O pré-aquecimento é uma técnica comumente usada em soldagem. Envolve o aquecimento da peça a ser soldada a uma temperatura acima da temperatura ambiente antes ou durante o processo de soldagem.
A maioria das especificações modernas exige faixas específicas de temperatura de pré-aquecimento, dependendo do padrão e do tipo de material a ser soldado.
Neste artigo, discutiremos a importância do pré-aquecimento adequado, seus benefícios e as consequências do pré-aquecimento inadequado usando exemplos.
1. Técnicas
Pré-aquecimento é o processo de aquecimento da peça a ser soldada a uma temperatura superior à temperatura ambiente, antes ou durante a soldagem.
O pré-aquecimento é um requisito obrigatório na soldagem, e as faixas específicas de temperatura de pré-aquecimento são descritas nas especificações de pré e pós-soldagem. Contudo, em certas condições, também podem ser utilizados métodos alternativos de pré-aquecimento.
O pré-aquecimento oferece diversas vantagens, independentemente de ser obrigatório ou não:
- Reduz a tensão de contração entre a solda e o metal base adjacente, o que é especialmente crucial para soldas de alta tensão.
- Retarda a taxa de resfriamento durante o resfriamento da solda na faixa de temperatura principal, evitando o endurecimento excessivo e reduzindo a ductilidade da solda e da zona afetada pelo calor (HAZ).
- Retarda a taxa de resfriamento na faixa de temperatura de 400°F, permitindo mais tempo para o hidrogênio escapar da solda e do metal base adjacente, evitando assim rachaduras induzidas pelo hidrogênio.
- Remove contaminantes.
A quantidade de pré-aquecimento necessária para soldagem não é determinada apenas pelo padrão mínimo descrito na especificação. Em vez disso, um ou mais dos seguintes métodos podem ser usados:
- Tabelas de cálculo
- Estimativa de equivalente de carbono
- Estimativa de parâmetros de crack
- Estimativa de teste Spark
- Regra prática
A faixa de temperatura de pré-aquecimento é geralmente apropriada para vários tamanhos e restrições de ranhuras de solda.
Embora muitas especificações especifiquem uma temperatura mínima de pré-aquecimento, em alguns casos, uma temperatura de pré-aquecimento mais baixa pode ser usada, enquanto em outros, uma temperatura de pré-aquecimento mais alta pode ser necessária.
2. Folha de cálculo
Existem diversas “tabelas de cálculo de pré-aquecimento” disponíveis que utilizam réguas lineares ou circulares para determinar a temperatura de pré-aquecimento. Estas tabelas permitem prever a temperatura de pré-aquecimento necessária com base na identificação do material e espessura do metal base.
3. Carbono equivalente
O equivalente de carbono (CE) é uma medida útil para determinar se o pré-aquecimento é necessário e em que medida. Aqui estão as diretrizes:
- Se CE for menor ou igual a 0,45%, o pré-aquecimento é opcional.
- Se CE estiver entre 0,45% e 0,60%, a faixa de temperatura de pré-aquecimento deverá estar entre 200°F e 400°F (100°C a 200°C).
- Se CE for superior a 0,60%, a faixa de temperatura de pré-aquecimento deverá estar entre 400°F e 700°F (200°C a 350°C).
Se o CE for superior a 0,5, é aconselhável atrasar o ensaio não destrutivo final (NDE) por pelo menos 24 horas para determinar se alguma trinca retardada está presente.
4. Parâmetros de crack
O método Ito & Bessyo Parameter Crack Detection (PCM) pode ser utilizado quando o carbono equivalente é igual ou inferior a 0,17% em peso ou quando aço de alta resistência é usado. Esta abordagem é útil para determinar com precisão quando o pré-aquecimento é necessário, bem como quando aplicar o pré-aquecimento forçado e qual temperatura usar. Aqui estão as diretrizes:
- Se o PCM for menor ou igual a 0,15%, o pré-aquecimento é opcional.
- Se o PCM estiver entre 0,15% e 0,26-0,28%, pré-aqueça a uma faixa de temperatura de 100°C a 200°C (200°F a 400°F).
- Se o PCM for superior a 0,26-0,28%, pré-aqueça a uma faixa de temperatura de 200°C a 350°C (400°F a 700°F).
5. Teste de faísca
O teste de faísca tem sido usado há muitos anos como método para estimar o teor de carbono no aço carbono. A qualidade da faísca produzida indica o nível de teor de carbono, com maior teor de carbono resultando em melhor faísca e maior necessidade de pré-aquecimento.
Embora este método não seja o mais preciso, é simples e pode fornecer uma indicação geral da temperatura de pré-aquecimento necessária. Ao examinar a qualidade da faísca produzida, o nível relativo de temperatura de pré-aquecimento necessário pode ser determinado.
6. Regras práticas
Outro método eficaz, mas menos preciso, para selecionar a temperatura de pré-aquecimento é aumentá-la em 100°F (50°C) para cada 10 pontos com base no teor de carbono (0,10% em peso). Por exemplo, se o teor de carbono for 0,25% em peso, a temperatura de pré-aquecimento deverá ser de pelo menos 250°F (125°C) ou superior.
Entretanto, se houver revestimentos ou outros componentes próximos à solda, a temperatura de pré-aquecimento especificada na especificação de produção original pode não ser apropriada.
Se o aporte térmico de soldagem estiver próximo da faixa máxima permitida pelo processo padrão, o calor transferido para os componentes soldados pode ser suficiente para equilibrar a necessidade de pré-aquecimento. Como resultado, o metal afetado pode ser aquecido até ou acima do valor mínimo dos requisitos de pré-aquecimento. Nesses casos, métodos externos podem ser usados para reduzir os requisitos de pré-aquecimento.
Deve-se notar que esta abordagem envolve faixas e conversões imprecisas (por exemplo, °F para °C), pois o pré-aquecimento não é uma ciência exata.
Em muitos casos, também é comum aumentar continuamente a temperatura de pré-aquecimento até que o problema, como o desaparecimento de fissuras, seja resolvido.
Por outro lado, em algumas situações específicas, poderá ser possível atingir o objetivo pretendido mesmo que a temperatura de pré-aquecimento seja inferior ao valor recomendado ou à temperatura especificada na especificação de produção.
7. Aplicação prática
Para evitar o amolecimento do material causado pelo pré-aquecimento, é importante prestar atenção às habilidades reais de operação.
Escolha processos de soldagem e eletrodos que raramente introduzam hidrogênio.
Existem certas técnicas que podem ajudar a reduzir ou aliviar o estresse residual.
É necessário um monitoramento cuidadoso para garantir o uso correto do método de pré-aquecimento.
As descrições a seguir são cruciais para a implementação bem-sucedida dessas técnicas.
8. Tamanho e habilidades da ranhura de soldagem
As habilidades de soldagem têm um impacto significativo na contração da soldagem, na tensão residual, no controle da entrada de calor e na prevenção de trincas.
Soldas curtas apresentam menos contração longitudinal do que soldas longas.
Soldagem reversa ou sequências especiais de soldagem podem ser empregadas para reduzir tensões residuais.
A entrada de calor deve ser controlada ou reduzida.
Soldas lineares com pequenas oscilações devem ser usadas em vez daquelas com grandes oscilações.
9. Reduza rachaduras
Processos de fabricação apropriados podem ajudar a reduzir ou eliminar crateras e rachaduras de solda.
- Comparadas às soldas com seções finas e largas, aquelas com seções circulares tendem a apresentar menos trincas.
- Devem ser evitadas partidas ou paradas repentinas na soldagem. As operações de soldagem e a formação da solda podem ser controladas por técnicas de soldagem em declive ascendente/descendente ou através de meios elétricos usando a fonte de alimentação de soldagem.
- Devem ser usados materiais depositados suficientes para evitar rachaduras causadas pela contração da soldagem ou soldagem normal.
Com base na experiência, para evitar rachaduras devido à insuficiência de material depositado na solda (que também é um requisito em muitas especificações de produção), a quantidade de metal depositado deve ser de pelo menos 3/8 pol. (10 mm) ou 25% da espessura da ranhura da solda. .
10. Método de pré-aquecimento
Em oficinas ou campos, o pré-aquecimento pode ser obtido usando aquecimento por chama (ar-combustível ou acetileno combustível), aquecimento por resistência, aquecimento por indução eletrônica e outros métodos.
Independentemente do método utilizado, o pré-aquecimento deve ser uniforme.
A menos que haja requisitos específicos, o pré-aquecimento deve penetrar em toda a espessura da soldagem.
A Figura 1 apresenta equipamentos que utilizam aquecimento por resistência (sem isolamento, aplicação posterior) e aquecimento por indução.
Fig. 1 – aquecimento por resistência (esquerda) e aquecimento por indução (direita)
11. Monitoramento de pré-aquecimento
Vários dispositivos podem ser usados para medir e monitorar a temperatura.
Os componentes ou soldagens a serem soldados devem ser pré-aquecidos até que o material esteja totalmente saturado de calor.
Sempre que possível, o grau de penetração térmica deverá ser testado ou avaliado.
Para a maioria das aplicações de soldagem, geralmente é suficiente monitorar a temperatura à distância da borda da solda.
O monitoramento ou leitura da temperatura não deve contaminar a ranhura de soldagem.
12. Caneta indicadora de temperatura
Canetas indicadoras ou ferramentas semelhantes a lápis são usadas para determinar a temperatura mínima atingida durante o pré-aquecimento. Essas ferramentas derretem a uma temperatura específica, o que permite um método simples e econômico para determinar a temperatura de fusão da caneta.
No entanto, se a temperatura da peça exceder a temperatura de fusão da caneta indicadora, ela não funcionará corretamente. Nesses casos, pode ser necessário usar múltiplas canetas indicadoras com temperaturas de fusão variadas para garantir leituras precisas de temperatura.
13. Monitoramento eletrônico de temperatura
Para operações de pré-aquecimento e soldagem, também podem ser utilizados equipamentos de medição direta, como pirômetros de contato ou termopares de leitura direta com leituras analógicas ou digitais. Esses instrumentos devem ser calibrados ou ter sua capacidade de medir a faixa de temperatura verificada de alguma forma.
O termopar, em particular, tem a vantagem de monitorar e armazenar dados continuamente. Como resultado, ele pode ser usado com um registrador de curvas ou sistema de aquisição de dados durante operações de pré-aquecimento ou tratamento térmico pós-soldagem (PWHT).
A American Welding Society (AWS) D10.10 fornece vários esquemas e exemplos de posições apropriadas de posicionamento de termopares.
14. Monitoramento do “direito indígena”
Durante muitos anos, vários “métodos indígenas” foram utilizados para determinar se a temperatura de pré-aquecimento é suficiente. Um desses métodos é borrifar saliva ou fumaça diretamente na peça de trabalho. O som produzido pela saliva é utilizado como indicador de temperatura, embora este método não seja muito preciso. Alguns indivíduos experientes ainda usam esta técnica.
Uma maneira mais precisa de determinar a temperatura de pré-aquecimento é usar uma tocha de acetileno. A chama é ajustada para produzir alta carbonização, criando uma camada de fumaça cinza na área a ser pré-aquecida. A tocha de soldagem é então ajustada para produzir fumaça média e é usada para aquecer a área de fumaça cinza. Quando a fumaça cinza desaparece, indica que a temperatura da superfície atingiu mais de 200°C (400°F).
É importante garantir que a temperatura de pré-aquecimento seja atingida em toda a espessura da peça e na área de soldagem. A maior parte do monitoramento é apenas para a superfície externa da peça de trabalho, mas o AWS D10.10 fornece práticas recomendadas para a zona de imersão e exige que toda a espessura da peça de trabalho seja aquecida durante a soldagem do tubo.
É necessária uma observação cuidadosa durante o pré-aquecimento para evitar o superaquecimento do metal base, especialmente quando se utiliza métodos de aquecimento por resistência ou por indução. Muitos transportadores agora exigem que termopares sejam colocados sob cada placa de aquecimento de resistência ou conjunto de bobina de indução para monitorar e evitar superaquecimento.
15. Resumo
Independentemente de o pré-aquecimento ser necessário e do método de pré-aquecimento utilizado, o pré-aquecimento proporciona vários benefícios, incluindo:
- Redução da tensão de contração na solda e no metal base adjacente, o que é particularmente benéfico para juntas soldadas sob alta restrição;
- Retardar a taxa de resfriamento da peça na faixa crítica de temperatura, evitando o endurecimento excessivo e reduzindo o amolecimento da solda e da zona termicamente afetada (HAZ);
- Permitir mais tempo para o hidrogênio se difundir da solda e do metal base adjacente, diminuindo a taxa de resfriamento à medida que a peça passa pela faixa de temperatura de 400°F (200°C), o que ajuda a prevenir rachaduras induzidas por hidrogênio;
- Descontaminação da peça;
Ao pré-aquecer, é melhor aquecer uniformemente toda a espessura da soldagem até a temperatura de pré-aquecimento especificada. O superaquecimento de uma área local pode causar danos materiais, por isso deve ser evitado tanto quanto possível.
