Como soldar ferro fundido:um guia completo

A soldagem de ferro fundido é possível, mas problemática devido ao alto teor de carbono. Este teor de carbono é muitas vezes de 2-4%, que é cerca de dez vezes maior do que a maioria dos aços. Durante o processo de soldagem, este carbono migra para o metal de solda e/ou a zona afetada pelo calor, o que leva ao aumento da fragilidade/dureza. Isso, por sua vez, pode levar a rachaduras após a soldagem.

O ferro fundido consiste em ferro e carbono em proporções variadas, com elementos adicionais como manganês, silício, cromo, níquel, cobre, molibdênio, etc. para melhorar certas propriedades. Além disso, pode conter teores de enxofre e fósforo significativamente maiores do que as impurezas, o que dificulta a soldagem sem rachaduras.

Os diferentes tipos de ferro fundido incluem ferro fundido cinzento, ferro fundido branco, ferro dúctil (nodular) e ferro fundido maleável com soldabilidade amplamente variável. Todas as categorias de ferro fundido, com exceção do ferro branco, são consideradas soldáveis, embora a soldagem possa ser significativamente mais difícil em comparação com a soldagem de aço carbono.

No entanto, pode ser difícil dizer a diferença entre esses diferentes tipos de ferro fundido sem uma análise metalúrgica detalhada. Mesmo assim, o ferro fundido é um metal duradouro e resistente ao desgaste que tem sido usado há séculos.

Etapas de pré-soldagem para ferro fundido

Quatro etapas principais devem ser tomadas antes de começar para garantir a soldagem eficaz de ferro fundido. Esses incluem:

• Determinando o tipo de ferro fundido
• Limpando o elenco
• Seleção da temperatura correta de pré-aquecimento
• Escolhendo a técnica de soldagem certa

1. Determinando o tipo de ferro fundido

O primeiro passo desse tipo de soldagem é identificar qual é o tipo de ferro fundido. Existem vários tipos, e você não vai querer soldar a maioria deles.

O ferro fundido tem baixa ductilidade, portanto, pode rachar devido a tensões térmicas quando aquecido ou resfriado rapidamente. A suscetibilidade à fissuração depende do tipo/categoria do ferro fundido. Isso significa que é necessário entender com qual tipo de liga você está trabalhando:

• Ferro fundido cinzento: É a forma mais comum de ferro fundido. O carbono precipita em flocos de grafite durante a fabricação em uma microestrutura cristalina de perlita ou ferrita. É mais dúctil e soldável que o ferro fundido branco. No entanto, ainda representa um desafio para os soldadores em potencial, pois os flocos de grafite dentro do ferro fundido cinzento podem entrar na poça de fusão e causar fragilização do metal de solda.
• Ferro fundido branco: O ferro fundido branco retém o carbono como carboneto de ferro sem precipitá-lo como grafite. A microestrutura cristalina da cementita é muito dura e quebradiça. O ferro fundido branco é geralmente considerado não soldável.
• Ferro dúctil, nodular ou maleável: Esses ferros fundidos são todos menos quebradiços devido a diferenças microestruturais devido à fabricação. Todos os três têm microestruturas de carbono esferoidais criadas por seus processos de fabricação exclusivos.

A maneira mais simples de determinar com qual tipo de ferro você está trabalhando é verificar a especificação original. A análise química e metalográfica também pode ajudar a identificar a categoria de ferro fundido com a qual você está trabalhando.

Existem algumas outras maneiras de dizer a diferença entre ligas; o ferro cinza mostrará cinza junto com um ponto de fratura, enquanto o ferro branco mostrará uma cor mais branca ao longo de uma fratura devido à cementita que contém. No entanto, o ferro dúctil, por exemplo, também apresentará uma fratura mais branca, mas é muito mais soldável.

O ferro fundido cinzento é o tipo mais comum de ferro fundido soldado e deve ser o único ferro fundido que você tenta fundir, a menos que tenha experiência em fundição ou soldagem. Ter alguém experiente para ajudá-lo é outra boa opção.

2. Limpe o elenco

Independentemente da liga, todas as peças fundidas devem ser preparadas adequadamente antes da soldagem. Ao preparar o fundido para soldagem, é crucial remover todos os materiais da superfície. A fundição deve estar completamente limpa na área da solda. Remova tinta, graxa, óleo e outros materiais estranhos da zona de solda. É melhor aplicar calor cuidadosa e lentamente na área de solda por um curto período de tempo para remover o gás aprisionado da zona de solda do metal base.

Uma técnica simples para testar a prontidão da superfície do ferro fundido é depositar um passe de solda no metal – ele será poroso se houver impurezas. Essa passagem pode ser lixada e o processo é repetido algumas vezes até que a porosidade desapareça.

3. Temperatura de pré-aquecimento

Todos os ferros fundidos são vulneráveis ​​a rachaduras sob estresse. O controle de calor é o fator mais importante para evitar rachaduras.

Uma solda de ferro fundido requer três etapas:

• Pré-aquecimento
• Baixa entrada de calor
• Resfriamento lento

A principal razão para o controle de calor é a expansão térmica. Quando o metal aquece, ele se expande. Nenhum estresse é causado quando um objeto inteiro aquece e se expande na mesma taxa, mas o estresse aumentará quando o calor estiver localizado em uma pequena zona afetada pelo calor (HZ).

O aquecimento localizado causa expansão restrita, o HZ é contido pelo metal mais frio ao seu redor. O grau de tensão resultante depende do gradiente térmico entre o HZ e o corpo de fundição. No aço e outros metais dúcteis, o estresse gerado pela expansão e contração restritas é aliviado pelo alongamento.

Infelizmente, isso pode causar rachaduras durante o período de contração, pois os ferros fundidos têm ductilidade relativamente baixa. O pré-aquecimento diminui o gradiente térmico entre o corpo de fundição e o HZ, minimizando assim a tensão de tração causada pela soldagem. Em geral, os métodos de soldagem de temperatura mais alta requerem um pré-aquecimento de temperatura mais alta.

Quando o pré-aquecimento adequado não for possível, a melhor estratégia é minimizar a entrada de calor, selecionar um processo de soldagem de baixa temperatura e varetas ou fios de solda de baixo ponto de fusão.

A taxa de resfriamento é outro fator que tem impacto direto nas tensões induzidas na solda. O resfriamento rápido causa contração, o que cria soldas frágeis e facilmente rachadas. Em contraste, o baixo resfriamento reduz o estresse de endurecimento e contração.

4. Técnica de soldagem usada para soldar ferro fundido

Teoricamente, qualquer um dos processos comuns de soldagem a arco, como soldagem a arco de metal manual, soldagem a arco com núcleo de fluxo, soldagem a gás ativo de metal, soldagem a arco submerso, soldagem a arco de tungstênio, etc., pode ser usado, um processo que facilita o aquecimento e resfriamento lentos geralmente preferido.

1. Soldagem manual por arco de metal (MMA)

Este tipo de soldagem, também conhecido como soldagem por arco de metal blindado (SMAW), é geralmente considerado o melhor processo geral para soldagem de ferro fundido - desde que as hastes de soldagem corretas sejam usadas. A escolha do eletrodo dependerá da aplicação, da combinação de cores necessária e da quantidade de usinagem pós-soldagem.

Os dois principais tipos de eletrodos para soldagem manual a arco de metal são à base de ferro e à base de níquel. O eletrodo à base de ferro produzirá metal de solda com martensita de alto carbono, portanto, geralmente limitado a pequenos reparos de fundição e quando a correspondência de cores é necessária.

Os eletrodos de liga de níquel são os mais utilizados, oferecendo um metal de solda mais dúctil. Os eletrodos de níquel também podem ajudar a reduzir o pré-aquecimento e a fissuração da HAZ, fornecendo um metal de solda de menor resistência.

Em todos os casos, deve-se tomar cuidado para minimizar a fusão do metal original. Isso minimizará a diluição.

2. Soldagem MAG

A soldagem MAG geralmente é realizada com um consumível de níquel. Uma mistura de gás de 80% de argônio para 20% de dióxido de carbono funcionará para a maioria das aplicações. Embora o fio de brasagem possa ser usado, geralmente não é recomendado, pois o metal de brasagem será significativamente mais fraco que o fundido.

3. Soldagem TIG

A soldagem TIG pode fornecer uma solda limpa em ferro fundido, mas geralmente não é preferida devido às suas características de aquecimento altamente localizadas. Como em toda soldagem TIG, a qualidade da solda acabada é amplamente determinada pela habilidade do soldador.

4. Soldagem Oxi-Acetileno

A soldagem oxiacetileno também utiliza eletrodos, mas em vez de um arco gerado pela corrente, um maçarico oxiacetileno fornece a energia para a soldagem. Eletrodos de ferro fundido e eletrodos de cobre-zinco são adequados para soldagem oxi-acetileno de ferro fundido.

Deve-se tomar cuidado para não oxidar o ferro fundido durante a soldagem com acetileno, pois isso causa perda de silício e formação de ferro branco na solda. A vareta de soldagem deve ser derretida na poça de fusão derretida, em vez de diretamente pela chama, para minimizar os gradientes de temperatura.

5. Soldagem por brasagem

A soldagem por brasagem é um método comum para unir peças de ferro fundido devido ao impacto mínimo no próprio metal base. Uma haste de solda fornece o enchimento que adere à superfície do ferro fundido. Devido ao ponto de fusão mais baixo da carga em comparação com o ferro fundido, a carga não se dilui com o ferro fundido, mas adere à superfície.

A limpeza da superfície é fundamental para esta técnica de soldagem, uma vez que a união depende da qualidade do enchimento que molha a superfície do metal base. De acordo com o projeto da máquina, é comum o uso de fluxo para evitar a formação de óxidos durante a brasagem.

É um líquido que promove a umectação, o que permite que o enchimento flua sobre as peças metálicas a serem unidas. Também limpa as partes de óxidos para que o enchimento se ligue mais firmemente às partes metálicas. Além disso, os fluxos são usados ​​na soldagem para limpar superfícies metálicas.

Técnicas de soldagem sem pré-aquecimento

O tamanho da peça fundida ou outras circunstâncias podem exigir que o reparo seja feito sem pré-aquecimento. Quando este for o caso, a peça precisa ser mantida fria, mas não fria.

Aumentar a temperatura de fundição para 100 graus F é útil. Se a peça estiver em um motor, pode ser possível acioná-la por alguns minutos para obter essa temperatura. Nunca aqueça o molde tão quente que você não possa colocar a mão nua sobre ele.

Faça soldas curtas de aproximadamente 1” de comprimento. Peening após a soldagem é importante com esta técnica. Deixe a solda e a fundição esfriarem. Não acelere a taxa de resfriamento com água ou ar comprimido.

Pode ser possível soldar em outra área da peça fundida enquanto a solda anterior esfria. Todas as crateras devem ser preenchidas. Sempre que possível, as contas devem ser depositadas na mesma direção, sendo preferível que as extremidades das contas paralelas não se alinhem umas com as outras.

Fio de enchimento ou uso de eletrodo para soldagem fundida

Como mencionado acima, a escolha da haste de solda é importante para a soldagem de ferro fundido, embora a maioria dos especialistas aconselhe o uso de hastes de níquel.

1. 99% varetas de níquel

Esses eletrodos são mais caros do que outras opções, mas também fornecem os melhores resultados. As hastes de 99% de níquel produzem soldas que podem ser usinadas e funcionam melhor em peças fundidas com baixo ou médio teor de fósforo. Essas barras de níquel puro produzem um depósito de solda macio e maleável.

2. 55% varetas de níquel

Menos caras que as hastes de 99%, elas também são usináveis ​​e são frequentemente usadas para reparos de seções grossas. Uma expansão de coeficiente mais baixo significa que eles produzem menos rachaduras na linha de fusão do que a haste de 99%. Estas hastes de ferro-níquel são ideais para soldar ferro fundido em aço.

Opções mais baratas estão disponíveis, como hastes de aço, embora não sejam tão eficazes quanto as hastes de níquel:

3. Hastes de aço

As hastes de aço são a opção mais barata das três e são as melhores para pequenos reparos e enchimento. Eletrodos de aço produzem soldas duras, que requerem retificação extra para acabamento e não são usináveis. No entanto, apesar dessas desvantagens, as hastes de aço fornecem correspondência de cores e podem tolerar melhor as peças fundidas que não são completamente limpas do que as hastes de níquel.

4. Brasagem de bronze

Você pode brasar oxi-acetileno ou usar as hastes com um soldador TIG. É uma boa maneira de fornecer uma fortaleza em uma rachadura ou entre dois componentes que precisam ser unidos, sem causar rachaduras e alterações nas propriedades do ferro fundido.

Limpeza e Peening de Superfícies de Solda

Como a maioria das soldas, quanto mais limpa for a superfície, melhores serão suas soldas. Às vezes, o material que você está soldando tem uma vida inteira de fumaça ou óleo em toda a fundição, e isso causará desafios na soldagem. Há certas coisas a serem observadas ao soldar ferro fundido.

O uso de consumíveis de soldagem, como as hastes de liga de solda de ferro fundido MG-289, projetadas para ferro fundido contaminado, é a melhor maneira de garantir que a solda seja suficiente.

Peening é o processo de bater na solda macia à medida que esfria com um martelo de esfera para evitar rachaduras. Isso deve ser feito com cautela e somente quando a solda pode se deformar, mas nem sempre é necessário, pois o que causa principalmente trincas é o aquecimento ou resfriamento irregular ou rápido do componente. Pré-aquecer e resfriar lentamente seu projeto é o mais importante.

Pré-aquecer ou soldar a frio?

Existem algumas opiniões diferentes sobre se você deve soldar a quente ou a frio. Todos concordam que o pré-aquecimento é uma boa opção, mas algumas pessoas sugerem que a soldagem com calor mínimo também é suficiente.

Ao decidir como soldar o ferro fundido, é necessário adotar uma dessas abordagens, porque, ao contrário da maioria dos metais, o ferro fundido é frágil e tem uma capacidade mínima de deformação por flexão ou expansão e contração. O calor sempre tem um efeito deformante no metal, e se uma parte do metal aquece ou esfria mais rápido que a outra, tensões e rachaduras ocorrem no ferro fundido ou na solda.

O pré-aquecimento minimiza esse efeito aproximando a área circundante da solda à temperatura de soldagem, fazendo com que todo o componente mude uniformemente. O ferro fundido altera as características acima de 1400 graus Fahrenheit, por isso é crucial não colocar calor excessivo no componente.

A soldagem de ferro fundido de maneira fria, sem pré-aquecimento e usando o mínimo de calor, ajuda a reduzir a temperatura geral. Isso pode ser benéfico por não produzir rachaduras visíveis e será uma solda mais forte do que uma solda a quente sem pré-aquecimento. No entanto, o estresse interno ainda ocorre, o que pode aparecer mais tarde na vida útil do componente, e produz uma solda geral mais fraca do que o pré-aquecimento adequado antes da soldagem.

Soldadores de ferro fundido experientes que trabalham na reparação ou fabricação de produtos de ferro fundido regularmente sempre e apenas pré-aquecimento. Esta é a melhor maneira de garantir que a solda seja forte internamente, e não apenas visivelmente menos rachaduras.