Soldagem Metalurgia

Prof. Hélio Padilha

Introdução

• A soldagem é geralmente realizada com a aplicação localizada de calor e/ou deformação plástica. Como resultado, alterações das propriedades do material, nem sempre desejáveis ou aceitáveis, podem ocorrer na região da junta.

• A maioria destas alterações depende das reações ocorridas durante a solidificação e resfriamento do cordão de solda e de sua microestrutura resultante.

Fluxo de calor• Na maioria dos processos de

soldagem, a junta precisa ser aquecida até uma temperatura adequada. Em particular, na soldagem por fusão, trabalha-se com fontes de calor de elevada temperatura (2000 a 20000 ᴏC) e concentradas (no arco elétrico, por exemplo a intensidade atinge cerca de 8.108 W/m2), as quais, ao serem deslocadas ao longo da junta, resultam na formação da solda pela fusão e solidificação localizadas da junta.

Fluxo de calor• O fluxo de calor na soldagem pode ser

dividido, de maneira simplificada, em duas etapas básicas: fornecimento de calor à junta e dissipação deste calor pela peça.

• Na primeira etapa, um parâmetro importante para caracterizar o processo é a energia de soldagem (aporte térmico) definida como a quantidade de energia fornecida à junta por unidade de comprimento da mesma.– H=energia de soldagem (J/mm)– ɳ = eficiência térmica do processo– V = tensão no arco (V)– I = corrente de soldagem (A)– v = velocidade de soldagem (mm/s)

v

IVH

Fluxo de calor

• Na segunda etapa, a dissipação do calor ocorre principalmente por condução, na peça, das regiões aquecidas para o restante do material.

• Cada ponto do material localizado próximo à junta experimentará uma diferente variação de temperatura devido à passagem da fonte de calor.

Ciclo térmico• São características importantes do ciclo térmico de

soldagem:– Temperatura de pico (Tp): é a temperatura máxima atingida pelo

ponto. A temperatura de pico indica a possibilidade de ocorrência de transformações microestruturais, determinando, assim, a extensão da região afetada pelo calor durante a soldagem.

– Tempo de permanência (tc) acima da temperatura crítica: tempo em que o ponto fica submetido a temperaturas superiores à temperatura necessária para a ocorrência de alteração microestrutural ou de propriedades significativas no material.

– Velocidade de resfriamento (φ): pode ser caracterizado como o tempo necessário para resfriar o ponto de uma dada temperatura T1 até outra T2. Para a soldagem dos aços, as temperaturas consideradas são, em geral, 800 e 500 ᴏC.

Ciclo térmico

• Os ciclos térmicos de soldagem e a repartição térmica dependem de diversas variáveis, entre elas:– Tipo de metal base;– Geometria da junta;– Espessura da junta;– Energia de soldagem e temperatura inicial da

peça;

Macroestrutura de soldas por fusão• A curva de repartição térmica permite definir, para uma solda por fusão,

três regiões básicas:– Zona fundida: região onde o material fundiu-se e se solidificou durante a

soldagem. As temperaturas de pico foram superiores à temperatura de fusão do metal base;

– Zona Termicamente Afetada (ZTA): região não fundida do metal base que teve sua microestrutura e/ou propriedades alteradas pelo ciclo térmico de soldagem;

– Metal base: região mais afastada do cordão de solda e que não foi afetada pelo processo de soldagem.

Macroestrutura de soldas por fusão

• O ciclo térmico de soldagem influencia de forma importante as reações e alterações estruturais que ocorrem em uma dada região do material devido ao processo de soldagem

Diluição• A composição final do metal de solda é o resultado de uma mistura do

eletrodo ou do metal de adição fundido com o metal de base que é fundido. O metal depositado do eletrodo ou do metal de adição é denominado "diluído" pelo metal de base fundido. Quando nenhum metal é adicionado, consistindo então o metal de solda inteiramente de metal de base, a diluição é definida como 100%.

• Na soldagem manual com eletrodo revestido, o passe de raiz pode ter 30% de diluição e os passes subsequentes terão uma diluição ligeiramente menor.

Para o processo de revestimento de aços carbono com aços inoxidáveis, o aumento da diluição reduz os elementos de liga e aumenta o conteúdo de carbono na camada revestida, reduzindo as propriedades de resistência à corrosão além de causar outros problemas metalúrgicos.

Diluição

• O controle de diluição é importante na soldagem de metais dissimilares, na deposição de revestimentos especiais sobre uma superfície metálica, na soldagem de metais de composição química desconhecida, caso muito comum na soldagem de manutenção, e na soldagem de materiais que tenham altos teores de elementos prejudiciais à zona fundida, como o carbono e o enxofre.

Característica da ZTA• Características da ZTA dependem:

– Tipo de metal base.– Processo e procedimento de soldagem.– Ciclo Térmico.– Repartição Térmica.

• Em metais transformáveis, a ZTA é complexa. No caso dos aços carbono e aços baixa liga, a ZTA apresentará diversas regiões características.

Soldagem

DescontinuidadesProf. Hélio Padilha

Introdução

• De acordo com as exigências de qualidade para a junta soldada (baseadas em normas ou em um contrato), uma descontinuidade pode ser considerada como prejudicial para a utilização da futura junta, constituindo-se desta forma, em um defeito e exigindo ações corretivas. Devido ao alto custo destas ações, a presença de descontinuidades deve ser sempre evitada.

Classificação• Descontinuidades dimensionais:– Distorção– Dimensões incorretas da solda– Perfil incorreto da solda

• Descontinuidades estruturais:– Porosidades– Inclusões de tungstênio– Falta de fusão– Falta de penetração– Mordedura– Trincas

Distorção• Origem:– São alterações de forma e dimensões que

componentes soldados sofrem como resultado de deformações plásticas devidas ao aquecimento não uniforme e localizado durante a soldagem.

• Causas práticas:– Soldagem em excesso, soldagem em juntas livres

(aquelas em que as peças podem se mover facilmente), seleção incorreta do chanfro e da sequência de soldagem.

• Consequências:– Mudanças de formas e dimensões

Distorção

• A distorção pode ser reduzida durante a soldagem, diminuindo-se a quantidade de calor e metal depositado, pela utilização de dispositivos de fixação, pelo martelamento entre passes e pela escolha correta do chanfro de soldagem.

Formato incorreto da junta

• O posicionamento ou o dimensionamento inadequado das peças pode levar a problemas como desalinhamento em juntas de topo. Problemas de distorção também podem ser um importante fator para obtenção de juntas soldadas com um formato incorreto.

Descontinuidades estruturais

• São descontinuidades na micro ou macroestrutura na região da solda, associadas à falta de material ou à presença de material estranho em quantidades apreciáveis. Sua gravidade depende do tipo da descontinuidade, sua extensão e geometria.

Porosidade• Origem

– Evolução de gases durante a solidificação da solda.• Causas práticas

– Umidade, contaminação de óleo ou graxa e/ou ferrugem na região da junta, no eletrodo e fluxo ou gás de proteção úmidos;

– Corrente ou tensão de soldagem excessivas, corrente de ar durante a soldagem.

• Consequências– Pequenas quantidades de poros não são

consideradas prejudiciais. Acima de determinados limites a porosidade pode afetar as propriedades mecânicas, particularmente reduzindo a seção efetiva da junta

Inclusão de escória

• Origem– Vários processos de soldagem utilizam fluxos que

formam escória que tende a se separar do metal líquido na poça de fusão. Além disso, várias reações se processam na poça, podendo gerar produtos insolúveis no metal líquido que tendem a se separa deste e também formar a escória

• Causas práticas– Manipulação incorreta do eletrodo, de tal forma que a

escória flui à frente da poça de fusão, particularmente fora da posição plana.

Inclusão de escória

• Consequências– As inclusões alongadas

formadas entre os passes de solda são concentradores de tensão relativamente severos e podem facilitar a formação de trincas.

• Medidas corretivas– Manipulação correta e

remoção adequada da escória dos passes de soldagem anteriores.

Falta de fusão• Origem

– O termo refere-se à ausência de continuidade metalúrgica entre o metal depositado e o metal de base ou dos metais adjacentes. Resulta do não aquecimento adequado do metal presente na junta e/ou da presença de uma camada de óxido espessa o suficiente para dificultar a fusão do metal de base.

• Causas práticas– Manipulação incorreta do eletrodo, falta de limpeza da junta,

energia de soldagem insuficiente e impossibilidade de o arco atingir certas regiões da junta.

Falta de fusão• Consequências– A falta de fusão é um concentrador de

tensões severo, podendo facilitar o aparecimento e a propagação de trincas. Além disso pode reduzir a seção efetiva da solda.

• Medidas corretivas– Em peças de responsabilidade, a

existência de falta de fusão não pode ser tolerada, exigindo-se a remoção da região defeituosa e sua ressoldagem.

Falta de penetração

• Origem– O termo refere-se a falhas em se fundir e encher completamente a

raiz da solda.• Causas práticas

– Junta mal projetada, corrente de soldagem insuficiente, velocidade de soldagem muito alta e diâmetro de eletrodo muito grande

• Consequências– Redução da seção útil da solda e concentração de tensão

Mordeduras• Origem

– Fusão do metal de base na margem do cordão de solda, sem ocorrer o enchimento desta área, resultando na formação de uma reentrância nesta região.

• Causas práticas– Comprimento excessivo do arco, corrente

ou velocidades de soldagem muito elevadas. Na soldagem com eletrodo revestidos alguns eletrodos tendem a gerar mais mordeduras que outros.

• Consequências– Redução da área útil e concentração de

tensões. Particularmente a resistência à fadiga é reduzida.

Trincas

• São consideradas as descontinuidades mais graves em soldagem. São fortes concentradores de tensão, podendo favorecer o início de uma fratura frágil na estrutura soldada. De um modo bem simples uma trinca pode ser considerada como a incapacidade do material em responder às solicitações impostas localmente pelas tensões decorrentes do processo de soldagem.

• As trincas podem ser externas, isto é, atingir a superfície ou totalmente internas, não sendo detectáveis por inspeção superficial.

Trincas de solidificação• A maioria dos aços pode ser soldada com um metal de solda de

composição similar à do metal de base. Muitos aços com alto teor de liga e a maioria das ligas não ferrosas requerem eletrodos ou metal de adição diferentes do metal de base porque possuem uma faixa de temperatura de solidificação maior do que outras ligas. Isso torna essas ligas suscetíveis à fissuração de solidificação ou a quente, que pode ser evitada mediante a escolha de consumíveis especiais que proporcionam a adição de elementos que reduzem a faixa de temperatura de solidificação.

Trincas induzidas por hidrogênio• Esse modo de fissuração acontece a temperaturas próximas da

ambiente, sendo mais comumente observada na zona termicamente afetada. O hidrogênio é introduzido na poça de fusão através da umidade ou do hidrogênio contidos nos compostos dos fluxos ou nas superfícies dos arames ou do metal de base, resultando em que a poça de fusão e o cordão de solda já solidificado tornam-se um reservatório de hidrogênio dissolvido. Numa poça de fusão de aço o hidrogênio se difunde do cordão de solda para as regiões adjacentes da zona termicamente afetada que foram reaquecidas suficientemente para formar austenita. À medida que a solda se resfria a austenita se transforma e dificulta a difusão posterior do hidrogênio.

Trincas induzidas por hidrogênio• Quatro fatores são considerados como fundamentais

para o aparecimento deste tipo de fissuração– Presença de hidrogênio– Microestrutura sensível (baixa tenacidade e elevada

dureza)– Elevada solicitação mecânica– Temperatura (-100 a 200 ºC)

Trincas induzidas por hidrogênio

• Carbono equivalente

– O carbono equivalente é uma medida de temperabilidade do material e é empregado para determinar a necessidade de pré-aquecimento na soldagem.

– Quando CE < 0,40 o material é considerado pouco sensível à fissuração.

– Quando CE < 0,60 o material é considerado altamente sensível à fissuração.

Trincas induzidas por hidrogênio

Ensaios não destrutivos• Ensaio macrográfico

– O ensaio de macrografia consiste na verificação a olho nu ou com uma ampliação de no máximo 10 vezes, de uma superfície plana, preparada adequadamente através de lixamento; a superfície é normalmente atacada por uma substância que reage com a superfície lixada e revela detalhes macrográficos da estrutura do material ou da junta soldada ensaiada.

– O ensaio permite ainda determinar a existência de soldas no material, além de revelaras várias zonas existentes na solda e suas características, tais como número de passes, existência de goivagem e forma do chanfro.

Ensaios não destrutivos• Inspeção visual/dimensional

– O ensaio de inspeção visual/dimensional é o mais simples dos métodos de inspeção não destrutiva que se pode realizar em uma soldagem. Em geral, pode-se dizer que é um método para determinar a aceitabilidade dos componentes fabricados por usinagem, soldagem, ou qualquer outro processo produtivo, que apresente como requisito um grau de qualidade, por menor que seja.

– Os objetivos do ensaio são: garantir a preparação adequada da junta e a ajustagem das dimensões em conformidade com o projeto; fazer o acompanhamento durante a soldagem para corrigir possíveis erros; detectar descontinuidades inaceitáveis tais como falta de deposição ou reforços excessivos, mordeduras, trincas ou rechupes de cratera; conferir a precisão dimensional das soldas; garantir a conformidade das soldas com as especificações.

Ensaios não destrutivos• Líquidos penetrantes

– O ensaio por líquidos penetrantes é um método desenvolvido para a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais, abertas na superfície do material. O método começou a ser utilizado antes da primeira guerra mundial, principalmente pela indústria ferroviária na inspeção de eixos.

– O método de ensaio por líquidos penetrantes, como conhecemos hoje, tomou impulso em 1942, nos EUA, quando foi desenvolvido o método de penetrantes fluorescentes, destinado a inspeção de componentes para a área aeronáutica.

Ensaios não destrutivos• Partículas magnéticas

– O ensaio por partículas magnéticas consiste em submeter uma peça, ou parte dela, a um campo magnético. Na região magnetizada da peça, as descontinuidades existentes, ou seja, a falta de continuidade das propriedades magnéticas do material, irão causar um campo de fuga do fluxo magnético. A aplicação das partículas ferromagnéticas provoca a aglomeração destas nos campos de fuga, uma vez que serão por eles atraídas devido ao surgimento de pólos magnéticos. A aglomeração indicará o contorno do campo de fuga, fornecendo a visualização do formato e da extensão da descontinuidade.

– O ensaio por partículas magnéticas é utilizado na localização de descontinuidades superficiais e sub- superficiais em materiais ferromagnéticos. Pode ser aplicado tanto em peças acabadas quanto em semi-acabadas e durante as etapas de fabricação.

Ensaios não destrutivos• Radiografia industrial

– A radiografia é um tipo de ensaio não-destrutivo que se baseia na absorção diferenciada da radiação penetrante na peça inspecionada. Devido às diferenças de densidade e variações de espessura do material, ou mesmo diferenças nas características de absorção causadas por variações na composição do material, diferentes regiões de uma peça absorvem quantidades diferentes da radiação penetrante. A variação de quantidade de radiação absorvida indica a existência de uma falha interna ou descontinuidade no material.

Ensaios não destrutivos

• Ultrassom– Assim como uma onda sonora reflete ao incidir num anteparo

qualquer, a vibração ou onda ultrassônica também reflete quando percorre um meio elástico; do mesmo modo, a vibração ou onda ultrassônica refletirá ao incidir numa descontinuidade ou falha interna de um meio considerado. Através de aparelhos especiais, é possível detectar as reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades.