ARTIGO consolda 2018 - CT68

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Verificação da Eficiência do Diagrama de Schaeffler em uma junta soldada de Aço Inoxidável 
pelo Processo de soldagem A-TIG 
 
(Verification of the Efficiency of the Schaeffler Diagram at welded joint with Stainless Steel with A-TIG 
Welding Process) 
 
 
Júlia Fornazieiro de Almeida
1
, Bianco Gallazzi da Silva Leite
2 
1
EEP – Escola de Engenharia de Piracicaba, Piracicaba, São Paulo, Brasil – julia.forna.al@hotmail.com, 
biancogallazzi@gmail.com
 
 
 
Resumo 
 
Este artigo tem por objetivo verificar a eficiência do diagrama de Schaeffler utilizando o processo de soldagem 
TIG (GTAW), considerando a utilização de fluxo ativo, denominando-se então o processo A-TIG. Para isso 
foram soldados 6 corpos de prova de aço inoxidável, pelo processo de soldagem A-TIG com a utilização de 
fluxo ativo. Os consumíveis foram escolhidos pela especificação AWS SFA 5.9 e parâmetros fixados conforme 
fabricante. Após a finalização da soldagem foram submetidos a ensaios destrutivos de metalografia, onde 
especificamente foram feitos ensaios micrográficos nas regiões centrais do cordão de solda, denominadas como 
centro da solda. Foram avaliadas as estruturas micrográficas e também possíveis defeitos ou descontinuidades 
encontradas nas regiões analisadas. As não homogeneidades analisadas foram o crescimento dos grãos 
cristalinos, possíveis precipitação de fase sigma, trincas por solidificação, trincas a frio induzidas por 
hidrogênio. Concluindo que o diagrama não é confiável se uma velocidade de soldagem ideal não for pré-
estabelecida. 
 
Palavras-chave: Processos Soldagem. A-TIG. Schaeffler. 
 
 
Abstract: This article has the objective of verify the efficiency of the Schaeffler diagram using TIG (GTAW) 
welding process, considering the use of active flux, named as A-TIG process. For this were welded 6 samples of 
stainless steel, by the A-TIG weld process with active flux. The consumables were chosen by the specification 
AWS SFA 5.9 and the parameters fixed by the Manufacturer. After welded the samples were submitted at 
destructive tests of metallography, where specific was study the central regions of weld string, named as weld 
center. Was evaluated the microstructure and the possible defects and discontinuities find the region. The 
homogeneities researched were growth of crystalline grains, possible sigma phase precipitation, solidification 
cracks and cold cracks induced by hydrogen. Concluding that the diagram is not trustable if an ideal welding 
velocity was not pre-established. 
 
Key-words: Welding Process. A-TIG. Schaeffler. 
 
 
1. Introdução 
 
O processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) tem ampla aplicação na indústria moderna para a 
soldagem de vários tipos de aços inoxidáveis e metais não ferrosos, sendo empregado quando deseja-se obter 
uma solda de boa aparência e alta qualidade. É um processo de soldagem onde a união de materiais metálicos é 
feita pelo aquecimento e fusão destes através de um arco elétrico estabelecido entre um eletrodo de Tungstênio, 
não consumível, e a peça a unir. A proteção da poça de fusão e do arco contra a oxidação pelo ar é feita por um 
gás inerte, geralmente argônio, hélio ou mistura destes. Embora o processo resulte em uma solda de alta 
qualidade, esta apresenta baixa penetração e pouca produtividade [1]. 
XLIV CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem 
 Uberlândia, MG - de 10 a 13 de Setembro de 2018 
 
 
 
 
Figura1. Região do arco na Soldagem GTAW [1] 
 
Para otimizar o processo, um outro método conhecido como A-TIG soldagem TIG com fluxo ativo tem sido 
estudado, processo que pode melhorar a penetração, a produtividade e a qualidade da solda. Estas melhoras 
podem ser obtidas apenas aplicando-se uma fina camada de fluxo ativo na superfície a ser soldada antes de se 
realizar a solda TIG convencional. Este processo foi introduzido na década 60 pelos pesquisadores da Pantn 
Eletric Welding Institute em Kiev, Urânia [2]. 
Os fluxos utilizados são principalmente constituídos por óxidos e haletos na forma de pó fino e disperso em 
um solvente orgânico, geralmente acetona, sendo aplicados com um pincel ou por spray [3]. 
Foram apresentadas algumas propostas para explicar esse aumento da penetração, sendo que a maioria dos 
pesquisadores acredita que isso ocorre, pois as moléculas do fluxo dissociadas pelo intenso calor gerado 
capturam os elétrons da região periférica do arco (mais frias), formando íons negativos. Ao capturar os elétrons a 
densidade periférica de elétrons livres é reduzida, diminuindo o principal canal condutor de eletricidade 
resultando em um efeito de constrição, induzindo um aumento na temperatura e na pressão do arco, permitindo 
um aumento significante na profundidade de penetração da solda [4]. 
Outra explicação também bem aceita pelos pesquisadores é a de que a modificações na microquímica da poça 
de fusão pela adição de elementos do fluxo, causam uma inversão no gradiente de tensão superficial, gerando um 
fluxo de convecção, também chamado de fluxo de Marangoni, no sentido inverso ao que normalmente ocorre na 
soldagem TIG. O fluxo de convecção agora flui da extremidade para o centro da poça, causando uma redução na 
largura e um aumento na penetração da solda. (Aplicação de vários tipos de fluxos ativo (processo A-TIG) na 
soldagem de um aço inoxidável ferrítico) [5]. 
Resultados de estudo mostram que para juntas com espessuras de 6 mm até mesmo de 10 mm podem ser 
feitas com apenas um passe no processo A-TIG [6]. 
 
 
Figura 2. Movimento do metal líquido na poça de solda [3] 
 
Embora o processo apresente a vantagem de se obter uma maior profundidade de penetração da solda, a 
utilização da camada de fluxo possibilita a formação de escória na superfície da solda, podendo piorar seu 
acabamento superficial. Para minimizar a quantidade de escória formada e melhorar o acabamento superficial 
obtido por esse processo Richetti e Ferraresi [4] propõem outra forma de aplicação da camada de fluxo, chamada 
de Técnica de Constrição Direcionada (TCD). Esta técnica consiste de aplicar duas faixas de separadas por uma 
distância “a” pré-determinada do centro da junta e à medida que o arco passa pelo trajeto preparado de fluxo, 
começa a existir uma contração da raiz do arco pela maior resistividade elétrica do fluxo. Como o arco atua 
diretamente sobre o metal base e não sobre o fluxo como no processo A-TIG inicialmente apresentado, o 
acabamento superficial e as propriedades mecânicas do cordão de solda não são tão prejudicados. 
 
 
 
Figura 3. Técnica de Constrição Direcionada [4] 
 
Rückert, Huneau e Marya [7], utilizam uma técnica semelhante à de Richetti e Ferraresi [4] denominada FB-
TIG (Flux Bounded-TIG) em um estudo que visa reduzir a interferência da sílica presente no fluxo aplicado no 
processo A-TIG sem interferir na penetração, que é otimizada pelo processo. 
O processo TIG é amplamente utilizado na solda de materiais inoxidáveis, aços de alta liga com excelente 
resistência a corrosão, são empregados em altas temperaturas ou em serviços criogênicos, apresentando também 
boas propriedades de resistência à propagação de trincas e boa usinabilidade [8]. 
Os aços inoxidáveis são definidos como ligas Fe-Cr que contém um mínimo de 11% de cromo e outros 
elementos de liga, o que proporciona a elevada resistência à corrosão devido à fina camada protetora de óxido de 
cromo que impede o contato do metal base com a atmosfera. Os elementos de liga adicionados podem ser 
divididos em dois grupos: os gamagênicos, que ampliam o campo austenítico e são formados pelo C, N, Mn e 
Ni; e os alfagênicos, que ampliam o campo ferrítico e são formados pelo Cr, Mo, V, Ti e Nb. De acordo com a 
microestrutura que apresentam à temperatura ambiente e com a possibilidade de endurecimento por precipitação, 
podem ser classificados nos seguintes grupos: martensítico, austenítico, dupléx, endurecíveis por recipitação e 
ferríticos [9].Os aços inoxidáveis ferríticos têm como principal elemento de liga o cromo, podendo atingir valores 
elevados, superiores a 25%. Como o teor de carbono é baixo, máximo 20%, a faixa austenítica fica totalmente 
eliminada e, em consequência, esse aços não são endurecíveis pela têmpera. Os principais tipos de inox ferrítico 
são 405, 409, 429, 430, 430F, 430F Se, 434, 436, 442 e 446 [10]. 
Em ligas parcialmente transformáveis de inox ferrítico, a solda apresentará as seguintes regiões: Região 
bifásica, que corresponde porção de Zona Termicamente Afetada (ZTA) que foi aquecida até o campo de 
coexistência da austenita e da ferrita, onde a austenita se forma preferencialmente nos contornos de grãos da 
ferrita, e após o resfriamento nas condições de soldagem, se transforma em martensita. Região de crescimento de 
grãos, que corresponde à região da ZTA aquecida acima do campo de coexistência da austenita e da ferrita, 
sendo caracterizada por um intenso crescimento grãos e pela dissolução e posterior reprecipitação dos carbonetos 
e nitretos presentes. Zona Fundida, para casos em que a composição química seja igual à do metal base, esta 
também apresentará granulação grosseira, porém os grãos são colunares, apresentando uma rede de martensíta 
junto aos contornos de grãos e finos carbonetos e nitretos nos contornos e no interior dos grãos, como 
consequência a solda tende a ser frágil, não aceitando grandes solicitações [11]. 
Aços inoxidáveis austeníticos podem ser utilizados como metal de adição na soldagem de outros tipos de 
aços inoxidáveis, nessas condições a zona fundida não é endurecível, possuindo boa tenacidade e ductulidade na 
condição soldada. Peças soldadas com esse tipo de metal de adição geralmente não passam por tratamento 
térmico pós-soldagem, mas as possíveis consequências devido a diferenças de propriedades mecânicas, físicas e 
químicas entre a zona fundida e o metal base devem se ser consideradas antes de sua utilização [11]. 
O Diagrama de Schaeffler é o principal instrumento para avaliar o depósito de solda, que permite escolher os 
materiais apropriados para a soldagem de acordo com a composição química de cada elemento convertendo em 
Cr e Ni equivalentes [11]. 
 
 
Figura 4. Diagrama de Schaeffler adaptado para a soldagem [9] 
 
Pelo diagrama podemos analisar que a Região 1, correspondente a aços ferríticos, representa a área onde 
esses aços são susceptíveis ao crescimento de grãos, a Região 2 corresponde aos aços martensíticos e representa 
a susceptibilidade a trincas a frio induzidas pelo hidrogênio, já a Região 3 representa aços ferrítico-austeteníticos 
e analisa a precipitação de fases intermetálicas que podem ocasionar perdas de ductilidade e tenacidade e a 
Região 4 que é a maior de todas representa os aços austeníticos, mostrando a susceptibilidade a trinca de 
solidificação quando estes são soldados. A parte central do diagrama não é afetada por nenhum dos problemas 
indicados, de forma que o diagrama é utilizado para se encontrar a composição do consumível que forneça sua 
solda cuja composição química caia nesta região [9]. 
O diagrama embora seja limitado não somente é útil para prever a estrutura da zona fundida de uma solda de 
aço inoxidável, como prevê a estrutura da zona fundida de soldas heretogêneas, de metais diferentes, ou um 
mesmo metal com eletrodo diferente. Como qualquer diagrama de fases, a regra da alavanca é válida e, 
conhecendo-se ou estimando a porcentagem da mistura, pode-se estimar a composição resultante e em 
consequência sua estrutura e propriedades esperadas [11]. 
 
2. Matérias e Métodos 
 
Para realizar o experimento foi utilizada uma fonte de soldagem inversora, operando com voltagem de 11V e 
com uma corrente de 90A. O gás inerte utilizado foi o Argônio puro sendo o eletrodo de Tungstênio EWTH-2. 
Os testes foram realizados em chapas de aço inoxidável ferrítico ASTM A240 Tipo 441 em juntas de topo 
compostas por duas chapas de dimensões 100mm x 100mm x espessura 4,5mm. Este procedimento foi 
semelhante ao usado por Richetti e Ferraresi [4]. 
Para a soldagem do corpo de prova e posterior verificação de sua microestrutura foi usado fluxo ativo. Este 
fluxo composto de Óxido de Silício (SiO2), que foi combinado com álcool 96%. Foi aplicado sobre as laterais da 
margem da junta com um pincel, deixando um espaçamento de 4mm entre as faixas de fluxo de acordo com a 
técnica de constrição direcionada de Richetti e Ferraresi [4], e de também de acordo com a técnica de soldagem 
FB-TIG (Flux Bounded-TIG) proposta por Rückert, Huneau e Marya [7]. 
Como consumível a especificação SFA 5.9, conforme norma ASME II Parte C, com classificação ER347 foi 
utilizado na união da junta soldada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A figura 5 mostra os corpos de prova soldados, com identificação sequencial e com adição do fluxo. 
 
 
Figura 5. Corpos de prova soldados com a técnica de constrição direcionada 
 
A tabela 1 apresenta os dados coletados durante a soldagem dos corpos de prova, onde foi solicitado a 
alteração proposital da velocidade de soldagem. 
 
Tabela 1. Dados do experimento 
Amostra Passe Camada 
Amperagem 
(A) 
Voltagem 
(V) 
Velocidade 
cm/min 
Heat Imput 
(kJ/mm) 
CP1 1 1 90 11 5,85 10,157 
CP2 1 1 90 11 5,10 11,642 
CP3 1 1 90 11 10,00 5,940 
CP4 1 1 90 11 8,47 7,009 
CP5 1 1 90 11 7,30 8,138 
CP6 1 1 90 11 5,99 9,920 
 
Após a finalização da soldagem, as amostras foram cortadas em CUTOFF com refrigeração. As amostras em 
seguida foram embutidas em baquelite e polidas para a visualização em microscópio óptico. O ataque foi feito 
em agua regia. A figura abaixo mostra as amostras preparadas, e polidas aguardando ataque de reagente para 
posterior visualização. 
 
 
Figura 6. Amostras polidas prontas para receber o ataque químico 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Também foram executadas nas mesmas amostras o ensaio de macrografia, onde ficou evidenciado a 
penetração do cordão de solda conforme apresentado nas figuras abaixo: 
 
 
Figura 7: Macrografia para a análise de penetração da 
amostra CP1 
Figura 8: Macrografia para a análise de penetração da 
amostra CP2 
 
Figura 9: Macrografia para a análise de penetração da 
amostra CP3 
Figura 10: Macrografia para a análise de penetração 
da amostra CP4 
 
Figura 11: Macrografia para a análise de penetração 
da amostra CP5 
Figura 12: Macrografia para a análise de penetração 
da amostra CP6 
 
Para o exame metalográfico foi utilizado o ataque acido e posterior preparação, onde foram tiradas as fotos 
com câmera digital auxiliar. A tabela abaixo mostra a penetração do cordão de solda no corpo de prova. 
 
Tabela 2. Penetração do cordão de solda das amostras 
Amostra Penetração (mm) 
CP1 3,975 
CP2 4,049 
CP3 2,000 
CP4 1,537 
CP5 4,000 
CP6 4,268 
 
 
As medições foram feita baseando-se na linha perpendicular traçada a partir da superfície do metal de base, 
até o ponto máximo de fusão. Observa-se no CP4 um acentuado desalinhamento entre as faces dos metais base, 
sendo considerado a penetração a partir de um dos metais de base. 
 
3. Resultados e Discussão 
 
Foi feita a conversão em Cr e Ni equivalentes dos dados apresentado na Tabela 2 para analisarmos a 
composição química da solda obtida e assim comparar com as microestruturas obtidas. 
 
Tabela 3: Composição química do metal base e do metal de adição 
 C (%) Si (%) Mn (%) Cr (%) Mo (%) Ni (%) Nb (%) Ti (%) 
Inox Ferrítico 441 
(metal base) 
0,013 0,587 0,179 17,82 0,00 0,245 0,36 0,179 
ER 347 (consumível) 0,08 0,50 1,40 20,00 0,00 10,00 1,00 0,00 
 
 Calculando pelas fórmulas: 
𝐂𝐫𝐞𝐪 = 𝐂𝐫 + 𝐌𝐨 + 𝟏, 𝟓𝐒𝐢 + 𝟎, 𝟓𝐍𝐛 (1) 
𝐍𝐢𝐞𝐪 = 𝐍𝐢 + 𝟑𝟎𝐂 + 𝟎, 𝟓𝐌𝐧(2) 
 
Obtivemos para o Metal Base: 
𝐂𝐫𝐞𝐪 = 𝟏𝟗, 𝟐𝟒 
𝐍𝐢𝐞𝐪 = 𝟎, 𝟕𝟏 
 
E para o Metal de Adição: 
𝐂𝐫𝐞𝐪 = 𝟐𝟏, 𝟐𝟓 
𝐍𝐢𝐞𝐪 = 𝟏𝟑, 𝟏 
 
 
Figura 13. Diagrama de Schaeffler com a análise da composição química da solda 
 
 
 
Pela análise do diagrama considerando 30% de diluição, podemos observar que a composição química da 
solda caiu na região que indica que a sua microestrutura não deverá apresentar problemas. 
Abaixo são apresentados os resultados das micrografias da região do metal de solda, evidenciando-se assim 
as microestruturas resultantes da soldagem. 
 
 
Figura 14: Micrografia da região soldada da amostra CP1 com ampliação de 50X 
 
A fotomicrografia mostra a microestrutura do metal de solda do CP1, típica de um aço inoxidável ferrítico, 
constituída por grãos não totalmente equiaxiais de ferrita e microprecipitados distribuídos. Ataque Água Régia 
2:1. Ampliação 50X. 
 
 
Figura 15: Micrografia da região soldada da amostra CP2 com ampliação de 50X 
 
A fotomicrografia mostra a microestrutura do metal de solda do CP2, típica de um aço inoxidável ferrítico, 
constituída por grãos não totalmente equiaxiais de ferrita e microprecipitados distribuídos. Observa-se que 
devido ao superaquecimento da solda a granulação ficou mais grosseira. Ataque Água Régia 2:1. Ampliação 
50X. 
 
 
 
Figura 16: Micrografia da região soldada da amostra CP3 com ampliação de 50X 
 
A fotomicrografia mostra a microestrutura do metal de solda do CP3, típica de um aço inoxidável ferrítico, 
constituída por grãos não totalmente equiaxiais de ferrita e microprecipitados distribuídos. Observa-se a presença 
de grão de martensita. Ataque Água Régia 2:1. Ampliação 50X. 
 
 
Figura 17: Micrografia da região soldada da amostra CP4 com ampliação de 50X 
 
A fotomicrografia mostra a microestrutura do metal de solda do CP4, típica de um aço inoxidável ferrítico, 
constituída por grãos não totalmente equiaxiais de ferrita e microprecipitados distribuídos. Ataque Água Régia 
2:1. Ampliação 50X. 
 
 
Figura 18: Micrografia da região soldada da amostra CP5 com ampliação de 50X 
 
 
A fotomicrografia mostra a microestrutura do metal de solda do CP5, típica de um aço inoxidável ferrítico, 
constituída por grãos não totalmente equiaxiais de ferrita e microprecipitados distribuídos. Ataque Água Régia 
2:1. Ampliação 50X. 
 
 
Figura 19: Micrografia da região soldada da amostra CP6 com ampliação de 50X 
 
A fotomicrografia mostra a microestrutura do metal de solda do CP6, típica de um aço inoxidável ferrítico, 
constituída por grãos não totalmente equiaxiais de ferrita e microprecipitados distribuídos. Ataque Água Régia 
2:1. Ampliação 50X. 
 
4 . Conclusões 
 
Pela análise do diagrama que indica que a solda não apresentará problemas, e pela análise das 
microestruturas obtidas podemos observar que o diagrama é eficiente para apenas para algumas velocidades de 
soldagem, pois com uma velocidade mais lenta a região soldada foi superaquecida obtendo grãos maiores, e com 
uma velocidade muito rápida a região soldada apresentou grão de martensita, dessa forma podemos concluir que 
o diagrama de Schaeffler não é confiável se a velocidade de soldagem ideal não for pré-estabelecida. 
Podemos também observar que a amostra CP1 que foi feita pelo processo TIG convencional e a amostra CP6 
que foi feita pelo processo A-TIG, sendo as duas realizadas com velocidades semelhantes, apresentaram uma 
microestrutura semelhante, de forma que a utilização do processo A-TIG não influenciou significativamente na 
soldagem do material. 
Podemos concluir também que a velocidade de soldagem de forma nítida a diferença de penetração 
apresentada nos corpos de prova, isso deve-se ao fato da variação da velocidade de soldagem. 
Outro ponto a ser considerado é que existem uma diferença entre os corpos de prova soldados sem o fluxo e 
com fluxo, porém este ponto será tema para um próximo trabalho devido as quantidades de amostras serem 
muito poucas para poder apresentar conclusões satisfatórias. 
 
5. Agradecimentos 
 
Agradecemos as empresas que nos forneceram os materiais para a realização do experimento, sendo a 
empresa Ksolda pelo fornecimento do consumível ER347 e a empresa Chic Inox pelo fornecimento da amostra 
de Inox Ferrítico. 
Também agradecemos ao Engenheiro Daniel, da Escola de Engenharia de Piracicaba pela elaboração dos 
corpos de prova no laboratório de soldagem dessa instituição. 
Agradecemos também a nossas famílias e amigos que nos apoiaram e incentivaram a nunca desistir de nossos 
sonhos. 
 
6. Referências Bibliográficas 
 
[1] MARQUES, Paulo Villani; MODENESI, Paulo José; BRACARENSE, Alexandre 
Queiróz. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 2. ed. Belo Horizonte: Editora Ufmg, 2007. 363 p. 
[2] ABD-ALLAH, M et al. Efect of Flux on the Quality of A-TIG Welds. In: INTERNATIONAL 
CONFERENCE ON MECHANICAL DESIGN AND PRODUCTION, 9., 2008, Cairo. 
[3] MODENESI, Paulo J.. A Química da Formação do Cordão na Soldagem TIG. Soldagem & Inspeção, São 
Paulo, v. 18, n. 3, p.287-300, Jul/Set. 2013. 
[4] RICHETTI, A., FERRARESI, V. A. Aplicação de fluxo ativo na soldagem TIG e Plasma. In.: III COBEF 
 
Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Joinvile, SC, Anais do II COBEF, 10p. 2005. 
[5] AZEVEDO, A. G. L. ; BALSAMO, P. S. S. ; FARIAS, Jesualdo Pereira ; FERRARESI, V. A. . Aplicação de 
vários tipos de fluxo ativo (Processo A-TIG) na soldagem de um aço inoxidável ferrítico. In: VII Seminário 
Brasileiro do Aço Inoxidável - INOX 2006, 2006, São Paulo. Anais do VII Seminário Brasileiro do Aço 
Inoxidável, 2006. 
[6] MODENESI, Paulo J.; APOLINÁRIO, Eustáquio R.; PEREIRA, Iaci M.. TIG Welding with Single-
Component Fluxes. Journal Of Materials Processong Techinology. Amsterdã, p. 260-265. 12 jul. 1998. 
[7] RÜCKERT, G., HUNEAU, B. and MARYA, S. (2007), “Optimizing the design of silica coating for 
productivity gains during the TIG welding of 304L stainless steel”, journal of Materials and Design, vol. 28, pp. 
2387–2393. 
[8] OKUMURA, Toshie; TANIGUCHI, Célio. Engenharia de Soldagem e Aplicações. Rio de Janeiro: Ltc, 1982. 
461 p. 
[9] AZEVEDO, Alessandra Gois Luciano de. Soldagem A-TIG em Aço Inoxidável Ferrítico. 2012. 178 f. Tese 
(Doutorado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2012. 
[10] CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 6. ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 1988. 
576 p. 
[11] BARBOSA, Reginaldo Pinto. Metalurgia da Soldagem - Soldabilidade dos Materiais. Curso de Tecnologia 
Mecânica. Março de 2007. Notas de Aula. Centro Universitário do Leste de Minas de Gerais – UNILESTEMG 
de Coronel Fabriciano – MG.