Baixe apostila aco inox soldagem e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! 1) OS AÇOS INOXIDÁVEIS. Os aços inoxidáveis são aços de alta liga, geralmente contendo cromo, níquel, molibdênio em sua composição química. Estes elementos de liga , em particular o cromo, conferem uma excelente resistência à corrosão quando comparados com os aços carbono. Eles são, na realidade, aços oxidáveis. Isto é, o cromo presente na liga oxida-se em contato com o oxigênio do ar, formando uma película, muito fina e estável, de óxido de cromo. Ela é chamada de camada passiva e tem a função de proteger a superfície do aço contra processos corrosivos. Para que a película de óxido seja efetiva, o teor mínimo de cromo no aço deve estar ao redor de 11%. Assim, deve-se tomar cuidado para não reduzir localmente o teor de cromo dos aços inoxidáveis durante o processamento. Nos capítulos subseqüentes serão apresentados alguns fenômenos que podem alterar o teor de cromo, prejudicando a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis. Os aços inoxidáveis são classificados, segundo a sua microestrutura, em: aços inoxidáveis austeníticos, aços inoxidáveis ferríticos e aços inoxidáveis martensíticos. Existem outras variantes destes grupos, como, por exemplo, os aços inoxidáveis duplex (que possuem 50% de ferrita e 50% de austenita) e os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação. As diversas microestruturas dos aços são função da quantidade dos elementos de liga presentes. Existem basicamente dois grupos de elementos de liga: os que estabilizam a ferrita (Cr, Si, Mo, Ti e Nb); e os que estabilizam a austenita (Ni, C, N e Mn). Para facilitar, os elementos de liga com características semelhantes foram agrupados no cromo e no níquel equivalente. A partir deste agrupamento foi construído o diagrama de Schaeffler, que relaciona a microestrutura de um aço trabalhado com a sua composição química. Este diagrama está apresentado na figura 1. Fig. 1 - Diagrama de Schaeffler. 9Soldagem dos aços inoxidáveis 0 4 F+M M+F Ferrita 8 12 16 20 24 28 32 36 40 0 4 8 12 16 N íq ue lE qu iv al en te :[ (% N i+ (3 0 x % C )+ (0 .5 x % M n) ] Cromo Equivalente: [(%Cr + %Mo + (1.5 x %Si) + (0.5 x %Nb)] 20 24 28 A+M+F A+F Martensítico Aços Inóx Martensítico Aços Inóx Ferríticos Aços Inóx Austeníticos Aços Inóx Duplex Austenita 5% 10 % 20% 40% 80% 100% 0% de Fer rita Soldagem dos aços inoxidáveis Analisando-se o diagrama de Schaeffler, percebe-se a presença de três regiões distintas e que possuem somente uma fase: região completamente austenítica, outra ferrítica e outra martensítica. O diagrama mostra também regiões de duas e até três fases presentes. A composição química junto com o processamento termo-mecânico, confere aos aços inoxidáveis propriedades diferentes. Assim, cada grupo de aço inox tem uma aplicação. A tabela 1 mostra algumas aplicações dos aços inoxidáveis. Tabela 1 - Algumas aplicações dos aços inoxidáveis. Tipo de aço inox Aplicação Austenítico (resistente à corrosão) • equipamentos para indústria química e petroquímica • equipamentos para indústria alimentícia e farmacêutica • construção civil • baixelas e utensílios domésticos. Ferrítico (resistente à corrosão, mais barato) • eletrodomésticos (fogões, geladeiras, etc) • balcões frigoríficos • moedas • indústria automobilística • talheres Martensítico (dureza elevada) • cutelaria • instrumentos cirúrgicos como bisturi e pinças • facas de corte • discos de freio 2) INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE SOLDAGEM. Existem diversas maneiras de unir duas partes metálicas. Entre elas está a soldagem, que é um processo de junção, utilizando uma fonte de calor, com ou sem aplicação de pressão. Um processo de soldagem deve ter as seguintes características: a) produzir uma quantidade de energia suficiente para unir dois materiais, similares ou não, com ou sem fusão entre as partes. b) evitar o contato da região aquecida e/ou fundida com o ar atmosférico. c) remover eventuais contaminações das superfícies que estão sendo unidas, oriundas do metal de base ou do metal de adição. d) propiciar o controle das transformações de fase na junta soldada que podem afetar o seu desempenho. 10 pode modificar o teor de ferrita do cordão de solda dos aços inoxidáveis austeníticos, tornando-os mais suscetíveis a trincas no cordão. Fig. 2 - Esquema de um cobre-junta. Em (a) para uma junta entre duas chapas; (b) para uma junta entre dois tubos; em (c) um cobre-junta gasoso para uma junta entre dois tubos. 3.2) ESPESSURA DO MATERIAL. Durante a concepção e o projeto da junta deve-se avaliar também a espessura do material a ser soldado. Dependendo dela é necessária a operação de preparação da borda da chapa (chanfro). Os chanfros podem ter os seguintes formatos: reto, V, X, ½V, K, U, duplo U, J, duplo J, misto. A figura 3 apresenta a geometria de algumas juntas e chanfros utilizados na soldagem a arco. 13Soldagem dos aços inoxidáveis (b) cobre-junta (a) cobre-junta entrada do gás saída do gás Soldagem dos aços inoxidáveis Fig. 3 - Geometria de chanfros utilizados na soldagem a arco elétrico. Esses formatos estão relacionados com: acesso da raiz e facilidade de fusão das faces do chanfro. O acesso é determinado pelo processo de soldagem e pelas características geométricas do chanfro como: ângulo, dimensão da face de raiz, abertura de raiz, etc. A figura 4 ilustra as características geométricas de um chanfro. Fig. 4 - Esquema das partes de um chanfro. A facilidade de fusão é conseguida através da redução, no chanfro, da espessura da chapa, isto é, da quantidade de material que deve ser fundido. Por exemplo, a soldagem de uma junta com chanfro com face de raiz exige menos habilidade do soldador do que uma junta 14 face da raiz abertura da raiz ângulo do chanfro Tipos de Juntas Tipos de Chanfros Reto ½ V v X j Duplo j u Duplo u K Reto Topo Ângulo Canto Sobreposta Aresta sem face de raiz. Por outro lado, a probabilidade de ocorrência de defeitos é muito maior na junta com o chanfro com face de raiz, principalmente se este tiver uma dimensão excessiva. A figura 5 compara estas três condições, supondo uma mesma energia produzida pelo arco elétrico. Fig. 5 - Comparação entre três geometria de cordão e a eventual formação de um defeito. Em (a) sem face de raiz; em (b) com a face de raiz correta e em (c) com face de raiz excessiva. A espessura da chapa e a geometria da junta, em conjunto com o tipo de material e os parâmetros de soldagem, a velocidade de resfriamento da junta. Quanto mais fina for a chapa, mais lento será o seu resfriamento. Por outro lado, chapas grossas resfriam mais rapidamente. Este fato está associado com as direções de extração de calor na chapa. Quanto mais direções, menor o tempo de resfriamento. A figura 6 iliustra, esquematicamente, este fenômeno. Fig. 6 - Direções de extração de calor durante a soldagem. Em (a) para chapa fina; (b) para chapa grossa; em (c) para uma junta em ângulo. 15Soldagem dos aços inoxidáveis (a) (b) (c) (a) (b) (c) Soldagem dos aços inoxidáveis 3.4) CUSTO. O custo do equipamento deve ser baseado na sua aplicação. Dependendo dela, os requisitos de qualidade podem ser mais ou menos rigorosos. Isso significa que um processo que é caro para uma dada aplicação com muito pouca responsabilidade pode ser barato para uma outra aplicação. Como exemplo pode-se citar a soldagem TIG autógena de tubos de pequena espessura de alumínio para fins nucleares, apesar do custo elevado do gás. Outro fator muito desejado é o aumento da produtividade sem a perda da qualidade. Nesses casos, a taxa de deposição dos processos de soldagem é bastante importante. Pode-se optar por variantes de processos, como o TIG com arame aquecido, que possue taxa de deposição próxima do MIG, porém com a qualidade do processo TIG. 3.5) EXEMPLO DE APLICAÇÃO. Supondo a seguinte situação: soldagem de uma chapa de um equipamento, projetado em aço inox austenítico, para aplicação na indústria alimentícia, junta topo-a-topo em chapa com 3 mm de espessura, 2 passes, chanfro em V com 45°, sem face de raiz e sem abertura da junta, comprimento de 1 m, posição vertical ascendente, 1200 peças/mês e disponibilidade de 1 soldador trabalhando 8h/dia. Os processos prováveis para realizar esta operação de soldagem estão apresentados na tabela 2. Tabela 2 - Características dos processos de soldagem prováveis para realizar a tarefa proposta. Processo de soldagem Características Taxa de deposição (kg/h) Posição Custo doequipamento(1) Habilidade do soldador(2) Materiais soldáveis Eletrodo revestido 0,5-5,0 todas (3) 1 M-G aços, nãoferrosos TIG 0,2-1,5 todas 1,5-10 M-G aços, nãoferrosos Plasma 0,5-2,5 todas 5-10 M aços, nãoferrosos MIG 1,0-15,0 todas(4) 5-10 P aços, nãoferrosos Legenda: (1) Custo relativo ao equipamento de soldagem com eletrodo revestido;(2) P = pouca; M = moderada; G = grande; (3) depende do tipo de revestimento e do diâmetro do eletrodo;(4) depende do tipo de transferência metálica utilizado. 18 O volume de material depositado no chanfro, supondo que não exista reforço do cordão de solda, é de 3,6 cm3/peça. Admitindo-se a densidade do aço igual a 7,8 g/cm3 e os valores mínimos da taxa de deposição da tabela 2 tem-se os seguintes tempos de produção: à Eletrodo revestido = 8 dias de trabalho; à TIG = 20,5 dias de trabalho; à Plasma = 8 dias de trabalho; à MIG = 4 dias de trabalho. A princípio, os quatro processos são adequados para a fabricação das peças. Como a aplicação é na indústria alimentícia, os processos que geram escória devem ser descartados, a fim de eliminar qualquer risco de contaminação dos alimentos. Assim, o processo de soldagem com eletrodo revestido deve ser eliminado. O processo MIG é o mais rápido de todos. Como a soldagem é fora de posição (vertical ascendente), a escolha deste processo será função da habilidade do soldador com este processo e da capacidade de regulagem da máquina de soldagem para esta posição. Os processos de soldagem com plasma e TIG são os que apresentam melhor qualidade da junta soldada. O soldador tem que ter uma habilidade no mínimo moderada. A diferença entre os tempos de produção é bastante grande, mas os equipamentos para soldagem com plasma são muito mais caros. O processo TIG pode ser o mais indicado para as condições propostas. Na prática, às vezes, utiliza-se um processo de qualidade superior e baixa produtividade para realizar o passe de raiz. Emprega-se um processo que possui qualidade inferior para preencher o restante da junta. Esta solução é empregada no caso de somente o passe de raiz ter contato com o meio corrosivo. Se ambos os lados estiverem em contato, outras soluções devem ser estudadas. 19Soldagem dos aços inoxidáveis à à à à 4) PROCESSOS USUAIS DE SOLDAGEM DE AÇOS INOXIDÁVEIS. 4.1) SOLDAGEM COM ELETRODO REVESTIDO. O processo de soldagem com eletrodo revestido é um processo de soldagem a arco elétrico produzido entre um eletrodo revestido e a peça a ser soldada. Esse eletrodo é constituído de uma alma metálica, que se funde, e um revestimento composto de materiais orgânicos e inorgânicos, que têm as seguintes funções: 19Soldagem dos aços inoxidáveis Soldagem dos aços inoxidáveis Fig. 9 - Esquema do processo de soldagem TIG. As características do processo de soldagem TIG estão apresentadas na tabela 4. Tabela 4 - Características do processo TIG. Tipo de operação: • Manual ou automática Equipamentos: • Fonte de energia • Cilindro de gases • Tocha • Fluxômetros para medir vazão do gás Características: • Taxa de deposição: 0,2 a 1,5 kg/h • Espessuras soldáveis:0,1 a 12 mm • Posições de soldagem: todas • Diluição: 2 a 20 % com adição • Tipo de junta: todas • Faixa de corrente: 10 a 300 A Custo do equipamento: • 1,5 a 10 vezes o custo do equipamento de soldagem com eletrodo revestido Consumíveis: • Gás de proteção • Metal de adição • Bocal de cerâmica • (Eletrodo de tungstênio) Vantagens: • Soldas de excelente qualidade • Acabamento do cordão de solda • Menor aquecimento da peça soldada • Baixa sensibilização à corrosão intergranular • Ausência de respingos • Pode ser automatizado Limitações: • Dificuldade de utilização em presença de corrente de ar • Inadequado para soldagem de chapas com mais de 6 mm de espessura • Produtividade baixa devido a taxa de deposição • Custo • Processo dependente da habilidade do soldador, quando não automatizado. Segurança: • Proteção ocular • Emissão intensa de radiação ultravioleta • Risco de choque elétrico 22 Dependendo do tipo de aço inox, utiliza-se diferentes gases de proteção. Somente para os aços inoxidáveis austeníticos pode-se empregar o hidrogênio na mistura gasosa. Este gás tem a função de tornar o arco mais direcionado. A sua utilização na soldagem dos outros tipos de aços inoxidáveis pode causar a fragilização da junta soldada. A tabela 5 apresenta alguns exemplos de gases utilizados na soldagem de aços inoxidáveis. Tabela 5 - Exemplos de gases de proteção. Metal de base Processo manual Processo automático Aço inox austenítico Argônio Argônio + 5% H2 Aço inox ferrítico Argônio Argônio Aço inox martensítico Argônio Argônio 4.3) PROCESSO DE SOLDAGEM COM PLASMA. O processo de soldagem com plasma é um aperfeiçoamento do processo TIG. Neste processo, o arco elétrico é comprimido por uma vazão adicional de gás. Com isto, ele torna- se mais concentrado, aumentando a velocidade de soldagem e, conseqüentemente, a taxa de deposição. Neste processo pode-se soldar com duas técnicas: convencional (similar ao TIG) e buraco de fechadura (key hole). Nesta técnica a poça de fusão é mais estreita e possui um furo passante através do metal de base. Ela é empregada para a soldagem de chapas mais espessas. O processo tem as mesmas vantagens e desvantagens do TIG, com exceção da espessura limite das chapas e da taxa de deposição. A figura 10 apresenta um esquema do processo de soldagem com plasma. Fig. 10 - Esquema do processo de soldagem com plasma. As características do processo de soldagem com plasma estão apresentadas na tabela 6. 23Soldagem dos aços inoxidáveis Soldagem dos aços inoxidáveis Tabela 6 - Características do processo de soldagem com plasma. Tipo de operação: • Manual ou automática Equipamentos: • Fonte de energia • Cilindro de gases • Tocha • Fluxômetros para medir vazão do gás Características: • Taxa de deposição: 0,5 a 2,5 kg/h • Espessuras soldáveis: 1 a 12 mm (plasma) • Posições de soldagem: todas • Diluição: 20 a 40 % com adição • Tipo de junta: topo-a-topo (chanfro reto) • Faixa de corrente: 1 a 500 A Custo do equipamento: • 5 a 10 vezes o custo do equipamento de soldagem com eletrodo revestido Consumíveis: • Gás de plasma • Gás de proteção • Metal de adição • (Bocal de cobre e de cerâmica) • (Eletrodo de tungstênio) Vantagens: • Soldas de excelente qualidade • Soldagem de espessuras grandes (>6 mm) em um único passe. • Velocidade de soldagem maior que o TIG Limitações: • Custo • Equipamento complexo • Difícil controle do processo Segurança: • Proteção ocular • Emissão intensa de radiação ultravioleta Uma sugestão de gases utilizados na soldagem com plasma de aços inoxidáveis está apresentado na tabela 7. Tabela 7 - Sugestão de gases utilizados na soldagem com plasma de aços inoxidáveis. Metal de base Técnica convencional Técnica do buraco defechadura Gás de plasma Gás de proteção Gás de plasma Gás de proteção Aço inox austenítico Argônio Argônio + 5-7%H2 Argônio Argônio + 5-7%H2 Aço inox ferrítico Argônio Argônio Argônio Argônio Aço inox martensítico Argônio Argônio Argônio Argônio 4.4) PROCESSO DE SOLDAGEM MIG. No processo de soldagem MIG o arco elétrico é aberto entre um arame alimentado continuamente e o metal de base. O nome MIG vem das iniciais do nome do processo em inglês: Metal Inert Gas. Assim, a região fundida é protegida por um gás inerte ou mistura de gases (argônio, CO2, hélio ou O2). A soldagem é realizada com o arame na polaridade positiva. A figura 11 mostra esquematicamente o processo de soldagem MIG. 24 4.5) SOLDAGEM POR RESISTÊNCIA. Ao contrário dos outros processos, a soldagem por resistência elétrica utiliza o aquecimento por efeito Joule para realizar a fusão da face comum entre as duas chapas. O efeito Joule ocorre pela geração de calor através da passagem de corrente elétrica em uma resistência. Este fenômeno é utilizado para aquecer a água em chuveiros elétricos. No caso da soldagem, a maior resistência está localizada exatamente na superfície interna das chapas, utilizando-se as condições corretas de soldagem. Com a aplicação da pressão pelos eletrodos de cobre e a posterior passagem de corrente, ocorre a fusão desta face em comum, formando o ponto. A figura 12 apresenta um esquema deste processo. Fig. 12 - Esquema do processo de soldagem por resistência elétrica a ponto. Este processo apresenta uma série de variantes , porém todas utilizando a corrente elétrica e a aplicação de pressão. Dentre os processos é interessante ressaltar a soldagem de tubos com costura (ERW). Neste caso, a corrente elétrica induz correntes na superfície dos chanfros, fundindo o material. Com a aplicação da pressão, a região fundida é quase que totalmente expulsa, produzindo um cordão de solda com uma zona fundida bastante reduzida, ou inexistente, e uma zona afetada pelo calor bem estreita. As características gerais dos processos de soldagem por resistência estão apresentadas na tabela 11. 27Soldagem dos aços inoxidáveis Soldagem dos aços inoxidáveis Tabela 11 - Características dos processos de soldagem por resistência elétrica. Tipo de operação: • Automática Equipamentos: • Fonte de energia • Eletrodos de liga de cobre Características: • Velocidade de soldagem: 0,1 s por ponto 10 cm/s (costura) • Espessuras soldáveis: de 1,0 mm a 3,0 mm • Posições de soldagem: todas (depende da geometria da peça e da flexibilidade do equipamento) • Diluição: 100 % • Tipo de junta: sobreposta (ponto) ou topo-a- topo (costura) • Faixa de corrente: 10.000 a 50.000 A Custo do equipamento: • 10 a 30 vezes o custo do equipamento de soldagem com eletrodo revestido Consumíveis: • Não se aplica Vantagens: • Soldagem de chapas muito finas • Facilidade de operação • Velocidade do processo elevada • Facilidade para automação • Não depende da habilidade do soldador Desvantagens: • Não aceita peças com formatos muito complexos e pesadas • Custo elevado do equipamento e da manutenção • Demanda de energia elétrica durante a soldagem Segurança: • Risco de choque elétrico • Risco de acidentes no posicionamento das peças antes da soldagem, no caso de operação manual 4.6) COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS DE SOLDAGEM. Para uma compreensão maior, algumas características dos processos de soldagem foram agrupadas na tabela 12. Tabela 12 - Comparação entre os processos usuais utilizados na soldagem dos aços inoxidáveis. Variáveis do processo Eletrodorevestido TIG Plasma MIG Resistênci a elétrica Espessura (mm) mín. 2,0 0,3 1,0 0,7 0,5máx. SL 6,0 12,0 SL 3,0 Posição de soldagem T T T Depende T Geometria da junta simples S S S S Scomplexa S S S S N Comprimento do cordão SL SL SL SL NA Taxa de deposição (kg/h) 0,5 a 5,0 0,2 a 1,5 0,5 a 2,5 1,0 a 15,0 NA Materiais soldáveis T T T NT NT Ambiente aberto S N N N S Habilidade do soldador maior maior maior menor menor Automação S S S S S Custo relativo 1 1,5 a 10 5 a 10 5 a 10 10 a 30 Legenda: SL = sem limite; T = todas; S = sim; N = não; NA = não aplicável; NT = nem todos. 28 5) SOLDABILIDADE DOS AÇOS INOXIDÁVEIS. 5.1) CONCEITO DE SOLDABILIDADE. O conceito de soldabilidade é bastante abrangente. Ele pode ser definido como “ a facilidade com que uma junta soldada é fabricada de tal maneira que preencha os requisitos de um projeto bem executado “. Em outras palavras, a junta soldada deve estar isenta de defeitos que prejudicam a performance da peça ou equipamento. Por esta definição, a soldabilidade envolve não somente os aspectos da fabricação do componente soldado, bem como o seu desempenho em serviço. Para melhor compreensão, o conceito de soldabilidade será dividido em três: soldabilidade operacional, soldabilidade metalúrgica e soldabilidade em serviço. Apesar da sub-divisão, deve-se ter em mente que os três conceitos que serão apresentadas fazem parte de uma única propriedade, e estão todos inter-relacionados. A soldabilidade operacional está associada com a fabricação das juntas do equipamento. Este aspecto da soldabilidade envolve as particularidades de um processo de soldagem, a habilidade do soldador em soldar em diversas posições e diversos materiais, as características do material a ser soldado e a versatilidade do processo de soldagem. A soldabilidade metalúrgica envolve transformações de fase que ocorrem no material durante o aquecimento, a fusão, a solidificação e o seu resfriamento. Esta subdivisão da soldabilidade é a mais relacionada com a metalurgia da soldagem. Ela está relacionada com a natureza do material e com a transferência de calor na junta soldada e como a combinação deles pode afetar o desempenho da junta soldada. Em outras palavras, este aspecto da soldabilidade determina a durabilidade e o desempenho da peça ou equipamento soldado. Pela definição de soldabilidade de um material, a aplicação em serviço é o objetivo final da escolha dos materiais e procedimentos corretos para o bem que está sendo projetado e construído. Caso ocorra algum erro ou na especificação dos materiais envolvidos na fabricação ou no procedimento, o equipamento poderá ter uma falha em serviço prematura. Esta divisão da soldabilidade deixa de ter sentido quando todo o processo de projetar, fabricar e a aplicação são bem conhecidos e devidamente controlados. Resumindo, a soldabilidade envolve desde aspectos relacionados com a habilidade do soldador ou do operador até o controle correto de todas as etapas envolvidas no processo de fabricação. As subdivisões da soldabilidade podem ser visualizadas na figura 13. Fig. 13 - Subdivisões do conceito de soldabilidade. 29Soldagem dos aços inoxidáveis OPERACIONAL METALÚRGICA SOLDABILIDADE EM SERVIÇO Soldagem dos aços inoxidáveis 5.5) FRAGILIZAÇÃO POR HIDROGÊNIO. Este tipo de fragilização é bastante perigoso, pois nem sempre as trincas ocorrem logo após a soldagem. Existem dados relatando a ocorrência das trincas em até uma semana após a soldagem. Para ocorrer a fragilização por hidrogênio são necessários três fatores: a) origem e localização do hidrogênio; b) transporte do hidrogênio até o local onde interage com o metal e causa a fragilização; c) mecanismo de fragilização. Existem diversos mecanismos de fragilização por hidrogênio e cada caso deve ser analisado separadamente, levando-se em conta as particularidades do fenômeno e das condições que o geraram. 5.6) DEFEITOS INTRODUZIDOS DURANTE A SOLDAGEM Além dos fenômenos de fragilização de origem metalúrgica, outros defeitos podem ocorrer. Estes defeitos são classificados como: planos ou volumétricos. Os defeitos planos necessitam quase sempre ser reparados. Já os defeitos volumétricos são reparados, dependendo do seu tamanho e distribuição. A tabela 14 apresenta a classificação de alguns defeitos mais comuns de serem encontrados na soldagem. Estes defeitos podem ser de origem operacional ou relacionado ao material. Tabela 14 - Classificação dos defeitos mais comuns encontrados na soldagem a arco elétrico. Defeito plano Falta de fusão (FDF) Falta de penetração (FDP) Trincas Defeito volumétrico Poro Inclusão de escória Inclusão de tungstênio Mordedura Cada um dos defeitos apresentados na tabela 14 está associado às características dos diversos processos de soldagem. Em outras palavras, são defeitos típicos dos processos de soldagem. A tabela 15 mostra a relação entre os processos usuais de soldagem dos aços inoxidáveis. 32 Tabela 15 - Defeitos comuns nos processos de soldagem. Processo de soldagem Tipo de defeito FDF FDP Trincas Poro Inclusão deescória Inclusão de tungstênio Eletrodo revestido X X X X X NA TIG X X X X NA X Plasma X X X X NA X MIG X X X X NA NA Resistência X NA X NA NA NA legenda: NA = não aplicável. Os defeitos apresentados na tabela 15 podem ser detectados por ensaios não destrutivos como: exame visual, líquido penetrante, partícula magnética, ultra-som e ensaios radiográficos. A seguir estes defeitos serão apresentados em maior detalhe. A tabela 16 apresenta alguns ensaios não destrutivos e os tipos de defeitos que eles detectam. Tabela 16 - Detecção de defeitos por diversos ensaios não destrutivos. Defeitos Ensaios não destrutivos Exame Visual Líquido Penetrante Radiografia Ultrassom Partícula Magnética Falta de fusão NA NA D AP NA Falta de penetração NA NA AP AP NA Mordedura AP D AP D D Inclusão (escória ou tungstênio) NA NA AP AP D 2 Porosidade AP1 AP1 AP D D2 Trincas AP1 AP1 D AP AP2 legenda: AP = aplicável; NA = não aplicável; D = depende; 1 = somente na superfície; 2 = superficial e sub-superficial. 33Soldagem dos aços inoxidáveis Soldagem dos aços inoxidáveis A) FALTA DE FUSÃO (FDF). A falta de fusão é um tipo de defeito onde parte do cordão não está unido na lateral do chanfro ou entre dois cordões na soldagem multipasse, devido a uma deficiência na fusão destas regiões. A figura 15 apresenta esquematicamente este defeito. Fig. 15 - Desenho esquemático da falta de fusão. A causa básica da falta de fusão pode ser uma energia de soldagem insuficiente para fundir a região do chanfro onde está sendo realizado o cordão. Ela pode ocorrer devido a: à energia de soldagem baixa, isto é, corrente de soldagem baixa ou velocidade de soldagem elevada; à consumível especificado erroneamente: diâmetro excessivo para a geometria do chanfro ou com pouca penetração; à projeto da junta inadequado, ou seja, tipo do chanfro não adequado para a espessura do material, ângulo do chanfro pequeno ou abertura de raiz pequena. à procedimento de soldagem incorreto como: posição de soldagem da peça; desalinhamento entre as partes; superfície da chapa contaminada por óleo, graxa, pintura ou oxidação superficial; presença de escória do passe anterior; falta de goivagem do passe de raiz (processo de remoção de material por meios mecânicos ou térmicos cuja função é aumentar a abertura de raiz para facilitar a soldagem do lado oposto do primeiro cordão). 34 para o tipo de eletrodo. Ambas as descontinuidades podem ser causadas por uma falta de atenção do soldador durante a soldagem ou na remoção da escória. A figura 18 mostra esquematicamente a inclusão de escória. Fig. 18 - Desenho esquemático da inclusão de escória. As causas da inclusão de escória podem ser: à energia de soldagem inadequada, isto é, corrente de soldagem baixa para eletrodos com escória bastante viscosa; à consumível especificado erroneamente: diâmetro excessivo para a geometria do chanfro; consumível com escória muito viscosa; consumível em má condição, destacando pedaços de revestimento na poça de fusão; à projeto da junta inadequado, ou seja, tipo do chanfro não adequado para a espessura do material, ângulo do chanfro pequeno; abertura da raiz pequena; à metal de base com teores elevados de elementos desoxidantes como silício, manganês e alumínio. à procedimento de soldagem incorreto como: arco instável; ângulo de trabalho do eletrodo, tocha ou pistola; ângulo de ataque do arco elétrico favorecendo o deslocamento da escória para a frente da poça de fusão; mudar o acabamento do cordão de côncavo para convexo; reforço do cordão excessivo; não remoção da escória antes de continuar a soldagem. E) POROSIDADE A porosidade é caracterizada pelo aprisionamento de bolhas de gás no cordão de solda. Ela está associada a um aumento na quantidade de gás dissolvido na poça de fusão. Os poros 37Soldagem dos aços inoxidáveis Soldagem dos aços inoxidáveis podem ser do tipo agrupados, alinhados, “pipe” e tipo lagarta. A figura 19 mostra esquematicamente este tipo de defeito. Fig. 19 - Desenho esquemático de poros agrupados. As causas da porosidade podem ser: à energia de soldagem baixa, isto é, corrente de soldagem baixa ou velocidade de soldagem elevada; à consumível especificado erroneamente: diâmetro excessivo para a geometria do chanfro; umidade no revestimento do consumível; metal de adição contaminado; à metal de base inadequado, ou seja, teor elevado de carbono ou oxigênio residual; teor de enxofre elevado no aço; à procedimento de soldagem incorreto como: arco instável; mistura gasosa inadequada; pré-aquecimento ausente ou com temperatura insuficiente; tensão do arco excessiva, isto é, distância do arco grande; superfície da chapa contaminada por óleo, graxa, pintura ou oxidação superficial. F) TRINCAS DE SOLIDIFICAÇÃO. As trincas de solidificação são geradas pela presença de um filme líquido em um cordão de solda ou na zona de ligação, que está macroscopicamente solidificado. Este tipo de trinca está associado a composição química do metal de base e a presença de tensões geradas durante a soldagem. Geralmente aparece durante o resfriamento no centro do cordão de solda ou na zona de ligação, ou mesmo em regiões reaquecidas na soldagem multipasse. A figura 20 mostra esquematicamente este tipo de defeito. 38 Fig. 20 - Desenho esquemático da trinca de solidificação. As causas da trinca de solidificação podem ser: à energia de soldagem elevada, isto é, corrente de soldagem elevada ou velocidade de soldagem baixa; à consumível especificado erroneamente: diâmetro excessivo para a geometria do chanfro; teor de ferrita pequeno (menor que 2%); à metal de base com composição química incorreta, isto é, teores elevados de enxofre e fósforo; à projeto da junta inadequado, ou seja, tipo do chanfro não adequado para a espessura do material, ângulo do chanfro muito grande; abertura da raiz excessiva; restrição elevada da junta; à procedimento de soldagem incorreto como: formato do cordão inadequado, isto é, cordão estreito e com grande penetração; falta de pré-aquecimento para reduzir as tensões geradas durante a soldagem; deposição de cordões compridos e largos; técnica de soldagem que aumenta as tensões geradas durante a soldagem; desalinhamento entre as partes; excesso de restrição na junta devido aos dispositivos para posicionamento. G) TRINCA A FRIO INDUZIDA POR HIDROGÊNIO. Conforme mencionado no item 5.5, a fragilização por hidrogênio pode gerar trinca alguns dias após a soldagem ou mesmo trincas tão pequenas que podem estar abaixo do limite de detecção dos ensaios não destrutivos. Por isso o nome de trinca a frio, pois ocorre em temperaturas próximas da temperatura ambiente. Este tipo de trinca pode levar a uma falha catastrófica do equipamento e, portanto, deve ser minimizada a sua ocorrência durante a fabricação de uma peça ou equipamento soldado. Para que ocorra este tipo de fragilização são necessários quatro condições: 39Soldagem dos aços inoxidáveis Soldagem dos aços inoxidáveis Fig. 22 - Diagrama de Schaeffler adaptado para a soldagem. Analisando-se a figura 22 percebe-se quatro regiões que apresentam algum tipo de fragilização: região de crescimento de grão na ZAC acima de 1150°C (região 1); trinca a frio induzida por hidrogênio (região 2); precipitação de fase sigma entre 600 e 950°C (região 3) e trinca de solidificação e liquação (região quatro). Entre estas quatro regiões existe uma quinta região que é isenta de qualquer tipo de problema, que está ao redor do ponto 21%Cr e 10%Ni. Para utilizar o diagrama de Schaeffler calcula-se o cromo e o níquel equivalentes dos materiais que serão utilizados, através das equações: Creq = %Cr + %Mo + 1,5 %Si + 0,5 %Nb Nieq = %Ni + 30 %C + 0,5 %Mn Em seguida localiza-se o ponto no diagrama mostrado na figura 22. A partir dai, tem-se três diferentes maneiras de utilizar o diagrama: 1) Se a soldagem for autógena, isto é, sem metal de adição, basta verificar em qual das regiões a composição química caiu. Se o ponto cair dentro de alguma região com problema de soldabilidade, existe a possibilidade de ocorrer tal problema durante a soldagem. Assim, é importante verificar se existe alguma ação corretiva antes de realizar a soldagem. 2) No caso da soldagem de um aço inox com adição, coloca-se os pontos dos dois materiais no diagrama. Em seguida, traça-se um segmento de reta unindo os dois pontos. Divide-se este segmento de reta em 10 partes iguais, que representam a diluição do processo de soldagem que será empregado. Cada uma dessas partes do segmento representa de 0 a 100% de diluição do cordão de solda. Marca-se no diagrama 0% de diluição no ponto 42 0 1 1 2 2 3 3 4 4 Crescimento de grão A+M A+F A+M+F F+M Trinca a frio induzida por H Precipitação de fases intermetálicas Trinca de solidificação e liquação 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 2 4 6 10 8 14 12 16 N íq ue le qu iv al en te = % N i+ 30 x % C + 0. 5 x % M n Cromo equivalente = % Cr ÷ % Mo + 1.5 x % Si + 0.5 x % Nb 18 20 26 24 22 28 30 Austenita Ferrita Fe rri ta 0% 10 % 100% 80% 40% 20 % Martensita que corresponde à composição química do metal de adição e 100% no ponto da composição química do metal de base. Falta determinar a diluição do processo de soldagem, que pode ser feita através da medida da área do cordão de solda e da região fundida do metal de base ou então utilizar os valores médios apresentados nas tabelas de características dos processos de soldagem. Admitindo-se que o processo de soldagem a ser utilizado tem uma diluição média de 40%, marca-se este ponto no segmento de reta correspondente. Em seguida, verifica-se em qual das regiões este ponto caiu. O que geralmente é feito na prática é escolher uma adição com composição química ou processo de soldagem com diluição tal que o ponto determinado caia dentro da quinta região, que é isenta de problemas. 3) no caso da soldagem dissimilar entre um aço carbono e um aço inox com adição, o procedimento é um pouco diferente. Primeiro calcula-se o cromo e o níquel equivalente dos dois metais de base. Em seguida, marca-se os dois pontos no diagrama e une-se estes pontos com um segmento de reta, e marcando o seu ponto médio. Esse ponto médio deve ser unido ao ponto da composição química do metal de adição que será utilizado. O segmento de reta obtido pela união destes dois pontos é que é dividido em 10 partes. A partir desta etapa, o procedimento é análogo ao do item anterior, bastando encontrar a diluição do processo de soldagem. A título de ilustração vejamos um exemplo de emprego do diagrama de Schaeffler onde um aço carbono ASTM A36 deve ser soldado a um aço inox ASTM A269 - TP 316. Esses dois materiais poderão ser soldados com a adição 309, conforme a tabela 17. Admitindo-se que o 312 possa ser uma opção de metal de adição, qual a faixa de diluição ideal para realizar esta solda usando cada um deles? A primeira etapa é calcular o cromo e o níquel equivalente de todos os materiais que serão utilizados. A tabela 18 apresenta a composição química e os valores do cromo e níquel equivalente para cada um dos materiais. Tabela 18 - Composição química dos materiais. Material Composição química (%) C Mn P S Si Ni Cr Mo Creq Nieq A36 0,22 1,15 0,03 0,025 0,28 - - - 0,42 7,75 316 0,05 1,50 0,02 0,015 0,70 12,7 17,0 2,75 20,80 14,95 309 0,021 1,56 0,022 0,003 0,48 13,6 24,2 0,5 25,42 15,01 312 0,10 1,37 0,019 0,009 0,40 9,7 30,8 0,5 31,90 13,4 Colocando-se os pontos dos metais de base no diagrama de Schaeffler, traçando um segmento de reta entre estes dois pontos, encontra-se o ponto médio do segmento, que está aproximadamente na coordenada Creq = 11% e Nieq = 11%. Unindo-se este ponto aos pontos dos dois metais de adição e dividindo-se este novo segmento de reta em dez partes iguais, determina-se a faixa de diluição ideal para cada material. Conforme explicado anteriormente, a faixa de diluição deve cair, quando possível, dentro da região isenta de problemas de soldabilidade. A figura 23 43Soldagem dos aços inoxidáveis Soldagem dos aços inoxidáveis apresenta a faixa ideal de diluição para os dois metais de adição. Neste caso, para cada metal de adição nas condições dadas, ela é de 15 a 30 % para o 309 e de 40 a 60% para o 312. Fig. 23 - Faixa de diluição ideal para as adições 309 e 312. Com estes dados em mãos, deve-se analisar a diluição dos diversos processos de soldagem. A tabela 19 resume a faixa de diluição apresentada nas tabelas das características do processo de soldagem, apresentadas nesta apostila. Deve-se lembrar que estes valores servem somente de orientação, uma vez que a diluição é função dos parâmetros de soldagem Tabela 19 - Faixa de diluição dos processos de soldagem. Processo Faixa de diluição (%) Eletrodo revestido 10 a 30 TIG com adição 2 a 20 Plasma com adição 20 a 40 MIG 10 a 30 Comparando-se a flexibilidade das duas adições, o ER309 apresenta um maior número de processos que podem soldar os dois materiais do exemplo. A partir deste dado, a análise da escolha do processo será definida pelos fatores discutidos no item 3. 44 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 2 4 6 10 8 14 12 16 N íq ue le qu iv al en te = % N i+ 30 x % C + 0. 5 x % M n Cromo equivalente = % Cr ÷ % Mo + 1.5 x % Si + 0.5 x % Nb 18 20 26 24 22 28 30 1 2 3 4 A+M A36 M+F A+F A+M+F F+M Austenita ER309L ER312 316 Ferrita Fe rri ta 0% 10 % 100% 80% 40% 20 % Martensita