Avaliação das Principais Descontinuidades Encontradas nas Juntas Soldadas, Causas e Possíveis Soluções.

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1 São Paulo Brasil 31 de agosto a 2 de setembro, 2010 Avaliação das Principais Descontinuidades Encontradas nas Juntas Soldadas, Causas e Possíveis Soluções. Paulo Rogerio Santos de Novais * * Tecnólogo Mecânico em Soldagem Atuou como Instrutor do Departamento de Soldagem da FATEC / SP Atualmente trabalha na Belgo Bekaert Arames Ltda. Resumo: Os processos de soldagem utilizados para a fabricação e montagem de estruturas metálicas, podem apresentar diversos tipos de descontinuidades, ou defeitos, que comprometem a integridade, o desempenho, a competitividade e a qualidade das estruturas metálicas. Esse trabalho tem por objetivo, apresentar e detalhar as principais descontinuidades observadas nos processos de soldagem, Eletrodos Revestidos (SMAW), MIG/MAG () e Arco Submerso (SAW). Processos esses que são utilizados freqüentemente na fabricação e montagem de estruturas e conjuntos soldados, suas causas potenciais, a correta forma de minimizar e corrigir essas distorções. Palavras-Chave: processos de soldagem; descontinuidades e soluções. 1. Introdução: Atualmente, as estruturas metálicas no mercado nacional são produzidas e montadas em campo, através dos processos de soldagem, Eletrodos Revestidos (SMAW), MIG/MAG () e Arco Submerso (SAW) utilizados na fabricação de estruturas metálicas. A nomenclatura dos processos de soldagem, utilizadas nesse artigo, será adotada conforme definição da AWS American Welding Society. As descontinuidades geralmente são geradas por desvio do processo de soldagem, falha operacional, falhas dos equipamentos ou acessórios. Esses desvios podem aparecer de forma isolada ou combinada.

2 Os processos de soldagem possuem características diferenciadas, com suas vantagens, aplicabilidade e limitações. A correta escolha do processo, bem como conhecer as possíveis descontinuidades, e a forma de minimizá-las é uma importante ferramenta para as empresas no controle de custos, segurança da estrutura e garantia da Qualidade, sejam fabricantes de estruturas metálicas ou montadoras, tanto em conjuntos de pequeno e grande porte. 2. Definição de Descontinuidade: Descontinuidade é a interrupção física causada em um material pela abertura de uma trinca ou pela presença de um segundo material: gás, inclusão de escória; são comumente chamadas de defeitos em soldagem. As descontinuidades podem ser classificadas quanto à origem e a forma. Com relação à origem, as descontinuidades podem ser: Geométricas Metalúrgicas Com relação à forma, podem ser: Planas Volumétricas 2.1 Descontinuidades Geométricas: São geradas na etapa de montagem e de soldagem. Os exemplos mais comuns são falta de fusão, de penetração e mordedura, desalinhamento, superposição, deposição insuficiente. 2.2 Descontinuidades Metalúrgicas: São originados por fenômenos metalúrgicos presente na poça de fusão como o refino, a desoxidação, a desgaseificação e as transformações de fases no estado sólido, estas tanto na zona fundida (ZF) quanto na zona afetada pelo calor (ZAC). 2

3 2.3 Descontinuidades Planas: Apresentam praticamente duas dimensões: é o caso das trincas de solidificação e das trincas introduzidas por hidrogênio, da falta de fusão e penetração. Essas descontinuidades geram uma concentração de tensão muito elevada nas suas extremidades e geralmente devem ser reparadas. 2.4 Descontinuidades Volumétricas: Apresentam três dimensões: poros, inclusões de escória e inclusões de tungstênio, no caso do processo TIG (GTAW). Apresentam concentração de tensão bem menor que as descontinuidades planas e, por isso, são menos críticas que estas. 3. Principais Descontinuidades em Soldagem: Podemos observar diversos tipos de descontinuidades, sendo as principais: Porosidade; Falta de fusão / Falta de Penetração; Respingos; Mordeduras; Trincas; Inclusões de escória; 4. Definição de Porosidade: Porosidade pode ser definida como um espaço vazio formado pelo aprisionamento de gás durante a solidificação. Pode ser esférico ou cilíndrico (alongado); gerado pela umidade do consumível ou falha na proteção gasosa, ou outro desvio durante o processo. É um defeito volumétrico, geralmente aceito pelas normas de qualificação de procedimentos e soldadores até uma determinada dimensão e distribuição. Deve ser corretamente avaliada, para que seja reparada e adequada ao critério da norma ou especificação do projeto. As figuras 1 e 2 apresentam exemplos de ocorrência de porosidade. 3

4 4.1. Porosidade Causas e Possíveis Soluções: Causas: Possíveis Soluções: Processos de Soldagem: Baixa vazão de gás ou obstrução da saída de gás por respingos. Excesso de vazão de gás (turbulência) Aumentar a vazão de gás e/ou limpar o bocal regularmente Diminuir a vazão de gás para eliminar a turbulência Excessivas correntes de ar Proteger a região de solda do vento / SMAW Arame oxidado ou sujo Utilizar exclusivamente arames limpos e secos / SAW Proteção insuficiente devido a elevada velocidade de soldagem Tocha muito distante da peça Reduzir a velocidade Aproximar a tocha da peça e, ao final da solda, mantê-la sobre a poça de fusão até que se solidifique. Ângulo de deslocamento muito grande. Diminuir o ângulo de deslocamento da tocha. Metal base contaminado (óleo; graxa; tinta; oxidação) Melhorar a limpeza da peça / SAW /SMAW Tensão muito alta / Corrente muito baixa Diminuir a tensão / aumentar corrente / SAW /SMAW Contaminação do gás de proteção Metal Base com S>0,05% e/ou alto nível de inclusões Arames sem desoxidantes (fora da especificação) ou inadequados Utilizar gases de proteção de alta qualidade e verificar vazamentos, inclusive oring da guia espiral, checar pré-vazão. Utilizar metais base com S<0,05% e baixo nível de inclusões Utilizar consumíveis adequados à aplicação / SAW / SMAW / SAW 4

5 Tabela 1: Nomenclatura dos Processos Conforme AWS American Welding Society Figura 1: Micrografia apresentando Porosidade Figura 2: Porosidade Superficial. 5. Definição de Falta de Fusão / Falta de Penetração: Falta de Fusão é uma descontinuidade caracterizada pelo não coalescimento de parte do cordão de solda, na lateral do chanfro ou entre cordões na soldagem de multipasse. Pode ser causada pela insuficiência da energia de soldagem para fundir as laterais do chanfro ou por algum tipo de contaminação superficial que isola termicamente a face do chanfro da fonte de calor. A Falta de Penetração está relacionada ao cordão de solda, que não une completamente as partes a serem soldadas ao longo da espessura. Isto ocorre porque parte da raiz do cordão de solda não foram completamente fundidas. Apresentamos na figura 3, uma junta com defeitos combinados; Mordeduras Falta de Fusão e Respingos Falta de Fusão / Falta de Penetração Causas e Possíveis Soluções: Causas: Possíveis Soluções: Processos de Soldagem: Parâmetros de soldagem inadequados Manipulação inadequada da tocha: Tocha descentralizada no chanfro, no passe de raiz. Inclinação excessiva da tocha Aumentar a voltagem e a velocidade de alimentação do arame. Reduzir a velocidade de soldagem. Diminuir a distância do bico de contato à peça. Reduzir o diâmetro do arame. Reduzir a dimensão de cada cordão de solda. Distribuir o calor do arco em ambas as faces do chanfro. Manter a inclinação correta Alterar o projeto da união ou a seqüência de montagem, / SAW /SMAW 5

6 para o lado. Falta de acesso ao chanfro. ou ainda, usar um bocal menor. Desenho de chanfro inadequado: Ângulo de chanfro muito pequeno. Face da raiz (nariz) muito grande. Desalinhamento. Aumentar a abertura da raiz. Aumentar o ângulo do chanfro Reduzir o nariz Reduzir o desalinhamento. / SAW /SMAW A poça de fusão se adianta em relação ao arco e impede a perfeita fusão das bordas: Velocidade de soldagem muito baixa ou taxa de deposição muito alta. Este defeito pode ocorrer mais facilmente na posição vertical descendente Reduzir a dimensão de cada cordão individual. Diminuir a velocidade de alimentação de arame na posição vertical descendente. / SAW /SMAW Tabela 2: Nomenclatura dos Processos Conforme AWS American Welding Society Figura. 3: Junta com Mordedura Falta de Fusão e Respingos. 6. Definição de Respingos: Partículas metálicas expelidas durante a soldagem por fusão e que não fazem parte da solda. Podem ficar aderidas nas adjacências da solda ou não. Normalmente, o respingo, não é considerado um defeito sério, a não ser que sua presença interfira nas operações subseqüentes. Os respingos em excesso, também podem ser um indicativo de que o processo não está estável. A figura 5 ilustra uma junta com respingos. 6

7 6.1. Respingos Causas e Possíveis Soluções: Causas: Possíveis Soluções: Processos de Soldagem: Mau contato nos cabos de solda Limpar pontos de contato e ajustá-los Distância do bico de contato à peça muito elevada Diminuir a distância da tocha à peça Vazão de gás inadequada Ajustar a vazão de gás / SMAW Controle inadequado da Ajustar indutância (se aplicável) indutância, especialmente na transferência por curtocircuito. / SAW Posicionamento da tocha A técnica de soldagem arco quente, diminui respingos Com máquinas de solda convencionais, quanto maior o teor de CO2/Gases oxidantes, maior o nível de respingos. Usar misturas ricas em argônio Tipo de fonte e a tecnologia de construção e controle Metal base contaminado (água; óleo; graxa; tinta; oxidação) Consumível oxidado, sujo ou úmido. Usar fontes que permitam o ajuste fino e preciso dos parâmetros de soldagem Melhorar a limpeza da peça Utilizar exclusivamente arames limpos e secos / SAW /SMAW / SAW /SMAW Contaminação do gás de proteção Tensão / Corrente muito alta tipo de transferência Utilizar gases de proteção de alta qualidade e verificar vazamentos Ajustar Tensão Corrente evitar a transferência Globular / SAW / SMAW Polaridade incorreta (CC-) Corrigir para polaridade correta (CC+) / SAW 7

8 Velocidade de soldagem muito alta Diminuir a velocidade de soldagem / ajustar aporte de calor a velocidade de soldagem / SAW / SMAW Composição química do arame inadequada Utilizar arames com composições químicas adequadas à aplicação - Apesar da baixa influência, se comparada a outros fatores. / SAW Bicos de Contato danificados, de má qualidade ou inadequado à aplicação. Trocar bico de contato; Tabela 3: Nomenclatura dos Processos Conforme AWS American Welding Society Figura 4: Junta com Respingos. 7. Definição de Mordeduras: A mordedura é caracterizada pela fusão da superfície da chapa do metal de base próxima a margem do cordão de solda. Dependendo da norma utilizada na fabricação do conjunto soldado a mordedura é aceitável. Contudo, dependendo do metal base a ser soldado é uma descontinuidade bastante perigosa, visto que em alguns casos, pode criar um entalhe na zona de ligação e concentração de tensões nesses locais. A figura 5 apresenta uma mordedura combinada com desalinhamento do cordão de solda. 8

9 7.1. Mordeduras Causas e Possíveis Soluções: Causas: Possíveis Soluções: Processos de Soldagem: Manipulação inadequada da tocha ou eletrodo: Tocha descentralizada no chanfro, no passe de raiz. Inclinação excessiva da tocha para o lado. Falta de acesso ao chanfro. Tensão / Corrente muito alta tipo de transferência Distribuir o calor do arco em ambas as faces do chanfro. Manter a inclinação correta Alterar o projeto da união ou a seqüência de montagem, ou ainda, usar um bocal menor. Ajustar Tensão Corrente evitar a transferência Globular / SAW/ SMAW / SAW / SMAW Velocidade de soldagem muito alta Diminuir a velocidade de soldagem / ajustar aporte de calor a velocidade de soldagem / SAW / SMAW Tabela 4: Nomenclatura dos Processos Conforme AWS American Welding Society Figura 5: Junta com Cordão desalinhado e Mordedura. 8. Definição de Trincas: São consideradas as descontinuidades mais graves em soldagem. São fortes concentradores de tensão, podendo favorecer o início de fratura frágil na estrutura soldada. De um modo bem simples, uma trinca pode ser considerada como o resultado da incapacidade do material em responder as solicitações impostas localmente pelas tensões decorrentes do processo de soldagem. 9

10 A aplicação localizada de calor deformando localmente o metal base, causa o aparecimento de tensões de tração bi ou mesmo tri axiais na região da solda. Este estado de tensões juntamente com a fragilização associada às mudanças microestruturais durante a soldagem ou a presença de certos elementos (particularmente o hidrogênio ), pode resultar na formação de trincas. As trincas podem ser externas, isto é atingirem a superfície, ou totalmente internas, não sendo, nesse caso detectáveis por inspeção superficial na região da solda. Podem ser localizada na Zona Fundida (ZF), na Zona Termicamente Afetada (ZTA), no metal de solda e no metal base. Vários mecanismos atuam para a formação de trincas nas juntas soldadas. Podendo ocorrer durante a soldagem ( na solidificação ), durante o resfriamento da peça horas e até mesmo dias após a realização da soldagem, e mesmo quando da realização de tratamento térmico para alivio de tensões. A figura 6 apresenta as Zonas e regiões encontradas nas juntas soldadas, e a figura 7 ilustra uma macrografia de uma trinca, observada em uma junta soldada pelo processo arco submerso (SAW). Figura 6: Regiões da Junta soldada. a ) ZTA Zona Termicamente Afetada / ZAC Zona Afetada pelo Calor. b) Zona Fundida (ZF). c) Zona de Ligação (ZL). d) Metal de Base (MB) e) Cobre-Junta. 10

11 8.1. Trincas Causas e Possíveis Soluções: Causas: Possíveis Soluções: Processos de Soldagem: Projeto de junta inadequado. Adotar chanfros e condições gerais da junta com dimensões adequadas. Realizar uma preparação, ponteamento e montagem da junta com alinhamento e espaçamentos adequados. / SAW/ SMAW Elevada restrição dos componentes estruturais (Restrição Geométrica) Calor excessivo na junta, causando deformações; contrações e distorções. Usar pré-aquecimento, observar a montagem, Ajustar todos os parâmetros de soldagem para reduzir as tensões impostas a junta.. Reduzir a corrente ou a tensão Aumentar a velocidade da soldagem. Contrabalancear o aporte térmico. / SAW / SMAW / SAW / SMAW Relações Dimensionais Inadequadas. Alargar o perfil do cordão, diminuir a penetração. / SAW/ SMAW Cordão de solda muito pequeno (passes de raiz ou de filete) Reduzir a velocidade de soldagem ou aumentar a seção transversal do cordão. / SAW / SMAW Fragilização por calor causado pela presença de elementos como o Enxofre (S) Utilizar consumíveis com maior teor de Manganes. Diminuir a altura do arco. Adequar a geometria do chanfro para melhorar a diluição. Alterar a seqüência de passes para reduzir a restrição durante o resfriamento. Alterar o consumível ou metal base para obter uma adequada relação entre % Manganes e % de Enxofre. / SAW / SMAW Tempera da Zona termicamente Afetada (ZTA). Realizar pré-aquecimento para retardar o resfriamento.. / SAW/ SMAW 11

12 Tensões Residuais muito elevadas. Efetuar tratamento térmico de Alivio de Tensões. / SAW / SMAW Utilizar consumíveis secos, (arames, eletrodos, gases). Remover contaminantes Fragilização por Hidrogênio. superficiais, (graxas, óleos, tintas de marcação) Manter a temperatura elevada após a conclusão da soldagem para difusão do Hidrogênio (Pós Aquecimento). / SAW / SMAW Tabela 5: Nomenclatura dos Processos Conforme AWS American Welding Society Figura 7: Macrografias de trincas soldas pelo processo arco submerso, 9. Definição de Inclusões de escória: Durante a fusão e subseqüente solidificação da poça de fusão, várias reações se processam. Estas reações podem gerar partículas que, se presos no metal de solidificado, formariam inclusões. Por outro lado, vários processos de soldagem utilizam fluxos que formam uma escória que pode, por diversos motivos, ficar presa no metal solidificado. 12

13 9.1. Inclusão de Escória Causas e Possíveis Soluções: Causas: Possíveis Soluções: Processos de Soldagem: Manipulação inadequada do bocal ou eletrodo, no passe de raiz. Manter a inclinação correta e a manipulação durante a soldagem Alterar o projeto da união ou a seqüência de montagem. SAW / SMAW Falha na limpeza entre passes. Ajustar Tensão Corrente evitar a transferência Globular SAW / SMAW Tabela 6: Nomenclatura dos Processos Conforme AWS American Welding Society Figura 8 Detalhe de uma radiografia apresentando inclusão de escória.. 13

14 10. Descontinuidades Combinadas: Geralmente as descontinuidades em soldagem, não aparecem de forma isolada, na pratica e comumente observada duas ou até mais imperfeições combinadas, pois os desvios podem ser sanados, corrigindo apenas uma variável do processo. Solucionando a causa principal da imperfeição, na maioria dos casos, conseguimos obter juntas isentas de falhas e com Qualidade satisfatória. É essencial que os responsáveis pelas atividades de soldagem, conheçam todos os detalhes dos processos de soldagem, as características metalúrgicas, físicas e químicas envolvidas nas juntas e as exigências das normas e códigos aplicáveis. Além das descontinuidades apresentadas anteriormente, podemos observar ainda perfil de solda irregular; sobreposição, distorções geométricas, cordões desiguais, desalinhamento, concavidade e convexidade excessiva. As figuras 9 e 10 ilustram algumas dessas ocorrências. Figura 9 Juntas com perfil irregular, mordedura, inclusão de Escória e Porosidade. Figura 10 Juntas com Oxidação e inclusão de escória. 14

15 11. Proposta para Melhoria da Qualidade em Juntas Soldadas: Para a melhoria da Qualidade das juntas soldadas são necessárias ações em vários níveis nas empresas, sendo que os principais são: Investimento em treinamento, principalmente nos soldadores e montadores dos conjuntos; Investimento em equipamentos de tecnologia adequados aos processos de soldagem indicados; Utilização de consumíveis com Qualidade e desempenho reconhecido; Padronização e elaboração de roteiros e planos de soldagem; Elaboração de Registros de Qualificação dos Soldadores; Elaboração de Registro de Qualificação do Procedimento de Soldagem; Controlar e exigir Certificado de Qualidade dos consumíveis; e das matérias primas utilizadas (tubos, chapas e perfis); essencial para a montagem de data book completo com todo histórico da obra; Laudos da inspeção visual, de líquidos penetrantes ou qualquer outra inspeção realizada durante a fabricação; Emitir a ART - Anotação de Responsabilidade Técnica da execução da Soldagem; Avaliação por inspeção visual em 100 % das juntas soldadas, e ensaio de líquido penetrante em todas as juntas com penetração total, ou outro critério aceito pelas partes; Orientação dos soldadores, e demais colaboradores envolvidos no processo de soldagem, em relação à regulagem dos equipamentos, técnica de soldagem e melhores praticas a serem empregadas em campo, visando melhor Qualidade e acabamento de todas as juntas soldadas; Emissão dos laudos de acompanhamento de soldagem com o registro dos parâmetros reais de execução de todos os soldadores envolvidos na obra; Emissão dos laudos de aprovação; ou outro ensaio complementar de estanqueidade, visando garantir a Qualidade das juntas mais criticas; Acompanhamento do procedimento de reparo, para os desvios encontrados nos ensaios de inspeção visual ou líquido penetrante; Consumíveis, arames, varetas e eletrodos, utilizados e demais laudos aplicáveis; Controlar a montagem e a preparação das peças para evitar desalinhamento e espaçamentos excessivos, conforme demonstrado nas figuras 11e

16 Figura 11. Detalhe da Estrutura Desalinhada e com espaçamentos. Figuras 12 Espaçamentos Excessivos. 12. Conclusão: As normas ABNT NBR 8800, ISO 9000, AWS - D1. 1, ISO 3834, bem como suas complementares, podem servir como uma poderosa ferramenta para a elaboração das rotinas e validação dos processos e procedimentos de soldagem. Para as empresas do segmento de estruturas metálicas tornarem-se mais competitivas, é fundamental a mudança de atitude, o controle das etapas do processo, investimentos em tecnologia e principalmente em treinamento em todos os níveis das empresas. Espero que esse trabalho agregue novas informações e traga uma nova visão para os aspectos de Qualidade das juntas soldadas em estruturas metálicas e conjuntos soldados. 16

17 13. Bibliografia: 1.SENAI-SP, Soldagem.Org.Selma Ziedas e Ivanisa Tatini.São Paulo, p ( Coleção Tecnologia SENAI) 2. OKUMURA,T.,TANIGUCHI, C Engenharia de Soldagem e Aplicações, Rio de Janeiro: LTC, p 3.BRITO, José de Deus; PARANHOS, Ronaldo Como Determinar os Custos da Soldagem, Campos dos Goytacazes RJ ParkGraf Editora Ltda., 2005, 74p 4.NOVAIS, Paulo Rogerio Santos de Notas de Aula Curso Tecnologia de Soldagem FATEC / SP São Paulo Marques, P.V Tecnologia da Soldagem, Belo Horizonte : Editora O LUTADOR p 17