A soldagem dissimilar é utilizada frequentemente com o objetivo de reduzir problemas de trincas ou de proporcionar determinadas propriedades ao metal de solda. Na soldagem de metais dissimilares austeníticos/ferríticos, o principal problema de ordem metalúrgica encontrado é decorrente da variação significativa da composição química do metal de solda próximo à linha de fusão, o que resulta em regiões com microestrutura e propriedades bastante diferentes do restante do metal de solda que podem comprometer a desempenho do metal de solda. Estas regiões, cujas composições não podem ser estimadas por cálculo de diluição e sim por técnicas de microanálise, podem apresentar valores de dureza acima de 400 HV, ou seja, na faixa de dureza das estruturas martensíticas. Regiões com dureza nesta faixa e com presença de hidrogênio podem levar o material a um processo de fratura por trincas induzidas por hidrogênio (DOODY, 1992; OMAR, 1998; KEJELIN et al., 2007).
A variação de composição química no metal de solda próximo à linha de fusão é considerada como uma macrosegregação ao invés de microsegregação, uma vez que esta última ocorre numa escala correspondente ao espaçamento entre os braços de dendritas ou entre células, que em geral é da ordem de 10 a 20 m. As macrosegregação, por outro lado, pode ocorrer numa escala muito maior, por exemplo, camadas de 100 a 200 μm de espessura ao longo da linha de fusão ou mesmo distante de 1 a 2 mm da mesma (YANG e KOU, 2007).
As macrosegregações na soldagem dissimilar foram descobertas há mais de 40 anos e têm recebido várias denominações e abordagens diferentes. Por exemplo,
Savage et al. (1976b) observou na soldagem do aço HY-80 (2,8% Ni, 1,6% Cr, 0,3% Mn) com o eletrodo de aço E11018G (1,5% Mn e uma quantidade desprezível de Cr) uma “zona não misturada” em forma de uma fina camada com aproximadamente 75 μm de espessura ao longo da linha de fusão, a qual chamaram de interface. Essas macrosegregações também se estenderam para dentro do metal de solda como penínsulas, as quais foram chamadas de dobras.
No trabalho de Savage et al. (1976b) também foi observada a presença de um gradiente de composição química entre a zona não misturada e o metal de solda. Esta zona não misturada foi atribuída a existência de uma camada estagnada de metal de solda líquido e/ou de um fluxo laminar do mesmo imediatamente adjacente ao metal de base sólido, pois mesmo com o movimento turbulento da poça de fusão, a velocidade do líquido deve se aproximar de zero na interface sólido/líquido.
DODE (1992), soldando um aço inoxidável com um aço ao carbono utilizando como metais de adição um aço inoxidável e uma liga de níquel, observou no lado do aço carbono uma zona não misturada de alta dureza em forma de praias com espessura de 10 a 60 m, a qual foi identificada como martensita, e ilhas com uma composição intermediária entre a do aço ao carbono e a do metal de solda. Foi sugerido no trabalho que a baixa difusão do soluto no líquido pode ser a melhor explicação para o fenômeno. Eles usaram pela primeira vez os nomes praias e ilhas para descrever as macrosegregações em soldas.
As várias formas de macrosegregações próximo à linha de fusão na soldagem a arco voltaico têm sido reportadas como zonas não misturadas, áreas empobrecidas de metal de adição, zonas intermediárias, zonas intermediárias misturadas e zonas duras. De uma maneira geral elas são classificadas em:
“Praias” (faixas finas e estreitas ao longo da linha de fusão); “Ilhas” (regiões inteiramente envolvidas pelo metal de solda);
“Baías” (região ligada ao metal de solda parcialmente circundada pelo metal de base).
“Península” (região ligada ao metal de base parcialmente circundada pelo metal de solda.
Ao longo dos anos foram dadas várias explicações para a formação das macrosegregações na linha de fusão de soldas dissimilares, dentre elas podem ser citadas: a fraca convecção na poça de fusão, a baixa difusão no líquido, a ocorrência de misturas parciais de líquidos e a segregação de soluto durante a soldagem. Diversos trabalhos têm relatado que as presenças das macrosegregações podem estar associadas a problemas como: trincas por hidrogênio (ROWE et al., 1999a), corrosão e ainda, corrosão sob tensão (DOODY, 1992)
KOU e YANG (2007) propuseram dois mecanismos para a formação das macrosegregações na soldagem dissimilar. Os autores levaram em consideração a influência do metal de adição dissimilar na composição do metal de solda e, consequentemente, na temperatura liquidus do mesmo. Esta influência pode ser visualizada na Figura 21 que representa esquematicamente um diagrama de fases semelhante ao do sistema Cu-Ni, onde as composições do metal de base, do metal de adição e do metal de solda são respectivamente dadas por CB, CF e CW. Na
Figura 21a tem-se a situação em que a temperatura liquidus do metal de solda (TLW)
é menor que a temperatura liquidus do metal de base (TLB), pois, CF>CB e,
consequentemente, CW>CB. Por outro lado, quando CF<CB, a temperatura liquidus
do metal de solda (TLW) será maior que a temperatura liquidus do metal de base
(TLB), como mostra a Figura 21b.
Figura 21. Efeito da composição do metal de adição na temperatura liquidus do metal de solda. (a) temperatura liquidus do metal de solda (TLW) menor que a
temperatura liquidus do metal de base (TLB). (b) temperatura liquidus do metal de
solda (TLW) maior que a temperatura liquidus do metal de base (TLB) (KOU e YANG,
O Mecanismo 1, proposto para soldagens dissimilares onde TLW<TLB, é o
mais adequado para a soldagem de revestimentos de ligas de níquel sobre os aços ao carbono, tendo em vista que o ponto de fusão do aço ao carbono (1500 ºC) (metal de base) é maior que os das ligas de níquel utilizadas nos revestimentos que se situa entre 1290 e 1380 ºC, (Tabela 3, Tabela 7 e Tabela 10).
A Figura 22 mostra um corte da seção longitudinal da poça de fusão de uma soldagem dissimilar a arco voltaico onde a TLW<TLB para o modelo proposto por KOU
e YANG (2007). Os autores explicaram a formação de uma praia na linha de fusão, com base na Figura 22a, considerando que uma mistura completa do metal de solda em toda a poça de fusão é improvável de acontecer, tendo em vista que a mecânica dos fluidos mostra que a velocidade de um fluido é zero na superfície do sólido sobre o qual o mesmo escoa e, ainda, próximo à linha de fusão a convecção na poça é fraca, fazendo com que ocorra a estagnação de uma camada do metal de base líquida ou um fluxo laminar da mesma, como foi sugerido por SAVAGE (1976b). Esta camada é muito fina, pois a convecção no restante da poça de fusão é em geral muito forte. Na ausência de um super-resfriamento significativo, o corpo do metal de solda começa a sua solidificação em TLW, enquanto que a camada de metal
de base líquida começa a sua solidificação em TLB. Com isso, os autores concluem
que a temperatura na frente de solidificação não é mais uma isotérmica com temperatura TLW como na soldagem autógena (KOU e YANG, 2007).
Figura 22. Formação da macrosegregação na linha de fusão (ZPM) para o Mecanismo 1. (a) formação de praias. (b) Formação de praia, península e ilha pelo mecanismo 1. Frente de fusão a frente do círculo e atrás a frente de solidificação (KOU e YANG, 2007).
Em geral pode existir um gradiente de composição química entre a camada do metal de base líquida e o corpo do metal de solda líquido e, consequentemente, entre a praia e o corpo do metal de solda. Isto pode ocorrer devido às seguintes razões: difusão entre os dois líquidos lenta, mistura parcial entre os dois líquidos e segregação durante a solidificação (DOODY, 1992; KOU e YANG, 2007).
Como foi dito anteriormente, as macrosegregações podem ocorrer na forma de praias, penínsulas e ilhas que são geradas pelas fortes correntes de convecção na poça de fusão que podem arrastar a camada de metal de base líquida para dentro do corpo do metal de solda líquido, o qual se encontra numa temperatura inferior a TLB, fazendo com que o material líquido arrastado resfrie rapidamente na
forma de penínsulas e ilhas como mostra a Figura 22b. As correntes de convecção são motivadas pelos seguintes fenômenos: forças eletromagnéticas, gradientes de tensões superficiais, choques das gotas do metal de adição contra a poça de fusão e interrupções no arco voltaico (KOU e YANG, 2007). A Figura 23 mostra a presença de baía, península e ilha na soldagem MIG/MAG dissimilar entre a liga de níquel AWS ERNiCrMo-4 (metal de adição) e o aço ASTM 516 Gr 60 (metal de base).
Figura 23. Presença de praia, penínsulas e ilha na soldagem MIG/MAG dissimilar entre a liga de níquel AWS ERNiCrMo-4 (metal de adição) e o aço ASTM 516 Gr 60 (metal de base).
BEAUGRAND et al. (2009), estudando a soldagem do aço 8630 M forjado com o metal de adição da liga UNS N06625, encontrou na microestrutura da interface MS/MB, seis tipos de morfologias diferentes (Figura 24). A seguir serão descritas os tipos de morfologias encontradas no trabalho de BEAUGRAND et al. (2009).
Figura 24. Microestruturas encontradas na interface MS/MB da soldagem dissimilar entre o metal de base 8630 M e a liga UNS N06625. (a) no centro cordão, (b) entre passes (BEAUGRAND et al., 2009).
1) Metal de base: constituído de uma microestrutura ferrítica fina, com “dedos” ocasionais do metal de solda altamente diluído penetrando no metal de base, aparentemente nos contornos de grão da austenita anterior.
2) Zona Δ: zona estreita descarbonetada na região do aço 8630 M, imediatamente adjacente à linha de fusão, contendo ocasionalmente materiais de alto número atômico.
3) Zona M: região constituída de martensita rica em ferro, localizada próximo à linha de fusão, principalmente na ZPM, mas podendo se estender para dentro do aço não fundido. Estende-se por alguns mícrons na ZPM, principalmente nas regiões de interpasses. Nas regiões do aço diluído que penetra no metal de solda, originada por redemoinhos, se localiza nas regiões interpasses e intrapasses.
4) Zona Φ: região do lado do metal de solda imediatamente adjacente à linha de fusão que exibe uma microestrutura aparentemente monofásica numa escala microscópica.
5) Zona : região que contém uma elevada quantidade de metais com alto número atômico. Estes metais apresentam uma distribuição interdendrítica, coerente com a segregação esperada de Mo e Nb durante solidificação desta região altamente diluída do metal de solda. 6) Metal de solda: a maior parte da primeira camada e as camadas
subsequentes do depósito de solda com a composição química similar a da liga UNS N06625 com menor população de precipitados Nb/Mo. As Zonas 3 a 5 constituem a ZPM, conforme indica o gradiente de composição química existente entre o metal de base e a maior parte da primeira camada do metal de solda. A ZPM consiste principalmente de Fe, Ni e Cr, cuja composição varia entre a do metal de base até a do metal de adição. A largura da
ZPM variou de algumas dezenas até umas poucas centenas de mícrons (BEAUGRAND et al., 2009).