Aperfeiçoamento da soldadura de aço inoxidável martensítico e duplex

1. O que é o aço inoxidável martensítico?

Refere-se a um tipo de aço inoxidável com uma microestrutura martensítica à temperatura ambiente e cujas propriedades mecânicas podem ser modificadas através de tratamento térmico.

Como descrição geral, é um tipo de aço inoxidável que pode ser endurecido.

Alguns tipos comuns de aço inoxidável martensítico incluem 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13, 3Cr13Mo, 1Cr17Ni2, 2Cr13Ni2, 9Cr18 e 9Cr18MoV.

Leitura relacionada: Graus de aço inoxidável

2. Métodos de soldadura comuns

O aço inoxidável martensítico pode ser soldado utilizando vários tipos de arco elétrico técnicas de soldadura.

Atualmente, a soldadura por arco com vareta continua a ser o método principal, enquanto a utilização de dióxido de carbono soldadura com proteção gasosa ou a soldadura com proteção gasosa mista de árgon e dióxido de carbono pode reduzir significativamente a quantidade de hidrogénio na soldadura, reduzindo assim o risco de fissuração a frio na soldadura.

3. Materiais de soldadura comuns

(1) Elétrodo e fio de aço inoxidável martensítico Cr13

Geralmente, quando é necessária uma maior resistência na soldadura, o Cr13 martensítico soldadura de aço inoxidável são utilizadas varetas e fios para tornar a composição química do metal de solda semelhante à do metal de base, mas isto aumenta a probabilidade de fissuração a frio.

Considerações:

a. O pré-aquecimento é necessário antes da soldadura e a temperatura não deve exceder 450°C para evitar a fragilização a 475°C.

Deve ser efectuado um tratamento térmico após a soldadura.

Quando a temperatura tiver arrefecido até 150-200°C, deve ser efectuado um tratamento térmico pós-soldadura durante 2 horas para permitir a transformação de todas as partes da austenite em martensite, seguido de uma têmpera a alta temperatura, em que a temperatura é aumentada para 730-790°C.

O tempo de espera deve ser de 10 minutos por cada 1mm de espessura da placa, mas não inferior a 2 horas, e finalmente deve ser arrefecido ao ar.

b. Para evitar a fissuração, o teor de S e P nas varetas e fios de soldadura deve ser inferior a 0,015% e o teor de Si não deve ser superior a 0,3%.

Um aumento do teor de Si pode causar a formação de ferrite primária grosseira, o que diminui a plasticidade da junta.

O teor de carbono deve ser normalmente inferior à do metal de base, o que pode reduzir a sua temperabilidade.

(2) Elétrodo e fio de aço inoxidável austenítico Cr Ni

O metal de solda do aço austenítico Cr Ni tem um elevado nível de plasticidade, que pode aliviar a tensão produzida durante a transformação martensítica na zona afetada pelo calor.

Além disso, as soldaduras do tipo aço inoxidável austenítico Cr Ni têm uma elevada solubilidade para o hidrogénio, o que pode diminuir a difusão do hidrogénio do metal de solda para a zona afetada pelo calor e prevenir eficazmente fissuras friasAssim, não é necessário um pré-aquecimento.

No entanto, a resistência da soldadura é relativamente baixa e não pode ser melhorada através de tratamento térmico pós-soldadura.

4. Comum problemas de soldadura

(1) Fissura por soldadura a frio

O aço inoxidável martensítico tem um elevado teor de crómio, o que aumenta significativamente a sua capacidade de endurecimento.

Independentemente do seu estado inicial antes da soldadura, a soldadura resulta sempre na formação de martensite perto da costura.

À medida que a tendência para o endurecimento aumenta, a junta torna-se mais propensa à fissuração a frio, especialmente quando há presença de hidrogénio. Nestas condições, o aço inoxidável martensítico é também propenso à formação de fissuração retardada induzida pelo hidrogénio.

Mmedidas:

• Uma corrente de soldadura com uma energia de fio elevada pode diminuir a taxa de arrefecimento.
• Diferentes tipos de aço exigem diferentes temperaturas de interpasse, que não devem ser inferiores à temperatura de pré-aquecimento.
• Um processo de arrefecimento lento após a soldadura a 150-200°C, seguido de um tratamento térmico pós-soldadura, é necessário para eliminar a soldadura tensão residualremover o hidrogénio difusível na junta e melhorar a estrutura e as propriedades da junta.

(2) Fragilização da zona afetada pelo calor

Os aços inoxidáveis martensíticos, particularmente aqueles com níveis mais elevados de elementos formadores de ferrite, têm uma maior tendência para o crescimento do grão.

Uma taxa de arrefecimento lenta pode levar à formação de ferrite grosseira e carboneto na zona afetada pelo calor da soldadura (ZTA), enquanto uma taxa de arrefecimento rápida pode causar o endurecimento e a formação de martensite grosseira na ZTA.

Estas estruturas grosseiras reduzem a plasticidade e a tenacidade da ZTA do aço inoxidável martensítico, tornando-o frágil.

Contramedidas:

• Manutenção de uma taxa de arrefecimento adequada;
• Seleção de uma temperatura de pré-aquecimento razoável. A temperatura de pré-aquecimento não deve exceder 450°C, uma vez que a exposição prolongada a temperaturas elevadas acima deste limiar pode provocar a fragilização a 475°C.
• Escolher criteriosamente os materiais de soldadura para ajustar a composição da soldadura e minimizar a presença de ferrite grosseira na soldadura.

5. Processo de soldadura

1) Pré-aquecimento antes da soldadura

O pré-aquecimento antes da soldadura é uma técnica crucial para evitar fissuras a frio.

Para teores de carbono entre 0,1% e 0,2%, a temperatura de pré-aquecimento deve situar-se entre 200 e 260°C, enquanto uma soldadura de alta resistência pode ser pré-aquecida a uma temperatura entre 400 e 450°C.

2) Arrefecimento após a soldadura

A soldadura não deve ser aquecida diretamente a partir do temperatura de soldadura para o tratamento de têmpera porque a austenite pode não estar totalmente transformada durante a soldadura.

O aquecimento e a têmpera imediatos após a soldadura podem provocar a precipitação de carbonetos ao longo da austenite limite de grão, resultando na transformação da austenite em perlite e numa estrutura de grão grosseiro, o que reduz significativamente a tenacidade.

Por conseguinte, a soldadura deve ser arrefecida antes da têmpera e a austenite na soldadura e na zona afetada pelo calor deve estar largamente decomposta.

Para soldaduras de baixa resistência, podem ser arrefecidas até à temperatura ambiente e depois temperadas.

Para soldaduras espessas, é necessário um processo mais complexo. Após a soldadura, deve ser arrefecido a 100-150°C, mantido quente durante 0,5-1 hora e depois aquecido à temperatura de têmpera.

3) Tratamento térmico pós-soldadura

O objetivo do tratamento térmico pós-soldadura é reduzir a dureza da soldadura e da zona afetada pelo calor, aumentar a sua plasticidade e tenacidade e diminuir tensão residual de soldadura.

O tratamento térmico pós-soldadura pode incluir a têmpera e a recozimento. A temperatura de têmpera deve situar-se entre 650-750°C, com um tempo de espera de 1 hora seguido de arrefecimento ao ar.

Se a soldadura necessitar de ser maquinada após a soldadura, a recozimento pode ser efectuada para obter uma dureza mínima.

A temperatura de recozimento deve situar-se entre 830-880°C, com um tempo de espera de 2 horas, seguido de arrefecimento no forno a 595°C e, em seguida, arrefecimento ao ar.

4) Seleção da vareta de soldadura

Os eléctrodos para a soldadura de aço inoxidável martensítico são classificados em duas categorias: aço inoxidável ao crómio e eléctrodos de aço inoxidável austenítico crómio-níquel.

Os eléctrodos comuns de aço inoxidável com crómio incluem o E1-13-16 (G202) e o E1-13-15 (G207).

Os eléctrodos comuns de aço inoxidável austenítico com crómio e níquel incluem E0-19-10-16 (A102), E0-19-10-15 (A107), E0-18-12Mo2-16 (A202) e E0-18-12Mo2-15 (A207), entre outros.

6. Soldadura de aço inoxidável duplex

1. Soldabilidade do aço inoxidável duplex

O aço inoxidável duplex tem tanto as vantagens como as desvantagens do aço austenítico e ferrítico, e reduz as suas respectivas fraquezas.

(1) O risco de fissuração a quente é muito menor em comparação com o aço austenítico.

(2) O risco de fissuração a frio é significativamente menor em comparação com a baixa liga comum aço de alta resistência.

(3) Após o arrefecimento na zona afetada pelo calor, é retida uma maior quantidade de ferrite, aumentando o risco de corrosão e de fissuração induzida pelo hidrogénio (fragilização).

(4) O junta soldada do aço inoxidável duplex é propenso à precipitação da fase δ, um composto intermetálico de Cr e Fe.

A sua temperatura de formação varia entre 600°C e 1000°C e pode variar consoante o tipo de aço específico.

Tabela 1 Faixa de temperatura do tratamento da solução, fase δ e 475 ℃ fragilidade do aço inoxidável duplex

2. Seleção dos métodos de soldadura

O processo de soldadura para o aço inoxidável duplex envolve primeiro a soldadura TIG, seguida da soldadura por arco com elétrodo.

Ao utilizar a soldadura por arco submerso, a entrada de calor e a temperatura de interpasse devem ser monitorizadas de perto e deve ser evitada a diluição excessiva.

Nota:

Quando se utiliza a soldadura TIG, deve ser adicionado azoto 1-2% à gás de proteção (a adição de mais de 2% de azoto pode aumentar a porosidade e causar instabilidade no arco). A adição de azoto ajuda a absorver o azoto do metal de solda, prevenindo a perda de azoto por difusão na área da superfície de solda, e contribui para estabilizar a fase austenite na junta soldada.

3. Seleção dos materiais de soldadura

Os materiais de soldadura com níveis mais elevados de elementos formadores de austenite (tais como Ni, N) são escolhidos para encorajar a transformação da ferrite na soldadura em austenite.

O elétrodo ou fio de soldadura 22.8.3L é normalmente utilizado para soldar aço 2205, enquanto o elétrodo 25.10.4L ou 25.10.4R é frequentemente utilizado para soldar aço 2507.

Tabela 2 Materiais de soldadura e FN do aço inoxidável duplex típico

4. Pontos de soldadura

(1) Durante o processo de soldadura, o controlo da energia de soldadura, da temperatura de interpasse, do pré-aquecimento e da espessura do material afectará a taxa de arrefecimento e, subsequentemente, afectará a estrutura e as propriedades da soldadura e da zona afetada pelo calor.

Para obter propriedades óptimas do metal de solda, recomenda-se controlar a temperatura máxima de interpasse a 100°C. Se for necessário um tratamento térmico pós-soldadura, as restrições de temperatura interpasse podem ser levantadas.

(2) É preferível evitar o tratamento térmico pós-soldadura para o aço inoxidável duplex.

Se for necessário um tratamento térmico pós-soldadura, arrefecimento com água é o método utilizado. Durante o tratamento térmico, o aquecimento deve ser rápido e o tempo de permanência à temperatura de tratamento térmico deve ser de 5-30 minutos, suficiente para restabelecer o equilíbrio das fases.

A oxidação do metal é uma preocupação durante o tratamento térmico, pelo que deve ser considerada a utilização de um gás inerte para proteção.