Tratamentos térmicos de soldadura: Fundamentos do pré e pós-soldadura

A soldadura é um dos métodos de processamento térmico dos metais. Especialmente quando se soldam aços estruturais comuns de baixa liga e chapas grossas com elevado teor de carbono, o metal local é afetado pelo ciclo térmico de soldadura de aquecimento e arrefecimento a alta temperatura, causando várias alterações na estrutura interna do metal, o que afecta diretamente as propriedades mecânicas da junta de soldadura.

Além disso, devido às condições metalúrgicas da soldadura e aos efeitos de diferentes taxas de aquecimento e arrefecimento, a estrutura da soldadura e da zona afetada pelo calor é desigual, o que também afecta indireta e diretamente as propriedades mecânicas da junta de soldadura. Por conseguinte, é muito necessário alterar ou melhorar as propriedades mecânicas da junta de soldadura através do aquecimento, da preservação do calor e do controlo da taxa de arrefecimento, local ou totalmente, antes, durante e após a soldadura.

 I. Pré-aquecimento antes da soldadura

 1. O papel do pré-aquecimento

1) O pré-aquecimento é uma medida eficaz para evitar fissuras a frio, fissuras a quente e a formação de estruturas endurecidas na zona afetada pelo calor. Ao soldar aço de alto carbono, aço de baixa liga, aço resistente ao calor e componentes de aço de baixo carbono comuns com alta rigidez, a taxa de arrefecimento rápido da soldadura pode facilmente levar à formação de estruturas endurecidas na soldadura e na zona afetada pelo calor, causando assim fissuras. Por conseguinte, é necessário o pré-aquecimento da soldadura. O pré-aquecimento pode atingir o objetivo de abrandar a taxa de arrefecimento, o que pode evitar a formação de fissuras na soldadura.

2) Quando juntas de soldadura com elevada restrição, o arrefecimento e o aquecimento rápidos podem causar tensões de retração na área da junta, provocando fissuras. O pré-aquecimento da área da junta antes da soldadura pode reduzir a tensão de retração e evitar a formação de fissuras.

3) Ao soldar em regiões mais frias, para evitar a formação de fissuras, mesmo o aço de baixo teor de carbono com uma espessura superior a 20 m deve ser pré-aquecido.

4) O pré-aquecimento pode também remover o óleo, a humidade e outros factores que afectam a qualidade da soldadura, e pode promover a fuga de hidrogénio na soldadura, desempenhando assim um papel correspondente na prevenção de defeitos como a porosidade e também na prevenção da formação de fissuras.

 Temperatura de pré-aquecimento

Para pré-aquecer corretamente a peça de trabalho, é principalmente necessário determinar diferentes temperaturas de pré-aquecimento de acordo com os diferentes materiais metálicos. Por exemplo, para o aço-carbono, a temperatura de pré-aquecimento é geralmente determinada com base no seu teor de carbono. Se a fração de massa de carbono for superior a 0,2%, a temperatura de pré-aquecimento é de 100~200°C; à medida que o teor de carbono aumenta, a temperatura de pré-aquecimento também deve aumentar proporcionalmente. Outros materiais também têm diferentes temperaturas de pré-aquecimento, dependendo do material.

 As temperaturas de pré-aquecimento da soldadura para os tipos de aço mais utilizados são apresentadas na Tabela 2-30.

 Tabela 2-30 Temperaturas de pré-aquecimento da soldadura para alguns tipos de aço

Métodos de pré-aquecimento

Existem muitos métodos de pré-aquecimento: como o aquecimento por chama, o aquecimento por indução de frequência de potência, o aquecimento por infravermelhos distantes, o aquecimento em forno, etc. O método de pré-aquecimento deve ser escolhido com base na gama de aquecimento. Atualmente, os aquecedores por infravermelhos distantes são amplamente utilizados, proporcionando bons efeitos de aquecimento e uma grande gama de aquecimento.

Geralmente, a largura de pré-aquecimento em cada lado da junta soldada não deve ser inferior a 5 vezes a espessura da placa, e deve ser mantida uma zona de aquecimento uniforme de 75~100mm em ambos os lados do bisel. A temperatura final de pré-aquecimento deve ser determinada através de testes de processo.

Isolamento intercalar

Na construção por soldadura, especialmente durante a soldadura multicamada, certos aços requerem a manutenção de uma temperatura específica durante cada camada de soldadura, conhecida como a temperatura entre camadas. O papel da temperatura entre camadas é semelhante ao do pré-aquecimento, promovendo a difusão e a fuga de hidrogénio na soldadura e na zona afetada pelo calor, e desempenha um papel na prevenção da fissuração a frio.

Para o aço-carbono, o aço de baixa liga e o aço resistente ao calor, o limite inferior da temperatura da camada intermédia é geralmente a temperatura de pré-aquecimento da soldadura, e o limite superior é geralmente 350~400°C; para o aço inoxidável austenítico, a temperatura da camada intermédia é geralmente controlada mais baixa, geralmente inferior a 250°C.

Deve notar-se que as temperaturas de pré-aquecimento e de intercamada não devem ser demasiado elevadas, caso contrário, causarão alterações na microestrutura e nas propriedades de algumas juntas de soldadura de aço.

Tratamento térmico pós-soldadura

Colocar imediatamente a soldadura acabada de soldar em cinzas de amianto, areia quente (cal) ou arrefecer com o forno para arrefecer lentamente a junta de soldadura, tem como objetivo reduzir as tensões internas, minimizar a deformação e evitar fissuras. Para soldaduras com elevada tendência para a têmpera e elevada rigidez, o arrefecimento pós-soldadura é uma medida tecnológica importante para garantir a qualidade da soldadura.

Tratamento pós-aquecimento, libertação de hidrogénio

O "pós-aquecimento" consiste em manter a junta de soldadura a uma temperatura igual ou superior à temperatura da camada intermédia durante um determinado período após a conclusão de todas as operações de soldadura. A temperatura de aquecimento e a duração do "pós-aquecimento" dependem da espessura da soldadura, do tipo de junta, do teor inicial de hidrogénio na soldadura e da sensibilidade do aço à fissuração por hidrogénio.

Geralmente, a temperatura para o pós-aquecimento é de 250~350°C, e o tempo de espera depende da espessura da soldadura, geralmente 1~3 horas. Para alguns recipientes de paredes espessas de aço de baixa liga e alta resistência, a utilização do pós-aquecimento a 300~350°C durante 1 hora pode evitar completamente a fissuração retardada e reduzir a temperatura de pré-aquecimento em 50°C. O pós-aquecimento pode acelerar a difusão e a fuga de hidrogénio, pelo que também é designado por "tratamento de libertação de hidrogénio".

O principal objetivo do pós-aquecimento é acelerar a difusão e a fuga do hidrogénio, evitando a ocorrência de fissuração retardada. Quando o pré-aquecimento, a temperatura entre camadas e outras medidas não conseguem eliminar a fissuração retardada, o pós-aquecimento é um método simples, viável e eficaz. O pós-aquecimento é utilizado principalmente para soldar estruturas de aço de baixa liga de alta resistência.

O pós-aquecimento tem muitas semelhanças com o tratamento térmico pós-soldadura, mas geralmente, o pós-aquecimento não pode substituir o tratamento térmico pós-soldadura. Para soldaduras que requerem tratamento térmico pós-soldadura e que podem ser imediatamente submetidas a tratamento térmico pós-soldadura após a soldadura, o pós-aquecimento pode ser omitido. Se o tratamento térmico pós-soldagem não puder ser efectuado imediatamente após a soldadura e a soldadura tiver de ser desidrogenada atempadamente, então o pós-aquecimento não pode ser omitido.

Por exemplo, há um grande recipiente de alta pressão que passou na inspeção de deteção de falhas pós-soldadura, mas como não foi tratado termicamente a tempo após a soldadura e não foi realizado qualquer tratamento de eliminação de hidrogénio, ocorreu uma fissuração retardada durante o armazenamento. Quando o recipiente foi tratado termicamente e submetido a um teste hidrostático, a pressão de teste não atingiu a pressão de trabalho projectada e o recipiente sofreu um grave acidente de fratura frágil, resultando no desmantelamento de todo o recipiente.

O método de aquecimento, a largura da zona de aquecimento e os requisitos do local de medição da temperatura para o pós-aquecimento são os mesmos que para o pré-aquecimento. O pós-aquecimento local também deve manter uma zona de aquecimento uniforme de 75~100mm em ambos os lados do bisel, semelhante ao pré-aquecimento. Os aços temperados e revenidos devem evitar o sobreaquecimento local para além da temperatura de têmpera.

Tratamento térmico pós-soldadura

O tratamento térmico é um processo que melhora a estrutura interna de sólidos metais através de aquecimento, manutenção e arrefecimento, obtendo assim as propriedades desejadas. O tratamento térmico pós-soldagem de juntas soldadas destina-se a melhorar a estrutura e as propriedades das juntas soldadas ou a eliminar tensões residuais. Os tratamentos térmicos pós-soldadura comuns incluem o recozimento de alívio de tensões, a normalização, a normalização e a têmpera, e a têmpera e revenido (tratamento de revenido).

O principal objetivo do tratamento térmico pós-soldadura é reduzir as tensões residuais, aumentar a estabilidade estrutural, amolecer a zona endurecida, promover a fuga de hidrogénio, aumentar a resistência à corrosão sob tensão e melhorar a plasticidade, a tenacidade e as propriedades mecânicas da junta a alta temperatura. Uma vez que o alívio das tensões é a principal função do tratamento térmico pós-soldagem, é normalmente referido como tratamento térmico pós-soldagem.

O tratamento térmico pós-soldadura só é geralmente necessário em circunstâncias especiais para produtos importantes. Para alguns produtos soldados, se a tensão residual pós-soldagem não for significativa ou se for necessário reter alguma tensão residual (tal como a tensão residual pós-soldagem de placas de revestimento de recipientes com várias camadas), o tratamento térmico pós-soldagem não é necessário. Se não existir ou existir apenas uma pequena quantidade de estrutura endurecida, mas ainda assim mantiver uma certa plasticidade e tenacidade, o que não causa efeitos adversos durante o funcionamento, o tratamento térmico pós-soldadura também não é necessário.

Recozimento para alívio de tensões

A gama de temperaturas de aquecimento para o recozimento de alívio de tensões é a mesma que para a têmpera a alta temperatura, aquecendo geralmente a totalidade ou parte da soldadura a 550~650°C, seguida de uma manutenção suficiente e de um arrefecimento lento. O tempo de espera para o aço geral é calculado como 2,5min por 1mm de espessura, mas não inferior a 15min. Para espessuras superiores a 50 mm, adicionar 15 minutos por cada 25 mm adicionais.

 Tratamento térmico global

A colocação da soldadura num forno de aquecimento para tratamento térmico global pode obter resultados satisfatórios. A temperatura da soldadura à entrada e à saída do forno deve ser inferior a 300°C. As taxas de aquecimento e arrefecimento devem estar relacionadas com a espessura da placa e devem cumprir os seguintes requisitos:

Na fórmula, U é a taxa de arrefecimento, °C/h; δ é a espessura da placa, mm.

Para recipientes de paredes espessas, as taxas de aquecimento e arrefecimento são de 50~150°C/h, e a diferença máxima de temperatura no interior do forno durante o tratamento térmico global não deve exceder 50°C. Se a soldadura for demasiado longa e precisar de ser tratada termicamente em duas sessões, a parte de aquecimento sobreposta deve ser superior a 1,5 m.

Tratamento térmico local

Para recipientes simples e tubos demasiado longos para um tratamento térmico global, mas com uma forma regular, pode ser efectuado um tratamento térmico local. Durante o tratamento térmico local, garantir uma largura de aquecimento suficiente em ambos os lados da soldadura. A largura de aquecimento para o cilindro está relacionada com o raio do cilindro e a espessura da parede, e pode ser calculada através da seguinte fórmula:

Na fórmula,

• B é a largura de aquecimento do cilindro, em mm;
• R é o raio do cilindro, em mm;
• δ é a espessura da parede do cilindro, em mm.

Por exemplo, para uma soldadura cilíndrica com um diâmetro de 1200mm e uma espessura de parede de 24mm, a largura de aquecimento centrada na soldadura é calculada utilizando a fórmula acima. Isto é, durante o tratamento térmico local desta soldadura cilíndrica, o intervalo de 600m centrado na soldadura deve ser aquecido à temperatura de tratamento térmico especificada.

Os métodos comuns para o tratamento térmico local incluem o aquecimento por chama, o aquecimento por infravermelhos e o aquecimento por indução de frequência industrial.

As seguintes situações devem considerar o tratamento de recozimento de alívio de tensões: metal de base com grau de resistência elevado, aço comum de baixa liga com tendência para retardar a fissuração; recipientes sob pressão e outras estruturas soldadas que operam em condições de baixa temperatura, especialmente as utilizadas abaixo da temperatura de transição frágil; componentes sujeitos a cargas alternadas que exigem resistência à fadiga; grandes recipientes sob pressão; estruturas soldadas que exigem resistência à corrosão sob tensão e estabilidade dimensional pós-soldadura.

O recozimento para alívio de tensões é geralmente efectuado num forno, que pode eliminar mais de 80% das tensões residuais. O recozimento para alívio de tensões locais pode basicamente alcançar o mesmo efeito que o recozimento para alívio de tensões globais.

 Este tratamento térmico não implica alterações na estrutura cristalina.

 2. Normalização ou normalização e têmpera

Este tratamento térmico pós-soldadura é geralmente adequado para estruturas de soldadura por electroslag para melhorar a estrutura e o desempenho das juntas.

A normalização consiste em aquecer o aço a uma temperatura superior a Ac₃ com um tempo de espera calculado em 2 minutos por cada 1 mm de espessura, mas não inferior a 30 minutos, arrefecendo em seguida ao ar após a saída do forno. Uma vez que se trata de um processo de recristalização, pode obter uma estrutura de grão mais fina e melhorar as propriedades mecânicas.

A normalização mais a têmpera é a têmpera após a normalização. O objetivo da têmpera é eliminar as tensões estruturais causadas durante o processo de arrefecimento da normalização, melhorando ainda mais o desempenho global do aço ou das juntas soldadas.

 3. Tratamento de têmpera e revenido

Este tratamento térmico pós-soldadura é adequado para aço temperado e revenido ou outras estruturas soldadas que requerem tratamento pós-soldadura de têmpera e revenido. Após a têmpera e o revenido, o aço ou as juntas soldadas podem obter uma boa combinação de resistência e tenacidade em propriedades mecânicas abrangentes.

A têmpera consiste em aquecer o aço até um ponto crítico Ac₁ ou Ac₃ mais 30~50°C, mantendo-o durante um período de tempo, e depois arrefecendo-o rapidamente em água ou óleo para obter uma estrutura de elevada dureza.

 Questões a ter em conta no tratamento térmico pós-soldadura

O tratamento de solução consiste em aquecer a junta de soldadura a 1000~1050°C, permitindo que os carbonetos precipitados nos limites dos grãos durante o processo de soldadura voltem a fundir-se na austenite, e depois arrefecer rapidamente para fixar a estrutura austenítica. O tratamento de estabilização envolve o aquecimento da junta de soldadura a 850~900°C, mantendo-a durante 2 horas e depois arrefecendo-a ao ar, permitindo que o crómio nos grãos de austenite se difunda gradualmente para os limites do grão, eliminando a camada pobre em crómio nos limites do grão, melhorando assim a resistência à corrosão intergranular.

Tanto o tratamento de solução como o tratamento de estabilização têm como objetivo melhorar a resistência à corrosão intergranular das juntas soldadas de aço inoxidável austenítico.

 As questões a ter em conta no tratamento térmico pós-soldadura são as seguintes.

• Para os aços de baixa liga que contenham uma certa quantidade de V, Ti ou Nb, é necessário evitar uma manutenção prolongada a cerca de 600°C, uma vez que tal pode conduzir à fragilidade da têmpera, em que a resistência do material aumenta enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuem significativamente.
• O recozimento de alívio de tensões pós-soldadura deve ser geralmente 30~60°C inferior à temperatura de têmpera do material de base.
• Para algumas estruturas de soldadura de aço de baixa liga que contêm elementos como Cr, Mo, V, Ti, Nb, devem ser tomadas precauções durante o recozimento de alívio de tensões para evitar a fissuração por reaquecimento.
•  Durante o tratamento térmico, deve ter-se o cuidado de evitar a deformação estrutural.

As Tabelas 2-31 a 2-34 mostram os principais parâmetros de algumas especificações de tratamento térmico pós-soldagem mais usadas.

Quadro 2-31 Taxas de aquecimento e arrefecimento do tratamento térmico pós-soldadura (acima de 400°C)

Tabela 2-32 Intervalo de espessuras que requerem recozimento de alívio de tensões após a soldadura para determinados tipos de aço

 Tabela 2-33 Temperaturas de recozimento para alívio de tensões pós-soldagem para tipos de aço seleccionados

 Tabela 2-34 Temperaturas comuns de tratamento térmico pós-soldadura dos aços de baixa liga

O tratamento térmico pós-soldadura de diferentes estruturas soldadas deve ser efectuado em conformidade com as condições técnicas de fabrico do produto relevante.