Classificação e Soldadagem de Aços: Tipos, Sistemas de Classificação e Processos, Trabalhos de Engenharia Metalúrgica

Baixe Classificação e Soldadagem de Aços: Tipos, Sistemas de Classificação e Processos e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Metalúrgica, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Soldagem de Ligas Metálicas Prof. Paulo J. Modenesi Outubro de 2001 Soldagem de Ligas Metálicas 1. Soldabilidade: A American Welding Society (AWS) define soldabilidade como “a capacidade de um material ser soldado nas condições de fabricação impostas por uma estrutura específica projetada de forma adequada e de se comportar adequadamente em serviço”. Esta definição coloca pontos importantes como: “o projeto é adequado?”, “e as condições e o procedimento de soldagem?” Uma definição alternativa, mais prática, seria: “a facilidade relativa com que uma solda satisfatória, que resulte em uma junta similar ao metal sendo soldado, pode ser produzida”. A maioria das ligas metálicas são soldáveis, mas, certamente, algumas são muito mais difíceis de serem soldadas por um dado processo que outras. Por outro lado, o desempenho esperado para uma junta soldada depende fundamentalmente da aplicação a que esta se destina. Assim, para determinar a soldabilidade de um material, é fundamental considerar o processo e procedimento de soldagem e a sua aplicação. Assim, é importante conhecer bem o material sendo soldado, o projeto da solda e da estrutura e os requerimentos de serviço (cargas, ambiente, etc). Com base nessas definições, para melhor determinar a soldabilidade, é interessante fazer algumas suposições: 1. O metal base é adequado para a aplicação desejada, isto é, ele possui as propriedades adequadas e necessárias para resistir aos requerimentos da aplicação. 2. O projeto da estrutura soldada e de suas soldas é adequado para o uso pretendido. Baseado nestas suposições, é necessário, então, avaliar a própria junta soldada. Idealmente, uma junta deveria apresentar resistência mecânica, dutilidade, tenacidade, resistências à fadiga e à corrosão uniformes ao longo da solda e similares às propriedades do material adjacente. Soldagem das Ligas Metálicas - 1 Tabela 2 — Exemplos de designações de aços pelo sistema AISI-SAE. Aços carbono Nº SAE c Mn P (max) S (max) Nº AISI 1006 0,08 max. 0,25-0,40 0,040 0,050 C1006 1010 0,08-0,13. 0,040 0,050 CI010 1015 0,13-0,18 0,040 0,050 C1015 1016 0,13-0,18. 0,60-0,90 0,040 0,050 CI016 1020 0,18-0,23. 0,30-0,60 0,040 0,050 C1020 1022 0,18-0,23 0,70-1,00 0,040 0,050 C1022 1025 0,22-0,28 0,30-0,60 0,040 0,050 C1025 1030 0,28-0,34 0,60-0,90 0,040 0,050 C1030 1040 0,37-0,44 0,60-0,90 0,040 0,050 C1040 1045 0,43-0,50 0,60-0,90 0,040 0,050 C1045 1050 0,48-0,55 0,040 0,050 C10s0 1055 0,50-0,60 0,040 0,050 C105s 1060 0,55-0,65 0,040 0,050 C1060 1065 0,60-0,70 0,040 0,050 C1065 1070 0,65-0,75 0,040 0,050 C1070 1074 0,70-0,80 0,040 0,050 C1074 Aço liga Nº SAE c Mn P (max) | S (max) Si Ni Cr Outros Nº AISI 1320 | 0,18-0,23 | 1,60-1,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 — — — 1320 1340 | 0,38-0,43 | 1,60-1,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 — - - 1340 2317 | 0,15-0,20 | 0,40-0,60 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 3,25-3,75 — — 2317 2340 | 0,33-0,43 | 0,70-0,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 3,25-3,75 - - 2340 2512 | 0,09-0,14 | 0,45-0,60 | 0,025 0,025 | 0,20-0,35 | 4,75-5,25 — — E2512 3115 | 0,13-0,18 | 0,40-0,60 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 1,10-1,40 | 0,55-0,75 - 3115 3140 | 0,38-0,43 | 0,70-0,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 1,10-1,40 | 0,55-0,75 — 3140 3150 | 0,48-0,53 | 0,70-0,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 1,10-1,40 | 0,55-0,75 - 3150 3315 | 0,08-0,13 | 0,45-0,60 | 0,025 0,025 | 0,20-0,35 | 3,25-3,75 | 1,40-1,75 — E3315 Mo 4017 | 0,15-0,20 | 0,70-0,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 — — 0,20-0,30 | 4017 4042 | 0,40-0,45 | 0,70-0,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 - — 0,20-0,30 | 4045 4068 | 0,63-0,70 | 0,75-1,00 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 — — 0,20-0,30 | 4068 4130 | 0,28-0,33 | 0,40-0,60 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 - 0,80-1,10 | 0,15-0,25 4130 4140 | 0,38-0,43 | 0,75-1,00 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 0,80-1,10 | 0,18-0,25 | 4140 4320 | 0,17-0,22 | 0,45-0,65 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 1,65-2,00 | 0,40-0,60 | 0,20-0,30 | 4320 4340 | 0,38-0,43 | 0,60-0,80 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 1,65-2,00 | 0,70-0,90 | 0,20-0,30 | 4340 4615 | 0,13-0,18 | 0,45-0,65 | 0,040 | 0,040 | 0.20-0.35 | 1,65-2,00 - 0.20-0,30 | 4615 4640 | 0,38-0,43 | 0,60-0,80 | 0.040 | 0,040 | 0.20-0.35 | 1,65-2,00 - 0.20-0,30 | 4640 4820 | 0,18-0,23 | 0,50-0,70 | 0,040 | 0,040 | 0.20-0.35 | 3,25-3,75 - 0.20-0,30 | 4820 5045 | 0,43-0,48 | 0,70-0,90 | 0.040 | 0,040 | 0.20-0,35 = 0,55-0,75 = 5045 5130 | 0.28-0,33 | 0,70-0,90 | 0.040 | 0,040 | 0.20-0,35 = 0.80-1,10 = 5130 50100 | 0.95-1.10 | 0,25-0.45 | 0.025 | 0.025 | 0,20-0,35 = 0.40-0,60 = E50100 52100 | 0.95-1,10 [ 0,25-0,45 | 0.025 | 0.025 | 0,20-0,35 = 1,30-1,60 = E52100 V 6150 | 0,48-0,53 [0,70-0,90 | 0,040 | 0,040 [020:0,35 | | -- T0,80-1,10] 0,15min. | 6150 Mo 8615 | 0,13-0,18 | 0,70-0,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 0,40-0,70 | 0,50-0,60 | 0,15-0,25 | 8615 8740 | 0,38-0,43 | 0,75-1,00 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 0,40-0,70 | 0,40-0,60 | 0,20-0,30 | 8740 9260 | 0,55-0,65 | 0,70-1,00 | 0,040 0,040 | 1,80-2,20 9260 9440 | 0,38-0,43 | 0,90-1,20 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 0,30-0,60 | 0,30-0,50 | 0,08-0,15 | 9440 9840 | 0,38-0,43 | 0,70-0,90 | 0,040 0,040 | 0,20-0,35 | 0,85-1,15 | 0,70-0,90 | 0,20-0,30 | 9840 Prefixo: E — Aço fabricado em forno elétrico Soldagem das Ligas Metálicas - 4 Outro sistema comumente utilizado para a classificação de aços e outras ligas metálicas é feito pela American Society for Testing and Materials (ASTM). Este sistema é publicado anualmente em um livro de normas ASTM que consiste de, pelo menos, 33 partes. Sete destas partes especificam metais: Part 1: Steel piping, tubings and fittings. Part2: Ferrous castings-ferro-alloys. Part3: Steel sheet, strip, bar, rod, wire, etc. Part 4: Structural steel, steel plate, steel rails, wheels, etc. Part 5: Cooper and cooper alloys. Part 6: Die-cast metals, light metals and alloys. Part 7: Nonferrous metals and alloys. Outras partes cobrem materiais diversos como concreto, produtos químicos, materiais isolantes, papel, produtos de petróleo, combustíveis, borracha, etc. Três partes são relacionadas com testes: Part 30: General Test Methods. Part 31: Metals-Physical and Mechanical Non-destructive Tests. Part 32: Analytical Methods of Analysis. As especificações ASTM para metais são identificadas por uma letra, A para ligas ferrosas e B para ligas não ferrosas. Após esta letra, um grupo de um, dois ou três dígitos indicam o número da especificação, seguido por dois dígitos que indicam o ano de sua adoção formal. As especificações ASTM apresentam uma posição comum de fabricantes, usuários e outros grupos interessados em um dado tipo de produto ou material. Elas especificam as propriedades mecânicas do material e, em muitos casos, a sua composição química. Outras organizações que especificam aços, cujos sistemas de especificação são usados algumas vezes em nosso país, incluem a American Society of Mechanical Engineers (ASME), o American Petroleum Institute (API) e o American Bureau of Shipping (ABS), além de diversas organizações normalizadoras nacionais como a British Standard (BS) e a DIN. Soldagem das Ligas Metálicas - 5 2.2. Soldagem de Aços Carbono e de Baixa Liga: Aços carbono são ligas de ferro e carbono (até 2%C) contendo ainda, como residuais (de materiais primas ou do processo de fabricação), outros elementos como Mn, Si, S e P. Aços de baixo carbono têm um teor de carbono inferior a 0,15%. Aços doces contém de 0,15 a 0,3%C. Aços de baixa liga têm uma quantidade total de elementos de liga inferior a 2%. Estes grupos de aços serão considerados neste item. O maior problema de soldabilidade destes aços é a formação de trincas induzidas pelo hidrogênio, principalmente na zona termicamente afetada (ZTA). Outros problemas mais específicos incluem a perda de tenacidade na ZTA, ou na zona fundida (associada com a formação de estruturas de granulação grosseira, durante a soldagem com elevado aporte térmico, ou com a formação de martensita na soldagem com baixo aporte térmico) e a formação de trincas de solidificação (em peças contaminadas ou na soldagem com aporte térmico elevado). Ainda, em função de uma seleção inadequada de consumíveis ou de um projeto ou execução incorretos (ver item 1 - soldabilidade), podem ocorrer problemas de porosidade, mordeduras, falta de fusão, corrosão, etc. Aços de Baixo Carbono e Aços Doces Aços de baixo carbono incluem as séries AISI C-1008 e C€-1025. O teor de carbono varia entre 0,10 e 0,25%, o de manganês entre 0,25 e 1,5%, o teor de fósforo máximo é de 0,4% e o de enxofre é de 0,5% (hoje, na prática, os teores de Pe S dificilmente chegam próximo destes limites). Estes são os aços mais comumente usados em fabricação e construção. São materiais facilmente soldáveis por qualquer processo a arco, gás ou resistência. Para a soldagem com eletrodos revestidos (SMAW), eletrodos da classe AWS E60XX e E70XX fornecem resistência mecânica suficiente para a soldagem destes aços. Eletrodos da classe E60XX devem ser usados para aços com limite de escoamento inferior a 350 MPa e eletrodos E70XX devem ser usados com aços com limite de escoamento de até 420 MPa. Para a seleção do tipo de eletrodo, as características operacionais desejadas devem ser consideradas. Soldagem das Ligas Metálicas - 6 Aços de Baixa Liga ao Manganês Este grupo inclui os tipos AISI 1320, 1330, 1335, 1340 e 1345. Nestes aços, o teor de carbono varia de 0,18 a 0,48%, de manganês entre 1,6 e 1,9% e de silício entre 0,2 e 0,35%. Pré- aquecimento não é necessário para os menores teores de C e Mn. Para C > 0,25%, um pré- aquecimento entre 120 e 150ºC é necessário. Para maiores teores de C e Mn e para juntas de grande espessura, a temperatura de pré-aquecimento pode atingir 300ºC, sendo recomendado o uso de alívio de tensões. Eletrodos E80XX e E90XX com sufixo Al, DI e D2 devem ser usados. Aços de Baixa Liga ao Cromo Este grupo inclui os aços dos tipos AISI 5015, 5160, 50100, 51100 e 52100. Nestes aços, o teor de carbono varia entre 0,12 e 1,1%, o manganês varia entre 0,3 e 1,0%, o silício entre 0,2 e 0,3% e o cromo entre 0,2 e 1,6%. Aços com teor de C próximo de seu limite inferior podem ser soldados sem nenhum cuidado especial. Para maiores teores de carbono (e de cromo), a temperabilidade aumenta de forma pronunciada e pré-aquecimentos de até 400ºC podem ser necessários, particularmente para juntas de maior espessura. Eletrodos revestidos com sufixo B devem ser usados. Os exemplos anteriores ilustram a importância de, na seleção de um consumível para aços de baixa liga, ajustar a resistência mecânica e a composição química do deposito de solda de acordo com as características do metal base. Contudo, nem sempre existe disponível um consumível capaz de depositar material com composição igual ao metal base, sendo preciso selecionar consumível o mais similar o possível e avaliar possíveis efeitos das diferenças de composição no comportamento da solda. Aços Resistentes ao Tempo Aços resistentes ao tempo (aços patináveis) são aços de baixa liga que podem ser expostos ao ambiente sem serem pintados, sendo protegidos por uma densa camada de óxido que se forma Soldagem das Ligas Metálicas - 9 naturalmente. Devido a esta camada, a sua resistência a corrosão é quatro a seis vezes a resistência de aços estruturais ao carbono. Aços resistentes ao tempo são cobertos pela especificação ASTM A242. Nesta, limites mínimos de escoamento e de resistência de 350 MPa e de 420 MPa (70 ksi), respectivamente, são especificados. Fórmulas de carbono equivalente (CE) são comumente usadas para estimar a necessidade de cuidados especiais na soldagem de um aço. Uma expressão de CE muito difundida é: %Mn | %Mo Cr Y%Ni %Cu %P 4 5 15 15 3 CE =%C+ Preferencialmente, o CE deve ser calculado para a composição real do aço. Quando esta não é conhecida, os teores máximos na faixa da especificação do aço devem ser consideradas por segurança. Um metal base é considerado facilmente soldável com o processo SMAW quando CE < 0,40. Acima deste nível, cuidados especiais são necessários. Processos de soldagem de baixo hidrogênio devem ser usados e pode ser necessário pré-aquecer a junta. Quando CE > 0,60, deve-se usar pré-aquecimento para juntas com espessura acima de 20mm. Quando CE > 0,90, um pré-aquecimento a uma temperatura elevada é absolutamente necessário para todos casos, exceto para juntas de muito pequena espessura. A tabela 4 mostra valores típicos de temperatura de pré-aquecimento para diferentes tipos de aços e, também, para ferro fundido. Como a temperatura de pré-aquecimento depende de diversos fatores, os valores mostrados nesta tabela devem ser tomados apenas como uma referência inicial. Na soldagem com arco submerso (SAW), a composição do depósito de solda deve, também, ser similar a do metal base. Um fluxo não ativo (que não coloca nem retira elementos de liga da poça de fusão) deve ser usado preferencialmente com aços de baixa liga. Em geral, a necessidade de pré-aquecimento é reduzida na soldagem SAW devido aos maiores aportes térmicos utilizados. Para garantir um baixo nível de hidrogênio, é importante utilizar um fluxo corretamente seco e limpar adequadamente o metal base na região da solda. Soldagem das Ligas Metálicas - 10 Tabela 4 — Temperaturas típicas de pré-aquecimento para diferentes tipos de aço e para ferro fundido! Tipo de aço Temperatura (ºC) Baixo carbono (%C < 0,30) 90-150 Médio carbono (0,30 < %C < 0,55) 150-260 Alto carbono (0,50 < %C < 0,83) 260-430 Aços C-Mo (0,10 < %C < 0,30) 150-320 Aços C-Mo (0,30 < %C < 0,35) 260-430 Aços Ni (< 3,5%Ni) 90-370 Aços Cr 150-260 Aços Cr-Ni 90-590 Ferro fundido 370-480 Na soldagem com eletrodo consumível e proteção gasosa (GMAW) de aços de baixa liga, a composição do eletrodo deve ser adequada para o metal base e o gás de proteção deve ser selecionado de forma a minimizar a queima (oxidação) do metal de solda. O nível de pré- aquecimento é similar ao usado com o processo SMAW. Na soldagem de aços com níveis diferentes de resistência mecânica, o metal de adição deve ser selecionado de forma a fornecer um depósito de resistência compatível com o aço de menor resistência. O procedimento de soldagem (pré-aquecimento, aporte térmico, etc), contudo, deve ser especificado de acordo com o aço de maior resistência. Em princípio, aços resistentes ao tempo podem ser soldados por todos os processos a arco, por soldagem a gás e por resistência. Contudo, cuidados especiais devem ser tomados em função de suas características. Na soldagem SMAW, eletrodos E7018 podem ser usados para a deposição dos passes de raiz e de enchimento. O acabamento (isto é, a última camada da solda, expopsta ao tempo) deve, contudo, ser feito com um eletrodo E7018-C1 uma vez que o maior teor de níquel do depósito dará à solda características de resistência à corrosão similares ao metal base. ! TC 9-237, Welding Theory and Application, American Army, 1993. Soldagem das Ligas Metálicas - 1 Aços Cromo-Molibdênio Estes aços foram desenvolvidos para aplicações a temperatura elevada, sendo muito usados em tubulações que operam a alta pressão e temperaturas entre cerca de 370 e 600ºC. Nesta faixa de temperatura, os aços Cr-Mo mantém uma resistência mecânica adequada, além de não sofrerem problema de fluência nem de fragilização após longos períodos de uso. São comumente usados na condição normalizada ou temperada e revenida com a resistência mecânica à temperatura ambiente variando de 590 a 940 MPa. As composições comuns destes aços incluem: 1%Cr-1/2%Mo, 1-1/4%Cr-1/2%Mo, 2%Cr-1/2%Mo, 2-1/4%Cr-1%Mo e 5%Cr-1/2%Mo. Os processos mais comumente usados para a soldagem de aços Cr-Mo são SMAW, GTAW e GMAW, embora arco submerso e arame tubular também possam ser usados. Para qualquer processo, é importante selecionar um metal de adição de composição similar ao metal base. No processo SMAW, eletrodos com sufixo B são utilizados (tabela 3) variando de B1 para aços 1/2%Cr-1/2%Mo até B4 para o aço 2-1/2%Cr-1/2%Mo. Para maiores teores de liga são necessários eletrodos especiais, não cobertos pela especificação da AWS. Eletrodos devem ser sempre de baixo hidrogênio os quais podem ter características operatórias que dificultam a realização do passe de raiz em tubulações. Boa parte da soldagem destes aços é feita em tubulações para as quais o passe de raiz é comumente feito pelo processo GTAW e os outros passes por um outro processo. O procedimento de soldagem deve incluir pré-aquecimento e, muitas vezes, pós-aquecimento em função da temperabilidade destes aços. Temperaturas de pré-aquecimento de até 370ºC podem ser usadas. Para um teor de carbono inferior a 0,2% e espessura menor que 9,5mm, a soldagem pode ser feita com um pré-aquecimento mínimo (40ºC). Maiores teores de carbono e maiores espessuras exigem pré-aquecimento a maiores temperaturas. Tratamento térmico após soldagem deve ser feito para teores de carbono acima de 0,2% e espessuras superiores a 13 mm. Temperaturas de tratamento térmico variam de 620 a 705ºC, as menores temperaturas sendo usadas para as menores espessuras. No caso de interrupção da Soldagem das Ligas Metálicas - 14 soldagem antes de seu término, a junta deve ser resfriada lentamente e tratada termicamente antes do reinício da soldagem. Quando diferentes tipos de aços Cr-Mo são soldados, as condições de pré-aquecimento e de tratamento térmico são determinadas pelo aço de maior teor de liga, mas o metal de adição pode ser selecionado com base no metal base menos ligado. 2.4. Soldagem de Aços Inoxidáveis: Aços inoxidáveis são ligas ferrosas de excelente resistência à corrosão em diversos ambientes. São basicamente ligas Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni, podendo conter, ainda, elementos como C, N, Mo, Mn, Nb, Ti, etc, seja como elementos de liga seja como residuais. A forma mais usual de classificar estes materiais baseia-se na sua microestrutura usual, resultante do balanço de elementos de liga e de tratamentos térmicos e mecânicos aplicados, isto é: (a) Aços inoxidáveis ferríticos: São ligas Fe-Cr, com teor de cromo, em geral, entre 11 e 30% e um teor de carbono relativamente baixo, em geral inferior a 0,12%. O tipo mais comumente usado deste aço é o AISI 430. Estes aços não são temperáveis e sua granulação só pode ser refinada por uma combinação adequada de trabalho mecânico e recozimento. Se expostos por tempos prolongados a temperaturas em torno de 500ºC, estes aços podem ser fragilizados pela precipitação de intermetálicos. No estado recozido, sua dutilidade e tenacidade à temperatura ambiente são geralmente satisfatórias. Apresentam boa resistência à corrosão e à oxidação, inclusive a alta temperatura. São usados em aplicações envolvendo o ácido nítrico, na fabricação de eletrodomésticos, cubas, utensílios para cozinha e laboratórios, em aplicações a alta temperatura, etc. Apresentam uma estrutura predominantemente ferrítica em qualquer temperatura até a sua fusão. (b) Aços inoxidáveis martensíticos: São, geralmente, ligas Fe-Cr-C, com teores de cromo entre 11 e 18% e entre 0,1 e 0,5% (podendo, em alguns casos, chegar a 1%) de carbono e capazes de serem austenitizadas a uma temperatura suficiente elevada. O tipo mais comumente usado deste aço é o AISI 410. Devido à sua elevada temperabilidade, estas ligas podem apresentar uma estrutura completamente martensítica mesmo após um resfriamento ao ar calmo. São, portanto, ligas endurecíveis por tratamento térmico, sendo Soldagem das Ligas Metálicas - 15 usadas, em geral, no estado temperado e revenido. Sua resistência à corrosão é inferior a dos outros tipos, sendo, contudo, satisfatória para meios mais fracamente corrosivos. São particularmente adequados para aplicações que requerem elevada resistência mecânica, dureza e resistência à abrasão ou erosão em ambiente seco ou úmido como, por exemplo, em componentes de turbinas a gás ou vapor, mancais e em peças de cutelaria. (c) Aços inoxidáveis austeníticos: Esta classe inclui, principalmente, ligas Fe-Cr-Ni. Apresentam estrutura predominantemente austenítica à temperatura ambiente, não sendo endurecíveis por tratamento térmico. Formam o grupo mais usado e numeroso de aços inoxidáveis. Contêm entre cerca de 16 e 30% de Cr, entre 6 e 26% de Ni e menos de 0,3% de carbono, sendo o tipo mais comum o aço AISI 304. Apresentam, à temperatura ambiente, um baixo limite de escoamento, um limite de resistência elevado e grande dutilidade. São, entre os aços inoxidáveis, os materiais de melhor soldabilidade e resistência geral à corrosão. Encontram aplicações na indústria química, alimentícia, de refino de petróleo e em muitas outras. (d) Aços inoxidáveis duplex: São ligas Fe-Cr-Ni-Mo-N, podendo conter, ainda, adições de Cu e outros elementos. Apresentam uma estrutura austeno-ferrítica com aproximadamente 50% de cada fase. São caracterizados por uma elevada resistência mecânica e excelente resistência à corrosão, particularmente em ambientes contendo cloretos, nos quais os aços austeníticos têm um pior desempenho. Os três processos mais utilizados para a soldagem de aços inoxidáveis são SMAW, GTAW e GMAW, embora vários outros sejam também usados. O processo SMAW é utilizado em serviços em geral, particularmente no campo e em diferentes posições. O processo GTAW é amplamente utilizado na soldagem de peças de aço inoxidável de menor espessura. O processo GMAW é utilizado para juntas mais espessas, sendo um processo de maior produtividade. Transferência spray (com misturas Ar-2%0, ou 5%0>) e por curto circuito (com misturas Ar-CO, e Ar-He-CO,) podem ser usadas. Arames tubulares para a soldagem destes aços estão se tornando mais comuns nos últimos anos. Aços inoxidáveis podem ser considerados como ligeiramente mais difíceis de soldar que aços de baixo carbono, mas as dificuldades variem de forma importante com o tipo de aço. Um aspecto fundamental na soldagem de aços inoxidáveis é a necessidade de limpeza de modo a minimizar contaminações que deteriorem a sua resistência à corrosão. Cuidados com a forma Soldagem das Ligas Metálicas - 16 corrosão da solda. Por outro lado, um resfriamento muito lento e a manutenção por tempos longos a temperaturas entre cerca de 1000 e 600ºC pode levar a precipitação de compostos intermetálicos que também prejudicam as propriedades mecânicas e químicas da solda. Assim, o controle da energia de soldagem e da temperatura de pré-aquecimento é muito importante para estes materiais. Para reduzir a quantidade de ferrita na ZF, o uso de uma mistura Ar-N, como gás de proteção é comum. Metal de adição de aço inoxidável (principalmente austenítico) é comumente usado na soldagem de outros tipos de aços, na união de aços inoxidáveis com outros aços e na fabricação de revestimentos protetores contra a corrosão ou contra diversos tipos de desgaste. Para a previsão da microestrutura da solda e da possibilidade de ocorrência de problemas, diagramas constitucionais empíricos são muito utilizados. Destes, o mais conhecido é o Diagrama de Schaeffler (figura 1), existindo, contudo, diversos outros (Diagrama de DeLong, do WRC 1986, etc). Estes diagramas permitem prever a microestrutura da solda a partir de sua composição química, expressa em termos de equivalentes de cromo (Creg) e de (Nicg). 32 28 0%, 5% - E uu AUSTENITA 10% a So 20% q 40% g 18 + T En Ei " E 8 : z MARTENSITA 1009 4 | FERRITA 0 o 4 8 2 16 20 24 28 32 36 40 Creg= Cr+ Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb Figura 1 - Diagrama de Schaeffler Soldagem das Ligas Metálicas - 19 A figura 2 mostra o diagrama de Schaeffler indicando áreas típicas de problemas na soldagem de aços inoxidáveis. Pode-se observar, na parte central do diagrama, na região de coexistência da ferrita e austenita, uma pequena área triangular que não é atingida por nenhum dos problemas indicados. De uma forma geral, para as aplicações usuais, os consumíveis de aço inoxidáveis austeníticos são projetados para, após diluição com o metal base, fornecer uma solda cuja composição química caia nesta região. nn o AUSTENITA n a n S a N Nieg= Ni+ 30 C + 0,5 Mn a co aeeLiioo FERRITA 0 ', dt. o 4 8 12 168 20 24 28 32 36 40 Creg= Cr+ Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb Figura? Regiões problemáticas típicos na soldagem de aços inoxidáveis: (1) Fissuração de solidificação ou por perda de dutilidade acima de 1250ºC; (2) formação de fases intermetálicas após aquecimento entre cerca de 450 e 900ºC; (3) crescimento de grão na ZTA; e (4) fragilização e fissuração por formação de martensita. O diagrama de Schaeffler permite prever a microestrutura da ZF com base na sua composição química e não é restrito aos aços inoxidáveis austeníticos, podendo ser usado também para aços ferríticos e martensíticos. Para utilizá-lo, os equivalentes de Cr e Ni devem ser calculados pela composição química da solda e a microestrutura é determinada pela leitura direta no diagrama do campo em o ponto (Creg, Nie) se localiza. Em aplicações em que as Soldagem das Ligas Metálicas - 20 composições dos metais base e de adição sejam diferentes, o ponto que representa a solda no diagrama estará sobre o segmento de reta entre o metal base e o metal de adição. A posição desse ponto no segmento dependerá da diluição da solda, ficando mais próximo do metal de adição para soldas de pequena diluição. Como um exemplo, suponha-se que um aço inoxidável ferrítico ABNT430 (0,03%C, 0,9%Mn, 0,4%Si e 17,3%Cr) tenha sido soldado com um eletrodo AWS E309 (0,06%C, 0,7%Mn, 0,7%Si, 22,1%Cr e12,5%Ni). Os valores dos equivalentes de Cr e Ní seriam: o Metal base: Creg = 17,9 e Nicg = 1,4% o Metal de adição: Creg = 23,2 e Nieg = 14,7 A figura 3 mostra, no diagrama, os pontos deste exemplo correspondentes ao metal base, metal de adição e ao metal de solda para uma diluição de 30%. Neste caso, a solda teria certa de 15% de ferrita ô em sua estrutura. o N » o AUSTENITA n a mn S Nieg= Ni + 30 C + 0,5 Mn no 3 MARTENSITA / NO » FERRITA O 4 8 12 16 2 2 28 3236 40 Creg= Cr+ Mo + 1,5 Si + 0,5 Nhb Figura 3 - Diagrama de Schaeffler mostrando os pontos correspondentes ao metal base (MB), metal de adição (MA) e a solda (ZF), ver texto. Soldagem das Ligas Metálicas - 21 Algumas ligas de alumínio (principalmente dos grupos IXXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX) não são tratáveis termicamente enquanto outras (principalmente dos grupos 2XXX, 6XXX e 7XXX) podem ser tratadas termicamente. O principal tratamento térmico envolve a solubilização e envelhecimento do material para causar endurecimento por precipitação, podendo o tratamento ser combinado ou não com endurecimento por deformação. A presente discussão não engloba as diferentes características e, em particular, a soldabilidade das várias ligas de alumínio. O que é aqui apresentado deve ser considerado apenas como uma série de recomendações gerais válidas principalmente para o alumínio comercialmente puro. O alumínio apresenta diferenças de propriedades físicas e químicas que levam a diferenças de sua soldagem em comparação com a dos aços: 1. Elevada afinidade pelo oxigênio. 2. Elevada condutividade térmica. 3. Elevado coeficiente de expansão térmica. 4. Baixo ponto de fusão (660ºC). O alumínio reage prontamente com o oxigênio do ar formando uma camada superficial de óxido cujo ponto de fusão (=2000ºC) é muito superior ao do alumínio e que, durante a soldagem, pode formar uma barreira física impedindo o contato e mistura do metal base fundido e do metal de adição e formando inclusões na solda. Adicionalmente, a medida que se torna mais expressa, a camada de óxido absorve umidade do ar. Na soldagem, esta umidade, juntamente com outras contaminações superficiais, é uma fonte de hidrogênio capaz de gerar porosidade na zona fundida de alumínio. O óxido de alumínio pode ser removido por meios químicos (limpeza por solventes e/ou decapagem), mecânicos (lixamento, escovamento, etc) elétricos (ação de limpeza catódica do arco) ou metalúrgicos (ação escorificante de um fluxo durante a soldagem). Esta última forma é comum na soldagem SMAW e em processos de brasagem. Como o fluxo para alumínio é muito reativo, a sua limpeza completa da junta após a soldagem é essencial para se evitar problemas futuros de corrosão. Usualmente, mais de um método de remoção da camada de óxido é usado em conjunto. Em função da elevada reatividade do alumínio, a remoção da camada oxidada pelos dois primeiros métodos deve ser realizada imediatamente ou, no máximo, 8 horas antes da soldagem. Soldagem das Ligas Metálicas - 24 Como a condutividade térmica do alumínio é 3 a 5 vezes maior que a do aço, o calor de soldagem é menos eficientemente usado na soldagem desse metal. Assim, o uso de pré- aquecimento e de um maior aporte térmico é comum na soldagem de juntas de maior espessura de alumínio para garantir a formação da poça de fusão e evitar problemas de falta de fusão. O pré-aquecimento, na soldagem do alumínio, não deve ser superior a 205ºC. Na soldagem de ligas de alumínio endurecíveis por precipit: ão, a temperatura de pré- aquecimento deve ser ainda menor para minimizar a ocorrência de super-envelhecimento. A elevada condutividade térmica do alumínio favorece a rápida extração de calor e, assim, a rápida solidificação da poça de fusão o que facilita a sua soldagem fora da posição plana. O coeficiente de expansão térmica do alumínio é aproximadamente duas vezes maior que o do aço. Isto favorece a ocorrência de distorção e o aparecimento de trincas. Devido ao seu baixo ponto de fusão, este material não apresenta uma mudança de cor quando se aproxima de sua temperatura de fusão. Isto pode dificultar o controle da temperatura na br; sagem manual com chama e, na soldagem a arco de chapas finas, exige um cuidado maior do soldador para se evitar que ocorra um excesso de fusão e, assim, a perfuração da junta. Os principais problemas metalúrgicos de soldabilidade do alumínio e suas ligas são a formação de porosidade pelo Ho, a formação de trincas de solidificação e a perda de resistência mecânica (para metal base encruado ou endurecível por precipitação). Os processos mais usados para a soldagem do alumínio são GMAW e GTAW. Em ambos os processos, a seleção de consumível é baseada na composição química e em aspectos metalúrgicos e mecânicos. A especificação de consumíveis para a soldagem de alumínio e suas ligas para os processos GTAW e GMAW é coberta pelas normas AWS AS5.3 e A5.10. A soldagem GTAW é usada principalmente para juntas de menor espessura. Trabalha, em geral, com corrente alternada e eletrodo de tungstênio puro para garantir a remoção superficial de alumina (Al,03) sem um aquecimento excessivo do eletrodo. O ignitor de alta frequência é mantido funcionando durante a soldagem para facilitar a reabertura do arco e aumentar a sua estabilidade. Recentemente, fontes de energia modernas têm permitido a soldagem com de Soldagem das Ligas Metálicas - 25 polaridade variada com onda de formato retangular (em oposição à corrente alternada comum cuja onda tem um formato senoidal). Nesse caso, como a troca de polaridade é quase instantânea, o uso de alta frequência para manter o arco pode ser dispensado. Estas fontes permitem ainda ajustar a relação entre os tempos de cada polaridade da corrente, permitindo, assim, otimizar a ação de limpeza do arco e minimizar o desgaste do eletrodo. Os gases de proteção usuais são argônio, hélio ou misturas de ambos. Maiores teores de hélio permitem uma melhor fusão do metal base mas causam uma redução da estabilidade do processo e da remoção de óxido da superfície da junta. O processo GMAW é mais usado para juntas de maior espessuras, apresentando velocidade de soldagem muito superior ao processo GTAW. O modo de transferência mais usado é o spray, sendo a soldagem com curto circuito difícil ou impossível pois a baixa resistividade elétrica do arame de alumínio tende a tornar o processo difícil de ser controlado. Em função da baixa resistência mecânica dos arames de alumínio, o correto ajuste do sistema de alimentação de arame é fundamental para se evitar problemas (dobramento do arame na entrada do conduíte e consequente interrupção de sua alimentação), particularmente, na soldagem de arames de menor diâmetro. Outros processos usados na soldagem do alumínio são a soldagem com eletrodos revestidos (SMAW), o plasma (PAW), soldagem a gás (OAW) e os processos de soldagem por resistência. Os processos de soldagem com feixe de elétrons e laser são também utilizados, mas, ainda, em pequena escala. 2.6.2. Cobre e suas ligas: Cobre e ligas de cobre são amplamente utilizados na indústria elétrica (devido a sua baixa resistividade), em aplicações onde a resistência à corrosão de algumas destas ligas é importante, na fabricação de mancais, etc. Existem algumas centenas de ligas de cobre com elementos como zinco, níquel, estanho, alumínio, manganês, fósforo, berílio, cromo, ferro e chumbo. Os principais grupos de ligas de cobre são: * Cobre comercialmente puro (>99,3%Cu); Soldagem das Ligas Metálicas - 26