A tensão residual da soldagem é causada pela distribuição desigual de temperatura nas peças soldadas, expansão e contração térmica do metal de solda, etc., portanto, a construção de soldagem associada inevitavelmente gerará tensão residual.
O método mais comum de eliminação de tensões residuais é o revenido em alta temperatura, ou seja, aquecer as peças soldadas a uma determinada temperatura e mantê-las por um certo tempo em um forno de tratamento térmico.
Ao reduzir o limite de rendimento do material em alta temperatura, o fluxo plástico ocorre em áreas com altas tensões internas, a deformação elástica diminui gradualmente e a deformação plástica aumenta gradualmente, reduzindo assim a tensão.
1. Seleção do método de tratamento térmico
O efeito do tratamento térmico pós-soldagem na resistência à tração e no limite de fluência dos metais está relacionado à temperatura e ao tempo de retenção do tratamento térmico. A resistência ao impacto do metal de solda após o tratamento térmico varia com os diferentes tipos de aço.
Geralmente, o revenido ou normalização de alta temperatura único mais o revenido de alta temperatura é selecionado para tratamento térmico pós-soldagem. Para juntas de soldagem a gás, o tratamento térmico de normalização e revenimento de alta temperatura é usado porque os grãos na solda e na zona afetada pelo calor da soldagem a gás são grossos e precisam ser refinados por normalização.
No entanto, um único tratamento de normalização não pode eliminar a tensão residual, portanto, é necessário revenido em alta temperatura para eliminar a tensão. O revenido intermediário único é adequado apenas para a soldagem de montagem de grandes recipientes comuns de aço de baixo carbono no canteiro de obras, com o objetivo de eliminar parcialmente as tensões residuais e remover o hidrogênio.
Na maioria dos casos, um único revenido de alta temperatura é selecionado. O aquecimento e o resfriamento durante o tratamento térmico não devem ser muito rápidos e as paredes interna e externa devem ser aquecidas uniformemente.
2. Métodos de tratamento térmico usados para vasos de pressão
Existem dois tipos de métodos de tratamento térmico usados para vasos de pressão: um é o tratamento térmico para melhorar as propriedades mecânicas e o outro é o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT).
Em termos gerais, PWHT é um tratamento térmico realizado na área soldada ou nos componentes soldados após a soldagem da peça.
O conteúdo específico inclui recozimento de alívio de tensão, recozimento completo, tratamento de solução sólida, normalização, normalização mais revenido, revenido, alívio de tensão de baixa temperatura, tratamento de precipitação, etc.
Em sentido estrito, PWHT refere-se apenas ao recozimento com alívio de tensão, que aquece uniforme e suficientemente a área soldada e peças relacionadas abaixo da temperatura de transição da fase metálica, a fim de melhorar o desempenho da área soldada e eliminar os efeitos nocivos da tensão residual de soldagem, seguido por resfriamento uniforme.
Em muitos casos, o tratamento térmico discutido para o PWHT é essencialmente o recozimento para alívio de tensões após a soldagem.
3. Objetivos do Tratamento Térmico Pós-soldagem
(1) Relaxe a tensão residual da soldagem.
(2) Estabilize a forma e o tamanho da estrutura, reduza a distorção.
(3) Melhorar o desempenho do metal base e das juntas soldadas, incluindo:
- a. Melhore a plasticidade do metal de solda.
- b. Reduza a dureza da zona afetada pelo calor.
- c. Melhore a resistência à fratura.
- d. Melhorar a resistência à fadiga.
- e. Restaure ou melhore o limite de escoamento reduzido durante a conformação a frio.
(4) Melhorar a resistência à corrosão sob tensão.
(5) Liberar ainda mais gases nocivos, especialmente hidrogênio, no metal de solda para evitar trincas retardadas.
4. Avaliação da necessidade de PWHT
Se o tratamento térmico pós-soldagem é necessário para vasos de pressão deve ser claramente especificado no projeto, e os padrões atuais de projeto de vasos de pressão têm requisitos para isso.
A área soldada de um vaso de pressão apresenta tensão residual significativa e os efeitos adversos da tensão residual só se manifestam sob certas condições. Quando a tensão residual se combina com o hidrogênio na solda, causará o endurecimento da zona afetada pelo calor, levando à ocorrência de trincas a frio e trincas retardadas.
A tensão estática existente na solda ou a tensão de carga dinâmica durante a operação combinada com a corrosão do meio podem causar fissuração por corrosão sob tensão, conhecida como SCC.
A tensão residual de soldagem e o endurecimento martensítico causado pela soldagem são fatores importantes na geração de trincas por corrosão sob tensão.
Os resultados da pesquisa mostraram que o principal efeito da deformação e da tensão residual nos materiais metálicos é transformar a corrosão uniforme em corrosão localizada, nomeadamente corrosão intergranular ou transgranular. É claro que tanto a fissuração por corrosão quanto a corrosão intergranular ocorrem em meios com certas características para aquele metal específico.
Na presença de tensão residual, dependendo da diferente composição, concentração e temperatura do meio corrosivo, bem como diferenças na composição, estrutura, estado superficial e estado de tensão entre o metal base e a área soldada, a natureza de danos por corrosão podem mudar.
Se o tratamento térmico pós-soldagem é necessário para vasos de pressão soldados, deve ser determinado considerando a finalidade e o tamanho do vaso (especialmente a espessura do painel da parede), o desempenho dos materiais utilizados e as condições de trabalho. Se ocorrer alguma das seguintes situações, o tratamento térmico pós-soldagem deve ser considerado:
- Embarcações que trabalham em condições adversas, como aquelas com risco de fratura frágil em baixas temperaturas, embarcações de paredes espessas submetidas a cargas pesadas e alternadas.
- Vasos de pressão soldados com espessura superior a um determinado limite, incluindo caldeiras, vasos de pressão petroquímicos, etc., que possuem regulamentos e normas específicas.
- Vasos de pressão com elevados requisitos de estabilidade dimensional.
- Vasos fabricados em aços com grande tendência ao endurecimento.
- Vasos de pressão com risco de fissuração por corrosão sob tensão.
- Outros vasos de pressão com regulamentos, especificações e desenhos dedicados.
As tensões residuais que atingem o ponto de escoamento são formadas nas proximidades da costura de solda em vasos de pressão soldados de aço. A geração desta tensão está relacionada com a transformação da estrutura contendo austenita.
Muitos pesquisadores apontaram que um processo de revenimento a 650°C pode efetivamente eliminar a tensão residual após a soldagem de vasos de pressão soldados em aço.
Ao mesmo tempo, acredita-se que sem o tratamento térmico pós-soldagem adequado, uma junta soldada resistente à corrosão não pode ser obtida.
Acredita-se geralmente que o tratamento térmico de alívio de tensão se refere ao processo no qual a peça soldada é aquecida a 500-650°C e depois resfriada lentamente. A redução da tensão se deve à fluência em alta temperatura, que começa em 450°C no aço carbono e 550°C no aço contendo molibdênio.
Quanto mais alta a temperatura, mais fácil é eliminar o estresse. No entanto, uma vez excedida a temperatura original de revenido do aço, a resistência do aço diminuirá. Portanto, é necessário controlar a temperatura e o tempo no tratamento térmico de alívio de tensões.
Porém, na tensão interna da soldagem, a tensão de tração e a tensão de compressão sempre coexistem, e a tensão e a deformação elástica existem simultaneamente.
À medida que a temperatura do aço aumenta, a resistência ao escoamento diminui e a deformação elástica original torna-se deformação plástica, resultando em relaxamento de tensão.
Quanto maior a temperatura de aquecimento, mais completamente o estresse interno pode ser eliminado. No entanto, quando a temperatura é muito alta, a superfície do aço ficará seriamente oxidada.
Além disso, para a temperatura PWHT de aços temperados e revenidos, o princípio deve ser não exceder a temperatura de revenido original do aço, geralmente cerca de 30 graus inferior à temperatura de revenido original do aço.
Caso contrário, o material perderá seu efeito de têmpera e a resistência e a tenacidade à fratura diminuirão. Este ponto deve receber atenção especial dos trabalhadores do tratamento térmico.
Quanto maior a temperatura do tratamento térmico pós-soldagem para alívio de tensões, maior será o grau de amolecimento do aço, geralmente aquecido até a temperatura de recristalização do aço, e a tensão interna poderá ser eliminada. A temperatura de recristalização está intimamente relacionada com a temperatura de fusão.
Geralmente, a temperatura de recristalização K = 0,4X temperatura de fusão (K). Quanto mais próxima a temperatura do tratamento térmico estiver da temperatura de recristalização, mais eficaz será o alívio da tensão residual.
4. Consideração da eficácia global do PWHT
O tratamento térmico pós-soldagem nem sempre é vantajoso. Geralmente, o tratamento térmico pós-soldagem é benéfico para mitigar a tensão residual e só é realizado nos casos em que são necessários requisitos rigorosos para corrosão sob tensão.
No entanto, o teste de resistência ao impacto das amostras mostra que o tratamento térmico pós-soldagem é prejudicial à melhoria da tenacidade do metal de solda e da zona afetada pelo calor, e às vezes podem ocorrer fissuras intergranulares dentro da faixa de engrossamento dos grãos da zona afetada pelo calor.
Além disso, o PWHT depende da diminuição da resistência do material em altas temperaturas para obter alívio de tensões. Portanto, durante o PWHT, a estrutura pode perder rigidez.
Para estruturas que adotam PWHT total ou parcial, a capacidade de suporte da junta soldada a altas temperaturas deve ser considerada antes do tratamento térmico.
Portanto, ao considerar a possibilidade de realizar o tratamento térmico pós-soldagem, tanto as vantagens quanto as desvantagens do tratamento térmico devem ser comparadas de forma abrangente.
Do ponto de vista do desempenho estrutural, existem aspectos que podem melhorar o desempenho e aspectos que podem reduzir o desempenho. Julgamentos razoáveis devem ser feitos com base numa consideração abrangente de ambos os aspectos.
