9 avaliacao das principais descontinuidades encontradas nas juntas soldadas

CONSTRUMETAL – CONGRESSO LATINO-AMERICANO DA CONSTRUÇÃO METÁLICA São Paulo – Brasil – 31 de agosto a 2 de setembro, 2010

Avaliação das Principais Descontinuidades Encontradas nas

Juntas Soldadas, Causas e Possíveis Soluções.

Paulo Rogerio Santos de Novais * * Tecnólogo Mecânico em Soldagem – Atuou como Instrutor do Departamento de Soldagem

da FATEC / SP – Atualmente trabalha na Belgo Bekaert Arames Ltda.

Resumo:

Os processos de soldagem utilizados para a fabricação e montagem de estruturas

metálicas, podem apresentar diversos tipos de descontinuidades, ou defeitos, que

comprometem a integridade, o desempenho, a competitividade e a qualidade das

estruturas metálicas.

Esse trabalho tem por objetivo, apresentar e detalhar as principais descontinuidades

observadas nos processos de soldagem, Eletrodos Revestidos (SMAW), MIG/MAG

(GMAW) e Arco Submerso (SAW).

Processos esses que são utilizados freqüentemente na fabricação e montagem de estruturas

e conjuntos soldados, suas causas potenciais, a correta forma de minimizar e corrigir essas

distorções.

Palavras-Chave: processos de soldagem; descontinuidades e soluções.

1. Introdução:

Atualmente, as estruturas metálicas no mercado nacional são produzidas e montadas em

campo, através dos processos de soldagem, Eletrodos Revestidos (SMAW), MIG/MAG

(GMAW) e Arco Submerso (SAW) utilizados na fabricação de estruturas metálicas.

A nomenclatura dos processos de soldagem, utilizadas nesse artigo, será adotada

conforme definição da AWS American Welding Society.

As descontinuidades geralmente são geradas por desvio do processo de soldagem, falha

operacional, falhas dos equipamentos ou acessórios.

Esses desvios podem aparecer de forma isolada ou combinada.

CONSTRUMETAL – CONGRESSO LATINO-AMERICANO DA CONSTRUÇÃO METÁLICA São Paulo – Brasil – 31 de agosto, 1 e 2 de setembro, 2010

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Os processos de soldagem possuem características diferenciadas, com suas vantagens,

aplicabilidade e limitações.

A correta escolha do processo, bem como conhecer as possíveis descontinuidades, e a

forma de minimizá-las é uma importante ferramenta para as empresas no controle de

custos, segurança da estrutura e garantia da Qualidade, sejam fabricantes de estruturas

metálicas ou montadoras, tanto em conjuntos de pequeno e grande porte.

2. Definição de Descontinuidade:

Descontinuidade é a interrupção física causada em um material pela abertura de uma trinca ou

pela presença de um segundo material: gás, inclusão de escória; são comumente chamadas de

defeitos em soldagem.

As descontinuidades podem ser classificadas quanto à origem e a forma.

Com relação à origem, as descontinuidades podem ser:

Geométricas

Metalúrgicas

Com relação à forma, podem ser:

Planas

Volumétricas

2.1 Descontinuidades Geométricas:

São geradas na etapa de montagem e de soldagem. Os exemplos mais comuns são falta de fusão, de penetração e mordedura, desalinhamento, superposição, deposição insuficiente.

2.2 Descontinuidades Metalúrgicas: São originados por fenômenos metalúrgicos presente na poça de fusão como o refino, a

desoxidação, a desgaseificação e as transformações de fases no estado sólido, estas tanto na

zona fundida (ZF) quanto na zona afetada pelo calor (ZAC).


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2.3 Descontinuidades Planas: Apresentam praticamente duas dimensões: é o caso das trincas de solidificação e das trincas

introduzidas por hidrogênio, da falta de fusão e penetração.

Essas descontinuidades geram uma concentração de tensão muito elevada nas suas

extremidades e geralmente devem ser reparadas.

2.4 Descontinuidades Volumétricas: Apresentam três dimensões: poros, inclusões de escória e inclusões de tungstênio, no caso do

processo TIG (GTAW).

Apresentam concentração de tensão bem menor que as descontinuidades planas e, por isso,

são menos críticas que estas.

3. Principais Descontinuidades em Soldagem:

Podemos observar diversos tipos de descontinuidades, sendo as principais:

Porosidade;

Falta de fusão / Falta de Penetração;

Respingos;

Mordeduras;

Trincas;

Inclusões de escória;

4. Definição de Porosidade: Porosidade pode ser definida como um espaço vazio formado pelo aprisionamento de gás

durante a solidificação.

Pode ser esférico ou cilíndrico (alongado); gerado pela umidade do consumível ou falha na

proteção gasosa, ou outro desvio durante o processo.

É um defeito volumétrico, geralmente aceito pelas normas de qualificação de procedimentos e

soldadores até uma determinada dimensão e distribuição.

Deve ser corretamente avaliada, para que seja reparada e adequada ao critério da norma ou

especificação do projeto. As figuras 1 e 2 apresentam exemplos de ocorrência de porosidade.


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4.1 . Porosidade – Causas e Possíveis Soluções:

Causas:

Possíveis Soluções:

Processos de

Soldagem:

Baixa vazão de gás ou

obstrução da saída de gás por respingos.

Aumentar a vazão de gás e/ou limpar o bocal regularmente

GMAW

Excesso de vazão de gás

(turbulência)

Diminuir a vazão de gás para

eliminar a turbulência

GMAW

Excessivas correntes de ar

Proteger a região de solda do

vento

GMAW / SMAW

Arame oxidado ou sujo

Utilizar exclusivamente arames

limpos e secos

GMAW / SAW

Proteção insuficiente devido

a elevada velocidade de soldagem

Reduzir a velocidade

GMAW

Tocha muito distante da

peça

Aproximar a tocha da peça e, ao final da solda, mantê-la sobre a

poça de fusão até que se solidifique.

GMAW

Ângulo de deslocamento

muito grande.

Diminuir o ângulo de

deslocamento da tocha.

GMAW

Metal base contaminado

(óleo; graxa; tinta; oxidação)

Melhorar a limpeza da peça

GMAW / SAW /SMAW

Tensão muito alta / Corrente

muito baixa

Diminuir a tensão / aumentar

corrente

GMAW / SAW /SMAW

Contaminação do gás de

proteção

Utilizar gases de proteção de

alta qualidade e verificar vazamentos, inclusive oring da guia espiral, checar pré-vazão.

GMAW

Metal Base com S>0,05% e/ou alto nível de inclusões

Utilizar metais base com S<0,05% e baixo nível de

inclusões

GMAW / SAW / SMAW

Arames sem desoxidantes (fora da especificação) ou

inadequados

Utilizar consumíveis adequados

à aplicação

GMAW / SAW


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Tabela 1: Nomenclatura dos Processos Conforme AWS – American Welding Society

Figura 1: Micrografia apresentando Porosidade Figura 2: Porosidade Superficial.

5. Definição de Falta de Fusão / Falta de Penetração: Falta de Fusão é uma descontinuidade caracterizada pelo não coalescimento de parte do

cordão de solda, na lateral do chanfro ou entre cordões na soldagem de multipasse.

Pode ser causada pela insuficiência da energia de soldagem para fundir as laterais do chanfro

ou por algum tipo de contaminação superficial que isola termicamente a face do chanfro da

fonte de calor.

A Falta de Penetração está relacionada ao cordão de solda, que não une completamente as

partes a serem soldadas ao longo da espessura. Isto ocorre porque parte da raiz do cordão de

solda não foram completamente fundidas.

Apresentamos na figura 3, uma junta com defeitos combinados; Mordeduras Falta de Fusão e

Respingos.

5.1. Falta de Fusão / Falta de Penetração – Causas e Possíveis Soluções:

Causas:


Processos de Soldagem:

Parâmetros de soldagem inadequados

Aumentar a voltagem e a

velocidade de alimentação do arame.

Reduzir a velocidade de soldagem.

Diminuir a distância do bico de contato à peça.

Reduzir o diâmetro do arame. Reduzir a dimensão de cada

cordão de solda.

GMAW / SAW /SMAW

Manipulação inadequada da tocha:

Tocha descentralizada no chanfro, no passe de raiz.

Inclinação excessiva da tocha

Distribuir o calor do arco em ambas as faces do chanfro. Manter a inclinação correta

Alterar o projeto da união ou a seqüência de montagem,

GMAW


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para o lado. Falta de acesso ao chanfro.

ou ainda, usar um bocal menor.

Desenho de chanfro

inadequado: Ângulo de chanfro muito

pequeno. Face da raiz (nariz) muito

grande. Desalinhamento.

Aumentar a abertura da raiz.

Aumentar o ângulo do chanfro Reduzir o “nariz”

Reduzir o desalinhamento.

GMAW / SAW /SMAW

A poça de fusão se adianta em relação ao arco e impede a perfeita fusão das bordas:

Velocidade de soldagem muito baixa ou taxa de deposição

muito alta. Este defeito pode ocorrer mais facilmente na

posição vertical descendente

Reduzir a dimensão de cada

cordão individual. Diminuir a velocidade de alimentação de

arame na posição vertical descendente.

GMAW / SAW /SMAW


Figura. 3: Junta com Mordedura Falta de Fusão e Respingos.

6. Definição de Respingos:

Partículas metálicas expelidas durante a soldagem por fusão e que não fazem parte da solda.

Podem ficar aderidas nas adjacências da solda ou não.

Normalmente, o respingo, não é considerado um defeito sério, a não ser que sua presença

interfira nas operações subseqüentes.

Os respingos em excesso, também podem ser um indicativo de que o processo não está

estável. A figura 5 ilustra uma junta com respingos.


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6.1. Respingos – Causas e Possíveis Soluções:

Causas:


Processos de

Soldagem:

Mau contato nos cabos de

solda

Limpar pontos de contato e

ajustá-los

GMAW

Distância do bico de contato

à peça muito elevada

Diminuir a distância da tocha à

peça

GMAW

Vazão de gás inadequada

Ajustar a vazão de gás

GMAW / SMAW

Controle inadequado da

indutância, especialmente na transferência por curto-

circuito.

Ajustar indutância (se aplicável)

GMAW / SAW

Posicionamento da tocha

A técnica de soldagem “arco quente”, diminui respingos

GMAW

Com máquinas de solda

convencionais, quanto maior o teor de CO2/Gases

oxidantes, maior o nível de respingos.

Usar misturas ricas em argônio

GMAW

Tipo de fonte e a tecnologia

de construção e controle

Usar fontes que permitam o

ajuste fino e preciso dos parâmetros de soldagem

GMAW

Metal base contaminado (água; óleo; graxa; tinta;

oxidação)

Melhorar a limpeza da peça

GMAW / SAW /SMAW

Consumível oxidado, sujo

ou úmido.

Utilizar exclusivamente arames

limpos e secos

GMAW / SAW /SMAW

Contaminação do gás de

proteção

Utilizar gases de proteção de

alta qualidade e verificar vazamentos

GMAW

Tensão / Corrente muito alta

– tipo de transferência

Ajustar Tensão Corrente –

evitar a transferência Globular

GMAW / SAW / SMAW

Polaridade incorreta (CC-)

Corrigir para polaridade correta

(CC+)

GMAW / SAW


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Velocidade de soldagem

muito alta

Diminuir a velocidade de

soldagem / ajustar aporte de calor a velocidade de soldagem

GMAW / SAW / SMAW

Composição química do

arame inadequada

Utilizar arames com

composições químicas adequadas à aplicação - Apesar

da baixa influência, se comparada a outros fatores.

GMAW / SAW

Bicos de Contato

danificados, de má qualidade ou inadequado à

aplicação.

Trocar bico de contato;

GMAW


Figura 4: Junta com Respingos.

7. Definição de Mordeduras: A mordedura é caracterizada pela fusão da superfície da chapa do metal de base próxima a

margem do cordão de solda.

Dependendo da norma utilizada na fabricação do conjunto soldado a mordedura é aceitável.

Contudo, dependendo do metal base a ser soldado é uma descontinuidade bastante perigosa,

visto que em alguns casos, pode criar um entalhe na zona de ligação e concentração de

tensões nesses locais. A figura 5 apresenta uma mordedura combinada com desalinhamento

do cordão de solda.


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7.1 . Mordeduras – Causas e Possíveis Soluções:

Causas:


Processos de

Soldagem:

Manipulação inadequada

da tocha ou eletrodo: Tocha descentralizada no chanfro, no passe de raiz. Inclinação excessiva da

tocha para o lado. Falta de acesso ao

chanfro.

Distribuir o calor do arco em ambas as faces do chanfro. Manter a inclinação correta Alterar o projeto da união ou a

seqüência de montagem, ou ainda, usar um bocal menor.

GMAW / SAW/ SMAW

Tensão / Corrente muito

alta – tipo de transferência

Ajustar Tensão Corrente – evitar a

transferência Globular

GMAW / SAW / SMAW

Velocidade de soldagem

muito alta

Diminuir a velocidade de soldagem

/ ajustar aporte de calor a velocidade de soldagem

GMAW / SAW / SMAW


Figura 5: Junta com Cordão desalinhado e Mordedura.

8. Definição de Trincas: São consideradas as descontinuidades mais graves em soldagem. São fortes concentradores de

tensão, podendo favorecer o início de fratura frágil na estrutura soldada. De um modo bem

simples, uma trinca pode ser considerada como o resultado da incapacidade do material em

responder as solicitações impostas localmente pelas tensões decorrentes do processo de

soldagem.


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A aplicação localizada de calor deformando localmente o metal base, causa o aparecimento de

tensões de tração bi ou mesmo tri axiais na região da solda. Este estado de tensões juntamente

com a fragilização associada às mudanças microestruturais durante a soldagem ou a presença

de certos elementos (particularmente o hidrogênio ), pode resultar na formação de trincas .

As trincas podem ser externas, isto é atingirem a superfície, ou totalmente internas, não sendo,

nesse caso detectáveis por inspeção superficial na região da solda. Podem ser localizada na

Zona Fundida (ZF), na Zona Termicamente Afetada (ZTA), no metal de solda e no metal

base.

Vários mecanismos atuam para a formação de trincas nas juntas soldadas. Podendo ocorrer

durante a soldagem ( na solidificação ) , durante o resfriamento da peça horas e até mesmo

dias após a realização da soldagem , e mesmo quando da realização de tratamento térmico

para alivio de tensões.

A figura 6 apresenta as Zonas e regiões encontradas nas juntas soldadas, e a figura 7 ilustra

uma macrografia de uma trinca, observada em uma junta soldada pelo processo arco

submerso (SAW).

Figura 6: Regiões da Junta soldada.

a ) ZTA – Zona Termicamente Afetada / ZAC –Zona Afetada pelo Calor.

b) Zona Fundida (ZF).

c) Zona de Ligação (ZL).

d) Metal de Base (MB)

e) Cobre-Junta.


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8.1. Trincas – Causas e Possíveis Soluções:

Causas:


Processos de

Soldagem:

Projeto de junta inadequado.

Adotar chanfros e condições

gerais da junta com dimensões adequadas.

Realizar uma preparação, ponteamento e montagem

da junta com alinhamento e espaçamentos adequados.

GMAW / SAW/ SMAW

Elevada restrição dos

componentes estruturais (Restrição Geométrica)

Usar pré-aquecimento, observar a montagem, Ajustar todos os parâmetros de soldagem para reduzir as tensões impostas a

junta.

GMAW / SAW / SMAW

Calor excessivo na junta, causando deformações; contrações e distorções.

. Reduzir a corrente ou a tensão

Aumentar a velocidade da soldagem.

Contrabalancear o aporte térmico.

GMAW / SAW / SMAW

Relações Dimensionais

Inadequadas.

Alargar o perfil do cordão,

diminuir a penetração.

GMAW / SAW/ SMAW

Cordão de solda muito

pequeno (passes de raiz ou de filete)

Reduzir a velocidade de

soldagem ou aumentar a seção transversal do cordão.

GMAW / SAW / SMAW

Fragilização por calor causado pela presença de

elementos como o Enxofre (S)

Utilizar consumíveis com maior

teor de Manganes. Diminuir a altura do arco.

Adequar a geometria do chanfro para melhorar a diluição.

Alterar a seqüência de passes para reduzir a restrição durante

o resfriamento. Alterar o consumível ou metal base para

obter uma adequada relação entre % Manganes e % de

Enxofre.

GMAW / SAW / SMAW

Tempera da Zona

termicamente Afetada (ZTA).

Realizar pré-aquecimento para

retardar o resfriamento..

GMAW / SAW/ SMAW


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Tensões Residuais muito

elevadas.

Efetuar tratamento térmico de

Alivio de Tensões.

GMAW / SAW / SMAW

Fragilização por Hidrogênio.

Utilizar consumíveis secos, (arames, eletrodos, gases). Remover contaminantes

superficiais, (graxas, óleos, tintas de marcação)

Manter a temperatura elevada após a conclusão da soldagem

para difusão do Hidrogênio (Pós Aquecimento).

GMAW / SAW / SMAW


Figura 7: Macrografias de trincas soldas pelo processo arco submerso,

9. Definição de Inclusões de escória: Durante a fusão e subseqüente solidificação da poça de fusão, várias reações se processam.

Estas reações podem gerar partículas que, se presos no metal de solidificado, formariam

inclusões. Por outro lado, vários processos de soldagem utilizam fluxos que formam uma

escória que pode, por diversos motivos, ficar presa no metal solidificado.


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9.1. Inclusão de Escória – Causas e Possíveis Soluções:

Causas:


Processos de

Soldagem:

Manipulação inadequada do bocal ou eletrodo, no

passe de raiz.

Manter a inclinação correta e a

manipulação durante a soldagem Alterar o projeto da união ou a

seqüência de montagem.

SAW / SMAW

Falha na limpeza entre

passes.

Ajustar Tensão Corrente – evitar a

transferência Globular

SAW / SMAW


Figura 8 – Detalhe de uma radiografia apresentando inclusão de escória..


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10. Descontinuidades Combinadas: Geralmente as descontinuidades em soldagem, não aparecem de forma isolada, na pratica e

comumente observada duas ou até mais imperfeições combinadas, pois os desvios podem ser

sanados, corrigindo apenas uma variável do processo.

Solucionando a causa principal da imperfeição, na maioria dos casos, conseguimos obter

juntas isentas de falhas e com Qualidade satisfatória.

É essencial que os responsáveis pelas atividades de soldagem, conheçam todos os detalhes

dos processos de soldagem, as características metalúrgicas, físicas e químicas envolvidas nas

juntas e as exigências das normas e códigos aplicáveis.

Além das descontinuidades apresentadas anteriormente, podemos observar ainda perfil de

solda irregular; sobreposição, distorções geométricas, cordões desiguais, desalinhamento,

concavidade e convexidade excessiva.

As figuras 9 e 10 ilustram algumas dessas ocorrências.

Figura 9 – Juntas com perfil irregular, mordedura, inclusão de Escória e Porosidade.

Figura 10 – Juntas com Oxidação e inclusão de escória.


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11. Proposta para Melhoria da Qualidade em Juntas Soldadas: Para a melhoria da Qualidade das juntas soldadas são necessárias ações em vários níveis nas

empresas, sendo que os principais são:

Investimento em treinamento, principalmente nos soldadores e montadores dos

conjuntos;

Investimento em equipamentos de tecnologia adequados aos processos de soldagem

indicados;

Utilização de consumíveis com Qualidade e desempenho reconhecido;

Padronização e elaboração de roteiros e planos de soldagem;

Elaboração de Registros de Qualificação dos Soldadores;

Elaboração de Registro de Qualificação do Procedimento de Soldagem;

Controlar e exigir Certificado de Qualidade dos consumíveis; e das matérias primas

utilizadas (tubos, chapas e perfis); essencial para a montagem de data book completo

com todo histórico da obra;

Laudos da inspeção visual, de líquidos penetrantes ou qualquer outra inspeção

realizada durante a fabricação;

Emitir a ART - Anotação de Responsabilidade Técnica da execução da Soldagem;

Avaliação por inspeção visual em 100 % das juntas soldadas, e ensaio de líquido

penetrante em todas as juntas com penetração total, ou outro critério aceito pelas

partes;

Orientação dos soldadores, e demais colaboradores envolvidos no processo de

soldagem, em relação à regulagem dos equipamentos, técnica de soldagem e melhores

praticas a serem empregadas em campo, visando melhor Qualidade e acabamento de

todas as juntas soldadas;

Emissão dos laudos de acompanhamento de soldagem com o registro dos parâmetros

reais de execução de todos os soldadores envolvidos na obra;

Emissão dos laudos de aprovação; ou outro ensaio complementar de estanqueidade,

visando garantir a Qualidade das juntas mais criticas;

Acompanhamento do procedimento de reparo, para os desvios encontrados nos

ensaios de inspeção visual ou líquido penetrante;

Consumíveis, arames, varetas e eletrodos, utilizados e demais laudos aplicáveis;

Controlar a montagem e a preparação das peças para evitar desalinhamento e

espaçamentos excessivos, conforme demonstrado nas figuras 11e 12.


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Figura 11. Detalhe da Estrutura Desalinhada e com espaçamentos.

Figuras 12 – Espaçamentos Excessivos.

12. Conclusão: As normas ABNT NBR 8800, ISO 9000, AWS - D1. 1, ISO 3834, bem como suas

complementares, podem servir como uma poderosa ferramenta para a elaboração das rotinas

e validação dos processos e procedimentos de soldagem.

Para as empresas do segmento de estruturas metálicas tornarem-se mais competitivas, é

fundamental a mudança de atitude, o controle das etapas do processo, investimentos em

tecnologia e principalmente em treinamento em todos os níveis das empresas.

Espero que esse trabalho agregue novas informações e traga uma nova visão para os aspectos

de Qualidade das juntas soldadas em estruturas metálicas e conjuntos soldados.


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13. Bibliografia: 1.SENAI-SP , Soldagem .Org.Selma Ziedas e Ivanisa Tatini.São Paulo, 1997 .553p ( Coleção Tecnologia SENAI) 2. OKUMURA,T.,TANIGUCHI, C – Engenharia de Soldagem e Aplicações, Rio de Janeiro: LTC, 1978. 461p 3.BRITO, José de Deus; PARANHOS , Ronaldo – Como Determinar os Custos da Soldagem , Campos dos Goytacazes –RJ –ParkGraf – Editora Ltda., 2005, 74p 4.NOVAIS, Paulo Rogerio Santos de – Notas de Aula Curso Tecnologia de Soldagem FATEC / SP São Paulo -2010 5. Marques, P.V – Tecnologia da Soldagem, Belo Horizonte : Editora “O LUTADOR’- 1991.354p

9 avaliacao das principais descontinuidades encontradas nas juntas soldadas

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