A escolha dos materiais de soldadura correctos é fundamental para garantir soldaduras fortes e duradouras. Este guia explora os princípios e as melhores práticas para a seleção de materiais de soldadura com base nos requisitos de desempenho das juntas soldadas, considerações sobre o processo de fabrico e factores económicos. Do aço carbono ao aço inoxidável, o artigo fornece critérios detalhados para vários materiais, ajudando-o a tomar decisões informadas para obter resultados de soldadura óptimos. Quer esteja a lidar com condições de alta temperatura ou a procurar soluções económicas, encontrará informações valiosas para melhorar os seus projectos de soldadura.
Para obter juntas soldadas de alta qualidade, a seleção dos materiais de soldadura deve ser razoável. Devido às grandes diferenças nas condições de funcionamento dos componentes soldados, as propriedades do material e a composição do material de base variam muito, e o processo de fabrico dos componentes é complexo e diversificado.
Por conseguinte, é necessário considerar de forma abrangente vários aspectos para determinar os materiais de soldadura correspondentes.
A seleção dos materiais de soldadura deve seguir os seguintes princípios:
(1) Cumprir os requisitos de junta de soldadura desempenho, incluindo resistência a curto prazo à temperatura ambiente e a altas temperaturas, desempenho de flexão, resistência ao impacto, dureza, composição química e requisitos especiais de desempenho para juntas em normas técnicas e desenhos de projeto, tais como resistência a longo prazo, limite de fluência, resistência à oxidação a altas temperaturas, resistência à corrosão, etc.
(2) Cumprir os requisitos de desempenho do processo de fabrico e de desempenho do processo de soldadura de juntas soldadas.
Os componentes que compõem a junta soldada necessitam inevitavelmente de vários processos de conformação e corte durante o processo de fabrico, tais como estampagem, laminagem, dobragem, torneamento, aplainamento, etc., exigindo que a junta soldada tenha uma certa capacidade de deformação plástica, desempenho de corte, desempenho abrangente a altas temperaturas, etc.
O processo de soldadura exige um bom desempenho do processo de material de soldadura e a capacidade de resistir a defeitos como a fissuração, de acordo com as diferenças nas propriedades de soldadura do material de base.
(3) Economia razoável.
Embora cumprindo os requisitos mínimos para os vários desempenhos e desempenhos de fabrico acima mencionados, devem ser escolhidos materiais de soldadura baratos para reduzir os custos de fabrico e aumentar os benefícios económicos.
Por exemplo, ao soldar aço com baixo teor de carbono para componentes importantes utilizando a soldadura por arco manual, os eléctrodos com revestimento alcalino devem ser preferidos porque são totalmente desoxidados, dessulfurados e têm um baixo teor de hidrogénio, com boa resistência à fissuração e resistência ao impacto do metal de solda.
No caso de alguns componentes não críticos, podem ser utilizados eléctrodos ácidos, uma vez que podem satisfazer os requisitos de desempenho dos componentes não críticos, têm boa processabilidade e são baratos, o que pode reduzir os custos de fabrico.
Ao selecionar materiais de soldadura para aço-carbono e aço de baixa liga de aço (incluindo o aço resistente ao calor de baixa liga e o aço de alta resistência de baixa liga), devem ser considerados os seguintes factores:
(1) Princípios de igual força e igual dureza
Para os componentes que suportam pressão, os cálculos de resistência baseiam-se normalmente na tensão de tração admissível do material.
A tensão de tração admissível está relacionada com o limite inferior da resistência à tração normalizada do material, ou seja, a tensão admissível [σ] = σb / nb (os valores de nb variam de acordo com as diferentes normas), em que [σ] é a tensão de tração admissível do material, σb é o limite inferior da resistência à tração normalizada do material, e nb é o fator de segurança (os valores de nb variam de acordo com as diferentes normas).
Por conseguinte, como parte do componente, a resistência à tração da soldadura não deve ser inferior ao limite inferior da resistência à tração normalizada do material de base.
Ao mesmo tempo, deve prestar-se atenção ao facto de a resistência à tração do metal depositado do material de soldadura não dever ser muito superior à resistência à tração do material de base, o que pode levar a uma redução da plasticidade da soldadura e a um aumento da dureza, o que não é propício aos processos de fabrico subsequentes.
Embora os cálculos de resistência considerem apenas a resistência à tração do material e várias normas de avaliação de processos não exijam a limite de elasticidade da soldadura, ao selecionar os materiais de soldadura, o limite de elasticidade do metal depositado do material de soldadura também deve ser considerado como não sendo inferior ao limite de elasticidade do material de base, e deve prestar-se atenção para assegurar uma certa relação entre o limite de elasticidade e a resistência à tração.
Quando a junta funciona a temperaturas elevadas, o cálculo da tensão admissível baseia-se normalmente no limite inferior da resistência à tração a alta temperatura a curto prazo especificada pelo material à temperatura de funcionamento (ou temperatura de projeto), ou seja, [σt] = σbt / nb, em que [σt] é a tensão admissível calculada com base no limite inferior da resistência à tração a alta temperatura a curto prazo à temperatura t, σbt é o limite inferior da resistência à tração a alta temperatura a curto prazo especificada pelo material à temperatura t, ou a tensão admissível é calculada com base na resistência a longo prazo e no limite de fluência do material à temperatura de funcionamento, ou seja, [σD t] = σDt / nD, em que [σDt] é a tensão admissível calculada com base na resistência a longo prazo à temperatura t, σDt é a resistência a longo prazo do material à temperatura t, e nD é o fator de segurança (os valores de nD variam consoante as diferentes normas).
Por conseguinte, ao selecionar materiais de soldadura para juntas soldadas que funcionam a alta temperatura, a sua resistência à tração a alta temperatura a curto prazo ou a longo prazo não deve ser inferior aos valores correspondentes do material de base.
Para o aço-carbono e o aço de baixa liga comum, a seleção de materiais de soldadura considera principalmente a resistência à tração do material de soldadura, e a correspondência da composição química entre o metal depositado e o metal de base pode não ser considerada.
No entanto, no caso do aço Cr-Mo resistente ao calor, a seleção dos materiais de soldadura deve ter em conta não só a sua igual resistência, mas também a correspondência com a elementos de liga para garantir que o desempenho global da junta soldada é consistente com o metal de base.
Em casos especiais em que os componentes são concebidos com base na tensão de cedência do material, o princípio da tensão de cedência igual deve ser um fator de consideração importante.
Devido às diferentes condições de funcionamento dos componentes, a fratura frágil ocorre frequentemente durante o funcionamento devido a uma tenacidade insuficiente, especialmente no caso de componentes que trabalham a baixas temperaturas ou de componentes de paredes espessas de elevada resistência.
Por conseguinte, as normas relevantes têm requisitos claros para a resistência ao impacto das juntas soldadas. Ao selecionar os materiais de soldadura, é necessário garantir que a resistência ao impacto da soldadura cumpre os requisitos das normas relevantes.
No entanto, as diferentes normas têm requisitos diferentes para a resistência ao impacto da junta. Os regulamentos de supervisão da segurança das caldeiras a vapor estipulam que a resistência ao impacto da junta soldada não deve ser inferior ao limite inferior da resistência ao impacto especificada pelo material de base.
Se o material de base não tiver um índice de resistência ao impacto, este não deve ser inferior a 27J. O Vaso de pressão em aço A norma GB150 especifica que o valor da resistência ao impacto da junta é determinado de acordo com a resistência à tração mais baixa do aço. Para o aço-carbono e o aço de baixa liga, a resistência mínima ao impacto da junta é:
Para os recipientes a baixa temperatura, o valor da resistência ao impacto não deve ser inferior ao limite inferior do valor especificado para o material de base.
No entanto, a norma ASME VIII-1 determina se a junta precisa de garantir o desempenho da resistência ao impacto com base no nível de resistência, na espessura, na temperatura de trabalho e no rácio entre a tensão de projeto e a tensão admissível do material.
Se a junta tiver requisitos de resistência ao impacto, o valor mínimo garantido de resistência ao impacto é especificado com base no nível de resistência e na espessura do material.
Em resumo, ao selecionar os materiais de soldadura, devemos determinar os requisitos para a resistência ao impacto da junta de acordo com as normas de conceção, fabrico e inspeção do produto, e selecionar materiais de soldadura adequados para cumprir os requisitos da norma, ou seja, os requisitos para o desempenho da utilização.
Ao considerar os requisitos de resistência ao impacto, deve prestar-se atenção à temperatura de projeto e à temperatura de funcionamento da estrutura.
Se a temperatura de funcionamento for igual ou superior à temperatura ambiente, só é necessário manter a resistência ao impacto da junta à temperatura ambiente; se for inferior à temperatura ambiente, deve ser assegurado o valor de resistência ao impacto especificado na norma ou no desenho à temperatura correspondente.
Naturalmente, o desempenho da junta soldada não está apenas relacionado com os materiais de soldadura, mas também com as características específicas da junta. processo de soldadura.
Por conseguinte, a seleção de materiais de soldadura para a junta é uma questão complicada.
(2) Considerar os requisitos e impactos dos processos de fabrico
Após a soldadura dos componentes, estes têm frequentemente de ser submetidos a vários processos de conformação como a laminagem, a prensagem, a dobragem e a calibragem.
Por conseguinte, as juntas soldadas e os materiais de base devem ter uma certa capacidade de deformação, especialmente a capacidade de deformação a frio, que é medida pelo ensaio de flexão da junta. Muitas normas estabeleceram requisitos claros para o ensaio de flexão de juntas soldadas de vários materiais.
Os "Regulamentos de Supervisão Técnica de Segurança de Caldeiras a Vapor" estipulam que o diâmetro do eixo de flexão D=3a (a é a espessura do espécime) durante o ensaio de flexão, e o aço carbono é qualificado para um ângulo de flexão de 180°, enquanto o aço de baixa liga é qualificado para 100°.
GB150-99 Steel Pressure Vessels e ASME Section IX estipulam que quando qualquer material é submetido ao ensaio de flexão, o diâmetro do eixo de flexão D=4a, e o ângulo de flexão de 180° é qualificado.
Por conseguinte, ao selecionar os materiais de soldadura, o desempenho de flexão do metal de solda deve cumprir os requisitos das normas acima referidas.
Além disso, a seleção dos materiais de soldadura deve também considerar os efeitos dos processos de tratamento térmico pós-soldadura (como o recozimento pós-soldadura, a normalização), têmpera e revenimentoetc.) nas propriedades do metal de soldadura.
É de notar que a pós-soldadura recozimento O tratamento térmico, especialmente a normalização pós-soldagem, pode causar alterações significativas nas propriedades do metal de solda. Quando o componente de soldadura é relativamente fino, o tratamento térmico de alívio de tensões após a soldadura não é necessário.
Desde que o desempenho do metal de solda na condição de soldado cumpra os requisitos relevantes. Para componentes de soldadura de paredes espessas, de acordo com as normas de fabrico relevantes, o recozimento de alívio de tensões deve ser efectuado após a soldadura se a espessura da parede exceder um determinado limite.
Diferentes temperaturas de aquecimento e tempos de espera durante o tratamento térmico conduzirão a diferentes alterações nas propriedades do metal de solda.
Em engenharia, o parâmetro de Larson-Miller, também conhecido como parâmetro de têmpera, é utilizado para discutir as propriedades da junta afectadas pela temperatura de aquecimento e pelo tempo de retenção do recozimento de alívio de tensões. A fórmula para o parâmetro de revenimento é:
[P]=T(20+logt)×10-3
Onde T é a temperatura absoluta em Kelvin, e t é o tempo em horas.
Parâmetros de têmpera〔P〕=T（20+Logt）×10-3
Geralmente, à medida que o valor de [P] aumenta, a resistência à tração e o limite de elasticidade do metal de solda diminuem, o alongamento aumenta e a resistência ao impacto flutua.
As figuras 1 e 2 mostram a relação entre os parâmetros de têmpera do metal depositado e as propriedades mecânicas das varetas de soldadura CMA96 e CMA106, respetivamente.
Por conseguinte, ao selecionar o tratamento térmico pós-soldadura para materiais de soldadura, é necessário considerar se as propriedades mecânicas do metal depositado no valor [P] correspondente cumprem as normas relevantes.
É de notar que, quando a junta soldada tem de ser submetida a estampagem a quente, calibragem a quente, laminagem a quente ou outros processos de conformação a quente após a soldadura, se a temperatura de aquecimento atingir um valor superior à temperatura AC3 do material e for mantida durante um período de tempo antes do arrefecimento em ar parado, a taxa de arrefecimento durante processo de normalização é muito mais lento do que durante o processo de soldadura.
O processo normalizado fará com que o metal de solda permaneça mais tempo a 800-500 ℃ do que durante o processo de soldagem.
Permitir que o aço seja aquecido acima de AC3 durante o processo de normalização causará a austenitização completa, seguida de recristalização durante o arrefecimento, o que destrói a estrutura originalmente arrefecida do metal de solda e reduz grandemente o resistência da soldadura.
A redução mais grave pode exceder 100 MPa. Por conseguinte, para as juntas soldadas que necessitam de ser submetidas a processos de enformação a quente, o material de soldadura selecionado deve ter um nível de resistência 50-100 MPa superior ao do material soldado no estado como soldado ou com tratamento de alívio de tensões.
Por exemplo, para o 19Mn6, o fio de soldadura por arco submerso na condição de soldado é o H08MnMO, enquanto que para as condições normalizadas e temperadas, deve ser utilizado o H08Mn2Mo.
Para o SA675, um material de haste de elevação de tambor de vapor de 300.000 kW com uma resistência mínima à tração de 485 MPa, a haste de soldadura J507 é normalmente utilizada para soldadura por arco manual.
No entanto, no caso de juntas soldadas em secções de curvatura que são submetidas a tratamento de curvatura a quente e normalização, recomenda-se a norma J607 com base em resultados experimentais.
Ao selecionar materiais de soldadura para juntas soldadas sujeitas a tratamentos de normalização e de têmpera, não só se deve considerar que a resistência aumenta em 50-100MPa acima das condições habituais, mas também que a composição química do metal de soldadura deve ser equivalente à do material de base. Isto deve-se ao facto de a composição e o teor da liga determinarem a temperatura AC3 do material.
Se a composição química do metal de solda e do material de base for muito diferente, a temperatura AC3 também será muito diferente. Quando o material de base e o metal de solda são normalizados juntos, é impossível determinar a temperatura de normalização apropriada.
Além disso, se a junta soldada necessitar de tratamento de têmpera e revenido, o impacto desse tratamento no desempenho da junta também deve ser considerado. A resistência do material de soldadura para juntas temperadas e revenidas pode ser inferior à das juntas normalizadas e temperadas.
Por exemplo, para o BHW35, o H10Mn2NiMo é utilizado após a soldadura por arco elétrico e normalização, enquanto que para o tratamento de têmpera e revenido, pode ser utilizado o H10Mn2Mo.
Considerar o soldabilidade dos materiais e as características metalúrgicas dos métodos de soldadura. Diferentes materiais têm diferentes capacidades de soldadura, e existem diferentes requisitos para o conteúdo de certos elementos-chave. Ao selecionar os materiais de soldadura, a soldabilidade do material deve ser considerada.
Por exemplo, o metal de solda do aço resistente ao calor 2.25Cr-1Mo pode experimentar o chamado fenômeno de fragilização por têmpera ao manter ou resfriar lentamente na faixa de temperatura de 332-432 ℃, o que causa um aumento significativo na temperatura de transição frágil do metal de solda.
Estudos demonstraram que a sensibilidade da fragilização por temperamento deste tipo de soldadura é causada por impurezas de P, As, Sb e Sn que se desviam nos limites de grão. Acredita-se geralmente que a fragilização por têmpera a baixa temperatura do metal de solda está relacionada com o teor de P e Si. Os teores de P e Si no metal de solda devem ser reduzidos para P≤0,015% e Si ≤0,15%.
Por conseguinte, para a soldadura por arco submerso de aço Cr-Mo resistente ao calor, o HJ350 fluxo de soldadura com manganês médio e silício médio deve ser selecionado em vez de HJ431 combinado com fio H08Cr3MnMoA. A sensibilidade da fragilização por têmpera do metal de solda depende da série de ligas do metal de solda. Da mesma forma, os metais de solda das séries C-Mo, Mn-Mo e Mn-Ni-Mo também têm problemas de fragilização por têmpera.
Os materiais de soldadura com fluxo de soldadura HJ350 correspondente devem ser utilizados para o fio de soldadura por arco submerso das séries acima mencionadas para reduzir o teor de Si no metal de solda. Por exemplo, o fio de soldadura por arco submerso H08Mn2Mo deve ser combinado com o fluxo de soldadura HJ350 para soldar BHW35. Se for necessária uma maior resistência ao impacto do metal de solda, o fluxo de soldadura também deve ser HJ250 ou fluxo misto HJ250+HJ350.
No entanto, para os fios de soldadura com baixo teor de silício, tais como H08MnA e H10Mn2, não há fenómeno de fragilização por têmpera no metal de solda. Estes dois tipos de fios de soldadura devem ser utilizados com o fluxo de soldadura de alto silício e alto manganês HJ431 ao soldar o aço 20# ou 16Mn.
Ao utilizar fluxos de soldadura com elevado teor de manganês e silício, a poça de fusão será siliconizada, e uma certa quantidade de silício no metal de solda é benéfica para o processo de desoxidação do metal de solda, evitando a ocorrência de poros. Ao selecionar os materiais de soldadura, as características metalúrgicas dos diferentes métodos de soldadura também devem ser consideradas.
Por exemplo, para a soldadura por arco de metal a gás com CO2 ou CO2+Ar como gás de proteçãoNão existe qualquer reação metalúrgica entre o fluxo ou o fio de soldadura e o metal durante o processo de soldadura. No entanto, pode haver uma reação entre o CO2 e o elementos metálicos para formar óxido de ferro FeO.
Por conseguinte, o fio de soldadura deve conter quantidades adequadas de silício e manganês para reduzir a reação de redução e assegurar a formação de uma estrutura de soldadura densa. Em soldadura de tungsténio inerte soldadura a gásNão há reação de oxidação-redução, e o fio de enchimento e o material de base são efetivamente refundidos.
Por conseguinte, o soldadura por arco de árgon O arame deve estar totalmente desoxidado e não devem ser utilizados materiais de aço em ebulição. Caso contrário, ocorrerão poros na soldadura. Calmo material de aço e não é necessário ter um determinado teor de Si e Mn no fio de soldadura
Por exemplo, quando se utiliza aço resistente ao calor 15CrMo para soldar com soldadura por arco de árgon, deve ser selecionado o fio de soldadura H08CrMo; enquanto que para o elétrodo de fusão soldadura com proteção gasosaDeve ser escolhido o fio de soldadura H08CrMnSiMo.
O princípio da mesma resistência dos materiais de soldadura e dos materiais de base não é inteiramente aplicável ao aço inoxidável austenítico. Quando utilizado em ambientes corrosivos sem requisitos específicos de resistência, a principal preocupação são as propriedades anti-corrosão da junta soldada.
Se for utilizado em condições de alta temperatura e alta pressão com trabalho a curto prazo, é necessária uma certa resistência a alta temperatura e a curto prazo, enquanto o trabalho a longo prazo exige uma resistência duradoura suficiente e um limite de fluência do metal de solda.
Por exemplo, quando os tubos SA213-TP304H são utilizados em condições de alta pressão e alta temperatura, devem ser seleccionados materiais de soldadura E308H.
Quando se soldam aços inoxidáveis austeníticos, a seleção de materiais de soldadura considera principalmente que a composição química do metal depositado deve ser equivalente à do material de base.
Desde que a composição química do metal depositado do material de soldadura seja a mesma que a do material de base, o desempenho do metal de solda pode ser equivalente ao do material de base, incluindo propriedades mecânicas, resistência à corrosão, etc.
Deve ser prestada especial atenção aos requisitos especiais de resistência à corrosão no âmbito das condições do processo de fabrico ou dos desenhos.
Para evitar a fissuração intergranular durante a soldadura, é preferível utilizar materiais de soldadura de aço inoxidável com baixo teor de carbono (ultra-baixo carbono) e contendo Ti e Nb.
Se o teor de SO2 no revestimento ou no fluxo da vareta de soldadura for demasiado elevado, não é adequado para soldar aços austeníticos com elevado teor de níquel.
Para evitar fissuras a quente na soldadura (fissuras de solidificação), o teor de impurezas como o P, o S, o Sb e o Sn deve ser controlado, sendo preferível evitar a formação de uma fase monofásica austenite estrutura no metal de solda, tanto quanto possível.
Embora muitos materiais sugiram que o teor de ferrite no metal de solda do aço inoxidável austenítico é benéfico para reduzir a tendência de soldadura fissuração de metaisNo entanto, há muitos anos que se utiliza uma grande quantidade de metal de solda de aço inoxidável austenítico puro e as juntas têm tido um bom desempenho.
Um teor adequado de ferrite é vantajoso para a resistência à corrosão em certos meios, mas prejudicial para o impacto do metal de solda em condições de baixa temperatura.
Tendo em consideração todos os factores, é geralmente desejável que o teor de ferrite no aço inoxidável austenítico se situe entre 4% e 12%, uma vez que um teor de ferrite de 5% pode alcançar uma resistência satisfatória à corrosão intergranular.
O teor de ferrite na soldadura pode ser estimado utilizando a composição química do metal de soldadura, convertido em equivalente de Cr e equivalente de Ni, através de um gráfico de microestrutura.
Os gráficos normalmente utilizados incluem WRC-1988, Esptein e DeLong.
A tabela WRC-1988 é adequada para os aços inoxidáveis da série 300 e para os aços inoxidáveis duplex, mas não é aplicável a materiais com N>0,2% e Mn>10%. A tabela Epstein é adequada para os aços inoxidáveis austeníticos reforçados com azoto da série 200 com Mn<1,5% e N<0,25%.
Ao selecionar austeníticos soldadura de aço inoxidável materiais, deve ser dada atenção à influência dos métodos de soldadura na composição química do metal depositado. A soldadura com gás inerte de tungsténio tem o menor efeito na alteração da composição química do metal de solda, e as outras alterações, com exceção de C e N, são pequenas no metal de solda não diluído.
Em particular, a perda de C é a maior. Por exemplo, quando o teor de C do elétrodo é 0,06%, o teor no metal depositado não diluído da soldadura por arco de árgon é 0,04%, e o teor de N no metal de solda aumenta em cerca de 0,02%.
Os teores de Mn, Si, Cr, Ni e Mo no metal depositado podem sofrer ligeiras alterações durante a soldadura por arco com elétrodo de fusão com proteção gasosa, enquanto a perda de C é apenas 1/4 da perda da soldadura por arco com árgon, e o aumento do teor de N é muito maior. A quantidade de aumento difere de acordo com os diferentes processos de soldadura, até um máximo de 0,15%.
Durante a soldadura manual por arco e a soldadura automática por arco submerso, os elementos de liga no metal de solda são afectados conjuntamente pelo revestimento, fluxo, fio de soldadura e elétrodo.
Especialmente para materiais de soldadura com transição de elementos de liga através do revestimento ou fluxo, é impossível estimar a composição química do metal de solda pela composição química do fio ou elétrodo de soldadura.
É claro que o teor de ferrite na soldadura pode ser estimado a partir do teor de liga no metal de solda, mas este valor estimado tem um certo desvio do valor real porque a taxa de arrefecimento durante o processo de soldadura também afecta o teor de ferrite.
É geralmente aceite que se o teor de elementos de liga no metal de solda for exatamente o mesmo, o teor de ferrite será diferente dependendo do método de soldadura.
O teor de ferrite é mais elevado no revestimento de tiras e mais baixo na soldadura por arco de árgon. Mesmo com o mesmo revestimento de tiras, verificou-se que o teor de ferrite no início e no fim da soldadura era cerca de 2-3% inferior ao do segmento intermédio.
Com a normalização da materiais em aço inoxidável e materiais de soldadura, a seleção de materiais de soldadura de aço inoxidável austenítico tornou-se simples. Os tipos de materiais de soldadura correspondentes podem ser seleccionados com base na classes de materiais de aço inoxidávelcomo, por exemplo, a seleção de eléctrodos E316 para o aço inoxidável SA240-316.
Para aço inoxidável martensíticoPor isso, é melhor utilizar materiais de soldadura que sejam iguais ao material de base. Por exemplo, o aço 1Cr13 deve utilizar materiais de soldadura da série E410, e o número do elétrodo de soldadura para a soldadura por arco manual é G217.
No entanto, a estrutura do metal de solda de materiais de soldagem comuns correspondentes a 1Cr13 tem martensita e ferrita grosseiras, que são duras e quebradiças e propensas a rachaduras. Além disso, a soldagem deve ser pré-aquecida a 250-350 ℃.
Para melhorar o desempenho, o teor de S e P nos materiais de soldadura deve ser limitado, o teor de Si deve ser controlado (≤0,30%) e o teor de C deve ser reduzido. Uma pequena quantidade de Ti, Al e Ni pode ser adicionada para refinar o grão e reduzir a temperabilidade.
Alguns dados mostram que a adição de teor de Nb (até cerca de 0,8%) aos materiais de soldadura pode obter uma estrutura de ferrite monofásica. No fio de soldadura CO2, os elementos Ti e Mn devem ser adicionados para atingir o objetivo de desoxidação.
O aço inoxidável martensítico também pode utilizar materiais de soldadura de aço inoxidável austenítico. Neste momento, a influência da diluição do metal de base na composição do metal de solda deve ser considerada. Com um teor adequado de Cr e Ni, a formação de estrutura da martensite no metal de solda podem ser evitados. Por exemplo, os materiais de soldadura A312 (E309Mo) podem ser utilizados para soldar aço martensítico 1Cr13.
Para aço inoxidável ferríticoA soldadura é geralmente efectuada com materiais de soldadura que são os mesmos que o material de base. No entanto, a estrutura de ferrite da soldadura é grosseira e tem uma fraca tenacidade. A microestrutura da ferrite temperada pode ser melhorada aumentando o teor de Nb nos materiais de soldadura.
Entretanto, o tratamento térmico pode ser utilizado para melhorar a tenacidade do metal de solda. Para o aço inoxidável ferrítico que não pode ser tratado termicamente após a soldadura, podem também ser utilizados materiais de soldadura austeníticos puros para obter juntas soldadas com propriedades abrangentes.
A soldadura entre o aço de baixo carbono e o aço de baixa liga, que pertencem ambos ao aço ferrítico comum, bem como a soldadura entre diferentes aços de baixa liga, pertence à soldadura do mesmo material em aço diferente.
Para soldar esses aços, os materiais de soldadura são escolhidos com base no material de grau inferior, referindo-se a um nível de resistência mais baixo ou a um teor de elementos de liga mais baixo, a fim de garantir que as propriedades metalúrgicas da soldadura possam satisfazer os requisitos dos materiais de grau inferior.
A seleção de material de qualidade inferior também proporciona um melhor desempenho de soldadura a um preço relativamente mais barato, o que é benéfico para reduzir os custos de fabrico.
Por exemplo, ao soldar o mesmo material em aço diferente para o aço 20#, aço carbono SA106, 16Mn, 19Mn6, 15MnMoV, BHW35 e outros aços de baixa liga, os materiais de soldadura utilizados são completamente idênticos aos utilizados para soldadura de aço com baixo teor de carbono por si só.
Os materiais de soldadura correspondentes para a soldadura por arco manual, a soldadura por arco submerso e a soldadura com proteção gasosa são J507, H08MnA+HJ431 e H08Mn2Si, respetivamente.
Soldadura de aço de baixa liga resistente ao calor e de aço de média liga resistente ao calor
Devido à descontinuidade da composição química do cordão de soldadura num mesmo material de aço diferente, haverá uma descontinuidade correspondente no desempenho. Se esta descontinuidade afetar significativamente o desempenho da utilização, então os materiais de soldadura não podem ser seleccionados com base em princípios de baixa qualidade.
Por exemplo, ao soldar materiais SA213-T91 e SA213-T22, a escolha de materiais de soldadura 2.25Cr-1Mo para soldar de acordo com o princípio habitual de grau inferior resultaria num enriquecimento grave de carbono e descarbonização perto do metal de base T91 da linha de fusão no lado T91.
Isto deve-se ao facto de o T91 conter cerca de 9% de crómio, enquanto o fio de soldadura 2.25Cr-1Mo contém cerca de 2.25% de carbono.
Após o tratamento de recozimento pós-soldagem, o teor de crómio na zona afetada pelo calor no lado T91 é muito mais elevado do que no lado do cordão de soldadura, provocando a migração de uma grande quantidade de carbono para o metal de base e resultando em camadas de enriquecimento de carbono, que aumentam a dureza e provocam uma microestrutura ainda mais dura.
Por outro lado, o lado do cordão de soldadura sofre uma descarbonetação severa, com dureza mais baixa e microestrutura mais macia, levando à degradação do desempenho da junta.
Se for escolhido o material de soldadura 9Cr-1Mo, o cordão de soldadura do lado T22 sofrerá um enriquecimento de carbono e descarbonetação do material de base. É de notar que quando os componentes com tais descontinuidades de composição química funcionam a altas temperaturas, a migração de carbono continua durante muito tempo, deteriorando gravemente o desempenho da junta e causando falhas operacionais.
Estudos demonstraram que, para evitar ou reduzir os fenómenos acima referidos, podem ser utilizados materiais de soldadura com composições químicas intermédias de 5Cr-1Mo para a soldadura, ou podem ser adicionados elementos estabilizadores de carboneto, tais como Nb e V, aos materiais de soldadura para solidificar o elemento de carbono e reduzir a ocorrência de desvio de carbono.
Em experiências preliminares conduzidas por uma empresa nacional, a utilização de materiais de soldadura T91 contendo Nb e V, tais como CM-9cb, TGS-9cb e MGS-9cb, para soldar o mesmo material acima referido, aço diferente, produziu bons resultados.
Ao soldar juntas de aço dissimilares de aço-carbono, aço de baixa liga e aço inoxidável austenítico, a seleção dos materiais de soldadura deve basear-se na temperatura de trabalho da junta e nas condições de tensão.
Para juntas de aço dissimilares que suportam pressão e operam a temperaturas inferiores a 315°C, podem ser utilizados materiais de soldadura com elevado teor de liga de Cr e Ni em aço inoxidável austenítico. Com base na composição química do aço-carbono (aço-liga) e do aço austenítico, bem como no tamanho da relação de fusão, os materiais de soldadura adequados de aço inoxidável austenítico com teores adequados de Cr e Ni são seleccionados de acordo com um determinado diagrama de estrutura equivalente de níquel e equivalente de crómio para evitar a formação de martensite em grandes quantidades na soldadura.
É claro que, perto da linha de fusão do aço-carbono ou do aço de baixa liga, podem ocorrer pequenas zonas martensíticas. Ao reduzir a teor de carbono de o material de soldadura, a estrutura martensítica pode transformar-se em martensite de baixo teor de carbono com melhor plasticidade, o que pode garantir um bom desempenho da junta.
Para juntas de aço dissimilares que suportam pressão e funcionam a temperaturas superiores a 315°C, devem ser utilizados materiais de soldadura à base de níquel. Por exemplo, ECrNiFe-2, ERCrNiFe-3, etc. A principal razão é que a utilização de materiais de soldadura de aço inoxidável austenítico normal causará os seguintes problemas:
a) Devido à diferença significativa no coeficiente de expansão térmica entre a ferrite e a austeniteDurante o funcionamento a alta temperatura, podem ocorrer danos por tensão térmica e fadiga térmica.
b) Devido à grande diferença no teor de elementos de liga, podem ocorrer descarbonetação severa e camadas de enriquecimento de carbono na junta soldada sob operação a alta temperatura, levando à deterioração do desempenho a alta temperatura.
c) Devido à estrutura da zona de martensite perto da linha de fusão, a microestrutura local da soldadura torna-se temperada e endurecida.
A utilização de materiais de soldadura à base de níquel pode evitar os fenómenos acima referidos. Isto deve-se ao facto de:
a) O coeficiente de dilatação térmica dos materiais à base de níquel situa-se entre o da ferrite e o da austenite.
b) Os materiais à base de níquel não provocarão descarbonetação ou enriquecimento de carbono na junta soldada.
c) Os materiais à base de níquel não produzem uma estrutura de martensite durante a soldadura.
Este facto melhora consideravelmente o desempenho da junta a altas temperaturas.
No entanto, para as juntas soldadas sem pressão que funcionam a altas temperaturas, embora a utilização de eléctrodos à base de níquel possa satisfazer os requisitos de desempenho, o custo de fabrico é dispendioso e não há necessidade da sua utilização.
Outros materiais de soldadura mais baratos podem também atingir o mesmo objetivo. Através de um grande número de estudos experimentais, os países estrangeiros descobriram que, para materiais de soldadura sem pressão soldaduras de filete no fabrico de caldeiras, quando o tubo é feito de aço-carbono ou de aço de baixa liga e o acessório é feito de aço inoxidável austenítico, os materiais de soldadura devem ser seleccionados de acordo com os princípios de grau inferior.
Por exemplo, ao soldar tubos SA210C e acessórios SA240-304, o AWS E7018-A1 (GB E5018-A1) pode ser utilizado para soldadura por arco manual, e o MGS-M ou TGS-M (materiais de soldadura KOBE) pode ser utilizado para soldadura com proteção gasosa em vez de utilizar materiais de soldadura de aço inoxidável austenítico.
A principal razão é que a utilização de material de soldadura de aço inoxidável austenítico produzirá uma zona de martensite perto da linha de fusão no lado do tubo e, se ocorrerem fissuras no lado do tubo durante o funcionamento, causará fugas no tubo. No entanto, a utilização de materiais de soldadura comuns de baixa qualidade produzirá zonas de martensite perto da linha de fusão no lado da fixação. Mesmo que ocorram fissuras, estas não danificarão o tubo do lado da fixação.
Por outro lado, quando o tubo é feito de aço inoxidável austenítico e o acessório é feito de aço de baixo carbono ou aço de baixa liga, o material de soldadura E309Mo(L) deve ser utilizado para fazer com que a zona de martensite ocorra perto da linha de fusão no lado do acessório.
Estes princípios foram aplicados na produção de tubos de superfície de aquecimento de 300.000 kW e 600.000 kW e foram oficialmente aplicados na produção de tubos de superfície de aquecimento de 200.000 kW.
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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