Aula-Defeitos em soldas

Defeitos em soldas: causas e efeitos.

Prof. João Batista Fogagnolo

Consequências da operação de soldagem

Tensões e distorções

Alterações microestruturais

Defeitos dimenionais

estruturais

Defeitos dimensionaisdistorçãopreparação incorreta da juntadimensão incorreta da soldaperfil incorreto da soldaformado incorreto da junta

Defeitos estruturaisporosidadeinclusões de escóriafalta de fusãofalta de penetraçãomordedurastrincas

Defeitos dimensionais

Distorção Mudança de forma da peça devido às tensões geradas por transformações térmicas do material.

Origem das tensões residuais em soldas

Dilatação térmica

α = coeficiente de dilatação térmica


Supor três barras de um aço de baixo carbono de mesmo comprimento e seção e unidas em suas extremidades por duas bases

•nenhuma barra pode se alongar ou contrair

independentemente das outras

•barra central aquecida

•barras externas mantidas a temperatura ambiente

Resultado:•tensões de compressão se desenvolverão na barra central•tensões de tração se desenvolverão nas barras laterais

A-B a restrição da dilatação térmica cria tensão de compressão na barra central

B Quando a tensão na barra central atinge o limite de escoamento, esta passa a se deformar plasticamente

B-C o valor da tensão na barra central cai àmedida que a temperatura aumenta pois o limite de escoamento diminui com a temperatura

C a barra central se contrai com a queda da temperatura

C-D as tensões de compressão na barra central são reduzidas e tornam-se trativas acima da temperatura ambiente devido à sua deformação plástica, a barra se tornou mais curta do que as externas

D-E a barra central passa a deformar plasticamente até atingir a temperatura ambiente


barra central tensões de tração com valor próximo ao do limite de escoamento do material

barras externas tensões de compressão de valor igual àmetade da tensão na barra central

à temperatura ambiente

Estas tensões produzem:

distorção, se o metal base não esta restringido

tensão, se o metal base está restringido


Magnitude da tensão gerada

A tensão térmica é dada por

Para aços, ∆T = 1475KMódulo de Young: 200 GPaCoeficiente de expansão térmica: 12x10-6

Assim uma tensão de 3,5 GPa deve ser produzida àtemperatura ambiente

Esta tensão será limitada pela deformação plástica

TE ∆⋅⋅= ασ


Distorção Mudança de forma da peça devido às transformações térmicas do material.

Controle / correção:

planejamento da sequência de deposição

projeto adequado de chanfro

desempeno com ou sem aplicação de calor


Preparação incorreta da junta

Falha em produzir um chanfro com as dimensões ou forma especificadas.

Aumento da tendência a formação de descontinuidades estruturais.


Dimensões incorretas da solda

Especificação dimensional visa atender a requisitos de resistência mecânica e são verificadas por meio de gabaritos.

Dimensões menores – menor resistência mecânica da junta

Dimensões maiores – maior consumo de materialmaior tendência a provocar distorção

P1 e P2 – pernas

g - garganta


Perfil incorreto da solda

variações geométricas bruscas atuam como concentradores de tensão

aprisionamento de escória entre passes

acumulo de resíduos (resistência à corrosão)

dimensões incorretas em alguns pontos


Formato incorreto da junta

posicionamento ou dimensionamento inadequado das partes

Defeitos dimensionaisdistorçãopreparação incorreta da juntadimensão incorreta da soldaperfil incorreto da soldaformado incorreto da junta

Defeitos estruturaisporosidadeinclusões de escóriafalta de fusãofalta de penetraçãomordedurasexcesso de respingostrincas

Porosidade

N2, O2, H2: Dissociam-se na forma atômica na superfície do metal líquido e são dissolvidos neste.

CO, CO2, H2O, SO2:Também podem se dissociar e serem incorporados na poça de fusão.

Implicações da absorção de gás pelo metal fundido:

reações entre o gás e outros elementos da poça

evolução de gás durante o resfriamento e asolidificação da poça

Porosidade

Diminuição da solubilidade com a diminuição temperatura

Diminuição da solubilidade com a solidificação

Evolução dos gases na forma de bolhas

Reações químicasC + O → CO

Porosidade

Contração na solidificaçãoMicroporosidade entre ramos dendríticos

Porosidade

Porosidade

Classificação quanto à distribuição:

Uniformemente distribuída (uniformly scattered porosity)

Agrupada Alinhada (cluster porosity) (aligned porosity)

Porosidade

Classificação quanto à morfologia:

Vermicular ou vermiforme (alongated porosity or worm holes)

Velocidade da frente de solidificação = velocidade de desprendimento dos gases

Esférica (spherical porosity)

Velocidade da frente de solidificação > velocidade de desprendimento dos gases

Não haverá formação de poro quando a velocidade da frente for inferior a de desprendimento (velocidade de soldagem lenta)

Porosidade fina – tolerada na maioria das aplicações

Porosidade grosseira – pode exigir a remoção da região afetada e o seu reparo

Poros formados um uma solda de alumínio feita com o processo GMAW

solda em AlSi Microporosidade entre ramos dendríticos

Porosidade vermicular

Redução da porosidade

Limpeza e prevenção de agentes contaminanteslimpeza da juntasecagem dos consumíveis

Seleção apropriada dos eletrodos e metais de adição

Aprimorar a técnica de soldagempré-aquecimentoajuste da energia de soldagem

Diminuição da velocidade de soldagem para permitir o saída dos gases

Porosidade de cratera / microporosidade

Contração da poça de soldagem devido a solidificação

Cratera em solda TIGMicroporosidade em arco submerso

Prevenção

Aprimorar a técnica de soldagem

Uso da diminuição da corrente ao final do cordão

Uso de placa de final de cordão

Inclusões de escória

Partículas de óxido e outros sólidos não-metálicos aprisionados entre passes de solda ou entre a solda e o metal base

Podem agir como concentradores de tensão, favorecendo a iniciação de trincas.


Causas:

– manipulação inadequado do eletrodo, fazendo com que a escória escoe a frente da poça de fusão, aprisionando-a sob o cordão (eletrodo revestido)

– remoção incompleta da escória entre passes sem refusãopelo passe seguinte (soldagem com vários passes)

Fatores que dificultam a remoção da escória

formação de um cordão irregular

uso de chanfro muito fechado


Falta de fusão

Falta de união por fusão entre a solda e o metal base ou entre passes adjacentes

Constitui severo concentrador de tensões

Reduz a seção efetiva da solda para resistir a esforços mecânicos

Falta de fusão

Causas:

Aquecimento inadequado do material pela - energia de soldagem excessivamente baixa- desvio do arco por efeito do sopro magnético- manipulação inadequada do eletrodo- uso de chanfros muito fechados

Falta de limpeza da junta- presença de camadas de óxidos- presença de tintas- presença de óleos

Correção: remover toda a região defeituosa por esmerilhamento e posterior deposição de material

Falta de fusão

Falta de penetração

Fusão e preenchimento incompleto da raiz da junta

Constitui diminuição da seção útil da solda e concentrador de tensões.


Causas

Baixa energia de soldagem

Manipulação incorreta do eletrodo

Eletrodo muito grande para um dado chanfro oujunta com ângulo de chanfro excessivamente fechadotornando impossível o direcionamento do arco para a raiz da junta

Junta com abertura de raiz excessivamente pequena.


Aconselhável o uso de TIG no primeiro passe (passe de raiz) para obter a perfeita penetração de raiz.

Correção: remover toda a região defeituosa por esmerilhamento e posterior deposição de material

Excesso de penetração

Causados por parâmetros incorretos de soldagem

Excessiva energia de soldagem

Excessiva abertura de raiz

Mordedura

Reentrâncias agudas entre o cordão e o metal base ou entre passes adjacentes

Quando formada no último passe, atua como concentrador de tensões e redução da espessura da junta

Quando formada no interior do cordão, pode ocasionar falta de fusão ou inclusão de escória.

Mordedura

Causas

Manipulação incorreta do eletrodo

Comprimento excessivo do arco

Corrente de soldagem elevada

Velocidade de soldagem elevada

Mordedura

Excesso de respingos

Causas: corrente muito altaarco longometal base sujoeletrodo úmido

FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS

Região da solda

mudanças estruturais

absorção de elementos nocivos

fragilização do material

aquecimento localizado característico da soldagem

expansões e contrações térmicas localizadas

variações de volume devido a transformações de fase

tensões de tração

Fissuras - trincas


Tipos de fissuração

(1) fissuração na cratera(2) fissuração transversal na ZF(3) fissuração transversal na ZTA(4) fissuração longitudinal na ZF(5) fissuração na margem da solda(6) fissuração sob o cordão(7) fissuração na linha de fusão(8) fissuração na raiz da solda.


Fissuração a quente

Fissuração na solidificação

Fissuração por liquação na ZTA

Fissuração por perda de dutilidade

Fissuração a frio

Fissuração pelo Hidrogênio

Decoesão Lamelar

Fissuração em serviço

Fissuração por Corrosão sob Tensão

Fadiga

Classificação quanto a temperatura

Fissuração a quente (hot cracking ou high temperature cracking)

ocorrem durante a soldagem quando o material estásubmetido a temperaturas próximas à sua temperatura liquidus ou ao menos acima da metade desta, expressa em Kelvin.

Fissuração na solidificaçãoFissuração por liquação na ZTAFissuração por perda de dutilidade

(ductility-dip cracking)


Fissuração a frio (cold cracking)

ocorrem durante a soldagem quando o material estásubmetido a temperaturas próximas à ambiente ou ao menos abaixo da metade da temperatura líquidus do material, expressa em Kelvin.

Fissuração pelo Hidrogênio (fissuração a frio ou cold cracking)

Decoesão Lamelar


Classificação quanto a temperatura


Problemas de fissuração podem ocorrer após a soldagemdurante operações subsequentes de fabricaçãodurante o serviço


Fadiga

mais relacionados com as com as condições de serviço






Fissuração a frio


Decoesão Lamelar


Trincas de reaquecimento


Fadiga

Trincas de Solidificação

Ocorrem nas etapas finais da solidificação.

– Crescimento colunar para o interior da poça– Dificuldade de alimentação com metal líquido– Presença de segregações / filmes líquidos intergranulares

A tensão atingida através dos grãos adjacentes formados excede a resistência do metal de solda quase solidificado


Características

ocorre a altas temperaturas

morfologia intergranular em relaçãoà estrutura primária de solidificação

superfície apresenta-se geralmente oxidada(alta temperatura de formação)


Características

ocorre com frequência no centro do cordão

em geral, trincas longitudinais e superficiais

também podem ser transversais

na cratera, podem ser radiais.


Características

Aparência "dendrítica" na superfície interna da trinca

Trincas internas podem ser formadas e serem macro ou microscópicas

aço inoxidável ferrítico


Ligas mais sensíveis:

aços cromo-níquel com estrutura de solidificação completamente austenítica,

ligas de alumínio com silício (0 - 1,5%Si),

ligas de alumínio com cobre (0,5 - 5,0%Cu)

ligas de alumínio com magnésio (1,0 - 4,0 %Mg),

ligas de cobre contendo bismuto ou chumbo,

bronze de alumínio (com cerca 7,5%Al)

ligas de níquel contendo Pb, Bi, S, P, Cd, Zr e B


espessura da junta

nível de restrição da junta

chance de formação de trincas


rigidez da montagem

nível de restrição da junta

chance de formação de trincas


Efeito da forma da poça de fusão

Relação penetração / largura excessiva

Controle adequado do aporte de calor - obter relação penetração/largura na ordem de 1:1


Efeito da forma da poça de fusão

Concavidade / convexidade do cordão

em soldas de filete

em passe de raiz


Trincas por Liquação na ZTA

Liquação: Separação, mediante fusão, dos componentes de uma mistura sólida

Trincas formadas na ZTA, nas regiões aquecidas a temperaturas próximas da T solidus do metal base

fusão de inclusões e precipitados

formação de um filme fino em contornos de grão

trincas se formam no resfriamento por tensões trativas


Este tipo de fissuração foi observado em

aços austeníticos

ligas não ferrosas

Liga de níquel

típico aspecto serrilhado de abertura variável

ocorre sempre ao longo dos contornos de grão


Inclusões e precipitados que propiciam a liquação

sulfetos

silicatos e espinélio de baixo ponto de fusão

carbonetos e carbonitretos(NbC, M6C, Zr(C,N), TiC, M26C6);

boretos (M3B2, Ni4B2)

fases intermetálicas (por exemplo, em ligas de Al).

Trincas por perda de dutilidade

Ocorre a alta temperatura sem a formação de fase líquida

Associada à perda de ductilidade a temperatura elevada

Ocorrem a temperaturas inferiores do que trincas por liquação.


Ocorre ao longo de contornos de grão

Não apresenta evidências de filmes finos em contornos de grão

Aço CrMoV

Presença mais comum em regiões mais afastadas da linha de fusão


Pode estar associada com a segregação, durante exposição a temperaturas elevadas, de impurezas, principalmente o fósforo, e de elementos de liga, como o níquel, para contornos de grão.

Também pode ocorrer em associação com trincas iniciadas durante a solidificação ou por liquação

Materiais sensíveis:

- aços cromo-níquel de estrutura completamente austenítica

- certas ligas de níquel e cromo-níquel






Fissuração a frio


Decoesão Lamelar




Fadiga


Grande problema de soldabilidade dos aços estruturais comuns, especialmente para processos de baixa energia de soldagem.

A teoria mais utilizada sugere que as trincas se formam a partirda presença de hidrogênio atômico (H+) que se difunde por sítios preferenciais como microporos, interfaces entre inclusões e matriz, ou outras descontinuidades onde este se combina para formar H2.

Ocorre então uma elevação na pressão sobre a rede na região onde o H2 encontra-se concentrado, e com isso levando ao rompimento da rede e servindo como local para propagação da trinca.


Ocorre tanto na ZTA como na ZF- principalmente na ZTA na região de crescimento de grão

A trinca se forma quando o material está próximo da temperatura ambiente

Pode levar até 48 horas após soldagem para a sua completa formação.

A trinca tem origem a partir de concentradores de tensão(a margem ou a raiz da solda) e poder resultar em:

iniciação de trinca por fadigainiciação de fratura frágilfalha prematura de componentes soldados


Diferentes nomes:

fissuração a frio - cold cracking

fissuração retardada - delayed cracking

fissuração sob o cordão - underbead cracking

fissuração na margem do cordão - toe cracking


Trincas longitudinaistransversaissuperficiais sub-superficiais



Susceptibilidade ao aparecimento da trinca à frio

Fórmula de carbono-equivalente (% em peso)

CE < 0,4 aço insensível à fissuração

CE > 0,6 fortemente sensível à fissuração


Controle:

uso de processos de baixo nível de hidrogênio

pré-aquecimento

pós-aquecimento

reduz a velocidade de resfriamento

possibilita a formação de uma estrutura menos dura na ZTA

propicia um maior tempo para que o hidrogênio escape da peça antes que se atinja as temperaturas de fragilização por este elemento.

temperatura > 200 oC e tempo > 2 horasresfriamento lento até a temperatura ambiente


procedimento de soldagem

•controle da velocidade de resfriamento•seleção adequada da disposição das soldas e da sequência de montagem do componente ou estrutura•sequências especiais de deposição•evitar a presença de mordeduras•evitar reforço excessivo•evitar falta de penetração na raiz

solicitação de tensões residuais e externas

seleção de um material menos sensívelformação de microestrutura de elevada dureza

seleção do processo de soldagemcontrole do teor de hidrogênio

presença de hidrogênio na região da solda

atuaçãocondições necessárias

Decoesão Lamelar ou trinca lamelar

Fissuração que ocorre no metal base (e às vezes na ZTA)

Ocorre em planos que são paralelos à superfície da chapa.

espessura entre 12 e 60mm.

soldas de juntas em T

chapas ou placas laminadas de aço


Mecanismo de formação

- O metal base é submetido a tensões de tração no sentido da espessura

- fissuração de inclusões alongada

- vazios formados crescem e se unem por rasgamento plástico da matriz entre as inclusões ao longo de planos horizontais e verticais


Aparência típica em degraus


Variável de maior influência na formação da trinca lamelar:

características das inclusões não metálicas no metal base

Inclusões de sulfeto (MnS) e de silicato são deformáveis

processo de laminação

chapa ou placa de aço com inclusões alongadas


Sensibilidade à decoesão de um aço laminado

Redução de área em ensaio de tração de um corpo de prova retirado na direção Z

RA > 30% material não sensível ao problema

20% > RA > 30% material pouco sensível e

RA < 20% material fortemente sensível


Para evitar a ocorrência

- uso de um metal base com boas propriedades na direção Z

redução do teor de enxofre no aço – reduz quantidade de sulfetos

adição de certos elementos de liga que tornam as inclusões menos deformáveis

Ex. cério: forma inclusões de CeSnão se alongam durante a laminação -plasticidade menor que o MnS.



medidas baseadas em mudanças no projeto da junta

redução do volume de metal depositado por mudança da geometria da junta

redução do nível de tensões na direção z por troca da peça a ser chanfrada




redução do nível de tensões na direção z por alteração da configuração da junta







substituição local da chapa laminada por um material insensível ao problema (peça forjada)



medida baseadas em mudanças no procedimento de soldagem

martelamento entre passes (quando permitido)

utilização de eletrodo de menor limite de escoamento

"amanteigamento" deposição de uma pré-camada de solda, na região de alto risco, com um material de alta ductilidade antes da soldagem.






Fissuração a frio


Decoesão Lamelar




Fadiga


Podem se formar durante tratamentos térmicos pós-soldagem(entre 450 e 700oC)

Podem se formar após vários anos de serviço(entre 300 a 400oC)

(usinas térmicas, químicas ou em refinarias)


Ocorrem, em geral, na ZTA, região de crescimento de grão.

Propagam-se ao longo dos contornos de grão austeníticos(em aços estruturais ferríticos, nos contornos dos grãos austeníticos prévios).

aços Cr-Mo-V

aços inoxidáveis austeníticos

Trincas de fadiga

Defeitos em juntas soldadas se constituem em pontos de concentração de tensões, que aceleram o processo de falha por fadiga.

mordeduras

falta de penetração na raiz

trincas pré-existentes

poros

inclusões não metálicas

Trincas de fadiga

A trinca de fadiga se iniciou na raiz da solda devido a um entalhe resultante do desalinhamento dos componentes da junta (seta).

Trincas de corrosão sob tensão

Podem aparecer em soldas de diferentes materiais quando em contato com um dado ambiente corrosivo

Problema não é específico de juntas soldadas

A presença de um nível elevado de tensões residuais na junta soldada favorece sua ocorrência.

Tensões residuais podem atingir um valor próximo ao limite de escoamento do material e, em geral, superior ao limite mínimo para a formação de trincas de corrosão sob tensão.



Características:

As trincas são ramificadas, podendo ser intergranulares ou transgranulares.

A formação das trincas necessita de uma tensão de tração superior a um valor crítico.

A fratura tem, macroscopicamente, um aspecto frágil, embora o material seja normalmente dúctil na ausência do meio agressivo.


Características:

O problema depende da microestrutura e presença de deformações plásticas no material.

A formação de trincas pode ocorrer em ambientes que, em outras situações, seriam considerados fracamente corrosivos para o material.

Longos períodos de tempo (muitas vezes, anos) podem se passar antes que as trincas se tornem visíveis; contudo, uma vez formadas, as trincas tendem a se propagar rapidamente, podendo resultar em uma falha inesperada do componente.


Controle:

A formação de trincas pode ser inibida pelo controle do procedimento de soldagem.

Exemplo:

A fissuração em aço carbono em ambiente de H2S necessita de um nível de tensão relativamente elevado.

O problema pode ser controlado limitando-se a dureza da solda a valores inferiores a 200 Brinnel.

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