Como é que a soldadura de aço-carbono pode ser simultaneamente uma prática comum e um desafio complexo? Este guia explora o intrincado mundo da soldadura de aço-carbono, abrangendo tipos de aço-carbono, a sua soldabilidade e técnicas específicas para garantir juntas fortes e fiáveis. Os leitores ficarão a conhecer as diferenças na soldadura de aço com baixo, médio e alto teor de carbono e as precauções necessárias para evitar defeitos de soldadura comuns. Mergulhe para compreender os passos cruciais e as melhores práticas para uma soldadura de aço-carbono bem sucedida.
1. O que é o aço-carbono?
O aço é classificado em duas categorias principais com base na sua composição química: aço-carbono e aço-liga. O aço-carbono subdivide-se ainda em três tipos, consoante o seu teor de carbono:
O aço de baixo carbono, também conhecido como aço macio, contém menos de 0,25% de carbono. Caracteriza-se por:
As aplicações incluem:
Alguns aços de baixo carbono são submetidos a tratamentos de cementação ou a outros tratamentos de endurecimento superficial para melhorar a resistência ao desgaste em aplicações mecânicas específicas.
2. Aço de carbono médio
O aço de médio carbono, com teor de carbono de 0,25% a 0,60%, oferece:
Caraterísticas principais:
Aplicações:
3. Aço de alto carbono
O aço de alto carbono, frequentemente designado por aço ferramenta, contém entre 0,60% e 1,70% de carbono. É caracterizado por:
Aplicações baseadas no teor de carbono:
Os aços com elevado teor de carbono são normalmente tratados termicamente (temperados e revenidos) para obter propriedades mecânicas óptimas para as aplicações a que se destinam.
A soldabilidade do aço é influenciada principalmente pela sua composição química, sendo o teor de carbono o fator mais crítico. Embora outros elementos de liga no aço possam afetar a soldadura, o seu impacto é geralmente menos significativo em comparação com o carbono.
O aço com baixo teor de carbono (tipicamente 25 mm), baixas temperaturas ambiente (0,05%), são necessárias precauções adicionais:
O aço de médio carbono (0,25-0,60% C) é mais suscetível à fissuração a frio durante a soldadura. À medida que o teor de carbono aumenta, a temperabilidade da ZTA aumenta, levando a uma maior probabilidade de fissuração a frio e a uma soldabilidade reduzida. Os níveis elevados de carbono no material de base também aumentam o teor de carbono no metal de solda, o que, combinado com qualquer enxofre presente, pode promover a fissuração a quente. Para mitigar estes problemas ao soldar aço de médio carbono:
O aço de alto carbono (>0.60% C) apresenta os desafios de soldadura mais significativos devido ao seu elevado teor de carbono. Durante a soldadura, desenvolvem-se tensões térmicas substanciais, a ZTA torna-se altamente suscetível ao endurecimento e à fissuração a frio, e o metal de soldadura é propenso à fissuração a quente. Consequentemente, o aço com elevado teor de carbono tem a pior soldabilidade entre as três categorias. A sua utilização em estruturas soldadas é geralmente evitada, limitando as aplicações à soldadura de reparação ou ao revestimento duro de componentes resistentes ao desgaste. Quando é necessário soldar aço com elevado teor de carbono:
O aço de médio carbono refere-se ao aço carbono com um teor de carbono de 0,25% a 0,60%, que inclui o carbono de alta qualidade classes de aço estrutural tais como 30, 35, 45, 50, 55 e qualidades de aço-carbono fundido tais como ZG230-450, ZG270-500, ZG310-570 e ZG340-640.
Devido ao maior teor de carbono no aço de médio carbono em comparação com o aço de baixo carbono, a sua soldabilidade é inferior. Quando a fração mássica de carbono é próxima de 0,30% e o teor de manganês não é elevado, a soldabilidade ainda é boa, mas à medida que o teor de carbono aumenta, a soldabilidade piora gradualmente.
Quando a fração mássica de carbono atinge cerca de 0,50%, a soldabilidade piora significativamente.
Os problemas que podem ocorrer na soldadura de aço de médio carbono são os seguintes
Devido ao elevado teor de carbono do aço, a zona afetada pelo calor pode facilmente produzir materiais duros e quebradiços estrutura da martensite durante a soldadura, conduzindo assim a fissuras a frio.
Se forem utilizados materiais de soldadura inadequados ou se o processo de soldadura não for corretamente formulado, podem também ocorrer facilmente fissuras a frio na soldadura.
Durante a soldadura, o material de base com elevado teor de carbono derrete e introduz carbono na soldadura, aumentando assim o teor de carbono na soldadura. O carbono pode intensificar o efeito do enxofre e do fósforo nos metais, provocando fissuras a quente.
Por conseguinte, ao soldar aço de carbono médio, podem ocorrer facilmente fissuras a quente na soldadura. Isto é especialmente verdadeiro quando o teor de enxofre e fósforo no material de origem ou material de soldadura não são rigorosamente controlados, o que aumenta a probabilidade de ocorrência de fissuras a quente.
Além disso, o elevado teor de carbono no aço pode também aumentar a tendência da soldadura para produzir poros de gás CO.
Devido à propensão do aço de médio carbono para formar defeitos como fissuras a frio e a quente quando soldado, é necessário implementar medidas técnicas especiais para garantir uma soldadura bem sucedida.
Podem ser utilizados vários métodos de soldadura por arco para soldaduras de carbono médio soldadura de aço. Uma vez que o aço de médio teor de carbono é normalmente utilizado na produção de peças de máquinas e não em estruturas de soldadura em grande escala, o metal blindado soldadura por arco é o mais frequentemente utilizado.
Para evitar a formação de fissuras a frio e a quente na soldadura, os eléctrodos com baixo teor de hidrogénio são normalmente utilizados em soldaduras blindadas. arco metálico soldadura. Estes eléctrodos não só mantêm um baixo teor de hidrogénio na soldadura, como também apresentam efeitos de dessulfuração e desfosforização, melhorando a plasticidade e a tenacidade da soldadura.
Quando o aço tem um teor de carbono mais baixo e a junta tem menos rigidez, podem ser utilizados eléctrodos rutílicos ou básicos. No entanto, devem ser implementadas medidas técnicas rigorosas, como a minimização da taxa de fusão, o pré-aquecimento rigoroso da peça de trabalho e o controlo da temperatura entre camadas.
Se o pré-aquecimento não for possível, podem ser utilizados eléctrodos de aço inoxidável austenítico, tais como E308L-16 (A102), E308L-15 (A107), E309-16 (A302), E309-15 (A307), E310-16 (A402), E310-15 (A407).
O pré-aquecimento é a técnica mais eficaz para evitar a fissuração na soldadura de aço de médio carbono. O pré-aquecimento não só reduz a taxa de arrefecimento da junta, evitando a formação de martensite, como também reduz a tensão de soldadura e acelera a difusão do hidrogénio.
Na maioria das circunstâncias, é necessário pré-aquecer e manter a temperatura da camada intermédia.
A seleção das temperaturas de pré-aquecimento e de intercalação depende do carbono equivalente do aço, da espessura do metal de base, da rigidez da estrutura e do tipo de elétrodo.
A temperatura de pré-aquecimento pode ser determinada através de testes de soldadura, ou através da fórmula empírica T0=550(C-0.12)+0.4δ. Nesta fórmula, T0 representa a temperatura de pré-aquecimento (℃), C representa a fração mássica de carbono no metal de base a ser soldado (%), e δ representa a espessura do chapa de aço (mm).
As temperaturas de pré-aquecimento e da camada intermédia para a soldadura de aço 30, 35 e 45 podem ser consultadas na Tabela 1.
Tabela 1 Temperatura de pré-aquecimento e temperatura de revenimento pós-soldagem para carbono soldadura de aço
| Grau de aço | Espessura da soldadura /mm | Processo de funcionamento | Vareta de soldadura categoria | Nota | |
| Temperatura da camada intermédia de pré-aquecimento /℃ | Temperatura de têmpera para alívio de tensões /℃ | ||||
| 30 | -25 | >50 | 600-650 | Vareta de soldadura do tipo sem baixo teor de hidrogénio | 1. O intervalo de aquecimento em ambos os lados da ranhura para pré-aquecimento local é de 150-200mm 2. Durante o processo de soldadura, o martelamento pode ser utilizado para reduzir a soldadura tensão residual. |
| Vareta de soldadura com baixo teor de hidrogénio | |||||
| 35 | 25-50 | >100 | Tipo com baixo teor de hidrogénio | ||
| >150 | Tipo sem baixo teor de hidrogénio | ||||
| 50-100 | >150 | Tipo com baixo teor de hidrogénio | |||
| 45 | -100 | >200 | Tipo com baixo teor de hidrogénio | ||
Idealmente, a peça de trabalho deve ter uma ranhura em forma de U ou V para reduzir a proporção de metal de base que se funde na soldadura. Se estiver a reparar defeitos em peças fundidas, a ranhura escavada deve ter um exterior liso para minimizar a quantidade de metal de base que se funde na soldadura.
Para a soldadura, deve ser utilizada uma fonte de alimentação de corrente contínua com polaridade inversa. Para a soldadura de várias camadas, devem ser utilizados eléctrodos de pequeno diâmetro, corrente baixa e soldadura lenta. velocidade de soldadura deve ser utilizado, uma vez que a proporção de metal de base que se funde na primeira camada da soldadura pode atingir 30%.
Após a soldadura, a peça de trabalho deve, idealmente, ser submetida imediatamente a um tratamento térmico de alívio de tensões. Isto é especialmente importante para soldaduras de grande espessura, estruturas altamente rígidas e soldaduras que operam sob cargas dinâmicas ou de impacto.
A temperatura para aliviar o stress recozimento situa-se geralmente entre 600 e 650 graus Celsius.
Se o tratamento térmico de alívio de tensões não puder ser efectuado imediatamente após a soldadura, deve ser realizado um pós-aquecimento, que envolve o aquecimento ligeiramente acima da temperatura de pré-aquecimentocom um tempo de retenção de aproximadamente 1 hora por cada 10 mm de espessura.
(I) Aço 35 e aço-carbono fundido ZG270-500
A fração mássica de carbono no aço 35 é de 0,32% a 0,39%, e a do aço-carbono fundido ZG270-500 é de 0,31% a 0,40%. O carbono equivalente é de cerca de 0,45%, pelo que a soldabilidade deste tipo de aço é aceitável.
No entanto, na zona afetada pelo calor durante a soldadura, uma estrutura martensítica que tende a fissurar. Por conseguinte, devem ser tomadas certas medidas técnicas aquando da soldadura deste tipo de aço.
Ao utilizar a soldadura por arco com elétrodo, se um cordão de soldadura Se for necessário um cordão de soldadura de resistência igual à do material de base, podem ser utilizadas as varas de soldadura E5016 (J506) ou E5015 (J507). Se não for necessário um cordão de soldadura de resistência igual à do material de base, podem ser seleccionadas as varetas de soldadura E4316 (J426), E4315 (J427), E4303 (J422), E4310 (J423), etc.
Para a soldadura por arco submerso, podem ser seleccionados os fluxos HJ430 ou HJ431 e os fios H08MnA ou H10Mn2.
Para a soldadura com escória, podem ser seleccionados os fluxos HJ430, HJ431, HJ360 e os fios H10Mn2, H08Mn2Si, H08Mn2SiA.
Ao soldar aço 35 e aço fundido ZG270-500, a temperatura típica de pré-aquecimento e a temperatura entre camadas para as peças soldadas são de cerca de 150 ℃. Se a rigidez das peças soldadas for relativamente grande, a temperatura de pré-aquecimento e a temperatura da camada intermediária devem ser aumentadas para 200-250 ℃.
O intervalo de aquecimento para o pré-aquecimento local é de 150-200 mm em ambos os lados da ranhura.
Para peças soldadas com alta espessura, alta rigidez, ou trabalhando sob cargas dinâmicas ou de impacto, o recozimento de alívio de tensão deve ser realizado imediatamente após a soldagem. A temperatura de recozimento é geralmente 600-650 ℃.
Para peças soldadas de espessura geral, o pós-aquecimento pode ser utilizado para permitir a difusão do hidrogénio.
A temperatura de pós-aquecimento é geralmente 200-350 ℃, e o tempo de espera é de 2-6 horas, dependendo da espessura das peças soldadas.
(II) Aço 45 e aço-carbono fundido ZG310-570
A fração mássica de carbono no aço 45 é de 0,42% a 0,5%, e a do aço fundido ZG310-570 é de 0,41% a 0,50%. O carbono equivalente é de cerca de 0,56%. Este aço tem uma maior tendência para endurecer e é propenso a fissuras, tornando a sua soldabilidade relativamente fraca.
Para a soldadura por arco com elétrodo, devem ser escolhidas varetas de soldadura com baixo teor de hidrogénio. Se for necessário um cordão de soldadura de resistência igual à do material de base, podem ser utilizadas varetas de soldadura E5516-G (J556) ou E5515-G (J557).
Se não for necessário um cordão de soldadura de resistência igual à do material de base, podem ser seleccionadas as varetas de soldadura E4316 (J426), E4315 (J427), E5016 (J506), E5015 (J507), E4303 (J422), E4301 (J423), etc.
Para a soldadura por arco submerso, podem ser seleccionados os fluxos HJ350 ou SJ101 e os fios H08MnMoA.
Ao soldar aço 45 e aço-carbono fundido ZG310-570, deve ser escolhida uma corrente de soldadura mais pequena para reduzir o rácio de fusão do cordão de soldadura e diminuir a quantidade de carbono que transita do material de base para o cordão de soldadura.
Para soldar este tipo de aço, é melhor pré-aquecer a peça inteira a uma temperatura acima de 200 ℃.
No caso das juntas em T, como têm mais direcções de dissipação de calor do que as juntas de topo, a velocidade de arrefecimento da junta soldada aumentará, aumentando a tendência para produzir fissuras a frio.
Portanto, a temperatura de pré-aquecimento deve ser adequadamente aumentada para 250-400 ℃, dependendo da espessura das peças soldadas.
A temperatura da camada intermédia não deve ser inferior à temperatura de pré-aquecimento.
Após a soldagem, as peças soldadas devem ser imediatamente submetidas ao recozimento de alívio de tensão. A temperatura de recozimento é de 600-650 ℃.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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