UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CENTRO TECNOLÓGICO

CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

TRABALHO DE PESQUISA

DESCONTINUIDADES EM SOLDAGEM

Disciplina: Metalurgia da Fratura e Fadiga

Professor: Pedro A N. Bernardini

Autores: Sérgio Rodrigues Barra

Aldo Santos Pereira

Florianópolis - SC Outubro/1999

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SUMÁRIO APRESENTAÇÃO 3 1 DESCONTINUIDADES EM SOLDAGEM 3 1.1 Definição 3 1.2 Classificação 3 1.3 Significância das descontinuidades no campo da soldagem 6 2 ANÁLISE DOS PRINCIPAIS TIPOS DE DESCONTINUIDADES PRESENTES EM SOLDAGEM 6 2.1 Trincas ou fissuras 6 2.1.1 Trincas a quente ou trincas de solidificação 7 2.1.2 Trincas de liquação 12 2.1.3 Trincas de reaquecimento 15 2.1.4 Trincas devido à decoesão lamelar 17 2.1.5 Trincas à frio ou induzida pelo hidrogênio 18 2.2 Porosidade (porosity or cavities) 22 2.3 Inclusão de escória (slag inclusion) 24 2.4 Marcas de abertura do arco (arc strikes) 26 2.5 Mordeduras 27 2.6 Falta de fusão 29 2.7 Falta de penetração 31 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS 32 4 REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA 33

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APRESENTAÇÀO

O material que ora apresentamos é resultado da pesquisa desenvolvida no decorrer dos meses de setembro e outubro de 1999, constituído de dados coletados em sites, livros, artigos e handbook.

Este material trata-se de uma coletânea das descontinuidades decorrentes da operação de soldagem, enfatizando o mecanismo de fratura. Nele não foram apresentadas em detalhes todas as descontinuidades, aparecendo somente as que são nucleadoras de trincas e as próprias trincas.

O trabalho faz parte do encerramento da disciplina Metalurgia da Fratura e Fadiga, do curso de Pós-Graduação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina.

No primeiro capítulo, foram expostos os seguintes termos: definição de descontinuidade, sua classificação e seu valor no campo da soldagem.

Já no segundo capítulo, reunimos os principais tipos de descontinuidades presentes em soldagem, para cada tipo, foram feitas a localização, a forma, o mecanismo de formação, a causa, o método de correção e exemplos práticos. 1 DESCONTINUIDADES EM SOLDAGEM 1.1 Definição

No que concerne o estudo de descontinuidades em soldas considera-se os fatores segurança e desempenho “performance” , intimamente relacionados, como chaves à obtenção de uniões ou revestimentos aceitáveis dentro de determinados padrões normalizados. Estas considerações, no entanto apresentam distintas características no que tange aos anseios do executante (fabricante) e do solicitante (cliente), isto é, do lado do fabricante espera-se depósitos que satisfaçam as normas vigentes (aspecto superficial e nível de descontinuidades presentes) e, pelo lado do cliente, satisfação quanto a resistência do componentes as solicitações de operação para as quais foi projetado.

O grande problema normalmente enfrentado deve-se ao fato do aparecimento inesperado de condições adversas (por ex.: erro de procedimento durante a operação de soldagem, aparentemente sem influência, gerando descontinuidades como concentradoras de tensões) que culminam na redução da vida útil do componente além da possibilidade de falhas.

O Termo descontinuidade em soldagem denota um interrupção ou violação estrutural no região soldada, tal como uma falta de homogeneidade nas características mecânicas, físicas ou metalúrgicas do depósito. A descontinuidade será considerada um defeito quando o efeito isolado ou multiplo deste originar uma incapacidade parcial ou total em relação às mínimas exigências padrões.

Deste modo, o conhecimento dos tipos de descontinuidades relacionadas a operação de soldagem e seus mecanismos de formação e

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controle, representará a diferença entre a operação esperada do componente ou a sua indesejada falha. A presença de descontinuidades exige a aplicação de medidas corretivas que acarretam uma elevação no tempo e no valor final da obra além, logicamente, da insatisfação do cliente. 1.2 Classificação

A categorização das descontinuidades normalmente leva em consideração o tipo e a natureza de cada descontinuidade. Lundin [4], em sua revisão bibliográfica, condensou as descontinuidades em três distintas categorias como mostrado na tabela 1. As descontinuidades, contudo, não devem necessariamente ser atrelada rigorosamente a uma única categoria haja vista que as mesmas podem apresentar origens secundárias em outras categorias.

Outro fator importante a ser considerado é a dimensão da descontinuidade, isto é, se a mesma tem característica bidimensional (planar) ou tridimensional (volumétrica). Descontinuidades planares como trincas e falta de fusão geralmente produzem uma maior amplificação da tensão imposta (efeito de concentração) do que as descontinuidades com características volumétricas (porosidade por exemplo). Além disso, a orientação da descontinuidade em relação ao esforço também é um outro fator a ser cuidadosamente analisado, haja vista que aquelas orientadas na direção da solicitação tendem a ser mais detrimental em comparação com outras com diferente orientação. Infelizmente, em função da localização das descontinuidades em regiões de difícil acesso e normalmente com níveis amplificados de tensão torna-se difícil uma análise mais apurada. Somando-se a isso, o processo de ciclagem térmica (aquecimento e resfriamento) originado pela operação de soldagem produz um estado local de tensão (tensão residual – regiões tracionadas e regiões comprimidas) que provoca o aumento da tensão final imposta nestas regiões.

Segundo a ASM as falhas em regiões soldadas podem ser divididas em duas classes: as rejeitadas após inspeção e ensaios mecânicos e as descobertas em serviço.

As características superficiais que causam rejeição do componente incluem:

♦ Reforço excessivo e convexidade do cordão; ♦ Concavidade excessiva e reforço abaixo do especificado; ♦ Presença de trincas; ♦ Mordeduras e escorrimento de reforço (overlap at the weld toe ); ♦ Falta de fusão e penetração; ♦ Porosidade; ♦ Marcas de abertura do arco; ♦ Salpicos. Como características internas a solda que podem causar rejeição

temos: ♦ Trincas sob o cordão; ♦ Porosidade; ♦ Inclusões (escória, tungstênio ou óxidos); ♦ Incompleta fusão e inadequada penetração.

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Mão de obra desqualificada, procedimento incorreto de soldagem e seleção inadequada do metal de base e do metal de adição, são outras características que influenciam na qualidade final do depósito (propiciam o surgimento de descontinuidades).

Tabela 1: Caracterização de descontinuidades na região da solda (Adaptado de [4]). Relacionada ao processo e procedimento de soldagem empregado A. Geométrico

♦ Desalinhamento ♦ Mordedura (undercut ) ♦ Concavidade ou convexidade ♦ Reforço excessivo ♦ Reforço insuficiente ♦ Ângulo de reforço insuficiente ♦ Sobreposição (overlap ) ♦ Penetração incompleta ou falta de penetração ♦ Falta de fusão ♦ Contração (shrinkage ) ♦ Ondulações superficiais irregulares (surface irregularity-ripples ) ♦ Perfuração na região de incidência do arco (burn through )

B. Outros

♦ Marcas de abertura de arco (arc strikes ) ♦ Inclusão de escória (slag inclusions ) ♦ Inclusão de tungstênio ♦ Filmes óxidos ♦ Salpico (spatter ) ♦ Cratera do arco (arc crater ) ♦ Defeito de esmerilhamento na solda (weld dressing )

Metalúrgico A. Trincas ou fissuras

♦ A quente ou de solidificação (hot cracks ) ♦ A frio ou de hidrogênio (cold or delayed cracks ) ♦ De reaquecimento ♦ De alívio de tensões (stress-relief ) ♦ De envelhecimento (strain-age )

B. Porosidade

♦ Esférica ♦ Vermicular (worm-hole )

C. Zona termicamente afetada (ZTA) – modificações estruturais D. Segregações no metal de base e na ZTA E. Defeito de laminação no metal de base (base plate delamination ) Desenho (projeto) A. Modificações na seção – concentração de tensão B. Tipo de junta

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1.3 Significância das descontinuidades no campo da soldagem

O nível de importância de uma determinada descontinuidade não pode ser analisado de forma segura enquanto não se estabelecer qual o modo ou os modos de falha que estão sendo afetados pela descontinuidade. A determinação destes modos exige a consideração de parâmetros concernentes a temperatura, condição de serviço, estado de tensão e dependência com o tempo. Neste caso deve-se confrontar o racional com a prática para garantir segurança na avaliação.

Por exemplo: ♦ Corrosão sob tensão pode servir como elemento nucleante de

descontinuidades tanto no metal de solda quanto na ZTA; ♦ Fratura frágil apresenta uma ligação com o tipo de material, isto é,

os ferríticos são mais propensos a este mecanismo de fratura quando comparados com os inox auteníticos, alumínio e ligas a base de níquel. Porém, os últimos, sob determinadas condições, podem a apresentar o mecanismo quando sujeitos a uma modificação de ordem metalúrgica local;

♦ Fratura por fadiga apresenta um relação com 90% dos casos de falha e muitas das vezes precede a fratura frágil. Uma descontinuidade sob estado um alternado de tensão (ciclos de fadiga) pode iniciar uma trinca que se propagará sobre estável condição até atingir um instável crescimento (fratura);

♦ Descontinuidades planares tendem a ser mais nocivas ao processo de fadiga, desde que estas requerem uma menor tempo de iniciação antes da propagação em comparação ao estado tridimensional;

♦ Fluência (creep ) não é normalmente associada com descontinuidades em regiões soldadas uma vez que esta em temperaturas elevadas (onde os materiais apresentam maior dutilidade). Cuidados especiais com relação a “creep failure ” devem ser tomados quando da análise de falhas oriundas de reaquecimento e tratamento térmico para alívio de tensões, onde a fluência pode ser considerável.

1 ANÁLISE DOS PRINCIPAIS TIPOS DE DESCONTINUIDADES

PRESENTES EM SOLDAGEM

Neste tópico abordar-se-á as características de formação e efeitos das principais descontinuidades sobre à vida útil do componente soldado. As análises das descontinuidades serão enfatizadas para o campo da fratura, que é o objetivo deste trabalho. 2.1 Trincas ou fissuras

São descontinuidades originadas na região soldada em função da sobreposição localizada do limite de resistência a ruptura. Uma vez geradas,

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estas descontinuidades tendem a se propagar por efeito da contração local na direção de propagação (contração do metal de solda – redução do volume da poça pela contração líquida, contração de solidificação e contração devido a mudança de fase no estado sólido). Estas descontinuidades são consideradas as mais severas em soldagem, por servirem como concentradores de tensões.

Alguns autores e normas sugerem a seguinte classificação para as trincas de acordo com a temperatura de formação.

Tabela 2: Classificação das trincas intergranulares e em temperatura elevada segundo Hemsworth e colaboradores. Extraída de [12].

Trincas emtemperaturaelevada (metadedo ponto defusão ou datemperaturasolidus)

Trincas devido àmicrossegregação

- Trinca de solidificação do metal de solda- Trinca devido à liquação na ZTA- Trinca devido à liquação do metal de solda (para a soldagem multipasse)

- Trinca devido à queda de ductilidade na ZTA- Trinca devido à queda de ductilidade no metalde solda (como soldado)- Trinca devido à queda de ductilidade no metalde solda reaquecido (soldagem multipasse)

Trincas devido à quedade ductilidade

Tabela 3: Classificação de trincas propostas pelas normas DIN 8524 e AWS B 1.0. Extraída de [12].

Norma DIN 8524 Norma AWS B 1.0

Trinca a quente (associada com a presença de um filme líquido) - Trinca de solidificação (cratera) - Trinca de liquação Trinca a frio (ocorre com o material totalmente no estado sólido) - Trinca devido à queda de

dutilidade - Trinca devido à contração de

solidificação - Trinca induzida por hidrogênio - Trinca lamelar

Trinca a quente (ocorre em temperatura elevada, próximo ao ponto de fusão e durante a solidificação da solda) Trinca a frio (ocorre após a solidificação da solda e é geralmente associada à presença de hidrogênio

##### Trinca lamelar 2.2.1 Trincas a quente ou trincas de solidificação a) Localização

Interna ou externamente na: ♦ Cratera (1);

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♦ ZTA (2); ♦ Zona fundida (3). Cordão (zona fundida)

ZTACratera

Metal de base

2

2

1

3

2

3

3

Figura 1: Descrição genérica das localizações das trincas a quente, onde: (a) perspectiva e (b) vista superior.

b) Forma

♦ Irregular (macrotrinca – na ordem de algumas dezenas de mm e microtrinca – na ordem de alguns décimos de mm);

♦ Bidimensional; ♦ Propagação preferencial intergranular perpendicularmente à direção

de contração (longitudinais ao cordão). c) Mecanismo de formação

As trincas a quente originam-se no estágio final de solidificação, quando a tensão atingida através dos grãos adjacentes formados excede a resistência do metal de solda quase solidificado (presença de fase eutética segregada para a região final de solidificação, com temperatura na faixa de 900 a 1400 oC).

As teorias mostram que o aparecimento destas descontinuidades deve-se a separação de uma rede sólida (dendritas) por um contínuo e fino filme microsegregado (fase pré-fusível formada a partir da presença de S, P, Nb, Si e C). A severidade deste tipo de trinca apresenta uma relação direta com a quantidade de impurezas (figura 2) e a geometria do cordão (figura 3). Para o caso da região da cratera o surgimento de trinca deve-se, principalmente, ao alto nível de contração devido a solidificação rápida provocada pela extinção do arco.

A figura 2 traz uma representação esquemática do mecanismo de formação da trinca de solidificação.

9

Filme líquido

Tensões devido à contração

Direção de solidificação

Figura 2: Mecanismo de formação da trinca de solidificação

Superfície sob tensão

Superfície não tensionada

Solda de filete côncava

Solda de filete convexa

Errado muito largo e côncavo(pobre remoção de escória)

Errado molhamento lateral excessivo e côncavo

Certo Plano ou ligeiramente convexoe molhamento lateral adequado

Largura

Largura

Tensão de contração

Tensão de contração

Errado Relação excessiva penetração/largura

Certo Adequada Relação penetração/largura

Penetração

Penetração

Trinca

Figura 3: Efeito da geometria do cordão sobre a susceptibilidade ao

aparecimento de trinca à quente. Adaptado de [3].

d) Fatores influentes na formação da trinca de soli dificação

� Metalúrgicos � Faixa de temperatura na mudança líquido-sólido (freezing ranger )

e presença de fases eutéticas; � Fase primária de solidificação; � Tensão superficial no contorno de grão líquido; � Granulometria da zona fundida.

� Mecânicos

� Tensão devido à contração; � Grau de restrição.

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e) Influência sobre outras descontinuidades

As trincas de solidificação podem ter efeito de promover (facilitar a nucleação) de outras descontinuidades como as trincas à frio, o processo de fadiga, aceleração da corrosão sob tensão, mecanismo de fratura frágil, etc. f) Meios de controle

Existem diversos meios de controle que vão desde o controle do metal de solda e o de base (controle metalúrgico) até o uso de condições favoráveis de soldagem (controle do processo). Na prática já existem disponíveis ábacos (diagrama de Schaeffler para os aços inox, por exemplo) e fórmulas matemáticas empíricas (como a fórmula 1 proposta por Bailey e Jones), que possibilitam avaliar a tendência que determinada condição de soldagem terá ao aparecimento de fissuração à quente.

No diagrama de Schaeffler (figura 4), nos eixos estão representados pelos percentuais de cromo equivalente (%Creq ) e níquel equivalente (%Nieq ) onde, os elementos de liga presentes na equação do %Creq são os alfagêneos e os presentes na equação do %Nieq são os gamagêneos. Deste modo, de acordo com a diluição imposta pelo processo de soldagem é possível prever qual a microestrutura da zona fundida. Portanto, Pode-se fazer uma previsão e prevenção dos problemas que possam vir a ocorrer.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

26

24

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

AUSTENITA + FERRITA

MARTENSITA

A+M

AUSTENITA

M+FF+M

A+F+M

FERRITA

% Ferrita

0 5 10

20

40

80

100

%Cr eq %Cr + %Mo + 1.5%Si + 0.5Nb

%Ni eq = %

Ni + 0.5%Mn + 30%(C+N) + (0.41%Co)

Trincas à frio

Trincas à quente

Fase sigma

Crescimento de grão

Figura 4: Diagrama de Scheaffler utilizado para previsão da susceptibilidade a fissuração e fase sigma. Adaptado de [3].

Fórmula 1: Índice de susceptibilidade ao aparecimento de fissuração à quente na soldagem de aço carbono. Extraído de [10].

Usc = 230 C% + 190 S% + 75 P% + 45 Nb% – 12 Si% – 5 ,4 Mn% – 1

Se � Usc < 10 solda não susceptível � Usc > 30 solda susceptível

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Onde: Usc → Unidade de susceptibilidade ao surgimento de trinca à quente

% → percentual em peso do componente químico C → 0,08 a 0,23; S → 0,01 a 0,05; P → 0,01 a 0,045; Si → 0,15 a 0,65; Mn → 0,45 a 1,60 e Nb → até 0,07.

Com relação a formulação impírica acima é importante salientar o que rege a teoria em relação ao efeito do silício, isto é, como o silício tem a tendência de propiciar o aparecimento de trinca à quente esperava-se que o mesmo tivesse um efeito de soma no índice Usc . Contudo, para teores de silício abaixo de 0,65% (faixa de validade da equação) ocorre um efeito de redução na susceptibilidade e para valores de silício acima desta faixa o efeito passa então a ser detrimental.

Como regra, existem seis condições para o controle do surgimento deste tipo de trinca. Condições:

� Soldas planas como forma de reduzir a deformação térmica; � Controle adequado do aporte de calor objetivando obter relação

penetração/largura na ordem de 1:1; � Evitar utilizar metal de base com níveis de S e P total acima de

0,06%; � Promover uma limpeza adequada da região a ser soldada; � Utilizar projeto otimizado das juntas; � Controlar o nível de diluição.

g) Exemplos práticos

Como forma de ilustrar a teoria que envolve a formação das trincas de solidificação motrar-se-á algumas macro e micrografias de regiões soldadas apresentando este tipo de descontinuidade.

a

b

Figura 4: (a) macrografia mostrando aspecto do cordão e localização da descontinuidade e (b) micrografia mostrando trinca entre os ramos

dendríticos. Extraídas de [3 e 10].

12

a

b

Figura 5: Trinca de solidificação na ZTA, onde: (a) micrografia mostrando a trinca na ZTA logo abaixo da linha de fusão e (b) micrografia mostrando

detalhe da propagação intergranular da trinca. Extraídas de [11].

a

b

Figura 5: (a) Trinca de cratera e (b) trinca devido ao segundo passe (reverso) numa junta em “T”, provocada pelo elevado grau de restrição.

Extraídos de [3 e 7].

2.2.2 Trincas de liquação a) Localização

Interna ou externamente próxima a linha de fusão na:

♦ ZTA no metal de base; ♦ ZTA entre cordões na soldagem multi-passes.

ZTA entre cordões

Trincas de liquação

ZTA no metal de base

Figura 6: Descrição genérica das localizações das trincas de liquação.

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b) Forma ♦ Irregular (macrotrinca e microtrinca); ♦ Bidimensional; ♦ Propagação preferencial intergranular perpendicularmente à direção

de contração (longitudinais ao cordão). c) Mecanismo de formação

As trincas de liquação originam-se na ZTA logo abaixo da linha de fusão devido a redistribuição de fases de baixo ponto de fusão através dos contornos de grão parcialmente fundidos (reaquecidos). O mecanismo de formação de tensões é similar àquele presente na trinca à quente. Um ponto importante a ser observado é a diferença na origem da segregação, no caso da trinca à quente a origem vem da diferença de solubilidade entre sólido/líquido, e para o caso da liquação deve-se ao enriquecimento no estado sólido dos contornos de grão.

Nos aços carbono este tipo de trinca ocorre nos contornos de grão anterior da austenita (sulfetos dissolvem a austenita e migram para os contornos). Contudo, para os aços inoxidáveis austeníticos está descontinuidade depende do modo inicial de solidificação, isto é, se o modo é completamente austenítico a região refundida banhada pelo filme será maior (aumentando a possibilidade de ocorrência) do que a solidificação inicialmente ferrítica. Esta diferença relaciona-se ao fato da ferrita diminuir a molhabilidade da fase líquida (filme eutético).

A figura 7 traz uma representação esquemática do mecanismo de formação da trinca de solidificação e as diferenças entre os modelos de solidificação austeníticos e ferríticos.

Poça de fusão

Linha de fusão

Filme

Zona parcialmente fundida

γ γ γ

γ a

Poça de fusão

Linha de fusão

Zona parcialmente fundida

γ γ γ

γδ b

Figura 7: Mecanismo de formação e controle da trinca de liquação, onde: (a)

modo de solidificação austenítico e (b) modo de solidificação ferrítico. Adaptado de [12].

d) Fatores influentes na formação da trinca de liqu ação

� Metalúrgicos � Presença de fases eutéticas (composição química); � Fase primária de solidificação; � Tensão superficial no contorno de grão líquido; � Granulometria na zona parcialmente fundida.

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� Mecânicos

� Tensão devido à contração; � Grau de restrição.

� Operacional

� Aporte de calor (heat input ).

e) Influência sobre outras descontinuidades

As trincas de liquação, assim como as trincas à quente, podem ter efeito de promover (facilitar a nucleação) de outras descontinuidades como as trincas à frio, o processo de fadiga, aceleração da corrosão sob tensão, mecanismo de fratura frágil, etc. f) Meios de controle

Os meios de controle para o problema das trincas de liquação podem ser agrupados em quatro diferentes categorias:

� Controle do calor aportado; � Controle do grau de restrição da região soldada; � Controle da composição do metal de base utilizado; � Controle da composição química do metal de adição utilizado.

g) Exemplos práticos

Como forma de ilustrar a teoria de formação das trincas de liquação motrar-se-á algumas micrografias de regiões soldadas apresentando este tipo de descontinuidade.

a

b

Figura 8: Micrografias mostrando o fenômeno de liquação nos contornos de grão de uma solda de alumínio (a) e trinca de liquação na ZTA logo abaixo

da linha de fusão (liga de níquel) (b). Extraídos de [3 e 11].

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2.2.3 Trincas de reaquecimento a) Localização

Interna ou externamente na:

♦ ZTA entre cordões (multi-passes) e ZTA no metal de base (aços resistentes à fluência – aços ferríticos ligados ao Cr, Mo e V, aços estruturais de baixa liga, inox autenítico e ligas à base de níquel);

ZTA entre cordões

Trincas de reaquecimento

ZTA no metal de base

Figura 9: Descrição genérica das localizações da trinca de reaquecimento. b) Forma

♦ Irregular (macrotrinca e microtrinca); ♦ Bidimensional; ♦ Propagação preferencial intergranular perpendicularmente à direção

da carga imposta à região da solda. c) Mecanismo de formação

As trincas de reaquecimento originam-se neste tipo de aço em função de sua característica (resistência à fluência pela presença de precipitados de carbetos no interior dos grãos) que faz com que haja fluência apenas nos contornos de grão, que são menos resistentes que o interior dos mesmos. Este mecanismo ocorre quando a região soldada, em carga, é submetida um tratamento térmico pós-soldagem (alivio de tensões e revenido – na ordem de 550 a 650 oC).

d) Fatores influentes na formação da trinca de reaq uecimento

� Metalúrgicos � Presença de impurezas (composição química do metal de base); � Granulometria na ZTA; � Exposição prolongada na temperatura de tratamento pós-

soldagem.

� Mecânicos � Tensão induzida; � Grau de restrição.

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e) Influência sobre outras descontinuidades

Como ocorre na condição pós-soldagem este tipo de descontinuidade dificilmente servirá como elemento nucleante para outras descontinuidades comuns em soldas. f) Meios de controle

Basicamente, o controle para este tipo de trinca se resume na seleção adequada do metal de base (composição química) e na busca de grãos refinados na ZTA entre cordões.

Nakamura [3] propõe uma formulação empírica para a previsão da susceptibilidade da região soldada à presença de trinca de reaquecimento. A formulação leva em conta os teores em peso de Cr, Mo e V (formadores de carbonetos).

CS = Cr % + 3,3 Mo% + 8,1 V% - 2 Se Cs ≥≥≥≥ 1 a região será susceptível a este tipo de descontinuidade. Onde:

� CS →→→→ índice de susceptibilidade à fissuração por reaquecimento. g) Exemplos práticos

Como forma de ilustrar a teoria de formação das trincas de reaquecimento motrar-se-á algumas micrografias de regiões soldadas apresentando este tipo de descontinuidade.

a

b

Figura 10: Macrografia mostrando um trinca de reaquecimento na ZTA próximo a linha de fusão (a) e micrografia mostrando o modo de propagação intergranular da trinca (b). Metal de base Aço CrMoV. Extraídos de [3 e 11].

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2.2.4 Trincas devido à decoesão lamelar a) Localização

Internamente no: ♦ Metal de base próximo a ZTA, podendo aflorar à superfície.

Trinca por decoesão lamelar

Metal de base

Figura 11: Descrição genérica da localização da trinca devido à decoesão lamelar.

b) Forma

♦ Irregular (macrotrinca e microtrinca); ♦ Bidimensional; ♦ Propagação preferencial em degraus na direção da conformação

mecânica (laminação) perpendicularmente à direção da carga imposta à região da solda.

c) Mecanismo de formação

As trincas devido à decoesão lamelar originam-se pela presença combinada de tensão atuante na direção da espessura e presença de inclusões (MnS principalmente) alongadas pela laminação. Estas inclusões servem como sítios para o início da trinca. Este tipo de trinca praticamente não é mais observado em função do controle da forma do sulfeto obtido ( de alongado para arredondado) através de processos modernos de conformação. d) Fatores influentes na formação da trinca de liqu ação

� Metalúrgicos � Presença de impurezas no metal de base (formação de MnS);

� Mecânicos

� Tensão induzida; � Grau de restrição.

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� Projeto � Projeto inadequado da junta e modo de deposição.

e) Influência sobre outras descontinuidades

Como ocorre distante da ZTA este tipo de descontinuidade dificilmente servira como elemento nucleante para outras descontinuidades comuns em soldas. f) Meios de controle

Basicamente o controle para este tipo de trinca se resume na seleção adequada do metal de base (composição química) e utilização de um processo adequado de conformação mecânica (obtenção de MnS arredondados). Outra maneira seria a de se evitar que as tensões de contração atuem na direção da espessura (adequado projeto de junta). g) Exemplos práticos

Como forma de ilustrar a teoria de formação das trincas de decoesão lamelar motrar-se-á algumas macro e micrografias de regiões soldadas apresentando este tipo de descontinuidade.

a

b

Figura 12: Micrografia apresentando MnS alongado no metal; de base (a) e macrografia mostrando a presença de uma trinca de decoesão lamelar no

metal de base próximo a ZTA (b). Extraídos de [3 e 11].

2.2.5 Trincas à frio ou induzida pelo hidrogênio a) Localização

Internamente ou externamente: ♦ Na ZTA e próximo a linha de fusão (zona parcialmente fundida); ♦ No metal de solda.

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b) Forma ♦ Irregular (macrotrinca e microtrinca); ♦ Bidimensional; ♦ Propagação intergranular seguindo os contornos da austenita anterior ou

transgranular. c) Mecanismo de formação

O exato mecanismo de como o hidrogênio atua em conjunto com a concentração de tensão para a formação das trincas à frio ainda não é de todo entendido. A teoria mais utilizada sugere que as trincas se formam a partir da presença de hidrogênio atômico (H+) que se difunde por sítios preferencias como microporos, interfaces entre inclusões e matriz, ou outras descontinuidades onde este se combina para formar H2 . A molécula não pode difundir pela rede e o hidrogênio presente é então acumulado. Este fenômeno causa uma elevação na pressão sobre a rede da região onde o H2 encontra-se concentrado, e com isso levando ao rompimento da rede e servindo como sítio para propagação da trinca. Outra maneira de explicar o mecanismo de formação deste tipo de trinca pode ser evidenciada pela figura 13, na qual se pode observar que em (a) existe uma diferença (retardo) nas mudanças de fases no estado sólido entre a ZTA e o metal de solda, isto é, a transformação de austenita para ferrita ocorre numa menor temperatura na ZTA do que no metal de solda. Desta modo forma-se uma janela por onde o H+ presente no metal de solda (agora com ferrita e cementita - com alta difusão e baixa solubilidade para o H+ ) tende a migrar (driving force) através da janela para a ZTA, ainda austenítica (com baixa difusão e maior solubilidade para o H+). Quando a ZTA também passa a ter ferríta e martensita o H+ tende a se acumular e aumentar a pressão sobre a matriz. A combinação de pressão na rede, microestrutura susceptível e tensão induzida, provocam o surgimento deste tipo de descontinuidade (temperatura de aparecimento na faixa de - 100 a 200 ºC). O perigo desta trinca deve-se ao fato de seu surgimento num tempo relativamente grande após soldagem (algo em torno de 48 horas até vários dias), e com isso podendo mascarar os ensaios não destrutivos.

A conseqüência drástica da presença da trinca à frio é a ocorrência de fratura frágil.

H H

H

H H

H

H H

H

H

+ +

+

+ +

+

+ +

+

+

α

α+Fe C3

+M

γ

γ

Poça

Direção de soldagem

Concentração de

Metal de solda solidificado

ZTA

a

HH

HH

H H

H

+

+

+

+

+ +

+

α

α+Fe C3

+M

γ

γ

Poça

Direção de soldagem disperso no metal de solda

ZTA

b

Figura 13: Mecanismo de formação e controle da trinca à frio, onde: presença da janela entre zona fundida e ZTA (a) e mecanismo de

fechamento de da janela (b). Adaptado de [10].

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d) Fatores influentes na formação da trinca à frio

� Metalúrgicos � Presença de impurezas no metal de base (fontes de H2); � Baixa temperatura (< 150 0C); � Estrutura (martensita) susceptível (frágil) ao fenômeno.

� Mecânicos � Tensão induzida; � Grau de restrição.

� Projeto � Projeto inadequado da junta e modo de deposição.

e) Influência sobre outras descontinuidades Geralmente esta descontinuidade não apresenta influencia sobre o aparecimento de outras descontinuidades. No entanto, outras descontinuidades podem servir de nucleantes para este tipo de trincas. f) Meios de controle Basicamente o controle para este tipo de trinca se resume em:

� Limpeza adequada da região a ser soldada; � Uso de consumível (eletrodo) que fechem a janela de passagem

do hidrogênio do metal de solda para a ZTA; � Utilização de consumível e processo que garantam teor de

hidrogênio abaixo de 5 ml/100g. � Controle dos parâmetros de soldagem visando uma temperatura

adequada na região crítica, por meio da utilização de temperatura de interpasse, temperatura de pré-aquecimento e temperatura de pós-aquecimento (propiciar a migração do H+ em direção à superfície);

� Uso de passe de revenido (temper bead ); � Procedimentos otimizados de deposição e projeto adequado da

junta.

Uma maneira muito empregada para saber a susceptibilidade da região soldada ao aparecimento da trinca à frio é através da utilização da equação empírica do carbono equivalente (CE), proposta pelo IIW [10]. Nesta equação avalia-se a tendência da composição química sobre a formação de martensita (deslocamento da curva TTT) e, deste modo, um aumento na susceptibilidade da ocorrência da trinca.

CE = C% + (Mn%/6) + [[[[(Cr% + Mo% + V%)/5 ]]]] + (Cu% + Ni%)/15

Se CE < 0,40 a estrutura não será susceptível a trinca à quente, e cuidados especiais não serão necessários.

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Os três fatores principais que controla a trinca por hidrogênio estão na tabela abaixo: 1 – MICROESTRUTURA DA ZAC Composição química do aço

Tempo de resfriamento t8/5

2 – TENSÕES Intensidade da restrição Geometria e espessura da junta Efeitos térmo-mecânicos de diferentes caminhos ( solda, laminação, etc. )

3 – HIDROGÊNIO Teor de hidrogênio difusível Tempo de resfriamento t3/1

g) Exemplos práticos

Como forma de exemplificar o mecanismo de formação bem como o aspecto e as localizações deste tipo de trinca motrar-se-á algumas macro e micrografias de regiões soldadas apresentando este tipo de descontinuidade.

a

b

c

d

Figura 13: Macrografias apresentando o aspecto da fissuração induzida pelo hidrogênio (a), (b) e (c) e micrografia mostrando o detalhe do modo de

propagação da trinca (d). Extraídas de [3, 10 e 11].

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2.3 Porosidade (porosity or cavities )

São descontinuidades originadas no metal de solda em função do aprisionamento de gases ou vapores dissolvidos na possa de fusão durante o processo de solidificação. Este aprisionamento resulta do decréscimo na solubilidade dos gases na poça de fusão durante o abaixamento da temperatura, ou ainda de reações químicas no metal de solda. Estas descontinuidades são consideradas detrimentais quando ultrapassam valores propostos em normas (DIN EN 25817/92, por exemplo), por servirem como redutores da área útil resistente. Além disso, porosidade aberta (aflorando à superfície) exerce um efeito de concentrador de tensão. a) Forma Alguns autores e normas sugerem a seguinte classificação para a porosidade de acordo com a forma e a distribuição.

� Uniformemente distribuída (uniformly scattered porosity ); � Agrupada (cluster porosity ); � Alinhada (aligned porosity ); � Vermicular ou vermiforme (alongated porosity or worm holes ); � Esférica (spherical porosity ).

b) Mecanismo de formação

O mecanismo de formação de um poro se baseia na relação velocidade da frente de solidificação versus taxa de separação dos gases/vapores dissolvidos na poça de fusão. Caso a velocidade da frente de solidificação seja maior que a velocidade de desprendimento dos gases/vapores (velocidade de soldagem alta) o poro formado terá a forma esférica. Por outro lado, se a velocidade da frente for igual a de desprendimento (velocidade de soldagem média) o poro terá a forma vermicular. Não haverá formação de poro quando a velocidade da frente for inferior a de desprendimento (velocidade de soldagem lenta). Uma das condições para o surgimento de porosidade é a presença de supersaturação total ou localizada de gás na poça de fusão.

Os gases que causam porosidade são o hidrogênio, nitrogênio, ou dióxido de carbono. O hidrogênio tem origem na umidade presente no consumível ou no metal de base. Para o nitrogênio a origem vem da captação do ar vizinho ao arco voltaico. No caso do dióxido de carbono a origem está na combinação de O2 e metal de base em aço não acalmado. c) Fatores influentes na formação da porosidade

� Metalúrgicos � Composição química do metal de base (presença de elementos

formadores de porosidade como óxidos e micro poros oriundos do processo de conformação mecânica);

� Composição química do revestimento e/ou gás de proteção;

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� Insuficiência de elementos desoxidantes no metal de adição e no metal de base.

� Operacionais � Procedimento inadequado de soldagem (comprimento do arco,

deslocamento lateral do arco – tecimento, infiltração de ar ou água por falha de manutenção, condição inadequada de estocagem dos consumíveis, outros.);

� Instabilidade na coluna do arco provocado pela utilização de parâmetros inadequados de soldagem (corrente e tensão fora da faixa especificada, fluxo de gás fora do especificado, outros.);

� Limpeza da região a ser soldada. � Mecânico � Grau de restrição aliado a contração na mudança de estado

(líquido/ sólido) da poça de fusão. e) Influência sobre outras descontinuidades

Geralmente esta descontinuidade apresenta uma relação direta com a formação de trincas de cratera, isto é, microporos entre os ramos dendríticos na região da cratera atuam como sítios preferencias à nucleação de trincas. e) Meios de controle

Basicamente o controle para este tipo de descontinuidade se resume em:

� Limpeza adequada da região a ser soldada; � Armazenamento adequado dos consumíveis (controle de

umidade); � Cuidado especial na soldagem de metal de base com microporos

decorrentes do processo de laminação (utilização de amanteigamento se necessário);

� Eliminação de vazamentos no sistema de refrigeração; � Cuidado especial no controle da cratera (uso de chapa apêndice

e/ou uso de rampa de corrente em conjunto com a manipulação adequada do eletrodo – passe à ré);

� Controle da composição química do metal de base e do consumível.

f) Exemplos práticos

Como forma de exemplificar o mecanismo de formação bem como o aspecto e as localizações deste tipo de descontinuidade motrar-se-á algumas macro e micrografias de regiões soldadas apresentando as suas diversas formas.

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a

b

Figura 14: Macrografia mostrando a presença de porosidade na forma esférica num cordão de solda em AlSi (a) e microporosidade entre os ramos

dendríticos no mesmo cordão (b). Autoria dos autores.

a

b

Figura 15: Porosidade vermicular com direção de crescimento da raiz para o reforço (a) e porosidade agrupada (b). Extraída de [7 e 10].

2.3 Inclusão de escória ( slag inclusion )

São descontinuidades originadas no metal de solda em função do aprisionamento de material metálico (inclusão de tungstênio na soldagem TIG) e não metálico retido na zona fundida. Este aprisionamento resulta do fato destas partículas desprendidas do eletrodo e escória na superfície a ser soldada apresentarem elevado ponto de fusão. Estas descontinuidades, assim como a porosidade, são consideradas detrimental quando ultrapassam valores propostos em normas (ASME/ANSI B 313/1987, por exemplo), por servirem como redutores da área útil resistente e como concentradores de tensão. a) Forma

� Irregular; � Direção preferencial paralela a superfície na soldagem multipasse.

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b) Mecanismo de formação Como citado anteriormente a origem das inclusões baseia-se no fato da presença de partículas metálicas ou não metálicas (oriundas do eletrodo ou do fluxo), com elevado ponto de fusão, dispersas na poça de fusão. Durante o processo de solidificação, estas inclusões ficam retidas no interior da zona fundida ou na interface ZTA/zona fundida na soldagem multipasse. c) Fatores influentes na formação das inclusões

� Referente ao processo de soldagem

� Manipulação inadequada do eletrodo; � Remoção incompleta da escória na soldagem multipasse; � Aporte de calor insuficiente para refundir a escória; � Contato da tocha ou eletrodo não consumível com a poça de fusão

(TIG; MIG e Arame Tubular); � Limpeza inadequada da superfície a ser soldada; � Uso de cobre junta inadequado; � Perfil inadequado do cordão depositado. � Projeto

� Projeto inadequado do chanfro.

d) Influência sobre outras descontinuidades

Em função do seu efeito de concentrador de tensões esta descontinuidade pode servir de sítio preferencial ao surgimento de trincas. e) Meios de controle

� Limpeza adequada da região a ser soldada; � Remoção total da escória antes do próximo passe; � Geometria adequada da junta; � Uso de aporte de calor adequado; � Manipulação adequada do eletrodo ou tocha.

f) Exemplos práticos

Como forma de exemplificar as características das inclusões e suas localizações apresenta-se abaixo uma macrografia e uma micrografia de junta uma junta de topo.

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a

b

Figura 16: Macrografia mostrando a presença de uma inclusão na interface zona fundida/metal de base (a) e micrografia mostrando a presença de uma

inclusão na zona fundida (b). Extraída de [7]. 2.4 Marcas de abertura do arco (arc strikes )

Marcas de abertura de arco são regiões aleatórias onde ocorreu uma abertura acidental do arco voltaico em função da manipulação inadequada da tocha ou eletrodo e, também, pelo mau posicionamento da garra de aterramento. Esta região apresenta uma modificação microestrutural (uma dura ZTA com presença de microtrincas) e uma tendência a fragilização, além de atuar como um elemento nucleador de trinca e concentrador de tensão. a) Causas e controle

Causas: � Manipulação inadequada do eletrodo ou da tocha; � Problema de isolamento na tocha ou eletrodo; � Desenho inadequado da junta; � Acesso restrito a região a ser soldada; � Fixação inadequada da garra de aterramento; Controle � Preparação adequada da junta; � Manipulação adequada do eletrodo ou da tocha; � Fixação adequada do aterramento; � Manutenção adequada do equipamento de soldagem.

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b) Exemplo prático

Figura 17: Macrografias mostrando a presença de ZTA na região de abertura de arco (a) e uma vista superior da região de abertura de arco

(b). Extraídas de [1]. 2.5 Mordeduras

São descontinuidades em forma de depressão, gerando um entalhe no pé do cordão, isto é, entre o metal de base e o cordão de solda. A existência de mordeduras significa, redução da seção resistente e, consequentemente, um enfraquecimento da junta soldada. Em uma junta submetida a tensões de fadiga, a presença de mordeduras geralmente serve como pontos iniciais de ruptura, por serem um concentrador de tensão. a) Localização

As mordeduras podem ocorrer só de um lado do cordão ou nas duas laterais. Podem ser ainda continuas ou somente em alguns trechos.

Quanto a localização podem ser apresentar: � na face superior do cordão ( figura 18a ) � entre passes ( figura 18b ) � na margem da raiz ( figura 18c )

a b c Figura 18: Localizações comuns para a ocorrência de mordeduras. Extraídas

de [7]. b) Mecanismo de formação

Quando o metal de base se funde pela ação do arco voltaico para o

fundo, formando uma grande depressão, motivado pelo alto aporte térmico.

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Por outro lado, se o metal de adição não for suficiente para encher a cavidade até o nível em que o metal de base fundiu, então, Ter-se-á reentrâncias no metal de base adjacentes ao passe.

c) Causas da ocorrência das mordeduras

Dentre as causas principais temos: � corrente de soldagem excessivamente alta; � velocidade de soldagem excessivamente alta; � comprimento do arco excessivo; � manipulação incorreta do eletrodo ( tocha ), não permitindo o

preenchimento da depressão formada pela fusão do metal de base;

� sopro magnético. Observação: os três primeiros itens estão relacionados ao aporte térmico imposto pela operação de soldagem. Consequentemente, a causa principal das mordeduras é um alto aporte térmico.

d) Métodos de correção

Quando as mordeduras atingirem níveis inaceitáveis, deve-se

remover toda a região defeituosa por esmerilhamento e posterior deposição na região reparada. e) Exemplos práticos

Como forma de ilustrar a teoria que envolve a mordedura, apresentaremos macro e micrografia (figuras 19a e 19b) de regiões soldadas com esse tipo de descontinuidade.

Figura 19a: Junta em T, solda de filete, mostrando duas mordeduras. Nota-se ainda a presença de um respingo de solda (indicado por uma seta ). Podemos observar, também, uma solda em ângulo assimétrica. Extraída de [1].

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Figura 19b: Trinca de fadiga. Observe a ocorrência da propagação desta trinca de fadiga, a partir de uma mordedura na soldagem. Extraída de [3].

2.6 Falta de fusão

Esta descontinuidade caracteriza-se por uma falta de fusão localizada, isto é, uma ausência de continuidade metalúrgica entre o metal depositado e o metal de base ou entre dois cordões adjacentes.

A falta de fusão atua como um concentrador de tensão severo, podendo facilitar a nucleação e propagação de trincas. Além disso, pode reduzir a seção efetiva da junta. a) Localização .

Quanto a localização podem aparecer:: � Na região da linha de fusão ( figura 20a ); � Entre os passes ( figura 20b ); � Na raiz da solda ( figura 20c ).

a b c

Figura 18: Localizações comuns para a ocorrência de falta de fusão. Extraídas de [7].

b) Mecanismo de formação

Resulta do aquecimento não adequado do metal que está presente na

junta soldada (falta de molhabilidade) e/ou da presença de camadas de óxidos.

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c) Causas da ocorrência da falta de fusão Dentre as causas principais temos: � Limpeza insuficiente dos bordos da junta (deixando óxidos, tintas e

óleos); � Manipulação incorreta do eletrodo ( tocha ); � Desvio do arco por efeito do sopro magnético; � Aporte térmico muito baixo com a impossibilidade do arco atingir

certas regiões da junta. d) Métodos de correção

Quando a falta de fusão atingir níveis inaceitáveis, deve-se remover

toda a região defeituosa por esmerilhamento e posterior deposição na região reparada. e) Exemplos práticos

Como forma de ilustrar a teoria que envolve falta de fusão, apresentaremos macrografias (figuras 21a e 21b) de regiões soldadas contendo este tipo de descontinuidade.

Figura 21a: Junta de topo, chanfro em V. Mostrando a falta de fusão na face do chanfro. Extraída de [7].

Figura 21b: Detalhes de uma superfície reparada. Note a falta de fusão na solda próximo ao rasgo de chaveta (seta C falta de fusão e seta D trinca). Extraída de [1].

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2.7 Falta de penetração

É uma descontinuidade que ocorre na raiz de uma junta soldada. Isto em decorrência da impossibilidade de fundir e preencher completamente a raiz da junta.

A falta de penetração atua como um grande concentrador de tensão, podendo facilitar a nucleação e propagação de trincas. Além disso, pode reduzir a seção efetiva da junta. a) Localização

Quanto a localização desta descontinuidade sempre aparece na raiz da junta soldada, como mostra as figuras 22a, 22b e 22c.

a

b c Figura 22: Localizações comuns para a ocorrência de falta de penetração.

Extraídas de [7]. b) Mecanismo de formação

Está diretamente relacionado a problemas de projeto inadequado da junta e a aplicação de parâmetros incorretos no procedimento de soldagem, isto é, origina-se uma dificuldade na penetração do metal líquido na região do raiz.

c) Causas da ocorrência da falta de penetração

Dentre as causas principais temos: � Manipulação incorreta do eletrodo ou tocha; � Junta mal projetada; � Diâmetro do eletrodo excessivo; � Corrente de soldagem insuficiente; � Velocidade de soldagem muito alta.

d) Métodos de correção

Quando a falta de penetração é inaceitável, deve-se remover toda a região defeituosa por esmerilhamento e posterior deposição na área recuperada. Deve-se ressaltar que muitas juntas são projetadas para serem soldadas com penetração parcial.

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e) Exemplos práticos

Como forma de ilustrar a teoria que envolve falta de penetração, apresentaremos macrografias (figuras 23a e 23b) de regiões soldadas com esse tipo de descontinuidade.

Figura 23a: Falta de penetração na raiz de uma solda de topo em uma linha de alimentação de água de caldeira. A concentração de NaOH (hidróxido de sódio) na fresta resultou na nucleação de trincas por corrosão sob tensão caustica. Observem finas trincas propagando-se a partir da fresta. Extraída de [8].

Figura 23b: Falta de penetração na junta circunferencial de uma solda de topo. Extraída de [8].

3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Este trabalho objetivou mostrar as descontinuidades decorentes da operação de soldagem. Porém, vale lembrar que a soldagem é um processo de fabricação tecnologicamente viável e muito empregado na produção, desde que executada com qualidade. Para ser executar uma soldagem sem descontinuidade (defeito) são necessários determinar os parâmetros e as variáveis antes da da operação de deposição. Por isso, é exigida, em determinadas condições, a qualificação dos procedimentos de soldagem, como também, a qualificação dos soldadores.

Como forma de garanti a qualidade do deposito e a satisfação das exigência do projeto, tanto as normas estrangeiras quanto as brasileiras prescrevem a obrigatoriedade de qualificação do procedimento de soldagem e do soldador.

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4 REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA [1] ASM. Metals Handbook. Vol. 11. Failures Analysis and Prevision. 9a

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Apostila. 1a Edição. Florianópolis: Editado pelos autores, 1995. [8] PORT, R. D.. The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis. Livro. 1a

Edição. USA: MacGraw-Hill, 1991. [9] SÉFÉRIAN, D. et al. Las Soldaduras. Livro. 1a Edição. Espanha: Urmo S.

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Arc Welds. Livro. 1a Edição. USA: CRC Press, 1994. [11] TWI. Faults in Fusion Welds in Constructional Steels. Livro.

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