Controle da Energia de Soldagem na Soldagem de Tubos Duplex: Prevenção da Embrittlement pela Fase Sigma na Zona Afetada pelo Calor (ZAC)

Se você soldar aços inoxidáveis duplex ou superduplex (DSS/SDSS), estará equilibrando-se em uma corda bamba. Se a temperatura for muito baixa, ocorrerá excesso de ferrita e perda de tenacidade. Se for muito alta, você convidará o assassino silencioso das soldas duplex: Embrittlement pela fase sigma (σ) na zona afetada pelo calor (ZAC).

A fase sigma é um composto intermetálico que torna as soldas frágeis e destrói a resistência à corrosão. Embora se forme no metal base durante tratamento térmico inadequado, na soldagem, é uma consequência direta de controle inadequado controle da entrada de calor .

Este artigo fornece uma análise técnica aprofundada sobre como ajustar sua entrada de calor para evitar a formação da fase sigma na soldagem de tubos duplex, garantindo integridade mecânica e resistência à corrosão por pites.

O problema: por que a fase sigma se forma na ZAC

A precipitação da fase sigma ocorre quando a ZAC da solda é exposta a temperaturas aproximadamente entre 600 °C e 950 °C por um tempo excessivo . Em uma microestrutura duplex, a fase sigma nucleia principalmente nas interfaces ferrita/austenita. Ela cresce consumindo a ferrita (δ), rica em cromo e molibdênio — justamente os elementos responsáveis pela resistência à corrosão do aço duplex .

O mecanismo é eutetoide: δ → σ + γ₂ (austenita secundária) . À medida que a fase sigma se forma, ela extrai Cr e Mo da matriz circundante. Uma vez precipitada, a remoção da fase sigma exige um tratamento completo de recozimento em solução (1050–1100 °C), o que é impraticável para conjuntos de tubulação de grande porte . Na condição como soldado, a fase sigma é uma fase dura e frágil que reduz drasticamente a tenacidade ao impacto e a resistência à corrosão por pites.

A Variável Primária: Entrada de Calor e Taxa de Resfriamento (t12/8)

Embora a composição química seja crítica, o ciclo térmico é o fator desencadeante. O padrão da indústria para medir esse parâmetro é o tempo de resfriamento de 1200 °C para 800 °C (t12/8) . Essa faixa abrange a janela crítica tanto para a formação de austenita quanto para a precipitação de sigma.

Para evitar a formação de sigma mantendo, ao mesmo tempo, o equilíbrio entre as fases, normalmente é necessário um valor de t12/8 de 8 a 15 segundos . Se t12/8 exceder aproximadamente 15 segundos (o que ocorre com alta entrada de calor), há risco de formação de sigma. .

Para um aço duplex com 22 % Cr (como o 2205), a entrada de calor recomendada para soldagem de tubos varia tipicamente entre 0,5 kJ/mm e 2,5 kJ/mm para espessuras de parede de 10–15 mm no entanto, estudos recentes sugerem que esses limites não são estáticos; eles variam conforme a espessura da parede e a geometria da junta.

Novas Perspectivas: A Espessura da Chapa Altera as Regras

Pesquisas recentes contestam a suposição de que "alta entrada de calor é sempre prejudicial". Um estudo de 2025 sobre soldagem de chapas grossas duplex demonstrou que, para chapas com espessura superior a 10 mm, o limite superior da entrada de calor aumenta significativamente. .

• Para tubos de parede fina (< 10 mm): A dissipação lenta do calor mantém a ZAC (zona afetada pelo calor) aquecida. O uso de cálculos-padrão de entrada de calor é fundamental para evitar perfuração ou superaquecimento.

• Para tubos de parede grossa (> 14 mm): A massa do tubo atua como um grande dissipador de calor, retirando o calor rapidamente. Nesses casos, é necessária uma entrada de calor mais elevada para garantir a fusão adequada e a formação de austenita. O estudo confirmou que, em chapas de 20 mm de espessura, foram utilizadas entradas de calor de 5 kJ/mm e 7 kJ/mm sem qualquer precipitação de sigma na ZAC .

Mensagem principal: Você deve calcular a entrada de calor em relação à espessura do material. Quanto mais espesso for o tubo, maior poderá ser a entrada de calor "segura", pois a taxa de resfriamento permanece suficientemente rápida para contornar o ponto sigma da curva TTT.

O Desafio do Aço Inoxidável Super Duplex (Graus 25Cr)

Ao soldar graus super duplex (por exemplo, 2507, Zeron 100), a margem de erro reduz-se. Esses materiais com maior teor de ligas possuem uma força motriz maior para a precipitação da fase sigma.

• Sensibilidade da Passagem de Raiz: Na soldagem de tubos, a passagem de raiz é particularmente vulnerável. Pesquisas indicam que as passagens de raiz devem ser executadas com uma mais alto entrada de calor (superior a 1,0 kJ/mm) comparada às primeiras passagens subsequentes. Por quê? Uma baixa entrada de calor na raiz pode causar a precipitação de nitretos de cromo na superfície interna devido à ausência de reaquecimento. .

• Adequação ao Uso: Embora as especificações frequentemente exijam ausência de fase sigma, a realidade industrial (especialmente em projetos do Mar do Norte no Reino Unido) mostra que uma quantidade limitada de sigma na ZAC de baixa temperatura (2–5 mm da linha de fusão) pode, às vezes, ser tolerada. Estudos aceitaram até 2,5% de fração volumétrica de sigma na ZAC, desde que sejam aprovados os ensaios de tenacidade à fratura CTOD (deslocamento de abertura da ponta da trinca) e de corrosão ASTM G48 . Contudo, este é um limite de qualificação, não um alvo de produção.

Orientações Práticas para o Engenheiro de Soldagem

Para evitar a formação da fase sigma em soldas de tubos duplex, vá além das regras genéricas de "baixo calor". Implemente os seguintes controles:

1. Controlar a Temperatura entre Passes

A fase sigma é cumulativa. À medida que são adicionadas camadas de solda, a ZAC das camadas anteriores é submetida novamente ao intervalo crítico de temperaturas (700–900 °C). Limite rigorosamente a temperatura entre passes. Para aços duplex superduplex (25% Cr), a temperatura máxima entre passes é geralmente 150°C  . Para duplex padrão com 22% Cr, o limite usual é 200 °C .

2. Evitar a armadilha das "Muitas Camadas Pequenas"

Parece contraintuitivo, mas usar um grande número de passes com baixa entrada de calor pode ser mais perigoso do que usar menos passes, porém maiores. Cada pequeno passe reaquece a ZAC anterior, envelhecendo efetivamente o material e precipitando as fases sigma e chi (χ). .

• Estratégia: Utilize uma sequência de soldagem que minimize o número de ciclos térmicos em qualquer área específica da ZAC.

3. Equilibrar os Números de Ferrita

A fase sigma forma-se mais facilmente na ferrita. Se o teor de ferrita na sua ZAC exceder 70–75%, o risco de precipitação da fase sigma aumenta drasticamente, pois há mais ferrita instável disponível para sofrer transformação.

• Certifique-se de que seu gás de proteção e seus metais de adição promovam uma reformação adequada de austenita. Os metais de adição à base de níquel ajudam, mas tenha cautela: teores mais elevados de Ni ampliam a faixa de temperaturas em que ocorre a formação da fase sigma. .

4. Calcular a Entrada Efetiva de Calor

Não confie na "sensação". Utilize a fórmula:

$$\text{Entrada de Calor (kJ/mm)}=\frac{\text{Voltagem (V)}\times \text{Corrente (A)}\times 60}{\text{Velocidade de deslocamento (mm/min)}\times 1000}$$

Para processos GTAW (TIG), lembre-se de considerar o fator de eficiência térmica (η), que normalmente é de aproximadamente 0,6 para TIG. .

Conclusão

A fragilização pela fase sigma é um modo de falha evitável. É um indicativo de que a solda foi submetida a excesso de calor por tempo demasiado — seja globalmente (alta entrada de calor em tubos finos) ou localmente (reaquecimentos múltiplos de passes pequenos).

A soldagem moderna de tubos duplex exige uma mudança de "seguir o PSS" para a compreensão da história térmica . Ao controlar os tempos de resfriamento t12/8, respeitar os limites de temperatura entre passes e ajustar a entrada de calor conforme a espessura real da parede do tubo, é possível obter microestruturas na zona afetada pelo calor (ZAC) livres de fase sigma, com boa tenacidade e resistência à corrosão.