Metalurgia da Soldagem em Aços Carbono e de Baixa Liga

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PINDAMONHANGABADISCIPLINA PROCESSOS DE SOLDAGEM I

METALURGIA DA SOLDAGEM EM AÇOS CARBONO EAÇOS DE BAIXA LIGA

Professor: RômuloAluno: Marcos Antonio Batista GonçalvesMatrícula: 082017-2

Sumário

Página

1 Introdução 3

2 Soldabilidade 4

3 Metalurgia Física dos Aços 5

3.1 Solidificação dos aços 53.2 Estrutura dos aços resfriados lentamente 5

4 Características dos Aços Carbono e Aços de Baixa Liga 7

4.1 Aços Carbono 74.2 Aços de Baixa Liga 7

4.2.1 Influência dos elementos de liga 7

5 Defeitos de Fabricação mais comuns 9

5.1 Porosidades 95.2 Trincas 9

5.2.1 Trincas de solidificação 95.2.1 Trincas induzidas por hidrogênio 10

5.3 Segregação de fases 10

6 Influência das variáveis da operação de soldagem 11

6.1 Condutividade Térmica 116.2 Espessura da Junta 116.3 Geometria da Junta 116.4 Energia de Soldagem 126.5 Temperatura de Pré-aquecimento 126.6 Temperatura de Pós-aquecimento 12

Bibliografia 13

Metalurgia da Soldagem em Aços Carbono e Aços de Baixa Liga2

1. Introdução

A soldagem é o mais importante processo industrial de fabricação de peças metálicas.Processos de soldagem ou processos afins são também utilizados na recuperação de peças desgastadas, para a aplicação de revestimentos de características especiais sobre superfícies metálicas e para corte.O sucesso da soldagem está associado a diversos fatores e, em particular, com a sua relativa simplicidade operacional. Por outro lado, apesar desta simplicidade, não se pode esquecer que a soldagem pode ser muitas vezes um processo “traumático” para o material, envolvendo, em geral, a aplicação de uma elevada densidade de energia em um pequeno volume do material, o que pode levar a alterações estruturais e de propriedades importantes dentro e próximos da região da solda. O desconhecimento ou a simples desconsideração das implicações desta característica fundamental pode resultar em problemas inesperados e, em alguns casos, graves. Estes problemas podem se refletir tanto em atrasos na fabricação ou em gastos inesperados, quando o problema é prontamente detectado, ou mesmo em perdas materiais e, eventualmente, de vidas, quando o problema é levado às suas últimas conseqüências.

A metalurgia de soldagem visa estudar o efeito da operação de soldagem sobre a estrutura e propriedades dos materiais para:

Obter informações que auxiliem no desenvolvimento de novos materiais menos sensíveis à soldagem.

Determinar os parâmetros operacionais de soldagem de maior influência nas alterações da estrutura e propriedades do material. Alternativamente, o desenvolvimento de operações complementares, seja para minimizar a degradação de propriedades, seja para reverter esta degradação, pode e deve ser procurado.

Esse trabalho, em especial, tem por objetivo fazer uma breve exposição sobre a metalurgia de soldagem em Aços Carbono e Aços de Baixa Liga.


2. Soldabilidade

A American Welding Society (AWS) define soldabilidade como “a capacidade de um material ser soldado nas condições de fabricação impostas por uma estrutura projetada de forma adequada e de se comportar adequadamente em serviço”.

A maioria das ligas metálicas é soldável. Algumas são muito mais difíceis de serem soldadas por um dado processo do que outras.Na soldabilidade de determinado material, é fundamental definir o processo, o procedimento de soldagem e sua aplicação.

Na maioria dos casos, a produção de uma solda envolve o uso de calor e / ou deformação plástica, resultando em uma estrutura metalúrgica diferente da do metal base. Soldas também podem apresentar descontinuidades como, vazios, trincas, material incluso, etc. Alguns problemas inter-relacionados devem ser considerados:

a) Problemas na zona de fusão (ZF) ou na zona termicamente afetada (ZTA) que ocorrem durante ou imediatamente após a operação de soldagem, como porosidades, fissuração à quente (segregação de fases), trincas de solidificação, trincas induzidas pelo hidrogênio, perda de resistência mecânica, etc.

b) Problemas na solda ou no material adjacente que ocorrem nas etapas de um processo de fabricação posterior a soldagem. Incluem a quebra de componentes na região da solda durante processos de conformação mecânica.

c) Problemas na solda ou no material adjacente que ocorrem em certo momento durante a vida em serviço da estrutura soldada. Estes podem ser, por exemplo, aparecimento e propagação de trincas por diversos fatores (microestruturais, intergranulares), problemas de corrosão, etc.


Figura 1Zona de Fusão (ZF) e Zona Termicamente Afetada (ZTA) – (esquemático)

3. Metalurgia Física dos Aços

Os aços são basicamente ligas de ferro e carbono, cujo teor deve ser inferior a 2% em peso, contendo ainda diversos outros elementos residuais de seu processo de fabricação ou adicionados intencionalmente visando a obtenção de certas propriedades.Compreendem o grupo de ligas mais usadas pelo homem, pela abundância de matéria prima básica, relativa facilidade de refino, baixo custo e vasta gama de propriedades obtidas pela adição de elementos de liga e pelo controle de sua estrutura por tratamentos térmicos e mecânicos. Em particular, são também os materiais mais utilizados em estruturas soldadas.

3.1. Solidificação dos aços

A solidificação dos aços é um processo complexo e suas características afetam a estrutura e as propriedades de uma peça de aço fundido. Seus efeitos persistem, inclusive, numa peça conformada e tratada termicamente.A estrutura cristalina e o tipo de granulação que os aços assumem após seu resfriamento, estão intimamente ligados com a quantidade de carbono dissolvido em sua composição e com a velocidade com que a liga é resfriada.

3.2. Estrutura dos aços resfriados lentamente

De acordo com o seu teor de carbono, os aços podem ser divididos em três grupos:

Aços Hipoeutetóides, com teor de carbono inferior a 0,77%;Aços Eutetóides, com teor de carbono em torno de 0,77% e;Aços Hipereutetóides, com teor de carbono superior a 0,77%.


Figura 2Microestruturas de aços carbono resfriados lentamente. (a) aço com 0,45%C, (b) aço com 0,8%C e (c) aço com 0,95%C. Ataque: Nital 2%.

Um aço com 0,45%C, aquecido a 900ºC, apresenta uma estrutura austenítica (fase - estrutura cristalina cúbica de face centrada - CFC), que é a fase estável a esta temperatura, segundo o diagrama Ferro X Carbono (Figura 3). Se este aço for resfriado lentamente a partir desta temperatura, ao alcançar a linha GS (775ºC), os primeiros cristais de ferrita (fase α - estrutura cristalina cúbica de corpo centrado – CCC) começarão a ser formados. À medida que o aço se resfria, mais ferrita se forma e a quantidade de austenita diminui. Quando a temperatura de 727ºC é alcançada, a austenita remanescente se transforma em ferrita e cementita, dando origem a perlita. Após esta reação, o material não sofre mais nenhuma alteração significativa em seu resfriamento até a temperatura ambiente. Assim, a sua microestrutura final será constituída de ferrita pró-eutetóide (formada antes da reação eutetóide) e perlita.Um aço com cerca de 0,8%C, resfriado lentamente a partir da austenita, apresentará, na temperatura ambiente, uma microestrutura constituída essencialmente por perlita.Um aço com 0,95%C, quando resfriado lentamente a partir da região austenítica, terá a cementita (Fe3C) como constituinte pró-eutetóide. A cementita começa a se formar quando, no resfriamento, a linha SE é alcançada (800ºC). Na sequência do resfriamento, mais cementita se forma enquanto a quantidade de austenita diminui. Na temperatura de 727ºC, a austenita se transforma em perlita. À temperatura ambiente, o aço será constituído de cementita pró-eutetóide, localizada geralmente nos antigos contornos de grão da austenita, e por perlita.As estruturas descritas são formadas para condições de resfriamento tais que as transformações ocorram no equilíbrio. À medida que a velocidade de resfriamento é aumentada, as transformações tendem a se afastar do equilíbrio e a granulação se torna mais fina.A microestrutura final dependerá, além da velocidade de resfriamento, da composição química do aço, do tamanho de grão da austenita e de sua homogeneidade.


Figura 3Diagrama Ferro X Carbono

4. Características dos Aços Carbono e Aços de Baixa Liga

4.1. Aços Carbono

O aço é basicamente uma liga de ferro e carbono cujos níveis de resistência e de dureza variam em função da quantidade de carbono dissolvida no ferro. Os aços carbono são classificados quanto à composição química em quatro grupos, dependendo de seus níveis de carbono como segue:

Aço de Baixo Carbono - até 0,14% carbono;Aço “Doce” - de 0,15% até 0,29% carbono;Aço de Médio Carbono - de 0,30% até 0,59% carbono;Aço de Alto Carbono - de 0,60% até 2,00% carbono.

Os aços de baixo carbono e aços “doces” são os grupos mais produzidos devido a sua relativa resistência mecânica e boa soldabilidade.

4.2. Aços de Baixa Liga

Os aços de baixa liga, como o próprio nome diz, contêm pequenas quantidades de elementos de liga que produzem consideráveis melhorias em suas propriedades mecânicas.Os elementos de liga são adicionados para melhorar a resistência mecânica e a tenacidade; para diminuir ou aumentar a resposta ao tratamento térmico e para retardar os processos de formação de carepa e corrosão.

Aços de baixa liga são geralmente definidos como aqueles que possuem teor total de liga de 1,5% a 5,0%. Os elementos de liga mais comuns são o manganês (Mn), o silício (Si), o cromo (Cr), o níquel (Ni), o molibdênio (Mo) e o vanádio (V). Aços de baixa liga podem conter quatro ou cinco desses elementos de liga em diversos teores.Aços de baixa liga possuem maior limite de escoamento e de resistência que aços doces ou aços carbono estruturais.

4.2.1. Influência dos elementos de liga

Manganês (Mn)

O manganês em teores até 1,0% está normalmente presente em todos os aços de baixa liga como agente desoxidante ou dessulfurante. Isso significa que ele prontamente se combina com o oxigênio e o enxofre para neutralizar o efeito indesejável que esses elementos possuem quando estão em seu estado natural. O manganês também aumenta a resistência à tração e a temperabilidade dos aços.

Silício (Si)

A função mais comum do silício nos aços é como agente desoxidante.Normalmente aumenta a resistência dos aços, mas quantidades excessivas podem reduzir a ductilidade. Em consumíveis de soldagem é algumas vezes adicionado para aumentar a fluidez do metal de solda.


Cromo (Cr)

O cromo, combinado com o carbono, é um poderoso elemento de liga que aumenta a dureza dos aços. Adicionalmente as suas propriedades de endurecimento, o cromo aumenta a resistência à corrosão e a resistência do aço a altas temperaturas. É o principal elemento de liga dos aços inoxidáveis.

Níquel (Ni)

A principal propriedade do aço que é melhorada pela presença do níquel é sua ductilidade ou sua tenacidade ao entalhe. A esse respeito é o mais eficaz dos elementos de liga para melhorar a resistência ao impacto do aço a baixas temperaturas. Consumíveis com alto teor de níquel são empregados para soldar os diversos tipos de ferro fundido. É também utilizado combinado com o cromo para dar origem ao grupo denominado aços inoxidáveis austeníticos.

Molibdênio (Mo)

O molibdênio aumenta fortemente a profundidade de têmpera característica do aço. É muito usado em combinação com o cromo para aumentar a resistência do aço a altas temperaturas. Esse grupo de aços é referido como aços ao cromo-molibdênio.

Vanádio (V)

O vanádio mantém o tamanho de grão pequeno após tratamento térmico. Ele também ajuda a aumentar a profundidade de têmpera e resiste ao amolecimento dos aços durante os tratamentos térmicos de revenimento.

5. Defeitos de Fabricação mais comuns em peças soldadas


5.1. Porosidades

A porosidade pode ocorrer de três modos:

a) Como resultado de reações químicas na poça de fusão, isto é, se uma poça de fusão de aço for inadequadamente desoxidada, os óxidos de ferro poderão reagir com o carbono presente para liberar monóxido de carbono (CO). A porosidade pode ocorrer no início do cordão de solda na soldagem manual com eletrodo revestido porque nesse ponto a proteção não é totalmente efetiva.

b) Pela expulsão de gás de solução à medida que a solda solidifica, como acontece na soldagem de ligas de alumínio quando o hidrogênio originado da umidade é absorvido pela poça e mais tarde liberado.

c) Pelo aprisionamento de gases na base de poças de fusão turbulentas na soldagem com gás de proteção.

A maioria desses efeitos pode ser facilmente evitada, embora a porosidade não seja um defeito excessivamente danoso às propriedades mecânicas, exceto quando aflora à superfície. Quando isso acontece, pode favorecer a formação de entalhes que poderão causar falha prematura por fadiga, por exemplo.

5.2. Trincas

5.2.1. 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. A fissuração a quente também é fortemente influenciada pela direção de solidificação dos grãos na solda.Soldas em aços de baixo carbono que porventura possam conter alto teor de enxofre podem se comportar dessa forma, de modo que pode ocorrer fissuração no centro da solda. Mesmo com teores normais de enxofre pode ainda existir a linha fraca no centro da solda que pode se romper sob as deformações de soldagem, sendo por este motivo que cordões de penetração muito profunda são normalmente evitados.

5.2.2. 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.

5.3. Segregação de Fases

Ocorre invariavelmente nos contornos de grão durante a solidificação do material de solda e estão sempre associadas à concentração de impurezas nessas regiões (segregações). São provocadas pelas tensões geradas pela contração da solda.As também chamadas trincas à quente podem ser de escala microscópica ou, na maioria dos casos, de escala macroscópica.

Podemos observar que todos os defeitos listados têm como causa principal ou uma das causas principais, alguma variável que afeta o ciclo térmico da operação de soldagem.Essa variável pode ser de natureza operacional (energia de soldagem, temperatura de pré ou pós-aquecimento), geométrica (espessura da junta, geometria da junta), dos próprios materiais envolvidos (condutividade térmica, granulação, microestrutura), ou, ainda, de natureza externa (impurezas, materiais contaminantes).


6. Influência das variáveis da operação

As diversas variáveis de uma operação de soldagem podem afetar o fluxo de calor na peça e, portanto, os ciclos térmicos associados. A influência de algumas destas variáveis é discutida abaixo, de uma forma simplificada:

6.1. Condutividade Térmica

Materiais de menor condutividade térmica dissipam o calor por condução mais lentamente, tendendo a apresentar gradientes térmicos mais abruptos no aquecimento e menores velocidades de resfriamento. Nestes materiais, a energia térmica é mais bem aproveitada para a fusão localizada necessária à soldagem. Por outro lado, materiais de elevada condutividade térmica, como o cobre e o alumínio, dissipam rapidamente o calor, dificultando a fusão localizada e exigindo, em geral, fontes de calor mais intensas ou, em certos casos, a utilização de pré-aquecimento para a obtenção de uma fusão adequada.

6.2. Espessura da Junta

Para uma mesma condição de soldagem, uma junta de maior espessura permite um escoamento mais fácil do calor por condução. Assim, quanto mais espessa a junta, mais rapidamente esta tenderá a se resfriar durante a soldagem, resultando numa granulação mais grosseira tornando o material mais propenso a trincas.

6.3. Geometria da Junta

É outro fator que influencia a velocidade de resfriamento de uma solda de forma importante. Por exemplo, esta velocidade será maior na soldagem de juntas em ângulo do que em juntas de topo, quando as variáveis do processo, inclusive a espessura dos componentes da junta, forem semelhantes. Uma maior facilidade para o escoamento de calor por condução é a explicação para esta tendência.


Figura 4 - Caminhos do fluxo de calor em juntas de topo e em ângulo

6.4. Energia de Soldagem

A energia de soldagem é um parâmetro cuja medida é simples, sendo utilizado em normas e trabalhos técnicos para especificar as condições de soldagem.A velocidade de resfriamento da solda tende a diminuir com um aumento na energia de soldagem. Contudo, sua utilização deve ser feita com alguma cautela; nem sempre existe uma relação direta entre a energia de soldagem e seus efeitos na peça, pois os parâmetros de soldagem (corrente, tensão e velocidade de deslocamento) afetam de modo diferente a intensidade do arco e o rendimento térmico do processo.

6.5. Temperatura de Pré-aquecimento

Define-se, como temperatura de pré-aquecimento, a temperatura inicial em que toda a peça ou parte desta onde a solda será realizada é colocada antes do inicio da operação. Assim como a energia de soldagem, a utilização de preaquecimento causa uma diminuição na velocidade de resfriamento.Do ponto de vista operacional, estes dois parâmetros são aqueles em que o responsável pela operação de soldagem tem uma maior liberdade para atuar. Isto é muito importante, pois a seleção adequada destes permite certo controle sobre a velocidade de resfriamento da região da solda e, portanto, sobre a sua microestrutura e propriedades.

6.6. Temperatura de Pós-aquecimento

Pós-aquecimento, dentro deste contexto, significa o aquecimento da junta soldada imediatamente após a solda ter sido realizada. É bem diferente de outros tratamentos executados após o resfriamento da solda tais como alívio de tensões, revenimento e recozimento.O pós-aquecimento tem a mesma função do pré-aquecimento: mantém a temperatura da peça em um nível suficientemente elevado de tal maneira que a junta soldada resfrie lentamente. Assim como no pré-aquecimento, o resultado é uma ductilidade maior na região da solda. O pós-aquecimento raramente é aplicado de forma isolada; é quase sempre conjugado com o pré-aquecimento.O pós-aquecimento é mais freqüentemente empregado em aços altamente temperáveis, mas algumas vezes é utilizado em aços menos temperáveis se for difícil a aplicação de um pré-aquecimento adequado devido à dimensão das peças sendo soldadas.


Bibliografia

a) Notas de aula da disciplina “Processos de Produção II” - Professor Valdir Bassola, FATEC-SP.

b) Artigo “Fissuração a Quente” – Cláudio L. Jacintho da Silva e Professor Ronaldo Paranhos. Site Infosolda (www.infosolda.com.br)

c) Apostila ESAB “Metalurgia da Soldagem” – última revisão 15/04/2004

d) “Introdução à Metalurgia da Soldagem” - Paulo J. Modenesi, Paulo V. Marques, Dagoberto B. Santos, UFMG.


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