Dominando a Soldagem de Ligas de Níquel: Técnicas e Dicas de Especialistas

Ligas de níquel são geralmente selecionadas devido à sua excelente versatilidade, resistência à corrosão e desempenho em altas temperaturas. Não surpreende que isso torne as ligas de níquel uma escolha popular para uso em ambientes extremos, particularmente em turbinas de aeronaves, turbinas a vapor, usinas nucleares e indústrias petroquímicas e químicas.

Dado seu uso em ambientes extremos, as zonas de solda de ligas de níquel devem ter propriedades consistentes; esta é a única maneira de o produto soldado final suportar o ambiente extremo. Além disso, é importante que a solda seja de alta qualidade e contenha muito poucos defeitos, pois estes também poderiam afetar o desempenho em ambientes hostis.

O que São Ligas de Níquel?

Ligas de níquel são geralmente definidas como ligas que apresentam níquel, um elemento versátil, como seu elemento principal. Historicamente, ligas de níquel eram definidas como aquelas com mais de 50% de níquel. No entanto, as ligas de níquel usadas hoje geralmente têm um teor de níquel superior a 50%. Por exemplo:

• Inconel 718: 19Cr 3Mo 0,9Ti 5,1Cb 0,5Al 18Fe balanço Ni
• Hastelloy X: 22Cr 1,5Co 9Mo 0,6W 18,5Fe balanço Ni

Soldagem de Níquel

A soldagem de níquel é realizada usando uma das muitas ligas de níquel disponíveis. A soldagem a arco pode ser usada, incluindo processos Stick, MIG e TIG. O uso de soldagem Stick, em particular, criará uma solda mais forte que o metal base. Para soldagem MIG de níquel, o gás de proteção é uma mistura 50/50 de hélio e argônio.

Todos os processos de soldagem convencionais são adequados para a soldagem de ligas de níquel. A principal diferença está na expansão térmica. Ligas de níquel têm um coeficiente de expansão térmica menor que o aço inoxidável, e métodos de controle de distorção são realmente semelhantes aos que você empregaria para aço carbono.

Ligas de níquel podem ser unidas de forma confiável por todos os tipos de processos ou métodos de soldagem, com exceção de soldagem de forja e soldagem oxi-acetilênica. Ligas de níquel forjadas podem ser soldadas sob condições semelhantes às usadas para soldar aço inoxidável austenítico. Ligas de níquel fundidas, particularmente aquelas com alto teor de silício, apresentam dificuldades na soldagem.

Os processos mais amplamente empregados para soldagem de ligas de níquel forjadas não endurecíveis por envelhecimento (reforçadas por solução sólida) são soldagem a arco de tungstênio com gás (GTAW), soldagem a arco metálico com gás (GMAW) e soldagem a arco metálico protegido (SMAW). Soldagem a arco submerso (SAW) e soldagem eletroescória (ESW) têm aplicabilidade limitada, assim como soldagem a arco de plasma (PAW). Embora o processo GTAW seja preferido para soldagem de ligas endurecíveis por precipitação (PH), tanto os processos GMAW quanto SMAW também são usados.

Ligas de níquel são geralmente soldadas em condições de solução tratada. Ligas endurecíveis por precipitação (PH) devem ser recozidas antes da soldagem se tiverem passado por operações que introduzam altas tensões residuais.

Problemas Comuns ao Soldar Ligas de Níquel

O problema mais comum e sério que ocorre ao soldar ligas de níquel é a trinca a quente. Isso ocorre na linha de fusão, na ZTA ou no metal de solda (zona de fusão), embora a linha de fusão seja a área mais comumente afetada.

Geralmente, o enxofre na liga ou na superfície cria essa trinca, embora bismuto, chumbo, fósforo e boro também possam ter efeito negativo. Para prevenir isso, é essencial que tanto a ZTA quanto o metal de solda estejam completamente livres de óleo, graxa, sujeira e outros contaminantes. Excesso de enxofre no material de adição ou materiais base também pode causar problemas.

Para preparar o material, desengraxe, seguido por escovação completa com escova de aço inoxidável ou escova de arame mecânica. Certifique-se de usar um solvente projetado para ligas de níquel e que a soldagem ocorra dentro de oito horas após a limpeza para evitar contaminação subsequente.

Tratamento térmico deve ser realizado apenas com forno elétrico ou com combustível livre de enxofre, em vácuo ou ambiente inerte.

Se o material já foi usado ou está sendo reparado, deve ser esmerilhado ou usinado para remover quaisquer contaminantes que possam ter ficado presos na superfície da área de reparo da solda.

Porosidade também é um problema, particularmente quando oxigênio ou hidrogênio causam contaminação superficial na forma de aprisionamento de ar na poça de fusão. Para contrabalancear isso, uma purga de gás e proteção eficientes são necessárias, nos lados da face e raiz da solda, e todas as mangueiras de gás precisam estar em perfeitas condições. A área de soldagem também precisa ser vedada contra correntes de ar.

Preparação de Solda para Ligas de Níquel

A preparação de solda é essencial ao soldar ligas de níquel. O aspecto mais importante do design é garantir que haja acesso suficiente para o maçarico de soldagem e que a penetração total possa ser alcançada, se necessário.

O melhor design de junta de topo é uma junta de topo quadrada, mas isso é limitado pela espessura devido à incapacidade de penetrar na junta. Assim, uma preparação em U ou V é frequentemente usada, com um ângulo de 30° a 40° em 10 mm de espessura, para permitir penetração e passes de enchimento subsequentes.

Quanto à preparação do gás, pode ser útil adicionar até 10% de hidrogênio à mistura de gás inerte, pois isso melhora a fluidez na poça de fusão.

Nenhum pré-aquecimento é necessário para soldagem de ligas de níquel, a menos que haja necessidade de remover condensação. A soldagem de níquel geralmente requer uma temperatura máxima entre passes de 250°C, embora certas ligas devam usar no máximo 100°C.

Alguma esmerilhamento pós-soldagem pode ser necessário para remover uma camada de óxido aderente que pode se formar na superfície da poça de fusão. Às vezes, a escovação com arame não será suficiente para remover este resíduo pós-soldagem.

Tratamento Pós-Solda

Nenhum tratamento pós-solda, seja térmico ou químico, é necessário para manter ou restaurar a resistência à corrosão, embora em alguns casos um recozimento de solução completo melhore a resistência à corrosão.

Tratamento térmico pode ser necessário para atender a requisitos de especificação, como alívio de tensão de uma estrutura fabricada para evitar endurecimento por envelhecimento ou trinca por corrosão sob tensão (SCC) da solda em vapor de ácido fluorídrico ou soda cáustica. Se a soldagem induzir tensões residuais moderadas a altas, então as ligas PH exigiriam um recozimento de alívio de tensão após a soldagem e antes do envelhecimento.

Níquel e ligas de níquel são suscetíveis a fragilização por chumbo, enxofre, fósforo e outros elementos de baixo ponto de fusão. Esses materiais podem existir em graxa, óleo, tinta, giz de marcação ou tintas, lubrificantes de conformação, fluidos de corte, sujeira de oficina e produtos químicos de processamento.

Peças de trabalho devem estar completamente livres de material estranho antes de serem aquecidas ou soldadas. Sujeira de oficina, óleo e graxa podem ser removidos por desengraxamento a vapor ou esfregando com acetona ou outro solvente não tóxico.

Tinta e outros materiais que não são solúveis em solventes de desengraxamento podem exigir o uso de cloreto de metileno, limpadores alcalinos ou compostos proprietários especiais. Se limpadores alcalinos que contêm carbonato de sódio forem usados, então os próprios limpadores devem ser removidos antes da soldagem. Pulverização ou esfregação com água quente é recomendada. Tinta de marcação geralmente pode ser removida com álcool.

Material de processamento que se tornou incrustado no metal de trabalho pode ser removido por esmerilhamento, jateamento abrasivo e esfregação com solução de HCl a 10%, seguido por lavagem completa com água. Óxidos também devem ser removidos da área envolvida na operação de soldagem, principalmente devido à diferença entre os pontos de fusão do óxido e do metal base. Óxidos são normalmente removidos por esmerilhamento, usinagem, jateamento abrasivo ou decapagem.

Ligas de níquel, tanto fundidas quanto forjadas e seja reforçadas por solução sólida ou endurecíveis por precipitação, podem ser soldadas pelo processo GTAW. A adição de material de adição é geralmente recomendada. Corrente contínua com eletrodo negativo (DCEN) é recomendada para soldagem manual e mecânica.

Gás de Proteção

Argônio ou hélio, ou uma mistura dos dois, é usado como gás de proteção para soldagem de níquel e ligas de níquel. Adições de oxigênio, dióxido de carbono ou nitrogênio ao gás argônio geralmente causarão porosidade ou erosão do eletrodo. Argônio com pequenas quantidades de hidrogênio (tipicamente 5%) pode ser usado e pode ajudar a evitar porosidade no níquel puro, bem como auxiliar na redução da formação de óxido durante a soldagem.

Soldagem de Ligas de Níquel Fundidas

Ligas de níquel fundidas podem ser unidas pelos processos GTAW, GMAW e SMAW. Para resultados ótimos, a fundição deve ser recozida em solução antes da soldagem para aliviar algumas das tensões de fundição e fornecer alguma homogeneização da estrutura fundida.

Peening leve do metal solidificado após o primeiro passe aliviará tensões e, assim, reduzirá trincas na junção do metal de solda e do metal fundido. O peening dos passes subsequentes é de pouco, ou nenhum, benefício. Alívio de tensão após a soldagem também é desejável.