Soldagem de ligas resistentes ao calor: desafios e melhores práticas

Soldar ligas resistentes ao calor é mais difícil do que soldar aço comum, pois pequenos erros podem resultar em falhas prematuras em serviço. Se a junta estiver suja, o material de adição for inadequado ou houver falhas no controle de temperatura, uma solda que pareça aceitável inicialmente pode não durar muito tempo em serviço a altas temperaturas.

Neste guia, mostraremos onde essas soldas geralmente falham, como os riscos variam de acordo com a família da liga e o que você deve verificar antes, durante e depois da soldagem.

Por que as ligas resistentes ao calor são mais difíceis de soldar do que os aços comuns?

Ligas resistentes ao calor são mais difíceis de soldar porque oferecem menos margem de erro sob calor prolongado. O aço comum geralmente permite alguma margem de erro. Essas ligas normalmente não.

O serviço em altas temperaturas reduz a probabilidade de defeitos.

Componentes resistentes ao calor frequentemente operam por longos períodos em tubos de fornos, sistemas de exaustão, peças de reformadores e tubulações quentes. Nesse tipo de serviço, até mesmo pequenas falhas de solda tornam-se mais graves.

Essas ligas são menos tolerantes por três motivos principais:

• A fluência pode agravar pequenas imperfeições ao longo do tempo: a exposição prolongada ao calor e à carga pode transformar um pequeno defeito em uma rachadura maior.
• A ciclagem térmica aumenta o estresse na articulação: o aquecimento e o resfriamento repetidos podem expor áreas frágeis que, a princípio, pareciam inofensivas.
• A oxidação acelera os danos em zonas frágeis: uma vez que a área da solda esteja comprometida, a oxidação pode acelerar a falha.

A falta de fusão, que pode permanecer oculta no aço macio por anos, pode se tornar um problema real em serviço muito mais cedo em uma liga para serviço em altas temperaturas.

Fusão de Blocos de Óxido e Contaminação

Superfícies sujas causam mais problemas em ligas resistentes ao calor, pois a contaminação pode bloquear a fusão e contaminar a poça de fusão prematuramente. Mesmo pequenas quantidades de sujeira da oficina podem arruinar um passe de raiz.

Antes de soldar, fique atento a:

• Óxido de óxido
• Óleo e graxa
• Resíduo contendo enxofre
• Tinta de marcador e sujeira de oficina

Se a solda de raiz começar em uma junta suja, o restante da solda geralmente não melhora a partir daí.

A expansão térmica e a solidificação aumentam o risco de fissuras.

Algumas ligas resistentes ao calor trincam com mais facilidade porque a solda se expande, contrai e solidifica sob maior tensão. As ligas de níquel são um exemplo comum.

O risco de rachaduras aumenta quando você tem:

• Restrição articular elevada
• Ajuste inadequado
• Contas estreitas e profundas
• Calor excessivo em uma área

Esse é um dos motivos pelos quais o formato e o encaixe do cordão de solda são tão importantes nesses trabalhos.

Alterações na Zona de Perigo Afetado (ZPA) podem reduzir a estabilidade a longo prazo.

A ZTA (Zona Termicamente Afetada) pode perder parte da estrutura que confere ao metal base sua resistência mecânica a longo prazo. Em aços ferríticos resistentes à fluência, essa zona frágil pode se formar ao lado da solda e trincar posteriormente durante o uso.

É por isso que você precisa de um controle mais rigoroso sobre:

• Preaquecer
• Temperatura entre passagens
• PWHT
• Limites de procedimento para o grau específico

Se você estiver soldando aço ferrítico para serviço a altas temperaturas, o trabalho não termina quando o cordão de solda parece bom. O histórico térmico posterior ainda é importante.

Como as ligas à base de níquel e os aços ferríticos com alto teor de cromo apresentam riscos de soldagem diferentes?

As ligas à base de níquel e os aços ferríticos com alto teor de cromo não falham da mesma maneira, portanto, não se deve soldá-los com a mesma mentalidade. Ambos são usados ​​em serviços de alta temperatura, mas seus riscos de soldagem começam em pontos diferentes.

As ligas à base de níquel tendem a apresentar fissuras a quente e poças de solda lentas.

As ligas à base de níquel são mais propensas a fissuras a quente, e a poça de fusão geralmente parece mais lenta e densa. Isso pode levar os soldadores a adquirirem maus hábitos se não tomarem cuidado.

Os problemas mais comuns incluem:

• Pausar por muito tempo
• Alargar demais o cordão
• Deixar a contaminação entrar na piscina
• Perda de consistência das contas

Em seções finas ou trabalhos de raiz, a soldagem TIG geralmente proporciona melhor controle de escorrimento de líquido.

Os aços ferríticos com alto teor de cromo são mais sensíveis ao endurecimento da ZTA (Zona Termicamente Afetada) e ao trincamento retardado.

Os aços ferríticos com alto teor de cromo são mais sensíveis à formação de ZTA (Zona Termicamente Afetada) dura e ao surgimento de trincas tardias após a soldagem. Isso pode ser enganoso, pois a solda pode parecer aceitável à primeira vista.

O risco aumenta quando essas três condições se acumulam:

• O hidrogênio está presente.
• O resfriamento ocorre muito rápido.
• A articulação possui alta contenção.

É por isso que algumas soldas ferríticas precisam de tempo de espera e posterior reinspeção, em vez de uma verificação visual rápida e aprovação imediata.

As regras para metal de adição não são as mesmas para ambas as famílias de ligas.

A seleção do material de enchimento deve seguir a família da liga, as condições de serviço e o procedimento qualificado, e não o hábito da oficina. Um material de enchimento que funciona bem em uma família de ligas pode causar problemas a longo prazo em outra.

Uma maneira simples de pensar sobre isso:

• Ligas à base de níquel: O material de enchimento geralmente precisa apresentar compatibilidade química e resistência a trincas.
• Aços ferríticos com alto teor de cromo: O material de enchimento geralmente precisa suportar resistência, resposta ao tratamento térmico e vida útil.
• Ambas as famílias: O WPS e a qualidade do metal base devem determinar o material de enchimento, e não a vareta que estiver mais próxima da sua bancada.

Parece óbvio, mas erros na preparação de ingredientes ainda acontecem com mais frequência do que deveriam.

A condição do metal base e a exposição prévia ao serviço podem aumentar o risco de soldagem.

Peças usadas em serviço quente podem apresentar danos que alteram o comportamento da solda. Se você estiver reparando um cabeçote, coletor ou tubo de forno antigo, não o trate como se fosse uma peça nova e limpa.

Verifique condições como:

• Aumento de escala
• Carburação
• Descarbonização
• Dano de Creep
• Histórico de reparos antigos

Ao trabalhar com soldas de reparo, o histórico do metal importa. Às vezes, importa muito.

O que você deve verificar antes de soldar ligas resistentes ao calor?

Antes de soldar ligas resistentes ao calor, verifique a limpeza, as ferramentas, o encaixe, os consumíveis e os limites do WPS (Especificação de Procedimento de Soldagem). A maioria dos problemas evitáveis ​​começa antes do início da soldagem, por isso uma boa disciplina pré-soldagem traz resultados rápidos.

Remover óxidos, graxa, enxofre e contaminação da oficina

Limpe a junta e o material de enchimento antes de soldar, pois a contaminação é uma das maneiras mais rápidas de arruinar a qualidade da solda. Não espere que o arco a atravesse.

Antes de soldar, remova:

• Óxido de óxido
• Graxa e óleo
• Tinta e Umidade
• Resíduo contendo enxofre
• Linhas de marcador sujas
• Sujeira solta de oficina

Limpe as superfícies de contato e o fio de enchimento. Comece com um solvente adequado e, em seguida, utilize o método de limpeza mecânica correto para a liga.

Utilize ferramentas específicas para evitar a contaminação cruzada.

Utilize escovas, discos e superfícies de trabalho dedicados para evitar a contaminação da solda. O compartilhamento de ferramentas é um atalho comum e causa problemas sérios em trabalhos com ligas metálicas.

Suas ferramentas para preparação de ligas metálicas devem incluir:

• Escovas dedicadas de aço inoxidável ou liga metálica
• Discos de retificação limpos
• Superfícies de trabalho separadas
• Ferramentas claramente identificadas para uso exclusivo em ligas metálicas.

Uma escova de aço carbono usada em um reparo de liga de níquel pode arrastar a contaminação exatamente para onde você não quer.

Analise o projeto conjunto, o encaixe e a fixação antes da soldagem.

Verifique a geometria da junta antes da soldagem, pois um encaixe inadequado aumenta o risco de fissuras e dificulta o controle da fusão. Isso é ainda mais importante em peças espessas ou com restrições.

Analise itens como:

• Ângulo da junta
• Abertura de raiz
• Terreno
• Plano de apoio
• Qualidade dos arreios
• Configuração do grampo
• Nível geral de restrição

Se o formato da ranhura obrigar você a fazer um movimento amplo e intenso apenas para alcançar a parede lateral, a configuração precisa ser ajustada antes do início da soldagem.

Confirme os limites de enchimento, blindagem e WPS antes de começar.

Antes de iniciar a soldagem, confirme o material de enchimento, o plano de blindagem e os limites do procedimento. Uma verificação rápida na bancada é mais barata do que um reparo malsucedido ou uma parada não planejada.

Verifique primeiro estes itens:

• Classificação de enchimento
• Condição do lote de enchimento
• Gás de proteção
• Plano de expurgo
• Faixa de pré-aquecimento
• Limite entre passagens
• Requisito de PWHT

Esta é a etapa que muitas oficinas apressam. É também a etapa que evita muito retrabalho.

Quais controles de processo são mais importantes durante a soldagem?

Durante a soldagem, observe a entrada de calor, a temperatura entre passes, a penetração, a diluição, o formato do cordão, a cobertura da proteção e a velocidade de deslocamento. Esses controles determinam se a solda apresenta uma boa aparência agora e se ainda resistirá à exposição térmica posterior.

Se você perder o controle de apenas um ou dois deles, pode acabar com o pior tipo de reparo: uma solda que parece decente na superfície, mas falha por baixo.

i) Manter a entrada de calor e a temperatura entre passes dentro da faixa qualificada.

O controle da temperatura afeta tanto a fusão quanto a estabilidade a longo prazo. Calor em excesso pode ampliar as zonas de fragilidade na ZTA (Zona Termicamente Afetada). Calor insuficiente pode causar a ausência de fusão.

Durante a soldagem, preste atenção a três princípios básicos:

• Meça a temperatura real entre passes: Não confie apenas no valor planejado, especialmente em juntas espessas ou com alta restrição.
• Evite o acúmulo de calor em múltiplas passagens: a peça de trabalho pode reter mais calor do que o esperado à medida que a soldagem progride.
• Mantenha-se dentro do alcance do WPS: Este é um caso em que "perto o suficiente" geralmente não é o bastante. 

ii) Controle a penetração, a diluição e o formato das gotas por meio da configuração.

Sua configuração deve proporcionar uma fusão adequada sem criar um perfil de cordão instável. Em ligas resistentes ao calor, cordões estreitos e profundos, juntamente com diluição excessiva, causam problemas mais rapidamente do que muitos soldadores imaginam.

Configure a solda para evitar:

• Contas estreitas e profundas
• Fusão deficiente da parede lateral
• Diluição excessiva

Se o perfil do cordão de solda já parecer incorreto nas primeiras passagens, não presuma que ele se corrigirá posteriormente. Geralmente não se corrige.

iii) Manter uma cobertura de blindagem estável durante a passagem de raiz e a passagem a quente

Uma proteção estável impede a entrada de ar e contaminantes na poça de fusão. Isso é ainda mais importante em passes de raiz, passes quentes e ligas sensíveis à oxidação.

Preste muita atenção a:

• Estabilidade do fluxo de gás
• Ângulo da tocha
• Posição da Copa
• Rascunhos em torno da junta
• Purga de raízes de alta qualidade, onde necessário.

Um sistema de proteção inadequado pode comprometer rapidamente uma técnica de soldagem que, de outra forma, seria boa.

iv) Ajuste a velocidade de deslocamento e a estratégia de deposição em juntas espessas ou com restrições.

A velocidade de deslocamento afeta tanto o acúmulo de calor quanto a qualidade da fusão. Se o deslocamento for muito lento, a junta superaquece. Se for muito rápido, a fusão lateral pode não ocorrer.

Para juntas espessas ou muito apertadas, use um plano em vez de improvisar:

• Use uma sequência de contas que controle o acúmulo de calor.
• Evite padrões de preenchimento aleatórios
• Observe como a articulação reage após cada passada.

Quando o ritmo é intenso e a contenção é alta, "simplesmente continuar preenchendo" não é uma estratégia viável.

Quais processos de soldagem, métodos de proteção e consumíveis funcionam melhor?

Escolha o processo de soldagem e os consumíveis com base na espessura da seção, no acesso à junta, na família da liga e na temperatura de serviço. Em muitos casos, a soldagem TIG oferece o melhor controle nas raízes e em seções finas, enquanto processos com maior deposição são mais adequados para passes de enchimento ou soldas maiores.

• O GTAW oferece o melhor controle em seções finas e passes de raiz: A soldagem TIG oferece um arco estável e um controle preciso da poça de fusão, o que é vantajoso em tubos de paredes finas, raízes abertas e início de reparos. Isso a torna uma excelente opção para raízes de ligas de níquel e trabalhos de precisão.
• GMAW or SMAW Pode aumentar a produtividade, mas requer um controle de procedimentos mais rigoroso: Os processos de soldagem MIG e eletrodo revestido podem acelerar as passagens de enchimento, reparos em campo e fabricações de maior porte, mas exigem boa cobertura de gás, consumíveis corretos e controle preciso dos parâmetros. SimSoldador A plataforma oferece equipamentos TIG e MIG para compradores em grande escala e para uso em oficinas, o que é ideal para trabalhos que exigem tanto controle de raízes quanto eficiência no preenchimento.
• A escolha do metal de adição deve levar em consideração a temperatura de serviço e a compatibilidade química: Selecione o material de adição de acordo com a família da liga, as condições de serviço e as propriedades de solda necessárias. Não escolha o material de adição apenas com base no que já está disponível no estoque.
• Algumas juntas necessitam de purga de raiz, gás de proteção ou protetores de arrasto: Juntas de raiz aberta, tubos de parede fina e juntas sensíveis à oxidação podem exigir gás de purga ou proteção adicional atrás da solda. Planeje a purga antes da montagem, não depois que a raiz estiver pela metade.

Quando o pré-aquecimento, o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) e outros tratamentos térmicos são realmente necessários?

O pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) são necessários quando a classe da liga, a espessura, o nível de restrição ou a norma assim o exigem. Em aços ferríticos resistentes à fluência, eles são frequentemente essenciais para a qualidade da solda. Em ligas à base de níquel, um tratamento térmico inadequado pode causar mais danos do que benefícios.

• O pré-aquecimento auxilia principalmente na endurecimento de aços ferríticos e resistentes à fluência: O pré-aquecimento retarda o resfriamento e reduz o risco de fissuração por hidrogênio em aços ferríticos suscetíveis. É bem menos importante para muitas ligas de níquel.
• O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) deve seguir as especificações do material, a espessura e os requisitos das normas: O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) pode revenir zonas endurecidas e melhorar o desempenho em serviço de aços ferríticos quando o procedimento assim o exigir. Utilize apenas a gama de produtos qualificados.
• O tratamento térmico inadequado pode reduzir as propriedades ou criar novas fissuras: O estudo da TWI sobre fissuras do Tipo IV observa que o tratamento térmico inadequado pode contribuir para falhas posteriores em soldas ferríticas.
• Medições de tempo e temperatura precisas superam as regras práticas das oficinas: "Sempre fazemos assim" não é um procedimento. Utilize o WPS, o PQR, os dados de classificação do material e os limites do código.

Que falhas podem surgir após a soldagem e posteriormente em serviço?

As falhas que podem surgir após a soldagem incluem fissuração a frio, fissuração por reaquecimento, danos do Tipo IV, falta de fusão e defeitos relacionados a óxidos. Algumas aparecem em poucas horas. Outras levam anos em condições de alta temperatura.

Trincas a frio na ZTA

A fissuração a frio na ZTA (Zona Termicamente Afetada) está relacionada ao hidrogênio, microestruturas duras e restrição. Reinspecione soldas ferríticas suscetíveis após um período de espera, quando o procedimento assim o exigir. Essa verificação adicional detecta fissuras que não eram visíveis logo após a soldagem.

Trincas por reaquecimento durante o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) ou reparo

Trincas por reaquecimento podem surgir durante o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) ou em reparos térmicos posteriores. Este é um dos motivos pelos quais as soldas de reparo em peças antigas, submetidas a altas temperaturas, merecem uma análise cuidadosa antes de se aplicar calor novamente.

Danos do tipo IV em aços ferríticos resistentes à fluência

O dano do tipo IV se forma na ZTA (Zona Termicamente Afetada) de soldas de aço ferrítico resistente à fluência durante longos períodos de serviço a quente. A TWI o descreve como fissuração por fluência na interface entre o metal base e a ZTA, frequentemente na ZTA de grãos finos ou intercrítica.

Ausência de fusão, aprisionamento de óxido e suas consequências em serviço.

A falta de fusão e o aprisionamento de óxido reduzem o caminho de carga efetivo da junta. Em serviço a altas temperaturas, esses defeitos podem iniciar trincas sob tensão térmica e fluência.

Utilize esta tabela de riscos de campo para soldagem de ligas resistentes ao calor antes de qualquer trabalho de reparo.

Utilize práticas de baixo teor de hidrogênio, aplique pré-aquecimento quando necessário e faça uma nova inspeção posteriormente.	O que geralmente causa isso	O que fazer
Rachadura Quente	Junta suja, formato de contas ruim, alta restrição	Melhorar a limpeza, controlar o perfil das gotas, reduzir a restrição.
Rachaduras a frio HAZ	Hidrogênio, zona afetada pelo calor intensa, resfriamento rápido	Utilize práticas de baixo teor de hidrogênio, aplique pré-aquecimento quando necessário e faça uma nova inspeção posteriormente.
Aprisionamento de óxido	Preparação inadequada, blindagem deficiente, material de enchimento sujo.	Limpe o metal base e o material de adição, proteja bem a poça de fusão.
Dano Tipo IV	Zona afetada pelo calor (ZAC) frágil em aço ferrítico resistente à fluência	Siga os procedimentos qualificados de tratamento térmico e de nível de serviço.
Falta de fusão	Baixa temperatura, ângulo ruim, viagem rápida	Ajuste os parâmetros, o ângulo da tocha e a preparação da junta.

Como inspecionar e melhorar a confiabilidade da soldagem em aplicações reais?

A inspeção e a melhoria da confiabilidade da solda são feitas por meio da combinação de verificações visuais, reinspeção tardia quando necessário, o método de END (Ensaios Não Destrutivos) correto e um projeto de junta aprimorado. A inspeção não é uma etapa isolada, mas sim um processo contínuo.

A inspeção visual é apenas a primeira etapa.

A inspeção visual detecta problemas no formato do cordão de solda, reentrâncias, sobreposições, impactos de arco e oxidação visível. Ela não comprova a fusão adequada dentro da junta.

Reinspecionar soldas sensíveis à fissuração retardada

Reinspecione soldas ferríticas sensíveis à fissuração retardada após o tempo de espera exigido pelo seu procedimento ou pela norma do cliente. Isso é importante em seções espessas, aços temperáveis ​​e reparos com restrição.

Associe o método de END (Ensaio Não Destrutivo) à família da liga e ao tipo de defeito esperado.

Adeque o método de END (Ensaio Não Destrutivo) ao defeito provável. Trincas superficiais podem exigir PT (Ensaio por Líquido Penetrante) ou MT (Ensaio por Partículas Magnéticas), quando permitido. Defeitos internos podem exigir RT (Radiografia) ou UT (Ultrassom). Defeitos relacionados à porosidade e óxidos geralmente são bem visíveis em radiografias, como observa a ESAB (Sociedade Europeia de Ensaios de Soldagem) em suas diretrizes sobre avaliação de porosidade em soldas.

Reduza a restrição, os entalhes e a concentração de tensão sempre que possível.

Reduza ao máximo as restrições, transições bruscas, geometrias de reparo inadequadas e concentradores de tensão. Um pequeno desbaste na base da solda pode compensar mais do que uma passada de reparo adicional.

Conclusão

A soldagem de ligas resistentes ao calor exige controle rigoroso em todas as etapas: preparação limpa, material de adição adequado, proteção estável, encaixe perfeito e tratamento térmico qualificado quando necessário. Essas soldas são menos tolerantes do que as do aço comum, portanto, pequenos descuidos podem resultar em falhas prematuras em serviço.

Na prática, os melhores resultados geralmente vêm da adequação do processo à tarefa. A soldagem TIG é indicada quando se necessita de melhor controle da raiz, inícios mais limpos ou maior precisão em seções finas. Processos de deposição mais elevados são mais indicados quando o procedimento os suporta e a produtividade é importante em soldas maiores.

Se sua oficina trabalha regularmente com ligas metálicas, vale a pena verificar se seu equipamento de soldagem atual é adequado para os trabalhos mais frequentes. Um fornecedor confiável de equipamentos de soldagem pode ajudá-lo a comparar a máquina de solda TIG ou MIG ideal para reparos, fabricação e produção em larga escala.

Perguntas Frequentes