Soldadura de Aços Carbono, Carbono Manganês, Baixa Liga e Microligados

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1 Liga e Microligados Aços Carbono C < 0,3% Mn < 0,9% Aços Carbono-Manganês Mn 1,5% Aços Microligados Aços Baixa-liga Derivam dos anteriores com elemento de liga no total < 0,15% (N b, T i, U, Al, Z r ) C 0,1 a 0,3% Mn 0,5 a 1,5% Com elemento de liga < 5% (Cr, Ni, Mo, etc.) 1 Liga e Microligados Algumas Características destes aços Aços Carbono % C elevada poder de têmpera ZAC martensítica em determinados casos é necessário substituir C por Mn menor poder de têmpera ZAC com martensite mais ductil. σ r 50 Kg/mm 2 Aços Carbono-Manganês Têm maior carga de rotura e melhor resiliência σ r = 50 a 60 Kg/mm 2 Aplicações: Cascos de navios eferas e tanques de armazenamento 2

2 Liga e Microligados Aços Microligados σ r > que os anteriores σ r até 70 a 75 Kg/mm 2 Os elementos de liga são elementos encravadores da estrutura, não deixam coalescer o grão σ r aumenta e resiliência aumenta Aços Baixa-liga Também têm tensões de rotura elevadas e boa resiliência. p.ex. Os aços com Ni são utilizados em criogenia 3.5% Ni até 110ºC 5% Ni até 150ºC 9% Ni até 200ºC O Cr e o Mb conferem resistência à fluência Cr confere resistência à corrosão 3 FISSURAÇÃO A FRIO A Fissuração a frio constitui, sem dúvida, uma das maiores dificuldades sob o ponto de vista de soldabilidade metalúrgica, surgidas na soldadura dos aços ao carbono, carbono-manganês e baixa liga. A fissuração a frio ocorre essencialmente de três formas, como se ilustra na figura seguinte sendo uma orientação longitudinal e aparecendo geralmente na ZAC Tipos de fissuração a frio 1. Fissuração a frio sob cordão 2. Fissuração a frio na ligação 3. Fissuração a frio na raíz 4

3 Ocorre quando coexistem em simultâneo os seguintes factores: Hidrogénio no material depositado Elevado nível de tensões na junta Microestruturas duras e frágeis, isto é martensite O hidrogénio introduzido durante o processo pode ter várias fontes: Produtos de combustão na soldadura Produtos de decomposição de revestimento celulósicos de eléctrodos em soldadura por arco eléctrico Óxidos hidratados Humidade ou gorduras na superfície das peças ou dos eléctrodos Humidade nos fluxos Presença de hidrogénio no material base ou nos gases de protecção. 5 Liga e Microligados Solabilidade do hidrogénio no aço (P = 1atm) Explicação do mecanismo de difusão de hidrogénio que precede a fissuração a frio, através da sequência de formação e solidificação do cordão de soldadura 6

4 Determinação da Escala de Carbono Equivalente (Ceq) 7 Cálculo de temperatura de Pré-aquecimento Mn Cr + Mo + V Ni + Cu C eq = C Procedimento de cálculo da Espessura Combinada (Ec): n t = i corresponde à espessura da estrutura de índice i, E c t i adjacente ao cordão de soldadura. i= 1 n corresponde ao número de peças adjacentes ao cordão de soldadura. 8

5 Nas juntas topo-a-topo, t 1 é a espessura média num comprimento de 75mm (a partir do centro do cordão) Juntas em T e em L, com um só cordão: Para cordões de canto iguais e directamente opostos em juntas em T é dada por: 1 E c = ( t + t t ) 3 9 Cálculo da temperatura de Préaquecimento Local 10

6 Mecanismo Durante a solidificação, o hidrogénio existente no banho, vai ficar dissolvido na estrutura do aço. Como durante o arrefecimento a sua solubilidade na estutura vai diminuindo pode acontecer que esta fique saturada em H 2. Por outro lado o hidrogénio, devidio às altas temperaturas existentes, tem tendência a dissociar-se em iões. Assim, quando no metal que fundiu se der a transformação da austenite, o hidrogénio na forma iónica que aí estava dissolvido vai migrar para a ZAC (Zona afectada pelo calor) que ainda não está austenítica, porque o hidrogénio se dissolve melhor na austenite que na ferrite. Na ZAC o hidrogénio volta a combinar-se a esta reacção é acompanhada de um aumento de pressão localizado. Por outro lado, se na ZAC vier a ocorrer a transformação martensítica (estrutura frágil), o H 2 aí existente, o qual provoca defeitos, pode sobre o efeito das tensões que caracterizam o fim do arrefecimento, provocar uma fragilização suficiente para ocorrer a fissuração a frio 11 Formas de prevenir fissuração a frio 1. Controle da estrutura metalúrgica O pré e pós-aquecimento e o aquecimento entre passagens são utilizados e destinam-se a diminuir a velocidade de arrefecimento de uma soldadura a fim de modificar a microestrutura, ou seja diminuir a dureza. Este tipo de tratamento facilita também a difusão de H 2 e ao mesmo tempo, diminui o nível e melhora a distribuição das tensões residuais. 2. Selecção adequada dos processos e procedimentos de soldadura Como já foi referido na soldadura de materiais susceptíveis à fissuração a frio é de evitar o uso de materiais de adição de alto teor em H 2, húmidos e secos, assim como de fluxos ou protecções gasosas contendo este elemento. Eléctrodos de baixa resistência permitem diminuir o nível de tensões na ZAC e portanto, reduzir a susceptibilidade à fissuração a frio. O uso de materiais de adição austeníticos na soldadura de aços tratados termicamente e de alta resistência facilita a ocorrência deste tipo de fissuração, uma vez que a austeníte dissolve bem o H 2. Por outro lado, a boa ductilidade apresentada por estes materiais permite diminuir o nível de tensões residuais na ZAC. Contudo, convém reter que a selecção do material de adição é um compromisso entre a necessidade de obter uma boa resistência a baixo custo e uma boa soldabilidade 12

7 Controle À semelhança do que acontece para a fissuração a quente, existe uma grande diversidade de ensaios de susceptibilidade à fissuração a frio, sendo os mais importantes: Ensaio CTS (severidade térmica controlada) Ensaio Feven Implantes Arrancamento Lamelar O arrancamento lamelar resulta de uma combinação de tensões altamente localizadas, devidas ao processo de soldadura e a uma baixa ductilidade do material de base no sentido da espessura, devida à presença de inclusões não metálicas alongadas e alinhadas paralelamente à direcção de laminagem 13 Os quatros principais factores susceptíveis de originar arrancamento lamelar são: Baixa ductilidade do material base no sentido da espessura; Presença de inclusões (silicatos ou sulfuretos) de forma plana com elevada área de superfície; Configurações de junta conducentes a elevadas tensões residuais de tracção no sentido da espessura; Chapas espessas Este tipo de fissuração pode ser evitado usando aços de boa ductilidade como os tratados com Ce que permitem obter inclusões de sulfuretos de forma preferencialmente esférica, mesmo em aços laminados a quente. A sua escolha pode também ser feita com recurso à quantificação de dois parâmetros: O teor de enxofre no aço (%S) A extricção por ele apresentada num ensaio de tracção na direcção da espessura (E 14 z )

8 Em função disto, os aços classificam-se em: A - Resistentes ao A.L. com garantia S < 0,007% E z > 25% B - Resistentes ao A.L. S < 0,01% E z > 15% C - De reduzida resistencia ao A.L. S < 0,02% E z > 8% Outra solução consiste em actuar, se possível, na configuração da junta de modo a promover uma distribuição mais homogénea e menos localizada das tensões, bem como a sua distribuição na direcção de laminagem e não na direcção perpendicular. A técnica do amanteigamento também é bastante utilizada e consiste em maquinar a zona do material base onde se vai realizar a soldadura e depositar aí um material dúctil, como, por exemplo, ligas de níquel, que permitam absorver as tensões de contractacção da zona fundida, e efectuar posteriormente a ligação 15 Situações de arrancamento lamelar. As juntas encontram-se ordenadas de cima para baixo por ordem decrescente de susceptibilidade 16

9 Modificação de uma junta em T, destinada a reduzir os riscos de arrancamento lamelar Modificação de uma junta em L, destinada a reduzir os riscos de arrancamento lamelar 17 Precauções e remédios: a) Modificação da sequência da soldadura b) Passe de soldadura inicial 18

10 FISSURAÇÃO A QUENTE A Fissuração a quente é um defeito que pode ocorrer frequentemente em construções soldadas a temperaturas superiores a 1200ºC. As superfícies da fractura, oxidando-se a estas temperaturas ganham uma cor azulada. Os principais factores que controlam a fissuração a quente são: Constrangimento Forma da soldadura Composição química do material (nomeadamente a presença de enxofre e fósforo) 19 Durante a solidificação de uma soldadura, o crescimento das dendrites dá-se a partir da linha de fusão, onde o arrefecimento é mais rápido. O líquido que resta, à medida que a solidificação progride, vai ficando cada vez mais rico em impurezas e elementos de liga que lhe baixam o ponto de fusão se existirem grandes quantidades de impurezas, nomeadamente sulfuretos e fosofretos de ferro. A solidificação ocorre de modo a que as dendrites se encontrem a meio do cordão. Na zona central, a última a solidificar, vai aparecer um filme líquido l de baixo ponto de fusão, usualmente constituído por sulfuretos e fosforetos de ferro, o qual não resistindo às s contracções de arrefecimento da soldadura, vai dar origem a uma fissura. 20

11 21 Formas de prevenir a fissuração a quente Controlo dos teores de enxofre e fósforo Adicionar manganês, porque o manganês é mais afim para o enxofre e o fósforo, formando-se sulfuretos e fosforetos de manganês que não têm baixo ponto de fusão. Como se evita Actuação ao nível dos constrangimentos para permitir, o mais possível, osmovimentos provocados pelas contracções da soldadura Utilização de um factor de forma adequado (razão largura/penetração superior a 2) Materiais de adição de alta ductilidade Utilização de uma técnica operatória adequada, com o fim de evitar 22a cratera no fim dos cordões.

12 Esquema ilustrativo do crescimento epitaxial na zona fundida 23 Fissuração a quente na ZAC Quando um aço é aquecido até perto de T f as inclusões, de sulfuretos e fosforetos entram em solução no metal que os cerca. Durante o arrefecimento os sulfuretos precipitam sob a forma de filmes líquidos de baixo ponto de fusão e são segregados para as juntas de grão resiliência decresce (diz-se que o aço ficou queimado ) 24

13 Na zona da ZAC perto de LF o aço pode Queimar Se E T aumentar a fissuração a quente na ZAC é mais provável Se as tensões devidas à dilatação contracção forem altas enquanto há filmes líquidos fissuração de pequena dimensão na ZAC A susceptibilidade à fissuração a quente depende de: enxofre, fósforo, cargono, manganês e mais o elemento da liga. Mn Mn > 20 C > 30 Para que este fenómeno não ocorra S ou se S formação de sulfuretos de manganês que não têm baixo ponto de fusão, não formam filmes líquidos com os de ferro 25 Fissuração no reaquecimento Verifica-se que juntas sem fissuras depois de sofrerem tratamento térmico de relaxação de tensões (ou outros) aparecem fissuradas. As fissuras aparecem depois de ter sido realizado o controle da construção resultados por vezes catastróficos. Causas: Aquecimento inicial muito rápido tensões térmicas Ductilidade baixa durante o tratamento térmico a elevada temperatura na ZAC e na ZF de determinados aços (ferríticos, baixa liga, inox austenítico, ligas de Ni, etc.) 26

14 As fissuras intergranulares que aparecem na zona de grão colaescido da ZAC resultam da ductilidade local ser insuficiente para supertar as deformações plásticas que durante o tratamento térmico deveriam produzir o alongamento necessário para se verificar a redução das tensões residuais. A carga de rotura e a resistência à fluência a altas temperaturas derivam de carbonetos (V, Mo, Cr, etc.) muito finos e dispersos nos grãos do metal. Durante a soldadura os carbonetos entram em solução na ZAC para t > 1200ºC. Se o arrefecimento for rápido há pouca precipitação destes carbonetos que ficam em solução. Se o material for tratado termicamente é aquecido e os carbonetos vão precipitar no interior dos grãos que ficam mais duros escorregamento fácil nas juntas de grão fissuras. 27 Outra hipótese Precipitados nas juntas descoesão escorregamento A composição química é muito importante: G = Cr + 3,3π o + 8,1 v-2 (Nakamura) P sr = Cr + Cu + 2M o + 10V + 7Nb + 5ti 2 (I + O) Se G ou P sr > 0 fissuração no reaquecimento 28

15 Envelhecimento Traduz-se numa fragilização aumento da temperatura ductil fragil. Soldadura de aços encruados porque o calor fornecido pode dar origem a precipitação que fragilizem o aço ( ºC temperatura a que ocorre) Medidas correctivas Tratamento térmico de recozimento coalescência de precipitados e uma movimentação mais fácil dos deslocamentos Reduzir teor em azoto (<0,003%) ou aços com elementos de liga que formem nitretos estáveis) 29 Revenido e sobre-envelhecimento Aços temperados e revenidos soldaura pode provocar na ZAC um revenido suplementar (sobre-revenido) amanciamento na ZAC nas zonas que permanecem abaixo de A 1 e superiores à temperatura de revenido. O envelhecimento provoca um endurecimento por precipitação estrutural soldadura sobre-envelhecimento devido à coalescência dos precipitados dispersos na matriz ou fá-los entrar em solução. 30

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