1. O que é aço carbono?
Com base em sua composição química, o aço pode ser categorizado em dois tipos principais: aço carbono e aço liga.
O aço carbono é ainda dividido em:
- Aço de baixo carbono – com teor de carbono inferior a 0,25%
- Aço Médio Carbono – com teor de carbono de 0,25% a 0,6%
- Aço de alto carbono – com teor de carbono superior a 0,6%
1. Aço de baixo carbono
O aço de baixo carbono, também conhecido como aço-carbono, é um tipo de aço carbono com teor de carbono inferior a 0,25%. É referido como aço macio devido à sua baixa resistência e dureza.
Esta categoria inclui a maioria dos aços estruturais de carbono comuns e uma parte dos aços estruturais de carbono de alta qualidade. É usado principalmente para componentes estruturais de engenharia sem tratamento térmico. Alguns são submetidos a cementação e outros tratamentos térmicos para peças mecânicas resistentes ao desgaste.
2. Aço Carbono Médio
O aço de médio carbono apresenta bom desempenho de processamento térmico e corte, mas sua soldabilidade é baixa. Sua resistência e dureza são superiores às do aço de baixo carbono, mas sua plasticidade e tenacidade são inferiores.
Pode ser usado diretamente sem tratamento térmico ou após tratamento térmico. O aço médio carbono temperado e revenido possui excelentes propriedades mecânicas abrangentes. A maior dureza alcançável é aproximadamente HRC55 (HB538), com resistência à tração de 600 a 1100MPa.
Portanto, o aço de médio carbono é amplamente utilizado em níveis de resistência moderados, não apenas como material de construção, mas também extensivamente na fabricação de diversas peças mecânicas.
3. Aço de alto carbono
O aço de alto carbono, muitas vezes referido como aço ferramenta, tem um teor de carbono que varia de 0,60% a 1,70%. Pode ser endurecido e revenido, mas sua soldabilidade é fraca.
Ferramentas como martelos e pés-de-cabra são feitas de aço com teor de carbono de 0,75%; ferramentas de corte como brocas, machos e alargadores são feitas de aço com teor de carbono de 0,90% a 1,00%.
2. Comparação da soldabilidade entre aço de baixo carbono e aço de alto carbono
A soldabilidade do aço depende principalmente da sua composição química, sendo o carbono o elemento mais influente.
Em outras palavras, o teor de carbono determina a soldabilidade do metal. A maioria dos outros elementos de liga no aço também dificultam a soldadura, mas o seu impacto é geralmente muito menos significativo do que o carbono.
O aço de baixo carbono geralmente tem boa soldabilidade e não requer medidas especiais de processo.
Porém, ao trabalhar com chapas grossas, baixas temperaturas ou altas demandas, é necessário soldar com eletrodos alcalinos e realizar pré-aquecimento adequado.
Quando o teor de carbono e enxofre no aço com baixo teor de carbono está próximo do limite superior, não apenas eletrodos de baixo hidrogênio de alta qualidade e medidas de pré-aquecimento e pós-aquecimento devem ser usados, mas a forma da ranhura também deve ser selecionada adequadamente, e a taxa de fusão deve ser reduzido para evitar fissuras a quente.
O aço de médio carbono tende a desenvolver trincas a frio quando soldado. Quanto maior o teor de carbono, maior a tendência de endurecimento na zona afetada pelo calor e maior a probabilidade de trincas a frio, levando a uma pior soldabilidade.
À medida que o teor de carbono no material de base aumenta, o teor de carbono no metal de solda também aumenta. Combinadas com o efeito adverso do enxofre, podem formar-se facilmente fissuras a quente na soldadura.
Portanto, na soldagem de aço de médio carbono, devem ser utilizados eletrodos com boa resistência à trinca, e medidas como pré-aquecimento e pós-aquecimento devem ser tomadas para reduzir a tendência de trincas.
Durante a soldagem de aço de alto carbono, devido ao seu alto teor de carbono, são produzidas tensões de soldagem significativas. A zona afetada pelo calor tende a endurecer e desenvolver trincas a frio, e a solda é mais propensa a trincas a quente.
O aço com alto teor de carbono tem maior probabilidade de desenvolver trincas a quente do que o aço com médio carbono durante a soldagem, tornando-o o pior em termos de soldabilidade.
Portanto, geralmente não é usado em estruturas de soldagem e é usado apenas para soldagem de reparo ou revestimento de peças fundidas. Após a soldagem, a soldagem deve ser temperada para eliminar tensões, estabilizar a estrutura, evitar rachaduras e melhorar o desempenho da solda.
3. Soldagem de aço carbono médio
Aço de médio carbono refere-se ao aço carbono com um teor de carbono de 0,25% a 0,60%, que inclui classes de aço estrutural de carbono de alta qualidade, como 30, 35, 45, 50, 55 e classes de aço carbono fundido, como ZG230-450, ZG270 -500, ZG310-570 e ZG340-640.
Devido ao maior teor de carbono no aço de médio carbono em comparação ao aço de baixo carbono, sua soldabilidade é inferior. Quando a fração mássica de carbono está próxima de 0,30% e o teor de manganês não é alto, a soldabilidade ainda é boa, mas à medida que o teor de carbono aumenta, a soldabilidade piora gradativamente.
Quando a fração mássica de carbono atinge cerca de 0,50%, a soldabilidade piora significativamente.
(1) Problemas comuns na soldagem de aço carbono médio
Os problemas que podem ocorrer durante a soldagem de aço de médio carbono são os seguintes:
- Problema de rachadura a frio
Devido ao alto teor de carbono no aço, a zona afetada pelo calor pode facilmente produzir uma estrutura de martensita dura e quebradiça durante a soldagem, levando assim a trincas a frio.
Se forem utilizados materiais de soldagem inadequados ou se o processo de soldagem não for formulado corretamente, trincas a frio também podem ocorrer facilmente na solda.
- Problema de rachadura a quente
Durante a soldagem, o material original com alto teor de carbono derreterá e introduzirá carbono na solda, aumentando assim o teor de carbono na soldagem. O carbono pode intensificar o efeito do enxofre e do fósforo nos metais, causando rachaduras a quente.
Portanto, ao soldar aço de médio carbono, podem ocorrer facilmente trincas a quente na solda. Isto é especialmente verdadeiro quando o teor de enxofre e fósforo no material de base ou no material de soldagem não é estritamente controlado, aumentando a probabilidade de ocorrência de trincas a quente.
Além disso, o alto teor de carbono no aço também pode aumentar a tendência da solda de produzir poros de gás CO.
(2) Técnicas de soldagem de aço de médio carbono
Devido à propensão do aço de médio carbono formar defeitos como trincas a frio e a quente quando soldado, medidas técnicas especiais precisam ser implementadas para garantir uma soldagem bem-sucedida.
- Métodos de soldagem
Vários métodos de soldagem a arco podem ser empregados para soldagem de aço de médio carbono. Como o aço de médio carbono é comumente usado na produção de peças de máquinas, em vez de estruturas de soldagem em grande escala, a soldagem a arco de metal blindado é mais frequentemente utilizada.
- Materiais de soldagem
Para evitar a formação de trincas a frio e a quente na solda, eletrodos com baixo teor de hidrogênio são normalmente usados na soldagem a arco de metal blindado. Esses eletrodos não apenas mantêm um baixo teor de hidrogênio na solda, mas também exibem efeitos dessulfurizantes e desfosforizantes, aumentando a plasticidade e a tenacidade da solda.
Quando o aço possui menor teor de carbono e a junta apresenta menor rigidez, podem ser utilizados eletrodos rutílicos ou básicos. No entanto, medidas técnicas rigorosas devem ser implementadas, como minimizar a taxa de fusão, pré-aquecer rigorosamente a peça e controlar a temperatura intercalar.
Se o pré-aquecimento não for possível, eletrodos de aço inoxidável austenítico, como E308L-16 (A102), E308L-15 (A107), E309-16 (A302), E309-15 (A307), E310-16 (A402), E310- 15 (A407), pode ser usado.
- Pré-aquecimento e temperatura intercalar
O pré-aquecimento é a técnica mais eficaz para evitar trincas na soldagem de aço de médio carbono. O pré-aquecimento não só reduz a taxa de resfriamento da junta, evitando a formação de martensita, mas também reduz o estresse de soldagem e acelera a difusão do hidrogênio.
Na maioria das circunstâncias, é necessário pré-aquecer e manter a temperatura da camada intermediária.
A seleção das temperaturas de pré-aquecimento e intercamadas depende do carbono equivalente do aço, da espessura do metal base, da rigidez da estrutura e do tipo de eletrodo.
A temperatura de pré-aquecimento pode ser determinada através de testes de soldagem, ou através da fórmula empírica T0=550(C-0,12)+0,4δ. Nesta fórmula, T0 representa a temperatura de pré-aquecimento (℃), C representa a fração mássica de carbono no metal base a ser soldado (%) e δ representa a espessura da placa de aço (mm).
As temperaturas de pré-aquecimento e intercamadas para soldagem dos aços 30, 35 e 45 podem ser referenciadas na Tabela 1.
Tabela 1 Temperatura de pré-aquecimento e temperatura de revenimento pós-soldagem para soldagem de aço carbono
| Grau de aço | Espessura da soldagem /milímetros |
Processo de operação | Categoria de haste de soldagem | Observação | |
| Temperatura intercalar de pré-aquecimento /℃ |
Temperatura de têmpera de alívio de tensão /℃ |
||||
| 30 | -25 | >50 | 600-650 | Haste de soldagem tipo não baixo hidrogênio | 1. A faixa de aquecimento em ambos os lados da ranhura para pré-aquecimento local é de 150-200 mm
2. Durante o processo de soldagem, o martelamento pode ser usado para reduzir a tensão residual da soldagem. |
| Haste de soldagem tipo baixo hidrogênio | |||||
| 35 | 25-50 | >100 | Tipo de baixo hidrogênio | ||
| >150 | Tipo sem baixo teor de hidrogênio | ||||
| 50-100 | >150 | Tipo de baixo hidrogênio | |||
| 45 | -100 | >200 | Tipo de baixo hidrogênio | ||
- Forma de sulco
Idealmente, a peça de trabalho deve ter uma ranhura em forma de U ou V para reduzir a proporção do metal base fundido na solda. Ao reparar defeitos em peças fundidas, a ranhura escavada deve ter um exterior liso para minimizar a quantidade de metal base que derrete na solda.
- Parâmetros de soldagem
A fonte de alimentação de polaridade reversa de corrente contínua deve ser usada para soldagem. Para soldagem multicamadas, eletrodos de pequeno diâmetro, corrente baixa e velocidade de soldagem lenta devem ser utilizados, pois a proporção de metal base que funde na primeira camada da solda pode chegar a até 30%.
- Tratamento térmico pós-solda
Após a soldagem, o ideal é que a peça de trabalho seja submetida imediatamente a um tratamento térmico de alívio de tensões. Isto é especialmente importante para soldagens de grande espessura, estruturas altamente rígidas e soldagens que operam sob cargas dinâmicas ou de impacto.
A temperatura para recozimento com alívio de tensão é geralmente entre 600 e 650 graus Celsius.
Se o tratamento térmico de alívio de tensões não puder ser realizado imediatamente após a soldagem, deverá ser realizado um pós-aquecimento, que envolve um aquecimento ligeiramente acima da temperatura de pré-aquecimento, com um tempo de espera de aproximadamente 1 hora por 10mm de espessura.
(3) Compilação de procedimentos típicos de soldagem de aço com teor médio de carbono
(I) Aço 35 e Aço Carbono Fundido ZG270-500
A fração mássica de carbono no aço 35 é de 0,32% a 0,39%, e a do aço carbono fundido ZG270-500 é de 0,31% a 0,40%. O carbono equivalente é de cerca de 0,45%, portanto a capacidade de soldagem deste tipo de aço é aceitável.
No entanto, na zona afetada pelo calor durante a soldagem, pode formar-se uma estrutura martensítica dura e quebradiça, que tende a rachar. Portanto, certas medidas técnicas devem ser tomadas na soldagem deste tipo de aço.
- Seleção de materiais de soldagem
Ao usar soldagem a arco com eletrodo, se for necessária uma costura de solda de resistência igual à do material original, podem ser usadas hastes de solda E5016 (J506) ou E5015 (J507). Se não for necessária uma costura de solda de resistência igual à do material base, podem ser selecionadas hastes de solda E4316 (J426), E4315 (J427), E4303 (J422), E4310 (J423) etc.
Para soldagem por arco submerso, podem ser selecionados fluxos HJ430 ou HJ431 e fios H08MnA ou H10Mn2.
Para soldagem de escória, os fluxos HJ430, HJ431, HJ360 e os fios H10Mn2, H08Mn2Si, H08Mn2SiA podem ser selecionados.
- Temperatura de pré-aquecimento e temperatura intercalar
Ao soldar aço 35 e aço fundido ZG270-500, a temperatura típica de pré-aquecimento e a temperatura intercalar para as peças soldadas são de cerca de 150 ℃. Se a rigidez das peças soldadas for relativamente grande, a temperatura de pré-aquecimento e a temperatura intercamada devem ser aumentadas para 200-250°C.
A faixa de aquecimento para pré-aquecimento local é de 150-200 mm em ambos os lados da ranhura.
- Tratamento térmico pós-solda
Para peças soldadas com alta espessura, alta rigidez ou que trabalhem sob cargas dinâmicas ou de impacto, o recozimento para alívio de tensões deve ser realizado imediatamente após a soldagem. A temperatura de recozimento é geralmente 600-650°C.
Para peças soldadas de espessura geral, o pós-aquecimento pode ser usado para permitir que a difusão do hidrogênio escape.
A temperatura de pós-aquecimento é geralmente de 200-350°C e o tempo de espera é de 2 a 6 horas, dependendo da espessura das peças soldadas.
(II) Aço 45 e Aço Carbono Fundido ZG310-570
A fração mássica de carbono no aço 45 é de 0,42% a 0,5%, e a do aço fundido ZG310-570 é de 0,41% a 0,50%. O equivalente de carbono é cerca de 0,56%. Este aço tem maior tendência a endurecer e a rachar, tornando sua soldabilidade relativamente baixa.
- Seleção de materiais de soldagem
Para soldagem a arco com eletrodo, devem ser escolhidas hastes de soldagem com baixo teor de hidrogênio. Se for necessária uma costura de solda de resistência igual à do material base, podem ser usadas hastes de solda E5516-G (J556) ou E5515-G (J557).
Se uma costura de solda de resistência igual ao material base não for necessária, E4316 (J426), E4315 (J427), E5016 (J506), E5015 (J507), E4303 (J422), E4301 (J423) etc. selecionado.
Para soldagem por arco submerso, podem ser selecionados fluxos HJ350 ou SJ101 e fios H08MnMoA.
- Seleção de parâmetros de soldagem
Ao soldar aço 45 e aço carbono fundido ZG310-570, uma corrente de soldagem menor deve ser escolhida para reduzir a taxa de fusão da costura de solda e diminuir a quantidade de carbono em transição do material original para a costura de solda.
- Temperatura de pré-aquecimento e temperatura intercalar
Para soldar este tipo de aço é aconselhável pré-aquecer toda a peça a uma temperatura superior a 200 ℃.
Para juntas em T, por terem mais direções de dissipação de calor do que juntas de topo, a velocidade de resfriamento da junta soldada aumentará, aumentando a tendência de produzir trincas a frio.
Portanto, a temperatura de pré-aquecimento deve ser aumentada adequadamente para 250-400°C, dependendo da espessura das peças soldadas.
A temperatura intercalar não deve ser inferior à temperatura de pré-aquecimento.
- Tratamento térmico pós-solda
Após a soldagem, as peças soldadas devem passar imediatamente por recozimento para alívio de tensões. A temperatura de recozimento é de 600-650°C.
