Tratamentos térmicos de soldagem: Fundamentos de pré a pós-soldagem

A soldagem é um dos métodos de processamento térmico de metais. Especialmente na soldagem de aços estruturais comuns de baixa liga e chapas grossas com alto teor de carbono, o metal local é afetado pelo ciclo térmico de soldagem de aquecimento e resfriamento de alta temperatura, causando várias mudanças na estrutura interna do metal, o que afeta diretamente as propriedades mecânicas da junta de solda.

Além disso, devido às condições metalúrgicas da soldagem e aos efeitos de diferentes taxas de aquecimento e resfriamento, a estrutura da solda e da zona afetada pelo calor é irregular, o que também afeta indireta e diretamente as propriedades mecânicas da junta de solda. Portanto, é muito necessário alterar ou melhorar as propriedades mecânicas da junta de solda por meio do aquecimento, da preservação do calor e do controle da taxa de resfriamento local ou totalmente antes, durante e depois da soldagem.

 I. Pré-aquecimento antes da soldagem

 1. O papel do pré-aquecimento

1) O pré-aquecimento é uma medida eficaz para evitar trincas a frio, trincas 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 comuns de aço de baixo carbono com alta rigidez, a rápida taxa de resfriamento da solda pode facilmente levar à formação de estruturas endurecidas na solda e na zona afetada pelo calor, causando assim rachaduras. Portanto, o pré-aquecimento da solda é necessário. O pré-aquecimento pode atingir o objetivo de desacelerar a taxa de resfriamento, o que pode evitar a formação de rachaduras na solda.

2) Quando juntas de solda com alta restrição, o resfriamento e o aquecimento rápidos podem causar tensão de contração na área da junta, levando a rachaduras. O pré-aquecimento da área da junta antes da soldagem pode reduzir a tensão de contração e evitar a formação de rachaduras.

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

4) O pré-aquecimento também pode remover o óleo, a umidade e outros fatores que afetam a qualidade da solda, além de promover o escape de hidrogênio na solda, desempenhando assim um papel correspondente na prevenção de defeitos como a porosidade e também na prevenção da formação de trincas.

 Temperatura de pré-aquecimento

Para pré-aquecer adequadamente a peça de trabalho, é necessário determinar diferentes temperaturas de pré-aquecimento de acordo com os diferentes materiais metálicos. Por exemplo, no caso do aço carbono, a temperatura de pré-aquecimento é geralmente determinada com base em seu teor de carbono. Se a fração de massa de carbono for maior que 0,2%, a temperatura de pré-aquecimento será 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 temperaturas de pré-aquecimento diferentes, dependendo do material.

 As temperaturas de pré-aquecimento da soldagem para os tipos de aço comumente usados são mostradas na Tabela 2-30.

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

Métodos de pré-aquecimento

Há muitos métodos de pré-aquecimento, como aquecimento por chama, aquecimento por indução de frequência de energia, aquecimento por infravermelho distante, aquecimento por forno etc. O método de pré-aquecimento deve ser escolhido com base na faixa de aquecimento. Atualmente, os aquecedores de infravermelho distante são amplamente usados, proporcionando bons efeitos de aquecimento e uma ampla faixa de aquecimento.

Em geral, a largura de pré-aquecimento em cada lado da junta soldada não deve ser inferior a 5 vezes a espessura da chapa, e uma zona de aquecimento uniforme deve ser mantida de 75 a 100 mm em ambos os lados do chanfro. A temperatura final de pré-aquecimento deve ser determinada por meio de testes de processo.

Isolamento entre camadas

Na construção de soldas, especialmente durante a soldagem de várias camadas, certos aços exigem a manutenção de uma temperatura específica durante cada camada de solda, conhecida como temperatura entre camadas. A função da temperatura entre camadas é semelhante à do pré-aquecimento, promovendo a difusão e o escape do hidrogênio na solda e na zona afetada pelo calor, além de impedir a fissuração a frio.

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

Deve-se observar que as temperaturas de pré-aquecimento e da camada intermediária não devem ser muito altas, caso contrário, isso causará alterações na microestrutura e nas propriedades de algumas juntas de solda de aço.

Tratamento térmico pós-soldagem

A colocação imediata da solda recém-soldada em cinzas de amianto, areia quente (cal) ou o resfriamento com o forno para resfriar lentamente a junta de solda tem como objetivo reduzir a tensão interna, minimizar a deformação e evitar rachaduras. Para soldas com alta tendência de têmpera e alta rigidez, o resfriamento pós-soldagem é uma medida tecnológica importante para garantir a qualidade da solda.

Pós-aquecimento, tratamento de liberação de hidrogênio

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

Em geral, a temperatura para o pós-aquecimento é de 250 a 350°C, e o tempo de espera depende da espessura da solda, geralmente de 1 a 3 horas. Para alguns vasos de paredes espessas de aço de baixa liga e alta resistência, o uso do pós-aquecimento a 300~350°C por 1 hora pode evitar completamente a rachadura retardada e reduzir a temperatura de pré-aquecimento em 50°C. O pós-aquecimento pode acelerar a difusão e o escape do hidrogênio, por isso também é chamado de "tratamento de liberação de hidrogênio".

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

O pós-aquecimento tem muitas semelhanças com o tratamento térmico pós-soldagem, mas, em geral, o pós-aquecimento não pode substituir o tratamento térmico pós-soldagem. Para soldas que exigem tratamento térmico pós-soldagem e que podem ser submetidas imediatamente a esse tratamento após a soldagem, o pós-aquecimento pode ser omitido. Se o tratamento térmico pós-soldagem não puder ser realizado imediatamente após a soldagem e a solda precisar ser desidrogenada em tempo hábil, o pós-aquecimento não poderá ser omitido.

Por exemplo, há um grande vaso de alta pressão que passou na inspeção de detecção de falhas pós-soldagem, mas como não foi tratado termicamente a tempo após a soldagem e nenhum tratamento de eliminação de hidrogênio foi realizado, ocorreu uma rachadura retardada durante o armazenamento. Quando o vaso foi tratado termicamente e submetido a um teste hidrostático, a pressão do teste não atingiu a pressão de trabalho projetada, e o vaso sofreu um grave acidente de fratura frágil, resultando no sucateamento de todo o vaso.

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

Tratamento térmico pós-soldagem

O tratamento térmico é um processo que melhora a estrutura interna de sólidos metais por meio de aquecimento, retenção e resfriamento, obtendo assim as propriedades desejadas. O tratamento térmico pós-soldagem das juntas soldadas tem como objetivo melhorar a estrutura e as propriedades das juntas soldadas ou eliminar as tensões residuais. Os tratamentos térmicos pós-soldagem comuns incluem recozimento para alívio de tensões, normalização, normalização mais têmpera e têmpera mais revenimento (tratamento de revenimento).

O principal objetivo do tratamento térmico pós-soldagem é reduzir as tensões residuais, aumentar a estabilidade estrutural, amolecer a zona endurecida, promover o escape de hidrogênio, aumentar a resistência à corrosão sob tensão e melhorar a plasticidade, a tenacidade e as propriedades mecânicas de alta temperatura da junta. Como o alívio da tensão é a principal função do tratamento térmico pós-soldagem, ele é comumente chamado de tratamento térmico pós-soldagem.

Em geral, o tratamento térmico pós-soldagem só é 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 (como a tensão residual pós-soldagem de placas envolvidas em vasos de várias camadas), o tratamento térmico pós-soldagem não é necessário. Se não houver nenhuma ou apenas uma pequena quantidade de estrutura endurecida, mas ainda assim mantiver certa plasticidade e resistência, o que não causa efeitos adversos durante a operação, o tratamento térmico pós-solda também não será necessário.

Recozimento para alívio de estresse

A faixa de temperatura de aquecimento para o recozimento de alívio de tensão é a mesma da têmpera de alta temperatura, geralmente aquecendo a totalidade ou parte da solda a 550~650°C, seguida de retenção suficiente e resfriamento lento. O tempo de espera para o aço em geral é calculado como 2,5 minutos por 1 mm de espessura, mas não menos que 15 minutos. Para espessuras acima de 50 mm, adicione 15 minutos para cada 25 mm adicionais.

 Tratamento térmico geral

A colocação da solda em um forno de aquecimento para o tratamento térmico geral pode alcançar resultados satisfatórios. A temperatura da solda ao entrar e sair do forno deve ser inferior a 300°C. As taxas de aquecimento e resfriamento devem estar relacionadas à espessura da chapa e devem atender aos seguintes requisitos:

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

Para vasos de paredes espessas, as taxas de aquecimento e resfriamento são de 50 a 150 °C/h, e a diferença máxima de temperatura dentro do forno durante todo o tratamento térmico não deve exceder 50 °C. Se a solda for muito longa e precisar ser tratada termicamente em duas sessões, a parte de aquecimento sobreposta deve ter mais de 1,5 m.

Tratamento térmico local

Para contêineres e tubos simples que são muito longos para o tratamento térmico geral, mas têm um formato regular, o tratamento de aquecimento local pode ser realizado. Durante o tratamento de aquecimento local, garanta uma largura de aquecimento suficiente em ambos os lados da solda. A largura de aquecimento para o cilindro está relacionada ao raio do cilindro e à espessura da parede, e pode ser calculada com a 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 solda cilíndrica com um diâmetro de 1.200 mm e uma espessura de parede de 24 mm, a largura de aquecimento centrada na solda é calculada usando a fórmula acima. Ou seja, durante o tratamento térmico local dessa solda cilíndrica, a faixa de 600 m centrada na solda deve ser aquecida até a temperatura de tratamento térmico especificada.

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

As seguintes situações devem considerar o tratamento de recozimento para alívio de tensões: metal de base com alto grau de resistência, aço comum de baixa liga com tendência a retardar a formação de trincas; vasos de pressão e outras estruturas soldadas que operam em condições de baixa temperatura, especialmente aquelas usadas abaixo da temperatura de transição frágil; componentes sujeitos a cargas alternadas que exigem resistência à fadiga; vasos de pressão de grande porte; estruturas soldadas que exigem resistência à corrosão sob tensão e estabilidade dimensional pós-soldagem.

O recozimento para alívio de tensão geralmente é realizado em um forno, o que pode eliminar mais de 80% da tensão residual. O recozimento para alívio de tensão local pode obter basicamente o mesmo efeito que o recozimento para alívio de tensão geral.

 Esse tratamento térmico não envolve mudanças na estrutura cristalina.

 2. Normalização ou normalização mais têmpera

Esse tratamento térmico pós-soldagem é geralmente adequado para estruturas de soldagem por eletroescória para melhorar a estrutura e o desempenho das juntas.

A normalização envolve o aquecimento do aço acima de Ac₃ com um tempo de espera calculado em 2 minutos por 1 mm de espessura, mas não inferior a 30 minutos, e resfriamento ao ar após a saída do forno. Como se trata de um processo de recristalização, ele pode obter uma estrutura de grãos mais fina e melhorar as propriedades mecânicas.

Normalização e revenimento é o revenimento após a normalização. O objetivo da têmpera é eliminar a tensão estrutural causada durante o processo de resfriamento da normalização, melhorando ainda mais o desempenho abrangente do aço ou das juntas soldadas.

 3. Tratamento de têmpera e revenimento

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

A têmpera é o aquecimento do aço até um ponto crítico.₁ ou Ac₃ mais 30~50°C, mantendo-o por um período e, em seguida, resfriando-o rapidamente em água ou óleo para obter uma estrutura de alta dureza.

 Problemas que devem ser observados no tratamento térmico pós-soldagem

O tratamento de solução envolve o aquecimento da junta de solda a 1.000~1050°C, permitindo que os carbonetos precipitados nos limites dos grãos durante o processo de soldagem se fundam novamente na austenita e, em seguida, resfriem rapidamente para fixar a estrutura austenítica. O tratamento de estabilização envolve o aquecimento da junta de solda a 850~900°C, mantendo-a por 2 horas e, em seguida, resfriando-a ao ar, permitindo que o cromo nos grãos de austenita se difunda gradualmente para os limites dos grãos, eliminando a camada pobre em cromo nos limites dos grãos, melhorando, assim, a resistência à corrosão intergranular.

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

 Os problemas que devem ser observados no tratamento térmico pós-soldagem são os seguintes.

• Para aços de baixa liga que contenham certa quantidade de V, Ti ou Nb, é necessário evitar a manutenção prolongada em torno de 600°C, pois isso pode levar à fragilidade da têmpera, em que a resistência do material aumenta enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuem significativamente.
• O recozimento de alívio de tensão pós-soldagem deve ser, em geral, de 30 a 60°C mais baixo do que a temperatura de têmpera do material de base.
• Para algumas estruturas de solda de aço de baixa liga que contêm elementos como Cr, Mo, V, Ti, Nb, deve-se tomar cuidado durante o recozimento de alívio de tensão para evitar rachaduras por reaquecimento.
•  Durante o tratamento térmico, deve-se tomar cuidado para evitar a deformação estrutural.

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

Tabela 2-31 Taxas de aquecimento e resfriamento do tratamento térmico pós-soldagem (acima de 400°C)

Tabela 2-32 Faixa de espessura que requer recozimento de alívio de tensão após a soldagem para determinadas classes de aço

 Tabela 2-33 Temperaturas de recozimento de alívio de tensão pós-soldagem para tipos de aço selecionados

 Tabela 2-34 Temperaturas comuns de tratamento térmico pós-soldagem de aço de baixa liga

O tratamento térmico pós-soldagem de diferentes estruturas soldadas deve ser realizado de acordo com as condições técnicas relevantes de fabricação do produto.