Este artigo da Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. explica o que considerar ao especificar metais de adição para soldagem de aço inoxidável.
As características que tornam o aço inoxidável tão atraente — a capacidade de ajustar suas propriedades mecânicas e resistência à corrosão e oxidação — também aumentam a complexidade da seleção de um metal de adição adequado para soldagem. Para qualquer combinação de materiais base, diversos tipos de eletrodos podem ser apropriados, dependendo de questões de custo, condições de serviço, propriedades mecânicas desejadas e uma série de fatores relacionados à soldagem.
Este artigo fornece o embasamento técnico necessário para que o leitor compreenda a complexidade do tema e, em seguida, responde a algumas das perguntas mais frequentes feitas a fornecedores de metal de adição. Ele estabelece diretrizes gerais para a seleção de metais de adição de aço inoxidável adequados e explica todas as exceções a essas diretrizes! O artigo não aborda procedimentos de soldagem, pois esse é um tema para outro artigo.
Quatro graus de qualidade, numerosos elementos de liga.
Existem quatro categorias principais de aços inoxidáveis:
austenítico
martensítico
ferrítico
Duplex
Os nomes derivam da estrutura cristalina do aço normalmente encontrada à temperatura ambiente. Quando o aço de baixo carbono é aquecido acima de 912 °C, os átomos do aço são rearranjados, passando da estrutura chamada ferrita, presente à temperatura ambiente, para a estrutura cristalina chamada austenita. Ao resfriar, os átomos retornam à sua estrutura original, a ferrita. A estrutura de alta temperatura, a austenita, é não magnética, plástica e possui menor resistência e maior ductilidade do que a ferrita presente à temperatura ambiente.
Quando se adiciona mais de 16% de cromo ao aço, a estrutura cristalina à temperatura ambiente, a ferrita, é estabilizada e o aço permanece na condição ferrítica em todas as temperaturas. Daí o nome aço inoxidável ferrítico aplicado a essa liga. Quando se adicionam mais de 17% de cromo e 7% de níquel ao aço, a estrutura cristalina de alta temperatura do aço, a austenita, é estabilizada, de modo que persiste em todas as temperaturas, desde as mais baixas até quase o ponto de fusão.
O aço inoxidável austenítico é comumente referido como tipo "cromo-níquel", enquanto os aços martensíticos e ferríticos são geralmente chamados de tipos "cromo puro". Certos elementos de liga usados em aços inoxidáveis e metais de solda atuam como estabilizadores de austenita e outros como estabilizadores de ferrita. Os estabilizadores de austenita mais importantes são níquel, carbono, manganês e nitrogênio. Os estabilizadores de ferrita são cromo, silício, molibdênio e nióbio. O equilíbrio dos elementos de liga controla a quantidade de ferrita no metal de solda.
Os aços inoxidáveis austeníticos são mais fáceis e apresentam melhores resultados de soldagem do que aqueles com menos de 5% de níquel. As juntas soldadas em aços inoxidáveis austeníticos são fortes, dúcteis e resistentes em sua condição bruta de soldagem. Normalmente, não requerem pré-aquecimento ou tratamento térmico pós-soldagem. Os aços inoxidáveis austeníticos representam aproximadamente 80% dos aços inoxidáveis soldados, e este artigo introdutório se concentra principalmente neles.
Tabela 1: Tipos de aço inoxidável e seus teores de cromo e níquel.
tstart{c,80%}
thead{Tipo|% Cromo|% Níquel|Tipos}
tdata{Austenítico|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensítico|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferrítico|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
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Como escolher o metal de enchimento de aço inoxidável correto
Se o material base em ambas as chapas for o mesmo, o princípio orientador original costumava ser: "Comece combinando o material base". Isso funciona bem em alguns casos; para unir aço inoxidável tipo 310 ou 316, escolha o tipo de material de enchimento correspondente.
Para unir materiais diferentes, siga este princípio orientador: 'escolha um material de enchimento que corresponda ao material com maior teor de liga'. Para unir aço inoxidável 304 a aço inoxidável 316, escolha um material de enchimento de aço inoxidável 316.
Infelizmente, a "regra de correspondência" tem tantas exceções que um princípio melhor seria consultar uma tabela de seleção de metal de adição. Por exemplo, o aço inoxidável tipo 304 é o material base mais comum, mas ninguém oferece um eletrodo de aço inoxidável tipo 304.
Como soldar aço inoxidável tipo 304 sem um eletrodo tipo 304
Para soldar aço inoxidável tipo 304, utilize metal de adição tipo 308, pois os elementos de liga adicionais presentes no tipo 308 estabilizarão melhor a área da solda.
No entanto, o aço inoxidável 308L também é um material de enchimento aceitável. A designação "L" após qualquer tipo indica baixo teor de carbono. Um aço inoxidável do tipo 3XXL tem um teor de carbono de 0,03% ou menos, enquanto o aço inoxidável padrão do tipo 3XX pode ter um teor máximo de carbono de 0,08%.
Como o material de enchimento do Tipo L se enquadra na mesma classificação que o produto sem o Tipo L, os fabricantes podem, e devem, considerar seriamente o uso de um material de enchimento do Tipo L, pois o menor teor de carbono reduz o risco de problemas de corrosão intergranular. De fato, os autores argumentam que o material de enchimento do Tipo L seria mais amplamente utilizado se os fabricantes simplesmente atualizassem seus procedimentos.
Os fabricantes que utilizam o processo GMAW também podem considerar o uso de um eletrodo de adição do tipo 3XXSi, pois a adição de silício melhora a molhagem. Em situações onde a solda apresenta uma coroa alta ou irregular, ou onde a poça de fusão não se une bem nas extremidades de um filete ou junta sobreposta, o uso de um eletrodo GMAW do tipo Si pode suavizar o cordão de solda e promover uma melhor fusão.
Se a precipitação de carbonetos for uma preocupação, considere um material de enchimento do tipo 347, que contém uma pequena quantidade de nióbio.
Como soldar aço inoxidável a aço carbono
Essa situação ocorre em aplicações onde uma parte de uma estrutura requer uma face externa resistente à corrosão, unida a um elemento estrutural de aço carbono para reduzir custos. Ao unir um material base sem elementos de liga a um material base com elementos de liga, utilize um metal de adição com alto teor de liga, de modo que a diluição no metal de solda seja equilibrada ou apresente um teor de liga superior ao do metal base de aço inoxidável.
Para unir aço carbono aos tipos 304 ou 316, bem como para unir aços inoxidáveis diferentes, considere um eletrodo do tipo 309L para a maioria das aplicações. Se for desejado um teor de cromo mais elevado, considere o tipo 312.
Como nota de precaução, os aços inoxidáveis austeníticos apresentam uma taxa de expansão cerca de 50% maior do que a do aço carbono. Quando unidos, as diferentes taxas de expansão podem causar fissuras devido a tensões internas, a menos que sejam utilizados eletrodos e procedimentos de soldagem adequados.
Utilize os procedimentos corretos de limpeza e preparação para soldagem.
Assim como com outros metais, primeiro remova óleo, graxa, marcas e sujeira com um solvente não clorado. Depois disso, a regra principal da preparação para soldagem de aço inoxidável é "Evitar a contaminação com aço carbono para prevenir a corrosão". Algumas empresas utilizam prédios separados para suas oficinas de aço inoxidável e aço carbono para evitar a contaminação cruzada.
Ao preparar as bordas para soldagem, designe rebolos e escovas de aço inoxidável como "somente para aço inoxidável". Alguns procedimentos exigem a limpeza a cinco centímetros da junta. A preparação da junta também é mais crítica, pois compensar inconsistências na manipulação do eletrodo é mais difícil do que com aço carbono.
Utilize o procedimento correto de limpeza pós-soldagem para evitar ferrugem.
Para começar, lembre-se do que torna o aço inoxidável inoxidável: a reação do cromo com o oxigênio para formar uma camada protetora de óxido de cromo na superfície do material. O aço inoxidável enferruja devido à precipitação de carbonetos (veja abaixo) e porque o processo de soldagem aquece o metal de solda a um ponto em que o óxido ferrítico pode se formar na superfície da solda. Deixada em seu estado bruto de soldagem, uma solda perfeitamente íntegra pode apresentar "trilhas de ferrugem" nos limites da zona afetada pelo calor em menos de 24 horas.
Para que uma nova camada de óxido de cromo puro possa se reformar adequadamente, o aço inoxidável requer limpeza pós-soldagem por meio de polimento, decapagem, esmerilhamento ou escovação. Novamente, utilize esmerilhadeiras e escovas específicas para essa tarefa.
Por que o fio de solda de aço inoxidável é magnético?
O aço inoxidável totalmente austenítico não é magnético. No entanto, as temperaturas de soldagem criam grãos relativamente grandes na microestrutura, o que torna a solda suscetível a trincas. Para mitigar essa sensibilidade à fissuração a quente, os fabricantes de eletrodos adicionam elementos de liga, incluindo ferrita. A fase ferrítica faz com que os grãos austeníticos se tornem muito mais finos, tornando a solda mais resistente a trincas.
Um ímã não gruda em um carretel de aço inoxidável austenítico, mas uma pessoa segurando um ímã pode sentir uma leve atração devido à ferrita retida. Infelizmente, isso leva alguns usuários a pensarem que seu produto foi rotulado incorretamente ou que estão usando o metal de adição errado (especialmente se arrancaram o rótulo da cesta de arame).
A quantidade correta de ferrita em um eletrodo depende da temperatura de serviço da aplicação. Por exemplo, ferrita em excesso faz com que a solda perca sua tenacidade em baixas temperaturas. Assim, o metal de adição Tipo 308 para aplicações em tubulações de GNL possui um índice de ferrita entre 3 e 6, em comparação com o índice de ferrita 8 do metal de adição Tipo 308 padrão. Em resumo, os metais de adição podem parecer semelhantes à primeira vista, mas pequenas diferenças na composição são importantes.
Existe uma maneira fácil de soldar aços inoxidáveis duplex?
Tipicamente, os aços inoxidáveis duplex possuem uma microestrutura composta por aproximadamente 50% de ferrita e 50% de austenita. Em termos simples, a ferrita proporciona alta resistência mecânica e alguma resistência à corrosão sob tensão, enquanto a austenita proporciona boa tenacidade. A combinação dessas duas fases confere aos aços duplex suas propriedades atrativas. Existe uma ampla gama de aços inoxidáveis duplex disponíveis, sendo o mais comum o Tipo 2205, que contém 22% de cromo, 5% de níquel, 3% de molibdênio e 0,15% de nitrogênio.
Na soldagem de aço inoxidável duplex, podem surgir problemas se o metal de solda apresentar excesso de ferrita (o calor do arco faz com que os átomos se organizem em uma matriz de ferrita). Para compensar, os metais de adição precisam promover a estrutura austenítica com um teor de liga mais elevado, tipicamente de 2 a 4% a mais de níquel do que no metal base. Por exemplo, o arame tubular para soldagem do tipo 2205 pode conter 8,85% de níquel.
O teor de ferrita desejado após a soldagem pode variar de 25 a 55% (mas pode ser maior). Observe que a taxa de resfriamento deve ser lenta o suficiente para permitir a reformação da austenita, mas não tão lenta a ponto de criar fases intermetálicas, nem tão rápida a ponto de criar excesso de ferrita na zona afetada pelo calor. Siga os procedimentos recomendados pelo fabricante para o processo de soldagem e o metal de adição selecionado.
Ajuste de parâmetros na soldagem de aço inoxidável
Para os soldadores que ajustam constantemente parâmetros (tensão, amperagem, comprimento do arco, indutância, largura do pulso, etc.) ao soldar aço inoxidável, o problema típico é a composição inconsistente do metal de adição. Dada a importância dos elementos de liga, variações na composição química entre lotes podem afetar consideravelmente o desempenho da solda, como má molhagem ou dificuldade na remoção da escória. Variações no diâmetro do eletrodo, limpeza da superfície, fundição e hélice também afetam o desempenho em aplicações GMAW e FCAW.
Controle da precipitação de carbonetos em aço inoxidável austenítico
Em temperaturas na faixa de 426-871 °C, o teor de carbono superior a 0,02% migra para os contornos de grão da estrutura austenítica, onde reage com o cromo para formar carboneto de cromo. Se o cromo estiver ligado ao carbono, ele não estará disponível para resistência à corrosão. Quando exposto a um ambiente corrosivo, ocorre corrosão intergranular, permitindo que os contornos de grão sejam corroídos.
Para controlar a precipitação de carbonetos, mantenha o teor de carbono o mais baixo possível (máximo de 0,04%) soldando com eletrodos de baixo teor de carbono. O carbono também pode ser fixado por nióbio (antigamente chamado de colúmbio) e titânio, que possuem maior afinidade pelo carbono do que o cromo. Os eletrodos do tipo 347 são fabricados para essa finalidade.
Como se preparar para uma discussão sobre a seleção de metal de adição
No mínimo, reúna informações sobre o uso final da peça soldada, incluindo o ambiente de serviço (especialmente temperaturas de operação, exposição a elementos corrosivos e grau de resistência à corrosão esperado) e a vida útil desejada. Informações sobre as propriedades mecânicas necessárias nas condições de operação são de grande ajuda, incluindo resistência, tenacidade, ductilidade e resistência à fadiga.
A maioria dos principais fabricantes de eletrodos fornece guias para a seleção do metal de adição, e os autores não podem enfatizar demais este ponto: consulte um guia de aplicações do metal de adição ou entre em contato com os especialistas técnicos do fabricante. Eles estão à disposição para ajudar na seleção do eletrodo de aço inoxidável correto.
Para obter mais informações sobre os metais de adição de aço inoxidável da TYUE e para entrar em contato com os especialistas da empresa para aconselhamento, acesse www.tyuelec.com.
Data da publicação: 23/12/2022