Descontinuidades em solda, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Soldagem I

Descontinuidades e Inspeção em Juntas Soldas

Prof. Paulo J. Modenesi

Belo Horizonte, novembro de 2001

DESCONTINUIDADES E INSPEÇÃO EM JUNTAS SOLDADAS

1. Descontinuidades - Introdução:

Designa-se como descontinuidade a qualquer interrupção da estrutura típica (ou esperada) de uma junta solda. Neste sentido, pode-se considerar, como descontinuidade, a falta de homogeneidade de características físicas, mecânicas ou metalúrgicas do material ou da solda. A existência de descontinuidades em uma junta não significa necessariamente que a mesma seja defeituosa. Esta condição depende da aplicação a que se destina o componente e é, em geral, caracterizada pela comparação das descontinuidades observadas ou propriedades medidas com níveis estabelecidos em um código, projeto ou contrato pertinente. Assim, considera-se uma junta soldada contém defeitos quando esta apresenta descontinuidades ou propriedades (neste caso, defeitos) que não atendam ao exigido, por exemplo, por um dado código. Juntas defeituosas precisam, em geral, ser reparadas ou, mesmo, substituídas. Existem quatro tipos gerais de descontinuidades: (a) descontinuidades dimensionais, (b) descontinuidades estruturais, (c) descontinuidades relacionadas com propriedades indesejáveis da região da solda e (d) descontinuidades relacionadas com as propriedades do metal de base.

2. Descontinuidades Dimensionais

Para a fabricação de uma estrutura soldada, é necessário que tanto a estrutura como as suas soldas tenham dimensões e formas similares (dentro das tolerâncias exigidas) às indicadas em desenhos, projetos ou contratos. Uma junta que não atenda a esta exigência pode ser considerada defeituosa, sendo necessário a sua correção antes da aceitação final da estrutura. As principais descontinuidades estruturais são:

2.1. Distorção:

É a mudança de forma da peça soldada devido às deformações térmicas do material durante a soldagem. Problemas de distorção são controlados ou corrigidos por medidas como: (1) projeto cuidadoso da peça ou estrutura, (2) planejamento da sequência da deposição das soldas, (3) projeto adequado do chanfro, (4) adoção de técnicas especiais para a deposição da solda, (5) desempeno, com ou sem a aplicação de calor, da junta soldada e (6) remoção e correção de soldas problemáticas. A forma usada de correção depende do código ou especificação considerados, de acordo entre o fabricante e cliente ou, mesmo, dos equipamentos disponíveis.

2.2. Preparação Incorreta da Junta:

Inclui a falha em produzir um chanfro com as dimensões ou forma especificadas, por exemplo, em um desenho e adequadas para a espessura do material e para processo de soldagem a ser usado. Uma falha deste tipo pode aumentar a tendência para a formação de descontinuidades estruturais (item 2) na solda, necessitando, de correção antes da soldagem.

2.3. Dimensão Incorreta da Solda:

As dimensões (figura 1) de uma solda são especificadas para atender algum requisito como um nível de resistência mecânica adequado. Soldas com dimensões fora do especificado podem ser consideradas como defeituosas uma vez que deixam de atender a estes requisitos ou, no caso de soldas, cujas dimensões ficam maiores que as especificadas, levam ao desperdício de material ou

Figura 3 – Desalinhamento em junta de topo.

3. Descontinuidades Estruturais em Soldas por Fusão

3.1 Porosidade:

Porosidade é formada pela evolução de gases, na parte posterior da poça de fusão, durante a solidificação da solda. Os poros têm usualmente um formato esférico, embora poros alongados (porosidade vermiforme) possam ser formados, em geral, associados com o hidrogênio.

As principais causas operacionais da formação de porosidade estão relacionadas com contaminações de sujeira, oxidação e umidade na superfície do metal de base, de consumíveis de soldagem ou no equipamento de soldagem (como no sistema de refrigeração e em roletes tracionadores de arames) ou por perturbações na proteção (turbulência no gás proteção devido a uma vazão muito elevada ou a problemas no equipamento ou por efeito de correntes de ar). Parâmetros inadequados de soldagem como corrente excessiva e um arco muito longo podem, também, causar a formação de porosidade, particularmente, na soldagem SMAW. Neste processo, estas condições favorecem a degradação do revestimento ou o consumo excessivo de desoxidantes, propiciando a evolução de CO na poça de fusão e a formação de porosidade. Quanto à sua distribuição na solda, a porosidade pode ser dividida em: (a) uniformemente distribuída, (b) agrupada (associada, em geral, com pontos de abertura ou de interrupção do arco) e (c) alinhada (que ocorre, em geral, no passe de raiz), figura 4.

(a) (b) (c)

Figura 4 – Esquema dos tipos de distribuição de porosidade: (a) distribuída, (b) agrupada e (c) alinhada (radiografia esquemática).

3.2. Inclusões de Escória:

Este termo é usado para descrever partículas de óxido e outros sólidos não-metálicos aprisionados entre passes de solda ou entre a solda e o metal de base (figura 5). Em vários processos de soldagem, uma escória é formada por materiais pouco solúveis no metal fundido e que tendem a sobrenadar na superfície da poça de fusão devido à sua menor densidade. Uma manipulação inadequada do eletrodo durante a soldagem pode fazer com que parte da escória escoe à frente da poça de fusão aprisionando-a sob o cordão. Adicionalmente, na soldagem com vários passes, parte da escória depositada com um passe pode ser inadequadamente removida e não ser refundida pelo passe seguinte ficando aprisionada sob este passe. Diversos fatores podem dificultar a remoção da escória, incluindo, a formação de um cordão irregular ou o uso de um chanfro muito fechado. Este tipo de descontinuidade aparece, em geral, com uma forma alongada em radiografias. Inclusões de escória podem agir como concentradores de tensão favorecendo a iniciação de trincas.

Inclusão de escória

Figura 5 - Inclusão de escória.

3.3. Inclusão de Tungstênio:

Este tipo de inclusão pode ocorrer na soldagem GTAW caso o eletrodo toque a peça ou a poça de fusão, ocorrendo a transferência de partículas de tungstênio para a solda.

3.4. Falta de Fusão:

Este termo refere-se à ausência de união por fusão entre passes adjacentes de solda ou entre a solda e o metal de base (figura 6). A falta de fusão é causada por um aquecimento inadequado do material sendo soldado como resultado de uma manipulação inadequada do eletrodo, do uso de uma energia de soldagem muito baixa, da soldagem em chanfros muito fechados ou, mesmo, da falta de limpeza da junta. Esta descontinuidade é um concentrador de tensões severo, podendo facilitar a iniciação de trincas, além de reduzir a seção efetiva da solda para resistir a esforços mecânicos.

Falta de fusão

Figura 6 - Falta de fusão.

A figura 10 ilustra diversas descontinuidades estruturais observadas na seção transversal de uma solda (a arco) em aço.

Figura 9 – Trinca no centro do cordão formada entre uma chapa de aço baixo carbono de 9mm de espessura e um pino de aço SAE 1045. Ataque: Nital 10%.

Figura 10 – Descontinuidades diversas em uma solda em aço estrutural. Ataque: Nital 10%.

4. Propriedades Inadequadas

Soldas depositadas em uma peça ou estrutura devem possuir propriedades (mecânicas, químicas, etc.) adequadas para a aplicação pretendida. Estas propriedades são, em geral, especificadas em normas, especificações, projeto ou em contrato e verificadas em testes de qualificação ou em amostras retiradas de um lote da produção. Propriedades mecânicas frequentemente avaliadas incluem o limite de resistência à tração, limite de escoamento, dutilidade e tenacidade do metal de base e da junta soldada. Propriedades ou características químicas de interesse podem incluir a composição química e a resistência a diferentes tipos de corrosão.

5. Descontinuidades em Outros Tipos de Solda

Diferentes processos de soldagem podem gerar descontinuidades diferentes das usualmente consideradas para soldas por fusão. Em processos de soldagem de resistência por ponto e costura, aspectos importantes para a qualidade da solda incluem:

• Aparência superficial (profundidade de penetração do eletrodo nas peças, fusão da superfície, formato irregular da solda, deposição de material do eletrodo nas peças, trincas e cavidades).
• Dimensões da solda.
• Resistência e dutilidade da junta.
• Descontinuidades internas (trincas, porosidade, cavidades de contração, etc.).
• Separação das peças e expulsão de metal fundido.
• Variabilidade das características de um conjunto de soldas (por exemplo, como resultado do desgaste dos eletrodos).

Em processos de soldagem de resistência de topo, por centelhamento e outros processos no estado sólido, algumas descontinuidades comuns são:

• Desalinhamento.
• Rebarba excessiva ou insuficiente.
• Falta de união na linha da solda.
• Trincas.
• Oxidação dos contornos de grão.
• Descarbonetação.
• Vazios.
• Inclusões.
• Mudança na linhas de fluxo do material.

Descontinuidades comuns em juntas brasadas incluem:

• Falta de enchimento da junta pelo metal de brasagem.
• Aprisionamento de fluxo.
• Erosão do metal base.
• Trincas.
• Aparência superficial anadequada.
• Variação dimensional.

Como já discutido, dependendo da exigência da aplicação específicas, diferentes das descontinuidades listadas, com diferentes graus de severidade podem ser, ou não, aceitáveis.

6. Inspeção de Juntas Soldadas:

A inspeção de um conjunto soldado envolve atividades relacionadas com o processo e os equipamentos de soldagem, o procedimento de soldagem, a sua especificação e qualificação, a qualificação do soldador ou operador, a metalurgia da soldagem, métodos de avaliação dimensional, visual e não destrutiva, diferentes tipos de testes destrutivos, particularmente ensaios mecânicos, juntamente com o conhecimento de desenhos e diferentes normas e especificações. Os responsáveis pela inspeção estão, em geral, ligados ao contratante do serviço ou a uma organização independente, embora o executor possa ter seus inspetores para o seu

7.1. Inspeção Visual:

Este é o método mais simples, o mais utilizado e, em geral, precede qualquer outro tipo de ensaio. Ela é usada na inspeção de superfícies externas para a determinação de tamanho, forma, acabamento, ajuste e existência de trincas, poros, etc. Pode ser feita a olho nu ou com o uso de instrumentos como microscópios, lupas, tuboscópios, espelhos e câmaras de televisão. Além disso, instrumentos como réguas e gabaritos (figura 11) são comumente utilizados.

15mm

Figura 11 – Esquema de gabarito para a determinação da dimensão de soldas de filete.

7.2. Inspeção com Líquidos Penetrantes:

Este método de END é usado para a revelação de descontinuidades superficiais e é baseado na penetração destas por um líquido apropriado e na sua posterior remoção pela aplicação de um material absorvente (revelador) na superfície sendo examinada (figura 12).

(a) (b) (c)

(d) (e) (f) Figura 12 – Princípios básicos da inspeção com líquidos penetrantes: (a) peça com trinca superficial, (b) aplicação do líquido penetrante, (c) penetração, (d) remoção do excesso de líquido, (e) aplicação do revelador e (f) formação da indicação da trinca.

Este método é simples, rápido e barato, pode ser aplicado a peças de praticamente qualquer tamanho, pode ser usado para peças únicas ou em batelada (no caso de produção seriada), tem uma grande sensibilidade para a detecção de trincas finas e, em contraste com a inspeção com partículas magnéticas, não é afetado pela orientação da descontinuidade. Por outro lado, o método não se aplica para descontinuidades internas, o seu resultado é fortemente influenciado pela rugosidade e o estado de limpeza da superfície e o material de ensaio pode, em alguns casos, reagir com a peça.

7.3. Inspeção com Partículas Magnéticas:

Este método de END é usado para revelar descontinuidades superficiais e sub-superficiais em materiais ferromagnéticos pela aplicação de um campo magnético e deposição de um pó capaz de ser atraído para as regiões em que este campo magnético escapar do interior da peça (figura 13).

(a) (b) (c)

(d) (e) Figura 13 – Princípios básicos da inspeção com partículas magnéticas: (a) peça com trinca superficial ou sub-superficial, (b) aplicação do campo magnético, (c) aplicação das partículas, (d) formação da indicação e inspeção com campo magnético e (e) sem o campo.

O campo magnético pode ser aplicado pela passagem direta de uma corrente elétrica pela peça ou pela imersão desta no campo magnético gerado, em geral, por um eletroimã (figura 14). No primeiro caso, as regiões de contato elétrico para a passagem da corrente para a peça podem ser super-aquecidas caso o contato não seja muito bom e isto pode danificar a peça. Para ambas as técnicas existem dispositivos portáteis (figura 15) que permitem o exame no campo, por exemplo, de regiões de estruturas de grandes dimensões. Para ocasionar o escape do campo magnético, uma descontinuidade deve interromper as linhas de campo magnético. Assim, a orientação de trincas em relação ao campo magnético é fundamental para a sua detecção: trincas orientadas paralelamente ao campo tendem a não produzir indicações neste ensaio. Este ensaio só é aplicável para materiais ferromagnéticos como, os aços estruturais comuns.

Ondas ultrassônicas

Cabeçote Acoplante

Cabeçote

Acoplante

Peça

Descontinuidade

Figura 16 – Inspeção ultra-sônica. A técnica pulso-eco trabalha com apenas um cabeçote (o superior) enquanto que , na técnica por transmissão, são usados dois cabeçotes.

O ultra-som é gerado em um cabeçote, em geral através de um material piezoelétrico, e direcionado para a peça. Para garantir uma transmissão eficaz até a peça um acoplante, geralmente um óleo ou glicerina, é colocado entre o cabeçote e a peça. Alternativamente, o ensaio pode ser realizado com a peça e o cabeçotes imersos em água. Duas técnicas básicas de ensaio são utilizadas: “ pulso-eco ” e por transmissão. Na primeira, a mais utilizada e de funcionamento igual ao radar, um pacote discreto de ondas é emitido periodicamente pelo cabeçote, o qual atua também como receptor das ondas refletidas (ecos) por diferentes interfaces e descontinuidades na peça. A intensidade dos ecos e o tempo entre a emissão das ondas e o retorno dos ecos são medidos. Com base nestas informações e conhecendo-se a velocidade de propagação das ondas no material, pode-se estimar a posição e o tamanho das descontinuidades (figura 17). Na segunda técnica, dois cabeçotes, um emissor e um receptor são colocados em posições opostas (figura 16) e a presença de descontinuidades é determinada pela perda de intensidade do sinal transmitido.

Tela

1

4

3

2

Peça

Cabeçote

1. Gerador de Pulsos
2. Receptor e amplificador
3. Gerador de varredura
4. Temperizador

Figura 17 – Forma mais comum da inspeção ultra-sônica pela técnica pulso-eco. O traço na tela representa as reflexões ocorridas: a primeira (à esquerda) ocorre na passagem do feixe do cabeçote para a peça, a do meio é devida à descontinuidade e a da direita resulta da reflexão no lado oposto da peça.

Na inspeção de juntas soldadas, a existência do reforço da solda dificulta o acoplamento e o uso de cabeçotes retos (nos quais o feixe sônico entra na peça perpendicularmente à superfície de contato). Neste caso, é mais comum o uso de cabeçotes angulares (o feixe sônico penetra com um ângulo determinado diferente de 90o), figura 18.

Descontinuidade

ZF

Cabeçote Acoplante

Figura 18 – Inspeção ultra-sônica de uma junta soldada com cabeçote angular.

7.5. Radiografia e Gamatografia:

Este método de END é baseado em variações da absorção de radiação eletromagnética penetrante (raios X e gama) devidas a alterações de densidade, composição e espessura da peça sob inspeção (figura 19). A radiografia é realizada com raios X que são gerados pelo impacto contra um alvo metálico de elétrons acelerados no vácuo por uma fonte de alta tensão. A gamatografia utiliza radiação gama resultante da reação nuclear em uma fonte de material radioativo. Como esta última não necessita de energia elétrica para a sua operação, ela é particularmente usada em inspeções no campo. Em algumas aplicações especiais, radiação corpuscular (feixes de elétrons e de neutrons) pode ser usada Em qualquer caso, devido aos efeitos extremamente perigosos da radiação penetrante para os seres vivos, são necessários cuidados especiais de segurança para a realização deste ensaio.

Fonte de Radiação

Peça

Descontinuidade Detector

Indicação

Figura 19 – Inspeção radiográfica.

(a) (b) (c)

Figura 21 – Exemplos de radiografias de soldas com descontinuidades: (a) Falta de penetração, (b) inclusão de escória e (c) porosidade agrupada