Você já se perguntou como soldar com eficiência diferentes tipos de aço inoxidável? Este artigo se aprofunda nos métodos de soldagem especializados para aço inoxidável martensítico e duplex, detalhando os desafios e as soluções específicas para cada tipo. Ao explorar técnicas de pré-aquecimento, seleção de materiais e tratamentos pós-soldagem, você aprenderá como obter soldas fortes e duráveis e, ao mesmo tempo, minimizar riscos como trincas a frio e fragilização. Este guia fornece insights cruciais para qualquer pessoa que queira dominar as nuances da soldagem desses materiais complexos.
O aço inoxidável martensítico é uma classe exclusiva de ligas ferrosas caracterizada por uma estrutura cristalina martensítica em temperatura ambiente. Essa microestrutura resulta do resfriamento rápido (têmpera) da fase austenita, criando uma estrutura dura e metaestável. A característica distintiva dos aços inoxidáveis martensíticos é sua capacidade de sofrer alterações significativas nas propriedades mecânicas por meio de processos de tratamento térmico.
Essas ligas são conhecidas por sua temperabilidade, obtida por meio de um ciclo de tratamento térmico cuidadosamente controlado de austenitização, têmpera e revenimento. Esse processo permite a personalização de propriedades como dureza, resistência e tenacidade para atender aos requisitos de aplicações específicas.
Em geral, os aços inoxidáveis martensíticos contêm 11,5-18% de cromo, que proporciona resistência à corrosão, e 0,1-1,2% de carbono, que permite a formação de martensita e contribui para a temperabilidade. Alguns tipos também podem incluir pequenas quantidades de níquel, molibdênio ou vanádio para aprimorar propriedades específicas.
Os tipos comuns de aço inoxidável martensítico incluem:
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O aço inoxidável martensítico pode ser soldado usando várias técnicas de soldagem a arco elétrico, cada uma oferecendo vantagens específicas, dependendo da aplicação e dos resultados desejados.
A soldagem por arco de metal blindado (SMAW), também conhecida como soldagem com bastão, continua sendo o principal método devido à sua versatilidade e à sua relação custo-benefício. No entanto, processos avançados, como a soldagem a arco de gás metálico (GMAW) com gás de proteção de dióxido de carbono ou a soldagem a arco de gás tungstênio (GTAW) com gás de proteção misto de argônio e dióxido de carbono, ganharam destaque nos últimos anos. Esses métodos reduzem significativamente o teor de hidrogênio na poça de fusão, minimizando, assim, o risco de trincas a frio induzidas por hidrogênio na zona afetada pelo calor (HAZ).
Para obter os melhores resultados, o pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-soldagem geralmente são necessários ao soldar aços inoxidáveis martensíticos. O pré-aquecimento a 200-300°C (392-572°F) ajuda a reduzir as taxas de resfriamento e as tensões térmicas, enquanto o tratamento térmico pós-soldagem a 650-750°C (1202-1382°F) pode aliviar as tensões residuais e temperar a estrutura da martensita, melhorando as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão da solda.
Ao selecionar metais de enchimento, é fundamental escolher composições que se aproximem do metal de base ou que ofereçam resistência ligeiramente superior. Os eletrodos com baixo teor de hidrogênio (E410 ou E410NiMo) são preferidos para SMAW, enquanto os fios ER410 ou ER410NiMo são adequados para os processos GMAW e GTAW.
As tecnologias emergentes, como a soldagem por feixe de laser (LBW) e a soldagem por feixe de elétrons (EBW), também estão se mostrando promissoras para a união de aços inoxidáveis martensíticos, oferecendo alta precisão e entrada mínima de calor, o que pode ser vantajoso para seções finas ou componentes sensíveis ao calor.
Em geral, quando é necessária uma maior resistência na solda, o Cr13 martensítico soldagem de aço inoxidável são utilizadas hastes e arames para tornar a composição química do metal de solda semelhante à do metal de base, mas isso aumenta a probabilidade de trincas a frio.
Considerações:
a. O pré-aquecimento é necessário antes da soldagem e a temperatura não deve exceder 450°C para evitar a fragilização a 475°C.
Deve ser realizado um tratamento térmico pós-soldagem.
Depois que a temperatura tiver esfriado para 150-200°C, um tratamento térmico pós-soldagem deve ser realizado por 2 horas para permitir a transformação de todas as partes do austenita em martensita, seguido de têmpera de alta temperatura, em que a temperatura é elevada para 730-790°C.
O tempo de espera deve ser de 10 minutos para cada 1 mm de espessura da placa, mas não menos de 2 horas, e, por fim, deve ser resfriado a ar.
b. Para evitar rachaduras, o teor de S e P nas hastes e fios de solda deve ser inferior a 0,015%, e o teor de Si não deve ser superior a 0,3%.
Um aumento no teor de Si pode causar a formação de ferrita primária grosseira, o que diminui a plasticidade da junta.
O teor de carbono deve ser normalmente menor do que a do metal base, o que pode reduzir sua temperabilidade.
O metal de solda do aço austenítico Cr Ni tem um alto nível de plasticidade, que pode aliviar a tensão produzida durante a transformação martensítica na zona afetada pelo calor.
Além disso, as soldas do tipo aço inoxidável austenítico Cr Ni têm uma alta solubilidade para o hidrogênio, o que pode diminuir a difusão do hidrogênio do metal de solda para a zona afetada pelo calor e impedir efetivamente rachaduras friasPortanto, o pré-aquecimento não é necessário.
No entanto, a resistência da solda é relativamente baixa e não pode ser melhorada por meio de tratamento térmico pós-solda.
O aço inoxidável martensítico tem um alto teor de cromo, o que aumenta significativamente sua capacidade de ser endurecido.
Independentemente de seu estado inicial antes da soldagem, a soldagem sempre resulta na formação de martensita perto da costura.
À medida que a tendência de endurecimento aumenta, a junta se torna mais propensa a rachaduras a frio, especialmente quando há presença de hidrogênio. Nessas condições, o aço inoxidável martensítico também é propenso à formação de rachaduras retardadas perigosas induzidas por hidrogênio.
Mmedidas:
Os aços inoxidáveis martensíticos, especialmente aqueles com níveis mais altos de elementos formadores de ferrita, têm uma tendência maior de crescimento de grãos.
Uma taxa de resfriamento lenta pode levar à formação de ferrita grossa e carboneto na zona afetada pelo calor (HAZ) da soldagem, enquanto uma taxa de resfriamento rápida pode causar o endurecimento e a formação de martensita grossa na HAZ.
Essas estruturas grosseiras reduzem a plasticidade e a resistência da ZTA do aço inoxidável martensítico, tornando-o frágil.
Contramedidas:
O pré-aquecimento antes da soldagem é uma técnica fundamental para evitar trincas a frio e garantir a integridade estrutural da solda. Esse processo reduz a taxa de resfriamento na zona afetada pelo calor (HAZ) e minimiza as tensões residuais, atenuando, assim, o risco de trincas induzidas por hidrogênio.
Para aços com teor de carbono entre 0,1% e 0,2%, a temperatura de pré-aquecimento recomendada normalmente varia de 200°C a 260°C (392°F a 500°F). Essa faixa de temperatura é suficiente para eliminar a umidade e reduzir o gradiente térmico entre a solda e o metal de base.
Os aços de alta resistência, especialmente aqueles com resistência ao escoamento superior a 690 MPa (100 ksi), geralmente exigem temperaturas de pré-aquecimento mais altas. Para esses materiais, é comum o pré-aquecimento a temperaturas entre 400°C e 450°C (752°F e 842°F). Essa faixa de temperatura elevada ajuda a reduzir ainda mais as taxas de resfriamento e a gerenciar a formação de microestruturas duras e frágeis na HAZ.
É importante observar que a temperatura ideal de pré-aquecimento depende não apenas do teor de carbono, mas também de outros elementos de liga, da espessura da seção, da temperatura ambiente e do processo de soldagem específico que está sendo usado. Os engenheiros de soldagem devem consultar as normas relevantes (como AWS D1.1 ou ISO 13916) e realizar os cálculos necessários (por exemplo, carbono equivalente) para determinar o regime de pré-aquecimento mais adequado para cada aplicação.
O resfriamento pós-soldagem é uma etapa essencial do processo de soldagem, principalmente para aços de alta resistência e seções espessas. A soldagem não deve ser aquecida diretamente da temperatura de soldagem para a temperatura de revenimento, pois a austenita formada durante a soldagem pode não ter se transformado completamente.
O aquecimento e o revenimento imediatos após a soldagem podem levar a vários efeitos prejudiciais:
Essas alterações microestruturais reduzem significativamente a resistência e as propriedades mecânicas gerais da solda.
Para atenuar esses problemas, é essencial um processo de resfriamento controlado:
1. Para soldas de baixa resistência:
2. Para soldas de alta resistência e espessura:
Esse processo de resfriamento controlado garante que:
A taxa de resfriamento específica e as temperaturas de retenção intermediárias podem variar de acordo com a composição do material, a espessura da seção e as propriedades mecânicas desejadas. É fundamental seguir a especificação do procedimento de soldagem (WPS) ou consultar especialistas em metalurgia para obter os melhores resultados.
Em alguns casos, podem ser empregadas técnicas avançadas de resfriamento, como o resfriamento por ar forçado ou até mesmo a têmpera, mas elas devem ser cuidadosamente controladas para evitar a introdução de novos problemas, como distorção ou rachaduras.
O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) é um processo crítico projetado para otimizar as propriedades mecânicas e a integridade estrutural dos componentes soldados. Seus principais objetivos são reduzir a dureza na solda e na zona afetada pelo calor (HAZ), aumentar a ductilidade e a resistência e atenuar as tensões residuais da solda.
Normalmente, o PWHT envolve dois processos principais: têmpera e recozimento total. Para a têmpera, a faixa de temperatura recomendada é de 650 a 750°C (1202 a 1382°F). O componente deve ser mantido nessa temperatura por aproximadamente 1 hora, seguido de resfriamento controlado com ar. Esse processo alivia efetivamente as tensões internas, mantendo um equilíbrio entre resistência e ductilidade.
Nos casos em que a usinagem pós-soldagem é necessária, o recozimento total pode ser empregado para obter dureza mínima e máxima usinabilidade. O processo de recozimento envolve o aquecimento da solda a uma faixa de temperatura de 830 a 880°C (1526 a 1616°F) e a manutenção dessa temperatura por 2 horas. Em seguida, o componente é submetido a um resfriamento lento no forno até 595°C (1103°F), seguido de resfriamento ao ar até a temperatura ambiente. Essa taxa de resfriamento controlada é fundamental para obter a microestrutura e as propriedades desejadas.
É importante observar que os parâmetros específicos do PWHT podem variar dependendo de fatores como composição do material, espessura da seção e requisitos de serviço. Para aplicações críticas, é aconselhável consultar os padrões relevantes do setor (por exemplo, ASME BPVC Seção IX) e realizar testes mecânicos para validar a eficácia do processo de tratamento térmico.
A escolha de eletrodos de soldagem para aço inoxidável martensítico é fundamental e se enquadra em duas categorias principais: eletrodos de aço inoxidável com cromo e eletrodos de aço inoxidável austenítico com cromo-níquel. Essa seleção afeta significativamente as propriedades mecânicas, a resistência à corrosão e a integridade geral da solda.
Os eletrodos de aço inoxidável com cromo, como o E410-15 (AWS A5.4) ou o E410-16, são comumente usados. Esses eletrodos, correspondentes aos padrões chineses E1-13-15 (G207) e E1-13-16 (G202), respectivamente, oferecem boa força e resistência moderada à corrosão. Eles são particularmente adequados quando se deseja combinar a composição do metal de base.
Para aplicações que exigem maior ductilidade e resistência à corrosão, os eletrodos de aço inoxidável austenítico com cromo e níquel são os preferidos. As opções mais populares incluem:
Os eletrodos de grau "L" (por exemplo, 308L, 316L) têm menor teor de carbono, reduzindo o risco de sensibilização e melhorando a resistência à corrosão intergranular em serviços de alta temperatura.
A seleção entre esses eletrodos depende de fatores como:
O aço inoxidável duplex tem tanto as vantagens quanto as desvantagens do aço austenítico e ferrítico e reduz seus respectivos pontos fracos.
(1) O risco de rachaduras a quente é muito menor em comparação com o aço austenítico.
(2) O risco de rachaduras a frio é significativamente menor em comparação com os produtos comuns de baixa liga aço de alta resistência.
(3) Após o resfriamento na zona afetada pelo calor, uma quantidade maior de ferrita é retida, aumentando o risco de corrosão e rachaduras induzidas por hidrogênio (fragilização).
(4) O junta soldada do aço inoxidável duplex é propenso à precipitação da fase δ, um composto intermetálico de Cr e Fe.
Sua temperatura de formação varia de 600°C a 1000°C e pode variar de acordo com o tipo específico de aço.
Tabela 1 Faixa de temperatura do tratamento da solução, fase δ e fragilidade 475 ℃ do aço inoxidável duplex
| Conteúdo | Aço 2205 de fase dupla e 2507, etc. | Aço superduplex 00Cr25Ni7Mo3CuN |
| Temperatura da solução sólida/℃ | 1040 | 1025~1100 |
| Temperatura de descascamento quando aquecido no ar/℃ | 1000 | 1000 |
| Temperatura de formação da fase δ/℃ | 600~1000 | 600~1000 |
| 475 ° C temperatura de fragilização/℃ | 300~525 | 300~525 |
O processo de soldagem para o aço inoxidável duplex envolve primeiro a soldagem TIG, seguida pela soldagem a arco com eletrodo.
Ao usar a soldagem por arco submerso, a entrada de calor e a temperatura de interpasse devem ser monitoradas de perto e a diluição excessiva deve ser evitada.
Observação:
Quando a soldagem TIG for usada, deve-se adicionar nitrogênio 1-2% à gás de proteção (a adição de mais de 2% de nitrogênio pode aumentar a porosidade e causar instabilidade no arco). A adição de nitrogênio ajuda a absorver o nitrogênio do metal de solda, evitando a perda de nitrogênio por difusão na área da superfície da solda, e contribui para estabilizar a fase de austenita na junta soldada.
Os materiais de soldagem com níveis mais altos de elementos formadores de austenita (como Ni, N) são escolhidos para incentivar a transformação da ferrita na solda em austenita.
O eletrodo ou arame de soldagem 22.8.3L é comumente usado para soldar aço 2205, enquanto o eletrodo 25.10.4L ou 25.10.4R é frequentemente usado para soldar aço 2507.
Tabela 2 Materiais de soldagem e FN do aço inoxidável duplex típico
| Metal base | Material de soldagem | Composição química | Nome | FN（%） | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | N | Cu | W | ||||
| 2507 | Arame de solda | 0.02 | 0.3 | 0.5 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | 2507/P100 | 40~100 |
| 0.02 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | Sandivick 25.10.4L | |||||
| Núcleo de soldagem | 0.03 | 0.5 | 1 | 25 | 9.5 | 3.6 | 0.22 | - | - | Avesta 2507/p100 | ||
| 0.04 | 25 | 10.5 | 4 | 0.25 | - | - | Sandivick 25.10.4L | |||||
| Zeron100 | Arame de soldaNúcleo de solda | 0.04 | 1.2 | 2.5 | 25 | 10 | 4 | 0.22 | 1 | 1 | 22.9.4CuWL 22.9.4CuWLB | 40~60 |
| 2205 | Arame de solda | 0.02 | 0.5 | 1.6 | 22.5 | 8 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3L | 40~60 |
| Núcleo de soldagem | 0.03 | 1.0 | 0.8 | 22.5 | 9.5 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3R | ||
(1) Durante o processo de soldagem, o controle da energia de soldagem, da temperatura de interpasse, do pré-aquecimento e da espessura do material afetará a taxa de resfriamento e, consequentemente, a estrutura e as propriedades da solda e da zona afetada pelo calor.
Para obter propriedades ideais do metal de solda, recomenda-se controlar a temperatura máxima de interpasse em 100°C. Se for necessário um tratamento térmico pós-soldagem, as restrições de temperatura de interpasse podem ser suspensas.
(2) É preferível evitar o tratamento térmico pós-soldagem para o aço inoxidável duplex.
Se for necessário um tratamento térmico pós-soldagem, resfriamento com água é o método utilizado. Durante o tratamento térmico, o aquecimento deve ser rápido, e o tempo de permanência na temperatura do tratamento térmico deve ser de 5 a 30 minutos, o suficiente para restaurar o equilíbrio das fases.
A oxidação do metal é uma preocupação durante o tratamento térmico, portanto, o uso de um gás inerte para proteção deve ser considerado.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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