METALURGIA DA SOLDADURA

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CONSIDERAÇÕES SOBRE METALURGIA DA SOLDADURA
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Zonas na vizinhança da soldadura – aços não ligados ou fracamente ligados
Quando o soldador executa uma soldadura no aço ao carbono, vai promover alterações microestruturais significativas na peça que está a soldar.
Essas alterações dependem da energia usada que tem, por sua vez, influência direta na temperatura atingida no decurso do processo e da posterior velocidade de arrefecimento.
Conforme se pode observar na figura 1, é possível delimitar 5 zonas distintas cuja constituição e microestrutura dependem da posição das isotérmicas em relação à soldadura durante a fase de aquecimento e da velocidade de arrefecimento, conforme já foi atrás referido.
A zona V, junto à soldadura, é a que promove os maiores problemas metalúrgicos, dado que se atingem temperaturas superiores a 1200 ºC, durante um tempo muito curto, havendo lugar a um processo de austenitização.
A caracterização experimental desta zona pode ser feita através da medição da dureza, descrevendo as estruturas obtidas através das curvas TRC (figura 3), contudo estas são difíceis de usar para procedimentos de controlo.
Caracteriza-se então o aço pela sua curva dureza-parâmetro de soldadura. Escolhe-se, em geral a curva HV=f (Δt 300/700), traçada a partir de diagramas TRC ou através de uma máquina de simulação térmica (tipo Gleeble RPI).
Um exemplo desta curva encontra-se representado na figura 4.
 
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Cada zona pode ser caracterizada da seguinte forma:
Zona l :a temperatura não ultrapassa 600 ºC aproximadamente. Nenhuma modificação detetável do metal base.
Zona ll: a temperatura está entre 600 "C e Ac1. Podem-se identificar certas modificações, segundo o estado inicial do metal base: precipitações, revenido, globulização. 
Zona lll: a temperatura está entre Ac1 e Ac3. As modificações são importantes. A austenitização parcial pode conduzir a um afinamento da estrutura no arrefecimento. A zona III é o início da ZAC: Zona Afetada pelo Calor chamada também ZAT, zona afetada termicamente.
Zona lV: a temperatura está entre Ac1 e 1100 ºC aproximadamente. Depois do arrefecimento obtêm-se estruturas normalizadas e estruturas grosseiras segundo a temperatura atingida.
Zona V: a temperatura está entre 1100 ºC e 1500 ºC (fusão). O aumento do grão austenítico é tal que a temperabilidade do metal é consideravelmente aumentada e as estruturas obtidas nesta zona após arrefecimento variam de estruturas ferrito-perlíticas aciculares muito grosseiras a estruturas bainíticas ou martensíticas para as velocidades mais elevadas.
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Zonas na vizinhança da soldadura
FIG. 1
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II - Precipitações, revenido, globulização 
III - Austenitização parcial, afinamento da estrutura
I - SEM ALTERAÇÕES 
IV – Estruturas normalizadas ou grosseiras em função da temperatura
V – Aumento do grão, varia de estrutura grosseira (ferrítico-perlítica) a estruturas bainíticas ou martensíticas
Zona Afetada pelo 
Calor
FIG. 2
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FIG. 3
Diagrama TRC de um aço (S355Nb)
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Estruturas martensíticas
Estruturas bainíticas
Estruturas ferrítico-perlíticas
FIG. 4
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Os constituintes formados na zona junto à soldadura e as suas microestruturas têm um papel fundamental na aparição dum fenómeno particularmente importante e grave: a fissuração a frio. 
A fissuração a frio manifesta-se pela aparição de fissuras na ZAC. A análise experimental permitiu atribuir este incidente a três causas principais:
 
a presença na ZAC de hidrogénio introduzido pela difusão a partir do metal de adição;
- a existência de tensões residuais ou de origem externa na junta soldada; 
a presença nesta zona de microestruturas muito suscetíveis à fissuração sob a influência conjugada dos dois fatores anteriores. 
Vários métodos, sendo o mais empregue o dos implantes, permitiram estudar experimentalmente este fenómeno. 
Mostram que a suscetibilidade à fissuração a frio é muito elevada para as estruturas martensíticas e diminui rapidamente para as estruturas bainíticas.
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Este problema foi particularmente tratado pelo IRSID (fig. 5) que publicou um ábaco completo, permitindo determinar Δt 700/300 em função de:
- geometria da junta soldada;
- espessura do elemento soldado;
- energia de soldadura;
- temperatura de pré-aquecimento;
 procedimento de soldadura.
O conhecimento numérico de Δt 700/300 permite por intermédio das curvas HV / Δt 700/300 conhecer a dureza junto à soldadura e numa certa medida a estrutura correspondente. Inversamente, pode-se ter acesso aos parâmetros de soldadura melhores adaptados ao resultado a obter. 
A figura 5 mostra que uma soldadura em "T" com a = s = 20 mm, uma temperatura de pré-aquecimento de 200 ºC e uma energia de 20kJ.cm-1 (procedimento MIG) conduz a um Δt = 30 s. Para a classe S355Nb, a dureza é de 300 HV (bainite): nenhum risco de fissuração a frio. 
É evidente a importância prática do diagrama dureza-parâmetro de arrefecimento. Permite localizar, com uma precisão suficiente para os casos usuais, o limite da “zona martensítica" que fixa um limite superior de velocidades de arrefecimento, permitindo não ter estruturas puramente martensíticas, particularmente nefastas.
A noção de carbono equivalente CE, mais empírica, é igualmente destinada a tratar este fenómeno: o risco de fissuração aumenta fortemente para CE > 0,4%.
O carbono equivalente calcula-se pela seguinte expressão:
CE= (%C) + (%Mn/6) + ((%Cr + %Mo + %V)/5) + ((%Cu + %ni)/15)
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FIG. 5
Ábaco parâmetro Δt 700/300 – condições de soldadura
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- Aços inoxidáveis martensíticos
Aços de alta temperabilidade, são martensíticos por arrefecimento após soldadura. A formação de martensite cria tensões podendo provocar a fissuração da ZAC e da soldadura. Para evitar estes inconvenientes:
 limita-se entre 0,15 - 0,20% o teor em carbono dos aços, podendo assim ser soldados; 
 o metal de adição do elétrodo deve conduzir, mesmo após diluição, a um cordão austenítico ou austeno-ferrítico que permanece dúctil; 
 um pré-aquecimento lento à volta de 250-300 ºC, um reaquecimento após soldadura à volta de 300-400 ºC , e se possível um tratamento completo de têmpera e revenido (ou um simples revenido à volta de 600-750 ºC) são recomendados;
- é preciso assegurar uma proteção contra a difusão de hidrogénio (gás de proteção, elétrodos revestidos, etc.)
Aços inoxidáveis 
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Aços inoxidáveis ferríticos
Esta classe de aços inoxidáveis têm uma tendência pronunciada ao aumento do grão não reversível e tornam-se sensíveis à corrosão intergranular quando levados a 1000 ºC. 
As precauções tomar são: 
Uso de energia de soldadura no valor mais baixo possível (TIG,MIG, plasma, etc.);
 recozimento do conjunto ou da ZAC à volta de 750-850 ºC. Esta operação permite corrigir eventualmente uma têmpera martensítica parcial (semiferríticos) e dessensibilizar a ZAC em relação à corrosão intergranular, não regenerando o grão; 
 utilização dum metal de adição ou austenítico (semiferrítico), ou de mesma composição que o metal de base,(ferríticos).
As classes estabilizadas ao titânio ou nióbio, sobretudo aquelas que contêm molibdénio, são menos sensíveis ao aumento do grão. No entanto, uma sobrestabilização pode levar à fissuração da junta sobretudo para as classes ao nióbio. 
O uso de classes de baixos teores em intersticiais (C + N < 0,005%) permite diminuir as adições estabi- lizadoras.
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Aços inoxidáveis austeníticos
São muito facilmente soldáveis e, em princípio, não apresentam fragilização da ZAC. No entanto, dois inconvenientes podem aparecer que é preciso evitar:
sensibilização à corrosão intergranular duma parte da ZAC;
fenómenos de fissuração a quente. Este tipo de fissuração produz-se a alta temperatura (> 1100-1200 ºC) durante o arrefecimento. As fissuras são interdendríticas e seguem as juntas de solidificação no cordão de soldadura. No entanto,
por vezes, (classes estabilizadas ao Nb), afetam o metal de base na vizinhança do cordão de soldadura. Este fenómeno é devido a segregações durante a solidificação, conduzindo a um enriquecimento das juntas em estruturas de baixo ponto de fusão com alargamento do intervalo de solidificação. Os elementos nefastos são o P-S-Nb-Si-B, que contribuem à formação de eutécticos de baixo ponto de fusão, levando à descoesão dos grãos sob influência das tensões de contração.
Além da solução analítica visando diminuir o teor dos elementos nefastos, a solução mais utilizada consiste em equilibrar os elementos químicos para obter 3 a 6% de ferrite na soldadura. Duas razões essenciais explicam a ação favorável da
ferrite:
as impurezas fragilizantes são mais solúveis na Ferrite do que na Austenite, impedindo a formação do eutéctico;
a resistência à deformação a alta temperatura da ferrite é muito mais baixa do que a da austenite. A relaxação das tensões de contração é assim facilitada. Se a tendência ferrítica for preponderante, pode-se mesmo aumentá-la até 10%, o que favorece a estabilidade do arco e melhora a fluidez do metal.
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Diagramas de constituição das juntas soldadas após soldadura
Permitem prever a constituição das juntas soldadas em função do Níquel equivalente (efeito ponderado dos γ-geneos) e de Crómio equivalente (efeito ponderado dos α-geneos).
Facilitam o tratamento do problema da soldadura heterogénea, determinando as condições que permitem:
- evitar a formação de martensite;
- manter a tendência ferrítica a um nível conveniente.
A figura 6 reproduz esquematicamente o diagrama de Schaeffler para o qual:
Nieq = %Ni + 30 (%C + %N) + 0,5 (%Mn);
Creq = %Cr + 2 (%Mo) + 1,5 (%Si) + 0,5 (%Nb).
Exemplo:
Soldadura dum aço a (Nieq = 3, Creq = 8) com um aço b (Nieq = 17 e Creq= 2l )(316) com um elétrodo c (Nieq =14 e Creq= 29).
Se se admitir uma diluição relativa (A/A+B) de 0,5 correspondendo a uma adição idêntica dos dois metais na junta, a liga fictícia resultante é representada por d, meio de ab. O metal que constitui a junta está entre C e D: cd é graduado de 0,1 em 0,1.
Uma diluição global (A+B/A+B+C) compreendida entre 0.3 e 0,4 conduz a uma taxa de ferrite correta (próxima de 5%.
O diagrama de Schaeffler foi modificado por De Long que identificou em particular a zona A + F entre 0 e 15% de Ferrite. A versão mais recente destes diagramas foi editada pelo Welding Research Council (diagrama WRC 92).
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ISEC, COIMBRA, 2012, JULHO