Você já se perguntou como soldar com eficiência diferentes tipos de aço inoxidável? Este artigo aborda os métodos de soldagem especializados para o aço inoxidável martensítico e duplex, detalhando os desafios e soluções específicos para cada tipo. Ao explorar técnicas de pré-aquecimento, seleção de materiais e tratamentos pós-soldagem, você aprenderá como obter soldas fortes e duráveis, minimizando riscos como trincas a frio e fragilização. Este guia fornece informações cruciais para quem procura dominar as nuances da soldadura destes materiais complexos.
O aço inoxidável martensítico é uma classe única de ligas ferrosas caracterizada por uma estrutura cristalina martensítica à temperatura ambiente. Esta microestrutura resulta do arrefecimento rápido (têmpera) da fase de austenite, criando uma estrutura dura e metaestável. A caraterística distintiva dos aços inoxidáveis martensíticos é a sua capacidade de sofrer alterações significativas nas propriedades mecânicas através de processos de tratamento térmico.
Estas ligas são conhecidas pela sua temperabilidade, conseguida através de um ciclo de tratamento térmico cuidadosamente controlado de austenitização, têmpera e revenido. Este processo permite a adaptação de propriedades como a dureza, a resistência e a tenacidade para satisfazer requisitos de aplicação específicos.
Os aços inoxidáveis martensíticos contêm normalmente 11,5-18% de crómio, que proporciona resistência à corrosão, e 0,1-1,2% de carbono, que permite a formação de martensite e contribui para a temperabilidade. Alguns tipos podem também incluir pequenas quantidades de níquel, molibdénio ou vanádio para melhorar propriedades específicas.
Os tipos mais comuns de aço inoxidável martensítico incluem:
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O aço inoxidável martensítico pode ser soldado utilizando várias técnicas de soldadura por arco elétrico, cada uma oferecendo vantagens específicas, dependendo da aplicação e dos resultados desejados.
A soldadura por arco de metal blindado (SMAW), também conhecida como soldadura por varão, continua a ser o método principal devido à sua versatilidade e rentabilidade. No entanto, processos avançados como a Soldadura por Arco de Metal a Gás (GMAW) com gás de proteção de dióxido de carbono ou a Soldadura por Arco de Tungsténio a Gás (GTAW) com gás de proteção misto de árgon e dióxido de carbono ganharam destaque nos últimos anos. Estes métodos reduzem significativamente o teor de hidrogénio na poça de fusão, minimizando assim o risco de fissuração a frio induzida pelo hidrogénio na zona afetada pelo calor (HAZ).
Para obter resultados óptimos, o pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-soldadura são frequentemente necessários na soldadura de aços inoxidáveis martensíticos. O pré-aquecimento a 200-300°C (392-572°F) ajuda a reduzir as taxas de arrefecimento e as tensões térmicas, enquanto o tratamento térmico pós-soldadura a 650-750°C (1202-1382°F) pode aliviar as tensões residuais e temperar a estrutura da martensite, melhorando as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão da soldadura.
Ao selecionar os metais de adição, é crucial escolher composições que se aproximem do metal de base ou que proporcionem uma resistência ligeiramente superior. Os eléctrodos com baixo teor de hidrogénio (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 soldadura por feixe de laser (LBW) e a soldadura por feixe de electrões (EBW), também se revelam promissoras para a união de aços inoxidáveis martensíticos, oferecendo uma elevada precisão e uma entrada mínima de calor, o que pode ser vantajoso para secções finas ou componentes sensíveis ao calor.
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.
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.
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:
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:
O pré-aquecimento antes da soldadura é uma técnica crucial para evitar fissuras a frio e garantir a integridade estrutural da soldadura. Este processo reduz a taxa de arrefecimento na zona afetada pelo calor (HAZ) e minimiza as tensões residuais, atenuando assim o risco de fissuração induzida pelo hidrogénio.
Para aços com teor de carbono entre 0,1% e 0,2%, a temperatura de pré-aquecimento recomendada varia tipicamente entre 200°C e 260°C (392°F e 500°F). Este intervalo de temperatura é suficiente para eliminar a humidade e reduzir o gradiente térmico entre a soldadura e o metal de base.
Os aços de elevada resistência, particularmente os que têm limites de elasticidade superiores a 690 MPa (100 ksi), requerem frequentemente temperaturas de pré-aquecimento mais elevadas. Para estes materiais, é comum o pré-aquecimento a temperaturas entre 400°C e 450°C (752°F e 842°F). Esta gama de temperaturas elevadas ajuda a reduzir ainda mais as taxas de arrefecimento e a gerir a formação de microestruturas duras e frágeis na ZTA.
É importante notar que a temperatura de pré-aquecimento ideal depende não só do teor de carbono, mas também de outros elementos de liga, da espessura da secção, da temperatura ambiente e do processo de soldadura específico que está a ser utilizado. Os engenheiros de soldadura devem consultar as normas relevantes (como a AWS D1.1 ou a ISO 13916) e efetuar os cálculos necessários (por exemplo, carbono equivalente) para determinar o regime de pré-aquecimento mais adequado para cada aplicação.
O arrefecimento pós-soldadura é um passo crítico no processo de soldadura, particularmente para aços de alta resistência e secções espessas. A soldadura não deve ser diretamente aquecida da temperatura de soldadura para a temperatura de têmpera, uma vez que a austenite formada durante a soldadura pode não se ter transformado completamente.
O aquecimento e a têmpera imediatos após a soldadura podem provocar vários efeitos prejudiciais:
Estas alterações microestruturais reduzem significativamente a tenacidade e as propriedades mecânicas globais da soldadura.
Para atenuar estes problemas, é essencial um processo de arrefecimento controlado:
1. Para soldaduras de baixa resistência:
2. Para soldaduras de elevada resistência e espessura:
Este processo de arrefecimento controlado garante que:
A taxa de arrefecimento específica e as temperaturas de retenção intermédias podem variar em função da composição do material, da espessura da secção e das propriedades mecânicas pretendidas. É crucial seguir a especificação do procedimento de soldadura (WPS) ou consultar especialistas em metalurgia para obter os melhores resultados.
Em alguns casos, podem ser utilizadas técnicas de arrefecimento avançadas, como o arrefecimento por ar forçado ou mesmo a têmpera, mas estas devem ser cuidadosamente controladas para evitar a introdução de novos problemas, como a distorção ou a fissuração.
O tratamento térmico pós-soldadura (PWHT) é um processo crítico concebido para otimizar as propriedades mecânicas e a integridade estrutural dos componentes soldados. Os seus principais objectivos são reduzir a dureza na soldadura e na zona afetada pelo calor (ZTA), melhorar a ductilidade e a tenacidade e atenuar as tensões residuais da soldadura.
O PWHT envolve normalmente dois processos principais: têmpera e recozimento total. Para a têmpera, a gama de temperaturas recomendada é de 650-750°C (1202-1382°F). O componente deve ser mantido a esta temperatura durante aproximadamente 1 hora, seguido de um arrefecimento controlado com ar. Este processo alivia eficazmente as tensões internas, mantendo um equilíbrio entre resistência e ductilidade.
Nos casos em que é necessário maquinar após a soldadura, pode ser utilizado o recozimento total para obter uma dureza mínima e uma maquinabilidade máxima. O processo de recozimento envolve o aquecimento da soldadura a uma temperatura de 830-880°C (1526-1616°F) e a manutenção desta temperatura durante 2 horas. Posteriormente, o componente é submetido a um arrefecimento lento no forno até 595°C (1103°F), seguido de um arrefecimento ao ar até à temperatura ambiente. Esta taxa de arrefecimento controlada é crucial para obter a microestrutura e as propriedades pretendidas.
É importante notar que os parâmetros específicos do PWHT podem variar dependendo de factores como a composição do material, a espessura da secção e os requisitos de serviço. Para aplicações críticas, é aconselhável consultar as normas industriais relevantes (por exemplo, ASME BPVC Secção IX) e realizar ensaios mecânicos para validar a eficácia do processo de tratamento térmico.
A escolha de eléctrodos de soldadura para aço inoxidável martensítico é crítica e divide-se em duas categorias principais: eléctrodos de aço inoxidável cromado e eléctrodos de aço inoxidável austenítico cromo-níquel. Esta seleção tem um impacto significativo nas propriedades mecânicas da soldadura, na resistência à corrosão e na integridade geral.
Os eléctrodos de aço inoxidável com crómio, como o E410-15 (AWS A5.4) ou o E410-16, são normalmente utilizados. Estes eléctrodos, correspondentes às normas chinesas E1-13-15 (G207) e E1-13-16 (G202), respetivamente, oferecem uma boa resistência e uma resistência moderada à corrosão. São particularmente adequados quando se pretende uma correspondência com a composição do metal de base.
Para aplicações que exigem ductilidade e resistência à corrosão melhoradas, são preferidos os eléctrodos de aço inoxidável austenítico com crómio-níquel. As escolhas mais populares incluem:
Os eléctrodos da classe "L" (por exemplo, 308L, 316L) têm um teor de carbono mais baixo, reduzindo o risco de sensibilização e melhorando a resistência à corrosão intergranular em serviço a alta temperatura.
A seleção entre estes eléctrodos depende de factores como:
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
| Conteúdo | Aço bifásico 2205 e 2507, etc. | Aço super duplex 00Cr25Ni7Mo3CuN |
| Temperatura da solução sólida/℃ | 1040 | 1025~1100 |
| Temperatura de descasque quando aquecido ao ar/℃ | 1000 | 1000 |
| Fase δ temperatura de formação/℃ | 600~1000 | 600~1000 |
| 475 ° C temperatura de fragilização/℃ | 300~525 | 300~525 |
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.
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
| Metal de base | Material de soldadura | Composição química | Nome | FN（%） | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | N | Cu | W | ||||
| 2507 | Fio de soldadura | 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 soldadura | 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 | Fio de soldaduraNúcleo de soldadura | 0.04 | 1.2 | 2.5 | 25 | 10 | 4 | 0.22 | 1 | 1 | 22.9.4CuWL 22.9.4CuWLB | 40~60 |
| 2205 | Fio de soldadura | 0.02 | 0.5 | 1.6 | 22.5 | 8 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3L | 40~60 |
| Núcleo de soldadura | 0.03 | 1.0 | 0.8 | 22.5 | 9.5 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3R | ||
(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.
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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