Porque é que a soldadura de aço-carbono é simultaneamente uma arte e uma ciência? Compreender a soldabilidade dos diferentes aços ao carbono - desde o baixo ao alto teor de carbono - é crucial para garantir juntas fortes e duradouras. Este artigo analisa os desafios específicos e as técnicas necessárias para soldar vários aços-carbono, fornecendo informações importantes sobre como factores como o teor de carbono, as impurezas e as taxas de arrefecimento afectam a qualidade da soldadura. Descubra métodos práticos para melhorar a soldabilidade e obter resultados óptimos.
O aço-carbono, que é composto principalmente por ferro (Fe) com uma pequena quantidade de carbono (C) como elemento de liga, pode ser referido como "aço-carbono". O aço-carbono pode ser classificado de diferentes formas.
Com base no teor de carbono, pode ser classificado como aço de baixo carbono, aço de médio carbono e aço de alto carbono. Com base na qualidade, pode ser classificado como aço-carbono comum, aço-carbono de alta qualidade e aço estrutural de carbono de alta qualidade.
Com base na aplicação, pode ser dividido em aço estrutural e aço para ferramentas. De acordo com os requisitos e aplicações específicos de determinadas indústrias, existem aços especializados disponíveis, como o aço-carbono para recipientes sob pressão, o aço-carbono para caldeiras e o aço-carbono estrutural para a construção naval.
A soldabilidade do aço-carbono é determinada principalmente pelo seu teor de carbono. À medida que o teor de carbono aumenta, a soldabilidade diminui gradualmente. A presença de manganês (Mn) e de silício (Si) no aço-carbono também afecta a soldabilidade, sendo que o aumento do seu teor conduz a uma pior soldabilidade, embora não tão significativamente como o carbono.
O teor de carbono equivalente, conhecido como carbono equivalente (Ceq), é calculado através da conversão do teor de elementos de liga no aço num teor de carbono equivalente. Serve como um indicador de referência para avaliar a soldabilidade do aço.
Desta forma, o impacto do carbono (C), manganês (Mn) e silício (Si) na soldabilidade pode ser combinado numa fórmula de carbono equivalente (Ceq) adequada para o aço carbono.
À medida que o valor de Ceq aumenta, a sensibilidade à fissuração a frio aumenta, resultando numa fraca soldabilidade. Normalmente, quando o valor de Ceq é inferior a 0,4%, o aço tem pouca tendência para endurecer e apresenta uma boa soldabilidade sem necessidade de pré-aquecimento. Quando o valor Ceq se situa entre 0,4% e 0,6%, o aço tem uma tendência significativa para o endurecimento, conduzindo a uma maior sensibilidade à fissuração a frio e a uma soldabilidade moderada.
Nestes casos, são necessárias medidas adicionais como o pré-aquecimento durante a soldadura. Quando o valor Ceq excede 0,6%, a soldabilidade torna-se muito fraca.
As impurezas (tais como S, P, O, N) e os oligoelementos (tais como Cr, Mo, V, Cu) no aço-carbono têm um impacto significativo na suscetibilidade à fissuração e nas propriedades mecânicas do aço-carbono. juntas soldadas. De facto, a soldabilidade não é apenas determinada pelo teor de elementos de liga, mas também pela taxa de arrefecimento da junta soldada.
Nomeadamente, no caso dos aços de baixo e alto carbono, sob certas condições calor de soldadura a taxa de arrefecimento é mais rápida, levando à formação de martensite na soldadura e na zona afetada pelo calor.
Mais martensite presente, maior será a dureza, resultando numa pior soldabilidade e numa maior tendência para a fissuração. Por conseguinte, o controlo da taxa de arrefecimento durante a soldadura torna-se crucial.
Através do pré-aquecimento, do controlo da temperatura entre camadas, do pós-aquecimento ou da utilização de um elevado aporte térmico de soldadura, a taxa de arrefecimento da junta soldada pode ser reduzida, controlando assim a microestrutura e a dureza e minimizando a possibilidade de fissuração a frio.
Para além dos factores acima mencionados que afectam a soldabilidade do aço-carbono, o estado do tratamento térmico pré-soldadura do material de base também tem um impacto significativo na soldabilidade e não deve ser negligenciado durante a soldadura do aço-carbono.
O aço de baixo carbono tem um baixo teor de carbono e uma quantidade mínima de manganês (Mn) e silício (Si). Por conseguinte, em circunstâncias normais, não provoca estruturas de endurecimento ou de arrefecimento graves durante a soldadura.
Este tipo de aço apresenta uma excelente plasticidade e resistência ao impacto, e as juntas soldadas também possuem uma boa plasticidade e resistência ao impacto.
Geralmente, não há necessidade de pré-aquecimento, controlo da temperatura entre camadas, ou pós-aquecimento durante a soldadura, e o tratamento térmico pós-soldadura não é necessário para melhorar a microestrutura.
Pode dizer-se que não são necessárias medidas de processo especiais em todo o processo de soldaduratornando-o altamente soldável.
No entanto, em casos raros, a soldabilidade do aço de baixo carbono pode ser fraca e podem surgir dificuldades de soldadura. Isto pode ocorrer quando a composição do metal de base do aço com baixo teor de carbono está fora das especificações, quando impurezas como S, P, O estão presentes em quantidades excessivas, ou quando são utilizados métodos de soldadura inadequados.
Em resumo, o aço com baixo teor de carbono é o tipo de aço mais fácil de soldar, mas, ocasionalmente, podem surgir alguns problemas. Muitos métodos de soldadura são adequados para soldar aço com baixo teor de carbono e podem produzir boas juntas soldadas.
Atualmente, os métodos de soldadura maduros para o aço com baixo teor de carbono incluem a soldadura por arco de metal blindado, a soldadura por arco de metal a gás com proteção de dióxido de carbono, a soldadura por arco de tungsténio a gás, a soldadura por arco submerso, a soldadura por electroescória, a soldadura oxi-combustível e a soldadura por resistência.
(1) Blindado Arco metálico Soldadura
A soldadura por arco de metal blindado é normalmente utilizada para soldar aço com baixo teor de carbono. O princípio principal para a seleção de eléctrodos de soldadura para aço com baixo teor de carbono é o princípio da igualdade de resistência.
A série de eléctrodos E43×× é mais utilizada porque a resistência média à tração do aço de baixo carbono é de cerca de 417,5 MPa, e a resistência à tração do metal depositado pelos eléctrodos da série E43×× não é inferior a 420 MPa, o que corresponde às propriedades mecânicas do metal de base. Esta série de eléctrodos tem vários modelos e várias marcas comerciais, que podem ser seleccionados com base no metal de base específico e nas condições de carga.
Para estruturas importantes ou estruturas com condições de carga complexas, devem ser preferidos, tanto quanto possível, eléctrodos com baixo teor de hidrogénio. A Tabela 5-1 fornece exemplos para várias situações. Para a seleção de eléctrodos de soldadura para outros tipos de aço, consulte as normas da indústria, como a JB/T 4709-2007, ou as normas nacionais.
(2) Soldadura por arco metálico a gás (GMAW)
Nos últimos anos, a soldadura por arco de metal a gás utilizando dióxido de carbono (CO2) gás de proteção tornou-se popular para a soldadura de aço de baixo carbono. O fio de soldadura para soldadura por arco metálico a gás CO2 pode ser classificado em fio sólido e fio fluxado.
O princípio principal para selecionar o fio de soldadura para o aço de baixo carbono é também o princípio de igual resistência, como se mostra na Tabela 5-1.
Para mais pormenores, consultar as normas nacionais, tais como GB/T 8110-1995 "Fios de soldadura de aço-carbono e aço de baixa liga para Soldadura com proteção gasosa. A pureza do gás CO2 utilizado para a soldadura não deve ser inferior a 99,5%.
(3) Soldadura por arco submerso (SAW)
A soldadura por arco submerso é amplamente utilizada para soldar aço de baixo carbono, especialmente para chapas médias e grossas. Para a soldadura por arco submerso de aço com baixo teor de carbono, são normalmente escolhidos fios sólidos como H08A ou H08MnA. Eles são combinados com fluxos com alto teor de manganês, alto teor de silício e baixo teor de flúor, como HJ430, HJ431 ou HJ433, e são amplamente aplicados.
A utilização de fluxos sinterizados está também a tornar-se cada vez mais popular. Alguns fluxos sinterizados têm pó de ferro adicionado, o que permite a soldadura unilateral com formação de dupla face no material de suporte, resultando em soldaduras esteticamente agradáveis e de elevada eficiência. Exemplos de fluxos normalmente utilizados materiais de soldadura para a soldadura por arco submerso de aço de baixo carbono pode ser encontrado na Tabela 5-1.
(4) Soldadura manual com gás inerte de tungsténio (TIG)
Em estruturas importantes, quando se soldam juntas de topo de tubos de aço de baixo carbono, é geralmente necessário ter uma estrutura de soldadura totalmente penetrada. Muitas fábricas utilizam a soldadura manual Soldadura TIG para o passe de raiz e uma combinação de soldadura por arco de metal blindado e soldadura TIG para o enchimento e o capeamento, ou confiar apenas na soldadura TIG manual para todo o processo de soldadura.
Para a soldadura TIG de aço com baixo teor de carbono, é aconselhável utilizar um fio de soldadura específico para minimizar as variações na composição química e garantir determinadas propriedades mecânicas da soldadura. Para aços como o 20, 20g, 20R, o H08Mn2SiA é geralmente suficiente. A pureza do gás árgon (Ar) utilizado para a soldadura não deve ser inferior a 99,99%.
Existem muitos outros métodos de soldadura que podem ser utilizados para a soldadura de aço com baixo teor de carbono, tais como a soldadura por arco submerso de fenda estreita, a soldadura oxicombustível e soldadura por electroslag.
No fabrico de caldeiras e recipientes sob pressão, existem também vários outros técnicas de soldadura e as suas combinações, que são seleccionadas com base em condições específicas e requisitos do processo.
Tabela 5-1: Exemplos de materiais de soldadura normalmente utilizados para soldar aço de baixo carbono
| Grau de aço. | O modelo (marca) do elétrodo de soldadura utilizado para a soldadura por arco. | Fio de soldadura para CO2 soldadura com proteção gasosa. | Fluxos para soldadura por arco submerso /Arame de soldadura | ||
| Estrutura geral. | Estrutura importante ou complexa. | Fio de soldadura de núcleo sólido. | Fio de soldadura fluxado. | ||
| Q235A Q235B Q235C | E4303 （J422） | E315（J427） E4316（J426） | ER49-1（H08Mn2SiA） | EF01-5020 | HJ401-H08A（HJ431) /H08MnA |
| 08 10 15 20 | E4303 （J422） | E4315（J427) E4316 (J426) | ER49-1（H08Mn2SiA） | EF01-5020 | HJ401-H08A（HJ431) /H08MnA |
| 20g 20R 22g | E4303 （J422） | E4315（J427） E4316（J426） | ER50-3 | EF01-5020 | HJ401-H08A（HJ431） /H08MnA ou H08MnSi |
(1) Preparação da pré-soldadura
A preparação da pré-soldadura inclui os seguintes aspectos:
1) Preparação da ranhura.
A preparação da ranhura deve ser efectuada utilizando métodos de trabalho a frio, mas também podem ser utilizados métodos de trabalho a quente. O ranhura de soldadura deve ser mantida plana, sem quaisquer defeitos, como fissuras, delaminação ou inclusão de escória.
As dimensões devem estar em conformidade com os desenhos ou as especificações do processo de soldadura. A superfície e ambos os lados da ranhura (10 mm para soldadura por arco com elétrodo de soldadura, 20 mm para soldadura por arco submerso) devem ser cuidadosamente limpos de água, ferrugem, óleo, escória e outras impurezas nocivas.
2) Os eléctrodos de soldadura e o fluxo devem ser secos e mantidos quentes de acordo com os regulamentos. O fio de soldadura tem de ser limpo de óleo, ferrugem e outras impurezas.
3) Pré-aquecimento
Em geral, a baixa soldadura de aço-carbono não requer medidas especiais de processamento. No entanto, em condições de inverno frio, o junta de soldadura arrefece rapidamente, aumentando a tendência para a formação de fissuras. Isto é especialmente verdadeiro para estruturas rígidas com grandes espessura de soldadura.
Para evitar a formação de fissuras, pré-aquecimento antes da soldaduraA manutenção da temperatura da camada intermédia durante a soldadura e as medidas de pós-aquecimento podem ser tomadas. A temperatura de pré-aquecimento pode ser determinada com base em resultados de ensaios e normas relevantes. A temperatura de pré-aquecimento pode variar para diferentes produtos, conforme indicado no Quadro 5-2 e no Quadro 5-3.
Tabela 5-2: Temperatura de pré-aquecimento para estruturas rígidas comuns de aço com baixo teor de carbono
| Grau de aço | Espessura do material (mm). | Temperatura de pré-aquecimento (°C). |
| Q235,08,10, 15, 20 | ≈50 | |
| 50~90 | >100 | |
| 25, 20g，22g, 20R | ≈40 | >50 |
| >60 | >100 |
Tabela 5-3: Temperatura de pré-aquecimento para baixo teor de carbono Soldadura de aço em ambiente de baixa temperatura
| Temperatura ambiente (°C) | Espessura do componente soldado (mm) | Temperatura de pré-aquecimento (°C). | |
| Vigas, colunas e andaimes. | Condutas e contentores. | ||
| Inferior a -30°C | <30 | <16 | 100~150 |
| Inferior a -20°C | 17~30 | ||
| Inferior a -10°C | 35~50 | 31~40 | |
| Inferior a 0°C | 51~70 | 51~50 | |
4) Posicionamento da soldadura
A soldadura de posicionamento refere-se à soldadura efectuada para montar e fixar as posições de várias peças no componente soldado. A soldadura resultante é designada por soldadura de posicionamento. Para a soldadura de posicionamento, deve ser utilizado o mesmo material de soldadura que o cordão soldado e deve ser aplicado o mesmo processo de soldadura.
A soldadura de posicionamento deve estar livre de fissuras, caso contrário, deve ser removida e soldada de novo. As extremidades da soldadura de posicionamento que se fundem com a soldadura permanente devem ser fáceis de fazer um arco. Se existirem porosidades ou inclusões de escórias, estas devem ser removidas.
(2) Requisitos de soldadura
Os requisitos de soldadura são os seguintes:
1) Os soldadores devem efetuar a soldadura de acordo com os requisitos dos desenhos, documentos de processo e normas técnicas.
2) A abertura do arco deve ser efectuada na placa de suporte ou dentro da ranhura, sendo proibida a abertura do arco em áreas que não sejam de soldadura. Ao extinguir o arco, a cratera deve ser preenchida.
3) A temperatura da camada intermédia deve ser controlada dentro do intervalo especificado durante o processo de soldadura. Quando a peça de trabalho é pré-aquecida, a temperatura da camada intermédia não deve ser inferior à temperatura de pré-aquecimento.
4) Cada soldadura deve ser concluída numa operação contínua e as interrupções devem ser evitadas tanto quanto possível.
5) A forma, as dimensões e os requisitos de aparência da superfície de soldadura devem cumprir as normas relevantes.
6) A superfície da soldadura deve estar isenta de fissuras, porosidade, crateras e inclusões visíveis de escória. A escória na soldadura e os salpicos em ambos os lados devem ser removidos. A transição entre a soldadura e o material de base deve ser suave. O rebaixo na superfície da soldadura não deve exceder os requisitos das normas relevantes.
O aço de médio carbono tem um teor de carbono que varia entre 0,30% e 0,60%. Quando o teor de carbono (wC) é próximo de 0,30% e o teor de manganês (wMn) não é elevado, apresenta uma boa soldabilidade. No entanto, à medida que o teor de carbono aumenta, a soldabilidade deteriora-se gradualmente.
Se o teor de carbono for de cerca de 0,50% e a soldadura for efectuada utilizando o processo comum para o aço com baixo teor de carbono, a zona afetada pelo calor pode desenvolver fragilidade estrutura martensítica, levando à suscetibilidade à fissuração.
Mesmo a própria soldadura pode apresentar este comportamento se o material e o processo de soldadura não forem devidamente controlados. Durante a soldadura, uma quantidade considerável de material de base funde-se na soldadura, aumentando o teor de impurezas e tornando-a propensa à fissuração a quente da soldadura.
Isto é particularmente evidente quando o controlo da impureza S não é rigoroso. Tal fissuras quentes são mais sensíveis na cratera. Além disso, à medida que o teor de carbono aumenta, a suscetibilidade à porosidade também aumenta.
O aço de médio carbono pode ser utilizado tanto para componentes estruturais de elevada resistência como para peças e ferramentas mecânicas. Quando utilizado como peças e ferramentas mecânicas, é frequentemente preferido pela sua dureza e resistência ao desgaste do que pela sua elevada resistência. Quer se trate de alta resistência ou de resistência ao desgaste, as propriedades desejadas são frequentemente obtidas através de tratamento térmico.
Se a soldadura for efectuada em componentes que já tenham sido submetidos a um tratamento térmico, devem ser tomadas medidas para evitar a formação de fissuras. No entanto, é importante notar que a entrada de calor da soldadura pode amolecer a zona afetada pelo calor. Para restaurar o desempenho da zona afetada pelo calor, é necessário um tratamento térmico pós-soldadura.
(1) Soldadura por arco com metal blindado (SMAW)
O aço de médio carbono tem uma fraca soldabilidade e é utilizado principalmente no fabrico de peças mecânicas. Por conseguinte, o método de soldadura mais utilizado para o aço de médio carbono é a soldadura por arco com metal blindado (SMAW).
Quando o metal de solda precisa de ter a mesma resistência que o metal de base, devem ser seleccionados eléctrodos de soldadura de grau equivalente. Quando a equivalência de resistência não é necessária, podem ser escolhidos eléctrodos com uma resistência inferior à do metal de base.
Os eléctrodos com baixo teor de hidrogénio têm uma boa capacidade de dessulfuração e apresentam uma boa plasticidade e tenacidade no metal depositado. Têm também um baixo teor de hidrogénio difusível, o que os torna altamente resistentes à fissuração a quente e à fissuração a frio induzida pelo hidrogénio. Por conseguinte, recomenda-se a utilização de eléctrodos com baixo teor de hidrogénio sempre que possível.
Em certos casos, titânio Os eléctrodos do tipo ferro ou do tipo titânio-cálcio podem também ser utilizados para a soldadura de aço de médio carbono. No entanto, devem ser tomadas medidas de processo rigorosas, tais como o controlo da temperatura de pré-aquecimento e a minimização da profundidade de fusão (redução do teor de carbono na soldadura), de modo a obter resultados satisfatórios.
Em situações especiais, os eléctrodos de aço inoxidável austenítico com crómio-níquel podem também ser utilizados para soldar aço de carbono médio. Neste caso, o pré-aquecimento não é necessário e o metal de solda apresenta uma boa plasticidade, o que pode reduzir a tensão na junta soldada e evitar a formação de uma zona afetada pelo calor fissuras frias. O Quadro 5-4 apresenta exemplos de eléctrodos de aço de médio carbono.
Tabela 5-4: Exemplos de eléctrodos de aço de carbono médio
| Grau de aço | Eléctrodos de soldadura | ||
| Componentes que requerem igual resistência. | Componentes que não requerem igual resistência | Em situações especiais. | |
| 35，ZG270-500 | 506，J507，J556，J557 | J422, J423, J425，J427 | A102, A302, A307, A402, A07 |
| 45, ZG310-570 | J556，J557, J606, J607 | J422，J423，J426J427,J506，J507 | |
| 55, Z310-610 | J606，J607 | ||
(2) Outros métodos de soldadura
Em alguns casos, podem também ser utilizados outros métodos de soldadura para soldar aço de médio carbono. A escolha do método de soldadura depende dos requisitos do projeto e das circunstâncias específicas. Um exemplo é a utilização da soldadura com proteção de gás CO2.
Quando se utiliza a soldadura com proteção gasosa CO2, são normalmente utilizados fios de aço de grau 30 e 35, tais como H08Mn2SiA, H04Mn2SiTiA e H04MnSiAlTiA. A seleção do fio de soldadura específico deve basear-se em factores como as propriedades de soldadura pretendidas, as condições de soldadura e as recomendações dos especialistas em soldadura ou dos fabricantes.
(1) Preparação da pré-soldadura
Antes da soldadura, devem ser efectuados os seguintes preparativos:
1) Os eléctrodos de soldadura devem ser secos e mantidos à temperatura especificada antes de serem utilizados.
2) Os defeitos na área de soldadura devem ser cuidadosamente removidos antes da soldadura. A superfície da peça de trabalho na área de soldadura deve ser cuidadosamente limpa, removendo qualquer ferrugem, óleo, humidade ou outras impurezas. Para a soldadura por posicionamento, o tamanho da cordão de soldadura não deve ser demasiado pequeno.
3) Pré-aquecimento e controlo da temperatura da camada intermédia. Na maioria dos casos, o pré-aquecimento é necessário para a soldadura de aço de carbono médio. Durante a soldadura, a temperatura da camada intermédia deve ser controlada, e geralmente não deve ser inferior à temperatura de pré-aquecimento.
Isto ajuda a reduzir a taxa de arrefecimento da soldadura e da zona afetada pelo calor, evitando a formação de martensite e melhorando a plasticidade da junta soldada, reduzindo simultaneamente tensão residual.
A temperatura de pré-aquecimento depende de factores como o carbono equivalente, a espessura do metal de base, a rigidez estrutural, o tipo de elétrodo e o processo de soldadura.
Regra geral, à medida que o carbono equivalente aumenta, a espessura da junta aumenta ou o teor de hidrogénio no arco aumenta, a temperatura de pré-aquecimento deve ser mais elevada. Normalmente, a temperatura de pré-aquecimento para o aço de grau 35 e o aço de grau 45 pode variar entre 150 e 250°C.
Para juntas de carbono equivalente mais elevado, mais espessas ou mais rígidas, a temperatura de pré-aquecimento pode ser da ordem dos 250 a 400°C. Se for utilizado o pré-aquecimento local, o intervalo de aquecimento em ambos os lados da ranhura deve ser de 150 a 200 mm.
(2) Requisitos de soldadura
Na soldadura de aço de carbono médio, recomenda-se a utilização de uma cordão de soldadura e o método de soldadura por arco curto. Se se tratar de uma soldadura de várias camadas, as primeiras camadas da soldadura devem ser feitas com eléctrodos de pequeno diâmetro e baixa corrente de soldadura para reduzir a profundidade de fusão no metal de base, assegurando simultaneamente penetração total.
Pode ser utilizada uma energia de fio mais elevada para as camadas intermédias. O passe final ou os passes múltiplos devem ser totalmente fundidos no metal de solda previamente depositado da camada anterior. Esta prática actua como um efeito de têmpera na zona afetada pelo calor da soldadura original, especialmente a zona afetada pelo calor no metal de base.
Ajuda a reduzir a dureza e a fragilidade nessa região e evita a fissuração antes do tratamento térmico pós-soldadura.
(3) Tratamento térmico pós-soldadura
É preferível efetuar um tratamento térmico de alívio de tensões imediatamente após a soldadura, especialmente para componentes espessos, estruturas rígidas e sob condições de funcionamento severas (tais como cargas dinâmicas ou de impacto). A temperatura para o tratamento térmico de alívio de tensões situa-se geralmente entre 600 e 650°C.
Se não for possível um alívio imediato da tensão, o pós-aquecimento deve ser efectuado para facilitar a difusão do hidrogénio para fora da soldadura. A temperatura de pós-aquecimento pode não ser necessariamente a mesma que a temperatura de pré-aquecimento e deve ser determinada com base em circunstâncias específicas.
A duração do isolamento pós-aquecimento é de aproximadamente 1 hora por cada 10 mm de espessura.
Aço de alto carbono refere-se ao aço com um teor de carbono (wC) superior a 0,6%. Inclui não só o aço estrutural com elevado teor de carbono, mas também o aço fundido com elevado teor de carbono e o aço para ferramentas com elevado teor de carbono. O aço com elevado teor de carbono tem um teor de wC mais elevado do que o aço com teor médio de carbono, tornando-o mais suscetível de formar martensite com elevado teor de carbono, dura e quebradiça.
Consequentemente, apresenta uma maior tendência para a fissuração por têmpera e é mais sensível à fissuração, o que resulta numa fraca soldabilidade. Na prática, este tipo de aço não é normalmente utilizado para o fabrico de estruturas soldadas, mas sim para componentes, peças, ferramentas e determinadas peças fundidas de elevada dureza ou resistentes ao desgaste.
É vulgarmente conhecido como aço ferramenta e aço fundido, e a maior parte da sua soldadura é para fins de reparação. Para obter uma elevada dureza ou resistência ao desgaste, os componentes de aço com elevado teor de carbono são frequentemente sujeitos a tratamento térmico, normalmente têmpera e revenido.
Por conseguinte, recozimento antes da soldadura pode reduzir a tendência para a fissuração, e o tratamento térmico pós-soldadura é efectuado para atingir a elevada dureza e resistência ao desgaste desejadas.
Devido à fraca soldabilidade do aço com elevado teor de carbono, este é utilizado principalmente para peças, componentes e ferramentas com elevada dureza ou resistência ao desgaste. Por conseguinte, o método de soldadura mais utilizado para soldar aço com elevado teor de carbono é a soldadura por arco metálico protegido com eléctrodos de soldadura.
A escolha dos materiais de soldadura depende normalmente do teor de carbono de o aço, a conceção da peça de trabalho e as condições de funcionamento. É difícil obter o mesmo desempenho que o material de base para a junta de soldadura. A resistência à tração deste tipo de aço é maioritariamente superior a 675MPa.
A seleção dos materiais de soldadura depende dos requisitos de conceção do produto. Quando é necessária uma elevada resistência, são geralmente utilizados os eléctrodos E7015-D2 (J707) ou E6015-D2 (J607).
Quando não é necessária uma elevada resistência, podem ser utilizados eléctrodos E5016 (J506) ou E5015 (J507), ou eléctrodos de baixa liga de aço podem ser seleccionados eléctrodos ou metais de adição com graus de resistência equivalentes. Todos os materiais de soldadura devem ser do tipo com baixo teor de hidrogénio.
Quando necessário, os eléctrodos de aço inoxidável austenítico com crómio-níquel podem também ser utilizados para a soldadura. Os tipos de eléctrodos são os mesmos que os utilizados para o aço de carbono médio, tais como E308-16 (A102), E308-15 (A107), E309-16 (A302), EE309-15 (A307), etc. Neste caso, o pré-aquecimento não é necessário. No entanto, quando o material tem uma rigidez elevada, recomenda-se o pré-aquecimento antes da soldadura.
(1) Preparação da pré-soldadura:
Antes de soldar aço com elevado teor de carbono, devem ser efectuados os seguintes preparativos:
1) O aço com elevado teor de carbono deve ser recozido antes da soldadura.
2) Ao usar eletrodos de aço estrutural para soldagem, o pré-aquecimento é necessário. A temperatura de pré-aquecimento é geralmente acima de 250-350 ℃. A temperatura entre camadas deve ser mantida igual à temperatura de pré-aquecimento durante o processo de soldagem.
3) Antes de soldar, preste atenção à secagem dos eléctrodos de acordo com os regulamentos e guarde-os numa caixa ou tubo de preservação de calor para evitar a absorção de humidade.
4) Antes da soldadura, deve ser dada atenção à limpeza da superfície da peça de trabalho, assegurando que não há humidade, óleo, ferrugem ou outras impurezas presentes.
(2) Requisitos de soldadura:
Devem ser tomadas as seguintes medidas durante o processo de soldadura:
1) Adotar as mesmas medidas de processo que para o aço de carbono médio, tais como minimizar o rácio de fusão, utilizar corrente pequena, soldadura rápida e assegurar uma soldadura contínua e ininterrupta.
2) Utilizar um método de pré-pilotagem, depositar primeiro o metal de soldadura na ranhura e depois proceder à soldadura.
3) Para soldaduras com elevada rigidez e espessura, devem ser tomadas medidas para reduzir tensão internaA soldadura de cordões de soldadura pode ser feita de uma forma razoável, utilizando a soldadura segmentada ou o martelamento pós-soldadura do cordão de soldadura.
(3) Tratamento térmico pós-soldadura:
Após a soldadura, a peça de trabalho deve ser imediatamente colocada num forno e submetida a um tratamento térmico de alívio de tensões a uma temperatura de 650℃.
(1) Exemplo de soldadura de aço com baixo teor de carbono utilizando soldadura por arco metálico protegido
Numa empresa de fabrico de maquinaria química, um condensador para a produção de dióxido de enxofre foi fabricado utilizando aço carbono 20R com uma espessura de chapa de 8 mm. O cordão de soldadura longitudinal do corpo cilíndrico era uma junta de topo com uma ranhura em forma de V, e o processo de soldadura utilizado foi a soldadura por arco metálico protegido. Consultar a Tabela 5-5 para o procedimento de soldadura.
Tabela 5-5: Cartão de processo de soldadura para junta de soldadura por arco elétrico
| Cartão de processo de soldadura para soldadura de juntas | Número: | ||
| Material de base: | Material de base: | 20R | 20R |
| Espessura do material de base: | 8 mm | 8 mm | |
| Posição de soldadura: | Soldadura plana | ||
| Técnica de soldadura: | Cordão de soldadura reto | ||
| Temperatura de pré-aquecimento: | Temperatura ambiente | ||
| Temperatura interpasse | 150℃ | ||
| Sequência de soldadura | |||
| 1 | Verificar as dimensões das ranhuras e a qualidade da superfície. | ||
| 2 | Limpe a ranhura e remova qualquer óleo ou sujidade perto dela. | ||
| 3 | Efetuar a soldadura por pontos a partir do exterior, utilizando a técnica de soldadura da primeira camada, com um comprimento de 30-50 mm. | ||
| 4 | Soldar as camadas interiores, da 1ª à 3ª. | ||
| 5 | Utilizar um goivagem a ar por arco de carbono para limpar a raiz a partir do exterior e, em seguida, lixar com uma mó. | ||
| 6 | Soldar a camada exterior. | ||
| 7 | Limpar os salpicos após a soldadura. | ||
| 8 | Efetuar uma inspeção visual. | ||
| 9 | Efetuar ensaios não destrutivos. | ||
Parâmetros de especificação de soldadura
| Número de passes | Método de soldadura | Grau do material de soldadura | Especificação do material de soldadura | Tipo de corrente e polaridade | Corrente de soldadura/A | Tensão de arco/V | Velocidade de soldadura (mm/comprimento) | Observações |
| 1 | SMAW | J427 | 3.2 | DCEP | 90~120 | 22~24 | 90~130 | |
| 2~4 | SMAW | J427 | 4 | DCEP | 140~170 | 22~24 | 140~180 |
(2) Soldadura manual TIG para o fecho do fundo e soldadura por arco com elétrodo para o enchimento e a soldadura da tampa do exemplo de aço de baixo carbono
Utilizando o mesmo equipamento acima mencionado, a costura de fecho do corpo do cilindro, com um diâmetro de apenas ϕ616mm, requer uma junta totalmente penetrada.
A fábrica adoptou a soldadura TIG para o fecho inferior e a soldadura por arco com elétrodo para o enchimento e a cobertura, como mostra o processo de soldadura na Tabela 5-6.
| Cartão de processo de soldadura de juntas | Número | ||||
| Material de base: | Material de base: | 20R | 20R | ||
| Espessura do material de base: | 8 mm | 8 mm | |||
| Posição de soldadura: | Soldadura plana | ||||
| Técnica de soldadura: | Cordão de soldadura reto | ||||
| Temperatura de pré-aquecimento: | Temperatura ambiente | ||||
| Temperatura interpasse: | ≤150℃ | ||||
| Diâmetro do bocal | 16 mm | Gás de proteção | Ar | ||
| Diâmetro do elétrodo de tungsténio | 2,5 mm | FrenteLado de trás | Frente | 8~10 | |
| Verso | |||||
| Sequência de soldadura | |
| 1 | Verificar as dimensões das ranhuras e a qualidade da superfície. |
| 2 | Limpe a ranhura e remova qualquer óleo ou sujidade perto dela. |
| 3 | Efetuar a soldadura por pontos a partir do exterior, utilizando a técnica de soldadura da primeira camada, com um comprimento de 10-15 mm. |
| 4 | Soldar o 1º e 2º passes utilizando um bocal de 20mm, e mudar para um bocal de 25mm para os restantes passes. Para evitar a rutura laminar na chapa lateral, o fio não deve oscilar durante a soldadura dos 4º, 6º, 9º e 12º passes, e deve estar inclinado em direção à chapa lateral. A espessura de cada passe deve ser controlada dentro de 5 mm. |
| 5 | Limpar os salpicos após a soldadura. |
| 6 | Efetuar uma inspeção visual. |
| 7 | Efetuar ensaios não destrutivos. |
Parâmetros de especificação de soldadura
| Canal de camadas | método de soldadura | Grau do material de soldadura | Especificações dos materiais de soldadura | Tipo e polaridade da corrente | Corrente de soldadura/A | Tensão de arco/V | Velocidade de soldadura/[mm/min (peça)] |
| 1 | GTAW | H10MnSi | Φ2.5 | DCEN | 90~120 | 10-11 | 50-80 |
| 2 | SMAW | J427 | Φ4 | DCEP | 140-170 | 22-24 | 140-180 |
| 3 | SMAW | J427 | Φ5 | DCEP | 170-210 | 22-24 | 150-200 |
(3) Exemplo de soldadura com proteção de gás CO2 de aço de baixo carbono: Existe uma cobertura de suporte para uma turbina de água, feita de aço Q235, utilizando soldadura com proteção de gás CO2. O fio de soldadura utilizado é o ER49-1 (H08Mn2SiA), com um diâmetro de 1,6 mm. O processo de soldadura é descrito na Tabela 5-7.
Tabela 5-7 Cartão de processo de soldadura para junta de soldadura com proteção de gás dióxido de carbono
| Cartão de processo de soldadura de juntas | Número: | |||
 | Material de base material | Q235 | Q235 | |
| Espessura do material de base | 30 mm | 50mm | ||
| Posição de soldadura | Soldadura plana | |||
| Tecnologia de soldadura | Cordão de soldadura reto | |||
| Temperatura de pré-aquecimento | Temperatura ambiente | |||
| Temperatura da camada intermédia | ≤ 150 ℃ | |||
| Diâmetro do bocal | Φ20mm Φ25mm | Gás de proteção | CO2 | |
| Caudal de gás L/ Min | Frente | 20-25 | ||
| Voltar | ||||
| Sequência de soldadura | |
| 1 | Inspecionar as dimensões da ranhura e a qualidade da superfície. |
| 2 | Limpe a ranhura e quaisquer manchas de sujidade ou óleo à sua volta. |
| 3 | Efetuar a soldadura por pontos a partir do exterior, utilizando o processo de soldadura de primeira camada, com um comprimento de 10-15 mm. |
| 4 | Para o primeiro e segundo passes, utilizar um bocal de 20 mm, e para os restantes passes, mudar para um bocal mais pequeno de 25 mm. Para evitar o rasgo em forma de camada na placa lateral, o fio de soldadura não deve ser oscilado durante a soldadura dos passes 4, 6, 9 e 12, e deve ser inclinado em direção à placa lateral. A espessura de cada passe de soldadura deve ser controlada dentro de 5 mm. |
| 5 | Limpar eventuais salpicos após a soldadura. |
| 6 | Efetuar uma inspeção visual. |
| 7 | Efetuar ensaios não destrutivos. |
Parâmetros de especificação de soldadura
| Canal de camadas | método de soldadura | Grau do material de soldadura | Especificações dos materiais de soldadura | Corrente de soldadura/A | Tensão de arco/V | Caudal de gás (L/min) | Frequência de oscilação/(r/min) | Balanço/mm |
| 1, 2 | Soldadura com proteção gasosa CO2 | H08Mn2SiA | Φ1.6 | 250-300 | 28-30 | 20 | 50 | 4-6 |
| 4, 6, 9, 12 | Idem | Idem | Φ1.6 | 200-250 | 26-28 | 20 | – | – |
| o resto | Idem | Idem | Φ1.6 | 300-350 | 30-32 | 25 | 50 | 8-12 |
(1) Exemplo de soldadura de aço de carbono médio utilizando soldadura por arco elétrico
Soldar o veio de aço 35# à flange num determinado estaleiro. Consultar o processo de soldadura na Tabela 5-8.
| Cartão de processo de soldadura de juntas | Número | |||
Esboço da articulação:  | Material de base: | 35 | 35 | |
| Espessura do material de base: | 50mm | 50mm | ||
| Posição de soldadura: | Soldadura vertical | |||
| Técnica de soldadura: | Cordão de soldadura reto | |||
| Temperatura de pré-aquecimento: | 150~200℃ | |||
| Temperatura interpasse: | 150~200℃ | |||
| Sequência de soldadura e pontos-chave: | |
| 1 | Inspecionar o tamanho e a qualidade da superfície da ranhura. |
| 2 | Remover o óleo e outras sujidades da ranhura e das suas imediações. |
| 3 | Efetuar a soldadura posicional, com um comprimento de 50 mm. |
| 4 | Colocar o veio montado na posição horizontal para soldar e aplicar a soldadura na posição de soldadura vertical para facilitar a remoção da escória. |
| 5 | Dividir a soldadura em 6 ou 4 secções ao longo da circunferência, utilizando um método de soldadura por saltos para evitar deformações. |
| 6 | Ao soldar a primeira camada, a velocidade de deslocação deve ser lenta para evitar o desbaste e a quebra fácil da soldadura. |
| 7 | Ao extinguir o arco, encher o poço do arco para evitar fissuras. |
| 8 | Antes de soldar a parte de trás, utilizar um disco de esmeril angular para esmerilar a raiz da soldadura e soldar após uma limpeza completa. |
| 9 | Efetuar a inspeção pós-soldadura de acordo com os requisitos. |
Parâmetros de especificação de soldadura
| Número de passes | Método de soldadura | Grau do material de soldadura | Especificação do material de soldadura | Corrente de soldadura/A | Tensão de arco/V | Caudal de gás/(L/min) | Frequência de oscilação/(r/min) | Observações |
| 1 | SMAW | J507 | 4.0 | DCEP | 140~170 | 22~24 | 100~140 | |
| Outros | SMAW | J507 | 4.0 | DCEP | 140~170 | 22~24 | 140~180 |
(2) Exemplo de aço-carbono reparação de peças mecânicas por soldadura por arco metálico blindado
Foi encontrada uma fissura na haste do pistão (diâmetro de 280 mm) de um martelo pneumático numa determinada fábrica. Foi utilizada a soldadura por arco de metal blindado para a reparação.
Primeiro, um sulco em forma de U foi feito na rachadura e a rachadura foi completamente limpa. A temperatura de pré-aquecimento da área de soldagem foi aumentada para 150 ℃, e o eletrodo de soldagem J507 com um diâmetro de φ3,2 mm foi usado para soldagem, com uma corrente de soldagem de 100-120A.
Para evitar a deformação, foi adoptada a soldadura alternada simétrica. Imediatamente após a soldadura, foi efectuada uma têmpera local utilizando uma chama, aquecendo a soldadura e as áreas adjacentes até uma cor vermelha escura, e depois deixou-se arrefecer ao ar. Após um período de utilização, o resultado da soldadura foi muito bom.
O aço de baixa liga é um tipo de aço em que vários elementos de liga são adicionados ao aço-carbono, com uma fração de massa total não superior a 5%. Estes elementos de liga são adicionados para melhorar a resistência, a plasticidade, a tenacidade, a resistência à corrosão, a resistência ao calor ou outras propriedades especiais do aço.
Estes tipos de aço têm sido amplamente utilizados em navios, pontes, caldeiras, vasos de pressão, condutas, equipamento de energia convencional e nuclear, vários veículos, maquinaria pesada, indústrias marítimas e de construção. Atualmente, tornaram-se os materiais estruturais mais importantes em grandes estruturas soldadas.
Para alguns aços de baixa liga comuns utilizados na produção de soldadura, depois de considerar o seu desempenho e aplicações, podem ser divididos, grosso modo, em duas categorias. A primeira categoria é a dos aços de alta resistência, que são principalmente utilizados para peças mecânicas e estruturas de engenharia que têm de suportar cargas estáticas e dinâmicas em condições normais.
A segunda categoria é a dos aços especiais, que são utilizados principalmente para peças mecânicas e estruturas de engenharia que funcionam em condições especiais. A gama de aços de alta resistência é extensa, e qualquer aço com um limite de elasticidade σs ≥ 295MPa e uma resistência à tração σb ≥ 395MPa é designado por aço de alta resistência.
Dentro desta categoria, com base no nível de limite de elasticidade e no estado do tratamento térmico, podem geralmente ser classificados em três tipos: aços laminados a quente e normalizados, aços de baixo carbono e baixa liga temperado e revenido e os aços de médio carbono temperados e revenidos.
O aço fornecido e utilizado no estado laminado a quente ou normalizado é referido como aço laminado a quente e normalizado, que inclui o aço laminado a quente e o aço normalizado. Este tipo de aço com um limite de elasticidade de 295-490MPa inclui principalmente os aços Q295-Q460 em GB/T 1591-2008 "Aço estrutural de alta resistência de baixa liga".
Os aços de baixa liga com um limite de elasticidade de 295-390MPa são, na sua maioria, aços laminados a quente, que atingem uma elevada resistência através do efeito de reforço da solução sólida do elemento de liga manganês.
Entre eles, o Q345 é o aço de alta resistência mais utilizado na China. O Q345 pode ainda ser dividido em cinco graus de qualidade, sendo o Q345A equivalente à antiga designação 16Mn e o Q345C equivalente aos aços 16Mng e 16MnR utilizados em caldeiras e recipientes sob pressão.
Os aços de baixa liga com um limite de elasticidade superior a 390MPa são geralmente utilizados no estado normalizado ou normalizado e temperado, como o Q420. Após a normalização, os compostos de carbono e nitreto precipitam da solução sólida sob a forma de partículas finas. Isto não só aumenta a resistência do aço, como também assegura que este contém uma certa quantidade de elementos de liga e oligoelementos.
A diferença na soldabilidade entre os aços laminados a quente e normalizados e os aços ao carbono reside principalmente nas alterações da microestrutura e das propriedades da zona afetada pelo calor, que são mais sensíveis à entrada de calor de soldadura. A tendência para o endurecimento na zona afetada pelo calor aumenta, e são mais susceptíveis à fissuração induzida pelo hidrogénio.
Os aços laminados a quente e normalizados que contêm elementos formadores de carbono e nitretos também apresentam o risco de fissuração por reaquecimento. No entanto, em geral, a sua soldabilidade é relativamente boa. É necessário compreender as características e os padrões de soldabilidade dos diferentes tipos de aços laminados a quente e normalizados, a fim de desenvolver os procedimentos de soldadura correctos e garantir qualidade da soldadura.
(1) Alterações da microestrutura e das propriedades na zona afetada pelo calor da soldadura
Com base na temperatura máxima atingida na zona afetada pelo calor da soldadura, esta pode ser dividida em zona de fusão, zona de grão grosso, zona de grão fino, zona de transformação incompleta e zona de revenido. A microestrutura e as propriedades nas diferentes regiões da zona afetada pelo calor dependem da composição química do aço e das taxas de aquecimento e arrefecimento durante a soldadura.
Se a taxa de arrefecimento da soldadura não for adequadamente controlada, as áreas locais na zona afetada pelo calor podem sofrer arrefecimento ou desenvolver estruturas frágeis, levando a uma redução da resistência à fissuração ou da tenacidade. A zona de grão grosso e a zona de transformação incompleta são duas áreas fracas na junta soldada.
Na soldadura de aço laminado a quente, se o aporte térmico de soldadura for demasiado elevado, a zona de grão grosseiro pode apresentar um crescimento severo do grão ou a presença de estruturas Widmanstätten, resultando numa redução da tenacidade. Inversamente, se o aporte térmico de soldadura for demasiado baixo, a proporção de martensite na zona de grão grosso pode aumentar, levando a uma redução da tenacidade.
Na soldadura de aço normalizado, o desempenho da zona de grão grosso é mais significativamente afetado pelo aporte térmico de soldadura. Um grande aporte térmico de soldadura pode resultar na formação de bainite grosseira em forma de ripa ou de bainite superior na zona de grão grosseiro, reduzindo significativamente a sua tenacidade.
A zona de transformação incompleta na zona afetada pelo calor da soldadura sofre fragilização durante o aquecimento da soldadura. O controlo da taxa de arrefecimento da soldadura para evitar a formação de martensite frágil é uma medida para evitar a fragilização da zona de transformação incompleta.
(2) Fragilização por deformação térmica
A fragilização por deformação térmica é um tipo de envelhecimento por deformação que ocorre durante a soldadura sob os efeitos combinados do calor e da deformação. É causada pela presença de azoto dissolvido e é mais pronunciada a temperaturas entre 200-400℃. Ocorre principalmente em aços de baixo carbono e aços de baixa liga com menor resistência que contêm nitrogênio dissolvido.
Uma medida eficaz para eliminar a fragilização por tensão térmica é realizar o tratamento térmico pós-soldagem. Após o recozimento de alívio de tensão em torno de 600 ℃, a tenacidade do material pode ser restaurada ao seu nível original. Por exemplo, tanto o Q345 quanto o Q420 (15MnVN) têm uma tendência à fragilização por tensão térmica após a soldagem. No entanto, após o tratamento de recozimento a 600 ℃ por 1 hora, a tenacidade é restaurada a um nível normal.
(3) Fissuras de soldadura
1) Fissuração induzida pelo hidrogénio:
A fissuração induzida pelo hidrogénio na soldadura é normalmente conhecida como fissuração a frio ou fissuração retardada. É o defeito mais grave do processo e frequentemente a principal causa de falha e fratura em estruturas soldadas. As fissuras induzidas pelo hidrogénio na soldadura de aço laminado a quente e normalizado ocorrem principalmente na zona afetada pelo calor da soldadura e, por vezes, também no metal de solda.
Entre os três factores que contribuem para a formação de fissuras a frio, o que está relacionado com o material é a presença de estruturas endurecidas. Nos aços laminados a quente e normalizados, a adição de elementos de liga aumenta a tendência para o endurecimento em comparação com os aços de baixo carbono. Por exemplo, ao soldar os aços Q345 e Q390, o arrefecimento rápido pode levar à formação de estruturas de martensite endurecida e a uma maior tendência para a fissuração a frio.
No entanto, devido ao carbono equivalente relativamente baixo dos aços laminados a quente, a tendência para a fissuração a frio não é normalmente significativa. Mas em ambientes de baixa temperatura ou para chapas de aço espessas, devem ser tomadas medidas para evitar a ocorrência de fissuras a frio. Para os aços normalizados com maior teor de elementos de liga, a tendência para o endurecimento na zona afetada pelo calor da soldadura aumenta.
Para os aços normalizados com níveis de resistência e carbono equivalente mais baixos, a tendência para a fissuração a frio não é significativa. No entanto, à medida que o nível de resistência e a espessura da chapa aumentam, a temperabilidade e a tendência para a fissuração a frio também aumentam. É necessário controlar a entrada de calor de soldadura, reduzir o teor de hidrogénio, pré-aquecer e realizar um tratamento térmico pós-soldadura atempado para evitar a ocorrência de fissuras a frio.
2) Fissuração a quente:
Em comparação com os aços-carbono, os aços laminados a quente e normalizados têm menor teor de carbono (wC) e enxofre (wS) e maior teor de manganês (wMn), resultando numa menor tendência para a fissuração a quente. No entanto, por vezes, podem ocorrer fissuras a quente no metal de solda, como na raiz de soldas por arco submerso de múltiplos passes ou em soldas de alta diluição perto das bordas do sulco, na produção de vasos de pressão de paredes espessas.
A utilização de materiais de soldadura com maior teor de Mn e Si, a redução do calor de soldadura, a redução da relação de fusão do metal de base na soldadura e o aumento do fator de forma da soldadura (ou seja, a relação entre a largura e a altura da soldadura) podem ajudar a evitar a fissuração a quente no metal de soldadura.
Durante a soldadura de grandes estruturas de chapa espessa, como na engenharia marítima, reactores nucleares e navios, se o aço for sujeito a uma tensão de tração significativa na direção da espessura, pode ocorrer fissuração lamelar ao longo da direção de laminagem do aço. Este tipo de fissura ocorre frequentemente em juntas de canto ou juntas em T que requerem uma penetração total.
Para evitar a rutura lamelar, é importante selecionar aços que sejam resistentes à rutura lamelar, melhorar a conceção da junta para reduzir a tensão e a deformação na direção da espessura da chapa de aço. Além disso, a utilização de materiais de soldadura de menor resistência ou a utilização de consumíveis de soldadura de baixa resistência para a preparação dos bordos e a implementação de medidas de pré-aquecimento e de redução do hidrogénio podem ajudar a evitar a rutura lamelar, assegurando simultaneamente que o produto cumpre as especificações exigidas.
Os aços laminados a quente e normalizados podem ser soldados utilizando os métodos habitualmente utilizados, tais como a soldadura por arco com metal blindado, a soldadura por arco com metal gasoso, a soldadura por arco submerso, a soldadura com tungsténio inerte soldadura a gáse soldadura por arco com núcleo fluxado.
A escolha específica do método de soldadura depende da estrutura do produto soldado, da espessura da chapa, dos requisitos de desempenho e das condições de produção. A soldadura por arco de metal blindado, a soldadura por arco submerso, o fio sólido e o fio fluxado, a soldadura com proteção de gás CO2 são métodos de soldadura normalmente utilizados.
Ao selecionar materiais de soldadura para aços laminados a quente e normalizados, a primeira consideração deve ser a de assegurar que a resistência, a plasticidade e a tenacidade do metal de soldadura cumprem os requisitos técnicos do produto.
Além disso, factores como a resistência à fissuração e a eficiência da produção de soldadura também devem ser tidos em conta.
1) Seleção de materiais de soldadura com base nos requisitos de desempenho da soldadura
Na soldadura de aços laminados a quente e normalizados, recomenda-se geralmente a escolha de materiais de soldadura com uma resistência comparável à do metal de base. A tenacidade, a plasticidade e a resistência do metal de solda devem ser consideradas de forma abrangente. Desde que a resistência real da soldadura ou da junta soldada não seja inferior aos requisitos do produto, é aceitável.
2) Considerar a influência das condições do processo ao selecionar os materiais de soldadura
Factores como o desenho da ranhura e da junta, as técnicas de processamento pós-soldadura e outras condições do processo também devem ser considerados ao selecionar os materiais de soldadura.
(2) Ao selecionar os materiais de soldadura, deve também ser considerada a influência das condições do processo, como a conceção da ranhura e da junta, e as técnicas de processamento pós-soldadura.
1) Influência da conceção da ranhura e da junta
Ao soldar o mesmo aço com o mesmo material de soldadura, o desempenho da soldadura pode variar dependendo do desenho da ranhura. Por exemplo, ao utilizar o fluxo HJ431 para a soldadura por arco submerso do aço Q345 sem arestas biseladas, uma maior quantidade de metal de base é fundida no metal de solda. Neste caso, a utilização de um fio H08A de menor teor de liga com fluxo HJ431 pode satisfazer os requisitos de desempenho mecânico da soldadura.
No entanto, ao soldar chapas espessas de aço Q345 com arestas biseladas, a utilização da mesma combinação H08A-HJ431 pode resultar numa menor resistência da soldadura devido a um rácio de fusão menor do metal de base. Nestes casos, recomenda-se a utilização de fios com maior teor de liga, como H08MnA ou H10Mn2, em combinação com o fluxo J431.
2) Influência das técnicas de processamento pós-soldadura
Quando a junta soldada é submetida a laminagem a quente ou a tratamento térmico subsequente, é importante considerar o impacto da exposição ao calor a alta temperatura nas propriedades do metal de solda. O metal de solda deve continuar a possuir a resistência, a plasticidade e a tenacidade necessárias, mesmo após o tratamento térmico.
Nesses casos, devem ser escolhidos materiais de soldadura com um teor de liga mais elevado. Por outro lado, para juntas soldadas que são submetidas a laminagem a frio ou estampagem a frio subsequentes, é necessária uma maior plasticidade do metal de solda.
(3) Para chapas grossas, estruturas com grande restrição e aquelas propensas a fissuração a frio, recomenda-se a utilização de materiais de soldadura com hidrogénio ultra-baixo para melhorar a resistência à fissuração e reduzir a temperatura de pré-aquecimento.
No caso de chapas espessas e soldaduras com grandes restrições, a primeira camada da soldadura é mais suscetível à fissuração. Nesses casos, podem ser escolhidos materiais de soldadura com uma resistência ligeiramente inferior, mas com boa plasticidade e tenacidade, como os tipos de hidrogénio baixo ou ultra-baixo.
(4) Para os casos críticos aplicações de soldaduraEm soldaduras de alta resistência, tais como plataformas petrolíferas offshore, vasos de pressão e navios, onde a segurança é da maior importância, as soldaduras devem ter uma excelente resistência ao impacto a baixa temperatura e à fratura. Devem ser escolhidos materiais de soldadura de elevada tenacidade, tais como fluxo de elevada basicidade, fios de elevada tenacidade, eléctrodos, gases de proteção de elevada pureza e a utilização de gases de proteção mistos Ar+CO2.
(5) Para melhorar a produtividade, podem ser utilizados eléctrodos de pó de ferro de elevada eficiência, eléctrodos de gravidade, fios fluxados de elevada taxa de deposição e fluxos de alta velocidade. Na soldadura vertical ascendente, podem ser utilizados eléctrodos de soldadura descendente.
(6) Para melhorar as condições de higiene, nas operações de soldadura em áreas pouco ventiladas (tais como compartimentos de navios, recipientes sob pressão, etc.), é aconselhável utilizar eléctrodos de soldadura com baixo teor de poeira e baixa toxicidade.
Quadro 5-9: Exemplos de soldadura comummente utilizada seleção de materiais para os aços laminados a quente e normalizados
| Grau de aço | Vareta de soldadura tipo/grau | Soldadura por arco submerso | Fio de soldadura com proteção gasosa CO2 | |
| Fio de soldadura | fluxo | |||
| Q295 | E3XX tipo J2X | H08.HI0MnA | HJ431 SJ301 | H10MnSi H08Mn2Si |
| Q345 | Tipo E50XX/J50X | Junta de topo do tipo I com bisel: Utilizar o elétrodo H08A. Placa de espessura média com junta biselada Utilizar elétrodo H08MnA ou H10Mn2. Placa espessa com junta de bisel profundo Utilizar elétrodo de H0Mn2. | HJ431 | H08Mn2Si |
| HJ350 | ||||
| Q390 | Tipo E50XX / J50X Tipo E50XX-G / J55X | Junta de topo tipo I com bisel Utilizar elétrodo H08MnA. Placa de espessura média com junta biselada Utilizar elétrodo H10Mn2 ou H10MnSi. Placa espessa com junta de bisel profundo Utilizar elétrodo H10MnMoA. | HJ431 | H08Mn2SiA |
| HJ250 HJ350 | ||||
| Grau de aço | Tipo/grau de vareta de soldadura | Soldadura por arco submerso | CO2 fio de soldadura com proteção gasosa | |
| Fio de soldadura | Fluxo | |||
| Q420 | Tipo E60XX / J55X, J60X | H08Mn2MoA H04MnVTiA | HJ431 HJ350 | – |
| 8MnMoNb | Tipo E70XX / J60X, J707Nb | H08MN2MoA H08Mn2MoVA | HJ431 HJ350 | – |
| X60 | E4311/J425XG | H08Mn2MoVA | HJ431 SJ101 | – |
(1) Preparação da pré-soldadura
A preparação da pré-soldadura inclui principalmente a preparação dos chanfros, o tratamento de secagem dos materiais de soldadura, o pré-aquecimento e o controlo da temperatura de interpasse e o posicionamento da soldadura.
1) Preparação dos biséis.
Para o aço laminado a quente e normalizado, os chanfros podem ser preparados por métodos de trabalho a frio e de corte térmico, como o cisalhamento, corte a gáscorte por arco de carbono, corte por plasma, etc. Para os aços de elevada resistência, embora se possa formar uma camada endurecida na extremidade durante o corte térmico, esta pode ser fundida no cordão de soldadura durante a soldadura subsequente sem afetar a qualidade da soldadura.
Por conseguinte, o pré-aquecimento não é geralmente necessário antes do corte, e a soldadura pode ser efectuada diretamente após o corte sem necessidade de processamento mecânico.
2) Os materiais de soldadura têm de ser secos de acordo com os regulamentos.
3) Temperatura de pré-aquecimento e de passagem.
O pré-aquecimento pode controlar a taxa de arrefecimento da soldadura, reduzir ou evitar a formação de martensite endurecida na zona afetada pelo calor, diminuir a dureza da zona afetada pelo calor e também reduzir as tensões de soldadura. Pode também ajudar a remover o hidrogénio da junta soldada.
Por conseguinte, o pré-aquecimento é uma medida eficaz para evitar a fissuração induzida pelo hidrogénio na soldadura. No entanto, o pré-aquecimento piora frequentemente as condições de trabalho e complica o processo de produção. Um pré-aquecimento incorreto ou excessivamente elevado e zona de soldadura podem também prejudicar o desempenho da junta soldada.
Por conseguinte, a necessidade de pré-aquecimento antes da soldadura e a seleção de uma temperatura de pré-aquecimento razoável devem ser cuidadosamente consideradas ou determinadas através de ensaios.
Os principais factores que afectam a temperatura de pré-aquecimento são a composição do aço (carbono equivalente), a espessura da chapa, a forma e a restrição da estrutura soldadaa temperatura ambiente e o teor de hidrogénio dos materiais de soldadura utilizados.
A Tabela 5-10 fornece as temperaturas de pré-aquecimento recomendadas para aços de alta resistência de baixa liga laminados a quente e normalizados de diferentes níveis de resistência, para referência. Para a soldadura multipasse de chapa espessa, a fim de promover a fuga de hidrogénio da zona de soldadura e evitar a formação de fissuração induzida por hidrogénio durante o processo de soldadura, a temperatura interpasse deve ser controlada não inferior à temperatura de pré-aquecimento, e deve ser efectuado o tratamento térmico de remoção de hidrogénio intermédio necessário.
Tabela 5-10: Temperaturas de pré-aquecimento recomendadas e parâmetros de tratamento térmico pós-soldagem para aço laminado a quente e normalizado
| Grau de aço | Temperatura de pré-aquecimento/°C | Especificações do tratamento térmico pós-soldadura para a soldadura por arco | |
| Modelo/Tipo | Grau | ||
| Q295 | 09Mn2 09MnNb 09MnV | Sem pré-aquecimento (para espessura da placa ≤16mm) | Não é necessário tratamento térmico |
| Q345 | 16Mn 14MnNb | 100~150（8≥30mm） | 600~650℃ Recozimento |
| Q390 | 15MnV 15MnTi 16MnNb | 100~150（≥28mm） | 550℃ou 650℃ Recozimento |
| Q120 | 15MnVN 14MnVTiRE | 100~150（≥25mm） | |
| 14MnMoV 18MnMoNb | ≥200 | 600~650℃ Recozimento | |
4) Soldadura de posicionamento.
Durante a soldadura de posicionamento, deve ser utilizada a mesma vareta de soldadura que a soldadura formal, e as especificações do procedimento de soldadura devem ser rigorosamente seguidas. O comprimento, a área da secção transversal e o espaçamento das soldaduras de posicionamento também devem ser especificados, podendo ser necessário um pré-aquecimento, se necessário.
Após a soldadura de posicionamento, deve ser efectuada uma inspeção cuidadosa e quaisquer fissuras encontradas devem ser removidas e soldadas de novo. Para reduzir a tensão e evitar a fissuração das soldaduras de posicionamento, a montagem forçada deve ser evitada tanto quanto possível.
(2) Determinação do consumo de calor de soldadura
A variação da entrada de calor de soldadura alterará a taxa de arrefecimento da soldadura, afectando assim a composição do metal de solda e a zona afetada pelo calor e, em última análise, afectando as propriedades mecânicas e a resistência à fissuração da junta soldada.
Por conseguinte, a fim de garantir a tenacidade do metal de solda, deve ser evitada uma entrada excessiva de calor de soldadura. Durante a soldadura, recomenda-se minimizar a oscilação transversal e saltar a soldadura e, em vez disso, utilizar a soldadura de cordão de soldadura estreito multi-passos.
O aço laminado a quente pode tolerar um maior aporte térmico de soldadura. Para os aços laminados a quente com baixo teor de carbono (tais como 09Mn2, 09MnNb) e o aço 16Mn com baixo teor de carbono, não há restrições rigorosas quanto ao aporte térmico de soldadura porque estes aços têm menos suscetibilidade à fragilização e à fissuração a frio na zona afetada pelo calor.
No entanto, ao soldar aço 16Mn com elevado teor de carbono, deve ser utilizado um aporte térmico de soldadura ligeiramente superior para reduzir a tendência para o endurecimento e evitar a formação de fissuras a frio. Para os aços que contêm elementos de microligação como V, Nb e Ti, a fim de reduzir a fragilização da zona de grão grosso na zona afetada pelo calor e garantir uma excelente tenacidade a baixa temperatura, deve ser selecionado um menor aporte térmico de soldadura.
Para aços normalizados com maior teor de carbono e elemento de liga e um limite de elasticidade de 490MPa, como o 18MnMoNb, a seleção da entrada de calor deve ter em conta tanto a temperabilidade do aço como a tendência para o sobreaquecimento na zona de grão grosso da zona afetada pelo calor.
Geralmente, a fim de garantir a tenacidade da zona afetada pelo calor, deve ser escolhida uma menor entrada de calor. Além disso, devem ser utilizados métodos de soldadura com baixo teor de hidrogénio, juntamente com um pré-aquecimento adequado ou um tratamento atempado de remoção de hidrogénio após a soldadura, para evitar a formação de fissuras a frio na junta soldada.
(3) Tratamento térmico pós-soldadura e tratamento de remoção de hidrogénio
1) Tratamento térmico pós-soldagem e tratamento de remoção de hidrogénio.
O tratamento térmico pós-soldadura refere-se ao aquecimento imediato do componente soldado ou da área soldada a uma temperatura de 150-250°C e à sua manutenção durante um determinado período de tempo. O tratamento de remoção de hidrogénio, por outro lado, envolve manter o componente ou a área soldada a uma temperatura de 300-400°C durante um determinado período de tempo.
O objetivo de ambos os tratamentos é acelerar a difusão e a fuga de hidrogénio da junta soldada, sendo o tratamento de remoção de hidrogénio mais eficaz do que o tratamento térmico pós-soldadura.
O tratamento térmico pós-soldadura atempado e o tratamento de remoção de hidrogénio são medidas eficazes para evitar a fissuração a frio em juntas soldadas, especialmente para juntas soldadas de chapa espessa de aços como o 14MnMoV e o 18MnMoNb, que são altamente susceptíveis à fissuração induzida pelo hidrogénio.
Este processo não só reduz a temperatura de pré-aquecimento e alivia a intensidade de trabalho dos soldadores, como também permite uma menor entrada de calor de soldadura, resultando em juntas soldadas com excelentes propriedades mecânicas globais.
Para recipientes sob pressão de paredes espessas e outros componentes estruturais críticos com uma espessura superior a 100 mm, recomenda-se a realização de, pelo menos, 2-3 tratamentos intermédios de remoção de hidrogénio durante o processo de soldadura de múltiplos passes para evitar a acumulação de hidrogénio e a potencial fissuração induzida por hidrogénio.
2) Tratamento térmico pós-soldadura.
Os aços laminados a quente, laminados com controlo e normalizados geralmente não requerem tratamento térmico pós-soldadura. No entanto, para as soldaduras e a zona afetada pelo calor produzida pela soldadura por arco submerso, que tendem a ter grãos grosseiros, é necessário um tratamento de normalização pós-soldadura para refinar a estrutura do grão.
Para recipientes de alta pressão com paredes espessas, recipientes que requerem resistência à corrosão sob tensão e estruturas soldadas que requerem estabilidade dimensional, é necessário um tratamento de alívio de tensões após a soldadura para eliminar as tensões residuais.
Além disso, para os aços de alta resistência com uma elevada suscetibilidade à fissuração a frio, é também necessário um tratamento de alívio de tensões atempado após a soldadura. Os parâmetros recomendados para o tratamento térmico pós-soldagem para vários aços de alta resistência de baixa liga estão listados na Tabela 5-10.
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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