Um guia para o encarregado de camposoldas exotérmicas falhas— as cinco causas do processo, o passo a passo do diagnóstico e um diagnóstico interativo de falhas de solda que você pode executar antes de cortar qualquer coisa.

Há três semanas, um empreiteiro em Cebu me enviou fotos às 23h, horário local. Duzentas juntas exotérmicas haviam sido concretadas no trimestre anterior em uma malha de aterramento de subestação de 33 kV. O comissionamento estava marcado para a manhã seguinte. Metade das juntas parecia perfeita. A outra metade apresentava microfuros ao longo da saída do condutor e media entre 600 e 900 micro-ohms, contra uma resistência saudável de 30 a 50 micro-ohms na metade sem problemas. O fornecedor — e não nós — havia entregado as juntas.pó de metal de soldaem uma embarcação que ficou atracada em um cais de Manila durante três dias de chuva. Ninguém abriu um único cartucho para verificar.

Essa ligação é o motivo deste artigo. Após 17 anos de usinagemmoldes de soldagem exotérmicaPara compradores estrangeiros — e após 12 anos analisando seus relatórios de comissionamento — deixei de acreditar em falhas repentinas. O que parece repentino é quase sempre um erro de processo que ninguém identificou porque a ficha técnica não mencionava isso. Eis o que agora envio a todos os empreiteiros que me ligam com uma falha "misteriosa", na ordem em que os explico detalhadamente no local da obra.

Por que uma solda aluminotérmica malsucedida quase nunca falha da maneira que você imagina

Primeiro, preciso questionar a estrutura, pois ela influencia todas as decisões de solução de problemas que a equipe toma. Quando um empreiteiro me liga com uma "solda defeituosa", faço uma pergunta antes de qualquer outra:A junta alguma vez passou num teste de resistência, ou falhou no primeiro teste de comissionamento?A resposta muda tudo, porque uma junta que se degradou em serviço e uma junta que estava defeituosa desde o início são dois problemas completamente diferentes, com duas causas principais completamente diferentes.

De acordo com a literatura sobre gestão do envelhecimento de conexões elétricas enterradas, referenciada pelas concessionárias de energia dos EUA (NUREG-1800, o relatório genérico sobre lições aprendidas com o envelhecimento, usado para justificar décadas de extensão da vida útil das instalações), os mecanismos de degradação documentados para qualquer junta enterrada são ciclos térmicos, aquecimento ôhmico, vibração e corrosão — e o relatório é explícito ao afirmar que esses mecanismos atuam nas interfaces.A soldagem exotérmica não possui interface com o envelhecimento.Isso ocorre porque os condutores e o cobre fundido se tornam uma peça metálica contínua durante a reação. Portanto, quando uma junta exotérmica corretamente fundida falha em serviço, a falha quase nunca está no próprio metal de solda — está em uma seção do condutor que a solda nunca alcançou ou em uma microfenda sujeita a ciclos térmicos deixada pela solda devido a uma dosagem incorreta de pólvora no dia da fundição.

Como um "defeito de fundição" se apresenta na prática em uma desmontagem forense.

As duzentas juntas de Cebu me ensinaram um padrão que se manteve consistente em praticamente todas as falhas em múltiplas juntas que observei desde então. Quando abrimos uma junta danificada e polimos a seção transversal, vemos uma de cinco microestruturas recorrentes, e cada uma delas corresponde perfeitamente a uma das cinco causas do processo descritas no restante deste artigo:

• Orifícios de ventilação agrupados perto da superfície do condutor.Vapor proveniente da umidade retida — geralmente pó úmido, às vezes um condutor úmido, ocasionalmente condensado em um molde frio.
• Uma camada de óxido paralela ao eixo do condutor.Contaminação entre o condutor e o metal de solda — óleo de uma impressão digital, óxido residual de um cabo mal limpo ou uma película de agente desmoldante de um molde que nunca foi pré-aquecido.
• Uma cavidade com preenchimento insuficiente e superfície côncava no cordão de vedação.Um molde de grafite desgastado além do número de ciclos necessário, ou uma carga de pólvora insuficiente para a seção transversal do condutor que o material deveria preencher.
• Uma tubulação com fechamento a frio, onde duas frentes metálicas não se fundiram.O momento da ignição estava incorreto para a temperatura do molde — quase sempre porque uma equipe tentava acender um molde retirado diretamente de uma loja com ar condicionado em uma manhã fria.
• Um cordão de solda aderido a apenas um dos dois condutores em um circuito cruzado.Desalinhamento do molde no fechamento ou deslocamento do disco de pólvora do orifício de vedação durante a ignição.

Depois de aprender a interpretar essas cinco microestruturas, a resolução de problemas deixa de ser uma questão de adivinhação. O restante deste guia aborda cada causa na ordem em que eu investigaria no local, com a etapa de verificação que comprova a causa antes mesmo de você cortar uma única junta.

Será que a umidade é a verdadeira culpada quando uma solda aluminotérmica falha?

A umidade é a principal causa de falha que menciono porque é a desculpa mais comum e a mais tolerante. O cobre fundido da reação exotérmica atinge aproximadamente 1.083 °C — o ponto de fusão do cobre — e, no momento em que entra em contato com a água, esta evapora instantaneamente, expandindo seu volume em cerca de 1.700 vezes. O vapor força sua passagem através do metal de solda ainda fundido, deixando um rastro de poros, e a junta fica comprometida antes mesmo de esfriar.Investigações de incidentes da OSHA em operações de soldagem aluminotérmicaEste único mecanismo causou mais ferimentos por ignição e queimaduras em tripulantes do que qualquer outro erro em processos exotérmicos.

O motivo pelo qual isso falha tão silenciosamente é que a umidade tem três esconderijos, e apenas um deles é óbvio.

• Pó úmido.A causa mais comum de falhas em grandes quantidades. O pó é enviado em latas lacradas por um motivo: uma vez aberta, o conteúdo é higroscópico e absorve a umidade ambiente em climas costeiros em poucas horas. Um cartucho que "parece seco" não está seco.
• Condutores úmidos.Tanto os fios de cobre quanto o aço revestido de cobre retêm umidade nos interstícios dos fios. Um cabo que foi armazenado descoberto no local durante uma tempestade fica úmido por dentro, mesmo que a parte externa pareça seca, e uma superfície seca com maçarico reabsorverá a umidade em poucos minutos em ar úmido.
• Condensação por mofo frio.Um molde de grafite retirado de um depósito climatizado a 18 °C e levado para uma manhã com 32 °C e 85% de umidade, condensará uma película de água na parede da cavidade antes que a equipe posicione o condutor. O vazamento, então, aprisiona essa película entre a parede do molde e o metal fundido.

A autópsia de Cebu em três linhas

As juntas de Cebu falharam porque o pó ficou em um cais encharcado pela chuva e a equipe abriu as latas na manhã da concretagem. Mesmo assim, usaram o pó porque parecia seco — e a parte inferior do cordão, em todas as juntas que falharam, apresentava o padrão exato de bolhas agrupadas que o vapor impulsionado pela umidade deixa para trás. Uma verificação com dessecante a cada 20 minutos em três cartuchos de amostra antes da concretagem teria detectado todo o lote, e a equipe teria sabido que o restante deveria ser colocado em quarentena.

Seu molde de grafite está desgastado além do seu período de vida útil recomendado?

Essa é a causa que os fornecedores lidam pior, porque o modo de falha é invisível para o comprador e a contagem de ciclos é algo que somente o fornecedor conhece.Literatura do produto Cadweld da nVent ERICOOs moldes de grafite são classificados em cerca de 50 a 100 ciclos de serviço, e em nossa linha de produção, classificamos nossos moldes com uma vida útil de aproximadamente 50 a 100 ciclos.moldes de soldagem aluminotérmicacom 50 a 100 ciclos, em 80 a 100 juntas em uso normal de campo. Depois disso, a cavidade fica tão erodida que o furo de vazamento não dosa mais o metal fundido de forma limpa na junta.

O sinal mais evidente de um molde desgastado não é uma rachadura visível, mas sim o cordão de solda que perde seu formato arredondado e começa a se curvar para dentro no centro. Um molde novo produz um cordão que se eleva suavemente sobre o condutor, porque a carga de pó preenche ligeiramente a cavidade em excesso e o excedente se funde ao canal de alimentação. Um molde desgastado fica subutilizado, porque a cavidade se alargou o suficiente para que a mesma carga de pó não tenha mais o excedente necessário para formar a cúpula. As equipes compensam adicionando pó, o que superaquece a cavidade e acelera o desgaste — um ciclo vicioso que leva cerca de vinte vazamentos mal sucedidos para destruir completamente um molde.

Como classificar um molde que você não comprou conosco.

Se você herdou moldes de outro fornecedor, compare-os com um molde em bom estado e com a mesma geometria. Um molde de grafite perde de 3 a 8 gramas por ciclo devido à erosão térmica e à limpeza; um molde com 50 gramas a menos do que seu peso inicial já passou por mais ciclos do que o permitido. Em segundo lugar, observe o formato do cordão de solda nas últimas cinco fundições — se algum deles estiver côncavo, o molde já ultrapassou sua vida útil recomendada.IEEE Std 837-2014No âmbito da estrutura de qualificação para ligações permanentes de aterramento em subestações, a geometria da cavidade de solda faz parte da evidência de qualificação — portanto, um molde desgastado não é apenas um risco de qualidade, mas também um risco de conformidade com a norma para a qual a junta foi especificada.

Uma carga de pólvora insuficiente pode estar comprometendo silenciosamente suas soldas?

A pólvora vem em cartuchos de tamanhos padronizados por um motivo.Como a proporção entre a massa de pó e a massa de cobre é a variável que determina se a reação gera calor suficiente para fundir completamente a seção transversal do condutor, um cartucho subdimensionado cria uma junta que se solidifica na parte externa, mas fica subfundida na interface com o condutor.A solda parece estar em boas condições. A resistência, porém, revela a realidade seis meses depois, quando a junta aquece sob a primeira corrente de falha.

A versão honesta dessa falha é que, às vezes, as equipes substituem o cartucho correto por um menor quando ele está em falta, presumindo que a quantidade de metal seja "mais ou menos a mesma". A versão desonesta é que alguns fornecedores vendem um cartucho nº 115 pelo preço de um nº 150 porque o formulário de pedido do contratante indicava "distância entre cabos de 50 mm²" sem especificar o par condutor completo. Ambos terminam com a mesma emenda: uma bela junção, uma microfenda oculta no condutor e uma resistência que aumenta ano após ano.

Será que os atalhos na preparação dos condutores são a causa oculta das juntas de alta resistência?

Já vi equipes gastarem vinte minutos limpando a parte visível de um fio de cobre e ignorarem a seção que entra na cavidade do molde, porque a ficha técnica diz "limpar até o metal ficar brilhante", sem especificar como.Como a ligação se forma na superfície do condutor que está dentro da cavidade no momento do vazamento, uma seção contaminada sob a cavidade cria uma junta que é metalurgicamente contínua na parte externa e laminada por óxido na parte interna.

A contaminação mais comum que observo em desmontagens forenses não é sujeira, mas sim a impressão digital. As equipes manuseiam a seção condutora que fica dentro do molde, deixando uma fina camada de óleo da pele, e o cobre fundido não consegue penetrar essa camada para se fundir ao metal base. O resultado é uma junta com uma camada contínua de óxido entre o metal de solda e o condutor, e essa camada de óxido é exatamente o tipo de interface que a norma NUREG-1800 descreve como uma via de degradação sob ciclos térmicos.

• Utilize uma escova de aço afiada específica para cada tipo de condutor — cobre, aço revestido de cobre e aço galvanizado exigem escovas diferentes.
• Limpe a área limpa com um pano que não solte fiapos umedecido com álcool isopropílico, e não com as mãos enluvadas.
• Limpe novamente o condutor se ele ficar exposto ao ar livre por mais de 15 minutos antes da fundição, pois o cobre novo oxida rapidamente em atmosferas costeiras e industriais.
• A partir desse momento, segure a parte limpa com um alicate limpo ou um pano limpo — sem contato com a pele.

Será que o ponto de ignição por moldagem a frio está causando as falhas no turno da manhã?

Essa é a causa que ninguém registra por escrito, porque soa mais como um erro do operador do que um erro de processo. A realidade é que a reação exotérmica é ajustada a uma faixa térmica específica, e um molde que está abaixo de aproximadamente 25 °C no momento da ignição se comporta de maneira diferente de um que foi pré-aquecido. O pó inicial inflama, a frente de reação se propaga pela carga, mas o cobre fundido perde calor para o grafite frio mais rápido do que a reação consegue repô-lo, e o metal atinge a cavidade condutora abaixo da temperatura de fusão. O cordão ainda se forma. A fusão é incompleta.

Este é um problema predominantemente do turno da manhã em locais de clima temperado ou frio, e predominantemente do turno da tarde em locais tropicais onde as equipes pré-resfriam seus moldes em armazéns com ar condicionado para “preservá-los”. Qualquer uma das práticas produz o mesmo padrão de falha: uma linha de junção a frio onde duas frentes de metal se encontraram, mas não se fundiram completamente, visível na seção transversal como uma descontinuidade acentuada na estrutura granular paralela à parede da cavidade.

Lista de verificação forense: o que fazer quando uma junta falha no comissionamento

Quando uma junta de moldagem rápida falha durante o comissionamento, siga esta ordem de investigação. As três primeiras verificações levam menos de uma hora no local e resolvem aproximadamente 80% das falhas em juntas múltiplas sem a necessidade de remover qualquer componente.

1. Verificar o histórico do lote do pó.Quando o pó foi entregue, como foi armazenado e alguma lata foi aberta antes do despejo? Qualquer resposta "sim" indica umidade (Causa 1).
2. Retire o tronco do molde.Quantos ciclos o molde já completou? Compare com a classificação de 50 a 100 ciclos. Qualquer molde que ultrapasse essa classificação deve ser substituído antes da próxima fundição (Causa 2).
3. Verifique o tamanho da partícula de pólvora em relação à tabela de condutores.Verifique se o tamanho do cartucho em cada lata corresponde à combinação de condutores na junta. As latas incompatíveis são reabastecidas com o cartucho correto (Causa 3).
4. Inspecione três juntas danificadas na seção transversal.Um corte com serra de fita e um polimento são suficientes para identificar padrões de porosidade (Causa 1), laminação de óxido (Causa 4), enchimento insuficiente (Causas 2 e 3) ou linhas de fechamento a frio (Causa 5).
5. Mapear falhas em relação à sequência de despejo.Falhas concentradas no início de um turno quase sempre apontam para a Causa 5 (molde frio). Falhas concentradas no final de um lote de pó apontam para a Causa 1 (pó úmido). Falhas distribuídas uniformemente ao longo de um turno apontam para as Causas 2 ou 4.

Se as falhas persistirem após todas as cinco verificações, o problema é quase certamente ambiental — química do solo, correntes parasitas ou corrosão galvânica encontrando uma interface deixada pela solda — e a discussão precisa mudar do processo para o projeto. Essa discussão, porém, é assunto para outro artigo.

Disciplina de Remoldagem: Reduzir, não soldar novamente no local.

Uma vez que uma junta falha, o único reparo correto é remover o metal além da zona afetada pelo calor e preparar o condutor novamente do zero. Despejar metal de solda novo sobre uma junta defeituosa não funde o metal novo ao antigo de forma confiável, porque a interface original já formou sua própria metalurgia e qualquer porosidade aprisionada se torna um ponto de nucleação para a próxima falha. A área removida deve ter pelo menos 50 mm de condutor limpo em cada lado da junta original, o novo molde deve estar dentro do seu ciclo de fabricação e o lote de pó deve ser de uma lata recém-aberta e verificada como seca.

A segunda fundição também é o momento certo para atualizar o molde, caso a falha tenha indicado desgaste do molde. Enviamos nossos produtos.moldes de soldagem exotérmicaCom um registro de ciclo serializado para que os compradores possam rastrear o histórico de cada molde ao longo de um projeto, e o mesmo registro deve acompanhar qualquer molde que seja transferido entre locais. Um molde que você não consegue rastrear é um molde em que você não pode confiar.

Como auditar seu fornecedor atual sem ofender ninguém

A maioria das ligações que recebo sobre esse assunto não começa com uma falha. Começam com um comprador que acabou de ser solicitado a qualificar um novo fornecedor, ou com um engenheiro que herdou um processo que não projetou e quer saber quais perguntas fazer antes da próxima falha. A versão honesta dessa conversa é que quase todos os fornecedores conseguem entregar um molde que funciona no dia da fundição. A questão mais difícil é se eles conseguem documentar por que o produto funcionou e se assumirão a responsabilidade quando isso não acontecer.

Três questões diferenciam um fornecedor legítimo de um vendedor que oferece descontos apenas para resolver esse problema específico, e eu as responderia a todos os compradores nessa ordem.

1. “Mostre-me seu modelo de registro do ciclo de mofo.”Um fornecedor que monitora a contagem de ciclos é um fornecedor que sabe que os moldes se desgastam. Um fornecedor que não faz isso está a um passo de transformar o seu problema no dele.
2. “Qual é a rastreabilidade dos seus lotes de pó?”Cada lata deve conter um número de lote, uma data de fabricação e um indicador de lacre. Um fornecedor que reembala pó a granel em latas sem rótulo representa um risco de umidade.
3. Qual é a sua posição sobre a substituição de cartuchos de tamanho inferior?A resposta honesta é: "Recusamos o pedido até que você confirme o tamanho do condutor." A resposta perigosa é: "Podemos enviar uma lata menor hoje mesmo."

Elaboramos nossa documentação de exportação em torno dessas três perguntas porque são as perguntas que nossas próprias investigações de falhas sempre acabam abordando. São também as perguntas que eu faria a nós mesmos, se fosse um comprador.

Diagnóstico de falhas de solda — Selecione o sintoma observado em campo.

Antes de remover qualquer junta, execute este diagnóstico. Selecione o sintoma que corresponde ao que você está observando no local — visual, elétrico ou o padrão de tempo — e a ferramenta o mapeia para a causa mais provável dentre as cinco mencionadas acima, fornece um nível de confiança e lista as etapas imediatas a serem tomadas antes da próxima concretagem. Esta é a mesma árvore de decisão que apresento a um comprador por telefone quando recebo uma ligação relatando uma falha.

Perguntas frequentes sobre falhas em soldas exotérmicas

Jane Yang• Gerente de Vendas, Xinchang Shibang New Material Co., Ltd.
12 anos de experiência em comércio exterior de sistemas de proteção contra raios e aterramento · 17 anos de produção em fábrica que comprovam cada recomendação.
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