23 soldagem - defeitos

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Disciplina:

Metalurgia da Soldagem

UNIG - 1o Semestre 2010Curso: Tecnologia em Processos MetalúrgicosDocente: Mário Bittencourt

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Sumário1) Introdução

1.1) Estrutura dos metais1.2) Grãos e contorno de grãos1.3) Diagrama de fase

2) Ciclos térmicos3) Metal de solda

3.1) Solidificação3.2) Reação metal-gás3.3) Reação metal-escória3.4) Diluição3.5) Reação no estado sólido3.6) Mecanismos de endurecimento

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Sumário

4) Zona Afetada Termicamente - ZTA4.1) Materiais endurecíveis com elementos de liga (solução sólida)4.2) Materiais endurecidos por deformação a frio4.3) Materiais endurecíveis por precipitação4.4) Materiais endurecíveis por transformação martensítica

5) Metal de Base6) Soldabilidade

6.1) Carbono equivalente6.2) Diagrama de Schaeffler

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Sumário

7) Tensão residual e deformação7.1) Tensão residual7.2) Deformação

8) Defeitos de origem metalúrgica8.1) Trincas a frio ou trinca induzida pelo hidrogênio8.2) Trinca a quente8.3) Trinca por decoesão lamelar

9) Tratamento Térmico9.1) Alívio de Tensões9.2) Recozimento9.3) Normalização

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Sumário

9.4) Beneficiamento (têmpera e revenimento)

10) Bibliografia

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8) Defeitos de origem metalúrgica

Os efeitos metalúrgicos do ciclo térmico, combinados com as tensões residuais podem levar ao aparecimento de trincas.Os principais tipos de trinca que decorrem da operação de soldagem são os seguintes:

- Trincas a frio ou trinca induzida pelo hidrogênio;- Trinca a quente;- Trinca por decoesão lamelar.

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A trinca à frio se dá após a junta soldada atingir a temperatura ambiente, até 48 horas após a soldagem. Este tipo de trinca ocorre como conseqüência de três fatores:

a) Têmpera da ZTA ou da zona fundida.b) Presença de hidrogênio.c) Tensões residuais de soldagem.

8.1) Trinca à frio ou induzida pelo H2

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Tipos de trinca a frio(1) Trinca sob cordão; (2) Trincas na raiz; (3) Trincas na margem de solda; (4) Trincas Transversais.

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Para se prevenir as trincas a frio devem ser evitadas pelo menos uma de suas causas.

Fratura frágil em falha na ZAC de conversor de Amônia durante teste hidrostático (1960s)


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a) Têmpera da ZTA ou da Zona FundidaA estrutura da ZTA é determinada pela composição química do metal de base e pela velocidade de resfriamento da junta soldada.A maioria dos processos de soldagem possui um ciclo térmico de alta velocidade de resfriamento, o que propicia a formação de martensita ou de outros constituintes duros na ZTA e possivelmente na Zona Fundida.


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a) Têmpera da ZTA ou da Zona FundidaA ductilidade e a resistência destes constituintes são bastantes afetadas pela presença de pequenas quantidades de hidrogênio. A martensita é o constituinte microestruturalmais sensível a trinca pelo hidrogênio, sendo que esta sensibilidade é aumentada com o aumento do teor de carbono.


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a) Têmpera da ZTA ou da Zona FundidaAços com teor de carbono superior a 0,030% são susceptíveis a trinca à frio mesmo com quantidades reduzidas de hidrogênio. Quando o teor de hidrogênio é elevado e a ZTA é constituída de uma martensita dura (em geral, HV 350), a trinca a frio aparece espontaneamente.


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a) Têmpera da ZTA ou da Zona FundidaPara se prevenir a trinca à frio deve-se preferir os aços que contém em sua composição química, baixos teores de elementos que tendem a promover seu endurecimento.Outra maneira de se reduzir a chance do aparecimento de martensita é diminuir a velocidade de resfriamento da junta soldada, o que se consegue utilizando-se altas energias de soldagem, pré-aquecimento, etc.


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b) Presença de hidrogênio.O hidrogênio pode ser introduzido na poça de fusão através das seguintes fontes:- Umidade do revestimento do eletrodo ou fluxo;- Umidade do gás de proteção;- Ferrugem, graxas, óleos, trincas, etc, na superfície a

ser soldada;- Umidade do ar durante a soldagem;- Umidade na chapa ou no arame de solda.A quantidade de hidrogênio necessário para a ocorrência de trinca à frio varia com o aço e com o grau de restrição durante a soldagem.


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b) Presença de hidrogênio.O principal e mais fácil controle da trinca à frio é sobre a absorção de hidrogênio pela poça de fusão.Este controle pode ser feito da seguinte maneira:- Limpeza da peça a ser soldada;- Ressecamento do eletrodo ou fluxo;- Proteção da soldagem da umidade excessiva (chuva

por exemplo);- Uso de eletrodos de baixo hidrogênio ou extra baixo

hidrogênio.


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b) Presença de hidrogênioA utilização de pré-aquecimento e/ou pós-aquecimento acelera a difusão do hidrogênio a partir da solda, reduzindo sua concentração, após o resfriamento. A 250ºC o hidrogênio é eliminado em poucas horas.


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c) Tensões residuais de soldagemAs tensões residuais oriundas da soldagem exercem um papel importante na propagação das trincas à frio, mas na maioria dos casos pouco se pode fazer para controlá-las, a não ser tratamentos térmicos pós-soldagem. O uso de um menor grau de restrição também é uma maneira útil para minimizar as tensões residuais.

8.1) Trinca a frio ou induzida pelo H2

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8.2) Trinca a quente

Existem três tipos de trinca à quente:a) Trinca de solidificaçãob) Trinca por liquaçãoc) Trinca na cratera

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Tipos de trinca a quente(1) Trinca longitudinal na ZTA(2) Trinca longitudinal na zona fundida(3) Trinca de cratera

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a) Trinca de solidificaçãoOcorre na zona fundida, geralmente no centro do cordão de solda, paralelamente a ele.Este tipo de trinca se dá devido a segregação de impurezas e elementos de liga para o centro do cordão durante a solidificação do metal de solda.


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a) Trinca de solidificaçãoEsta segregação faz com que a última região a se solidificar (no centro do cordão) fique com um ponto de fusão mais baixo que o do metal de solda, fazendo com que persista um filme líquido no centro do cordão de solda por um tempo relativamente longo. Isto aliado as tensões de soldagem faz com que ocorra a trinca à quente.Uma maneira de se evitar este tipo de trinca élimitar o teor de impurezas como o fósforo e o enxofre no aço.


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b) Trinca por liquaçãoPode ocorrer na ZTA ou na Z.F. Ela ocorre devido a formação de constituintes de baixo ponto de fusão nos contornos de grão. Isto, aliado as tensões de soldagem pode acarretar trincas à quente. O fósforo, associado a elementos como o manganês, ferro, níquel e cromo forma constituintes de baixo ponto de fusão.


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b) Trinca por liquaçãoO enxofre forma com o ferro o FeS que possui baixo ponto de fusão. A solução para o problema é limitar o teor de fósforo e enxofre e adicionar manganês, que se combina preferencialmente com o enxofre, formando inclusões de MnS e evitando a formação de FeS.


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c) Trinca na crateraEste tipo de trinca ocorre principalmente no fim do cordão de solda, quando se retira bruscamente o eletrodo, produzindo uma cratera relativamente profunda, as vezes acompanhada de fissuras. Estas fissuras podem ser produzidas no interior da solda, por causa da contração do metal, ao passar do estado líquido para sólido.


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c) Trinca na crateraPara evitar este tipo de defeito pode-se tomar as seguintes precauções:- Acrescentar uma maior quantidade de metal, realizando uma fusão prolongada do eletrodo ou fazendo um pequeno retrocesso com este.- Diminuir as tensões do cordão de solda atrás da cratera, fazendo-se um pré-aquecimento com consequente diminuição da velocidade de resfriamento.


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8.3) Trinca por decoesão lamelar

Este tipo de trinca ocorre em juntas soldadas onde uma tensão trativa é gerada no sentido da espessura da chapa devido as tensões de restrição de solda, e a dutilidade do material nesta direção é excedida.As trincas aparecem próximas a ZTA.

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Trinca por decoesão lamelar (diagrama esquemático)


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Este tipo de defeito ocorre em praticamente todas as espessuras, mas concentra-se mais na faixa de 30 a 60mm. O principal fator responsável pela decoesãolamelar é a presença de inclusões alongadas perpendicularmente a espessura, notadamente de sulfetos e silicatos.


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Existem algumas providências para evitar ou minimizar a ocorrência destas trincas, que podem ser tomadas em conjunto ou isoladamente:- Seleção de aços com especificação de garantia de valores elevados de estricção na direção da espessura (geralmente com estricção acima de 25%).


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- Fazer um “amanteigamento”, ou seja depositar uma camada de material dútil na superfície do material sensível a trinca, antes da soldagem de união propriamente dita.

METAL DE ADIÇÃODE BAIXA RESISTÊNCIA


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Deve-se evitar tensões de serviço ou decorrentes da soldagem, com direção e atuação perpendi-culares à superfície da chapa, o que requer modificações na concepção da junta.

Modificações na concepção da junta que diminuem o risco de trinca por decoesão lamelar.


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9) Tratamento Térmico

Tratamentos Térmicos são o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os metais, sob condições controladas, visando alterar suas propriedades ou conferir-lhes determinadas características.

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Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são:

1. Alívio ou remoção das tensões internas (provenientes, por exemplo da soldagem)

2. Alteração das propriedades mecânicas como por exemplo dureza, ductilidade e resistência mecânica

3. Melhora de usinabilidade4. Melhora de resistência ao desgaste e das propriedades

de corte5. Melhora de resistência ao calor e a corrosão6. Modificação das propriedades elétricas e magnéticas

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As principais variáveis que devem ser controladas no tratamento térmico são:

- velocidade de aquecimento, - temperatura de aquecimento, - tempo de permanência na temperatura de aquecimento e - velocidade de resfriamento.

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Velocidade de aquecimento- Em peças que apresentam elevadas tensões internas, um aquecimento muito rápido pode provocar fissuras ou trincas.

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Temperatura de aquecimento- Depende das propriedades finais desejadas, assim como da composição química do aço, principalmente do teor de carbono. - Uma temperatura de aquecimento muito elevada pode fazer com que haja crescimento do grão austenítico. - Na maioria dos tratamentos térmicos abordados neste capítulo as peças são aquecidas à temperaturas de austenização total ou parcial.

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Tempo de permanência na temperatura de aquecimento- A peça deve permanecer na temperatura de aquecimento o tempo suficiente para que haja homogeneização da austenita. (dissolução de carbonetos e precipitados).Velocidade de resfriamento- É o fator mais importante pois determina a microestrutura final e consequentemente, as propriedades desejadas.

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Curva de transformação de resfriamento continuo

700

MARTENSITA

PERLITA FINA

PERLITA GROSSA

TEMPO

BAINITA

AUSTENITA 723ºCTemperatura Eutetóide

AUSTENITA

TEMPERATURA ºC

300

200

100

400

600

500

YX

ZI

F

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Pré aquecimento- O pré aquecimento consiste no aquecimento da junta nume etapa anterior a soldagem.- Seu principal efeito é reduzir a velocidade de resfriamento da junta soldada.- Em consequência diminui a tendência para formar martensita, em metais ferríticos.- Além de reduzir o nível das tensões de contração, o pré aquecimento possibilita ao hidrogêncio quando presente, a difundir-se para fora da solda.

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Pós aquecimento- O pós aquecimento consiste na manutenção da junta soldada, após a soldagem, a uma temperatura acima da temperatura ambiente, por um período de tempo determinado.- Seu objetivo principal é aumentar a difusão do hidrogênio para fora do cordão soldado.

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Os principais tratamentos térmicos aplicados aos aços são os seguintes:- Alívio de tensões - Recozimento - Normalização- Beneficiamento (têmpera e revenido)

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É utilizado para eliminar as tensões internas oriundas da soldagem, trabalho à frio, resfria-mento não uniforme, corte por chama e usinagem.Consiste de modo simplificado em aquecer uniformemente a peça, de maneira a que o limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores as tensões residuais.Nesta condição, as tensões residuais provocam deformações plásticas locais diminuindo de intensidade.

9.1) Alívio de tensões

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Para impedir mudança na microestrutura ou dimensão da peça, a temperatura é mantida abaixo da temperatura crítica.Este tipo de recozimento consiste em se aquecer uniformemente a peça, até uma temperatura na faixa de 500ºC e 680ºC,Permanência nesta temperatura durante um certo tempo, seguido de resfriamento lento dentro do próprio forno, de modo a impedir a introdução de novas tensões.


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O alívio de tensão pode reduzir a tenacidade do metal de base.Isto se torna bastante relevante em ocasiões (reparos em soldas) em que se faz necessário a execução do tratamento por mais que uma vez.


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9.2) Recozimento

Os tipos de recozimento mais aplicáveis aos aços são os seguintes:a) Recozimento Plenob) Recozimento após Trabalho à Frioc) Recozimento Globular ou Esferoidização

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a) Recozimento Pleno- Consiste no aquecimento da peça acima da zona crítica (linha A3-Acm do diagrama de fase).- Permanência nesta temperatura durante tempo suficiente para que toda microestrutura se austenitize, seguido de um resfriamento lento, em geral no interior do forno (controle da velocidade de resfriamento).- O tempo de permanência na temperatura de recozimento depende das dimensões da peça.

9.2) Recozimento

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A3

Acm

PONTO EUTETÓIDE

E2 A1

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9.2) Recozimento

MICROESTRUTURA INICIAL

MICROESTRUTURA FINAL

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9.2) Recozimento

PERLITA GROSSA

a) Recozimento Pleno- A microestrutura obtida nos aços carbono é a perlita grossa e ferrita.

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b) Recozimento após Trabalho à Frio- Consiste no aquecimento da peça atétemperaturas na faixa de 600ºC a 700ºC, permanência nesta temperatura durante um certo tempo, seguido de resfriamento ao ar.- Este tipo de tratamento é aplicado a peças encruadas visando remover o encruamento e aumentar a ductilidade.

9.2) Recozimento

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c) Recozimento Globular ou Esferoidização- Consiste no aquecimento do aço até uma temperatura na faixa de 700ºC a 750ºC por longos tempos (12 a 15 horas), seguido de resfriamento lento.- Este tratamento é aplicado a aços de alto carbono, com o objetivo de obter-se uma microestrutura com a cementita em forma de glóbulos, ao invés de lamelas como na perlita.- O recozimento globular melhora a usinabilidade dos aços.

9.2) Recozimento

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9.3) Normalização

Consiste no aquecimento da peça até uma temperatura de austenização completa (cerca de 50ºC acima da linha A3-Acm do diagrama de fase).Manutenção da peça nesta temperatura durante um determinado tempo, seguido de resfriamento ao ar.

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A3

Acm

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A normalização dos aços é utilizada para refinar e homogeneizar a microestrutura após qualquer processo de fusão, forjamento, estampagem a quente e soldagem. Este tratamento também elimina as microestruturas produzidas por outros tratamentos térmicos, sendo utilizada para preparar o material para o beneficiamento.

9.3) Normalização

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9.3) Normalização

PERLITA FINA

A microestrutura obtida com o tratamento térmico de normalização éconstituída de perlitafina, isto é, lamelas de ferrita e cementitamuito próximas umas das outras.

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9.3) Normalização

MICROESTRUTURA INICIAL

MICROESTRUTURA FINAL

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9.4) Beneficiamento

Consiste em submeter o aço a um tratamento térmico de têmpera seguido de um revenido, com o objetivo de proporcionar elevada resistência mecânica e dureza, aliada a uma boa tenacidade.Normalmente este tipo de tratamento éaplicado a peças com teor de carbono superior a 0,25%.

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Têmpera- Consiste em aquecer o aço até uma temperatura na região de austenitizaçãocompleta (normalmente até 50ºC acima A1 para aços hipereutetóides), permanência nesta temperatura durante um determinado tempo, seguido de resfriamento rápido em água, óleo ou ar.

9.4) Beneficiamento

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Têmpera- O tempo de permanência na temperatura de aquecimento depende das dimensões da peça a ser tratada.- Após a têmpera, a microestrutura obtida é a martensita, que é um constituinte muito frágil. - Desta forma a peça temperada deve obrigatoriamente sofrer um revenimento.

9.4) Beneficiamento

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Revenido- Este tratamento consiste em aquecer a peça lentamente até uma temperatura inferior a 700ºC, permanência nesta temperatura durante um determinado tempo, seguido de resfriamento ao ar ou em óleo.- O revenido é feito logo após o tratamento térmico de têmpera com o objetivo de aliviar as tensões internas e diminuir a fragilidade das peças que possuem estrutura martensítica(peças temperadas).

9.4) Beneficiamento

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9.4) Beneficiamento

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9.4) Beneficiamento

MARTENSITA REVENIDAMARTENSITA

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[1] ALCÂNTARA, N. G. , Tecnologia da Soldagem, 1 ed., São Carlos, SP: Universidade Federal de São Carlos, 1988.

[2] CALLISTER, W. D., Materials Science and Engineering anIntroduction, 4 ed., USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.

[3] VAN VLACK, L. H., Princípios de Ciência dos Materiais, 8 ed., São Paulo, SP: Edgard Blücher, 1988.

[4] COLPAERT, H., Metalografia dos Produtos Siderugicos Comuns , 8.ed., São Paulo, SP: Edgard Blücher, 1988.

[5] BRANDI, S. D. , Soldagem Processos e Metalurgia, 1ed., São Paulo, SP: Edgard Blucher, 1992.

[6] MACHADO, I. G., Soldagem e Técnicas Conexas - Processos, 1 ed., Porto Alegre, RS: Editado pelo autor, 1996.

10) Bibliografia

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