Trattamenti termici di saldatura: Elementi essenziali da pre a post-saldatura

La saldatura è uno dei metodi di lavorazione termica dei metalli. Soprattutto quando si saldano acciai strutturali comuni a bassa lega e lamiere spesse ad alto contenuto di carbonio, il metallo locale è influenzato dal ciclo termico di saldatura di riscaldamento e raffreddamento ad alta temperatura, causando vari cambiamenti nella struttura interna del metallo, che influiscono direttamente sulle proprietà meccaniche del giunto di saldatura.

Inoltre, a causa delle condizioni metallurgiche della saldatura e degli effetti delle diverse velocità di riscaldamento e raffreddamento, la struttura della saldatura e della zona termicamente influenzata è irregolare, il che influisce indirettamente e direttamente sulle proprietà meccaniche del giunto saldato. Pertanto, è necessario modificare o migliorare le proprietà meccaniche del giunto di saldatura mediante il riscaldamento, la conservazione del calore e il controllo della velocità di raffreddamento a livello locale o totale prima, durante e dopo la saldatura.

 I. Preriscaldamento prima della saldatura

 1. Il ruolo del preriscaldamento

1) Il preriscaldamento è una misura efficace per prevenire cricche fredde, cricche calde e la formazione di strutture indurite nella zona interessata dal calore. Quando si saldano acciai ad alto tenore di carbonio, acciai a bassa lega, acciai resistenti al calore e componenti ordinari in acciaio a basso tenore di carbonio con elevata rigidità, la rapida velocità di raffreddamento della saldatura può facilmente portare alla formazione di strutture indurite nella zona di saldatura e nella zona interessata dal calore, causando così cricche. Pertanto, è necessario un preriscaldamento della saldatura. Il preriscaldamento può avere lo scopo di rallentare la velocità di raffreddamento, evitando la formazione di cricche nella saldatura.

2) Quando giunti di saldatura con un elevato vincolo, il raffreddamento e il riscaldamento rapidi possono causare tensioni da ritiro nell'area del giunto, con conseguente formazione di cricche. Il preriscaldamento dell'area di giunzione prima della saldatura può ridurre lo stress da ritiro e prevenire la formazione di cricche.

3) Quando si salda nelle regioni più fredde, per evitare la formazione di cricche, anche l'acciaio a basso tenore di carbonio con uno spessore superiore a 20 m deve essere preriscaldato.

4) Il preriscaldamento può anche rimuovere l'olio, l'umidità e altri fattori che influenzano la qualità della saldatura, e può promuovere la fuoriuscita di idrogeno nella saldatura, svolgendo così un ruolo corrispondente nella prevenzione di difetti come la porosità e anche nella prevenzione della formazione di cricche.

 Temperatura di preriscaldamento

Per preriscaldare correttamente il pezzo, è necessario determinare temperature di preriscaldo diverse a seconda dei materiali metallici. Ad esempio, per l'acciaio al carbonio, la temperatura di preriscaldamento viene generalmente determinata in base al contenuto di carbonio. Se la frazione di massa di carbonio è superiore a 0,2%, la temperatura di preriscaldo è di 100~200°C; all'aumentare del contenuto di carbonio, anche la temperatura di preriscaldo deve aumentare proporzionalmente. Anche altri materiali hanno temperature di preriscaldamento diverse a seconda del materiale.

 Le temperature di preriscaldamento della saldatura per i tipi di acciaio comunemente utilizzati sono riportate nella Tabella 2-30.

 Tabella 2-30 Temperature di preriscaldamento della saldatura per alcuni tipi di acciaio

Metodi di preriscaldamento

Esistono molti metodi di preriscaldamento: come il riscaldamento a fiamma, il riscaldamento a induzione a frequenza di potenza, il riscaldamento a infrarossi lontani, il riscaldamento in forno, ecc. Il metodo di preriscaldamento deve essere scelto in base all'intervallo di riscaldamento. Attualmente sono ampiamente utilizzati i riscaldatori a infrarossi lontani, che offrono buoni effetti di riscaldamento e un ampio intervallo di riscaldamento.

In generale, l'ampiezza del preriscaldamento su ciascun lato del giunto saldato non deve essere inferiore a 5 volte lo spessore della piastra e deve essere mantenuta una zona di riscaldamento uniforme di 75~100 mm su entrambi i lati dello smusso. La temperatura finale di preriscaldo deve essere determinata attraverso test di processo.

Isolamento interstrato

Nella costruzione di saldature, soprattutto durante la saldatura multistrato, alcuni acciai richiedono il mantenimento di una temperatura specifica durante ogni strato di saldatura, nota come temperatura interstrato. Il ruolo della temperatura interstrato è simile a quello del preriscaldamento, in quanto favorisce la diffusione e la fuoriuscita dell'idrogeno nella zona di saldatura e nella zona termicamente interessata, e svolge un ruolo di prevenzione delle cricche da freddo.

Per gli acciai al carbonio, gli acciai debolmente legati e gli acciai resistenti al calore, il limite inferiore della temperatura dell'intercalare è generalmente la temperatura di preriscaldamento della saldatura e il limite superiore è generalmente 350~400°C; per gli acciai inossidabili austenitici, la temperatura dell'intercalare è generalmente controllata più bassa, di solito inferiore a 250°C.

Va notato che le temperature di preriscaldamento e di intercalazione non devono essere troppo elevate, altrimenti causano cambiamenti nella microstruttura e nelle proprietà di alcuni giunti di saldatura in acciaio.

Trattamento termico post-saldatura

Il posizionamento immediato della saldatura appena saldata in cenere di amianto, sabbia calda (calce) o il raffreddamento con il forno per raffreddare lentamente il giunto di saldatura hanno lo scopo di ridurre le sollecitazioni interne, minimizzare le deformazioni e prevenire le cricche. Per le saldature con un'alta tendenza allo spegnimento e un'elevata rigidità, il raffreddamento post-saldatura è una misura tecnologica importante per garantire la qualità della saldatura.

Trattamento post-riscaldamento, rilascio di idrogeno

Il "post-riscaldamento" consiste nel mantenere il giunto di saldatura a una temperatura pari o superiore a quella dell'intercalare per un certo periodo di tempo dopo il completamento di tutte le operazioni di saldatura. La temperatura di riscaldamento e la durata del "post-riscaldamento" dipendono dallo spessore della saldatura, dal tipo di giunto, dal contenuto iniziale di idrogeno nella saldatura e dalla sensibilità dell'acciaio alla cricca da idrogeno.

In genere, la temperatura di post-riscaldamento è di 250~350°C e il tempo di mantenimento dipende dallo spessore della saldatura, generalmente 1~3 ore. Per alcuni recipienti a parete spessa in acciaio basso-legato ad alta resistenza, il post-riscaldamento a 300~350°C per 1 ora può evitare completamente la cricca ritardata e ridurre la temperatura di preriscaldamento di 50°C. Il post-riscaldamento può accelerare la diffusione e la fuoriuscita dell'idrogeno, per cui viene anche chiamato "trattamento di rilascio dell'idrogeno".

Lo scopo principale del post-riscaldamento è accelerare la diffusione e la fuoriuscita dell'idrogeno, evitando il verificarsi di cricche ritardate. Quando il preriscaldamento, la temperatura interstrato e altre misure non sono in grado di eliminare la cricca ritardata, il post-riscaldamento è un metodo semplice, fattibile ed efficace. Il post-riscaldamento è utilizzato principalmente per la saldatura di strutture in acciaio basso legato ad alta resistenza.

Il post-riscaldamento ha molte analogie con il trattamento termico post-saldatura, ma in genere non può sostituire il trattamento termico post-saldatura. Per le saldature che richiedono un trattamento termico post-saldatura e che possono essere sottoposte immediatamente al trattamento termico post-saldatura dopo la saldatura, il post-riscaldamento può essere omesso. Se il trattamento termico post-saldatura non può essere eseguito immediatamente dopo la saldatura e il pezzo saldato deve essere deidrogenato in modo tempestivo, il post-riscaldamento non può essere omesso.

Ad esempio, c'è un grande recipiente ad alta pressione che ha superato l'ispezione di rilevamento dei difetti post-saldatura, ma poiché non è stato trattato termicamente in tempo dopo la saldatura e non è stato effettuato un trattamento di eliminazione dell'idrogeno, si è verificata una cricca ritardata durante lo stoccaggio. Quando il recipiente è stato trattato termicamente e sottoposto a una prova idrostatica, la pressione di prova non ha raggiunto la pressione di esercizio di progetto e il recipiente ha subito un grave incidente di frattura fragile, con conseguente demolizione dell'intero recipiente.

Il metodo di riscaldamento, l'ampiezza della zona di riscaldamento e i requisiti di misurazione della temperatura per il post-riscaldamento sono gli stessi del preriscaldamento. Anche il post-riscaldo locale deve mantenere una zona di riscaldamento uniforme di 75~100 mm su entrambi i lati dello smusso, analogamente al preriscaldo. Gli acciai bonificati devono evitare il surriscaldamento locale oltre la temperatura di rinvenimento.

Trattamento termico post-saldatura

Il trattamento termico è un processo che migliora la struttura interna di un solido. metalli attraverso il riscaldamento, il mantenimento e il raffreddamento, ottenendo così le proprietà desiderate. Il trattamento termico post-saldatura dei giunti di saldatura serve a migliorare la struttura e le proprietà dei giunti di saldatura o a eliminare le tensioni residue. I più comuni trattamenti termici post-saldatura comprendono la ricottura di distensione, la normalizzazione, la normalizzazione più rinvenimento e la tempra più rinvenimento (trattamento di rinvenimento).

Lo scopo principale del trattamento termico post-saldatura è ridurre le tensioni residue, aumentare la stabilità strutturale, ammorbidire la zona indurita, favorire la fuoriuscita dell'idrogeno, aumentare la resistenza alla corrosione da stress e migliorare la plasticità, la tenacità e le proprietà meccaniche ad alta temperatura del giunto. Poiché la riduzione delle tensioni è la funzione principale del trattamento termico post-saldatura, esso viene comunemente definito trattamento termico post-saldatura.

Il trattamento termico post-saldatura è generalmente richiesto solo in circostanze particolari per prodotti importanti. Per alcuni prodotti saldati, se le tensioni residue post-saldatura non sono significative o se è necessario mantenere alcune tensioni residue (come le tensioni residue post-saldatura di piastre multistrato avvolte in recipienti), il trattamento termico post-saldatura non è necessario. Se la struttura indurita è assente o di modesta entità, ma mantiene ancora una certa plasticità e tenacità, che non causa effetti negativi durante il funzionamento, non è necessario nemmeno il trattamento termico post-saldatura.

Ricottura sotto sforzo

L'intervallo di temperatura di riscaldamento per la ricottura di distensione è lo stesso di quello per il rinvenimento ad alta temperatura: in genere si riscalda l'intero pezzo o parte di esso a 550~650°C, seguito da un tempo di mantenimento sufficiente e da un raffreddamento lento. Il tempo di mantenimento per gli acciai generici è calcolato in 2,5 minuti per 1 mm di spessore, ma non inferiore a 15 minuti. Per spessori superiori a 50 mm, aggiungere 15 minuti per ogni 25 mm in più.

 Trattamento termico complessivo

Il posizionamento del saldato in un forno di riscaldamento per il trattamento termico complessivo può dare risultati soddisfacenti. La temperatura del pezzo saldato all'ingresso e all'uscita dal forno deve essere inferiore a 300°C. Le velocità di riscaldamento e raffreddamento devono essere correlate allo spessore della piastra e devono soddisfare i seguenti requisiti:

Nella formula, U è la velocità di raffreddamento, °C/h; δ è lo spessore della piastra, mm.

Per i recipienti a parete spessa, le velocità di riscaldamento e raffreddamento sono di 50~150°C/h e la differenza massima di temperatura all'interno del forno durante il trattamento termico complessivo non deve superare i 50°C. Se la saldatura è troppo lunga e deve essere trattata in due sessioni, la parte di riscaldamento sovrapposta deve essere superiore a 1,5 metri.

Trattamento termico locale

Per contenitori e tubi semplici, troppo lunghi per un trattamento termico globale ma di forma regolare, è possibile eseguire un trattamento termico locale. Durante il trattamento termico locale, è necessario garantire un'ampiezza di riscaldamento sufficiente su entrambi i lati della saldatura. L'ampiezza di riscaldamento per il cilindro è correlata al raggio del cilindro e allo spessore della parete e può essere calcolata con la seguente formula:

Nella formula,

• B è la larghezza di riscaldamento del cilindro, in mm;
• R è il raggio del cilindro, in mm;
• δ è lo spessore della parete del cilindro, in mm.

Ad esempio, per una saldatura cilindrica con un diametro di 1200 mm e uno spessore della parete di 24 mm, l'ampiezza di riscaldamento centrata sulla saldatura viene calcolata con la formula precedente. In altre parole, durante il trattamento termico locale di questa saldatura cilindrica, l'intervallo di 600 m centrato sulla saldatura deve essere riscaldato alla temperatura di trattamento termico specificata.

I metodi più comuni per il trattamento termico locale includono il riscaldamento a fiamma, il riscaldamento a infrarossi e il riscaldamento a induzione a frequenza industriale.

Le seguenti situazioni dovrebbero prendere in considerazione il trattamento di ricottura per distensione: metallo di base con grado di resistenza elevato, acciai comuni a bassa lega con tendenza a ritardare la cricca; recipienti a pressione e altre strutture saldate che operano in condizioni di bassa temperatura, in particolare quelle utilizzate al di sotto della temperatura di transizione fragile; componenti sottoposti a carichi alternati che richiedono resistenza alla fatica; recipienti a pressione di grandi dimensioni; strutture saldate che richiedono resistenza alla corrosione da sforzo e stabilità dimensionale post-saldatura.

La ricottura di distensione viene generalmente eseguita in un forno, che può eliminare oltre 80% delle tensioni residue. La ricottura di distensione locale può sostanzialmente ottenere lo stesso effetto della ricottura di distensione globale.

 Questo trattamento termico non comporta modifiche della struttura cristallina.

 2. Normalizzazione o normalizzazione più rinvenimento

Questo trattamento termico post-saldatura è generalmente adatto alle strutture con saldatura a elettroerosione per migliorare la struttura e le prestazioni dei giunti.

La normalizzazione prevede il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura superiore a Ac₃ con un tempo di mantenimento calcolato in 2 minuti per 1 mm di spessore, ma non inferiore a 30 minuti, quindi raffreddamento in aria dopo l'uscita dal forno. Trattandosi di un processo di ricristallizzazione, può ottenere una struttura a grani più fini e migliorare le proprietà meccaniche.

Normalizzazione più rinvenimento è il rinvenimento dopo la normalizzazione. Lo scopo del rinvenimento è quello di eliminare le tensioni strutturali causate dal processo di raffreddamento della normalizzazione, migliorando ulteriormente le prestazioni globali dell'acciaio o dei giunti saldati.

 3. Trattamento di tempra e rinvenimento

Questo trattamento termico post-saldatura è adatto all'acciaio bonificato o ad altre strutture saldate che richiedono un trattamento di bonifica post-saldatura. Dopo la tempra e il rinvenimento, l'acciaio o i giunti saldati possono ottenere una buona combinazione di resistenza e tenacità nelle proprietà meccaniche complete.

La tempra consiste nel riscaldare l'acciaio fino a un punto critico.₁ o Ac₃ più 30~50°C, mantenendola per un certo periodo e poi raffreddandola rapidamente in acqua o olio per ottenere una struttura ad alta durezza.

 Problemi da tenere presenti nel trattamento termico post-saldatura

Il trattamento di solubilizzazione prevede il riscaldamento del giunto di saldatura a 1000~1050°C, consentendo ai carburi precipitati sui bordi dei grani durante il processo di saldatura di rifondere l'austenite, quindi il raffreddamento rapido per fissare la struttura austenitica. Il trattamento di stabilizzazione prevede il riscaldamento del giunto di saldatura a 850~900°C, il mantenimento per 2 ore e il raffreddamento ad aria, consentendo al cromo presente nei grani di austenite di diffondersi gradualmente verso i confini dei grani, eliminando lo strato povero di cromo ai confini dei grani e migliorando così la resistenza alla corrosione intergranulare.

Sia il trattamento in soluzione che il trattamento di stabilizzazione mirano a migliorare la resistenza alla corrosione intergranulare dei giunti di saldatura in acciaio inossidabile austenitico.

 I problemi da tenere presenti nel trattamento termico post-saldatura sono i seguenti.

• Per gli acciai debolmente legati contenenti una certa quantità di V, Ti o Nb, è necessario evitare il mantenimento prolungato a circa 600°C, poiché ciò può portare alla fragilità del tempra, in cui la resistenza del materiale aumenta mentre la plasticità e la tenacità diminuiscono significativamente.
• La ricottura post-saldatura deve essere generalmente di 30~60°C inferiore alla temperatura di rinvenimento del materiale di base.
• Per alcune strutture saldate in acciaio basso legato contenenti elementi come Cr, Mo, V, Ti, Nb, è necessario prestare attenzione durante la ricottura di distensione per evitare cricche da riscaldo.
•  Durante il trattamento termico, è necessario prestare attenzione per evitare deformazioni strutturali.

Le tabelle da 2-31 a 2-34 mostrano i parametri principali di alcune specifiche di trattamento termico post-saldatura comunemente utilizzate.

Tabella 2-31 Trattamento termico post-saldatura (oltre 400°C) velocità di riscaldamento e raffreddamento

Tabella 2-32 Intervallo di spessore che richiede la ricottura di distensione dopo la saldatura per determinati tipi di acciaio

 Tabella 2-33 Temperature di ricottura post-saldatura per gradi di acciaio selezionati

 Tabella 2-34 Temperature comuni del trattamento termico post-saldatura degli acciai basso-legati

Il trattamento termico post-saldatura delle diverse strutture saldate deve essere eseguito in conformità alle condizioni tecniche di produzione del prodotto.