O aço carbono é um dos materiais mais utilizados em soldagem, pois não é apenas resistente, mas também acessível e versátil. Este material é utilizado em diversos setores, desde tubulações até máquinas de construção e máquinas domésticas. No entanto, a soldagem de aço carbono também apresenta alguns desafios. Eles precisam ser manuseados para garantir alta qualidade e durabilidade.

Como existem diferentes tipos de aço carbono, o calor reage de forma diferente com cada um. Por exemplo, o aço de baixo carbono é mais fácil de soldar em comparação com o aço de alto carbono. Selecionar a técnica, o tratamento térmico e os materiais de adição corretos ajuda a lidar com os desafios da soldagem.

Portanto, é importante entender as diferentes propriedades do aço carbono. Discutiremos como soldar aço carbono, seus tipos, desafios, técnicas de soldagem corretas e muito mais.

O que é aço carbono?

O aço carbono é basicamente uma liga de ferro e carbono com alguma quantidade de enxofre, manganês e silício. A quantidade de carbono presente nessas ligas determina sua dureza e resistência. O aço de alto carbono possui maior teor de carbono, oferecendo maior resistência e dureza, mas dificulta a soldagem devido à ductilidade reduzida.

Existem três categorias principais de aço carbono com base na composição, especialmente no teor de carbono. São elas: aço de alto carbono, aço de médio carbono e aço de baixo carbono (aço carbono macio contendo 0,60%-1,50%, 0,30%-0,60% e até 0,30%, respectivamente).

Quanto menor o teor de carbono no aço carbono, maior sua soldabilidade. Além disso, o aço de baixo carbono é menos propenso a defeitos de soldagem, como trincas e porosidade. Certas propriedades afetam a soldagem do aço carbono.

Propriedades que afetam a soldagem do aço carbono

Portanto, a soldagem de aço carbono depende de fatores como composição, resposta térmica e propriedades mecânicas. É importante compreender esses fatores para selecionar adequadamente as técnicas de soldagem, minimizando defeitos como trincas, porosidade e distorção.

1. Resistência, Ductilidade e Dureza

Resistência é a capacidade de qualquer material de tolerar força sem se estilhaçar ou quebrar. A resistência aumenta com o aumento do teor de carbono.

No entanto, diminui a ductilidade. Ductilidade é a capacidade de esticar ou deformar qualquer metal sem quebrar. O baixo teor de carbono aumenta a ductilidade e torna o aço carbono facilmente soldável.

Por outro lado, a dureza é a resistência ao desgaste e à indentação. O aço de alto carbono é mais propenso a trincas durante a soldagem, pois é muito duro.

2. Efeito do teor de carbono na soldagem

Como mencionado, o teor de carbono desempenha um papel fundamental na determinação da eficiência e facilidade de soldabilidade do aço carbono.

O aço de baixo carbono é o tipo de aço carbono mais fácil de soldar, pois possui a menor quantidade de carbono. Isso reduz os riscos de rachaduras e endurecimento. Você pode soldá-lo sem tratamentos de aquecimento pré e pós-soldagem.

Aços de carbono moderado possuem maior teor de carbono e são propensos a trincas. O pré-aquecimento do material e o controle do aporte térmico ajudam a obter soldas de alta qualidade. Para manter a resistência, é importante selecionar o material de adição correto.

Como o nome indica, o aço de alto carbono tem o maior teor de carbono, o que significa que ele pode rachar facilmente.

Portanto, é necessário realizar resfriamento lento, aquecimento pré-soldagem e tratamento de aquecimento pós-soldagem (às vezes) para minimizar a fragilidade e aliviar o estresse residual.

3. Impurezas e elementos de liga

O carbono é, sem dúvida, o fator mais importante que determina a soldabilidade dos materiais. No entanto, outros elementos de liga presentes no aço carbono também exercem alguma influência.

Por exemplo, o manganês ajuda a reduzir a fragilidade e a aumentar a tenacidade, o que torna a soldagem bastante durável.

O silício ajuda a prevenir a oxidação durante a soldagem e melhora a resistência. Fósforo e enxofre oferecem boas propriedades, mas aumentam as chances de rachaduras. Já o nitrogênio e o oxigênio levam à porosidade.

4. Zona Afetada pelo Calor (ZAC)

A área ao redor da solda é afetada pelo calor extremo e é chamada de zona afetada pelo calor (ZTA).

Ela sofre mudanças significativas de temperatura, alterando as propriedades do material. Esta zona é muito importante em aços de alto e médio carbono, pois o excesso de calor leva a aquecimento, distorção e tensão residual.

Todos eles causam rachaduras e falhas estruturais e tornam o aço mais quebradiço.

5.Controle de rachaduras e distorções

Os soldadores utilizam diversas técnicas para controlar rachaduras, distorções e outros defeitos de soldagem. As técnicas mais comuns são pré-aquecimento, tratamentos térmicos pós-soldagem e controle de temperatura entre passes.

O pré-aquecimento não apenas diminui a taxa de resfriamento para reduzir a dureza, mas também ajuda a reduzir os riscos de rachaduras.

Os tratamentos térmicos pós-soldagem aliviam as tensões residuais e melhoram as microestruturas de alto teor de carbono do material. Por outro lado, o controle de temperatura entre passes controla as zonas afetadas pelo calor e o resfriamento do local de trabalho, minimizando, assim, o acúmulo de tensões.

Tipos de aço carbono e seus desafios

Existem três tipos de aço carbono com base no teor de carbono. Nem todos esses tipos são criados iguais.

O mesmo ocorre com o método/técnica de soldagem. Os desafios de soldagem aumentam à medida que se aumenta o teor de carbono nesses tipos, pois isso diminui a ductilidade e aumenta a dureza.

Discutiremos os tipos em detalhes e veremos quais desafios de soldagem eles enfrentam.

1. Soldagem de aço de baixo carbono

O aço de baixo carbono é conhecido como aço macio e contém até 0,30% de carbonoDevido ao seu baixo teor de carbono, é o tipo mais fácil de soldar. É muito dúctil e sua dureza também é baixa. Existem diversas aplicações estruturais desse tipo de aço carbono, incluindo tubulações e indústria automotiva.

Como o aço de baixo carbono não endurece muito durante o processo de soldagem, não é necessário realizar tratamentos de pré-aquecimento. As três técnicas de soldagem mais comuns para a soldagem de aço de baixo carbono são soldagem eletrostática, MIG e TIG.

No entanto, há um desafio que precisa ser enfrentado: evitar contaminações, pois elas enfraquecem ainda mais a solda. Para isso, é necessário limpar a superfície do material para remover poeira, sujeira e ferrugem, além de evitar juntas fracas e porosidade.

Também é recomendável controlar a entrada de calor para evitar distorção excessiva. Isso é particularmente importante para chapas metálicas mais finas. Embora o aço carbono seja fácil de soldar, a negligência do trabalhador pode levar a defeitos de soldagem.

2.Soldagem de aço de médio carbono

O aço de médio carbono possui um teor de carbono de 0,30% a 0,60%. Como é mais forte e duro quando comparado ao aço de baixo carbono, ele é mais suscetível a rachaduras e outros defeitos de soldagem se manuseado incorretamente.

Este tipo de aço carbono tem diversas aplicações na fabricação de engrenagens, eixos e máquinas, pois a resistência ao desgaste e à tração são muito importantes nessas indústrias.

Ao contrário do aço carbono, este aço carbono exige um controle cuidadoso do pré-aquecimento e das taxas de resfriamento. O tratamento de pré-aquecimento desacelera a taxa de resfriamento e reduz as chances de rachaduras na área afetada pelo calor.

A temperatura de pré-aquecimento é definida de acordo com a espessura do material e seu teor de carbono. Normalmente, varia de 120 °C a 260 °C.

Se o aço de médio carbono for resfriado muito rapidamente, ele formará uma microestrutura dura muito rapidamente durante a soldagem, o que levará ao aumento da fragilidade e falha da solda.

Para resolver esse problema, são realizados tratamentos térmicos pós-soldagem (PWHT) para aumentar a tenacidade e aliviar a tensão residual. Além disso, é fundamental selecionar o material de enchimento correto, que mantenha a integridade estrutural e seja compatível com o material base.

3.Soldagem de aço de alto carbono

Como o nome indica, é o que possui a maior quantidade de carbono. O aço de alto carbono tem um teor de carbono de 0,60% a 1,50%, aumentando a dureza e a resistência ainda mais do que o aço de médio carbono.

Embora seja o tipo mais resistente, é o mais difícil de soldar devido à sua dureza. O aço de alto carbono tem múltiplas aplicações em componentes de alta resistência, molas e ferramentas de corte, pois exige extrema durabilidade.

Entre alguns desafios da soldagem, a principal preocupação é a formação de rachaduras devido ao resfriamento rápido. Portanto, o pré-aquecimento é uma boa opção para resolver esse problema. Pré-aqueça a temperaturas entre 260 °C e 360 °C, o que reduz a diferença de temperatura entre a solda e o material de base. Isso, por sua vez, reduz as tensões internas.

Outro ponto a considerar é a seleção do material de enchimento apropriado. Recomenda-se o uso de um enchimento com baixo teor de carbono, pois é fácil de soldar e evita significativamente o aquecimento excessivo da zona afetada pelo calor.

Além disso, você também precisa controlar o resfriamento. Para isso, cubra toda a solda com materiais isolantes para diminuir a taxa de resfriamento. Você pode usar mantas térmicas ou areia para essa finalidade.

O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) é necessário para restaurar alguma ductilidade e amolecer as áreas endurecidas.

Esta etapa é chamada de têmpera ou alívio de tensões. Envolve o aquecimento das áreas soldadas novamente a temperaturas mais baixas e, em seguida, a espera para que esfriem lentamente.

Se você pular esta etapa, poderá aumentar as chances de fragilidade do material, levando à falha sob estresse.

Melhores métodos de soldagem para aço carbono

Como o aço carbono tem um grande número de aplicações, os soldadores devem selecionar uma técnica de soldagem que garanta uma solda de alta qualidade que não seja apenas durável, mas também livre de defeitos.

A seguir estão os tipos de métodos de soldagem usados para soldagem de carbono.

Soldagem por eletrodos

Soldagem por eletrodos

Soldagem a arco ou soldagem a arco metálico blindado (SMAW) está entre os métodos de soldagem mais utilizados por ser fácil de executar e versátil. Durante esse processo, é utilizado um eletrodo revestido com fluxo que, ao ser derretido pela tocha, produz um gás de proteção. Ele protege a solda de contaminantes externos.

Soldagem a arco metálico a gás

Soldagem a arco metálico a gás

Também chamado MIGEste método é muito eficiente e pode ser automatizado. Utiliza-se um fio de alimentação contínua como eletrodo. Há um gás de proteção externo para proteção contra contaminantes. Produz escória mínima e é um método mais rápido.

Soldagem a arco de gás tungstênio

Soldagem a arco de gás tungstênio

Este método é altamente aplicável para obter precisão onde soldas de alta qualidade são necessárias. Uma blindagem com eletrodo de tungstênio não consumível é usada na soldagem TIG. Ela produz soldas mais limpas e controladas devido ao maior controle sobre o aporte térmico. A melhor parte é que você pode soldar com ou sem o uso de material de adição.

Soldagem a arco com núcleo de fluxo

Soldagem a arco com núcleo de fluxo

A soldagem a arco com núcleo de fluxo é semelhante à soldagem a arco com gás metálico. No entanto, utiliza um eletrodo de arame tubular preenchido com fluxo para produzir seu próprio gás de proteção. Por isso, é perfeita para ambientes externos e aplicações pesadas. Funciona muito bem com aço carbono mais espesso e proporciona penetração mais profunda.

Soldagem Oxicombustível

Também chamada de soldagem a gás simples, utiliza uma chama produzida pela queima de acetileno e oxigênio para derreter e fundir aço carbono. Não é muito usada atualmente, mas tem aplicações limitadas. Não requer corrente elétrica e é portátil.

As soldas que produz não são de boa qualidade. Além disso, não é adequado para materiais mais espessos.

Como soldar aço carbono?

Soldagem de Aço Carbono

A soldagem de aço carbono é um método passo a passo, no qual cada etapa precisa ser realizada com cuidado. A execução adequada é importante para garantir o mínimo de defeitos de soldagem e a manutenção da qualidade da soldagem.

1. Preparação da superfície metálica

A preparação da superfície metálica garante soldas de alta qualidade. Se você não remover óleo, graxa, tinta, sujeira e ferrugem, isso levará à porosidade. Portanto, comece limpando a superfície com uma escova de aço, um limpador químico ou uma lixadeira.

Prepare as bordas de seções mais espessas de aço carbono. O ângulo de chanfro deve estar entre 30 e 45 graus, dependendo da técnica de soldagem.

Posicione e fixe as peças de trabalho com precisão usando soldas ou grampos para garantir que não haja desalinhamentos.

2. Selecione o eletrodo ou enchimento correto

Aços de baixo carbono utilizam eletrodos E6010 e E7018 para soldagem a arco com blindagem. Já para soldagem MIG, o ER70S-6 é uma boa opção. Tratamentos de aquecimento pré e pós-soldagem são necessários para aços de médio carbono.

Enquanto isso, eles usam o eletrodo E7018 ou ER80S-D2. Por outro lado, como o aço de alto carbono é quebradiço e duro, ele usa um eletrodo à base de níquel ou um eletrodo de aço inoxidável para reduzir a formação de trincas. Para este tipo, também são necessários resfriamento e pré-aquecimento lentos.

3. Defina os parâmetros corretos

Cada tipo de aço carbono possui um conjunto específico de parâmetros para ser soldado com precisão. Por exemplo, a soldagem com eletrodo revestido é realizada com corrente de 75 a 200 amperes e ângulo de eletrodo de 10 a 15 graus. É necessário manter uma velocidade uniforme para evitar cortes inferiores.

A tensão para soldagem MIG deve ser de 18 a 24 V, com uma velocidade de alimentação do arame de 630 a 1270 mm por minuto. Para soldagem TIG, mantenha a corrente entre 50 e 200 amperes. Utiliza-se o gás argônio 100% como gás de proteção para produzir soldas mais limpas. Já a FCAW é realizada a 18 a 26 V, com uma velocidade de alimentação do arame de 500 a 1240 mm por minuto.

É necessário controlar o aporte de calor e a distorção, pois o aço carbono tende a expandir e contrair quando em contato com o calor. O pré-aquecimento do aço de médio carbono a 125 °C a 260 °C reduz a formação de rachaduras.

4. Executar soldagem

Inicie o arco corretamente para soldagem com eletrodo revestido, riscando o eletrodo como um fósforo. Mantenha o comprimento do arco constante para soldagem TIG e MIG.

Certifique-se de que o tamanho do cordão seja uniforme. Execute várias passagens conforme necessário ou no caso de materiais mais espessos.

Soldagem de aço carbono em aço inoxidável

Soldar aço carbono ao aço inoxidável enfrenta muitos desafios, pois há uma grande diferença na composição dos dois tipos de aço.

Não apenas a composição, mas também têm diferentes condutividades térmicas e diferentes níveis de resistência à corrosão.

Ambos os materiais são amplamente utilizados em indústrias para diversas aplicações, particularmente em áreas onde são necessárias as propriedades de resistência do aço inoxidável, mas a resistência do aço carbono.

Tais aplicações são equipamentos de processamento químico, componentes estruturais que operam sob condições adversas e tubulações.

Diferença entre aço carbono e aço inoxidável

A principal diferença entre o aço inoxidável e o aço carbono está na composição. O aço carbono é feito de ferro e carbono, além de alguns elementos de liga como manganês, enxofre e silício. Embora seja bastante resistente, é altamente suscetível à ferrugem na presença de umidade.

Por outro lado, o aço inoxidável possui cromo (pelo menos 10,5%), que forma uma camada protetora de óxido na superfície do material, prevenindo corrosão e ferrugem. Possui também propriedades de resistência ao calor devido à presença de ligas como o níquel.

No entanto, o aço inoxidável tem menor condutividade térmica e se expande mais quando exposto ao calor em comparação ao aço carbono. Portanto, o aço inoxidável tende a entortar, torcer e distorcer durante a soldagem.

Além disso, ambos são diferentes em termos de diluição. Quando os metais fundidos se misturam durante a soldagem para formar uma solda, o aço inoxidável altera as propriedades da solda. Isso pode causar fragilidade e corrosão se não for gerenciado adequadamente.

Problemas durante a soldagem de aço carbono com aço inoxidável

Como não são semelhantes entre si, sua soldagem enfrenta certos desafios, como diferentes pontos de fusão, incompatibilidade de expansão térmica, migração de carbono e problemas de corrosão.

O aço carbono tem um ponto de fusão mais baixo que o aço inoxidável quando aquecido, o que o torna quebradiço e propenso a rachaduras.

A distorção da solda e a tensão residual aumentam porque o aço inoxidável tem maior expansão térmica em comparação ao aço carbono.

A migração de carbono também é comum nessa fusão. Durante a fusão, o carbono do aço carbono migra para o aço inoxidável e se difunde ali, tornando os materiais de aço inoxidável propensos a rachaduras.

Por fim, se você usar o material de enchimento errado, há uma grande chance de a solda corroer rapidamente.

Escolha a técnica de soldagem correta

Escolher o método certo para soldar aço carbono ao aço inoxidável é importante. Assim como na soldagem padrão, existem certas técnicas de soldagem mais adequadas para esse tipo de fusão.

Isso inclui soldagem a arco metálico blindado (soldagem com eletrodo revestido), soldagem a arco de tungstênio a gás (GTAW), soldagem a arco metálico a gás (GMAW) e soldagem a arco com núcleo de fluxo (FCAW).

A soldagem a arco com eletrodo revestido (SMAW) é um método acessível, mas é preciso selecionar o material do eletrodo com muito cuidado, pois isso evita a migração de carbono do aço carbono para o aço inoxidável. A soldagem a arco com gás tungstênio (GTAW) oferece maior precisão e qualidade, sendo, portanto, adequada para aplicações críticas.

A soldagem a arco elétrico com gás (GMAW) é perfeita para aplicações em larga escala. No entanto, é necessário selecionar um gás de proteção adequado para que a oxidação seja mínima. A soldagem a arco com núcleo de fluxo (FCAW) requer uma composição de fluxo específica para lidar com dois metais diferentes, mas é muito adequada para ambientes externos.

Selecione o preenchimento correto

Ao escolher o material de enchimento correto, você obtém soldas mais resistentes e livres de corrosão. Isso garante que não haja migração de carbono e que a integridade de ambos os metais seja mantida.

Existem alguns materiais de enchimento comuns usados para soldar aço carbono ao aço inoxidável, como:

Enchimento de aço inoxidável 312 para melhores propriedades de resistência a rachaduras, pois contém níquel e cromo.
O enchimento de aço inoxidável 309 oferece um equilíbrio perfeito entre resistência à corrosão e resistência. Por isso, é o enchimento mais utilizado.
Os enchimentos à base de níquel oferecem boa resistência ao calor quando soldados em temperaturas mais altas. Um exemplo desse tipo de enchimento é o Inconel 625.

Conclusão

Soldar aço carbono é uma habilidade importante, pois possui múltiplas aplicações na fabricação de metais, automotiva, aplicações industriais e construção. É essencial escolher a técnica de soldagem correta, seja para aço de baixo carbono, aço de médio carbono ou aço de alto carbono.

Os quatro principais tipos de técnicas usadas para soldagem de aço carbono são soldagem a arco metálico blindado, soldagem a arco metálico a gás, soldagem a arco metálico a gás tungstênio e soldagem a arco metálico com núcleo de fluxo.

No entanto, é necessário seguir corretamente todas as etapas da soldagem, desde a limpeza da superfície até os tratamentos térmicos pós-soldagem. É necessário controlar o aporte térmico e realizar tratamentos pré e pós-soldagem para garantir ligações mais fortes, especialmente para aços de médio e alto carbono.

Se os soldadores seguirem todas as etapas de soldagem cuidadosamente e aplicarem as melhores práticas, poderão garantir soldas de alta qualidade que toleram não apenas estresse, temperatura e pressão, mas também apresentam defeitos mínimos ou inexistentes.

Soldagem de Aço Carbono – Processo, Métodos e Desafios