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Por que a seleção do Metal de Adição é importante no alumínio

A Soldagem de alumínio tem menos opções de processo do que a Soldagem de aço (D1.2 cobre GMAW, GTAW, PAW-VP, FSW e Soldagem de pinos, mas exclui SMAW), então a seleção do Metal de Adição carrega mais da carga metalúrgica. O Metal de Adição errado no alumínio produz um dos três modos de falha que aparecem mais tarde, às vezes anos depois: trinca a quente durante a solidificação, intermetálicos Mg₂Si frágeis na linha de fusão ou corrosão sob tensão devido à precipitação sustentada de Mg₂Al₃ em serviço.

D1.2 §4.4.1 anchors the choice: "Filler metal shall conform to AWS A5.10/A5.10M, Especificação for Bare Aluminum and Aluminum Alloy Welding Electrodes and Rods. Table 4.2 lists filler alloys recommended for various Metal de Base alloys." Five fillers cover the structural majority of aluminum work: ER4043 (Al-Si), ER5183, ER5356, ER5554, and ER5556 (all Al-Mg variants). Selection logic follows base-alloy magnesium content more than it follows Geometria da junta — the exception being elevated-Temperatura service, which overrides everything via Table 4.2 Note 4.

Os cinco Metais de Adição estruturais — base química

A A5.10 Tabela 1 fornece a química que impulsiona cada decisão de seleção. O eixo Si vs Mg separa o ER4043 dos Metais de Adição 5xxx; o eixo de porcentagem de Mg separa o ER5554 (abaixo do limite de 3% da Nota 4) dos Metais de Adição de maior Mg acima dele.

Dois padrões resultam da química. O ER4043 é o único Metal de Adição Al-Si — efetivamente zero magnésio, baixa faixa de solidificação, baixa suscetibilidade a trinca a quente e fora da proibição de Temperatura de longo prazo da Nota 4. Os quatro Metais de Adição Al-Mg (5183, 5356, 5554, 5556) todos contêm magnésio entre 2,4 e 5,5 por cento, mas apenas o ER5554 está no ou abaixo do limite de 3 por cento da Tabela 4.2 Nota 4. ER5183, ER5356 e ER5556 estão todos acima de 3 por cento de Mg e, portanto, cobertos pela regra de Temperatura de longo prazo.

Soldas 5xxx-para-5xxx — seleção pelo teor de Mg do Metal de Base

A família 5xxx cobre uma ampla faixa de magnésio, e a Tabela 4.2 seleciona os Metais de Adição de acordo. Para ligas 5xxx de baixo Mg (5005, 5050, cerca de 0,5–1,4% Mg), a Tabela 4.2 mostra "4043, 5356" com a Nota 1 confirmando que qualquer um é aceitável; o ER4043 é o padrão típico. Para ligas 5xxx de médio Mg (5052 cerca de 2,5% Mg, 5154/5254 cerca de 3,5%), o ER5356 é a escolha padrão; 5454-para-si mesmo é a exceção (ER5554 é a combinação projetada para serviço 5454 em Temperatura elevada). 5086 (cerca de 4% Mg) está com as ligas fundidas 514.0 e 535.0 no agrupamento de linhas da Tabela 4.2 e usa ER5356 como primário, com ER5183 ou ER5556 aceitáveis como alternativas da Nota 3. A linha 5083/5456 é o único par 5xxx onde a Tabela 4.2 mostra ER5183 ou ER5556 como a recomendação primária (5183, 5556a), com ER5356 aceitável conforme a Nota 3.

A Tabela 4.2 Nota 3 torna a substituição explícita: "Sempre que 5356 for mostrado, 5183 ou 5556 são alternativas aceitáveis." A substituição não é arbitrária — ER5183 e ER5556 contêm maior teor de manganês (0,5–1,0 por cento) do que ER5356, o que se traduz em maior Limite de Escoamento e resistência ao cisalhamento do Metal de Solda.

"Em soldas estruturais 5083 carregando cisalhamento significativo, o ER5183 rotineiramente testa de 10 a 15 por cento mais alto em resistência ao cisalhamento do que o ER5356 com o mesmo procedimento. O prêmio de custo é pequeno, a penalidade metalúrgica é nenhuma. Nós padronizamos para 5183 em 5083, a menos que haja uma razão de estoque para usar 5356." — Nota do profissional, orientação de seleção de Metal de Adição da AlcoTec / Hobart, cross-confirmada com Lincoln Electric e ESAB.

Um caso específico é mencionado na Tabela 4.2 nota de rodapé a: "5556 é recomendado para soldar 5456 a si mesmo." O Metal de Base 5456 é a liga estrutural 5xxx de maior resistência (cerca de 5% Mg), e o ER5556 corresponde de perto à química enquanto carrega 0,5–1,0% Mn. As Propriedades mecânicas de uma Solda de Metal de Adição ER5556 em Metal de Base 5456 atingem a resistência recozida conforme soldado do material original mais de perto do que o ER5356. Para trabalhos de 5456 de alta tensão marítima, de transporte ou de estrutura de pressão, o ER5556 é a combinação projetada; o ER5356 é permitido apenas como alternativa da Nota 3.

Para 5454 especificamente, ER5554 é a combinação projetada. O ER5554 contém menos magnésio (2,4–3,0 por cento vs 4,5–5,5 por cento no ER5356), mantendo-o no ou abaixo do limite de 3 por cento de Mg da Nota 4. Isso torna o ER5554 o único Metal de Adição Al-Mg que permanece permitido para serviço 5454 quando as Temperaturas de longo prazo podem exceder 150°F.

Soldas 6xxx-para-6xxx

Para soldar ligas 6xxx a outras ligas 6xxx — 6005, 6005A, 6061, Alclad 6061, 6063, 6082, 6351 — a Tabela 4.2 lista "4043, 5356" com a Nota 1 confirmando que qualquer um é aceitável. O ER4043 é o padrão típico. O ER4043 contém aproximadamente 5 por cento de silício (Si 4,5–6,0 por cento conforme A5.10 Tabela 1), o que diminui a faixa de solidificação, reduz a suscetibilidade a trinca a quente e produz perfis de cordão mais suaves do que os Metais de Adição 5xxx. A combinação metalúrgica é favorável: as ligas 6xxx contêm magnésio e silício, e um Metal de Adição Al-Si não introduz magnésio adicional que promoveria trinca a quente em um caminho de solidificação 6xxx.

ER5356 é a alternativa listada em soldas 6xxx-para-6xxx. A desvantagem é mecânica: o ER5356 produz maior resistência ao cisalhamento em uma Solda de Filete, mas com maior risco de trinca a quente e com mais calor de arco para a mesma penetração. A escolha depende do que a Solda está carregado. Para um filete 6061 que deve passar em um Ensaio de Quebra de Filete sob cisalhamento ou flexão, o ER5356 é a escolha geométrica mais conservadora — ele desloca o modo de falha da garganta do filete para a Zona Afetada pelo Calor do Metal de Base. Para um filete 6061 sob serviço de baixo cisalhamento ou onde a estética do cordão importa (trabalho arquitetônico, anodizado), o ER4043 é o melhor padrão. Observe que o ER5356 está sujeito à Tabela 4.2 Nota 4 (a regra de longo prazo de 3% Mg / 150°F); o ER4043 não está.

As ligas 6xxx experimentam perda significativa de resistência na Zona Afetada pelo Calor após a Soldagem, independentemente da escolha do Metal de Adição. A ZAC reverte para a condição recozida (tipicamente 40–50 por cento de perda do Limite de Escoamento T6), e essa resistência da ZAC conforme soldado governa a capacidade de projeto da junta. A seleção do Metal de Adição move a resistência da garganta, mas não recupera a resistência da ZAC — apenas o Tratamento térmico de solução pós-Soldagem e o envelhecimento artificial podem fazer isso, e isso raramente é prático para estruturas fabricadas.

Soldas dissimilares 5xxx-para-6xxx

Para qualquer junta dissimilar 5xxx-para-6xxx — por exemplo, 5083 para 6061, ou 5086 para 6063 — ER5356 é o Metal de Adição recomendado sob a D1.2 Tabela 4.2. Nunca use ER4043 em uma junta contendo 5xxx. A razão metalúrgica é bem documentada: quando um Metal de Adição de alumínio-silício (ER4043 com cerca de 5 por cento de Si) é usado em uma liga base 5xxx (contendo 2–5 por cento de Mg), o magnésio na base reage com o silício no Metal de Adição para formar um composto intermetálico frágil de Mg₂Si na linha de fusão. O intermetálico reduz drasticamente a ductilidade e a tenacidade e cria um modo de falha de longo prazo conhecido sob carregamento cíclico, de choque ou de baixa Temperatura.

A regra é simétrica: qualquer junta onde um lado é uma liga 5xxx deve usar um Metal de Adição contendo magnésio (ER5356 padrão, ER5183 ou ER5556 conforme Nota 3). Se ambos os lados são 6xxx, ER4043 está correto. Se um lado é 5xxx, ER5356 está correto. Os profissionais às vezes tentam ER4043 em uma junta mista 5xxx-para-6xxx para o benefício cosmético (cordão mais suave, mais fácil de alimentar) e descobrem o modo de falha por fratura frágil meses ou anos depois sob carga de serviço. A falha não é sutil e não é recuperável.

Soldas de fundido para forjado

As ligas de fundição na D1.2 (354.0, A356.0, 357.0, A357.0, 359.0, 443.0, A444.0, 514.0, 535.0) seguem sua própria lógica de seleção de Metal de Adição. Juntas forjadas-para-fundidas geralmente usam ER4043 porque a maioria das ligas fundidas são à base de alumínio-silício e o Metal de Adição corresponde à química base. A exceção são as ligas fundidas de alta resistência 354.0 e C355.0, que a Tabela 4.2 especifica com ER4145 (um Metal de Adição Al-Si com maior Cu) para correspondência de resistência.

Soldas fundido-para-fundido em ligas da série 5xx.x (514.0, 535.0) usam Metais de Adição 5xxx porque a química base é Al-Mg, não Al-Si. A mesma proibição intermetálica de Mg₂Si se aplica — não solde uma liga fundida 5xx.x com ER4043. Consulte a matriz completa da Tabela 4.2 da D1.2 para especificações de ligas fundidas; esta página cobre as combinações forjadas de alta frequência.

A regra de Temperatura de longo prazo de 3% Mg / 150°F

A D1.2 Tabela 4.2 Nota 4 é uma das regras mais importantes e mais negligenciadas na seleção de Metal de Adição de alumínio. O texto literal diz: "Ligas Al-Mg contendo mais de 3% de Mg não devem ser usadas em aplicações onde são encontradas exposições de longo prazo acima de 150°F."

O mecanismo é metalúrgico. Ligas de alumínio-magnésio com mais de aproximadamente 3 por cento de magnésio experimentam precipitação contínua de Mg₂Al₃ (a fase beta) nos contornos de grão quando mantidas acima de aproximadamente 150°F (66°C). Ao longo de semanas, meses ou anos de serviço, o precipitado nos contornos de grão sensibiliza o Metal de Solda à Corrosão sob Tensão sob carregamento de tração — particularmente em atmosferas contendo cloreto ou marinhas. A falha não aparece no momento da Soldagem ou em Ensaio mecânico padrão; ela aparece como trincas após serviço prolongado.

A regra abrange três dos cinco Metais de Adição estruturais nesta página: ER5183 (Mg 4,3–5,2%), ER5356 (Mg 4,5–5,5%) e ER5556 (Mg 4,7–5,5%). Ela NÃO abrange ER5554 (Mg 2,4–3,0%, no ou abaixo do limite de 3 por cento) ou ER4043 (Mg 0,05% Máximo, efetivamente zero). Implicações práticas:

• Pressure vessels with continuous service above 150°F: use ER4043 or ER5554; do not use ER5183, ER5356, or ER5556.
• Hot-fluid piping (steam recovery, process heat, refinery): ER4043 default; ER5554 acceptable when base is 5454.
• Solar-thermal aluminum structures: peak surface temperatures can exceed 150°F sustained; check service envelope before specifying ER5356 or ER5183.
• Engine components, exhaust-adjacent structures: high-Mg fillers prohibited; ER4043 or qualified alternative.
• Short excursions above 150°F: not the trigger; sustained or long-term exposure is the rule.

A Nota 4 não proíbe Metais de Adição Al-Mg em todas as aplicações de Temperatura elevada — ela proíbe os Metais de Adição com >3% Mg apenas em serviço de longo prazo. Definir "longo prazo" faz parte do julgamento de engenharia, mas uma leitura defensável é qualquer coisa além de algumas centenas de horas de operação acima de 150°F. Em caso de dúvida, use ER4043 (ou ER5554 ao combinar a base 5454) ou qualifique uma alternativa sob a Nota 5.

Nota 5 — seleção de Metal de Adição para requisitos específicos

A D1.2 Tabela 4.2 Nota 5 reserva um caminho para seleções de Metal de Adição não padrão dentro da família A5.10: "Existem aplicações onde requisitos específicos tornam necessária a seleção de ligas de Metal de Adição diferentes das mostradas acima." A Nota 5 é um reconhecimento de que a matriz de Metais de Adição recomendados é um ponto de partida, não uma prescrição absoluta. Casos comuns da Nota 5 incluem correspondência de cor para trabalhos arquitetônicos anodizados (ER5356 anodiza para corresponder à cor do Metal de Base, enquanto ER4043 escurece, então trabalhos anodizados 6xxx às vezes usam ER5356, apesar de ER4043 ser o padrão típico), otimização do ambiente de corrosão ou aplicações de alta resistência fora da faixa de substituição da Nota 3.

A D1.2 não possui conceito de EPS pré-qualificada — toda EPS sob D1.2 deve ser qualificada conforme a Cláusula 3 com um Registro de Qualificação de Procedimento de Soldagem. A seleção de Metal de Adição que se desvia da Tabela 4.2 deve ser documentada na EPS e validada através do mesmo Ensaio mecânico de PQR exigido para qualquer outra variação de procedimento. A aprovação do engenheiro e a rastreabilidade à Conformidade A5.10 permanecem os portões.

Erros comuns de seleção

1. Usar ER4043 em uma junta contendo 5xxx. O modo de falha intermetálico frágil de Mg₂Si é o erro mais comum na Soldagem de alumínio. Toda junta com uma liga 5xxx em qualquer um dos lados deve usar um Metal de Adição contendo magnésio.

2. Usar ER5356, ER5183 ou ER5556 em uma aplicação de serviço a quente. A Tabela 4.2 Nota 4 proíbe Metais de Adição Al-Mg acima de 3 por cento de Mg para serviço de longo prazo acima de 150°F. Trabalhos com vasos de pressão e tubulações de processo com serviço contínuo em Temperatura elevada devem usar ER4043 (ou ER5554 ao combinar a base 5454).

3. Usar ER5356 como padrão para trabalhos 6xxx-para-6xxx. O ER5356 é permitido em 6xxx (a Tabela 4.2 lista 4043 ou 5356), mas com maior risco de trinca a quente e menor qualidade de cordão do que o ER4043. Use ER4043 como padrão 6xxx-para-6xxx, a menos que haja uma razão específica (Ensaio de Quebra de Filete carregado por cisalhamento, estética anodizada) para usar ER5356.

4. Usar ER5356 em 5083-para-5083 ou 5456-para-5456 como escolha primária. A Tabela 4.2 mostra ER5183 (ou ER5556) como o Metal de Adição primário para trabalhos 5083/5456. A nota de rodapé a especifica ER5556 para 5456-para-si mesmo. O ER5356 é permitido apenas como alternativa da Nota 3 e produz menor resistência nessas ligas base de alto Mg.

5. Tratar ER5554 como um Metal de Adição Al-Mg de uso geral. O ER5554 tem um nicho específico: Metal de Base 5454 em serviço de Temperatura elevada. Seu baixo teor de magnésio (2,4–3,0%) o mantém abaixo do limite da Nota 4, mas produz menor resistência do Metal de Solda do que ER5356 / ER5183 / ER5556 em outros trabalhos 5xxx. Não substitua ER5554 por ER5356 em Soldagem 5xxx geral.

Quando escolher cada Metal de Adição — resumo da seleção

A lógica de seleção por família de ligas, com serviço em Temperatura elevada como uma anulação:

Dois lembretes de Conformidade. Primeiro, esta Tabela resume a lógica de seleção da Tabela 4.2; a Tabela 4.2 completa da D1.2 é a matriz autoritativa e deve ser consultada para combinações não mostradas aqui. Segundo, toda seleção assume que o Metal de Adição está em Conformidade com AWS A5.10/A5.10M conforme §4.4.1; a D1.2 não possui caminho de EPS pré-qualificada, então todos os procedimentos, incluindo a escolha do Metal de Adição, devem ser qualificados sob a Cláusula 3.

Guias de Normas Relacionadas

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