Guia Especialista para Soldagem de Ferro Fundido: Técnicas Comprovadas para Juntas Fortes e Duráveis

A soldagem de ferro fundido é possível, mas problemática devido ao alto teor de carbono. Este teor costuma variar entre 2% e 4%, cerca de dez vezes o encontrado na maioria dos aços. Durante o processo de soldagem, esse carbono migra para o metal de solda e/ou para a zona termicamente afetada (ZTA), o que aumenta a fragilidade e a dureza. Isso, por sua vez, pode levar ao surgimento de trincas após a soldagem.

O ferro fundido consiste em ferro e carbono em proporções variadas, com elementos adicionais como manganês, silício, cromo, níquel, cobre, molibdênio, entre outros, para melhorar certas propriedades. Além disso, pode conter teores significativamente mais altos de enxofre e fósforo do que as impurezas normais, o que torna a soldagem difícil sem trincas.

Os diferentes tipos de ferro fundido incluem ferro fundido cinzento, ferro fundido branco, ferro fundido nodular (dúctil) e ferro fundido maleável, com soldabilidades amplamente variadas. 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 distinguir 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.

Passos Pré-Soldagem para Ferro Fundido

Quatro passos essenciais devem ser tomados antes de começar para garantir a soldagem eficaz do ferro fundido. Estes incluem:

• Determinação do Tipo de Ferro Fundido
• Limpeza da Peça Fundida
• Seleção da Temperatura Correta de Pré-Aquecimento
• Escolha da Técnica de Soldagem Adequada

1. Determinação do Tipo de Ferro Fundido

O primeiro passo neste tipo de soldagem é identificar qual tipo de ferro fundido está sendo usado. Existem vários tipos, e a maioria não deve ser soldada.

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

• Ferro fundido cinzento: É a forma mais comum de ferro fundido. O carbono precipita em forma de folhas de grafite durante a fabricação, resultando 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 soldadores, pois as folhas de grafite dentro do ferro cinzento podem entrar na poça de fusão e causar fragilidade no metal de solda.
• Ferro fundido branco: O ferro fundido branco retém o carbono como carboneto de ferro (cementita) sem precipitá-lo como grafite. A microestrutura cristalina de cementita é muito dura e frágil. O ferro fundido branco é geralmente considerado não soldável.
• Ferro dúctil, nodular ou maleável: Esses ferros fundidos são todos menos frágeis devido a diferenças microestruturais decorrentes de seus processos de fabricação. Os três possuem microestruturas de carbono esferoidais criadas por seus processos de fabricação únicos.

A maneira mais simples de determinar qual tipo de ferro você está trabalhando é verificar a especificação original. Análises químicas e metalográficas também podem ajudar a identificar a categoria do ferro fundido.

Existem outras formas de diferenciar as ligas; o ferro cinzento mostra uma cor cinza no ponto de fratura, enquanto o ferro branco mostra uma cor mais branca ao longo da fratura devido à cementita que contém. No entanto, o ferro dúctil, por exemplo, também mostra uma fratura mais esbranquiçada, mas é muito mais soldável.

O ferro fundido cinzento é o tipo mais comum de ferro fundido soldado e deve ser o único que você tente fundir, a menos que seja experiente em fundição ou soldagem dele. Ter alguém experiente para auxiliar é outra boa opção.

2. Limpeza da Peça Fundida

Independentemente da liga, todas as peças fundidas devem ser devidamente preparadas antes da soldagem. Ao preparar a peça para soldagem, é crucial remover todos os materiais superficiais. A peça 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 da solda por um curto período para remover gases aprisionados da zona de solda do metal base.

Uma técnica simples para testar a prontidão da superfície do ferro fundido é depositar um cordão de solda no metal — ele será poroso se houver impurezas presentes. Este cordão pode ser removido por esmerilhamento, e o processo é repetido algumas vezes até que a porosidade desapareça.

3. Temperatura de Pré-Aquecimento

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

Uma solda em ferro fundido requer três etapas:

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

A razão principal para o controle de calor é a expansão térmica. Quando o metal aquece, ele se expande. Nenhuma tensão é causada quando um objeto inteiro aquece e se expande na mesma taxa, mas a tensão se acumula quando o calor é localizado em uma pequena zona termicamente afetada (ZTA).

O aquecimento localizado causa expansão restrita, pois a ZTA é contida pelo metal mais frio ao redor. O grau de tensão resultante depende do gradiente térmico entre a ZTA e o corpo da peça fundida. Em aços e outros metais dúcteis, a tensão acumulada pela expansão e contração restritas é aliviada pelo alongamento.

Infelizmente, isso pode causar trincas durante o período de contração, já que os ferros fundidos têm ductilidade relativamente baixa. O pré-aquecimento diminui o gradiente térmico entre o corpo da peça fundida e a ZTA, minimizando assim a tensão de tração causada pela soldagem. Em geral, métodos de soldagem de temperatura mais alta exigem uma temperatura de pré-aquecimento mais alta.

Quando o pré-aquecimento adequado não é possível, a melhor estratégia é minimizar a entrada de calor, selecionar um processo de soldagem de baixa temperatura e eletrodos ou arames de solda com 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 trincadas. Em contrapartida, o resfriamento lento reduz o endurecimento e a tensão de contração.

4. Técnica de Soldagem para Ferro Fundido

Teoricamente, qualquer um dos processos comuns de soldagem a arco, como soldagem a arco manual com eletrodo revestido, soldagem a arco com fluxo (FCAW), soldagem MAG, soldagem a arco submerso, soldagem TIG, etc., pode ser usado, mas um processo que facilite aquecimento e resfriamento lentos é geralmente preferido.

1. Soldagem a Arco Manual com Eletrodo Revestido (MMA/SMAW)

Este tipo de soldagem, também conhecido como soldagem a arco metálico protegido (SMAW), é geralmente considerado o melhor processo geral para soldagem de ferro fundido — desde que os eletrodos corretos sejam usados. A escolha do eletrodo dependerá da aplicação, da correspondência de cor necessária e da quantidade de usinagem pós-soldagem.

Os dois principais tipos de eletrodos para soldagem a arco manual 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, sendo geralmente limitado a reparos menores de fundição e quando a correspondência de cor é necessária.

Eletrodos de liga de níquel são os mais comumente usados, oferecendo um metal de solda mais dúctil. Eletrodos de níquel também podem ajudar a reduzir o pré-aquecimento e a trinca na ZTA ao fornecer um metal de solda de menor resistência.

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

2. Soldagem MAG

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

3. Soldagem TIG

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

4. Soldagem Oxi-Acetilênica

A soldagem oxi-acetilênica também faz uso de eletrodos, mas em vez de um arco gerado pela corrente, um maçarico oxi-acetilênico fornece a energia para soldagem. Eletrodos de ferro fundido e eletrodos de cobre-zinco são ambos adequados para soldagem oxi-acetilênica de ferro fundido.

Deve-se ter 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 solda deve ser derretida na poça de fusão fundida, em vez de diretamente pela chama, para minimizar gradientes de temperatura.

5. Brasagem

A brasagem é um método comum para unir peças de ferro fundido devido ao impacto mínimo no metal base. Uma vareta de solda fornece o material de adição que adere à superfície do ferro fundido. Devido ao ponto de fusão mais baixo do material de adição em comparação com o ferro fundido, este não se dilui com o ferro fundido, mas adere à superfície.

A limpeza da superfície é crítica para esta técnica de soldagem, pois a união depende da qualidade da molhabilidade do material de adição na superfície do metal base. Segundo a Machine Design, o uso de fluxo para prevenir a formação de óxidos durante a brasagem é comum.

É um líquido que promove a molhabilidade, permitindo que o material de adição flua sobre as peças metálicas a serem unidas. Também limpa as peças de óxidos para que o material de adição se ligue mais firmemente às peças metálicas. Além disso, 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 é o caso, a peça precisa ser mantida fria, mas não gelada.

Elevar a temperatura da peça para 38°C (100°F) é útil. Se a peça estiver em um motor, pode ser possível ligá-lo por alguns minutos para obter essa temperatura. Nunca aqueça a peça a ponto de não conseguir colocar a mão nua sobre ela.

Faça soldas curtas, de aproximadamente 2,5 cm (1"). O peening após a soldagem é importante com esta técnica. Permita que a solda e a peça esfriem. Não acelere a taxa de resfriamento com água ou ar comprimido.

Pode ser possível soldar em outra área da peça enquanto a solda anterior esfria. Todas as crateras devem ser preenchidas. Sempre que possível, os cordões devem ser depositados na mesma direção, e é preferível que as extremidades de cordões paralelos não se alinhem entre si.

Arame de Adição ou Eletrodo para Soldagem de Ferro Fundido

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

1. Varetas de 99% Níquel

Estes eletrodos são mais caros que outras opções, mas também fornecem os melhores resultados. Varetas de 99% níquel produzem soldas que podem ser usinadas e funcionam melhor em fundições com baixo ou médio teor de fósforo. Estas varetas de níquel puro produzem um depósito de solda macio e maleável.

2. Varetas de 55% Níquel

Mais baratas que as varetas de 99%, estas também são usináveis e frequentemente usadas para reparos de seções espessas. Um coeficiente de expansão mais baixo significa que produzem menos trincas na linha de fusão que a vareta de 99%. Estas varetas de ferro-níquel são ideais para soldar ferro fundido a aço.

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

3. Varetas de Aço

Varetas de aço fornecem a opção mais barata das três e são melhores para reparos menores e preenchimento. Eletrodos de aço produzem soldas duras, que requerem esmerilhamento extra para acabamento e não são usináveis. No entanto, apesar dessas desvantagens, varetas de aço fornecem correspondência de cor e podem tolerar melhor fundições que não estão completamente limpas do que varetas de níquel.

4. Bronze de Brasagem

Você pode brasar com oxi-acetileno ou usar as varetas com um soldador TIG. É uma boa maneira de fornecer uma união forte em uma trinca ou entre dois componentes que precisam ser unidos, sem causar trincas e alteração das propriedades do ferro fundido.

Limpeza e Peening de Superfícies Soldadas

Como na maioria das soldagens, quanto mais limpa a superfície, melhores serão suas soldas. Às vezes, o material que você está soldando teve uma vida inteira de fumos ou óleo por toda a fundição, e isso causará desafios na soldagem. Existem certas coisas a ter em mente quando você solda ferro fundido.

O uso de consumíveis de soldagem, como as varetas de liga de soldagem 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 mole enquanto ela esfria com um martelo de cabeça esférica para prevenir trincas. Isso deve ser feito com cautela e apenas quando a solda pode se deformar, mas nem sempre é necessário, pois o que causa trincas principalmente 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 quente ou frio. Todos concordam que o pré-aquecimento é uma boa opção, mas há algumas pessoas sugerindo que soldar com calor mínimo também é suficiente.

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

O pré-aquecimento minimiza este efeito trazendo a área ao redor da solda mais próxima da temperatura de soldagem, fazendo com que todo o componente mude uniformemente. O ferro fundido muda de características acima de 760°C (1400°F), então é crucial não colocar calor excessivo no componente.

Soldar ferro fundido de maneira fria sem pré-aquecimento e usando calor mínimo é pensado para ajudar isso reduzindo a temperatura geral. Isso pode ser benéfico em não produzir trincas visíveis, e produzirá uma solda mais forte do que uma solda quente sem pré-aquecimento. No entanto, tensão interna ainda ocorre, o que pode aparecer mais tarde na vida do componente, e produz uma solda geral mais fraca do que pré-aquecer adequadamente antes de soldar.

Soldadores experientes de ferro fundido que trabalham regularmente em reparo ou fabricação de produtos de ferro fundido sempre e apenas pré-aquecem. Esta é a melhor maneira de garantir que a solda seja forte internamente, não apenas visivelmente sem trincas.