Escolhendo materiais de soldagem para aço inoxidável: aconselhamento especializado

O efeito de quatro tipos de elementos de aço inoxidável e liga

Existem quatro tipos de aço inoxidável: aço inoxidável austenítico, martensítico, ferrítico e duplex (conforme mostrado na Tabela 1).

Tabela 1 Tipos de aço inoxidável e seus conteúdos de elementos Cr e Ni

Isto se baseia na estrutura metalográfica do aço inoxidável à temperatura ambiente. Ao aquecer o aço-carbono a 1.550°F, sua estrutura se transforma de uma fase de ferrita para uma fase de austenita. Após o resfriamento, a estrutura do aço de baixo carbono volta a ser ferrita.

A estrutura de austenita em altas temperaturas não é magnética e tem menor resistência, mas melhor tenacidade em comparação com a estrutura de ferrita em temperatura ambiente.

Se o teor de cromo (Cr) no aço for superior a 16%, a estrutura de ferrita à temperatura ambiente é estabilizada, fazendo com que o aço permaneça no estado de ferrita em todas as faixas de temperatura. Este tipo de aço é denominado aço inoxidável ferrítico.

Se o teor de Cr for superior a 17% e o teor de níquel (Ni) for superior a 7%, a fase austenita é estabilizada, permitindo que o aço permaneça no estado austenita desde baixas temperaturas até próximo ao seu ponto de fusão. Este tipo de aço é denominado aço inoxidável austenítico e geralmente denominado tipo “Cr-Ni”. Os aços inoxidáveis ​​martensíticos e ferríticos são chamados de tipo “Cr”.

Elementos em aço inoxidável e metais de adição podem ser classificados como formadores de austenita ou formadores de ferrita. Os elementos formadores de austenita mais importantes são Ni, carbono (C), manganês (Mn) e nitrogênio (N), enquanto os principais elementos formadores de ferrita são Cr, silício (Si), molibdênio (Mo) e nióbio (Nb ). O conteúdo do elemento pode ser ajustado para controlar o conteúdo de ferrita na solda.

O aço inoxidável austenítico é mais fácil de soldar e possui melhor qualidade de soldagem em comparação ao aço inoxidável com menos de 5% de Ni. As juntas soldadas de aço inoxidável austenítico apresentam boa resistência e tenacidade e normalmente não requerem pré-aquecimento ou tratamento térmico pós-soldagem.

No campo da soldagem de aço inoxidável, o aço inoxidável austenítico é responsável por 80% da quantidade total de aço inoxidável utilizado, portanto, este artigo se concentrará na soldagem de aço inoxidável austenítico.

Como escolher os materiais certos para soldagem de aço inoxidável?

Ao soldar o mesmo material base, é importante combinar o material base com o material de soldagem. Por exemplo, ao soldar aço inoxidável 310 ou 316, você deve usar o material de soldagem correspondente.

No caso de materiais dissimilares, recomenda-se escolher um metal base com alto teor de elementos de liga. Por exemplo, ao soldar aço inoxidável 304 e 316, você deve escolher consumíveis de soldagem do tipo 316.

No entanto, existem exceções ao princípio de correspondência do material de base. Nestes casos, é importante consultar uma tabela de seleção de materiais de soldagem. Por exemplo, embora o aço inoxidável tipo 304 seja um material de base comum, não há eletrodo 304 disponível.

Se você deseja combinar o material de soldagem com o material de base, como escolher o material de soldagem para soldar o aço inoxidável 304?

Ao soldar aço inoxidável 304, é recomendado usar material de soldagem tipo 308, pois os elementos adicionais em aço inoxidável 308 podem estabilizar efetivamente a área de solda. 308L também é uma alternativa aceitável. O “L” em 308L significa baixo teor de carbono, com teor de carbono de 0,03% ou menos. Em comparação, o aço inoxidável 308 padrão pode conter até 0,08% de carbono.

Os materiais de soldagem do tipo L, como o 308L, pertencem ao mesmo tipo dos materiais de soldagem não do tipo L, mas têm a vantagem de um menor teor de carbono, reduzindo o risco de corrosão intergranular (Figura 1).

Acredita-se que o uso de consumíveis de soldagem tipo L aumentará à medida que os fabricantes pretendem melhorar a qualidade de seus produtos.

Figura 1 O uso de materiais de soldagem em forma de L pode reduzir a tendência de corrosão intergranular

Os fabricantes que utilizam o método de soldagem GMAW podem considerar o uso de materiais de soldagem do tipo 3XXSi, pois a adição de silício (Si) pode melhorar a molhabilidade (Figura 2).

Em situações onde a soldagem tem uma protuberância alta ou a poça de fusão está mal conectada na ponta da solda de filete ou sobreposição, o uso de arame de soldagem blindado com gás contendo Si pode melhorar a molhabilidade e aumentar a taxa de deposição.

Na soldagem GMAW, para melhorar a molhabilidade do material de soldagem, pode ser utilizado um fio de soldagem contendo Si, como 308L Si ou 316L Si (Figura 2).

Ao considerar a precipitação de carboneto, um material de soldagem tipo 347 com uma pequena quantidade de nióbio (Nb) pode ser escolhido como solução.

Como soldar aço inoxidável e aço carbono?

Para reduzir custos, algumas peças estruturais podem ter uma camada resistente à corrosão adicionada à sua superfície através da soldagem de aço carbono.

Ao soldar ligas básicas sem elementos de liga e ligas básicas com elementos de liga, uma liga de soldagem com maior teor de liga é usada para equilibrar a taxa de diluição na solda.

Ao soldar aço carbono com aço inoxidável 304 ou 316, bem como outros aços inoxidáveis ​​diferentes (Tabela 2), os consumíveis de soldagem 309L são comumente usados. Se for desejado um teor mais alto de cromo (Cr), então o tipo 312 é usado.

Tabela 2 Os aços inoxidáveis ​​com alto teor de liga 309L e 312 são adequados para soldagem de aço inoxidável e aço carbono

É importante notar que a taxa de expansão térmica do aço inoxidável austenítico é 50% maior que a do aço carbono.

Durante a soldagem, a diferença na taxa de expansão térmica pode resultar em tensão interna e causar rachaduras.

Para mitigar este problema, é necessário selecionar o material de soldagem apropriado ou especificar o processo de soldagem apropriado (Figura 3).

A Figura 3 destaca a necessidade de maior compensação na soldagem de aço carbono e aço inoxidável devido à deformação por empenamento causada por suas diferentes taxas de expansão térmica.

O que é uma operação adequada de limpeza pré-soldagem?

Ao soldar outros materiais, é crucial primeiro limpar a área usando um solvente sem cloreto para remover óleo, marcas e poeira. Uma das principais considerações ao soldar aço inoxidável é evitar a contaminação pelo aço carbono, que pode comprometer a resistência à corrosão. Para evitar contaminação cruzada, algumas empresas armazenam aço inoxidável e aço carbono separadamente.

Ao limpar a área ao redor da ranhura, use uma lixa especial e uma escova projetada especificamente para aço inoxidável. Em alguns casos, pode ser necessária uma limpeza secundária da junta. Como a compensação do eletrodo é mais desafiadora na soldagem de aço inoxidável em comparação ao aço carbono, a limpeza adequada das juntas é crucial.

Qual a operação correta de limpeza pós-soldagem? Por que as soldagens de aço inoxidável enferrujam?

Para começar, é importante ressaltar que o aço inoxidável não enferruja devido à camada protetora de óxido formada pela reação entre o cromo (Cr) e o oxigênio (O).

No entanto, o aço inoxidável pode enferrujar como resultado da precipitação e aquecimento do carboneto durante o processo de soldagem, levando à formação de óxidos de ferro na superfície da soldagem. Além disso, uma soldagem aparentemente perfeita pode resultar em cortes em áreas enferrujadas nos limites da zona afetada pelo calor da soldagem dentro de 24 horas.

Para regenerar novos óxidos de cromo e evitar ferrugem, é necessário polir, decapar, lixar ou esfregar o aço inoxidável após a soldagem. É importante ressaltar que a lixa e o pincel utilizados devem ser específicos para aço inox.

Por que o fio de soldagem de aço inoxidável é magnético?

O aço inoxidável austenítico é de natureza não magnética. Porém, as temperaturas elevadas durante a soldagem podem causar o crescimento de grãos na estrutura, levando a um aumento na sensibilidade à trinca após a soldagem.

Para mitigar a suscetibilidade a trincas a quente, os fabricantes de materiais de soldagem adicionam elementos formadores de ferrita ao material de soldagem (Figura 4). A presença da fase ferrita ajuda a refinar os grãos de austenita, aumentando assim a resistência à trinca.

A Figura 4 ilustra o uso de ferrita para evitar trincas a quente em materiais de soldagem austeníticos. A maioria dos materiais de soldagem austeníticos contém uma pequena quantidade de ferrita, como pode ser visto na imagem do consumível de soldagem 309L, onde a fase ferrita (parte cinza) está distribuída por toda a matriz de austenita.

O metal de solda austenítico não é atraído por um ímã, mas uma leve força de sucção é sentida quando um ímã é mantido próximo a ele. No entanto, isso levou alguns usuários a acreditar erroneamente que o produto estava rotulado incorretamente ou que foi usado o material de soldagem errado, principalmente quando falta a etiqueta na embalagem.

A quantidade de ferrita no consumível depende da temperatura de serviço da aplicação. Por exemplo, uma quantidade excessiva de ferrita pode reduzir a tenacidade em baixas temperaturas. É por isso que o número de ferrita dos materiais de soldagem do tipo 308 usados ​​para tubulações de GNL está entre 3-6, enquanto o número de ferrita dos materiais de soldagem do tipo 308 padrão é 8.

Concluindo, embora os consumíveis possam parecer semelhantes, pequenas diferenças na composição podem ter um impacto significativo.

Como soldar aço inoxidável duplex com mais facilidade?

Normalmente, a estrutura de aço inoxidável duplex é composta por aproximadamente 50% de fase austenita e 50% de fase ferrita. A fase ferrita contribui para melhorar a resistência e a resistência à corrosão sob tensão, enquanto a fase austenita aumenta a tenacidade. A combinação dessas duas fases resulta em desempenho ainda melhor para o aço inoxidável duplex (Figura 5).

A gama de aço inoxidável duplex é bastante ampla, sendo o 2205 o tipo mais comum. 2205 contém 22% de cromo, 5% de níquel, 3% de molibdênio e 0,15% de nitrogênio.

Figura 5 O aço inoxidável duplex combina as vantagens da ferrita e da austenita.

A imagem mostra a estrutura de solda bifásica da fase austenita (parte branca) distribuída na matriz de ferrita. No entanto, quantidades excessivas de ferrita podem representar desafios na soldagem de aços inoxidáveis ​​duplex, pois o calor do arco pode causar a reordenação dos átomos na matriz de ferrita.

Para resolver esse problema, os consumíveis de soldagem precisam fornecer mais elementos formadores de austenita, que geralmente apresentam um teor de níquel 2 a 4% maior do que o metal base. Por exemplo, o fio fluxado usado na soldagem do aço inoxidável 2205 contém 8,85% de níquel. Após a soldagem, o teor de ferrita na solda fica normalmente entre 25-55% (e pode ser ainda maior).

É importante notar que a taxa de resfriamento após a soldagem deve ser lenta o suficiente para permitir a reforma da austenita, mas não muito lenta, pois isso pode resultar na precipitação da fase intermetálica. Da mesma forma, o resfriamento muito rápido pode resultar em excesso de ferrita na zona afetada pelo calor.

Para garantir os melhores resultados, siga sempre o procedimento de soldagem e o manual de seleção do material de soldagem fornecido pelo fabricante.

Como controlar a precipitação de carbonetos em aço inoxidável austenítico?

Em temperaturas entre 800-1600 °F, se o teor de carbono exceder 0,02%, o carbono (C) se difundirá e migrará para os limites dos grãos da austenita e reagirá com o cromo (Cr) para formar carbonetos de cromo.

Se muito cromo for fixado pelo carbono, a resistência à corrosão diminuirá, levando à corrosão intergranular se exposto a um ambiente corrosivo. Esta corrosão resultará em erosão nos limites dos grãos (Figura 6).

A Figura 6 ilustra a corrosão intergranular que ocorreu na zona afetada pelo calor de soldagem de um tanque de água preenchido com meio corrosivo. Para reduzir a probabilidade de precipitação de carboneto e melhorar a resistência à corrosão, podem ser usados ​​materiais de soldagem com baixo teor de carbono ou ligas especiais.

Para controlar a precipitação de carbonetos, um material de soldagem com baixo teor de carbono é empregado para garantir que o teor de carbono no metal de solda seja o mais baixo possível, até 0,04%. Além disso, a adição de elementos Nb e Ti também pode fixar carbono, pois esses elementos possuem maior afinidade pelo carbono do que o cromo. Os consumíveis Tipo 347 são projetados especificamente para essa finalidade.

Como se preparar para a seleção dos materiais de soldagem?

Para selecionar o material de soldagem de aço inoxidável apropriado, é importante reunir informações sobre a aplicação final da soldagem. Isto inclui detalhes sobre o ambiente de serviço, como a temperatura de serviço, a presença de um meio corrosivo e o nível desejado de resistência à corrosão, bem como a vida útil esperada.

Informações sobre as propriedades mecânicas exigidas sob condições de serviço, como resistência, tenacidade, plasticidade e propriedades de fadiga, também são importantes.

A maioria dos principais fabricantes de materiais de soldagem fornece manuais de instruções para a seleção dos materiais. É altamente recomendável consultar estes manuais ou consultar os especialistas técnicos do fabricante para obter ajuda na escolha do material de soldagem correto. Isso garantirá que o material correto seja selecionado para a aplicação e os requisitos específicos.