços com teor de C próximo de seu limite inferior podem ser soldados sem nenhum cuidado especial. Para maiores teores de carbono (e de cromo), a temperabilidade aumenta de forma pronunciada e pré-aquecimentos de até 400ºC podem ser necessários, particularmente para juntas de maior espessura. Eletrodos revestidos com sufixo B devem ser usados.
Os exemplos anteriores ilustram a importância de, na seleção de um consumível para aços de baixa liga, ajustar a resistência mecânica e a composição química do deposito de solda de acordo com as características do metal base. Contudo, nem sempre existe disponível um consumível capaz de depositar material com composição igual ao metal base, sendo preciso selecionar consumível o mais similar o possível e avaliar possíveis efeitos das diferenças de composição no comportamento da solda.
Aços Resistentes ao Tempo
Aços resistentes ao tempo (aços patináveis) são aços de baixa liga que podem ser expostos ao ambiente sem serem pintados, sendo protegidos por uma densa camada de óxido que se forma naturalmente. Devido a esta camada, a sua resistência a corrosão é quatro a seis vezes a resistência de aços estruturais ao carbono. Aços resistentes ao tempo são cobertos pela especificação ASTM A242. Nesta, limites mínimos de escoamento e de resistência de 350 MPa e de 420 MPa (70 ksi), respectivamente, são especificados.
Para os aços citados acima em geral, fórmulas de carbono equivalente (CE) são comumente usadas para estimar a necessidade de cuidados especiais na sua soldagem. Uma expressão de CE muito difundida é:
CE C Mn Mo Cr Ni Cu P = % + + + + + + % % % % % % 6 4 5 15 15 3
Preferencialmente, o CE deve ser calculado para a composição real do aço. Quando esta não é conhecida, os teores máximos na faixa da especificação do aço devem ser considerados por segurança. Um metal base é considerado facilmente soldável com o processo SMAW quando CE < 0,40. Acima deste nível, cuidados especiais são necessários. Processos de soldagem de baixo hidrogênio devem ser usados e pode ser necessário pré-aquecer a junta. Quando CE > 0,60, deve-se usar pré-aquecimento para juntas com espessura acima de 20mm. Quando CE > 0,90, um pré-aquecimento a uma temperatura elevada é absolutamente necessário para todos os casos, exceto para juntas de muito pequena espessura. A tabela 4 mostra valores típicos de temperatura de pré-aquecimento para diferentes tipos de aços e, também, para ferro fundido. Como a temperatura de pré-aquecimento depende de diversos fatores, os valores mostrados nesta tabela devem ser tomados apenas como uma referência inicial.
Na soldagem com arco submerso (SAW), a composição do depósito de solda deve, também, ser similar a do metal base. Um fluxo não ativo (que não coloca nem retira elementos de liga da poça de fusão) deve ser usado preferencialmente com aços de baixa liga. Em geral, a necessidade de pré-aquecimento é reduzida na soldagem SAW devido aos maiores aportes térmicos utilizados. Para garantir um baixo nível de hidrogênio, é importante utilizar um fluxo corretamente seco e limpar adequadamente o metal base na região da solda.
Na soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa (GMAW) de aços de baixa liga, a composição do eletrodo deve ser adequada para o metal base e o gás de proteção deve ser selecionado de forma a minimizar a queima (oxidação) do metal de solda. O nível de pré- aquecimento é similar ao usado com o processo SMAW.
Processos comumente utilizados na soldagem destes aços são SMAW, GMAW, SAW e FCAW (arame tubular), dependendo da disponibilidade de consumíveis. O processo TIG (GTAW) também é utilizado mas é restrito a juntas de menor espessura. Processos de alto aporte térmico, como a soldagem com eletro-escória, não são recomendados devido à perda de resistência mecânica que a junta pode sofrer em função da microestrutura formada. Qualquer que seja o processo de soldagem, é essencial garantir que o nível de hidrogênio na solda seja mínimo devido ao risco de formação de trincas. Isto significa a utilização de consumíveis de baixo hidrogênio, uma secagem adequada destes e a preparação de uma junta limpa.
Na soldagem SMAW, eletrodos de baixo hidrogênio da classe E11018 ou E12018 devem ser utilizados para garantir uma resistência mecânica adequada da solda. Para o processo GMAW, uma mistura de proteção Ar-2%O 2 é comumente usada. Arames de composição química especial (não cobertos usualmente por especificações da AWS) devem ser usados. A composição química do arame deve ser similar ao do metal base. Na soldagem SAW, um fluxo não ativo deve ser usado com um arame de composição similar ao metal base.
O aporte térmico depende da espessura da junta e das temperaturas de pré-aquecimento e entre-passes. Juntas de pequena espessura (25 mm) podem ser soldadas a temperaturas próximas da ambiente. Maiores espessuras precisam de um pré-aquecimento em torno de 100ºC e temperaturas maiores podem ser utilizadas para juntas com pequena liberdade de movimento (alta restrição) devido às elevadas tensões residuais que podem se desenvolver nestas condições. A tabela 5 mostra limites superiores de aporte térmico, sugeridos para aços da classe ASTM A514/A517. Na prática, estes limites podem variar para cada aço e uma boa prática é a consulta às recomendações do próprio fabricante do aço. Quando a soldagem é feita com um aporte térmico superior ao adequado, a junta soldada tende a apresentar menor resistência mecânica do que o metal base.
Tabela 5 - Limites superiores sugeridos para o aporte térmico (kJ/mm). Espessura da Pré-aquecimento (ºC) Junta (mm) Ambiente 95 150 205 5, 6, 12, 19, 25, 31,
Durante a soldagem destes aços, o procedimento de soldagem deve ser cuidadosamente seguido e técnicas operatórias que resultem em uma velocidade de resfriamento inadequadamente baixa devem ser evitadas. Assim, não se deve usar o tecimento dos cordões. Quando este não puder ser evitado, como na soldagem vertical ascendente, ele deve ser o menor possível, por exemplo inferior a dois diâmetros do eletrodo. Pelo mesmo motivo, cuidado extremo deve ser tomado para evitar que a temperatura entre passes ultrapasse o máximo especificado.
Aços Cromo-Molibdênio
Estes aços foram desenvolvidos para aplicações a temperatura elevada, sendo muito usados em tubulações que operam a alta pressão e temperaturas entre cerca de 370 e 600ºC. Nesta faixa de temperatura, os aços Cr-Mo mantém uma resistência mecânica adequada, além de não sofrerem problema de fluência nem de fragilização após longos períodos de uso. São comumente usados na condição normalizada ou temperada e revenida com a resistência mecânica à temperatura ambiente variando de 590 a 940 MPa. As composições comuns destes aços incluem: 1%Cr-1/2%Mo, 1-1/4%Cr-1/2%Mo, 2%Cr-1/2%Mo, 2-1/4%Cr-1%Mo e 5%Cr-1/2%Mo.
Os processos mais comumente usados para a soldagem de aços Cr-Mo são SMAW, GTAW e GMAW, embora arco submerso e arame tubular também possam ser usados. Para qualquer processo, é importante selecionar um metal de adição de composição similar ao metal base.
No processo SMAW, eletrodos com sufixo B são utilizados (tabela 3) variando de B1 para aços 1/2%Cr-1/2%Mo até B4 para o aço 2-1/2%Cr-1/2%Mo. Para maiores teores de liga são necessários eletrodos especiais, não cobertos pela especificação da AWS. Eletrodos devem ser sempre de baixo hidrogênio os quais podem ter características operatórias que dificultam a realização do passe de raiz em tubulações.
Boa parte da soldagem destes aços é feita em tubulações para as quais o passe de raiz é comumente feito pelo processo GTAW e os outros passes por um outro processo.
O procedimento de soldagem deve incluir pré-aquecimento e, muitas vezes, pós-aquecimento em função da temperabilidade destes aços. Temperaturas de pré-aquecimento de até 370ºC podem ser usadas. Para um teor de carbono inferior a 0,2% e espessura menor que 9,5mm, a soldagem pode ser feita com um pré-aquecimento mínimo (40ºC). Maiores teores de carbono e maiores espessuras exigem pré-aquecimento a maiores temperaturas.
Tratamento térmico após soldagem deve ser feito para teores de carbono acima de 0,2% e espessuras superiores a 13 mm. Temperaturas de tratamento térmico variam de 620 a 705ºC, as menores temperaturas sendo usadas para as menores espessuras. No caso de interrupção da soldagem antes de seu término, a junta deve ser resfriada lentamente e tratada termicamente antes do reinício da soldagem.
Quando diferentes tipos de aços Cr-Mo são soldados, as condições de pré-aquecimento e de tratamento térmico são determinadas pelo aço de maior teor de liga, mas o metal de adição pode ser selecionado com base no metal base menos ligado.
2.4. Soldagem de Aços Inoxidáveis:
Aços inoxidáveis são ligas ferrosas de excelente resistência à corrosão em diversos ambientes. São basicamente ligas Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni, podendo conter, ainda, elementos como C, N, Mo, Mn, Nb, Ti, etc, seja como elementos de liga seja como residuais. A forma mais usual de classificar estes materiais baseia-se na sua microestrutura usual, resultante do balanço de elementos de liga e dos tratamentos térmicos e mecânicos aplicados, isto é:
(a) Aços inoxidáveis ferríticos : São ligas Fe-Cr, com teor de cromo, em geral, entre 11 e 30% e um teor de carbono relativamente baixo, em geral inferior a 0,12%. O tipo mais comumente usado deste aço é o AISI 430. Estes aços não são temperáveis e sua
minimizar contaminações que deteriorem a sua resistência à corrosão. Cuidados com a forma do cordão também são muito importantes, uma vez que irregularidades superficiais podem se tornar pontos de acúmulo de sujeira e início de corrosão. Adicionalmente, as diferenças de propriedades físicas entre os aços comuns e os inoxidáveis, implicam em diferenças nos procedimentos de soldagem. As principais diferenças de propriedades são:
- Menor temperatura de fusão.
- Menor condutividade térmica.
- Maior coeficiente de expansão térmica.
- Maior resistência elétrica.
Aços Inoxidáveis Austeníticos
Todos os aços austeníticos são relativamente simples de soldar, com exceção dos aços com adição de enxofre para usinagem fácil. Os aços austeníticos apresentam coeficiente de expansão térmica maior (cerca de 45%), maior resistência elétrica e menor condutividade térmica que os aços doces. Nos aços com teor de carbono superior a 0,06%, carbonetos podem ser precipitados nos contornos de grão da ZTA, durante o ciclo térmico de soldagem, prejudicando a resistência à corrosão. Para minimizar este problema e, também, problemas de distorção, recomenda-se soldar estes aços com uma maior velocidade de deslocamento. Devido à menor temperatura de fusão destes aços e sua menor condução de calor, a corrente de soldagem é usualmente menor que a usada em aços doces. Um maior coeficiente de expansão térmica torna maior a tendência à distorção na soldagem destes aços e levam à necessidade da adoção de técnicas para a sua redução. Para chapas finas, dispositivos de fixação e um ponteamento cuidadoso são, em geral, uma necessidade. Dependendo de sua composição química (maior quantidade de elementos gamagênicos), o metal de solda pode solidificar-se com uma estrutura completamente austenítica. Nestas condições, a solda é muito sensível ao aparecimento de trincas durante a solidificação. Este problema é minimizado pela seleção de metal de adição que possibilite uma estrutura austeno-ferrítica na solidificação e resulte em cerca de 4 a 10% de ferrita na solda à temperatura ambiente. Nos casos em que a seleção de um consumível deste tipo não seja possível, isto é, havendo a necessidade de uma estrutura completamente austenítica na solda (em ambientes altamente corrosivos ou em aplicações criogênicas, por exemplo), eletrodos com baixos teores de enxofre e fósforo e uma elevada relação Mn/S devem ser usados junto com um procedimento de soldagem que minimize o nível de tensões na solda.
Aços Inoxidáveis Ferríticos
Estes aços apresentam coeficiente de expansão térmica similar aos aços doces, tendo, portanto, menor tendência à distorção. Apresentam, contudo, sérios problemas de perda de dutilidade e tenacidade e de resistência à corrosão da região da solda devido à formação de uma estrutura de granulação grosseira, à precipitação de carbonetos e nitretos e à formação de uma rede de martensita ao longo dos contornos dos grãos de ferrita. Estes problemas limitam, para a maioria dos aços ferríticos, a utilização da soldagem para aplicações de pequena responsabilidade. Nestes casos, para algumas aplicações, pode-se utilizar metal de adição austenítico para restringir estes problemas à ZTA da solda. Novos tipos de aços inoxidáveis ferríticos com extra baixo teor de elementos intersticiais (C+N < 0,03%) e adições de Nb ou Ti (elementos que se ligam fortemente aos elementos intersticiais reduzindo a sua influência negativa durante a soldagem) têm desenvolvidos. Estes aços apresentam um comportamento melhor para a soldagem e têm sido utilizados em aplicações que envolvem soldagem como em tubulações, trocadores de calor e sistemas de escapamento de automóveis..
Aços Inoxidáveis Martensíticos
Aços inoxidáveis martensíticos de baixo teor de carbono podem ser soldados sem maiores problemas. Aços com teor de carbono acima de 0,15% tendem a ser temperáveis ao ar e, assim, é necessário o uso de pré-aquecimento e, frequentemente, de pós-aquecimento para a sua soldagem. Temperatura de pré-aquecimento varia usualmente entre 230 e 290ºC. O Pós- aquecimento deve ser feito imediatamente após a soldagem, entre 650 e 760ºC, seguido de resfriamento lento até a temperatura ambiente. Pré-aquecimento ou pós-aquecimento deficientes levam à formação de trincas de têmpera na região solda, potencializadas pela presença de hidrogênio. Quando o pré-aquecimento for impossível, metal de adição inoxidável austenítico deve ser usado.
Aços Inoxidáveis Duplex
Estes aços tendem a ser facilmente soldáveis desde que cuidados necessários sejam tomados. Em particular, um resfriamento muito rápido potencializa um teor muito elevado de ferrita e a precipitação de nitretos de cromo na ZTA e ZF, o que prejudica a tenacidade e a resistência à corrosão da solda. Por outro lado, um resfriamento muito lento e a manutenção por tempos longos a temperaturas entre cerca de 1000 e 600o^ C pode levar a precipitação de compostos intermetálicos que também prejudicam as propriedades mecânicas e químicas da solda. Assim, o controle da energia de soldagem e da temperatura de pré-aquecimento é muito importante para estes materiais. Para reduzir a quantidade de ferrita na ZF, o uso de uma mistura Ar-N 2 como gás de proteção é comum.
Metal de adição de aço inoxidável (principalmente austenítico) é comumente usado na soldagem de outros tipos de aços, na união de aços inoxidáveis com outros aços e na fabricação de revestimentos protetores contra a corrosão ou contra diversos tipos de desgaste. Para a previsão da microestrutura da solda e da possibilidade de ocorrência de problemas, diagramas constitucionais empíricos são muito utilizados. Destes, o mais conhecido é o Diagrama de Schaeffler (figura 1), existindo, contudo, diversos outros (Diagrama de DeLong, do WRC 1986, etc). Estes diagramas permitem prever a microestrutura da solda a partir de sua composição química, expressa em termos de equivalentes de cromo (Creq ) e de (Nieq ).
A figura 2 mostra o diagrama de Schaeffler indicando áreas típicas de problemas na soldagem de aços inoxidáveis. De forma resumida, estes problemas são:
- Solidificação com uma estrutura completamente austenítica com uma elevada sensibilidade à formação de trincas durante a solidificação ou por perda de ductilidade acima de 1250ºC;
- Aços com elevado teor de elementos de liga levando à formação de fases intermetálicas após aquecimento entre cerca de 450 e 900ºC e, com isto, à sua fragilização;
- Aços com estrutura ferrítica capaz de sofrer um grande crescimento de grão na ZTA e ZF, sendo, desta forma, fragilizados;
- Aços de elevada temperabilidade com a formação de martensita na ZTA e ZF causando fragilização e fissuração pelo hidrogênio e por formação de martensita.
Figura 2 Regiões problemáticas típicas na soldagem de aços inoxidáveis: (1) Formação de trincas de solidificação ou por perda de ductilidade acima de 1250ºC; (2) fragilização por formação de fases intermetálicas após aquecimento entre cerca de 450 e 900ºC; (3) fragilização por crescimento de grão; e (4) fragilização e fissuração por formação de martensita.
Figura 3 - Diagrama de Schaeffler mostrando os pontos correspondentes ao metal base (MB), metal de adição (MA) e a solda (ZF), ver texto.
2.5. Soldagem de Ferros Fundidos:
Ferros fundidos são ligas com teores de carbono, em geral, superiores a 2% que se solidificam com a formação de um constituinte eutético. Além do carbono, este material contem teores variados de silício, manganês, fósforo e enxofre e, em alguns casos, de cromo, níquel, molibdênio, titânio e outros elementos. A tabela 6 mostra a faixa de composição típica dos diferentes tipos de ferro fundido não ligados.
Tabela 6 – Faixa típica de composição química (% em peso) de ferros fundidos não ligados.
C Si Mn S P Branco 1,8-3,6 0,5-1,9 0,25-0,8 0,06-0,2 0,06-0, Maleável 2,2-2,9 0,9-1,9 0,15-1,2 0,02-0,2 0,02-0, Cinzento 2,5-4,0 1,0-3,0 0,2-1,0 0,02- 0,
Nodular 3,0-4,0 1,8-2,8 0,1-1,0 0,01- 0,
Vermicula r
Os ferros fundidos brancos não têm praticamente nenhum carbono livre, estando este elemento na forma de cementita ou de outro carboneto (nos ferros fundidos ligados). O constituinte eutético, formado na solidificação deste material, é formado de cementita e austenita (que, no resfriamento, se transforma em perlita) e é conhecido como ledeburita. Devido à grande quantidade de carboneto existente neste material e, eventualmente, a presença de martensita, este tipo de ferro fundido apresenta uma elevada resistência ao desgaste, particularmente quando ligado, mas possui uma dutilidade quase nula. A formação do ferro fundido branco é favorecida por baixos teores de Si e de outros elementos que favorecem a formação de grafite como Ni e Cu, pela presença de elementos que inibem a formação de grafite, como B, N, S, Cr, V, Mo e Mn, e por um resfriamento mais rápido.
Os ferros fundidos maleáveis são basicamente ferros fundidos branco de composição adequada que são submetidos a um recozimento de longa duração no qual os carbonetos são decompostos, sendo formados nódulos de grafite uma forma aproximadamente esférica. Esta transformação possibilita uma melhoria substancial da dutilidade do material.
Os ferros fundidos cinzentos têm, em geral, teor de silício acima de 1,5%, o que favorece a formação de grafite na solidificação e, em parte, enquanto a material está ainda na forma austenítica. A grafite tem uma forma típica de flocos finos que aparecem, em uma metalografia, como veios pontiagudos. Esta microestrutura favorece a propagação de trincas e prejudica a dutilidade deste material. A superfície de fratura, devido à grafite, tem um aspecto cinza característico e responsável pela denominação deste ferro fundido.
Os ferros fundidos nodulares têm composição similar aos dos ferros fundidos cinzentos exceto pelo seu menor teor de enxofre. Para estes material, a sua inoculação, antes da solidificação, com pequenas quantidades de Mg ou Cério modifica radicalmente a geometria dos flocos de grafite que se tornam aproximadamente esféricos. A matriz deste ferro fundido, dependendo de suas condições de processamento pode ser perlítica ou ferrítica. A forma dos nódulos de grafite, que não atuam como fortes concentradores de tensão e iniciadores de
mais do que 50-100o^ C/h) dificultando a formação de ledeburita e de martensita na ZF e ZTA. Os principais processos de soldagem usados neste tipo de procedimento são OFW, SMAW e FCAW.
No segundo método, a soldagem é, em geral, feita sem pré-aquecimento ou com um pré- aquecimento mínimo com a deposição de passes curtos e espaçados e com uma baixa energia de soldagem de modo a minimizar a extensão das regiões afetadas pela soldagem. Martelamento ( da solda ) pode ser, em alguns casos, usado para reduzir o nível das tensões residuais. Eletrodos podem ser de metais não ferrosos (ligas de níquel ou de cobre) ou de aço. No primeiro caso, o material não dissolve o carbono nem forma carbonetos, mantendo a ZF dútil e macia. Eletrodos de aço podem ser de aço inoxidável austenítico ou de aços especiais com elevado teor de elementos formadores de carboneto. Neste caso, o depósito tende a ter uma dureza mais elevada, não sendo, em geral, usinável. O método é usualmente realizado com o processo SMAW.
2.6. Soldagem de Metais Não Ferrosos:
2.6.1. Alumínio e suas ligas:
O alumínio é um metal caracterizado por sua baixa densidade, baixa resistência mecânica (embora tratamentos térmicos e mecânicos, particularmente para certas ligas de Al, possam levar a níveis razoavelmente elevados de resistência mecânica), boa resistência à corrosão e elevadas condutividades térmica e elétrica. Existe um grande número de ligas de alumínio que podem apresentar um amplo espectro de propriedades. Estas ligas são classificadas geralmente por um sistema de quatro dígitos desenvolvido pela Aluminum Association, tabela
Tabela 8 – Designação para grupos de ligas de alumínio.
Elementos de liga principais Designação Alumínio comercialmente. puro (>99,0%Al) 1XXX Cobre 2XXX Manganês 3XXX Silício 4XXX Magnésio 5XXX Magnésio/Silício 6XXX Zinco 7XXX Outros elementos 8XXX
Algumas ligas de alumínio (principalmente dos grupos 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX) não são tratáveis termicamente enquanto outras (principalmente dos grupos 2XXX, 6XXX e 7XXX) podem ser tratadas termicamente. As ligas não endurecíveis por tratamento térmico podem ser endurecidas por solução sólida e por encruamento. Para as ligas tratáveis termicamente, o principal tratamento é o de solubilização e envelhecimento para causar endurecimento por precipitação. Este tratamento pode ser combinado com um encruamento antes do envelhecimento para maximizar o ganho de resistência mecânica. A condição ou estado da liga de alumínio pode ser indicado por um conjunto de letras e números colocados ao final de sua classificação. A designação da condição para ligas não tratáveis termicamente
é mostrada, de forma resumida, na tabela 9. A designação para ligas tratáveis é mostrada, também de forma resumida, na tabela 10.
Tabela 9 – Designação da condição de ligas não tratáveis termicamente. Designação Condição -O Recozido (para produtos trabalhados mecanicamente e recozidos até o maior amaciamento possível). -F Como fabricado (para produtos processados sem um controle específico das condições de fabricação). -H1* Encruado (para produtos trabalhados a frio sem recozimento posterior). -H2* Encruado e parcialmente e parcialmente recozido (para produtos encruados acima da resistência desejada e parcialmente recozidos até a resistência desejada). -H3* Encruado e estabilizado (para produtos tratados a baixa temperatura para reduzir ligeiramente a sua resistência e evitar o seu amaciamento progressivo à temperatura ambiente).
- Dígitos colocados após estas designações indicam a severidade do tratamento.
Tabela 10 – Designação da condição de ligas tratáveis termicamente. Designação Condição -O Recozido (para produtos recozidos até o maior amaciamento possível). -F Como fabricado (para produtos processados sem um controle específico das condições de fabricação). -W Solubilizado (para produtos submetidos ao tratamento de solubilização). -T1* Envelhecido (Produto resfriado da temperatura de trabalho a quente e envelhecido naturalmente até uma condição bem estável). -T2* Envelhecido (Produto resfriado da temperatura de trabalho a quente, encruado e envelhecido naturalmente até uma condição bem estável). -T3* Envelhecido (Produto solubilizado, encruado e envelhecido naturalmente até uma condição bem estável). -T4* Envelhecido (Produto solubilizado e envelhecido naturalmente até uma condição bem estável). -T5* Envelhecido (Produto resfriado da temperatura de trabalho a quente e envelhecido artificialmente). -T6* Envelhecido (Produto solubilizado e envelhecido artificialmente). -T7* Envelhecido (Produto solubilizado e envelhecido artificialmente até uma condição além da de resistência máxima). -T8* Envelhecido (Produto solubilizado, encruado e envelhecido artificialmente). -T9* Envelhecido (Produto solubilizado, envelhecido artificialmente e encruado). -T10* Envelhecido (Produto resfriado da temperatura de trabalho a quente, encruado e envelhecido artificialmente).
- Dígitos (o primeiro diferente de zero) colocados após estas designações indicam variações do tratamento.
A presente discussão não engloba as diferentes características e, em particular, a soldabilidade das várias ligas de alumínio. O que é aqui apresentado deve ser considerado apenas como uma série de recomendações gerais válidas principalmente para o alumínio comercialmente puro.