Os principais problemas de soldagem de ligas de níquel estão associados com a formação de trincas e fissuras, perda de resistência mecânica na região da solda, precipitação ou fragilização e perda da resistência à corrosão, os quais podem ocasionar o colapso dos componentes de engenharia.
Trincas são definidas como a separação física de um determinado volume de material, podendo existir ao longo de grandes dimensões e detectáveis a olho nú (macrotrincas), ou em pequenas extensões, as quais são somente detectáveis com auxílio de equipamentos (SIMS et al., 1987). A classificação mais usual para o fenômeno de trincamento é baseada na faixa de temperatura na qual as trincas ocorrem. WU & TSAI (1999) classificaram as trincas em soldagem em três categorias: trincas a quente, trincas a morno e trincas a frio.
2.6.3.1 Trinca a quente
Os principais tipos de trincas a quente são as trincas de solidificação na zona fundida (Figura 2.19a e 2.23c) e as trincas de liquação (Figura 2.19b) que podem ocorrer na zona afetada pelo calor ZAC, no metal de base ou ainda em metais de solda depositados previamente (ROBINSON & SCOTT, 1980). O fenômeno de trinca a quente tem sido estudado por vários pesquisadores para diversas ligas CFC como aços inoxidáveis auteníticos, ligas de Al, ligas de Cu e ligas de Ni (NOECKER II & DUPONT, 2007; DUPONT, 1999; DUPONT et al., 1999; TAKALO et al., 1979; KAN & DICKINSON, 1981).
Como visto anteriormente, durante a solidificação da poça de fusão o sólido rejeita soluto para o líquido e ao final tem-se uma região segregada rica em soluto. Dependendo da composição da liga e do tipo de soluto rejeitado, podem ser formados eutéticos com baixo ponto de fusão, os quais molham a superfície dos contornos de grão de solidificação formando um filme líquido entre os sólidos. Este líquido presente entre as dendritas não possui resistência aos esforços de tração devido à contração da poça de fusão durante a solidificação e o resfriamento, causando o descolamento entre as superfícies dos sólidos e, consequentemente, a trinca. Muitos autores consideram a explicação apresentada acima como a teoria clássica para trincas de solidificação (KOU, 2003a; KOU 2003b; BORLAND, 1960).
Figura 2.19. a) Trinca de solidificação (SLYVINSKY et al., 2005). b) Trinca de liquação (YUSHCHENKO et al., 2005). c) Superfície de fratura de uma trinca de solidificação
(MAROEF et al., 2005).
Uma vez que as trincas de solidificação são formadas ao longo dos contornos de grão de solidificação, estes podem ter papel importantíssimo sobre o fenômeno. Evidencias
mostram que -em- (Figura 2.20) e o
crescimento colunar se dá normal à direção de soldagem, ocorre então a formação da linha de centro da solda (CROSS, 2005; KOU, 2003b), a qual pode ter efeitos prejudiciais ao comportamento da solda (SAVAGE & ARONSON, 1966).
Figura 2.20. ( -em- ; (b) Desenho indicando a formação da
linha de centro da solda; (c) Poça com geometria elíptica; (d) Desenho indicando a ausência da linha de centro. (HUNZIKER et al., 2000).
(a) (b) (c) (a) (b) (c) (d)
Esta região da solda é constituída pelo encontro entre os grãos colunares ao final da solidificação. Devido ao processo de segregação durante a solidificação, grande parte das impurezas são acomodadas na linha de centro de solda, resultando na formação de filmes líquidos ao longo dos contornos de grão, constituídos por eutéticos com ponto de fusão mais baixo que o da liga. Também no contorno da linha de centro da solda são concentradas grande parte das tensões de contração (CROSS, 2005). Desta forma, o filme líquido não é capaz de resistir às condições impostas, e sua ruptura causa o descolamento entre as superfícies sólidas, resultando na formação da trinca.
Tem sido reportado na literatura que a formação da linha de centro da solda, bem como a formação de trinca a quente estão associadas à condições de altas velocidades de soldagem (SHINOZAKI et al., 1999; FONTANA et al., 1999). Entretanto, HUNZIKER et al. (2000) estudaram a formação do contorno de grão da linha de centro por representarem um potencial defeito na soldagem de ligas de Ni, e concluíram que a formação da linha de centro da solda foi muito mais dependente da potência de soldagem (I x V) do que da velocidade de soldagem.
SLYVINSKY et al. (2005) também verificaram uma forte relação entre a energia de soldagem por unidade de comprimento e velocidade de soldagem sobre a suscetibilidade à trinca à quente. Eles apresentam que baixos níveis de energia de soldagem favorecem uma poça com geometria elíptica, sem formação de linha de centro (Figura 2.20). Verificaram ainda que com o aumento da velocidade de soldagem houve uma maior proporção de dendritas equiaxiais, resultantes de uma alta taxa de cristalização que favoreceu uma rápida solidificação na parte final da poça de fusão, sem qualquer difusão. Tal comportamento implicou num aumento de resistência à trinca de solidificação com o aumento da velocidade de soldagem.
DYE et al. (2001) determinaram numérica e experimentalmente a correlação entre os parâmetros de soldagem e a ocorrência de defeitos na soldagem por fusão da liga Inconel 718. Os autores verificaram que a ocorrência de trincas de liquação é fortemente sensível à velocidade de soldagem. Já as trincas de solidificação são esperadas para baixas velocidades de soldagem e altas energias. Eles também determinaram a região ótima para soldagem na qual não foi observada a presença de defeitos, como pode ser observado na Figura 2.21.
Figura 2.21. Mapa de soldabilidade para a liga Inconel 718 (DYE et al., 2001).
2.6.3.2 Trinca a frio
Trinca a frio é um tipo de falha que pode ocorrer na soldagem de aços temperáveis, os quais formam fases com elevada dureza. Embora ligas de níquel não sejam susceptíveis à este tipo de fenômeno, na soldagem dissimilar com aços C-Mn ou baixa liga tal problema pode ser desenvolvido. Em geral estas trincas são atribuídas à uma combinação de fatores, como a presença de martensita com alta dureza e bastante frágil, hidrogênio atômico dissolvido no metal, níveis de tensões residuais favorável e baixa temperatura.
O hidrogênio pode ser induzido na soldagem por diversas fontes tais como umidade e/ou compostos orgânicos nos consumíveis (revestimentos ou fluxos), umidade na superfície do material, presença de tintas, vernizes e outros compostos orgânicos na superfície a ser soldada, dentre outros. O hidrogênio introduzido no metal fundido pode migrar para o interior da ZAC. Uma das teorias sobre o mecanismo de formação de trincas a frio cita que, átomos de hidrogênio migram por difusão e, ao encontrarem outros átomos, ocorre a formação de moléculas, as quais geram microvazios que concentram tensões e associada à presença de uma microestrutura dura e frágil e um campo de tensões elevado, a trinca se propaga (RADAJ, 1992; BAILEY, 1994; BAILEY et al. 1993; EASTERLING, 1983).
Este tipo de fissuração é demasiadamente perigosa, uma vez que as trincas podem ocorrer várias horas após a soldagem. Na Figura 2.22 é apresentada uma trinca na ZAC do
aço AISI 4340 soldado com eletrodo revestido. Uma vez que esta junta não esteve sob aplicação de esforços, tem-se que as tensões residuais de soldagem foram as únicas responsáveis pela formação da trinca.
Figura 2.22. Fissuração à frio em aço baixa liga alta resistência AISI 4340 soldado com eletrodo revestido (SILVA et al., 2006).