Fissuração na soldadura

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Fissuração na soldadura dos aços

1 Fissuração na solidificação

1.1 Origem

As impurezas contidas nos aços são mais ou menos solúveis nos grãos do metal em via de solidificação. Porém, as impurezas não absorvidas pelos grãos migram para a sua periferia.

A segregação de impurezas para as juntas dos grãos é prejudicial para as propriedades mecânicas a sua presença impede ou diminui as ligações intergranulares.

O metal fundido recolhe sempre as impurezas presentes no metal base devido ao fenómeno de diluição do metal base no metal de adição.

Durante a cristalização o metal vai absorvendo as impurezas e a temperatura de solidificação baixa.

Ao mesmo tempo que se dá a solidificação, o arrefecimento e contração do metal fundido e do metal base, aparecem tensões na junta ductilidade baixa muito incapaz de absorver tensões existentes fissuração.

Este tipo de fissuração é muito influenciado por:

Teor de elementos de liga e impurezas presentes no material base;

Nível das tensões desenvolvidas durante a solidificação.

1.2 Parâmetros da fissuração na solidificação

1.2.1 Forma da junta

Parâmetros de soldadura são mal fixados forma de cordão desfavorável fissuração

Bordos da junta excessivamente afastados fissuração.

1.2.2 Contaminação da junta

A contaminação da junta por elementos como o enxofre e o fósforo por exemplo na reparação por soldadura de materiais que tenham estado sujeitos a um ambiente sulfuroso e estejam cobertos por uma película de sulfuretos pode provocar a fissuração intergranular na solidificação.

Ana Costa; André Silva; Diogo Santos; Filipa Rocha | Soldadura

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FEUP MIEM PF II1.2.3 Deslocação dos bordos

Pode resultar de uma distorção devida a uma montagem defeituosa dos elementos a ligar.

Um caso muito frequente de fissuração ocorre na soldadura de tubuladuras quando a soldadura é contínua. A contração da primeira parte da soldadura origina tensões elevadas durante a solidificação da zona oposta da soldadura.

1.2.4 Material de adição

O material de adição pode não ter sido escolhido tendo em conta o nível de impurezas do material base.

1.3 Medidas para minimizar a fissuração na solidificação

Se a fissuração resulta de tensões cuja causa pode ser eliminada SOLUÇÃO: fixação correta dos elementos que constituem a junta;

Verificar a limpeza da junta, em particular nos casos de reparação de peças que possam ter adquirido uma película de sulfuretos devido às condições de serviço;

Melhoria da preparação dos bordos da junta;

Utilização de processos de soldadura que tolerem um nível alto de impurezas; Os elétrodos básicos são muito mais seguros que os elétrodos de rutilo;

Pode ser necessária a verificação do material base para detetar eventuais níveis de segregações localizadas. Se a substituição do material com segregações não puder ser encarada, a utilização de um processo de soldadura que conduza a um mínimo de diluição poderá ser a solução para o problema.

2 Fissuração intergranular na ZAC (“Burning and Hot Tearing”)

2.1 Origem

Relacionado com a existência de inclusões de enxofre, sob a forma de sulfuretos de ferro, no metal base.

As tensões na zona termicamente afetada (ZAC) podem originar microfissuras nas fronteiras dos grãos onde está o filme líquido intergranular (zona de baixa resiliência). Tais microfissuras mantêm-se durante o arrefecimento.

Além disso, o líquido residual solidifica originando filmes de sulfuretos nas fronteiras dos grãos Resistência da ZAC diminui muito.


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Como se pode controlar este problema?

Pelo teor de enxofre no metal base a relação Mn/S = 20 assegura a ausência de fissuração nos aços ao carbono-manganês com um carbono abaixo de 0,20%.

Contudo, em aços de liga ou aços com teores de carbono muito elevados, o teor de enxofre tem de ser menor.

Processo para verificar a sensibilidade a este tipo de fissuração?

Ensaio de dobragem sobre provetes cortados de uma junta de ensaio, realizado com o material base em causa e soldada nas mesmas condições da obra. o aparecimento de fendas na ZAC durante este ensaio indicará que há problemas nesta zona.

2.2 Medidas para minimizar a fissuração na ZAC

Os gráficos das figuras seguintes apresentam os resultados de ensaios que demonstram a relação entre este tipo de fissuração e a composição química no que se refere ao C, Mn e S.

O fósforo também tem um efeito importante na suscetibilidade a este tipo de fissuração.

É importante que os teores de S e P estejam sempre abaixo dos teores limites que conduz ao "burning". O grau de “burning” é afetado pelo processo de soldadura.

Os processos com uma potência térmica específica elevada, como SAW e elétrodo-escória, têm mais tendência a produzir fissuras na ZAC, do que no MIG/MAG ou elétrodo revestido.


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3 Fissuração no arrancamento lamelar

3.1 Origem

Produz-se na zona termicamente afetada de soldaduras de ângulo ou soldaduras com chanfro de juntas em T ou L. Estas juntas são favoráveis ao desenvolvimento de tensões de tração no sentido da espessura de uma das chapas da junta.

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 direção de laminagem.

A fissuração no A.L. é explicada pela incapacidade do material se deformar em resposta a tensões de tração atuantes na direção de espessura da junta soldada.

As inclusões são os produtos da desoxidação que se realiza a quando da elaboração dos aços (silicatos, aluminatos, óxidos) ou que se formam durante a solidificação do lingote (sulfuretos) e que depois sofrem uma deformação durante a laminagem.

Para haver arrancamento lamelar são necessárias tensões de tracção no sentido da espessura, quer sejam tensões residuais de soldadura ou tensões devidas a forças exteriores.

A secção transversal de um arrancamento lamelar é caracterizada por uma disposição em degraus com zonas horizontais nitidamente mais longas que as verticais. Este aspecto é o elemento mais notável da diferença entre este tipo de fissuração e o da fissuração induzida pelo hidrogénio na zona termicamente afetada.

O arrancamento lamelar pode ocorrer em aços macios quer em aços de baixa liga, sejam calmados ou semi-calmados. Para um mesmo nível de inclusões, o fenómeno é mais provável quando a resistência do aço aumenta.

Os quatro principais fatores que podem 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 que tendem para elevadas tensões residuais de tração no sentido da espessura;

Chapas espessas


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3.2 Medidas para minimizar a fissuração no A.L.

3.2.1 Tipo de junta

A melhoria do projeto das juntas pode permitir a eliminação da solicitação através da espessura da chapa.

Redução do volume de metal depositado por mudança da geometria da junta.

3.2.2 Tipo de material

Utilização de produtos forjados pode ser a solução nos casos em que juntas críticas não podem ser evitadas assim, a distribuição de inclusões nos produtos forjados não é tão favorável ao aparecimento do arrancamento lamelar como acontece nos produtos laminados.


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FEUP MIEM PF II3.2.3 Seleção das chapas

Não é possível detetar a suscetibilidade de um material ao A.L. através de ensaios de soldadura.

A utilização de chapas obtidas por processos que conduzem a um nível de inclusões extremamente baixo não é total garantia da eliminação do problema só a realização de ensaios destrutivos permite revelar com segurança a suscetibilidade de um dado material ao A.L.

Uma estricção de 20 % elimina o perigo de arrancamento lamelar em juntas críticas.

3.2.4 Material de adição

A utilização de um material de adição de baixo limite de elasticidade pode ser uma solução assim reduzem-se as tensões transmitidas do metal base.

3.2.5 Enchimento por soldadura - “Beurrage” - “Buttering”

Processo caro, mas eficiente.

Justifica-se se juntas críticas não podem ser evitadas ou se há dúvidas quanto à qualidade do material base.

4 Fissuração no reaquecimento após a soldadura

4.1 Origem

A fissuração dá-se quando estão associados - uma concentração de tensões - devido ao efeito de entalhe na transição do cordão de soldadura com o metal base - e uma baixa de ductilidade do metal depositado ou da zona termicamente afetada quando sobe a temperatura.

A baixa de ductilidade acontece devido à precipitação de carbonetos e crómio, molibdénio e vanádio nas juntas dos grãos, quando a temperatura sobe.

Este tipo de fissuração acontece nos aços Cr-Mo, Cr-Mo-V e Mn-Mo.

Quando adicionamos elementos a estes aços para promover um bom comportamento a altas temperaturas a sua ductilidade diminui.

4.2 Medidas para minimizar a fissuração no reaquecimento


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FEUP MIEM PF II É benéfico o afagamento, por esmerilagem, dos cordões de soldadura reduz-se o grau de concentração de

tensões devido ao efeito de entalhe na transição do cordão de soldadura com o metal base;

Controlar o teor de enxofre, para se evitar a fissuração intergranular na ZAC também é benéfico pois já se verificou que as microfissuras da ZAC podem ser pontos de iniciação da fissuração no reaquecimento.

5 Fissuras induzidas pelo hidrogénio ou fissuração a frio

5.1 Origem

Fenómeno ocorre sempre à temperatura ambiente ou a uma temperatura muito próxima desta.

Resulta da presença simultânea de três fatores:

a) Tempera

b) Tensões associadas à operação de soldadura

c) Hidrogénio

5.1.1 Tempera

As condições de soldadura utilizadas (energia, temperatura) podem conduzir à tempera a ZAC e o metal depositado podem ser o local ideal para uma transformação martensítica total ou parcial.

Aços ao carbono não ligados só são sensíveis ao fenómeno se o teor em carbono for elevado;

Aços de liga estão mais sujeitos ao fenómeno devido à sua temperabilidade;

A sensibilidade aumenta com a espessura dos elementos da junta e quando a energia diminui (cordões de soldadura de montagem, cordões descontínuos, primeiro passe das soldaduras multipasse).

As estruturas de tempera são frágeis e, além disso, são fragilizadas fortemente pela presença de hidrogénio mesmo em muito pequenas quantidades.

5.1.2 Tensões associadas à operação de soldadura

Juntas soldadas livres são menos sensíveis à fissuração a frio que as juntas rígidas. Contudo, para teores elevados de hidrogénio e juntas soldadas com estruturas francamente martensíticas, as tensões resultantes da deposição de um cordão de soldadura são suficientes para provocar a fissuração denominada sob-cordão. Outros tipos de fissuras apenas aparecem quando as tensões são relativamente elevadas.

5.1.3 Hidrogénio

O hidrogénio é introduzido durante a soldadura no metal fundido e resulta da decomposição no arco dos compostos hidrogenados presentes tais como óxidos, óleo, humidade, etc. O gás dissolvido é extremamente móvel e durante o arrefecimento e à temperatura ambiente difunde-se para a ZAC.


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FEUP MIEM PF II Como a solubilidade do hidrogénio no aço é praticamente nula à temperatura ambiente, todo o hidrogénio

presente difunde-se para o ambiente por um processo muito lento que, em chapas muito espessas, pode demorar semanas.

Figura 1: Diferentes tipos de fissuras a frio que podem ser caracterizadas à escala macroscópica pela região onde aparecem, a sua

orientação relativamente ao cordão de soldadura e pela sua posição.

Existem diferentes tipos de fissuras na fissuração a frio: - fissuras ZTA (ZAC); fissuras na zona fundida; fissuras longitudinais; fissuras transversais; fissuras sob cordão; fissuras localizadas ao nível de descontinuidades de secção formando entalhe; fissuras na raiz do cordão.

As fissuras a frio não aparecem, necessariamente, à superfície do material. Em particular, é o caso das fissuras na raiz em cordões de canto e das fissuras que aparecem a favor das descontinuidades das secções num primeiro passe e que são depois encobertas pelos passes seguintes.

Devido ao risco da extensão das fissuras durante o tratamento térmico de eliminação de tensões, é após este tratamento térmico que se deve proceder aquele controlo não destrutivo para a deteção das fissuras.

5.2 Medidas para minimizar a fissuração a frio

5.2.1 Escolha do processo de soldadura e dos materiais de adição

A sensibilidade à fissuração é função direta do teor em hidrogénio do metal depositado. Contudo, no caso

de aços muito temperáveis o risco de fissuração mantém-se, mesmo para teores de hidrogénio muito baixos.

Garantir a ausência de humidade dos materiais de adição, quer sejam elétrodos revestidos, fluxos, gases de proteção ou mesmo fios-elétrodos.

Assegurar a proteção contra as fontes exteriores de hidrogénio.

Escolha do material de adição: a fissuração é evitada pela utilização de um metal de adição austenítico (Cr-Ni ou Cr-Ni-Mo).


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5.2.2 Condições de fabricação

Determinam as tensões a que ficam sujeitas as juntas durante a sua execução e nas horas que se lhe seguem.

Quanto mais sensível for o aço a soldar, mais se deve eliminar situações de rigidez durante a montagem, limitar as reações de umas juntas sobre as outras bem como as reações elásticas das peças a soldar sem esquecer o efeito possível resultante do peso próprio das peças.

5.2.3 Modo operatório

Energia de soldadura: o seu aumento aumenta o tempo de arrefecimento evita ou diminui a tempera;

Temperatura inicial: semelhante à energia e do pré-aquecimento e contribui para evitar ou diminuir a tempera. O aumento da temperatura inicial prolonga o arrefecimento e favorece a difusão do hidrogénio;

Temperatura entrepasses: como a fissuração a frio se produz abaixo de uma dada temperatura, bastante baixa, é possível no caso da soldadura em vários passes evitá-la se a temperatura entre passes se mantiver superior aquele valor.

Pós-aquecimento: favorece a difusão do hidrogénio permitindo um arrefecimento posterior sem fissuração;

Tratamento térmico: um aquecimento imediatamente após a soldadura provoca uma difusão ainda mais rápida do hidrogénio e o revenido da martensite. Suprime-se assim o risco de fissuração;


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