2023 1 _ Material de apoio 01 - Aulas prof Alexandre Queiroz

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LRSS
DEFEITOS NO METAL DE 
SOLDA
Prof. Alexandre Queiroz Bracarense
Universidade Federal de Minas Gerais
Departamento de Engenharia Mecânica
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LRSS Artigos
Trevisan, R.E., Schwemmer, D.D. and Olson, D.L. “The Fundamentals of
Weld Metal Pore Formation”, Welding: Theory and Practice, Edited by
D.L. Olson, R. Dixon and A.L. Liby – Elsevier Science publishers, B.V., 1990,
79-115.
Coe, F. “Hydrogen Measurements – Current Trends Versus Forgotten
Facts”, Metal Construction, January 1986, 20-25.
IIW, “The Measurement of Weld Hydrogen Levels”, Doc. Iis/IIW– 805-85,
49-63.
Gordon, J.R., “Fitness-for-Service Assessment of Welded Structures”, ASM
Handbook, Vol. 6, 1108-1116.
“Overview of Weld Discontinuities”, ASM Handbook, Vol. 6, 1073-1080.
Raymond R. Unocic, “The Effect of Arc Welding Parameters on Diffusible
Hydrogen Content in Steel Weldments“, Welding Engineering 600,
Literature Review, Department of Materials Science & Engineering The
Ohio State University February 25, 2000
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SEM COMENTÁRIOS!!!!
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Qual a diferença entre
DEFEITO e DESCONTINUIDADE????
DEFEITO é uma fratura consumada
DESCONTINUIDADE é uma fratura não 
consumada. É uma falha que não virou 
defeito…..ainda!
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LRSS INTRODUÇÃO
Por causa disto os procedimentos de 
qualificação para o serviço são 
realizados. 
Eles objetivam:
• Avaliar a integridade;
• Continuação da vida útil dos componentes 
em serviço;
• Criar justificativas para estender a vida útil.
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LRSS INTRODUÇÃO
•Fratura frágil •Fratura dútil
•Colapso plástico•Fadiga
•Corrosão •Empeno
A estrutura pode falhar por diversos modos:
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• Fratura frágil é a mais espetacular e perigosa com 
conseqüências devastadoras.
• Ensaio de Charpy é o teste mais usado para avaliar a 
susceptibilidade. 
Curva típica da energia transição 
ensaio de impacto Charpy
Temperatura
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Frágil
DútilTransição
FRATURA
O Ensaio Charpy não distingue 
as fases - apenas indica a 
energia necessária para iniciar e 
propagar a trinca em 
determinada temperatura.
Pode indicar a “QUALIDADE” do 
material.
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Fratura compreende duas fases:
 Iniciação: 1ª extensão de uma descontinuidade pré-existente
 Propagação: continuação do defeito existente anteriormente
O processo envolve 3 parâmetros:
 O tamanho da descontinuidade
 A resistência do material
 A tensão aplicada
Tensão Aplicada
Resistência do material
Tamanho da
descontinuidade
O processo de fratura
FRATURA
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Aplicação dos procedimentos de avaliação de descontinuidades
 O objetivo é desenvolver critérios de aceitação: 
 pode gerar economias significativas (acelerar padrões de 
construções através de redução no número de reparos.)
 usado para definir níveis de espessuras mínimas para 
qualificação de procedimentos de soldagem 
 usado para desenvolver critérios de inspeção -
descontinuidades podem não afetar a integridade da 
estrutura. 
DESCONTINUIDADES
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Considerações 
 O tipo da descontinuidade, trinca ou degradação depende
do material, composição química, microestrutura, metal de solda
e ZTA, geometria da solda, nível da tensão residual da solda,
condições operacionais e ambiente.
 Quando a descontinuidade aparece o usuário precisa:
 Primeiro identificar a causa;
 Depois avaliar a possibilidade de bloquear o crescimento;
 Se a possibilidade de virar defeito existe, estimar a vida
restante, determinando intervalos de inspeção apropriadas;
 Numa etapa posterior, desenvolver um esquema de
monitoramento para detectar e acompanhar o crescimento.
DESCONTINUIDADES
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• Problemas de projeto ou detalhes estruturais;
• Escolha errada do tipo da junta a ser aplicada;
• Mudança indesejável na seção transversal da solda
Classificação das descontinuidades de soldagem -
PROJETO
Desalinhamento
•montagem incorreta da junta.
•distorções durante a fabricação.
Distorções
•projeto inadequado da junta.
•seqüência inadequada dos passes
de solda
CONSEQUÊNCIA: Concentração de tensão em locais nos quais durante 
o trabalho poderão produzir falha por fadiga prematura na junta.
VISÃO DAS DESCONTINUIDADES DE SOLDAGEM
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Trincas Cracks
Fissuras Fissures
Segregação Segregation
Decoesão lamelar Lamellar tearing
Classificação de descontinuidades de soldagem -
METALURGIA
VISÃO DAS DESCONTINUIDADES DE SOLDAGEM
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•Metal base com alto teor de impurezas
•Incorretos procedimentos e técnicas de soldagem
•Pouco reforço na cratera
•Junta com alto grau de restrição (solda pequena em relação as 
partes soldadas
•Eletrodo molhado ou umido
•Presença de hidrogênio no metal de solda, aço com alto teor de 
carbono equivalente. (fissuração)
TRINCAS
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TRINCAS LONGITUDINAIS
TRINCAS DE CRATERA
Trinca de solidificação 
TRINCAS
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• Inclusões no metal base no sentido da laminação.
• Junta com alto grau de restrição.
DECOESÃO LAMELAR - Lamellar tearing
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MORDEDURA Undercut 
INCLUSÃO ESCÓRIA Slag Inclusion
REFORÇO EXCESSO Overlap
INCLUSÃO TUNGSTÊNIO ungsten inclusions
CONTRAÇÃO Shrinkage
INCLUSÕES de ÓXIDOS Oxide inclusions
FALTA de FUSÃO Lack of fusion
FALTA de PENETRAÇÃO Lack of penetration
CRATERAS Craters
EXCESSO PENETRAÇÃO Melt-through
RESPINGOS patter
FALTA de REFORÇO underfill
POSIDADE Porosity 
VISÃO DAS DESCONTINUIDADES DE SOLDAGEM
Classificação das descontinuidades de soldagem -
PROCESSO
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• Alta velocidade de soldagem.
• Alta voltagem- comprimento do arco.
• Manuseio inadequado da tocha.
• Amperagem excessiva.
RESULTADO: Local de concentração de tensão > potencial ponto de 
fadiga e iniciação de trinca.
MORDEDURA - Undercut
Mordedura Externa
Mordedura Interna
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• Cordão muito convexo - soldagem multipasse.
• Baixa energia de soldagem.
• Junta inadequada.
• Manuseio inadequado da tocha. 
• Superfície com sujeira (graxa, poeira, carepa) 
FALTA DE FUSÃO - Lack of fusion
RESULTADO: Enfraquecimento da junta soldada, ocasionando um 
ponto potencial para início de fadiga 
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• Corrente/energia muita baixa.
• Eletrodo grande diâmetro
• Abertura de raiz Insuficiente
• Junta inadequada
• Velocidade alta
FALTA DE PENETRAÇÃO - Lack of penetracion
RESULTADO: Enfraquecimento da junta soldada, ocasionando um 
ponto potencial para início de fadiga 
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• Superfície com carepa ou oxidação excessiva.
• Escória nos cantos de cordões de solda muito convexos.
• Falta de limpeza entre passes
• Escória ancoradas em mordeduras.
• Ângulo ou tamanho do eletrodo incorreto
• Amperagem insuficiente
INCLUSÃO DE ESCÓRIA - Slag inclusions
RESULTADO: Reduz a resistência da área da seção transversal da 
solda. Local potencial para trinca.
RESULTADO: Reduz a resistência da área da seção transversal da 
solda. Local potencial para trinca.
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• Amperagem muito alta.
• Grande abertura da raiz.
• Não utilização de mata-junta (cobre ou cerâmico).
• Baixa velocidadede avanço.
• Pouco movimento oscilante da tocha.
• Stick out curto.
EXCESSO DE PENETRAÇÃO - Melt-Through
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FALTA DE REFORÇO -Inadequate Reinforcement-Underfill
EXCESSO DE REFORÇO - Excess Reinforcement-Overlap
Cordão 
Concâvo
Cordão 
Convexo
REFORÇO
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LRSS INCLUSÃO de TUNGSTÊNIO - Tungsten Inclusion
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• Vazão inadequada de gás: alta ou 
baixa;
• Superfície e arame de solda c/ 
impurezas (tinta, óleo, graxa, umidade e 
carepa);
• Voltagem de soldagem alta;
• Stick out muito longo.
POROSIDADE - Porosity
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• O sistema de alimentação do gás está defeituoso: o bocal pode estar 
entupido pelos respingos, uma mangueira pode estar dobrada, 
conexões podem vazar, o regulador pode estar congelado (CO2), etc.
• Umidade no gás de proteção.
RESULTADO: Enfraquecimento severo da junta soldada. Corrosão 
atmosférica ataca o metal soldado podendo causar falhas. 
Porosidade 
Aglomerada
POROSIDADE - Porosity
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A formação do poro no 
metal de solda
Poro é o defeito mais importante em 
soldagem
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LRSS FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
 PORO = afinidade, supersaturação e reações 
químicas dos gases.
 Natureza e quantidade de poros envolvem:
1- Nucleação de poros; 
2- Crescimento de poros; e
3- O transporte de poros no metal de solda.
 A cinética destes processos e os parâmetros de 
solda são essenciais na formação e quantidade de 
poros.
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• Condição inicial:
onde:
Pg = Pressão parcial dos gases solúveis;
Pa = Pressão da atmosfera igual a 1 atm;
Ph = Pressão hidrostática e pode ser desconsiderada (*);
Pb = Pressão da capilaridade devido à curvatura do poro sendo expressa:
, substituindo
Onde:
g é a tensão superficial entre o metal fundido e o gás no poro
r é o raio de curvatura do poro.
* Ph na soldagem subaquática é significativo.
NUCLEAÇÃO DO PORO - Termodinâmica
Pg = 1 + 2g / rPb = 2g /r
Pg > Pa + Ph + Pb
Pg = 1 + Ph + 2g / r
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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• A tendência de formação do poro X Real formação do poro
• Encontrar e superar a energia cinética limite de ativação = nucleação.
Raio crítico - Gás único
rc ≥ 2gVf / kTln(Pg/Po)
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
Onde:
V = volume atômico do gás
Pg / Po = grau de supersaturação metaestática
f = fator correção para uma média heterogênea
Po = Pressão de equilíbrio do gás
K = constante de Boltzmann
T = temperatura em °K
Isto implica que a Formação do poro só é possível com
Pg / Po > 1
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Raio crítico - Gás múltiplo
rc ≥ 2gf ∑i {Vi / kT ln(Pgi/Poi)}
Onde:
Vi = volume molecular
Pgi = pressão parcial dos tipos de gases
Poi = pressão de equilíbrio }
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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EXPONENCIAL que descreve a probabilidade da nucleação superar a 
energia de ativação limite da interface.
I = A exp {-(4/3)p (rc
2g/kT)}
Onde: A = constante aproximação do número de avogrado.
TAXA DE NUCLEAÇÃO de PORO FASE GÁS ÚNICO
Substituindo o rc tem-se a taxa de nucleação:
I = A exp {- (16pg3 V2)/ (3kTX2)}
Onde: X = kTln(Pg/Po)
• Nucleação homogênea é muito pequena, se não desprezível 
• Nucleação heterogênea: alcança-se com menor volume de gás > 
mais provável onde sólido/líquido encontra a condição ideal
Taxa de nucleação (I)
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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SAPIRO: Propõe uma modificação primeira equação apresentada: 
Melhor resultado
Pg = Pa + hr + bg (1+cosq)
onde:
h = peso coluna de metal líquido
r = densidade de metal líquido
q = ângulo de contato entre metal líquido e substrato
b = coeficiente empírico, relaciona a adesão líquido ao substrato
O raio de curvatura é representado pelo cosq
Nucleação heterogênea
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Função da molhabilidade do líquido no substrato
hr na equação equivale a Ph que 
é zero
Pg = Pa + hr + bg(1+cosq)
se q= zero
Tem-se nucleação homogênea e 
poro esférico, então:
Pg ≥ Pa + 2bg
Superfícies dendríticas e cristais precipitados têm alta molhabilidade pelo 
metal líquido e formam ângulos ~ zero: Alta resistência capilar - INIBE 
nucleação. 
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Molhabilidade do líquido no substrato - relação raio crítico. 
Núcleos hetero x homo
rc(het) = rc 1/f(q)
f(q)= (2+2cosq+sen2qcosq)
4
• Molhabilidade completa q =0 e f (q) =1. Assume a forma da equação
para nucleação homogênea
• Menor molhabilidade nas superfícies de inclusões não-metálicas no 
metal de solda > facilitarão formação de núcleos de gás e porosidade.
• Neste caso o núcleo terá uma forma de lente (q = 180°), f (q) é zero. A 
probabilidade de nucleação do gás é ALTA. (Note o raio de curvatura 
largo com volume mínimo de gás). 
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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E1 = gsgAsg + glgAlg - glsAls
• O grau de supersaturação é sempre maior na interface 
sólido/líquido que a maior parte do metal > formação do poro 
mais fácil na interface. 
• A presença de várias projeções e depressões nas superfícies de 
cristais facilitarão a formação de núcleos de poro.
Energia de formação do poro sistema heterogêneo - equação 
de Gibbs
onde: 
g = tensão superficial das interfaces
A = Área de contato - interfaces
sg = sólido - gás
lg = líquido - gás
ls = líquido - sólido
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Tem menos efeito no poro que uma 
interface plana - os mesmos ângulos 
de molhabilidade pelo líquido.
A formação de poro cresce com um 
aumento no ângulo de molhabilidade 
q e com uma redução no ângulo 
entre as paredes (f). 
Defeitos de superfície com curvatura positiva e de canais 
paralelos 
Também promovem a formação de 
poros quando q é maior que 90°
Os poros acontecem também como 
resultado dos poros desenvolvidos na 
divisa entre o metal fundido e a atm., 
seguidos por uma migração dentro 
do metal.
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Comentários
A poça tem um fluxo de fluído complexo e sofre influência de várias 
forças:
•Força de Lorentz
•Tensão de superfície
•Gradientes de tensão superficial 
•Gradientes de densidade - resultado dos gradientes térmicos. 
•Gradientes de velocidade (grandes) - promovem cavitação ao 
longo da frente de solidificação.
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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PAPEL DA SOLIDIFICAÇÃO - Concentração de gases no líquido à 
frente solidificação
1o CASO = CO ≤ SS
NÃO FORMA PORO
Ausência de volume ou local de supersaturação de metal líquido
CO = Concentração de gás dissolvido 
SS = Solubilidade no metal sólido
Sl = Solubildade no metal líquido
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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2o CASO = SS < CO ≤ Sl 
PORO DEPENDE > Grande extensão de redistribuição do CO no ML
C(x) = CO[1+(1-k’)/k’ exp(-Rx/D]
(Distância da frente de solidificação)
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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3o CASO = CO > Sl
PORO CRESCERÁ - Separando para a frente solidificação e para flutuar
Raio Crítico em função variação da concentração de gás e da taxa de 
solidificação
•Se X = rcr
• C(x) = Sl
C(x) = CO[1+(1-k’)/k’ exp(-Rx/D]
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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PAPEL DA SOLIDIFICAÇÃO - Classificação da porosidade
De acordo com a taxa solidificação: Dendrita colunar, Dendrita, 
Dendrita equiaxial, etc. a subestrutura e a taxa de crescimento 
INFLUÊNCIAM a forma e tamanho do poro.
• Região interdentrítica pequena - poro esférico pequeno
• Menos confinada - poro mais largo - escaparão quando taxa 
resfriamento for lenta.
 Porosidade Fina,
 Porosidade Interdentrítica e
 Poros esféricos
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Porosidade Vermicular: Taxa resfriamento intermediaria -
crescimento do poro igual ao grão: poro não destaca da
região intragranular e cresce em comprimento na direção
do crescimento grão
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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MECANISMOS DE CRESCIMENTO - Cinética crescimento do poro
1- Inércia de metal líquido
2- Tensão superficial e pressão isobárica de gás; 
3- Conteúdo de gás do metal líquido e
4- Pressão do arco de soldagem. 
O Raio ou tamanho do poro depende do tempo que o metal fica
fundido - controlado pelo calor de entrada (heat input)
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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FONTES DE GASES
Os diversos metais são divididos em DOIS grupos: 
1- Metais cuja a solubilidade pelo hidrogênio aumenta com o 
incremento da temperatura (Fe, Ni, Cu, Al, etc.) = ENDOTÉRMICO.
H2 é formado pela interação da umidade superficial com o metal 
líquido e resulta na EVOLUÇÃO de poros durante o resfriamento.
2- Metais cuja a solubilidade Hidrogênio decresce com a
temperatura (Ti, Zr, V, Nb, Pd, etc.). EXOTÉRMICO
A solução H2 na poça de fusão é improvável, mas o hidrogênio
está presente na forma de HIDRETOS
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Ligas de Alumínio
• A sensibilidade do alumínio (e suas 
ligas) ao hidrogênio esta associada a 
alta T que existe embaixo arco na poça 
de solda e a rápida agitação da poça 
causadas por forças eletromagnéticas. 
• As ligas de alumínio-magnésio são 
menos suscetível a porosidade que ligas 
alumínio-silício.
• A umidade no gás de proteção 
promove a rápida formação de poro
• A fonte principal de contaminação 
de H são óleo, componentes da 
traçagem e graxa.
Não está relacionado com diferença de solubilidade
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Ligas de Alumínio
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Poros observados na poça de 
fusão na solda feixe laser liga
Aluminio magnésio AM60B -
chapa 6mm, Laser 1.5W , 
velocidade 106 mm/s, vazão
hélio 5,7 m3/h
• Resfriamento: Cristalizações começam a iniciar e alguns poros de gás 
irão aderir a outros poros e crescerem. 
• Então os poros de gás no arco não fundido o sistema Al-H não são 
formados na interface sólido-líquido, mas formados no alumínio líquido 
em condições de resfriamento rápido. 
• Estes poros são muito maiores que os poros pre-existentes no metal 
base.
Ligas de Alumínio
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Formação de poros largos na zona fundida (preta) ocorrido na expansão e 
coalescência de poros preexistentes no metal base (cinza)- Liga AM60B
Ligas de Alumínio
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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 Principalmente relacionado com o hidrogênio de 
vapor de água ou elementos orgânicos.
 O teor de hidrogênio na poça de solda aumenta 
com um aumento no comprimento do arco. 
 A contaminação superficial: suscetibilidade para 
formação de poro. 
 GMAW: % de N2 no gás de proteção de CO2 
implica em poro:
 Transferência curto circuito: acima de 3% 
 spray: acima de 15% 
Aços e ferros fundidos
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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Eletrodos revestidos: Alto Ferrotitânio - reduz poros - aços estruturais e 
média liga - maior grau de desoxidação do metal de solda 
Rakhmanov
Oxigênio no metal de solda (wt.%}
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t.
 %
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Poros
Sem poros
0,01 0,06
0,02
Susceptibilidade de formação de poro
0,04
0,06
1,0
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
Aços e ferros fundidos
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LRSS FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
Aços e ferros fundidos
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 Hidrogênio causa o maior número de poros em juntas 
soldadas.
 Pode estar presente na fase de gás no estado atômico ou 
molecular, na forma OH , e como vapor de água, na 
superfície da solda 
 Com o aumento da temperatura ocorre a decomposição 
de hidretos de titânio e o hidrogênio é liberado.
 Vapor de água no gás de proteção primário
 Contaminações na superfície dos arames de adição. 
Titânio
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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PARÂMETROS DE SOLDAGEM - Velocidade soldagem
Influência da velocidade de soldagem na formação do poro 
(ligas de titânio)
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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PARÂMETROS DE SOLDAGEM - Corrente de soldagem
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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PARÂMETROS DE SOLDAGEM - Comprimento do arco
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Influência da Porosidade - Propriedades Mecânicas
 A combinação tamanho do poro e distribuição de poro é 
crítica para reduzir a resistência à tração e ductilidade.
 A resistência à tração é considerada muito tolerante para 
algumas porosidades (tamanho e distribuição).
 A dutilidade da solda reduz até 50% com porosidade de 
cerca de 4% em vol.
A porosidade reduz a dutilidade e vida da fadiga, mas não 
afetam significativamente a resistência a tração. 
 Soldas de alumínio tem a tensão de escoamento reduzida 
imediatamente com o aumento do nível de porosidade .
 Em solda subaquática a norma admite até um certo valor de 
porosidade.
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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SOLUÇÕES POTENCIAIS - técnicas para reduzir a porosidade de 
solda
 Seleção de gás de proteção, 
 Preparação de extremidade / Limpeza das 
bordas, 
 Seleção da velocidade de soldagem,
 Excitação eletromagnética e
 Aplicação de pressão.
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SOLUÇÕES POTENCIAIS - Composição 
 Na soldagem da liga Al-Mg, CLORO com o gás inerte reduz 
a porosidade pelo Hidrogênio, propano, vapor d’água e 
oxigênio. ( Cloro reduz a escória e melhora a fuga de gás).
 Na soldagem de titânio o uso de fluxos ajuda a remoção da 
umidade e degasagem da poça. O Fluxo deve possuir pressão 
de vapor alta, reatividade com umidade e não impedir a 
estabilidade do arco / formação da solda.
 Na soldagem de Aço deve-se previnir poros com o uso de 
formadores de Nitretos. Aluminio forma Nitreto de Alumínio que 
é mais estável em ferro sólido que em ferro líquido. Excesso de 
nitreto de alumínio é fonte de fragilidade da solda.
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA
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SOLUÇÕES POTENCIAIS - Excitação eletromagnética 
 A excitação electromagnética resulta da convecção 
forçada produzida pela interação entre a corrente que flui na 
poça de solda e a aplicação externamente do campo 
magnético.
 A grande agitação eletromagnética reduz porosidade em 
solda e melhora as propriedades mecânicas de juntas 
soldadas. 
 Melhora a estabilidade da solidificação plana 
(celular/granular) que é favorecida para o escape dos poros 
gasosos.
FORMAÇÃO DO PORONO METAL DE SOLDA
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SOLUÇÕES POTENCIAIS -Limpeza da superfície
 A pureza (limpeza) da superfície da região da solda
 Solda titânio: limpeza das bordas preparadas e do arame 
de adição em um solução ácida (3-5% HF. 30-35% HNO3, 
restante água), seguido pela lavagem na água quente 
(80°C ) e secagem. 
 Arranhões, corrugados, covas e outros defeitos na face da 
junta são fatores importantes na formação de poro. 
FORMAÇÃO DO PORO NO METAL DE SOLDA