Soldagem de ligas de níquel

A soldagem de ligas de níquel é super importante em várias indústrias. Este artigo fala sobre os princípios gerais da soldagem de ligas de níquel, os processos e consumíveis recomendados, os efeitos dos elementos de liga na soldabilidade e os requisitos para a preparação e o tratamento térmico pós-soldagem.

Descrição geral

As ligas de níquel são geralmente soldadas da mesma forma que os aços inoxidáveis; no entanto, elas são mais “pesadas”, menos fluidas e produzem uma poça de fusão com penetração mais rasa. Por esse motivo, o projeto da junta deve ser cuidadosamente selecionado. Em geral, recomenda-se baixa entrada de calor, obtida com correntes de soldagem mais baixas e movimentos lentos. Não se recomenda passagens largas. Os cordões de soldadura devem ser ligeiramente convexos, enquanto cordões planos ou côncavos - que podem ser aceitáveis na soldadura de aço inoxidável - devem ser evitados.

Métodos

As ligas de níquel são normalmente soldadas usando soldadura com arco metálico protegido (SMAW), bem como soldadura com arco metálico a gás (GMAW) e soldadura com arco de tungsténio a gás (GTAW/TIG). Também é possível obter bons resultados com soldagem a arco de plasma (PAW), soldagem a laser (LBW), soldagem por feixe de elétrons (EBW) e soldagem por pontos por resistência (RSW). A soldagem por arco submerso (SAW) geralmente não é recomendada, pois introduz uma grande quantidade de calor no material base, o que promove trincas a quente e a formação de fases secundárias frágeis.

Zona afetada pelo calor HAZ

A zona afetada pelo calor (HAZ) é a região do metal adjacente à soldadura que não derreteu, mas cujas propriedades e microestrutura foram alteradas pelo calor do processo de soldadura. A diferença na microestrutura pode ser vista na imagem abaixo.

Solda e HAZ. Fonte: ASM Specialty Handbook, Nickel, Cobalt, and Their Alloys

HAZ A fissuração a quente é um problema comum na soldagem de ligas de níquel. Ela está relacionada com o crescimento dos grãos. Para evitar isso:

• escolha um tipo diferente,
• faça um recozimento de solução antes da soldagem para obter grãos pequenos,
• limite a entrada de calor durante a soldagem.

Por exemplo, a soldagem por feixe de elétrons limita a entrada de calor e é um método recomendado para soldar ligas de níquel difíceis e endurecidas por envelhecimento.

Preparação da superfície

Superfície. Para evitar fissuras relacionadas com a contaminação por compostos de enxofre, fósforo e chumbo, a superfície deve ser cuidadosamente limpa antes da soldagem. Ao fazer soldas com várias passagens, é muito importante remover os óxidos da superfície de cada solda, pois eles geralmente derretem a uma temperatura muito mais alta do que as próprias ligas de níquel. Também é recomendável esmerilhar os pontos inicial e final das soldas.

Recomenda-se soldar as ligas em estado recozido. É necessário ter cuidado especial ao soldar ligas trabalhadas a frio.

A atmosfera de soldagem deve ser protegida de compostos de enxofre, devido aos efeitos nocivos do enxofre.

O pré-aquecimento geralmente não é necessário, desde que a liga esteja à temperatura ambiente. Se a temperatura for 2 °C ou inferior, a área de soldagem deve ser pré-aquecida a pelo menos 16 °C para evitar condensação. A humidade pode causar porosidade na solda.

Produtos de soldagem

• Liga 200 / liga 201: elétrodo ENi-1; metal de adição ERNi-1;
• Liga 400: elétrodo ENiCu-7; metal de adição ERNiCu-7;
• Liga 450, ligas de cobre-níquel com alto teor de Cu: elétrodo ECuNi; metal de adição ERCuNi;
• Liga 600: elétrodo ENiCrFe-1, ENiCrFe-3, ENiCrFe-7; metal de adição ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
• Liga 601: elétrodo ENiCrFe-3; metal de adição ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
• Liga 625: elétrodo ENiCrMo-3; metal de adição ERNiCrMo-3;
• Liga 617: elétrodo ENiCrCoMo-1; metal de adição ERNiCrCoMo-1;
• Liga 800HT: elétrodo ENiCrCoMo-1; metal de adição ERNiCrCoMo-1;
• Liga 825: elétrodo ENiCrMo-3; metal de adição ERNiCrMo-3;
• Liga 686: elétrodo ENiCrMo-3; metal de adição ERNiCrCoMo-(4 a 10);
• Liga 622: elétrodo ENiCrMo-3; metal de adição ERNiCrCoMo-(4 a 10);
• Liga C-276: elétrodo ENiCrMo-3; metal de adição ERNiCrCoMo-(4 a 10);
• Liga G: elétrodo ENiCrMo-3, ENiCrMo-9; metal de adição ERNiCrCoMo-(4 a 10);
• Liga G-2: elétrodo ENiCrMo-3, ENiCrMo-9; metal de adição ERNiCrCoMo-(4 a 10);
• Liga 690: elétrodo ENiCrFe-3, ENiCrFe-7; metal de adição ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
• Liga 718: metal de adição ERNiFeCr-2
• Liga X-750: metal de adição ERNiFeCr-2

Produtos de soldagem para juntas de metais diferentes

Liga 200 / Liga 201:

• com aço inoxidável: elétrodo ENiCrFe-2; metal de adição ERNiCr-3;
• com aço carbono / de baixa liga: elétrodo ENiCrFe-2; metal de adição ERNiCr-3;
• com aço níquel 5-9% Ni: elétrodo ERNiCrFe-2; metal de adição ERNiCr-3;
• com cobre: elétrodo ENiCu-7; metal de adição ERNiCu-7;
• com cobre-níquel: elétrodo ENiCu-7; metal de adição ERNiCu-7;

Liga 400:

• com aço inoxidável: elétrodo ENiCrFe-2; metal de adição ERNiCr-3;
• com aço carbono/baixa liga: elétrodo ENiCr-7; metal de adição ERNi-1;
• com aço níquel 5-9% Ni: elétrodo ENiCr-7; metal de adição ERNi-1;
• com cobre: elétrodo ENiCu-7; metal de adição ERNiCu-7;
• com cobre-níquel: elétrodo ENiCu-7; metal de adição ERNiCu-7;

Liga 600 / liga 601 / liga 690 / liga 800:

• com aço inoxidável: elétrodo ENiCrFe-2; metal de adição ERNiCr-3;
• com aço carbono / liga baixa: elétrodo ENiCrFe-2; metal de adição ERNiCr-3;
• com aço níquel 5-9% Ni: elétrodo ENiCrFe-2; metal de adição ERNiCr-3;
• com cobre: elétrodo ENi-1; metal de adição ERNi-1;
• com cobre-níquel: elétrodo ENi-1; metal de adição ERNi-1;
• (Devido ao alto teor de crómio, ao soldar a liga 690 com cobre e cobre-níquel, é aconselhável “revestir” a parte de cobre com metal de soldadura à base de níquel antes da soldadura.)

Liga 825:

• com aço inoxidável: elétrodo ENiCrMo-3; metal de adição ERNiCrMo-3;
• com aço carbono/baixa liga: elétrodo ENiCrMo-3; metal de adição ERNiCrMo-3;
• com aço níquel 5-9% Ni: elétrodo WE 113; metal de adição ERNiCrMo-3;
• com cobre: elétrodo ENi-1; metal de adição ERNi-1;
• com cobre-níquel: elétrodo ENi-1; metal de adição ERNi-1;

Adições de liga

O níquel puro é fácil de soldar, mas pode produzir soldaduras porosas.

O cobre não afeta significativamente a soldabilidade das ligas de níquel. O cobre-níquel 50Ni-50Cu é soldado de forma muito semelhante ao níquel puro, e o 30Ni-70Cu é soldado de forma muito semelhante ao cobre.

O crómio reduz a tendência para a porosidade da solda. 15%Cr em combinação com 1%Si pode aumentar a tendência para fissuras a quente. As ligas Ni-Cr têm uma faixa de solidificação favoravelmente estreita. O crómio também tem uma afinidade natural com o oxigénio, o azoto e o hidrogénio. Por esse motivo, devem ser utilizadas atmosferas protetoras ao soldar ligas de níquel com crómio.

O ferro até 8% não afeta a soldabilidade das ligas de níquel-cromo. Em ligas que contêm mais de 40% de Fe (por exemplo, liga 800), o ferro aumenta a tendência para fissuras a quente.

O carbono prejudica significativamente a soldabilidade, especialmente no níquel puro. Portanto, o níquel puro para aplicações em altas temperaturas (por exemplo, liga 201) não deve ter mais de 0,02% de C, e o níquel para soldagem deve ter adicionalmente adições de liga de titânio. Nas ligas de níquel, o carbono não prejudica tanto a soldabilidade porque se liga ao cobre, cromo e titânio.

O manganês melhora a soldabilidade das ligas de níquel. Os elétrodos de soldagem à base de níquel contêm até 9% de manganês.

O magnésio protege contra trincas a quente na zona afetada pelo calor.

O silício aumenta a tendência para trincas a quente na zona afetada pelo calor, especialmente quando o seu teor excede 1%. O silício tem o pior efeito nas ligas de Ni-Cr.

O titânio e o alumínio são adições fortalecedoras. O alumínio também aumenta a resistência à oxidação. Um teor mais elevado destes elementos expõe significativamente a liga a fissuras a quente.

O boro é adicionado em quantidades de 0,003-0,100% para melhorar as propriedades a altas temperaturas. Acima de uma concentração de 0,030%, o boro prejudica significativamente a soldabilidade, aumentando a probabilidade de fissuras na soldadura e na zona afetada pelo calor.

O zircónio tem um efeito semelhante, mas ligeiramente menor, na soldabilidade do que o boro.

O enxofre é provavelmente a causa mais comum de problemas na soldagem de ligas de níquel. Em temperaturas acima de 316 °C (para níquel puro) ou 650 °C (para ligas de Ni-Cr), forma precipitados prejudiciais que causam trincas tanto na zona de solda quanto na zona afetada pelo calor. As adições de magnésio e manganês à liga limitam os efeitos prejudiciais do enxofre. Além disso, durante a soldagem, deve-se tomar muito cuidado para não contaminar a liga com compostos de enxofre.

O chumbo tem um efeito prejudicial semelhante ao do enxofre, mas a contaminação por chumbo é muito menos comum do que a contaminação por enxofre, uma vez que os compostos de chumbo são muito menos comuns nas oficinas.

O fósforo tem um efeito semelhante ao do chumbo e do enxofre, mas os efeitos prejudiciais do fósforo começam em temperaturas acima de 870 °C, portanto, o problema de fissuras é menos grave em áreas afetadas pelo calor.

Tratamento térmico pós-soldagem

O tratamento térmico pós-soldagem é usado principalmente em ligas de níquel endurecidas por precipitação (para que o endurecimento dê certo, a liga geralmente precisa estar em um estado recozido. Soldar ligas endurecidas por precipitação pode causar rachaduras por envelhecimento por deformação). Em outras ligas de níquel, isso geralmente não é necessário. As juntas soldadas de ligas de níquel com aço inoxidável também devem ser recozidas. Aqui estão alguns exemplos de ligas de níquel que requerem tratamento térmico após a soldagem.

Liga 602 CA / 2.4633 - Liga com alto teor de alumínio. Recomenda-se tratamento térmico após a soldagem se os componentes soldados forem usados em temperaturas entre 600 e 750 °C. Superaquecimento 1220 °C; arrefecimento a ar/água + estabilização 950 °C; 3h; arrefecimento a ar.

Liga 80a / 2.4952 - O tratamento térmico após a soldagem melhora as propriedades de resistência e a resistência à corrosão. Parâmetros de tratamento para vários produtos no link.

Liga 200 / Liga 201 - Recomenda-se o tratamento térmico após a soldagem se a solda for usada num ambiente alcalino corrosivo. Recozimento a 700 °C por 30 minutos por cada 25 mm de espessura da chapa, arrefecimento com ar.

Liga 600 / 2.4816 - Recomenda-se o tratamento térmico após a soldagem se a solda for usada num ambiente corrosivo com reação alcalina. Recozimento a 900 °C por 1 hora, resfriamento com ar.

Liga 400 / 2.4360 - Recomenda-se o tratamento térmico após a soldagem se a solda for usada num ambiente com ácido fluorídrico. Recozimento a 600 °C por 30 minutos, arrefecimento com ar.

Perda de resistência na zona afetada pelo calor

Aplica-se: às ligas endurecidas por precipitação soldadas num estado endurecido (envelhecido).

Descrição: O efeito da temperatura dissolve os precipitados de reforço. A zona afetada pelo calor deixa de ser reforçada. Além disso, podem aparecer fissuras.

Solução: Recozimento de solução após soldagem e reenvelhecimento.

Fissuras por envelhecimento por deformação

Aplica-se a: às ligas endurecidas por precipitação com um teor total de alumínio e titânio superior a 6%, por exemplo:

• Rene 41,
• Liga 702,
• Liga 700,
• Unitemp 1753,
• Udimet 500,
• Astroloy,
• Liga 713,
• Liga B-1900
• Waspaloy

Descrição: Durante a soldagem, o metal passa pela faixa de temperatura de envelhecimento (geralmente 600-750 °C) duas vezes - uma durante o aquecimento e outra durante o arrefecimento. Então, quando aquecido para tratamento térmico pós-soldagem, à medida que a liga passa novamente pela temperatura de envelhecimento, as tensões resultantes levam a fissuras de envelhecimento.

Soluções:

• selecionar uma liga endurecida por precipitação com um teor mais baixo de Ti+Al (por exemplo, liga 718),
• tratamento térmico em vácuo ou atmosfera protetora,
• soldagem em estado envelhecido (especialmente útil no caso do Rene 41),
• aquecimento rápido durante o tratamento térmico pós-soldagem.

Além disso, essas ligas devem sempre ser soldadas em um estado de alívio de tensão e a quantidade de entrada de calor deve ser limitada.

Soldas de reparo

As ligas de níquel não alteram sua composição química mesmo após uso prolongado e podem ser soldadas para reparo, especialmente se o dano for localizado. No entanto, a exposição prolongada a ambientes de sulfuração, carburação ou oxidação pode deteriorar a condição geral da peça a tal ponto que as opções de soldagem de reparo são limitadas.

Soldagem de peças fundidas

Muitas ligas de níquel destinadas à usinagem têm um equivalente fundido. Essas ligas geralmente têm um teor mais alto de silício, o que torna a soldagem mais difícil.

Fontes

Special Metals, Welding Nickel Alloys

Hastelloy International, Welding and Joining Guidelines

ASM Specialty Handbook, Nickel, Cobalt, and Their Alloys