Soldadura de Ligas de Níquel: Técnicas Abrangentes e Melhores Práticas

As ligas de níquel são geralmente selecionadas devido à sua excelente versatilidade, resistência à corrosão e desempenho em altas temperaturas. Não surpreendentemente, isto torna as ligas de níquel uma escolha popular para uso em ambientes extremos, particularmente em turbinas de aeronaves, turbinas a vapor, centrais nucleares e indústrias petroquímica e química.

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

O que são Ligas de Níquel?

As ligas de níquel são geralmente definidas como ligas que apresentam níquel, um elemento versátil, como elemento principal. Historicamente, as ligas de níquel eram definidas como aquelas com mais de 50% de níquel. No entanto, as ligas de níquel usadas hoje geralmente têm 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

Soldadura de Níquel

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

Todos os processos convencionais de soldadura são adequados para soldadura de ligas de níquel. A principal diferença está na expansão térmica. As ligas de níquel têm coeficiente de expansão térmica menor que o aço inoxidável, e métodos de controlo de distorção são na verdade semelhantes aos que empregaria para aço carbono.

As ligas de níquel podem ser unidas de forma confiável por todos os tipos de processos ou métodos de soldadura, com exceção de soldadura de forja e soldadura oxicetilénica. As 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 soldadura.

Os processos mais amplamente empregues para soldar ligas de níquel forjadas não endurecíveis por envelhecimento (fortalecidas por solução sólida) são soldadura por arco de tungsténio com gás (GTAW), soldadura por arco metálico com gás (GMAW) e soldadura por arco manual com elétrodo revestido (SMAW). Soldadura por arco submerso (SAW) e soldadura eletroescória (ESW) têm aplicabilidade limitada, assim como soldadura por arco de plasma (PAW). Embora o processo GTAW seja preferido para soldar ligas endurecíveis por precipitação, tanto os processos GMAW quanto SMAW também são usados.

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

Problemas Comuns na Soldadura de Ligas de Níquel

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

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

Para preparar o material, desengorduramento seguido de escovagem completa com escova de aço inoxidável ou escova mecânica é necessário. Certifique-se de usar solvente projetado para ligas de níquel e que a soldadura ocorra dentro de oito horas após a limpeza para evitar contaminação subsequente.

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

Se o material já foi usado ou está a ser reparado, deve ser desbastado ou maquinado para remover contaminantes que possam ter ficado aprisionados na superfície da área de reparo.

Porosidade também é um problema, particularmente quando oxigénio ou hidrogénio causam contaminação superficial na forma de aprisionamento de ar no banho de fusão. Para contrariar isto, purga de gás e proteção eficientes são necessários, nas faces frontal e traseira da solda, e todas as mangueiras de gás precisam estar em perfeitas condições. A área de soldadura também precisa ser vedada contra correntes de ar.

Preparação de Junta para Ligas de Níquel

A preparação de junta é essencial ao soldar ligas de níquel. O aspeto mais importante do design é garantir acesso suficiente para o maçarico de soldadura, e que penetração total possa ser alcançada se necessário.

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

Quanto à preparação de gás, pode ser útil adicionar até 10% de hidrogénio à mistura de gás inerte, pois isto melhora a fluidez no banho de fusão.

Não é necessário pré-aquecimento para soldadura de ligas de níquel, a menos que haja requisito para remover condensação. A soldadura de níquel geralmente requer temperatura máxima inter-passe de 250°C, embora certas ligas devam usar apenas máximo de 100°C.

Alguma desbastagem pós-soldadura pode ser necessária para remover uma camada de óxido aderente que pode formar na superfície do banho de fusão. Às vezes, escovagem com arame não será suficiente para remover este resíduo pós-soldadura.

Tratamento Pós-Soldadura

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

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

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

As peças devem estar completamente livres de material estranho antes de serem aquecidas ou soldadas. Sujidade de oficina, óleo e graxa podem ser removidos por desengorduramento a vapor ou esfregando com acetona ou outro solvente não tóxico.

Tinta e outros materiais não solúveis em solventes desengordurantes podem requerer uso de cloreto de metileno, limpadores alcalinos ou compostos proprietários especiais. Se limpadores alcalinos contendo carbonato de sódio forem usados, estes devem ser removidos antes da soldadura. Pulverização ou esfrega com água quente é recomendada. Tinta de marcação geralmente pode ser removida com álcool.

Material de processamento incorporado no metal de trabalho pode ser removido por desbastagem, jateamento abrasivo e esfrega com solução de HCl a 10%, seguido de lavagem completa com água. Óxidos também devem ser removidos da área envolvida na operação de soldadura, principalmente devido à diferença entre pontos de fusão do óxido e metal base. Óxidos são normalmente removidos por desbastagem, maquinagem, jateamento abrasivo ou decapagem.

Ligas de níquel, tanto fundidas quanto forjadas, quer fortalecidas por solução sólida ou endurecíveis por precipitação, podem ser soldadas pelo processo GTAW. A adição de material de adição é geralmente recomendada. Corrente contínua elétrodo negativo (DCEN) é recomendado para soldadura manual e mecânica.

Gás de Proteção

Argônio ou hélio, ou mistura dos dois, é usado como gás de proteção para soldadura de níquel e ligas de níquel. Adições de oxigénio, dióxido de carbono ou nitrogénio ao gás argônio geralmente causam porosidade ou erosão do elétrodo. Argônio com pequenas quantidades de hidrogénio (tipicamente 5%) pode ser usado e pode ajudar a evitar porosidade em níquel puro, bem como auxiliar na redução de formação de óxido durante a soldadura.

Soldadura 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 soldadura para aliviar algumas tensões de fundição e proporcionar alguma homogeneização da estrutura fundida.

Martelamento leve do metal solidificado após o primeiro passe aliviará tensões e, assim, reduzirá trincas na junção do metal de soldadura e metal fundido. O martelamento dos passes subsequentes tem pouco, se algum, benefício. Alívio de tensão após soldadura também é desejável.