Aperfeiçoamento da Soldagem de Aço Inoxidável Martensítico e Duplex

1. O que é aço inoxidável martensítico?

Refere-se a um tipo de aço inoxidável com microestrutura martensítica à temperatura ambiente e cujas propriedades mecânicas podem ser modificadas através de tratamento térmico.

Como descrição geral, é um tipo de aço inoxidável que pode ser endurecido.

Alguns tipos comuns de aço inoxidável martensítico incluem 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13, 3Cr13Mo, 1Cr17Ni2, 2Cr13Ni2, 9Cr18 e 9Cr18MoV.

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2. Métodos comuns de soldagem

O aço inoxidável martensítico pode ser soldado usando várias técnicas de soldagem por arco elétrico.

Atualmente, a soldagem a arco de haste continua sendo o método principal, enquanto o uso de soldagem protegida com gás dióxido de carbono ou soldagem com proteção mista de gás argônio-dióxido de carbono pode reduzir significativamente a quantidade de hidrogênio na solda, reduzindo assim o risco de trincas a frio na solda.

3. Materiais de soldagem comuns

(1) Eletrodo e fio de aço inoxidável martensítico Cr13

Geralmente, quando é necessária maior resistência na solda, hastes e fios de soldagem de aço inoxidável martensítico Cr13 são utilizados para tornar a composição química do metal de solda semelhante à do metal base, mas isso aumenta a probabilidade de trincas a frio.

Considerações:

a. O pré-aquecimento é necessário antes da soldagem e a temperatura não deve exceder 450°C para evitar fragilização a 475°C.

Deve ser realizado um tratamento térmico pós-soldagem.

Uma vez que a temperatura tenha esfriado para 150-200°C, um tratamento térmico pós-soldagem deve ser realizado por 2 horas para permitir a transformação de todas as partes da austenita em martensita, seguido de revenido a alta temperatura onde a temperatura é elevada para 730-790°C.

O tempo de espera deve ser de 10 minutos por 1mm de espessura da placa, mas não inferior a 2 horas, e finalmente deve ser resfriado ao ar.

b. Para evitar trincas, o teor de S e P nas hastes e fios de soldagem deve ser inferior a 0,015% e o teor de Si não deve ser superior a 0,3%.

Um aumento no teor de Si pode causar a formação de ferrita primária grosseira, o que diminui a plasticidade da junta.

O teor de carbono normalmente deve ser inferior ao do metal base, o que pode reduzir sua temperabilidade.

(2) Eletrodo e fio de aço inoxidável austenítico Cr Ni

O metal de solda do aço austenítico Cr Ni possui alto nível de plasticidade, o que pode aliviar as tensões produzidas durante a transformação martensítica na zona afetada pelo calor.

Além disso, as soldas do tipo aço inoxidável austenítico Cr Ni possuem alta solubilidade para hidrogênio, o que pode diminuir a difusão do hidrogênio do metal de solda para a zona afetada pelo calor e prevenir efetivamente trincas a frio, portanto o pré-aquecimento não é necessário.

Contudo, a resistência da solda é relativamente baixa e não pode ser melhorada através do tratamento térmico pós-soldagem.

4. Problemas comuns de soldagem

(1) Soldagem de trincas a frio

O aço inoxidável martensítico possui alto teor de cromo, o que aumenta significativamente sua capacidade de endurecimento.

Independentemente do seu estado inicial antes da soldagem, a soldagem sempre resulta na formação de martensita próximo à costura.

À medida que a tendência de endurecimento aumenta, a junta torna-se mais propensa a fissuras a frio, especialmente quando há presença de hidrogénio. Nessas condições, o aço inoxidável martensítico também é propenso à formação de trincas retardadas perigosas induzidas por hidrogênio.

Mmedidas:

• Uma corrente de soldagem com alta energia do fio pode diminuir a taxa de resfriamento.
• Diferentes tipos de aço requerem diferentes temperaturas de interpasse, que não devem ser inferiores à temperatura de pré-aquecimento.
• Um processo de resfriamento lento após a soldagem a 150-200°C, seguido por um tratamento térmico pós-soldagem, é necessário para eliminar a tensão residual da soldagem, remover o hidrogênio difusível na junta e melhorar a estrutura e as propriedades da junta.

(2) Fragilização da zona afetada pelo calor

Os aços inoxidáveis ​​martensíticos, principalmente aqueles com maiores níveis de elementos formadores de ferrita, apresentam maior tendência ao crescimento de grãos.

Uma taxa de resfriamento lenta pode levar à formação de ferrita e carboneto grossos na zona afetada pelo calor (ZTA) de soldagem, enquanto uma taxa de resfriamento rápida pode causar o endurecimento e a formação de martensita grossa na ZTA.

Estas estruturas grosseiras reduzem a plasticidade e a tenacidade da ZTA do aço inoxidável martensítico, tornando-o quebradiço.

Contramedidas:

• Manter uma taxa de resfriamento adequada;
• Selecionando uma temperatura de pré-aquecimento razoável. A temperatura de pré-aquecimento não deve exceder 450°C, pois a exposição prolongada a altas temperaturas acima deste limite pode causar fragilização a 475°C.
• Escolher sabiamente os materiais de soldagem para ajustar a composição da solda e minimizar a presença de ferrita grossa na solda.

5. Processo de soldagem

1) Pré-aquecimento antes da soldagem

O pré-aquecimento antes da soldagem é uma técnica crucial para evitar trincas a frio.

Para teor de carbono entre 0,1% a 0,2%, a temperatura de pré-aquecimento deve estar entre 200 a 260°C, enquanto uma soldagem de alta resistência pode ser pré-aquecida a uma temperatura entre 400 a 450°C.

2) Resfriamento após soldagem

A soldagem não deve ser aquecida diretamente a partir da temperatura de soldagem para tratamento de revenido porque a austenita pode não ser totalmente transformada durante a soldagem.

O aquecimento e o revenido imediatos após a soldagem podem causar a precipitação de carbonetos ao longo do limite do grão da austenita, resultando na transformação da austenita em perlita e em uma estrutura de grão grosso, o que reduz significativamente a tenacidade.

Portanto, a soldagem deve ser resfriada antes do revenimento e a austenita na solda e na zona afetada pelo calor deve ser amplamente decomposta.

Para soldagens de baixa resistência, elas podem ser resfriadas à temperatura ambiente e depois revenidas.

Para soldagens espessas, é necessário um processo mais complexo. Após a soldagem, deve ser resfriado a 100-150°C, mantido aquecido por 0,5-1 hora e depois aquecido até a temperatura de revenido.

3) Tratamento térmico pós-soldagem

O objetivo do tratamento térmico pós-soldagem é diminuir a dureza da solda e da zona afetada pelo calor, aumentar sua plasticidade e tenacidade e diminuir a tensão residual da soldagem.

O tratamento térmico pós-soldagem pode incluir têmpera e recozimento total. A temperatura de revenido deve estar entre 650-750°C, com tempo de espera de 1 hora seguido de resfriamento ao ar.

Se a soldagem exigir usinagem após a soldagem, o recozimento completo poderá ser realizado para atingir a dureza mínima.

A temperatura de recozimento deve estar entre 830-880°C, com um tempo de espera de 2 horas seguido de resfriamento do forno até 595°C e depois resfriamento ao ar.

4) Seleção da haste de soldagem

Os eletrodos para soldagem de aço inoxidável martensítico são classificados em duas categorias: eletrodos de aço inoxidável de cromo e eletrodos de aço inoxidável austenítico de cromo-níquel.

Eletrodos comuns de aço inoxidável de cromo incluem E1-13-16 (G202) e E1-13-15 (G207).

Eletrodos comuns de aço inoxidável austenítico de cromo-níquel incluem E0-19-10-16 (A102), E0-19-10-15 (A107), E0-18-12Mo2-16 (A202) e E0-18-12Mo2-15 ( A207), entre outros.

6. Soldagem de Aço Inoxidável Duplex

1. Soldabilidade do aço inoxidável duplex

O aço inoxidável duplex tem vantagens e desvantagens do aço austenítico e ferrítico e reduz suas respectivas fraquezas.

(1) O risco de trincas a quente é muito menor comparado ao aço austenítico.

(2) O risco de trincas a frio é significativamente menor em comparação com o aço comum de baixa liga e alta resistência.

(3) Após o resfriamento na zona termicamente afetada, uma maior quantidade de ferrita é retida, aumentando o risco de corrosão e trincas induzidas por hidrogênio (fragilização).

(4) A junta soldada de aço inoxidável duplex é propensa à precipitação da fase δ, um composto intermetálico de Cr e Fe.

Sua temperatura de formação varia de 600°C a 1000°C e pode variar de acordo com o tipo específico do aço.

Tabela 1 Faixa de temperatura do tratamento da solução, fase δ e fragilidade de 475 ℃ do aço inoxidável duplex

2. Seleção de métodos de soldagem

O processo de soldagem para aço inoxidável duplex envolve primeiro a soldagem TIG, seguida pela soldagem a arco com eletrodo.

Ao usar soldagem por arco submerso, a entrada de calor e a temperatura entre passes devem ser monitoradas de perto e a diluição excessiva deve ser evitada.

Observação:

Quando a soldagem TIG é utilizada, 1-2% de nitrogênio deve ser adicionado ao gás de proteção (adicionar mais de 2% de nitrogênio pode aumentar a porosidade e causar instabilidade no arco). A adição de nitrogênio ajuda a absorver o nitrogênio do metal de solda, evitando a perda de nitrogênio por difusão na área superficial da solda e contribui para estabilizar a fase austenita na junta soldada.

3. Seleção de materiais de soldagem

Materiais de soldagem com níveis mais elevados de elementos formadores de austenita (como Ni, N) são escolhidos para incentivar a transformação da ferrita na solda em austenita.

O eletrodo 22.8.3L ou fio de soldagem é comumente usado para soldar aço 2205, enquanto o eletrodo 25.10.4L ou eletrodo 25.10.4R é freqüentemente usado para soldar aço 2507.

Tabela 2 Materiais de soldagem e FN de aço inoxidável duplex típico

4. Pontos de soldagem

(1) Durante o processo de soldagem, o controle da energia de soldagem, temperatura entre passes, pré-aquecimento e espessura do material afetará a taxa de resfriamento e subsequentemente afetará a estrutura e as propriedades da solda e da zona afetada pelo calor.

Para obter propriedades ideais do metal de solda, recomenda-se controlar a temperatura máxima entre passes em 100°C. Se for necessário tratamento térmico pós-soldagem, as restrições de temperatura entre passes poderão ser suspensas.

(2) É preferível evitar o tratamento térmico pós-soldagem para aço inoxidável duplex.

Se for necessário tratamento térmico pós-soldagem, o método utilizado é a têmpera com água. Durante o tratamento térmico, o aquecimento deve ser rápido e o tempo de manutenção na temperatura do tratamento térmico deve estar entre 5-30 minutos, suficiente para restaurar o equilíbrio de fases.

A oxidação do metal é uma preocupação durante o tratamento térmico, portanto o uso de um gás inerte para proteção deve ser considerado.