Trattamento termico post-saldatura e riduzione delle sollecitazioni

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è un processo importante utilizzato per ridurre le tensioni interne e migliorare la resistenza dei componenti in acciaio, nonché per prevenire cricche e fratture fragili nei materiali.

Il PWHT (Pressure Wash Heating & Torching) consiste nel riscaldare il materiale al di sotto della sua temperatura critica di deformazione e nel lasciarlo raffreddare uniformemente per un periodo di tempo specifico. Per ottenere il risultato desiderato si possono utilizzare diverse temperature e tempi di immersione del PWHT.

Riduzione delle sollecitazioni interne

La saldatura può generare elevate tensioni interne nel materiale, compromettendone le proprietà di tenacità alla frattura e aumentandone la suscettibilità alla cricca da tensocorrosione (SCC). Il PWHT è un processo di trattamento termico efficace per ridurre queste tensioni residue; consiste nel riscaldare l'area di saldatura al di sotto del suo intervallo di trasformazione prima di raffreddarla lentamente per ridurre le tensioni interne e migliorare contemporaneamente le proprietà meccaniche dei giunti di saldatura.

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è tipicamente richiesto dal codice per le apparecchiature a pressione con spessori superiori a determinate soglie e viene utilizzato anche per proteggere componenti strutturali come serbatoi, navi e tubazioni. Per determinare se un progetto richiede il PWHT si devono prendere in considerazione diversi fattori, come il tipo di materiale, i requisiti di temperatura e i tempi di immersione.

La PWHT viene spesso impiegata per ripristinare la tolleranza dimensionale e ridurre al minimo la distorsione causata da condizioni di riscaldamento e raffreddamento non uniformi. Il metallo saldato può raffreddarsi a velocità diverse rispetto al metallo di base circostante, generando tensioni non uniformemente distribuite che devono essere attenuate per ridurre al minimo la distorsione. La distensione rimuove e ridistribuisce queste sollecitazioni per ridurre al minimo la distorsione.

La PWHT può anche ridurre le cricche indotte dall'idrogeno (HIC). L'HIC si verifica quando i metalli duttili sono esposti a sollecitazioni di trazione in un ambiente acido e subiscono uno stress che rende difficile la diagnosi e il trattamento. La PWHT può contribuire a ridurre l'incidenza della HIC alleviando le sollecitazioni tensionali che contribuiscono alla SCC.

Riduzione della durezza

La saldatura può provocare tensioni interne nei materiali che portano alla corrosione da sforzo e alle cricche indotte dall'idrogeno; per far fronte a questo rischio si ricorre spesso al trattamento termico post-saldatura (PWHT). Il PWHT agisce riscaldando il materiale per un periodo di tempo prolungato prima di raffreddarlo gradualmente; inoltre, riduce la durezza, facilitando così il lavoro dei saldatori.

La temperatura e la durata dipendono dal materiale da saldare, dal processo di saldatura utilizzato e dal risultato desiderato. Affinché la PWHT sia efficace, è indispensabile che vengano utilizzate attrezzature e strutture adeguate, che il riscaldamento avvenga per un periodo di tempo adeguato a una temperatura accettabile e che la velocità di raffreddamento sia controllata di conseguenza.

Procedure PWHT errate o negligenti possono far sì che le tensioni residue si combinino con le tensioni di carico e superino i limiti di progetto del materiale, portando a cedimenti della saldatura, a un potenziale di cricca più elevato e alla suscettibilità alla frattura fragile. In ultima analisi, ciò potrebbe causare cedimenti della saldatura.

La PWHT può contribuire a mitigare questi problemi e offre diversi vantaggi nel processo. Ad esempio, può ridurre la durezza del metallo, rendendolo più facile da lavorare. Inoltre, la PWHT può contribuire a mitigare le cricche indotte dall'idrogeno, allontanando l'idrogeno assorbito che può contribuire alle cricche indotte dall'idrogeno in alcuni processi di saldatura.

Aumento della forza

La distensione è spesso richiesta dalle normative, in quanto metodo efficace per alleviare le tensioni interne nei componenti in acciaio dopo la saldatura. Questa pratica contribuisce a migliorare la resistenza, evitando le cricche in condizioni di carico dinamico; inoltre, lo scarico delle tensioni consente alle saldature di mantenere le loro proprietà di duttilità e tenacità.

Il processo prevede il riscaldamento dell'area di saldatura a una certa temperatura prima del raffreddamento, che riduce le tensioni e le ridistribuisce uniformemente nel metallo, migliorando la durezza e la duttilità e aumentando la resistenza alla fatica, oltre a contribuire a mitigare le cricche indotte dall'idrogeno in alcuni tipi di acciaio.

In base al tipo di materiale e di saldatura da trattare, si possono applicare vari metodi di trattamento termico, come la ricottura, il rinvenimento, la tempra e la normalizzazione. Ognuno di essi presenta vantaggi e svantaggi, per cui è essenziale utilizzare quello appropriato e rispettare i parametri di tempo/temperatura raccomandati.

La ricerca sulla meccanica del rilassamento delle tensioni residue ha prodotto risultati contrastanti e spesso incomprensibili, rendendo l'interpretazione più impegnativa del previsto. Non è ancora chiaro se la deformazione plastica, evidenziata dalle variazioni del carico di snervamento e del modulo di Young, abbia un ruolo nel rilassamento delle tensioni; inoltre, al momento non esiste una relazione quantitativa tra la temperatura del PWHT e il tempo di mantenimento per ottenere i risultati desiderati.

Riduzione delle cricche da fatica

Le sollecitazioni derivanti dalla saldatura possono compromettere le prestazioni a lungo termine di un componente e causare cricche da fatica, ma l'alleggerimento delle tensioni può alleviare questa ansia eliminando le sollecitazioni indotte dalla saldatura e rendendo il componente più resistente alla rottura per fatica sotto carichi ciclici. Inoltre, l'alleggerimento delle tensioni consente di eseguire i processi di precipitazione e invecchiamento dei materiali, migliorando potenzialmente la duttilità e riducendo il rischio di fratture fragili.

Il PWHT consiste nel riscaldare il pezzo al di sopra della sua temperatura di trasformazione per un periodo prestabilito. In questo modo si crea un gradiente di temperatura che provoca il rilassamento delle tensioni interne, aiutando a prevenire la corrosione da stress e le cricche indotte dall'idrogeno e riducendo al contempo la sensibilità della saldatura ai carichi in servizio. La PWHT può essere necessaria quando si lavora con manufatti complessi o fusioni con tolleranze dimensionali ristrette e carichi critici che richiedono un'attenzione particolare durante i processi di saldatura o fusione.

Gli studi hanno dimostrato che la PWHT uniforme può produrre una significativa riduzione delle tensioni residue su alcune saldature, con variazioni che dipendono da vari fattori come le proprietà dei materiali, la geometria e le dimensioni delle saldature. Lo sviluppo della deformazione da scorrimento gioca un ruolo molto più importante della deformazione plastica nei processi PWHT uniformi in forno - e la maggior parte dello sviluppo della deformazione da scorrimento avviene prima dell'inizio dei tempi di mantenimento PWHT; di conseguenza, è improbabile che un tempo di mantenimento PWHT più breve possa ottenere effetti di riduzione delle tensioni simili a quelli di un tempo più lungo.