aula-defeitos em soldas
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Defeitos em soldas: causas e efeitos.
Prof. João Batista Fogagnolo
Consequências da operação de soldagem
Tensões e distorções
Alterações microestruturais
Defeitos dimenionais
estruturais
Defeitos dimensionaisdistorçãopreparação incorreta da juntadimensão incorreta da soldaperfil incorreto da soldaformado incorreto da junta
Defeitos estruturaisporosidadeinclusões de escóriafalta de fusãofalta de penetraçãomordedurastrincas
Defeitos dimensionais
Distorção Mudança de forma da peça devido às tensões geradas por transformações térmicas do material.
Origem das tensões residuais em soldas
Dilatação térmica
α = coeficiente de dilatação térmica
Origem das tensões residuais em soldas
Supor três barras de um aço de baixo carbono de mesmo comprimento e seção e unidas em suas extremidades por duas bases
•nenhuma barra pode se alongar ou contrair
independentemente das outras
•barra central aquecida
•barras externas mantidas a temperatura ambiente
Resultado:•tensões de compressão se desenvolverão na barra central•tensões de tração se desenvolverão nas barras laterais
A-B a restrição da dilatação térmica cria tensão de compressão na barra central
B Quando a tensão na barra central atinge o limite de escoamento, esta passa a se deformar plasticamente
B-C o valor da tensão na barra central cai àmedida que a temperatura aumenta pois o limite de escoamento diminui com a temperatura
C a barra central se contrai com a queda da temperatura
C-D as tensões de compressão na barra central são reduzidas e tornam-se trativas acima da temperatura ambiente devido à sua deformação plástica, a barra se tornou mais curta do que as externas
D-E a barra central passa a deformar plasticamente até atingir a temperatura ambiente
Origem das tensões residuais em soldas
barra central tensões de tração com valor próximo ao do limite de escoamento do material
barras externas tensões de compressão de valor igual àmetade da tensão na barra central
à temperatura ambiente
Estas tensões produzem:
distorção, se o metal base não esta restringido
tensão, se o metal base está restringido
Defeitos dimensionais
Magnitude da tensão gerada
A tensão térmica é dada por
Para aços, ∆T = 1475KMódulo de Young: 200 GPaCoeficiente de expansão térmica: 12x10-6
Assim uma tensão de 3,5 GPa deve ser produzida àtemperatura ambiente
Esta tensão será limitada pela deformação plástica
TE ∆⋅⋅= ασ
Defeitos dimensionais
Distorção Mudança de forma da peça devido às transformações térmicas do material.
Controle / correção:
planejamento da sequência de deposição
projeto adequado de chanfro
desempeno com ou sem aplicação de calor
Defeitos dimensionais
Preparação incorreta da junta
Falha em produzir um chanfro com as dimensões ou forma especificadas.
Aumento da tendência a formação de descontinuidades estruturais.
Defeitos dimensionais
Dimensões incorretas da solda
Especificação dimensional visa atender a requisitos de resistência mecânica e são verificadas por meio de gabaritos.
Dimensões menores – menor resistência mecânica da junta
Dimensões maiores – maior consumo de materialmaior tendência a provocar distorção
P1 e P2 – pernas
g - garganta
Defeitos dimensionais
Perfil incorreto da solda
variações geométricas bruscas atuam como concentradores de tensão
aprisionamento de escória entre passes
acumulo de resíduos (resistência à corrosão)
dimensões incorretas em alguns pontos
Defeitos dimensionais
Formato incorreto da junta
posicionamento ou dimensionamento inadequado das partes
Defeitos dimensionaisdistorçãopreparação incorreta da juntadimensão incorreta da soldaperfil incorreto da soldaformado incorreto da junta
Defeitos estruturaisporosidadeinclusões de escóriafalta de fusãofalta de penetraçãomordedurasexcesso de respingostrincas
Porosidade
N2, O2, H2: Dissociam-se na forma atômica na superfície do metal líquido e são dissolvidos neste.
CO, CO2, H2O, SO2:Também podem se dissociar e serem incorporados na poça de fusão.
Implicações da absorção de gás pelo metal fundido:
reações entre o gás e outros elementos da poça
evolução de gás durante o resfriamento e asolidificação da poça
Porosidade
Diminuição da solubilidade com a diminuição temperatura
Diminuição da solubilidade com a solidificação
Evolução dos gases na forma de bolhas
Reações químicasC + O → CO
Porosidade
Contração na solidificaçãoMicroporosidade entre ramos dendríticos
Porosidade
Porosidade
Classificação quanto à distribuição:
Uniformemente distribuída (uniformly scattered porosity)
Agrupada Alinhada (cluster porosity) (aligned porosity)
Porosidade
Classificação quanto à morfologia:
Vermicular ou vermiforme (alongated porosity or worm holes)
Velocidade da frente de solidificação = velocidade de desprendimento dos gases
Esférica (spherical porosity)
Velocidade da frente de solidificação > velocidade de desprendimento dos gases
Não haverá formação de poro quando a velocidade da frente for inferior a de desprendimento (velocidade de soldagem lenta)
Porosidade fina – tolerada na maioria das aplicações
Porosidade grosseira – pode exigir a remoção da região afetada e o seu reparo
Poros formados um uma solda de alumínio feita com o processo GMAW
solda em AlSi Microporosidade entre ramos dendríticos
Porosidade vermicular
Redução da porosidade
Limpeza e prevenção de agentes contaminanteslimpeza da juntasecagem dos consumíveis
Seleção apropriada dos eletrodos e metais de adição
Aprimorar a técnica de soldagempré-aquecimentoajuste da energia de soldagem
Diminuição da velocidade de soldagem para permitir o saída dos gases
Porosidade de cratera / microporosidade
Contração da poça de soldagem devido a solidificação
Cratera em solda TIGMicroporosidade em arco submerso
Prevenção
Aprimorar a técnica de soldagem
Uso da diminuição da corrente ao final do cordão
Uso de placa de final de cordão
Inclusões de escória
Partículas de óxido e outros sólidos não-metálicos aprisionados entre passes de solda ou entre a solda e o metal base
Podem agir como concentradores de tensão, favorecendo a iniciação de trincas.
Inclusões de escória
Causas:
– manipulação inadequado do eletrodo, fazendo com que a escória escoe a frente da poça de fusão, aprisionando-a sob o cordão (eletrodo revestido)
– remoção incompleta da escória entre passes sem refusãopelo passe seguinte (soldagem com vários passes)
Fatores que dificultam a remoção da escória
formação de um cordão irregular
uso de chanfro muito fechado
Inclusões de escória
Falta de fusão
Falta de união por fusão entre a solda e o metal base ou entre passes adjacentes
Constitui severo concentrador de tensões
Reduz a seção efetiva da solda para resistir a esforços mecânicos
Falta de fusão
Causas:
Aquecimento inadequado do material pela - energia de soldagem excessivamente baixa- desvio do arco por efeito do sopro magnético- manipulação inadequada do eletrodo- uso de chanfros muito fechados
Falta de limpeza da junta- presença de camadas de óxidos- presença de tintas- presença de óleos
Correção: remover toda a região defeituosa por esmerilhamento e posterior deposição de material
Falta de fusão
Falta de penetração
Fusão e preenchimento incompleto da raiz da junta
Constitui diminuição da seção útil da solda e concentrador de tensões.
Falta de penetração
Causas
Baixa energia de soldagem
Manipulação incorreta do eletrodo
Eletrodo muito grande para um dado chanfro oujunta com ângulo de chanfro excessivamente fechadotornando impossível o direcionamento do arco para a raiz da junta
Junta com abertura de raiz excessivamente pequena.
Falta de penetração
Aconselhável o uso de TIG no primeiro passe (passe de raiz) para obter a perfeita penetração de raiz.
Correção: remover toda a região defeituosa por esmerilhamento e posterior deposição de material
Excesso de penetração
Causados por parâmetros incorretos de soldagem
Excessiva energia de soldagem
Excessiva abertura de raiz
Mordedura
Reentrâncias agudas entre o cordão e o metal base ou entre passes adjacentes
Quando formada no último passe, atua como concentrador de tensões e redução da espessura da junta
Quando formada no interior do cordão, pode ocasionar falta de fusão ou inclusão de escória.
Mordedura
Causas
Manipulação incorreta do eletrodo
Comprimento excessivo do arco
Corrente de soldagem elevada
Velocidade de soldagem elevada
Mordedura
Excesso de respingos
Causas: corrente muito altaarco longometal base sujoeletrodo úmido
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Região da solda
mudanças estruturais
absorção de elementos nocivos
fragilização do material
aquecimento localizado característico da soldagem
expansões e contrações térmicas localizadas
variações de volume devido a transformações de fase
tensões de tração
Fissuras - trincas
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Tipos de fissuração
(1) fissuração na cratera(2) fissuração transversal na ZF(3) fissuração transversal na ZTA(4) fissuração longitudinal na ZF(5) fissuração na margem da solda(6) fissuração sob o cordão(7) fissuração na linha de fusão(8) fissuração na raiz da solda.
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Fissuração a quente
Fissuração na solidificação
Fissuração por liquação na ZTA
Fissuração por perda de dutilidade
Fissuração a frio
Fissuração pelo Hidrogênio
Decoesão Lamelar
Fissuração em serviço
Fissuração por Corrosão sob Tensão
Fadiga
Classificação quanto a temperatura
Fissuração a quente (hot cracking ou high temperature cracking)
ocorrem durante a soldagem quando o material estásubmetido a temperaturas próximas à sua temperatura liquidus ou ao menos acima da metade desta, expressa em Kelvin.
Fissuração na solidificaçãoFissuração por liquação na ZTAFissuração por perda de dutilidade
(ductility-dip cracking)
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Fissuração a frio (cold cracking)
ocorrem durante a soldagem quando o material estásubmetido a temperaturas próximas à ambiente ou ao menos abaixo da metade da temperatura líquidus do material, expressa em Kelvin.
Fissuração pelo Hidrogênio (fissuração a frio ou cold cracking)
Decoesão Lamelar
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Classificação quanto a temperatura
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Problemas de fissuração podem ocorrer após a soldagemdurante operações subsequentes de fabricaçãodurante o serviço
Fissuração por Corrosão sob Tensão
Fadiga
mais relacionados com as com as condições de serviço
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Fissuração a quente
Fissuração na solidificação
Fissuração por liquação na ZTA
Fissuração por perda de dutilidade
Fissuração a frio
Fissuração pelo Hidrogênio
Decoesão Lamelar
Fissuração em serviço
Trincas de reaquecimento
Fissuração por Corrosão sob Tensão
Fadiga
Trincas de Solidificação
Ocorrem nas etapas finais da solidificação.
– Crescimento colunar para o interior da poça– Dificuldade de alimentação com metal líquido– Presença de segregações / filmes líquidos intergranulares
A tensão atingida através dos grãos adjacentes formados excede a resistência do metal de solda quase solidificado
Trincas de Solidificação
Características
ocorre a altas temperaturas
morfologia intergranular em relaçãoà estrutura primária de solidificação
superfície apresenta-se geralmente oxidada(alta temperatura de formação)
Trincas de Solidificação
Características
ocorre com frequência no centro do cordão
em geral, trincas longitudinais e superficiais
também podem ser transversais
na cratera, podem ser radiais.
Trincas de Solidificação
Características
Aparência "dendrítica" na superfície interna da trinca
Trincas internas podem ser formadas e serem macro ou microscópicas
aço inoxidável ferrítico
Trincas de Solidificação
Ligas mais sensíveis:
aços cromo-níquel com estrutura de solidificação completamente austenítica,
ligas de alumínio com silício (0 - 1,5%Si),
ligas de alumínio com cobre (0,5 - 5,0%Cu)
ligas de alumínio com magnésio (1,0 - 4,0 %Mg),
ligas de cobre contendo bismuto ou chumbo,
bronze de alumínio (com cerca 7,5%Al)
ligas de níquel contendo Pb, Bi, S, P, Cd, Zr e B
Trincas de Solidificação
espessura da junta
nível de restrição da junta
chance de formação de trincas
Trincas de Solidificação
rigidez da montagem
nível de restrição da junta
chance de formação de trincas
Trincas de Solidificação
Efeito da forma da poça de fusão
Relação penetração / largura excessiva
Controle adequado do aporte de calor - obter relação penetração/largura na ordem de 1:1
Trincas de Solidificação
Efeito da forma da poça de fusão
Concavidade / convexidade do cordão
em soldas de filete
em passe de raiz
Trincas de Solidificação
Trincas por Liquação na ZTA
Liquação: Separação, mediante fusão, dos componentes de uma mistura sólida
Trincas formadas na ZTA, nas regiões aquecidas a temperaturas próximas da T solidus do metal base
fusão de inclusões e precipitados
formação de um filme fino em contornos de grão
trincas se formam no resfriamento por tensões trativas
Trincas por Liquação na ZTA
Este tipo de fissuração foi observado em
aços austeníticos
ligas não ferrosas
Liga de níquel
típico aspecto serrilhado de abertura variável
ocorre sempre ao longo dos contornos de grão
Trincas por Liquação na ZTA
Inclusões e precipitados que propiciam a liquação
sulfetos
silicatos e espinélio de baixo ponto de fusão
carbonetos e carbonitretos(NbC, M6C, Zr(C,N), TiC, M26C6);
boretos (M3B2, Ni4B2)
fases intermetálicas (por exemplo, em ligas de Al).
Trincas por perda de dutilidade
Ocorre a alta temperatura sem a formação de fase líquida
Associada à perda de ductilidade a temperatura elevada
Ocorrem a temperaturas inferiores do que trincas por liquação.
Trincas por perda de dutilidade
Ocorre ao longo de contornos de grão
Não apresenta evidências de filmes finos em contornos de grão
Aço CrMoV
Presença mais comum em regiões mais afastadas da linha de fusão
Trincas por perda de dutilidade
Pode estar associada com a segregação, durante exposição a temperaturas elevadas, de impurezas, principalmente o fósforo, e de elementos de liga, como o níquel, para contornos de grão.
Também pode ocorrer em associação com trincas iniciadas durante a solidificação ou por liquação
Materiais sensíveis:
- aços cromo-níquel de estrutura completamente austenítica
- certas ligas de níquel e cromo-níquel
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Fissuração a quente
Fissuração na solidificação
Fissuração por liquação na ZTA
Fissuração por perda de dutilidade
Fissuração a frio
Fissuração pelo Hidrogênio
Decoesão Lamelar
Fissuração em serviço
Trincas de reaquecimento
Fissuração por Corrosão sob Tensão
Fadiga
Fissuração pelo Hidrogênio
Grande problema de soldabilidade dos aços estruturais comuns, especialmente para processos de baixa energia de soldagem.
A teoria mais utilizada sugere que as trincas se formam a partirda presença de hidrogênio atômico (H+) que se difunde por sítios preferenciais como microporos, interfaces entre inclusões e matriz, ou outras descontinuidades onde este se combina para formar H2.
Ocorre então uma elevação na pressão sobre a rede na região onde o H2 encontra-se concentrado, e com isso levando ao rompimento da rede e servindo como local para propagação da trinca.
Fissuração pelo Hidrogênio
Ocorre tanto na ZTA como na ZF- principalmente na ZTA na região de crescimento de grão
A trinca se forma quando o material está próximo da temperatura ambiente
Pode levar até 48 horas após soldagem para a sua completa formação.
A trinca tem origem a partir de concentradores de tensão(a margem ou a raiz da solda) e poder resultar em:
iniciação de trinca por fadigainiciação de fratura frágilfalha prematura de componentes soldados
Fissuração pelo Hidrogênio
Diferentes nomes:
fissuração a frio - cold cracking
fissuração retardada - delayed cracking
fissuração sob o cordão - underbead cracking
fissuração na margem do cordão - toe cracking
Fissuração pelo Hidrogênio
Trincas longitudinaistransversaissuperficiais sub-superficiais
Fissuração pelo Hidrogênio
Fissuração pelo Hidrogênio
Susceptibilidade ao aparecimento da trinca à frio
Fórmula de carbono-equivalente (% em peso)
CE < 0,4 aço insensível à fissuração
CE > 0,6 fortemente sensível à fissuração
Fissuração pelo Hidrogênio
Controle:
uso de processos de baixo nível de hidrogênio
pré-aquecimento
pós-aquecimento
reduz a velocidade de resfriamento
possibilita a formação de uma estrutura menos dura na ZTA
propicia um maior tempo para que o hidrogênio escape da peça antes que se atinja as temperaturas de fragilização por este elemento.
temperatura > 200 oC e tempo > 2 horasresfriamento lento até a temperatura ambiente
Fissuração pelo Hidrogênio
procedimento de soldagem
•controle da velocidade de resfriamento•seleção adequada da disposição das soldas e da sequência de montagem do componente ou estrutura•sequências especiais de deposição•evitar a presença de mordeduras•evitar reforço excessivo•evitar falta de penetração na raiz
solicitação de tensões residuais e externas
seleção de um material menos sensívelformação de microestrutura de elevada dureza
seleção do processo de soldagemcontrole do teor de hidrogênio
presença de hidrogênio na região da solda
atuaçãocondições necessárias
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Fissuração que ocorre no metal base (e às vezes na ZTA)
Ocorre em planos que são paralelos à superfície da chapa.
espessura entre 12 e 60mm.
soldas de juntas em T
chapas ou placas laminadas de aço
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Mecanismo de formação
- O metal base é submetido a tensões de tração no sentido da espessura
- fissuração de inclusões alongada
- vazios formados crescem e se unem por rasgamento plástico da matriz entre as inclusões ao longo de planos horizontais e verticais
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Aparência típica em degraus
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Variável de maior influência na formação da trinca lamelar:
características das inclusões não metálicas no metal base
Inclusões de sulfeto (MnS) e de silicato são deformáveis
processo de laminação
chapa ou placa de aço com inclusões alongadas
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Sensibilidade à decoesão de um aço laminado
Redução de área em ensaio de tração de um corpo de prova retirado na direção Z
RA > 30% material não sensível ao problema
20% > RA > 30% material pouco sensível e
RA < 20% material fortemente sensível
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Para evitar a ocorrência
- uso de um metal base com boas propriedades na direção Z
redução do teor de enxofre no aço – reduz quantidade de sulfetos
adição de certos elementos de liga que tornam as inclusões menos deformáveis
Ex. cério: forma inclusões de CeSnão se alongam durante a laminação -plasticidade menor que o MnS.
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Para evitar a ocorrência
medidas baseadas em mudanças no projeto da junta
redução do volume de metal depositado por mudança da geometria da junta
redução do nível de tensões na direção z por troca da peça a ser chanfrada
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Para evitar a ocorrência
medidas baseadas em mudanças no projeto da junta
redução do nível de tensões na direção z por alteração da configuração da junta
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Para evitar a ocorrência
medidas baseadas em mudanças no projeto da junta
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Para evitar a ocorrência
medidas baseadas em mudanças no projeto da junta
substituição local da chapa laminada por um material insensível ao problema (peça forjada)
Decoesão Lamelar ou trinca lamelar
Para evitar a ocorrência
medida baseadas em mudanças no procedimento de soldagem
martelamento entre passes (quando permitido)
utilização de eletrodo de menor limite de escoamento
"amanteigamento" deposição de uma pré-camada de solda, na região de alto risco, com um material de alta ductilidade antes da soldagem.
FISSURAÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS
Fissuração a quente
Fissuração na solidificação
Fissuração por liquação na ZTA
Fissuração por perda de dutilidade
Fissuração a frio
Fissuração pelo Hidrogênio
Decoesão Lamelar
Fissuração em serviço
Trincas de reaquecimento
Fissuração por Corrosão sob Tensão
Fadiga
Trincas de reaquecimento
Podem se formar durante tratamentos térmicos pós-soldagem(entre 450 e 700oC)
Podem se formar após vários anos de serviço(entre 300 a 400oC)
(usinas térmicas, químicas ou em refinarias)
Trincas de reaquecimento
Ocorrem, em geral, na ZTA, região de crescimento de grão.
Propagam-se ao longo dos contornos de grão austeníticos(em aços estruturais ferríticos, nos contornos dos grãos austeníticos prévios).
aços Cr-Mo-V
aços inoxidáveis austeníticos
Trincas de fadiga
Defeitos em juntas soldadas se constituem em pontos de concentração de tensões, que aceleram o processo de falha por fadiga.
mordeduras
falta de penetração na raiz
trincas pré-existentes
poros
inclusões não metálicas
Trincas de fadiga
A trinca de fadiga se iniciou na raiz da solda devido a um entalhe resultante do desalinhamento dos componentes da junta (seta).
Trincas de corrosão sob tensão
Podem aparecer em soldas de diferentes materiais quando em contato com um dado ambiente corrosivo
Problema não é específico de juntas soldadas
A presença de um nível elevado de tensões residuais na junta soldada favorece sua ocorrência.
Tensões residuais podem atingir um valor próximo ao limite de escoamento do material e, em geral, superior ao limite mínimo para a formação de trincas de corrosão sob tensão.
Trincas de corrosão sob tensão
Trincas de corrosão sob tensão
Características:
As trincas são ramificadas, podendo ser intergranulares ou transgranulares.
A formação das trincas necessita de uma tensão de tração superior a um valor crítico.
A fratura tem, macroscopicamente, um aspecto frágil, embora o material seja normalmente dúctil na ausência do meio agressivo.
Trincas de corrosão sob tensão
Características:
O problema depende da microestrutura e presença de deformações plásticas no material.
A formação de trincas pode ocorrer em ambientes que, em outras situações, seriam considerados fracamente corrosivos para o material.
Longos períodos de tempo (muitas vezes, anos) podem se passar antes que as trincas se tornem visíveis; contudo, uma vez formadas, as trincas tendem a se propagar rapidamente, podendo resultar em uma falha inesperada do componente.
Trincas de corrosão sob tensão
Controle:
A formação de trincas pode ser inibida pelo controle do procedimento de soldagem.
Exemplo:
A fissuração em aço carbono em ambiente de H2S necessita de um nível de tensão relativamente elevado.
O problema pode ser controlado limitando-se a dureza da solda a valores inferiores a 200 Brinnel.