Inspeção de Juntas Soldadas
BRUNO DOMINGUES PEREIRADISSERTAÇÃO DE MESTRADO REALIZADA NO ÂMBITO DO MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
LUÍS FILIPE MALHEIROS ORIENTADOR
PROFESSOR CATEDRÁTICO DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
CARLOS VAZ COORIENTADOR
DIRETOR INDUSTRIAL DA EMPRESA TÜV AUSTRIA IBERIA
Porto, 27 de julho de 2020
CANDIDATO Bruno Domingues Pereira Código 201503657
TÍTULO Inspeção de Juntas Soldadas: Estudo da influência da entrega térmica
DATA 27 de julho de 2020
LOCAL Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
JÚRI Presidente Professor Doutor Manuel Fernando Gonçalves
Vieira DEMM/FEUP
Arguente Professor Doutor Fernando Jorge Lino Alves DEM/FEUP Orientador Professor Doutor Luís Filipe Malheiros de Freitas Ferreira DEMM/FEUP
“The quality will remain when the price is forgotten”
Resumo
Esta Dissertação de Mestrado, desenvolvida em parceria com a empresa Tüv Austria
Iberia, teve como principal objetivo avaliar se a entrega térmica tinha sido corretamente
selecionada e controlada durante a união de juntas de soldadura, recorrendo à análise microestrutural das mesmas, de forma a verificar se a microestrutura da Zona do Material de Adição estava de acordo com a estimada a partir do diagrama de Schaeffler. Além disso, durante este trabalho foram realizadas quatro Qualificações de Procedimentos de Soldadura e uma inspeção recorrendo ao ensaio de Radiografia Industrial.
O trabalho teve o seu início com a realização de quatro Qualificações de Procedimentos de Soldadura a juntas topo a topo de diferentes espessuras e combinações de materiais. Para se proceder à qualificação dos procedimentos de soldadura, que deram origem a estas juntas, recorreu-se a diversos ensaios destrutivos e não destrutivos, estipulados pela norma EN ISO 15614-1. Em primeiro lugar, realizaram-se ensaios não destrutivos de forma a assegurar que as juntas soldadas não apresentavam defeitos no seu interior e superfície. Em segundo lugar, efetuaram-se ensaios destrutivos sobre provetes extraídos das juntas de modo a verificar se os resultados obtidos eram conformes aos estipulados pela norma referida anteriormente. Dado que se obtiveram resultados aceitáveis nas quatro Qualificações de Procedimentos de Soldadura, os procedimentos foram aprovados e elaborados os respetivos certificados de qualificação.
Em seguida, realizou-se a análise metalográfica das quatro juntas elaboradas previamente, tendo ainda sido feita a quantificação de ferrite-δ na Zona do Material de Adição de três dessas juntas. As microestruturas obtidas foram também comparadas com as estimadas a partir do diagrama de Schaeffler. Os resultados obtidos indiciam que ocorreu um controlo adequado da entrega térmica, ou seja, não foi atingida a temperatura suficiente para provocar alterações indesejáveis em termos microestruturais ou induzir a precipitação de uma quantidade excessiva de ferrite-δ.
Por último, através do ensaio de Radiografia Industrial, procedeu-se à inspeção de um Discharge Ring, componente de uma central hidroelétrica. Foram selecionadas três secções a radiografar, tendo sido observada uma indicação numa das radiografias obtidas. Esta consistia numa inclusão que, de acordo com a norma de aceitação do ensaio (EN ISO 10675-1) e tendo em conta as suas dimensões, tratava-se meramente de uma indicação aceitável, não sendo necessário reparar o componente para a remover.
Palavras-Chave
Soldadura, Entrega Térmica, Microestrutura, Descontinuidades na soldadura, Inspeção de soldadura, Ensaios Destrutivos, Ensaios Não Destrutivos.
Abstract
This Master's Dissertation, developed in partnership with the company Tüv Austria Iberia, had as main objective the evaluation of the thermal delivery, by assessing if it had been correctly selected and controlled during the union of welding joints. By resorting to microstructural analysis, it became possible to verify if the microstructure of the Fusion Zone was in accordance with the estimated microstructure from the Schaeffler`s diagram. Furthermore, during this project, four Welding Procedure Qualifications were performed and one inspection was conducted using the Industrial Radiographic Test.
The work started with the execution of four Welding Procedure Qualifications to butt joints of different thicknesses and combinations of materials. In order to qualify the welding procedures that gave rise to these joints, various destructive and non-destructive tests were executed, as stipulated by EN ISO 15614-1 standard. Firstly, non-destructive tests were carried out to ensure that the welded joints were free from interior and surface defects. Secondly, destructive tests were conducted on test specimens taken from the joints, in order to verify if the results obtained were in conformity with those stipulated in the above-mentioned standard. On the account of the fact that acceptable results were obtained in all four Welding Procedure Qualifications, the procedures were approved and the respective qualification certificates drawn up.
Subsequently, the metallographic analysis of the four previously prepared joints was performed, and the quantification of δ ferrite in the Fusion Zone of three of these joints was also executed. The microstructures obtained were also compared with those estimated from Schaeffler's diagram. The results obtained indicate that adequate control of thermal delivery took place, that is, not enough temperature was reached to cause undesirable microstructural changes or to induce precipitation of an excessive amount of δ ferrite.
Lastly, by making use of the Industrial Radiographic Test, a Discharge Ring, component of a hydroelectric power plant, was inspected. Three sections were selected for the radiographic test and an indication was observed in one of the radiographs obtained. This indication consisted of an inclusion which, according to the acceptance levels for radiographic testing standard (EN ISO 10675-1) and taking into account its dimensions, was merely an acceptable indication, not being necessary to conduct any kind of repair operations in order to remove it.
Keywords
Welding, Thermal Delivery, Microstructure, Welding Discontinuities, Welding Inspection, Destructive Tests, Non-Destructive Tests.
Agradecimentos
Esta Dissertação de Mestrado marca o final do meu capítulo académico e o início do capítulo profissional. Assim, gostaria de expressar os meus agradecimentos a todas as pessoas que, de diversas formas, contribuíram para a minha evolução, tanto a nível pessoal como académico.
Ao Professor Luís Filipe Malheiros, meu orientador nesta Dissertação de Mestrado, quero agradecer, primeiramente, por me ter possibilitado esta oportunidade. Estarei eternamente grato pelas expectativas que depositou em mim e por me ter incentivado a desenvolver este trabalho. Além disso, gostaria de agradecer o seu esforço ao longo destes anos em elevar o curso. É, indubitavelmente, o grande impulsionador do Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Ao Engenheiro Carlos Vaz, meu orientador na Tüv Austria Iberia e figura incontornável do universo das inspeções de componentes soldados, agradeço o acompanhamento notável ao longo deste semestre assim como a disponibilidade que demonstrou desde a primeira reunião. Ter o seu acompanhamento foi um privilégio assim como uma experiência enriquecedora que nunca será esquecida. Estou convicto que os conhecimentos por si partilhados foram fundamentais para o desenvolvimento e sucesso desta Dissertação de Mestrado.
Aos Engenheiros Bruno Ló e Ricardo Canossa, agradeço o apoio incansável e o acompanhamento diário na ONIRAM. Contribuíram para que o meu contacto e integração na indústria ocorresse da melhor forma, ajudando-me a compreender melhor não só o ramo da Soldadura, como também as responsabilidade de um Engenheiro na indústria.
Ao Francisco Silva e ao Paulo, soldadores da ONIRAM, gostaria de agradecer por terem partilhado comigo os conhecimentos práticos de soldadura que adquiriram ao longo das suas carreiras.
Ao Mestre André Ferreira e ao Professor Rúben Santos, quero agradecer por estarem sempre disponíveis para me ajudar a compreender melhor a soldadura. Os seus contributos foram essenciais para o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Engenheiro Jorge, da Tüv Austria Iberia, agradeço por me ter auxiliado e apoiado na realização de diversas tarefas na empresa.
Aos meus amigos e à minha namorada, quero agradecer por me acompanharem nesta etapa da vida. Vocês são a minha segunda família que está sempre presente para me apoiar nos bons e maus momentos da vida.
Por último, nunca poderia deixar de agradecer à minha família que, desde o início da minha vida, lutou pelo meu sucesso. Se um dia concretizar os meus sonhos, foi graças ao esforço e dedicação dos meus pais e dos meus avós. Nos momentos mais duros, as palavras de encorajamento por eles transmitidas fizeram com que eu nunca desistisse.
Índice
1. Introdução ... 1
1.1 Principais Objetivos do Trabalho ... 2
1.2 Apresentação da empresa - Tüv Austria Iberia ... 2
1.3 Estrutura da Dissertação de Mestrado ... 3
2. Revisão da Literatura ... 3
2.1 Soldadura ... 3
2.2 Soldadura de materiais dissimilares ... 4
2.3 Material de adição... 4
2.4 Diagrama de Schaeffler ... 5
2.5 Zonas de uma Junta Soldada ... 6
2.6 Soldabilidade ... 7
2.7 Entrega Térmica ... 8
2.8 Descontinuidades na junta soldada ... 9
2.8.1 Classificação das descontinuidades ... 10
2.9 Especificação de Procedimentos de Soldadura Preliminar ... 11
2.10 Especificação de Procedimentos de Soldadura ... 12
2.11 Qualificação de Procedimentos de Soldadura ... 12
2.11.1 Ensaios Destrutivos ... 12
2.11.1.1 Ensaio de Tração ... 13
2.11.1.2 Ensaio de Dobragem ... 13
2.11.1.3 Ensaio de Choque (Ensaio Charpy) ... 13
2.11.1.4 Ensaio de Dureza ... 14
2.12 Inspeção de Juntas Soldadas ... 14
2.12.1 Ensaios Não Destrutivos ... 14
2.12.1.1 Inspeção Visual ... 15
2.12.1.2 Radiografia industrial ... 15
2.12.1.3 Ensaio por Ultrassons Convencional ... 18
2.12.1.4 Ensaio por Ultrassons Phased Array ... 21
2.12.1.5 Ensaio por Líquidos Penetrantes ... 22
3. Materiais e Métodos ... 24
3.1 Materiais de Base ... 24
3.1.1 Aço não ligado S355J2+N ... 24
3.1.2 Aço AISI 304L ... 24
3.1.3 Aço AISI 415 ... 25
3.1.4 Aço AISI 316L ... 25
3.2 Materiais de Adição ... 26
4. Aplicação da Qualificação de Procedimentos de Soldadura ... 26
4.1 QPS da Junta Soldada 1 ... 29
4.2 QPS da Junta Soldada 2 ... 32
4.3 QPS da Junta Soldada 3 ... 35
4.4 QPS da Junta Soldada 4 ... 39
5. Análise Microestrutural de Juntas Soldadas ... 43
5.1 Análise Metalográfica ... 44
5.1.1 Amostragem ... 44
5.1.2 Corte ... 44
5.1.3 Polimento ... 44
5.1.4 Ataque Químico ... 44
5.1.5 Análise quantitativa de fases ... 45
5.2 Resultados e Discussão ... 45
5.2.1 Junta Soldada 1 ... 45
5.2.2 Junta Soldada 2 ... 47
5.2.3 Junta Soldada 3 ... 49
5.2.4 Junta Soldada 4 ... 50
6. Inspeção de Componentes Soldados ... 53
6.1 Aplicação da Radiografia Industrial num Discharge Ring ... 53
7. Conclusões ... 57
7.1 Trabalhos Futuros ... 58
Referências Bibliográficas ... 59
Lista de Figuras
Figura 1 - Diagrama de Schaeffler ... 6
Figura 2 - Macrografia de junta soldada: 1 – ZMA; 2 – Linha de Fusão; 3 - ZTA; 4 - MB. ... 7
Figura 3 – Configuração de um ensaio de Radiografia Industrial ... 15
Figura 4 – Visualização, numa radiografia, de uma penetração incompleta do material de adição ... 17
Figura 5 - Deteção de descontinuidades planares ... 17
Figura 6 - Configuração simplificada de um ensaio por UT ... 18
Figura 7 - Fenómeno de difração de uma onda sonora ... 19
Figura 8 – Controlo no salto na técnica angular de UT: percurso da onda sonora ... 20
Figura 9 – Sonda de Phased Array ... 21
Figura 10 – Análise comparativa dos potenciais dos ensaios UT convencional e PAUT .... 21
Figura 11 - Etapas do ensaio por Líquidos Penetrantes ... 22
Figura 12 –Chapas de aço AISI 316L, utilizadas para a primeira QPS. ... 29
Figura 13 – QPS 1: Esquema do chanfro de acordo com a EPSp. ... 29
Figura 14 – QPS 1: Chanfro em X assimétrico. ... 30
Figura 15 - QPS 1: Resultado do ensaio por Líquidos Penetrantes. ... 30
Figura 16 – QPS 1: Resultado do ensaio de Radiografia Industrial. ... 30
Figura 17 – Macrografia da junta soldada elaborada na QPS 1. ... 32
Figura 18 – QPS 2: (A) Chapas de aço utilizadas; (B) Chanfro em X assimétrico. ... 33
Figura 19 - QPS 2: Resultado do ensaio por Líquidos Penetrantes. ... 33
Figura 20 - QPS 2: Resultado do ensaio de Radiografia Industrial. ... 33
Figura 21 –Macrografia da junta soldada elaborada na QPS 2. ... 35
Figura 22 – QPS 3: (A) Chapas utilizadas; (B) Chanfro em V. ... 36
Figura 23 – QPS 3: Ciclo térmico exibido na EPSp. ... 36
Figura 24 - QPS 3: Resultado do ensaio por Líquidos Penetrantes. ... 37
Figura 25 - QPS 3: Resultado do ensaio de Radiografia Industrial. ... 37
Figura 26 – Macrografia da junta soldada elaborada na QPS 3. ... 39
Figura 27 – QPS 4: (A) Chapas utilizadas; (B) Chanfro em X assimétrico. ... 39
Figura 28 – Gás de proteção utilizado na QPS 4, presente na EPSp. ... 40
Figura 29 - QPS 4: Resultado do ensaio por Líquidos Penetrantes. ... 40
Figura 31 – Macrografia da junta soldada elaborada na QPS 4. ... 42
Figura 32 - Previsão da microestrutura da ZMA da junta soldada 1. ... 46
Figura 33 – Microestrutura da ZMA da junta soldada 1. ... 47
Figura 34 – Microestrutura do MB (aço AISI 316L) da junta soldada 1. ... 47
Figura 35 – Previsão da microestrutura da ZMA da junta soldada 2. ... 48
Figura 36 – Microestrutura da ZMA da junta soldada 2. ... 48
Figura 37 – Microestrutura do MB (aço AISI 415) da junta soldada 2. ... 49
Figura 38 - Previsão da microestrutura da ZMA da junta soldada 3. ... 49
Figura 39 – Microestrutura da ZMA da junta soldada 3. ... 50
Figura 40 – Microestruturas dos MB da junta soldada 3: (A) aço AISI 415; (B) aço AISI 304L. ... 50
Figura 41 - Previsão da microestrutura da ZMA da junta soldada 4. ... 51
Figura 42 – Microestrutura da ZMA da junta soldada 4. ... 52
Figura 43 – Microestruturas dos MB da junta soldada 4: (A) aço S355J2+N; (B) aço AISI 415. ... 52
Figura 44 - Discharge Ring sujeito ao ensaio RT. ... 53
Figura 45 - Secções do Discharge Ring radiografadas. ... 54
Figura 46 - Equipamentos utilizados no ensaio RT: (1) Controlador; (2) Película radiográfica; (3) Fonte de radiação.. ... 55
Figura 47 – Radiografia da secção 1. ... 56
Figura 48 – Radiografia da secção 2. ... 56
Lista de Tabelas
Tabela I - Composição química (% mássica) do aço S355J2+N ... 24
Tabela II - Composição química (% mássica) do aço AISI 304L ... 24
Tabela III - Composição química (% mássica) do aço AISI 415... 25
Tabela IV - Composição química (% mássica) do aço AISI 316L ... 25
Tabela V - Composição química (% mássica) do elétrodo DW-309L ... 26
Tabela VI - Composição química (% mássica) do elétrodo DW-316L ... 26
Tabela VII - Composição química (% mássica) do elétrodo MX-A410NiMo ... 26
Tabela VIII - Juntas soldadas alvo de QPS ... 28
Tabela IX - Ensaios para uma junta soldada, topo a topo, com penetração total ... 28
Tabela X – QPS 1: Resultados do ensaio de tração ... 31
Tabela XI – QPS 1: Resultados do ensaio de impacto Charpy, a 20ºC ... 31
Tabela XII – QPS 2: Resultados do ensaio de tração ... 34
Tabela XIII – QPS 2: Resultados do ensaio de impacto Charpy, a 20ºC ... 34
Tabela XIV – QPS 3: Resultados do Ensaio de Tração ... 37
Tabela XV – QPS 3: Resultados do ensaio de Impacto Charpy a 20ºC ... 38
Tabela XVI – QPS 4: Resultados do ensaio de Tração ... 41
Tabela XVII – QPS 4: Resultados do ensaio de Impacto Charpy a -20ºC... 41
Lista de Nomenclaturas
AWS – American Welding Society
CATIM - Centro de Apoio Tecnológico à Indústria Metalomecânica CE – Carbono Equivalente
ED – Ensaios Destrutivos END - Ensaios Não Destrutivos
EPS – Especificação de Procedimentos de Soldadura
EPSp – Especificação de Procedimentos de Soldadura preliminar FFD – Focal Film Distance
IQI – Indicador de Qualidade de Imagem ITP - Inspection Test Plan
LP – Líquidos Penetrantes MAG – Metal Active Gas MB – Material de Base
MT – Ensaio por Partículas Magnéticas (Magnetic Particle Testing)
PAUT – Ensaio por Ultrassons Phased Array (Phased Array Ultrasonic Testing) QPS – Qualificação de Procedimentos de Soldadura
RQPS – Relatório de Qualificação do Procedimento de Soldadura RT – Radiografia Industrial (Radiographic Testing)
TAC – Transformação em Arrefecimento Contínuo UT - Ensaio por Ultrassons (Ultrasonic Testing) VT – Inspeção Visual (Visual Testing)
ZMA – Zona do Material de Adição ZTA – Zona Termicamente Afetada
1. Introdução
Com o aumento constante das expectativas de desempenho de um determinado componente soldado, inúmeros esforços têm sido desenvolvidos de modo a que estes sejam produzidos com o menor número de descontinuidades, atingindo assim uma elevada
performance. Por essa razão, os riscos associados a suscetibilidades induzidas pela
utilização de parâmetros de soldadura inadequados, ausência de boas práticas de soldadura, inexperiência do operador e outros fatores externos, como por exemplo, a adsorção de humidade durante a etapa de soldadura, são tão elevados que um programa de controlo de qualidade devidamente estruturado, formalmente designado Inspection
Test Plan (ITP), é fundamental para se avaliar e, sobretudo, assegurar a sanidade de um
componente soldado.
Como responsável por esta operação surge o Inspetor de Soldadura, encarregue de acompanhar, analisar e avaliar os resultados obtidos nos ensaios destrutivos e não destrutivos, desempenhando um papel determinante na aprovação de uma junta soldada. Quando esta é aprovada, afirma-se que esta apresenta os níveis de qualidade e funcionalidade adequados para o seu correto desempenho, ao longo do tempo de vida estipulado. Esta afirmação considera que a produção da junta foi adequadamente planeada para cumprir os requisitos de serviço durante o tempo de vida previsto, fabricada com os materiais especificados e que estes cumprem os requisitos do projeto, e manuseada, instalada e preservada de acordo os requisitos de fadiga, tensão e corrosão preestabelecidos.
Evidentemente, em ambiente industrial, a produção de uma junta soldada perfeita é extraordinariamente difícil, pois obrigaria ao controlo total dos fatores que afetam a sua sanidade, o que resultaria num aumento significativo dos custos. No entanto, a qualidade de um componente soldado pode ser garantida através do controlo de um único fator, muitas vezes subvalorizado, que se designa por entrega térmica. Este reveste-se de elevada importância uma vez que influencia a temperatura que a junta atinge durante a soldadura assim como a velocidade de arrefecimento da mesma. Por outras palavras, a entrega térmica desempenha um papel determinante na sanidade do componente soldado, afetando a microestrutura do cordão de soldadura e, por consequência, as propriedades mecânicas do mesmo.
Esta é a razão pela qual surgem a maioria dos problemas durante a inspeção de componentes soldados, em grande parte das empresas do setor metalomecânico em Portugal. Estas empresas possuem ferramentas, como por exemplo, o diagrama de
Schaeffler, que conseguem prever a microestrutura do cordão de soldadura. No entanto,
é frequente serem obtidos componentes soldados com propriedades mecânicas que não se adequam à microestrutura prevista pelo diagrama de Schaeffler. Isto acontece quando não se realiza um controlo adequado da entrega térmica, conduzindo a alterações da microestrutura do cordão de soldadura e, consequentemente, das suas propriedades mecânicas.
Este foi o mote para o projeto proposto pela Tüv Austria Iberia, designado “Inspeção de juntas soldadas”. Com este tema pretendia-se compreender a influência da entrega térmica na microestrutura de várias juntas soldadas, através da comparação da microestrutura prevista pelo diagrama de Schaeffler com a obtida na realidade, conseguindo-se assim determinar se este fator estava a ser corretamente controlado. Além disso, através da Qualificação de Procedimentos de Soldadura, foram avaliadas as propriedades mecânicas e a sanidade dessas juntas soldadas. Para complementar esta Dissertação e, simultaneamente permitir um contacto mais próximo com os ensaios não destrutivos, ferramenta essencial para um Inspetor de Soldadura, foi realizada a inspeção de um componente soldado de elevada complexidade do ponto de vista metalúrgico e geométrico recorrendo ao ensaio de Radiografia Industrial (RT).
1.1 Principais Objetivos do Trabalho
O projeto desta Dissertação de Mestrado tinha como principal objetivo averiguar se a entrega térmica tinha sido devidamente controlada durante a produção de quatro juntas soldadas, através da análise microestrutural destas, comparando-as com a microestrutura estipulada pelo diagrama de Schaeffler,
A seleção destas juntas em particular está relacionada com a dificuldade acrescida na obtenção das propriedades mecânicas desejadas em juntas em aço inoxidável e, sobretudo, quando se trata de juntas dissimilares. Além do mais, com a seleção destas juntas era possível perceber se existiam limitações na aplicabilidade do diagrama de
Schaeffler tendo em conta os materiais utilizados.
Em segundo plano surgiu a possibilidade de acompanhar as Qualificações de Procedimentos de Soldadura (QPS) destas juntas, conseguindo assim perceber se estas apresentavam o conjunto de propriedades mecânicas necessárias para a aprovação dos procedimentos de soldadura das mesmas.
Em último plano, mas equitativamente relevante, surgiu a aplicação do ensaio RT a um componente soldado.
1.2 Apresentação da empresa - Tüv Austria Iberia
A Tüv Austria Iberia está inserida no grupo Austríaco Tüv Austria, com sede na Áustria. Esta última empresa foi fundada durante a revolução industrial, mais precisamente em 1872, como empresa de seguros e de inspeção de caldeiras, tendo estabelecido, ao longo dos anos, relações estratégicas e diversos protocolos que permitiram expandir o seu campo de operações. Atualmente, possui mais de 2000 funcionários, espalhados pelas mais de 25 filiais, distribuídas pelo continente europeu, asiático e africano [1].
Situada em Leça do Balio, a Tüv Austria Iberia é uma empresa que se dedica à prestação de serviços nas áreas de certificação, inspeção e ensaios. Possui, atualmente, mais de 150 colaboradores, estando em constante crescimento e desenvolvimento, desde a sua fundação em 2008. Como principais clientes, surgem as indústrias química,
petrolífera, alimentar, metalomecânica e hídrica, entre outras. Os seus profissionais operam maioritariamente na Península Ibérica, estando as suas equipas técnicas espalhadas pelos dois países. Pontualmente, são ainda realizados trabalhos noutros países europeus.
1.3 Estrutura da Dissertação de Mestrado
Esta Dissertação de Mestrado foi devidamente desenvolvida e dividida em sete capítulos. O primeiro capítulo consiste numa curta introdução ao tema proposto, expondo os principais objetivos do trabalho. Além disso, é também feita uma breve introdução à empresa. O segundo capítulo centra-se, na sua totalidade, numa revisão da literatura, tendo sido desenvolvidas extensivamente todas as temáticas relevantes e fundamentais para a conceção do trabalho prático. Este capítulo foi assim desenvolvido para se conseguir compreender os principais aspetos associados ao tema. Foi, em primeiro lugar, realizada uma abordagem à soldadura e aos principais conceitos relacionados com este tópico, como por exemplo, a soldabilidade, a entrega térmica e as descontinuidades mais relevantes. Em segundo lugar, foram abordadas temáticas pertinentes para a atividade de um Inspetor de Soldadura, como a Especificação de Procedimentos de Soldadura, a Qualificação do Procedimento de Soldura, os ensaios destrutivos e, por último, os ensaios não destrutivos. No terceiro capítulo é apresentada a composição química dos materiais de base e de adição, utilizados nas juntas soldadas em estudo. Já no quarto capítulo, são apresentadas as qualificações de procedimentos de soldadura realizadas a essas juntas soldadas. No quinto capítulo é exposta a análise microestrutural a cada junta soldada assim como a comparação entre a microestrutura do cordão de soldadura e a prevista pelo diagrama de Schaeffler. Já no sexto capítulo são apresentadas as inspeções realizadas aos componentes soldados, expondo, em detalhe, todas as etapas de cada uma. Por último, no sétimo capítulo são apresentadas as principais conclusões, obtidas ao longo dos últimos três capítulos, sugestões de melhoria e propostas de trabalhos a realizar no futuro.
2. Revisão da Literatura
2.1 Soldadura
A soldadura carateriza-se por ser um processo de união permanente de materiais através da criação de ligações físicas, aparentemente homogéneas, ao longo da extensão de uma junta. Esta é vista como um processo metalúrgico complexo que envolve fusões e solidificações consecutivas, ocorrendo várias reações ao longo do processo. Dependendo da aplicação pretendida e do processo de soldadura utilizado, pode ser acrescentado um material, denominado material de adição [2, 3].
Historicamente, a soldadura enquanto processo de união, tem vindo a ser utilizada desde os tempos ancestrais. Porém, a maioria dos processos atualmente utilizados foram desenvolvidos após a 2ª Guerra Mundial. Foi nesta época, marcada pela rápida evolução industrial, que se verificou um desenvolvimento significativo devido à introdução da soldadura por fusão. Com esta evolução, foi possível produzir componentes de grandes
dimensões e de geometrias complexas, garantindo a manutenção de um bom conjunto de propriedades mecânicas.
Contudo, verificou-se que nem todos os materiais reagiam positivamente a esta técnica de soldadura e, por essa razão, a soldadura continuou em constante evolução até à atualidade. Durante este período, foram desenvolvidos novos processos de soldadura assim como novos materiais, mais adequados à soldadura. Verificou-se igualmente que a soldadura não está restringida apenas à união de materiais uma vez que pode ser considerada uma técnica de reparação e recuperação de componentes [3].
Atualmente, a soldadura está presente nas mais variadas indústrias, desde a fabricação de componentes à escala micrométrica até à produção de componentes de elevadas dimensões ou que estão sujeitos a grandes esforços mecânicos, destacando-se a flexibilidade e versatilidade dos processos.
2.2 Soldadura de materiais dissimilares
A soldadura de materiais dissimilares consiste na união de materiais com composição e propriedades distintas, sendo frequentemente empregue na união de aços inoxidáveis a outros tipos de aços. Apesar das dificuldades inerentes à união de diferentes materiais, a junta soldada apresenta um conjunto de propriedades mecânicas que não comprometem as exigências impostas pelas indústrias, permitindo assim uma redução de custos uma vez que é possível recorrer a materiais de base mais baratos [4].
2.3 Material de adição
A seleção do material de adição é uma das etapas mais importantes que precede a execução da soldadura. O material de adição, para além de satisfazer os requisitos em termos de propriedades mecânicas e físicas, deverá apresentar uma composição química compatível com a dos materiais de base. Na maioria dos casos, são várias as possibilidades de escolha do material de adição; no entanto, existe apenas uma opção ideal para uma aplicação específica [5].
Existem ainda outros fatores igualmente importantes que restringem a escolha do material de adição, nomeadamente o processo de soldadura utilizado e a configuração da junta. No primeiro caso, para cada processo de soldadura, existe um conjunto de materiais de adição que podem ser utilizados em conformidade com a norma correspondente ao processo. Relativamente à junta, há que ajustar o material de adição à sua configuração, tendo em atenção que alguns materiais de adição apresentam fluidez superior à de outros. Assim, por exemplo, no caso de se realizar soldadura na posição vertical ascendente, utilizando um material com elevada fluidez, a segurança do soldador pode ser colocada em risco, levando também à obtenção de penetração incompleta do metal.
Por último, tal como mencionado anteriormente, a composição química deste material tem de ser compatível com a dos materiais de base de forma a obter-se a microestrutura da junta soldada estipulada [6].
2.4 Diagrama de Schaeffler
É uma ferramenta que permite estimar a microestrutura da junta soldada a partir da relação entre os elementos alfagéneos e gamagéneos dos materiais utilizados. Em ambiente industrial, esta é uma ferramenta que se reveste de elevada importância uma vez que permite determinar qual o material de adição que melhor se ajusta à obtenção da microestrutura que garanta a boa qualidade metalúrgica.
Para uma melhor compreensão deste diagrama, é apresentado na Figura 1 um exemplo prático de aplicação do diagrama de Schaeffler, relativo à soldadura do aço ASTM A508 ao aço ASTM A240 (Type 304L). Neste exemplo, são avaliadas duas alternativas para o material de adição: os aços 310 e 309L. O objetivo é obter uma microestrutura com uma fração de 5% de ferrite, a que corresponde a reta B devidamente assinalada a vermelho no diagrama.
Com o objetivo de selecionar o material de adição mais adequado, foram traçadas as coordenadas correspondentes ao crómio e níquel equivalentes dos quatro aços envolvidos, e uniram-se os pontos correspondentes aos materiais de base (pontos 1 e 2), daí resultando a reta A. Considerando uma diluição equitativa entre os materiais de base, a microestrutura resultante corresponderá à do ponto médio da reta A (ponto 3). Seguidamente, traçaram-se as retas que unem o ponto 3 aos pontos 4 e 5 relativos aos materiais de adição. Atendendo a que o objetivo era obter uma microestrutura com uma fração de 5% de ferrite, verifica-se que apenas o aço 309L é passível de ser utilizado como material de adição uma vez que apenas a reta D, representativa da união dos pontos 3-5, intersecta a reta B, referente à microestrutura com 5% de ferrite. Concluiu-se ainda que, para se obter esta microestrutura, é necessário recorrer a uma diluição de 30% dos materiais de base, ou seja, a relação entre a área dos materiais de base que sofrem fusão e a área total da zona fundida deverá assumir o valor de 30% [4].
Apesar da facilidade e da pertinência do diagrama de Schaeffler, este não deve ser utilizado no caso de aços com composições menos convencionais, nomeadamente quando o teor de azoto é elevado, uma vez que este diagrama não toma em consideração a influência deste elemento na microestrutura. Assim, surge o diagrama de DeLong (ver Anexo 1) que contempla o efeito do azoto na estabilização da austenite, alargando o conjunto de materiais que podem ser considerados na soldadura. Este diagrama pode ser observado no Anexo 1 onde facilmente se verifica a contabilização do teor de azoto no cálculo do níquel equivalente [4, 7].
Figura 1 - Diagrama de Schaeffler [4].
2.5 Zonas de uma Junta Soldada
O calor gerado pelos processos de soldadura por arco provoca alterações ao nível da microestrutura do material, sendo que a severidade destas alterações está dependente da quantidade de energia que é fornecida sob a forma de calor aos materiais de base assim como a forma como ocorre a sua repartição. Estes dois últimos fatores dependem, principalmente, da entrega térmica que é utilizada durante o processo de soldadura. Esta é responsável pelo aquecimento dos materiais, levando à formação de quatro regiões distintas numa dada secção da soldadura.
Na Figura 2 é passível de serem distinguidas estas regiões, através da análise macrográfica de um corte transversal de uma junta soldada:
1. Zona do Material de Adição (ZMA); 2. Linha de fusão;
3. Zona Termicamente Afetada (ZTA); 4. Material de Base (MB). 1 2 C A B D 3 4 5
Figura 2 - Macrografia de junta soldada: 1 – ZMA; 2 – Linha de Fusão; 3 - ZTA; 4 - MB. A microestrutura de cada uma destas regiões está associada à composição química dos materiais de base e de adição assim como ao processo, parâmetros e procedimento de soldadura utilizados.
A ZMA corresponde à porção de material que sofre fusão completa uma vez que está sujeita à temperatura máxima do processo. Para além disso, nesta zona ocorrem reações entre o material de adição, o material de base e os gases de proteção.
A ZTA diz respeito à zona intermédia, situada entre a ZMA e o MB. Esta zona consiste na porção de metal de base que sofreu transformações no estado sólido por ação da energia térmica inerente a cada processo de soldadura, sendo induzidas alterações de tamanho de grão e de propriedades mecânicas devido ao ciclo térmico a que esta zona está sujeita.
O MB não sofre qualquer tipo de alteração estimulada termicamente, estando localizada nas extremidades da junta [3, 8].
2.6 Soldabilidade
Compreender o conceito de soldabilidade é imprescindível para se garantir a sanidade de uma junta soldada uma vez que determina a forma como um material se comporta durante um processo de soldadura.
Uma vez que a soldadura é uma tecnologia em constante evolução, com o desenvolvimento sucessivo de novos materiais face às exigências industriais, a soldabilidade, ao longo dos anos, tem sido alvo de várias interpretações e definições.
Segundo uma das maiores organizações a nível da tecnologia de soldadura, a
American Welding Society (AWS), para se determinar a soldabilidade é necessário ter em
particulares, reparação. Dessa forma, a AWS define a soldabilidade como sendo a conjugação da capacidade de um dado material para ser soldado sob as condições de fabrico impostas e a capacidade que um componente apresenta para desempenhar adequadamente a sua função nas condições de serviço impostas [9].
Por outras palavras, o que a AWS pretende afirmar é que a soldabilidade resulta da interseção e conjugação dos seguintes aspetos:
• Materiais utilizados;
• Processo, parâmetros e procedimento de soldadura; • Desempenho na aplicação final.
Assim sendo, para se considerar que um componente é soldável, é necessário ter em consideração os materiais utilizados para a produção do componente, o processo de soldadura disponível mais adequado e a capacidade que esse componente tem para cumprir a função para o qual foi projetado.
A avaliação da soldabilidade do ponto de vista dos materiais utilizados é considerada o aspeto mais importante para se compreender a metalurgia da soldadura, e surgiram ao longo dos anos diversas ferramentas que permitem determinar a sua soldabilidade. Atualmente, considera-se que os diagramas TAC (Transformação em Arrefecimento Contínuo) e o Carbono Equivalente (CE) são duas ferramentas imprescindíveis para a sua avaliação.
Segundo esta última ferramenta, o CE, o teor em elementos de liga, para além do teor em carbono, contribuiu para o aumento da temperabilidade dos aços, facilitando a formação de fases frágeis. Assim, a determinação do CE de um dado material permite auferir se este irá apresentar problemas após a soldadura.
Segundo a AWS, o seu valor é obtido através da seguinte fórmula [3]:
𝐶𝐸 = 𝐶 +𝑀𝑛 + 𝑆𝑖 6 + 𝑁𝑖 + 𝐶𝑢 15 + 𝐶𝑟 + 𝑀𝑜 + 𝑉 5 (1)
Com base no CE de um aço, é possível perspetivar a formação de fases frágeis ou a ocorrência de fissuração a frio na ZTA [3, 10].
2.7 Entrega Térmica
A entrega térmica é definida, num processo de soldadura por arco elétrico, como a quantidade de energia, em Joules, por unidade de comprimento, em milímetros. O seu valor depende da potência gerada pela fonte (W = U (diferença de potencial) * I (intensidade de corrente)), da velocidade de avanço da tocha (v) e de uma constante (k) que varia consoante o processo de soldadura utilizado. Em baixo é possível observar esta fórmula [3]:
𝑄 =𝑊 𝑣 ∗ 𝑘 =
𝑈 ∗ 𝐼
𝑣 ∗ 𝑘 (𝐽/𝑚𝑚) (2)
Este parâmetro reveste-se de elevada importância para a soldadura uma vez que influencia a quantidade de calor que é fornecida aos materiais a unir assim como a taxa de deposição do material de adição. Assim, quando se utiliza uma entrega térmica elevada, promove-se o fornecimento de uma maior quantidade de calor e de material, resultando na deposição de cordões num curto espaço de tempo; porém, o cordão de soldadura fica suscetível a distorções, a alterações indesejáveis nas propriedades mecânicas e pode levar à ocorrência de defeitos.
Por outro lado, um valor de entrega térmica baixo resulta numa taxa de deposição igualmente baixa, sendo fornecida uma menor quantidade de calor. Assim consegue-se controlar melhor o banho metálico, resultando numa melhor preservação das propriedades mecânicas, evitando distorções e defeitos. Por sua vez, a produtividade, em termos de deposição de cordões de soldadura, é inferior.
Desta forma, é fundamental utilizar-se uma entrega térmica ideal, tendo em conta as caraterísticas da junta, de forma a atingir-se um equilíbrio entre a produtividade e a sanidade final do componente [3].
Determinar esse valor ideal é fundamental para uma empresa do setor metalomecânico pelas razões supracitadas, fazendo com que se recorra a uma grande quantidade de recursos para a sua determinação. No entanto, à exceção dos primeiros passes de soldadura, a entrega térmica ideal costuma ser apresentada segundo uma gama de valores, permitindo assim que o soldador, de acordo com as caraterística da junta no momento da soldadura, consiga priorizar a deposição de material, recorrendo a um valor de entrega térmica próximo do limite superior do intervalo, ou privilegiar o controlo do cordão e das caraterísticas metalúrgicas da junta, utilizando um valor próximo do limite inferior do intervalo de entrega térmica.
2.8 Descontinuidades na junta soldada
Nenhum material de construção nem nenhuma estrutura de engenharia é isenta de imperfeições. Assim, nas juntas soldadas, é comum observarem-se descontinuidades que se definem como interrupções na estrutura do cordão de soldadura que, dependendo de vários fatores, tais como sua localização, dimensões, etc., podem comprometer o correto desempenho da peça soldada. Se for esse o caso, a descontinuidade passa a ser denominada defeito, sendo obrigatório corrigi-lo ou eliminá-lo.
Dessa forma, é preciso fazer uma análise profunda das descontinuidades de uma junta soldada, sendo a etapa de deteção e classificação realizada obrigatoriamente por um técnico certificado para evitar erros na avaliação. Este é responsável pela identificação, classificação e avaliação das descontinuidades com o objetivo de determinar se estas podem ser prejudiciais ou não para o correto desempenho da peça.
A função destes técnicos é muito importante porque uma incorreta avaliação tem como consequência a execução de reparações que seriam desnecessárias já que a integridade da peça não estava em risco, tendo como consequência o aumento dos custos de produção devido ao aumento do tempo despendido na correção. Pode também ocorrer a situação oposta e não serem efetuadas correções de descontinuidades que eram prejudiciais para o correto desempenho da peça, tendo como consequência falhas graves e precoces em serviço [11].
2.8.1 Classificação das descontinuidades
Apesar da soldadura permitir a obtenção de juntas soldadas de elevada qualidade através da correta utilização dos parâmetros de soldadura, de se recorrer a boas práticas de soldadura e de se terem selecionado os materiais mais adequados, são vulgarmente encontradas descontinuidades, tais como [12]:
• Contaminação por oxigénio e azoto
Se o gás de proteção não for completamente inerte ou adequadamente protetor, o oxigénio e o azoto da atmosfera podem ser absorvidos pelo material do cordão de soldadura. Como consequência, os óxidos e nitretos formados podem reduzir a resistência mecânica do cordão de soldadura.
• Fissuração a frio
Esta descontinuidade é normalmente associada a três fatores: presença de martensite, dissolução de hidrogénio e tensões internas.
A formação da martensite é determinada pela temperabilidade do aço, sendo que, além do carbono, alguns elementos de liga aumentam a temperabilidade, facilitando assim a formação desta fase frágil. A formação desta fase é prejudicial para a junta uma vez que a transformação martensítica é assistida por deformação e, em alguns casos, introduz tensões internas suficientes para iniciar uma fissura. O hidrogénio resulta da decomposição da água proveniente de várias fontes como o ar atmosférico ou o gás de proteção ou até mesmo da humidade adsorvida à superfície dos materiais utilizados. Ao longo do processo de soldadura, este elemento difunde-se intersticialmente, sob a forma atómica, pela rede cristalina do metal. Atendendo a que a solubilidade do hidrogénio na rede cristalina é muito inferior à observada no metal líquido, assiste-se à recombinação do hidrogénio sob a forma molecular, sendo geradas tensões internas elevadas.
Esta é a descontinuidade mais crítica uma vez que apenas se consegue identificar a presença de fissuras num período superior a quarenta e oito horas após a produção da junta.
• Fusão incompleta (Colagem)
Uma diminuição da corrente utilizada no processo de soldadura pode originar uma deficiente fusão do material de base, particularmente na zona de ligação (linha de fusão).
• Penetração incompleta
Tal como a própria designação indica, este tipo de descontinuidade ocorre quando o material de adição não consegue penetrar a totalidade da espessura da junta, originando sulcos no seu interior. Esta é frequentemente visível na raiz da soldadura.
• Porosidade
Esta descontinuidade consiste na formação de uma cavidade resultante do aprisionamento de gases durante a solidificação do cordão de soldadura. A sua dimensão é variável e pode conter diversos gases como o oxigénio, azoto, hidrogénio ou até mesmo gás de proteção.
• Fissuração a quente do cordão de soldadura
A suscetibilidade de um dado material à fissuração a quente está associada à composição química dos materiais utilizados, à sua microestrutura e, eventualmente, à presença de tensões internas. Devido a estes fatores, esta descontinuidade ocorre durante a solidificação do cordão, devido à formação de microconstituintes eutéticos, de baixo ponto de fusão, como, por exemplo, o sulfureto e o fosforeto de ferro. Assim, caso as tensões internas resultantes da soldadura sejam superiores à resistência mecânica desses compostos, assistir-se-á à formação de fissuras.
2.9 Especificação
de
Procedimentos
de
Soldadura
Preliminar
Para a execução de um procedimento de soldadura, é necessário elaborar, previamente, uma Especificação de Procedimentos de Soldadura preliminar (EPSp). Este documento, tal como o próprio nome indica, antecede a Especificação de Procedimentos de Soldadura (EPS), diferenciando-se desta última uma vez que não foi sujeita a ensaios destrutivos e não destrutivos, i.e., a uma Qualificação de Procedimentos de Soldadura (QPS), não estando assim validada.
Na EPSp estão contidas todas as diretrizes para a execução da soldadura como, por exemplo, os materiais utilizados, o processo e os parâmetros de soldadura, a conceção da junta, a preparação da junta, temperatura interpasse, etc. Na norma EN ISO 15609-1 são apresentadas todas as informações que devem estar presentes numa EPSp.
De forma a validar este documento, é preciso produzir um corpo de prova, com base nas informações presentes na EPSp, que será alvo de uma QPS. Caso se obtenha um resultado satisfatório na QPS, a EPSp dá origem à EPS que será fornecida aos soldadores. Caso contrário, é necessário elaborar uma nova EPSp e realizar, novamente, a QPS.
É necessário atentar que estas informações são exclusivas a um processo de soldadura por arco, sendo necessário recorrer a outras normas para outros processos de soldadura, tais como a EN ISO 15609-2 para a soldadura por gás.
2.10 Especificação de Procedimentos de Soldadura
A Especificação de Procedimentos de Soldadura (EPS) consiste na versão final e aprovada da EPSp, devidamente qualificada e corrigida, contendo todas as informações necessárias para a produção de uma junta soldada. Este documento é imprescindível para um soldador uma vez que contém as instruções necessárias para a produção do componente. Além disto, a EPS é fundamental para se garantir a repetibilidade do procedimento de soldadura [13].
2.11 Qualificação de Procedimentos de Soldadura
A Qualificação de Procedimentos de Soldadura (QPS) tem como objetivo assegurar que os materiais e os procedimentos utilizados para a produção de componentes soldados estão em conformidade com os códigos de soldadura e que estes componentes apresentam um conjunto de propriedades mecânicas adequadas à sua aplicação final. A QPS é também essencial para a qualificação da EPSp.
Existem normas, como a EN ISO 15614-1, aplicada a um processo de soldadura por arco, que estabelecem os ensaios destrutivos e não destrutivos que devem ser utilizados para a avaliação de uma junta soldada, sendo elaborado, na etapa final da QPS, o Relatório de Qualificação do Procedimento de Soldadura (RQPS) [14].
2.11.1
Ensaios Destrutivos
Os ensaios destrutivos são realizados sobre provetes produzidos em conformidade com a norma associada ao procedimento de soldadura. Estes testes são conduzidos com o objetivo de qualificar o procedimento de soldadura e o soldador e, eventualmente, realizar o controlo de qualidade dos materiais, recorrendo a ensaios químicos, metalográficos, mecânicos ou uma combinação dos anteriores [8].
Idealmente, realizar estes testes na peça seria a melhor forma de garantir a qualidade da junta soldada; porém, uma vez que a capacidade de uma peça realizar a sua função é destruída com a realização destes ensaios, o custo e a dificuldade de realizar uma cópia da peça, torna esta situação impraticável e, por isso, é desejável que os provetes sejam produzidos com o maior rigor possível de modo a estabelecer uma relação com a peça.
Tal como referido anteriormente, é necessário realizar a qualificação do procedimento de soldadura e, por isso, é fundamental que se consiga compreender os resultados obtidos nos ensaios. Neste caso, um responsável pelas EPS e QPS, com formação em Engenharia Metalúrgica/Materiais ou de Soldadura, terá, à partida, competências acrescidas para interpretar corretamente os resultados dos ensaios destrutivos [15].
Este tipo de ensaios, para além de provocarem a destruição da peça, apenas fornecem resultados relativos a uma determinada zona da peça, não refletindo também a qualidade de todas as peças de um lote [16].
2.11.1.1 Ensaio de Tração
O ensaio de tração consiste em deformar um provete, de secção retangular ou circular, utilizando uma força de tração até à sua rotura, permitindo determinar a resistência mecânica de um dado material. Este ensaio é essencial para a qualificação do soldador e do procedimento de soldadura [8].
O provete utilizado apresenta dimensões normalizadas, sendo tracionado lentamente numa máquina de tração. A carga à qual o material está sujeito é controlada através de células de carga e a deformação através de extensómetros calibrados colocados sobre os provetes. Durante o ensaio, o provete é fixado por amarras, garantindo a correta direção de aplicação de carga, sendo registada a deformação e a tensão utilizando um
software para esse fim. É assim possível obter-se um gráfico que relaciona estas duas
variáveis, permitindo a determinação de várias propriedades: tensão de cedência (Rp0,2),
tensão de rotura (Rm) e módulo de young [8, 17, 18].
2.11.1.2 Ensaio de Dobragem
Este ensaio consiste em submeter um provete, de secção retangular, a uma deformação plástica por efeito de dobragem, sem alteração do sentido de aplicação da força até ser atingido o ângulo de dobragem especificado, com o objetivo de avaliar a ductilidade de um determinado material. Permite fazer a qualificação do soldador e do procedimento de soldadura [8, 19].
Para a análise de juntas soldadas, do tipo topo a topo, são geralmente realizados ensaios de dobragem longitudinais de forma a deformar equitativa e simultaneamente o material de base, a ZTA e a ZMA, tal como indicado na norma NP EN 910 [8]. O provete fica apoiado em dois suportes cilíndricos paralelos; o cordão de soldadura deve ficar no centro da distância entre esses apoios. Seguidamente, o provete é dobrado através da aplicação, de um modo contínuo e gradual, e nessa zona central (correspondente ao eixo de soldadura), de uma carga perpendicular em relação à superfície do provete. O ensaio dá-se como concluído quando se atinge o ângulo de dobragem indicado na norma, analisando-se de seguida as superfícies laterais e exteriores do provete quanto à presença de defeitos [19].
2.11.1.3 Ensaio de Choque (Ensaio Charpy)
Este ensaio consiste na fratura de um provete entalhado, através da aplicação de um único golpe por um martelo-pêndulo, com a finalidade de se determinar a energia absorvida [20]. Esta propriedade é determinada através do ângulo que o pêndulo faz no retorno, após a fratura do provete. Os principais objetivos deste ensaio são a realização do controlo de qualidade e a certificação dos aços fornecidos [18]. Este pode ser realizado a várias gamas de temperaturas através do aquecimento ou arrefecimento prévio do provete, sendo realizado o controlo da temperatura do mesmo no decorrer do ensaio.
O provete é maquinado de forma a conferir-lhe as dimensões normalizadas bem como um entalhe com uma geometria específica (em V ou em U). Esta etapa deve ser cuidadosamente realizada de forma a evitar alterações das propriedades mecânicas do
provete. Para a correta realização do ensaio, o provete é colocado na máquina, ficando o entalhe centrado entre dois suportes. De acrescentar que o embate entre o pêndulo e o provete ocorre na face oposta à do entalhe. Seguidamente, solta-se o martelo-pêndulo de uma altura pré-definida. A altura que o martelo-pêndulo alcança após o embate com o provete permite o cálculo da energia absorvida.
Após o ensaio, pode ainda ser realizada uma inspeção visual da superfície de fratura de forma a caracterizar o respetivo tipo (frágil ou dúctil) [8, 20, 21].
2.11.1.4 Ensaio de Dureza
Este ensaio consiste em pressionar um corpo duro, denominado penetrador ou indentador, contra a superfície do material, com uma força previamente estabelecida, de forma a determinar a resistência do material à penetração. O valor de dureza é determinado através de uma fórmula matemática que varia consoante o indentador utilizado.
O material, a geometria e o tamanho do indentador variam consoante o método de ensaio de dureza e a gama de durezas pretendido, existindo normas para cada método que não só definem o penetrador a ser utilizado, mas também o procedimento a seguir para a correta execução do ensaio. Para a obtenção de um perfil de durezas de uma junta soldada, utiliza-se o ensaio de dureza Vickers uma vez que este produz indentações com dimensões muito reduzidas, fundamentais para a identificação de alterações de propriedades nas diferentes regiões da junta soldada [8, 18].
2.12 Inspeção de Juntas Soldadas
A inspeção consiste na realização de um controlo de qualidade que engloba várias etapas, desde a fabricação de um componente soldado até ao seu fim de vida. Desse modo, este termo descreve as operações que são utilizadas não só durante a produção de uma peça, mas também enquanto esta permanecer em serviço. Apesar dos tipos de descontinuidades variarem com a progressão das etapas, os princípios básicos que conduzem a inspeção são os mesmos. Desta forma, existe um conjunto de ensaios que podem ser utilizados para a inspeção de uma junta soldada; são denominados não destrutivos e têm como principal objetivo identificar as descontinuidades presentes na junta soldada [8, 22].
2.12.1
Ensaios Não Destrutivos
Assim como o nome implica, estes ensaios permitem a deteção de descontinuidades em componentes, sem provocar danos ou comprometer a sua capacidade em desempenhar a função desejada [15]. São essenciais para a inspeção de componentes uma vez que permitem a deteção de descontinuidades no seu interior. As inspeções realizadas logo após o componente ter sido produzido possibilitam, na maioria das vezes, a análise em toda a sua extensão, conseguindo-se realizar inspeções mais completas. Contudo, quando este já se encontra em serviço, normalmente existem restrições de acesso a todas as superfícies do componente que tornam a inspeção mais limitada. Existem inúmeros
Ensaios Não Destrutivos (END); no entanto, apenas serão mencionados os mais utilizados na inspeção de juntas soldadas de aços, após produção ou em serviço [16, 23].
2.12.1.1 Inspeção Visual
A inspeção visual é o mais simples e mais utilizado método de inspeção, sendo normalmente o primeiro ensaio a ser realizado. Apesar da simplicidade, a inspeção visual constitui uma importante parte do controlo de qualidade sendo que, segundo certas normas, é o único ensaio mandatório, sendo exigido que todos os componentes soldados sejam, em primeiro lugar, analisados por inspeção visual e, posteriormente, inspecionados pelos restantes END.
Este método é o mais utilizado uma vez que, além de ser expedito, não é necessário qualquer equipamento especial, sendo apenas necessário uma boa visão do inspetor e algumas ferramentas simples [15].
Contudo, apesar das inúmeras vantagens, este requer um inspetor com alguma experiência e com bastante conhecimento não só da função da peça, mas também dos materiais utilizados, processos de soldadura, especificações relativas à geometria da peça e, possivelmente, certas qualificações exigidas para a execução do ensaio visual.
Relativamente aos equipamentos utilizados, os mais comuns são: escantilhões de soldadura, réguas para o controlo dimensional da junta, lanternas, lupas, boroscópios, espelhos para se conseguir ter acesso a áreas mais restritas e, por último, sistemas de examinação flexíveis com câmara de filmar de modo a que o inspetor consiga visualizar remotamente áreas não acessíveis com boroscópios rígidos [15, 24].
2.12.1.2 Radiografia industrial
O ensaio RT utiliza radiação para penetrar a junta soldada, revelando informações sobre as condições internas da peça. Esta técnica de END envolve exposições radioativas que gravam uma imagem permanente numa película radiográfica. A configuração de um ensaio de radiografia pode ser observada na Figura 3.
O método de radiografia com filme pode ser dividido em duas etapas: realização da radiografia e interpretação da radiografia. Para satisfazer estas duas etapas, são necessários vários componentes, tais como: fonte de radiação, marcadores de identificação de soldadura, filme fotográfico apoiado por suportes, técnico certificado para a realização do ensaio, meios químicos para o processamento do filme e, por último, um inspetor capaz de interpretar as radiografias e avaliar os resultados.
Relativamente às fontes de radiação, as mais comuns são os equipamentos de raio X e os isótopos radioativos que emitem a radiação gama. O primeiro tipo é produzido por equipamentos que variam desde portáteis e de baixa energia, capazes de radiografar objetos finos, até máquinas equipadas com aceleradores de partículas, conseguindo assim analisar soldaduras de elevada espessura. Já a radiação gama é frequentemente emitida por isótopos como o Cobalto 60, o Irídio 192 e o Selénio 75, sendo que o primeiro é capaz de penetrar juntas com espessuras de aproximadamente 125 mm, o Irídio está limitado a espessuras de apenas 75 mm e o terceiro é adequado para espessuras inferiores a 10 mm. Atualmente, apenas se recorre à radiação gama em situações particulares uma vez que o contacto com isótopos radioativos pode colocar em risco a saúde do técnico que realiza o ensaio, exigindo medidas de segurança bastante restritas e rigorosas [24].
O inspetor tem de reconhecer que todas as fontes emitem diferentes níveis de radiação e que, apesar de uma potência elevada ser capaz de penetrar peças mais complexas, a sensibilidade de deteção de descontinuidades diminui. Desse modo, tem de haver um equilíbrio, com o intuito de detetar todas as descontinuidades e, ao mesmo tempo, analisar toda a espessura da peça.
A obtenção de resultados pelo ensaio RT depende da absorção diferencial de radiação pelo volume da peça, existindo dois fatores-chave que determinam o valor da absorção diferencial: a massividade da peça e o poder de penetração (energia emitida) da fonte de radiação. O primeiro fator varia consoante a densidade, composição e espessura da peça, ao passo que o poder de penetração está dependente do equipamento de raio-X e da sua configuração, ou da intensidade e nível de energia caraterística do isótopo selecionado, no caso da radiografia com radiação gama. A conjugação destes dois fatores resulta numa diferença de absorção que se traduz numa variação de tonalidade de cor (escura e clara) no filme.
Outro elemento importante mencionado é o filme. Este consiste numa tira muito fina e flexível de base polimérica revestida por uma emulsão de cristais de brometo de prata, sensível à radiação [15]. O tamanho de grão dos cristais de brometo de prata determina a sensibilidade do filme e a velocidade da sua revelação. Após a obtenção do filme, é necessário recorrer a um processo químico de revelação de forma a converter a imagem produzida na emulsão numa imagem permanentemente visível.
A interpretação da imagem produzida consiste em analisar a variação da tonalidade entre as zonas mais escuras (facilmente penetradas pela radiação devido à menor espessura e presença de descontinuidades) e as zonas mais claras (menor penetração da radiação devido a espessuras superiores). Esta é realizada num local escuro, colocando a
radiografia à frente de uma luz forte de forma a facilitar e evitar erros de interpretação. Na Figura 4 é exibida uma radiografia realizada a uma junta soldada, sendo visível a presença de uma penetração incompleta (entre as setas).
Figura 4 – Visualização, numa radiografia, de uma penetração incompleta do material de adição [8].
Tal como os outros ensaios não destrutivos têm as suas vantagens e desvantagens, o ensaio RT não é exceção. Uma limitação importante deste ensaio está associada à necessidade de alinhamento do feixe de radiação com a descontinuidade de modo a que esta seja detetada. Esta limitação não é crítica quando o objetivo é detetar descontinuidades, tais como porosidades ou impurezas, uma vez que estas são normalmente circulares e facilmente detetadas em qualquer direção. No entanto, descontinuidades planares, como fissuras ou fusão incompleta, podem não ser detetadas se não estiverem alinhadas corretamente com o feixe de radiação [24]. Na Figura 5 está esquematizada a limitação da radiografia industrial. Nesta figura identificam-se três descontinuidades no componente; porém, apenas a descontinuidade B é visível na radiografia uma vez que é a única que está alinhada com o feixe de radiação.
Para contornar esta limitação realizam-se várias radiografias, segundo diferentes direções e posições da fonte de radiação, garantindo assim a deteção de todas as descontinuidades no interior de um componente, independentemente da sua localização. Contudo, é importante não esquecer que este ensaio segue determinadas normas, com procedimentos a cumprir, como é o caso da norma ISO 17636-1 - Non-destructive testing
of welds — Radiographic testing — Part 1: X- and gamma-ray techniques with film. Esta
restringe a configuração e posicionamento da fonte de radiação de acordo com o tipo de junta a analisar. Dessa forma, qualquer alteração não estipulada da direção ou posição do feixe tem de ser aceite pelas duas partes contratantes e devidamente justificada [25].
Apresenta ainda outras desvantagens como a necessidade de aplicação de medidas de segurança, devido ao contacto com radiação, custo elevado dos equipamentos, licenças para a execução do ensaio e formação em segurança. Além disso, o tempo até à obtenção dos resultados é, comparativamente a outros END, bastante superior.
Este ensaio não apresenta restrições em termos de material; é capaz de detetar descontinuidades superficiais ou interiores e a imagem radiográfica final funciona como registo permanente, permitindo a criação de um mapa com a orientação e localização exata do defeito, auxiliando o soldador na etapa de remoção do mesmo [24, 26].
2.12.1.3 Ensaio por Ultrassons Convencional
Este END é capaz de detetar e caraterizar descontinuidades internas e superficiais, podendo também determinar espessuras.
O Ensaio por Ultrassons (UT) utiliza ondas sonoras de alta frequência emitidas por transdutores, direcionadas para o material em análise de forma a detetar descontinuidades. Estas ondas consistem em vibrações mecânicas cuja amplitude de vibração impõe tensões inferiores ao limite elástico dos materiais a serem inspecionados, evitando assim deformações permanentes das peças [27]. No ensaio por ultrassons convencional, são utilizadas frequências compreendidas entre 1 e 25 MHz, bastante superiores à gama audível pelo ser humano (20 Hz a 20 kHz) [24]. Um esquema da configuração simplificada de um ensaio por ultrassons é exibido na Figura 6.
O comportamento de uma onda ultrassónica obedece a uma equação de onda. Esta viaja a uma velocidade caraterística de acordo com o meio que atravessa; a velocidade num determinado meio depende das propriedades do mesmo e do movimento vibratório da onda. Este feixe ultrassónico reflete nas superfícies, é refratado quando interseta uma interface entre materiais de diferentes densidades, que apresentam velocidades de propagação de som distintas, e é difratado quando interseta cantos ou objetos circulares [15]. Este último fenómeno encontra-se esquematizado na Figura 7.
Figura 7 - Fenómeno de difração de uma onda sonora [24].
A absorção e a dispersão de um feixe ultrassónico são dois fatores essenciais para a compreensão do enfraquecimento da onda sonora, que se combinam e originam a atenuação. O primeiro fator resulta da conversão de energia sonora em calor e limita a energia transmitida, absorvendo o eco de uma descontinuidade. Já a dispersão resulta da heterogeneidade do material e traduz-se numa mudança da impedância acústica devido a diferentes densidades ou velocidades de propagação do som. Estes fatores revestem-se de elevada importância na inspeção de aços pelo método de UT, particularmente quando é utilizada uma elevada entrega térmica (promove o crescimento dos grãos).
Se o aço em análise sofrer uma transformação de fase durante o aquecimento, estes fatores não são críticos uma vez que há formação de novos grãos equiaxiais de pequenas dimensões. No entanto, na eventualidade de não ocorrer transformação de fase, assiste-se ao crescimento do tamanho de grão, potenciando a anisotropia elástica. Assim, os grãos adquirem uma orientação aleatória, com propriedades elásticas diferentes consoante a direção, traduzindo-se em velocidades de som distintas. Esta variação de comportamento elástico dos grãos grosseiros leva a que estes funcionem como dispersores da onda, resultando num aumento da atenuação do sinal e da distorção da trajetória da onda. Como consequência, a interpretação das dimensões e localização das descontinuidades torna-se praticamente impossível e geram-se inúmeros ecos, com tempos de chegada diferentes, denominados “relva”, perdendo-se assim os ecos de interesse [16, 28].
A fim de atenuar estes fatores, recorre-se atualmente a ondas de baixas frequências, ou seja, de elevados comprimentos de onda, ou então, realiza-se o ensaio UT longitudinalmente; porém, as descontinuidades de menor dimensão não serão detetadas pelo transdutor. Apesar destas possíveis soluções, ainda não existe uma que
seja mais adequada para contornar este problema e, por isso, recorre-se a outros END [16].
Idealmente, é desejável que a onda sonora impacte a descontinuidade a um ângulo de 90º de modo a que a onda seja refletida na totalidade para o recetor. Contudo, normalmente as descontinuidades são perpendiculares à superfície da junta e, por isso, uma onda longitudinal apenas consegue detetar porosidades. Dessa forma, para a análise de juntas soldadas, é comum recorrer-se à técnica angular de UT que utiliza ondas transversais para a identificação de descontinuidades. Na Figura 8 é ilustrado o percurso de uma onda transversal. Neste caso é visualizada uma vertente do método UT com ondas transversais, assistindo-se à sua reflecção na parede oposta à de emissão do sinal, realizando o salto. Esta designa-se por controle no salto e permite detetar descontinuidades com diferentes orientações.
Figura 8 – Controlo no salto na técnica angular de UT: percurso da onda sonora [16]. Contudo, quando se realiza a inspeção de juntas complexas ou se pretende analisar a raiz de soldadura, a análise das ondas sonoras torna-se mais difícil uma vez que a interface cordão de soldadura/ZTA reflete o som da mesma forma que as descontinuidades, dando origem a falsos positivos. Por essa razão, a escolha do ângulo de incidência é fundamental para assegurar que a onda sonora é refletida para o interior do cordão de soldadura.
De forma a auxiliar os inspetores na escolha dos ângulos de incidência a serem utilizados, existem normas que especificam os ângulos para um determinado material, com uma determinada espessura e configuração de união, como é o caso da norma ISO 17640 - Non-destructive testing of welds — Ultrasonic testing — Techniques, testing
levels, and assessment [24].
Relativamente às suas vantagens, este ensaio apresenta uma excelente precisão em termos da caraterização da descontinuidade e fornece informações quase instantâneas sobre a sua presença. Também, comparativamente a outros END, o ensaio UT permite, devido à sua elevada sensibilidade, a deteção de descontinuidades de dimensões reduzidas. Em contrapartida, é uma técnica que requer técnicos muito experientes e apresenta aplicabilidade limitada em peças de espessura muito baixa ou com superfícies irregulares ou complexas. Além disso, apresenta dificuldades na análise de materiais com grãos grosseiros e requer um acoplador para a transferência eficaz da onda sonora do equipamento para a peça [24, 29].
