3.10. Trincas provenientes do processo de soldagem

3.10. Trincas provenientes do processo de soldagem

3.10.1.Introdução

Dos defeitos que podem ocorrer durante um processo de soldagem, sem dúvida o mais grave refere- se ao surgimento de trincas.

Entre aquelas que ocorrem durante a própria operação de soldagem, ou imediatamente depois, se distinguem dois grupos: o primeiro é o dos fissuramentos a quente e o outro é o que se produz no metal, já bem avançado no seu resfriamento para a temperatura ambiente, que pode ser considerado como fissuramento a frio.

Na realidade, existe uma grande confusão no que se refere à terminologia das trincas que ocorrem em temperaturas elevadas.

A expressão “trinca a quente” é imprecisa, já que não há um limite definido que distinga, perfeitamente, trincas a quente de trincas a frio.

Segundo a classificação proposta por Hemsworth, as trincas que ocorrem em temperaturas acima da metade da temperatura de fusão ou da temperatura solidus, no caso de uma liga metálica, seriam consideradas como trincas a quente.

Para fins desse trabalho, sempre que nos referirmos a trincas a quente, estaremos nos pautando pela definição dada acima.

3.10.2. Trincas a quente

Esse tipo de fissuramento, geralmente, está associado com os índices de enxofre, fósforo e carbono na poça de fusão, normalmente, provenientes do metal de base.

A superfície da trinca sempre se apresenta, total ou parcialmente, de coloração azul escura ou marrons.

As posições em que elas aparecem são as seguintes:

• Longitudinais: No centro do cordão, acompanhando a crista das escamas. São as mais vistosas e comuns, podendo atingir alguns centímetros de comprimento, sendo muitas vezes visíveis a olho nu.

• No vértice: na raiz do cordão, muitas vezes acompanhadas de falta de penetração ou inclusões de escória. São mais difíceis de localizar do que as precedentes.

• Transversais: têm posicionamento perpendicular ao eixo de solda, podendo propagar-se da zona fundida até atingir o metal de base adjacente.

• Interdendríticas: dispõem-se entre as dendrítas, sem atingirem a superfície de solda. São muito

103 Ainda, conforme a classificação de Hemsworth, podemos distinguir dois tipos principais de trincas a

quente: As trincas devidas a microsegregação e as devidas à queda de ductilidade.

A seguir, detalharemos as trincas que são originadas em cada um desses dois tipos.de trincas a quente.

• Trincas devido a microssegregação

• Trincas de solidificação

Estas trincas estão relacionadas,

principalmente, com a presença de fases de baixo ponto de fusão ou ao intervalo de solidificação da liga.

Ela é, geralmente, intergranular, com a separação do material ocorrendo na região interdendrítica, a qual está preenchida com líquido de baixo ponto de fusão. A ação das tensões geradas durante o resfriamento pode causar a separação das duas partes.

Existem na literatura duas teorias mais aceitas para explicar o mecanismo de formação da trinca: a de Pellini e a de Borland.

A do primeiro autor citado, baseia-se em uma liga de composição fixa, que durante o processo de solidificação passa pelas seguintes etapas:

A) Nucleação das primeiras dendrítas.

B) Crescimento das dentrítas

C) Continua o crescimento e há a formação de um filme líquido na região interdendrítica

D) As dendrítas acabam se juntando e formando ligações sólidas, mas ainda há presença de líquido.

E) Finalmente, a completa solidificação é alcançada.

Segundo Pellini, a condição para ocorrer à fratura é função do desenvolvimento das etapas C e D.

Principalmente, a presença de impurezas, que produzem fases de baixo ponto de fusão aumenta o tempo dessas etapas, favorecendo o aparecimento de trincas.

Essa teoria, então, baseia-se no aparecimento do filme líquido, no retardamento da completa solidificação, devido ao baixo ponto de fusão desse filme, à presença de deformações e tensões nessa fase e ao fato da liga ter composição química fixa.

T

Já, o modelo de Borland, leva em conta a variação da composição química da liga e a tendência da trinca ocorrer durante a solidificação. Ele descreve o processo em três etapas:

™ As dendrítas estão dispersas no líquido.

™ Elas começam a se tocar e, se houver fissuramento nesse estágio, o mesmo será preenchido pelo líquido.

™ Há ligações sólidas entre as dendrítas, mas ainda existe filme líquido.

Se houver trinca nessa fase o líquido não terá condições de preenche-la.

É nesse estágio que existe a maior propensão à trinca.

™ O metal está completamente solidificado.

Esse modelo se adapta muito bem para o alumínio e suas ligas.

Assim, podemos perceber que a trinca de solidificação tem maior tendência a ocorrer nas ligas que apresentam maior intervalo de solidificação, enquanto que para as ligas eutéticas a suscetibilidade a trincas é quase nula. Os metais mais propensos a sofrer esse tipo de trinca durante a soldagem são os aços inoxidáveis, as ligas de alumínio e alguns metais não ferrosos.

No caso dos aços inoxidáveis a tendência maior é que esse tipo de trinca ocorra nos aços austeníticos, classificados como AISI 309 e 310.

Os principais contaminantes do aço são o enxofre e o fósforo, sendo a solubilidade desses elementos maior na ferrita do que na austenita. Assim, a solidificação primária ferrítica diminui a concentração daqueles elementos no filme líquido interdendrítico, diminuindo o tempo em que esse líquido permanece segregado e, conseqüentemente, a suscetibilidade a trincas.

No caso da solidificação primária ser austenítica ocorre justamente o inverso aumentando, conseqüentemente, a probabilidade do surgimento de fissuras.

Para aços austeníticos recomenda-se que o teor de enxofre e fósforo não ultrapasse 0,015%.

Outros elementos químicos também podem promover a trinca de solidificação.

É o caso do silício para os aços completamente austeníticos e da associação silício-molibdênio e silício- nióbio para os aços que contêm molibdênio.

Além desses fatores influem, também, os parâmetros de soldagem. Assim, um cordão estreito e profundo é mais suscetível à trinca do que um largo e superficial.

Uma estrutura bruta de fusão tem menor área de contato entre os grãos, favorecendo a ocorrência de

trinca de solidificação. O formato da poça de fusão e o tipo de solidificação, também irão influir no

aparecimento ou não de fissuras.

105 A pulsação do arco elétrico no processo TIG pode refinar a estrutura bruta de fusão e diminuir a

tendência a trincas.

O uso de elétrodos revestidos do tipo básico ao invés do rutílico ou ácido, também minimiza a possibilidade do surgimento de trincas, seja para aços carbono ou inoxidáveis.

Já no alumínio, Pumphrey e Jennings propuseram as condições para que as trincas ocorram dentro do intervalo de solidificação.

Elas estão associadas à quantidade de líquido eutético presente, à velocidade de resfriamento, aos elementos de liga e a morfologia da estrutura bruta de fusão.

Para baixos teores de elementos de liga a quantidade de líquido eutético é muito pequena para formar um filme líquido, diminuindo o risco de trinca.

Para teores médios, a quantidade desse líquido aumenta, permitindo a formação do filme e aumentando o intervalo de solidificação facilitando, dessa forma, o aparecimento de trincas.

Para teores elevados de elementos de liga, a quantidade de líquido eutético é suficiente para preencher eventuais trincas, e o intervalo de solidificação diminui reduzindo, conseqüentemente, a suscetibilidade a trincas.

A energia e a velocidade de soldagem, também poderão influir na formação de trincas, pois elas determinarão a macroestrutura da solda.

• Trincas devido a microssegregação

• Trincas de liquação

Esse tipo de trinca pode aparecer tanto nas zonas afetadas pelo calor do metal base, como entre os passes do metal de solda.

Elas são sempre intergranulares e se fazem acompanhar, geralmente, por uma redistribuição de

fases de baixo ponto de fusão que podem ser: sulfetos associados a fósforo, inclusões do tipo de

óxidos, como os silicatos, carbonetos, boro-carbonetos, boretos, etc.

Na zona afetada pelo calor, próxima à zona de liquação, ocorre à fusão parcial dos grãos e pode ocorrer a fusão dessas fases de baixo ponto de fusão, e esse líquido penetra nos contornos de grãos, ocasionando a trinca.

• Trincas devido à queda de ductilidade (TQD)

Nesse tipo de trinca não há formação de filmes nos contornos de grãos.

Ela é, geralmente, intercristalina, com as extremidades arredondadas e apresenta uma superfície similar à de fraturas ocorridas por fluência.

O fenômeno da queda de ductilidade pode ser observado em temperaturas menores das onde ocorrem as trincas de solidificação.

A diminuição da ductilidade a quente está associada com o tamanho de grão, com o limite de escoamento e com a energia interfacial por unidade de área.

Quanto maior for o tamanho dos grãos, mais fácil torna-se o escorregamento dos contornos, facilitando a formação de trincas.

O aumento do limite de escoamento que retarda a recristalização e a variação da energia interfacial, que pode ser devido à precipitação de carbonetos, também aumenta a possibilidade de trincas.

3.10.3. Trincas a frio

São fissuras muito pequenas que se formam sob o cordão de solda, nas primeiras camadas da zona termicamente alterada do metal de base. Seu andamento é paralelo à linha de fusão e, geralmente, não atingem a superfície.

Sua origem é ligada à ação conjunta de dois fatores:

Endurecimento por têmpera do material, sob a ação do ciclo térmico inerente à soldagem e a presença do hidrogênio.

TQD

temperatura recristalização

trinca de solidificação

temp. solidus redução

de área

tempo

Tmax

107 A denominação “trinca a frio” decorre da existência de estruturas de têmpera, formadas nos últimos

estágios do resfriamento, em torno de 200 a 300º C; são conhecidas, também como “trincas sob o cordão”, devido à sua posição e como “trincas de hidrogênio”, devido à responsabilidade desse elemento na sua formação.

De todos os tipos de trincas, é esta uma das mais críticas. Algumas vezes seu aparecimento pode ser retardado, ocorrendo alguns dias após a soldagem.

Por esse motivo, recomenda-se à inspeção com ensaios não destrutivos, pelo menos, 48h após a soldagem.

A trinca a frio induzida pelo hidrogênio ocorre quando se tem uma das seguintes condições: presença de hidrogênio, tensão residual de tração, microestrutura suscetível ou baixa temperatura. Cada um desses fatores deve ser analisado.

• Presença de hidrogênio

Existem três mecanismos de fragilização pelo hidrogênio. São eles: de Zappfe ou de pressão, de Petch e o de Troiano-Orioni.

O de Zappfe foi desenvolvido para explicar a formação de blister carregadas de hidrogênio. A teoria supõe que o hidrogênio atômico se combina, formando um gás em microtrincas ou microcavidades no interior do material. Com o aumento da pressão interna, causada por essa formação, essas microtrincas se expandiriam ou por deformação ou por clivagem, levando à falha do material.

Já, o mecanismo descrito por Petch leva em consideração que o hidrogênio absorvido abaixa a energia livre superficial do metal, resultando na diminuição da tensão necessária para ocorrer à fratura.

O mecanismo descrito por Troiano-Orioni propõe que o hidrogênio diminui a energia de coesão entre

os átomos do reticulado nos contornos ou interfaces.

Essa energia de coesão é diminuída nos locais onde o hidrogênio está mais concentrado. Para Troiano, isso ocorre onde há triaxilidade de tensões. Já, para Orioni, na zona deformada plasticamente, na ponta da trinca.

Na soldagem dos aços, a solubilidade do hidrogênio no metal de solda diminui com a queda da temperatura.

Granjon propôs um modelo de fragilização por hidrogênio durante a soldagem. Segundo sua teoria, o hidrogênio é introduzido pela atmosfera do arco para a poça de fusão que, ao solidificar-se, transforma-se em austenita e perde parte do hidrogênio para a atmosfera. A partir do ponto em que a austenita se decompõe em ferrita + cementita, cai à solubilidade do hidrogênio e este se difunde para a região austenitizada do metal base. No resfriamento que se segue essa região pode se temperar, havendo a formação de martensita. Dessa forma, teremos hidrogênio associado a uma microestrutura frágil.

• Principais fontes de hidrogênio: Nos consumíveis de soldagem ou no metal base, o hidrogênio pode provir de umidade, de produtos hidrogenados no fluxo ou revestimento, de vapor d’água presente em gases de proteção, de contaminação com óleo, graxa, sujeira, tinta, resíduos de líquidos desengraxantes e ferrugem.

• Microestrutura favorável: De forma geral, a suscetibilidade a trincas, induzidas pelo hidrogênio

aumenta com o crescimento da resistência mecânica do aço. Quanto maior o teor de carbono e a

dureza do aço, maior a ocorrência de trincas induzidas por hidrogênio. Isso está ligado a

temperabilidade, que é função da composição química e do tamanho de grão do aço.

109

• O carbono equivalente (CE) é empregado para relacionar a temperabilidade do aço e sua soldabilidade. Quanto maior o seu valor, pior será a soldabilidade do aço. O ideal é que esse número seja menor do que 0,41. Acima desse valor devem ser usados apenas eletrodos do tipo básico ou baixo hidrogênio e, quando o CE alcançar ou superar 0,45, o metal base deve ser pré-aquecido.

Segundo a AWS (American Welding Society) a obtenção do CE é feito seguindo-se a seguinte

fórmula: CE C Mn Cr Mo V Ni Cu

= + + + +

+ +

% % % % % % %

6 5 15

Na realidade, a temperatura da chapa tem importante papel na prevenção da trinca induzida pelo hidrogênio. Com o pré-aquecimento e, por conseqüência, com a redução da velocidade de resfriamento, pode-se diminuir a formação de martensita na “ZAC” e favorecer o escape do hidrogênio do metal base para a atmosfera.

• Tensões residuais: A tensão residual na ZAC varia com o grau de liberdade que o material tem para se deformar, que diminui com o aumento da espessura da chapa. O tipo de junta também influi:

uma junta de topo, por exemplo, é menos restritiva do que uma em ângulo.

A concentração de tensões, que pode ser causada por falta de penetração, pode favorecer as trincas causadas pelo hidrogênio.

3.11. Perspectivas do processo

Hoje, a nível mundial, a soldagem manual com eletrodos revestidos tende a perder terreno para os processos automáticos e semi-automáticos. É estimado que este processo deverá responder por 30 a 35% do consumo de eletrodos nos próximos anos, sendo que 18% deste total correspondem à soldagem de manutenção, onde o processo manual, na maioria das vezes, é insubstituível.

No Brasil o uso do processo manual ainda deve responder por alguma coisa em torno de 70% do consumo de eletrodos. Portanto, a tendência é de queda nos próximos anos, com a substituição por processos mais econômicos e de maior produção tais como os de proteção gasosa.

eletrodo revestido celulósico

arame tubular c/proteção de CO

arco submerso

eletrodo revestido básico

TIG e MIG/MAG

Teores típicos de Hidrogênio p/ diversos processos de soldagem

(ml/ 100 g de metal depositado).