A soldadura de metais diferentes é um processo difícil mas essencial no fabrico moderno. Envolve a junção de metais com propriedades e composições diferentes, resultando frequentemente numa zona de fusão com características mecânicas e estruturais variáveis. Este artigo explora as questões inerentes, os métodos de soldadura adequados, como a soldadura por fusão e por pressão, e as principais considerações para garantir soldaduras robustas. Ao compreender estes aspectos, os leitores podem aprender estratégias eficazes para mitigar problemas comuns de soldadura e melhorar o desempenho da junta em ambientes de alta temperatura e alta tensão.
Problemas inerentes à soldadura de metais dissimilares têm impedido o seu desenvolvimento, tais como a constituição e o desempenho da zona de fusão em metais dissimilares.
Os danos na estrutura da soldadura de metais dissimilares ocorrem frequentemente na zona de fusão, uma vez que as características dos cristais de soldadura diferem ao longo dos segmentos próximos da zona de fusão, levando à formação de uma camada de transição com fraco desempenho e alterações de composição.
Além disso, devido à exposição prolongada a temperaturas elevadas, a camada de difusão nesta região expandir-se-á, aumentando ainda mais a falta de homogeneidade do metal.
Além disso, durante ou após a soldadura de metais dissimilares, ou após tratamento térmico ou operação a alta temperatura, é comum observar o fenómeno de carbono do lado de baixa liga "migrando" através do limite de soldadura para a soldadura de alta liga, formando descarbonização e camadas de carburação em ambos os lados da linha de fusão.
Isto resulta numa camada de descarbonetação no material de base de baixa liga e numa camada de carburação no lado da soldadura de alta liga.
Os obstáculos e a prevenção da utilização e do desenvolvimento de estruturas metálicas dissimilares manifestam-se principalmente nos seguintes domínios
1. À temperatura ambiente, as propriedades mecânicas do metal dissimilar junta soldada (como a tração, o impacto, a flexão, etc.) ultrapassam geralmente o desempenho do material de base soldado.
No entanto, após uma operação prolongada a alta temperatura, o desempenho da área da junta é inferior ao do material de origem.
2. Existe uma zona de transição martensítica entre a soldadura austenítica e o material de base perlítico.
Esta zona tem menor tenacidade e é uma camada frágil de elevada dureza, que é uma área fraca que conduz à falha do componente. Reduz a fiabilidade do estrutura soldada.
3. O tratamento térmico pós-soldadura ou a migração de carbono durante o funcionamento a alta temperatura pode resultar na formação de uma camada cementada e de uma camada descarbonetada em ambos os lados da linha de fusão.
Normalmente, acredita-se que a camada descarbonetada, devido à redução do carbono, provoca alterações significativas na estrutura e nas propriedades da área (normalmente uma degradação), tornando-a propensa a falhas prematuras durante o serviço.
Os locais de falha de muitas condutas de alta temperatura em serviço ou em teste estão concentrados na camada descarbonetada.
4. A falha está relacionada com condições como o tempo, a temperatura e o stress cíclico.
5. O tratamento térmico pós-soldadura não pode eliminar a tensão residual distribuição na área comum.
6. Inomogeneidade da composição química.
Durante a soldadura de metais dissimilares, os metais de ambos os lados do cordão de soldadura e a composição da liga do cordão de soldadura diferem significativamente.
Durante o processo de soldaduraO material de base e o material de soldadura fundem-se e misturam-se.
Este nível de uniformidade da mistura muda com o processo de soldadura, e o grau de uniformidade da mistura pode variar muito em diferentes locais da junta de soldadura, levando a uma não homogeneidade na composição química da junta de soldadura.
7. Inomogeneidade da estrutura metalográfica.
Devido à descontinuidade da composição química da junta de soldadura e à experiência do ciclo térmico de soldaduraEm alguns casos, a soldadura é feita com estruturas diferentes que aparecem em várias zonas da junta de soldadura, resultando frequentemente em formações estruturais extremamente complexas em algumas zonas.
8. Desempenho descontínuo.
A composição química e a estrutura metalúrgica das juntas soldadas conduzem a variações nas suas propriedades mecânicas.
A resistência, a dureza, a plasticidade, a tenacidade, a resistência ao impacto, a fluência a alta temperatura e o desempenho duradouro diferem significativamente nas várias regiões da junta soldada.
Esta inconsistência substancial causa comportamentos diversos em diferentes regiões da junta sob condições idênticas, manifestando-se como áreas de enfraquecimento e fortalecimento.
Particularmente em condições de alta temperatura, as juntas soldadas de metais diferentes apresentam frequentemente falhas prematuras durante o serviço.
A maioria dos métodos de soldadura pode ser aplicada a soldar metais dissimilaresNo entanto, ao escolher um método de soldadura e ao estabelecer as medidas do processo, devem ser tidas em conta as características da soldadura de metais dissimilares.
Com base nos requisitos do material de base e da junta soldada, a soldadura por fusão, soldadura por pressãoe outros métodos têm encontrado aplicações na soldadura de metais diferentes, cada um com as suas próprias vantagens e desvantagens.
A soldadura por fusão é amplamente utilizada na soldadura de metais dissimilares.
Os métodos comuns de soldadura por fusão incluem a soldadura com elétrodo de vareta, a soldadura por arco submerso, a soldadura por arco com proteção gasosa, a soldadura por escória eléctrica, a soldadura por arco de plasma, a soldadura por feixe de electrões e soldadura a laser.
Para reduzir a diluição, diminuir o rácio de fusão ou controlar a quantidade de fusão de diferentes metais de base, são normalmente escolhidos métodos com maior densidade de energia da fonte de calor, como a soldadura por feixe de electrões, a soldadura por laser ou a soldadura por arco de plasma.
Para minimizar a profundidade de fusão, podem ser adoptadas medidas tecnológicas como o arco indireto, o fio de soldadura oscilante, o elétrodo de banda e o fio de soldadura adicional não electrificado.
No entanto, em qualquer caso, desde que se trate de soldadura por fusão, uma parte do material de base derreterá sempre no cordão de soldadura, causando diluição.
Além disso, formará também compostos intermetálicos, estruturas eutécticas, etc.
Para atenuar estes efeitos adversos, é imperativo controlar e encurtar o tempo de permanência dos metais no estado líquido ou sólido a alta temperatura.
No entanto, apesar das melhorias e avanços contínuos nos métodos e procedimentos de soldadura por fusão, continua a ser um desafio resolver todos os problemas associados à soldadura de diferentes tipos de metais.
Dada a diversidade de metais e a ampla gama de requisitos de desempenho, juntamente com os variados estilos de junta, em muitos casos, a soldadura por pressão ou outros métodos de soldadura devem ser utilizados para resolver problemas específicos. problemas de soldadura relacionados com diferentes juntas metálicas.
A maioria dos métodos de soldadura por pressão apenas aquece os metais a soldar até um estado plástico ou não os aquece de todo, caracterizando-se principalmente pela aplicação de uma determinada pressão.
Em comparação com a soldadura por fusão, a soldadura por pressão tem certas vantagens na soldadura de juntas de metais diferentes, desde que a forma da junta o permita e a qualidade da soldadura cumpre os requisitos, a soldadura por pressão é frequentemente uma escolha mais razoável.
Durante a soldadura por pressão, a superfície de junção de diferentes metais pode ser fundida ou permanecer sólida, mas devido ao efeito da pressão, mesmo que haja metal fundido na superfície, este será espremido para fora (como na soldadura por flash e soldadura por fricção).
Só em alguns casos é que o metal que foi fundido permanece após a soldadura por pressão (como em soldadura por pontos).
A soldadura por pressão, devido à ausência de calor ou à baixa temperatura de aquecimento, pode atenuar ou evitar os efeitos adversos do ciclo térmico nas propriedades do metal de base e impedir a formação de compostos intermetálicos frágeis.
Algumas formas de soldadura por pressão podem até espremer os compostos intermetálicos que se formaram na junta.
Além disso, não ocorrem alterações relacionadas com a diluição nas propriedades do metal de solda durante a soldadura por pressão.
No entanto, a maioria dos métodos de soldadura por pressão tem determinados requisitos para as formas das juntas.
Por exemplo, a soldadura por pontos, soldadura por costuraA soldadura por fricção e a soldadura por ultra-sons devem utilizar juntas sobrepostas; pelo menos uma peça de trabalho deve ter uma secção transversal rotativa na soldadura por fricção; a soldadura por explosão só é aplicável a ligações de áreas maiores.
O equipamento de soldadura por pressão também ainda não está muito difundido. Estes factores limitam, sem dúvida, a gama de aplicações da soldadura por pressão.
Para além da soldadura por fusão e da soldadura por pressão, existem vários outros métodos de soldadura de metais diferentes. Por exemplo, brasagem é um método que utiliza um metal de adição para a ligação de diferentes metais de base.
No entanto, o foco aqui é um tipo especial de método de brasagem.
Uma dessas técnicas é conhecida como brasagem por fusão, em que o material de ponto de fusão mais baixo numa junta de metal dissimilar é submetido a soldadura por fusão e o material de ponto de fusão mais elevado é submetido a brasagem. O metal de adição corresponde normalmente ao metal de base de baixo ponto de fusão.
Como tal, o processo entre o metal de adição e o metal de base de baixo ponto de fusão é essencialmente um processo de soldadura por fusão do mesmo metal e não coloca quaisquer desafios únicos.
A interação entre o metal de adição e o metal de base de elevado ponto de fusão é um processo de brasagem. O metal de base não derrete nem cristaliza, contornando muitos problemas relacionados com a soldadura.
No entanto, isto requer que o metal de adição humedeça eficazmente o metal de base.
Outra técnica é conhecida como brasagem eutéctica ou brasagem por difusão eutéctica. Este método envolve o aquecimento da superfície de contacto de metais dissimilares a uma determinada temperatura que forma um eutéctico de baixo ponto de fusão no ponto de contacto.
Este eutéctico de baixo ponto de fusão torna-se líquido a esta temperatura, criando essencialmente um método de brasagem que não necessita de metal de enchimento adicional.
Naturalmente, isto requer que os dois metais formem um eutéctico de baixo ponto de fusão.
Em caso de metal dissimilar soldadura por difusãoA camada intermédia é introduzida e, sob baixa pressão, a camada intermédia funde ou forma um eutéctico de baixo ponto de fusão ao entrar em contacto com os metais a soldar.
Esta fina camada de líquido, após um período específico de conservação de calor, permite que a camada intermédia se difunda totalmente no metal de base e se torne uniforme, resultando numa junta de metal dissimilar sem camada intermédia.
Estes métodos envolvem frequentemente uma pequena quantidade de metal líquido durante o processo de soldadura, pelo que também são referidos como soldadura de transição de fase líquida. A sua caraterística comum é a ausência de estruturas fundidas na junta.
a. Do ponto de vista da igualdade de resistência, selecionar varetas de soldadura que satisfaçam a resistência do metal de base.
Alternativamente, considerando o soldabilidade do metal de base, optar por varetas de soldadura que não sejam de igual resistência mas que ofereçam uma boa soldabilidade.
No entanto, a estrutura da soldadura deve ser considerada para cumprir os requisitos de igual resistência e igual rigidez.
b. Assegurar que a composição da liga seja igual ou próxima da do metal de base.
c. Quando o metal de base contém uma maior quantidade de impurezas nocivas como o carbono (C), o enxofre (S) e o fósforo (P), escolha varetas de soldadura com uma resistência superior à fissuração e à porosidade. Sugere-se a utilização de varetas de soldadura do tipo titânio-cálcio. Se isto não resolver o problema, podem ser utilizadas varetas de soldadura do tipo sódio com baixo teor de hidrogénio.
a. Quando sujeitos a cargas dinâmicas e a cargas de impacto, para além de garantir a resistência, são necessários uma elevada tenacidade ao impacto e um elevado alongamento.
Neste caso, optar por varetas de soldadura com baixo teor de hidrogénio, titânio-cálcio e óxido de ferro.
b. Se as soldaduras estiverem em contacto com meios corrosivos, é necessário selecionar um aço inoxidável adequado vareta de soldadura com base no tipo, na concentração e na temperatura de funcionamento do meio, bem como no facto de se tratar de corrosão geral ou de corrosão intergranular.
c. Em condições de funcionamento que impliquem desgaste, distinguir se se trata de desgaste geral ou de impacto e se o desgaste ocorre à temperatura ambiente ou a alta temperatura.
d. Para operações em condições de temperatura extrema, escolher varetas de soldadura que garantam um desempenho mecânico a baixa ou alta temperatura.
a. Para a soldadura de peças com formas complexas ou de espessura elevada, o metal de solda sofre uma tensão de retração significativa durante o arrefecimento, o que pode provocar fissuras.
É essencial escolher varetas de soldadura com elevada resistência à fissuração, tais como varetas com baixo teor de hidrogénio, varetas de elevada dureza ou varetas de óxido férrico.
b. Para soldar peças que não podem ser viradas devido a certas condições, é necessário selecionar varetas de soldadura capazes de soldar em todas as posições.
c. Para peças de soldadura em que a área de soldadura é difícil de limpar, escolher varetas altamente oxidantes que sejam insensíveis à pele de óxido e à gordura, para evitar a ocorrência de defeitos como orifícios de ar.
Em locais sem máquinas de soldadura de corrente contínua, não é adequado escolher varetas de soldadura que funcionem apenas com energia de corrente contínua. Em vez disso, devem ser seleccionadas varetas que possam utilizar tanto a corrente alternada como a corrente contínua.
Alguns materiais de aço, como o aço perlítico resistente ao calor, requerem um alívio das tensões pós-soldadura.
No entanto, se as condições do equipamento ou as limitações estruturais inerentes impedirem o tratamento térmico, recomenda-se a utilização de varões de materiais não metálicos de base, como o aço inoxidável austenítico, que não requerem tratamento térmico pós-soldadura.
Nos locais onde as varas de soldadura ácidas e alcalinas satisfazem os requisitos, as varas ácidas devem ser preferidas.
Quando o desempenho é o mesmo, as varetas de soldadura ácidas de preço mais baixo devem ser seleccionadas em vez das alcalinas.
Entre as varetas de soldadura ácidas, titânio e os tipos de titânio-cálcio são mais caros.
Considerando a situação dos recursos minerais do nosso país, devemos promover fortemente a utilização de varetas revestidas de titânio-ferro.
3. Considerar a complexidade da forma do conjunto, o nível de rigidez, o estado de preparação da abertura de soldadura e a posição de soldadura.
a. Para a soldadura de peças com formas complexas ou espessuras elevadas, o metal de solda sofre uma tensão de contração significativa durante o arrefecimento, o que pode provocar fissuras. É essencial escolher varetas de soldadura com elevada resistência à fissuração, tais como varetas com baixo teor de hidrogénio, varetas de elevada dureza ou varetas de óxido férrico.
b. Para soldar peças que não podem ser viradas devido a certas condições, é necessário selecionar varetas de soldadura capazes de soldar em todas as posições.
c. Para peças de soldadura em que a área de soldadura é difícil de limpar, escolher varetas altamente oxidantes que sejam insensíveis à pele de óxido e à gordura, para evitar a ocorrência de defeitos como orifícios de ar.
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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