Trattamento termico post-saldatura

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è un metodo standard del settore per il trattamento termico post-saldatura di parti metalliche e saldature a temperature inferiori alla loro temperatura critica di trasformazione, solitamente prima della saldatura o di applicazioni metallurgiche come recipienti a pressione e tubazioni.

La PWHT locale è un approccio per ridurre al minimo le deformazioni fuori piano. Questo metodo è stato studiato utilizzando l'analisi agli elementi finiti e le distribuzioni locali delle sollecitazioni sono state confrontate con quelle ottenute con la PWHT in forno.

Resistenza della saldatura

Il trattamento termico post-saldatura, comunemente abbreviato in PWHT, è un'importante fase successiva al completamento della saldatura che prevede il riscaldamento del metallo al di sotto della sua temperatura critica di trasformazione e il suo mantenimento per un determinato periodo di tempo. Ciò contribuisce ad alleviare le tensioni residue all'interno della zona di saldatura, aumentando la tenacità e aiutando a prevenire le fratture fragili nei giunti di saldatura. Non appena possibile, dopo il completamento della saldatura, si dovrebbe procedere a questa operazione, la cui importanza non può essere ignorata!

La PWHT è necessaria a causa dei processi di saldatura che creano gradienti di temperatura elevati tra il materiale di partenza e il metallo saldato, creando tensioni nel materiale saldato che superano i limiti di sollecitazione di progetto. La PWHT può ridurre significativamente queste sollecitazioni, migliorando la resistenza e la durata delle strutture saldate.

Per garantire un ciclo di temperatura stabile è necessario che le strutture o i componenti da pesare ricevano un supporto adeguato. I cavalletti progettati per adattarsi ai contorni dell'oggetto a intervalli regolari contribuiranno a ridurre al minimo la distorsione; ciò è particolarmente importante per i componenti lunghi o di forma scomoda, poiché le differenze di espansione termica tra le sezioni possono far piegare o distorcere il materiale nel tempo.

I forni PWHT avanzati sono progettati per essere flessibili e versatili, in grado di eseguire molti processi diversi come ricottura, invecchiamento, normalizzazione, distensione e rinvenimento. La loro struttura a doppia parete limita la perdita di calore e conserva l'energia; i precisi sistemi di controllo seguono i profili di riscaldamento/raffreddamento obbligatori previsti dai codici di saldatura, con termocoppie che misurano sia la temperatura interna del forno che quella del pezzo saldato per ottenere risultati precisi.

Sollecitazioni residue di saldatura

Le tensioni residue svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni delle saldature a punti. Le tensioni residue di compressione spingono i materiali l'uno verso l'altro, mentre le tensioni residue di trazione li allontanano; la compressione in genere aumenta la resistenza alla fatica e la durata di vita a fatica, rallentando la propagazione delle cricche e aumentando la resistenza alla cricca assistita dall'ambiente, come la cricca indotta dall'idrogeno o la cricca da corrosione sotto sforzo.

Le tensioni residue di trazione causano una riduzione della vita a fatica, un aumento del potenziale di cricca e la suscettibilità alla frattura fragile nelle strutture saldate. La loro natura esatta e la loro entità dipendono da diversi fattori, tra cui la geometria della struttura, le procedure di fabbricazione, i metodi di saldatura utilizzati, i trattamenti post-saldatura applicati, le condizioni di servizio, ecc.

Prevedere e mitigare i fattori di stress non è un compito semplice a causa delle complesse interazioni non lineari tra le varie variabili. Inoltre, le misurazioni delle sollecitazioni residue e le previsioni analitiche presentano spesso una notevole dispersione e variabilità dovuta a molte ragioni diverse, tra cui le incertezze nei punti di misurazione/materiali utilizzati, nonché gli errori introdotti nei dati misurati o le ipotesi errate nella modellazione analitica.

Per un'accurata previsione e mitigazione delle tensioni residue, è necessario acquisire una conoscenza approfondita dei processi fondamentali che ne regolano lo sviluppo nelle strutture saldate. Per contribuire a questo sforzo, questo numero speciale presenta 13 articoli di ricerca originali incentrati su modelli matematici, tecniche sperimentali e metodologie di misura sviluppate specificamente per rilevare e mitigare le tensioni residue causate dalla saldatura per varie geometrie di giunzione e condizioni di saldatura.

Saldatura Cricca

La PWHT può essere eseguita su molti progetti, da bobine di tubazioni e recipienti a pressione a sfere di stoccaggio e sfere di accumulo, in forni appositamente montati in loco. Quando si tratta di strutture più grandi e/o più pesanti, come i recipienti, tuttavia, gli studi di ingegneria possono creare forni su misura, appositamente realizzati per le esigenze dei loro clienti.

La PWHT è necessaria a causa delle tensioni residue che si creano durante la saldatura di materiali spessi. Se combinate con le sollecitazioni di carico, queste sollecitazioni residue possono superare i limiti del materiale e provocare il cedimento della saldatura. La PWHT aiuta a ridurre queste tensioni residue; tuttavia, si verificano cambiamenti microstrutturali che riducono la tenacità e la duttilità del materiale.

Gli acciai a basso e alto tenore di carbonio, in particolare, sono più inclini alla criccatura a freddo perché sono più fragili e perdono resistenza alla trazione quando si raffreddano dalla zona del cordone di saldatura.

I codici di saldatura richiedono una transizione omogenea tra metallo saldato e metallo di base in corrispondenza del punto di saldatura, per evitare la formazione di "stress riser" che portano alla formazione di cricche. Per raggiungere questo obiettivo, l'uso di velocità di avanzamento e di impostazioni di tensione appropriate, nonché di cavalletti di saldatura sagomati in modo specifico per il componente, possono contribuire a evitare una distorsione eccessiva; un posizionamento regolare dovrebbe contribuire a garantire una saldatura uniforme.

Frattura da saldatura

Poiché la saldatura dei metalli produce cicli di riscaldamento e raffreddamento non uniformi, che portano all'accumulo di forze interne note come tensioni residue nel materiale, ciò può provocare distorsioni e proprietà meccaniche ridotte che portano a cedimenti della saldatura e a un maggiore potenziale di cricche, rendendo necessario un trattamento termico di distensione post-saldatura come metodo cruciale per proteggere la resistenza e le prestazioni dei manufatti saldati.

Un forno PWHT viene utilizzato per ridurre e ridistribuire le tensioni residue attraverso ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento, inducendo una tempra che migliora la duttilità del materiale e la resistenza alla frattura fragile. Questo trattamento termico è richiesto da molti codici e standard per garantire la sicurezza delle strutture saldate.

Il trattamento termico dei componenti può essere effettuato in un forno per il pwht, installato in modo permanente, portatile o montato sul campo. Per ottenere risultati ottimali, questi forni devono essere posizionati in modo da evitare aree che potrebbero produrre gradienti o differenze di temperatura eccessivi; in caso contrario, queste regioni farebbero superare al componente la sua temperatura di trasformazione di fase e porterebbero a cambiamenti di volume e di fase inaspettati.

La PWHT consiste nel riscaldare parti di una struttura saldata ad alte temperature e mantenerle per un periodo prolungato. Una linea guida standard suggerisce di dedicare un'ora per ogni 25 mm di spessore; è possibile anche una PWHT locale, anche se è necessario osservare alcune restrizioni.