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

Aços Carbono C < 0,3%Mn < 0,9%

Aços Carbono-Manganês Mn ≤ 1,5%

Aços MicroligadosDerivam dos anteriores com elemento de liga no total < 0,15% (Nb, Ti, U, Aℓ, Zr)

Aços Baixa-liga C ≅ 0,1 a 0,3%Mn ≅ 0,5 a 1,5%Com elemento de liga < 5% (Cr, Ni, Mo, etc.)

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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.

Aços Carbono-ManganêsTêm maior carga de rotura e melhor resiliência

Aplicações: Cascos de navioseferas e tanques de armazenamento

σr ≤50 Kg/mm2

σr = 50 a 60 Kg/mm2

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Aços Microligados

Os elementos de liga são elementos encravadores da estrutura, não deixam coalescer o grão ⇒ σr aumenta e resiliência aumenta

Aços Baixa-ligaTambém têm tensões de rotura elevadas e boa resiliência.p.ex. Os aços com Ni são utilizados em criogenia

σr > que os anterioresσr até 70 a 75 Kg/mm2

3.5% Ni → até 110ºC5% Ni → até 150ºC9% Ni → até 200ºC

O Cr e o Mb conferem resistência à fluênciaCr confere resistência à corrosão

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FISSURAÇÃO A FRIOA 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

1. Fissuração a frio sob cordão2. Fissuração a frio na ligação3. Fissuração a frio na raíz

Tipos de fissuração a frio

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O hidrogénio introduzido durante o processo pode ter várias fontes:Produtos de combustão na soldaduraProdutos de decomposição de revestimento celulósicos de eléctrodos em soldadura por arco eléctricoÓxidos hidratadosHumidade ou gorduras na superfície das peças ou dos eléctrodosHumidade nos fluxosPresença de hidrogénio no material base ou nos gases de protecção.

Hidrogénio no material depositadoElevado nível de tensões na juntaMicroestruturas duras e frágeis, isto é martensite

Ocorre quando coexistem em simultâneo os seguintes factores:

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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

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Determinação da Escala de Carbono Equivalente (Ceq)

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Cálculo de temperatura de Pré-aquecimento

1556CuNiVMoCrMnCCeq

++

++++=

Procedimento de cálculo da Espessura Combinada (Ec):

∑=

=n

iic tE

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ti – corresponde à espessura da estrutura de índice i, adjacente ao cordão de soldadura.

n – corresponde ao número de peças adjacentes ao cordão de soldadura.

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Nas juntas topo-a-topo, t1 é a espessura média num comprimento de 75mm (a partir do centro do cordão)

Juntas em “T” e em “L”, com um sócordão:

Para cordões de canto iguais e directamente opostos em juntas em T édada por:

( )32121 tttEc ++=

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Cálculo da temperatura de Pré-aquecimento Local

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MecanismoDurante 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 H2. 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 H2 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

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Formas de prevenir fissuração a frio1. Controle da estrutura metalúrgicaO 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 H2 e ao mesmo tempo, diminui o nível e melhora a distribuição das tensões residuais.

2. Selecção adequada dos processos e procedimentos de soldaduraComo 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 H2, 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 H2. 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

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ControleÀ 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 FevenImplantes

Arrancamento LamelarO 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

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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.

O teor de enxofre no aço (%S)A extricção por ele apresentada num ensaio de tracção na direcção da espessura (Ez)

A sua escolha pode também ser feita com recurso à quantificação de dois parâmetros:

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Em função disto, os aços classificam-se em:

A - Resistentes ao A.L. com garantiaS < 0,007%Ez > 25%

B - Resistentes ao A.L. S < 0,01%Ez > 15%

C - De reduzida resistencia ao A.L. S < 0,02%Ez > 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 aíum material dúctil, como, por exemplo, ligas de níquel, que permitam absorver as tensões de contractacção da zona fundida, e efectuar posteriormente a ligação

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Situações de arrancamento lamelar. As juntas encontram-se ordenadas de cima para baixo por ordem decrescente de susceptibilidade

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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

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Precauções e remédios:

a) Modificação da sequência da soldadura

b) Passe de soldadura inicial

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FISSURAÇÃO A QUENTEA 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 soldaduraComposição química do material (nomeadamente a presença de enxofre e fósforo)

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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 cordãodendrites se encontrem a meio do cordão. Na zona central, a última a solidificar, vai aparecer um filme lfilme lííquido de baixo ponto de fusãoquido de baixo ponto de fusão, usualmente constituído por sulfuretos e fosforetos de ferro, o qual não não resistindo resistindo ààs contracs contracçções de arrefecimento da soldaduraões de arrefecimento da soldadura, vai dar origem a uma fissura.fissura.

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Formas de prevenir a fissuração a quenteControlo 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 evitaActuação 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 a cratera no fim dos cordões.

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Esquema ilustrativo do crescimento epitaxial na

zona fundida

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Fissuração a quente na ZACQuando um aço é aquecido até perto de Tf 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”)

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Na zona da ZAC perto de LF o aço pode “Queimar”

Se ET aumentar a fissuração a quente na ZAC é mais provável

Se as tensões devidas à dilatação – contracção forem altas enquanto háfilmes 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.

20>S

MnPara que este fenómeno não ocorra ou se ⇒

formação de sulfuretos de manganês que não têm baixo ponto de fusão,

não formam filmes líquidos com os de ferro

30>↑S

MnC

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Fissuração no reaquecimentoVerifica-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: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.)

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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.

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Outra hipOutra hipóótesetese

Precipitados nas juntas → descoesão → escorregamento

A composição química é muito importante:

∆G = Cr + 3,3πo + 8,1 v-2 (Nakamura)

Psr = Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7Nb + 5ti – 2 (I + O)

Se ∆G ou Psr > 0 ⇒ fissuração no reaquecimento

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EnvelhecimentoEnvelhecimento

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 (250 – 450ºC – temperatura a que ocorre)

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)

Medidas correctivas

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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 A1 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.

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