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Comprendere la zona colpita dal calore nella saldatura: una guida completa
La zona interessata al calore (HAZ) rappresenta uno degli aspetti più critici della metallurgia della saldatura e svolge un ruolo fondamentale nel determinare la qualità, l'integrità e le prestazioni a lungo termine delle strutture saldate.
L'HAZ può influenzare le proprietà meccaniche del metallo, come la sua durezza, la durezza e la suscettibilità alla rottura. Queste modifiche di proprietà si verificano perché il calore dal processo di saldatura e successiva ri-raffreddamento causa questo cambiamento dall'interfaccia di saldatura alla terminazione della temperatura di sensibilizzazione nel metallo di base. La misura e la gravità di questi cambiamenti dipendono da molteplici fattori, tra cui la composizione materiale, i parametri di processo di saldatura, l'ingresso di calore e i tassi di raffreddamento.
Qual è la zona interessata al calore?
La zona interessata al calore è la regione del metallo base adiacente alla saldatura che sperimenta cicli termici durante la saldatura senza realmente fondersi. L'HAZ si riferisce alla porzione del materiale base adiacente alla saldatura che ha sperimentato cicli termici (riscaldamento e raffreddamento) abbastanza intensi da alterare la sua microstruttura, ma non abbastanza da scioglierlo. Mentre la vasca da saldatura stessa forma la zona di fusione in cui il metallo si scioglie e solidifica, il materiale HAZ circonda questa zona e sta in pendenza è caratterizzata.
L'HAZ è distinta sia dalla zona di fusione (metallo saldato) che dal metallo base non colpito. Mentre la piscina di saldatura stessa forma la zona di fusione (FZ), l'HAZ circonda questa zona ed è divisa in vari gradienti di temperatura, ciascuno che interessa il materiale in modo diverso. La larghezza e le caratteristiche dell'HAZ variano in modo significativo a seconda del processo di saldatura impiegato, con processi come saldatura a raggi laser e saldatura a raggi elettroni danno un calore altamente concentrato, con un'alta quantità limitata di calore di processo HAZ
Perché le Matters HAZ in Saldatura
Questi cambiamenti di proprietà sono solitamente indesiderati e in definitiva servono come la parte più debole del componente. Ad esempio, i cambiamenti microstrutturali possono portare a stress residui, ridotta resistenza del materiale, maggiore fragilità e diminuzione della resistenza alla corrosione e/o cracking. In molte applicazioni critiche, molti guasti si verificano nella HAZ. Ciò rende la comprensione e il controllo dell'HAZ essenziale per garantire l'affidabilità e la sicurezza delle strutture saldate.
In molti materiali, soprattutto gli acciai al carbonio, gli acciai inossidabili e gli acciai in lega, l'HAZ è un fattore critico nelle prestazioni della saldatura. La storia termica vissuta dall'HAZ durante la saldatura può indurre vari effetti dannosi, tra cui durezza eccessiva, fragilità, crescita del grano e potenziale cracking se non accuratamente gestito.
Zone microstrutturali all'interno dell'HAZ
L'HAZ non è una regione uniforme ma è costituita da diverse sottozone distinte, ognuna caratterizzata da diverse temperature di picco e microstrutture che ne risultano. L'HAZ può essere suddivisa in tre sottozone chiave: la Grande Grain Heat-Active Zone (CGHAZ): più vicina alla zona di fusione, la CGHAZ sperimenta le temperature più alte appena sotto il punto di fusione del materiale base.
Zona colpita dal calore del grano grosso (CGHAZ)
La zona di calore del grano grossolano è immediatamente adiacente alla linea di fusione e sperimenta l'esposizione termica più grave. Questa zona è riscaldata a temperature ben superiori alla temperatura di trasformazione dell'austenite (Ac3) ma al di sotto del punto di fusione. Questa zona adiacente alla linea di fusione precipita le temperature ben al di sopra della temperatura di trasformazione dell'Ac3.
La zona grezzo-grained (CGHAZ) presenta la massima durezza dell'HAZ e generalmente i valori di bassa tenacità sono attesi. In acciaio al carbonio e a basso contenuto di lega, i grani di austenite grossolani che si formano ad alte temperature si trasformano in martensite, bainite o altri prodotti di trasformazione in base al tasso di raffreddamento grossolana e ai risultati di trasformazione.
Zona interessata al calore del grano (FGHAZ)
Zona colpita dal calore del grano (FGHAZ): mentre si allontana dalla zona di fusione, il metallo sperimenta temperature più basse, portando a strutture di grano più fine. I grani più sottili migliorano la tenacità e la duttilità rispetto alla zona di grana grossolana. La zona di grano fine è riscaldata a temperature appena sopra la temperatura di trasformazione dell'Ac3, dove forme austenite ma la crescita del grano è limitata.
Le temperature di picco inferiori di circa 1100 °C, appena sopra Ac3, risultano in uno sviluppo improprio di austenite, seguendo la trasformazione α/γ durante il riscaldamento, producendo piccoli grani austenitici (FGHAZ). Inoltre, la temperatura di picco non può essere sufficientemente elevata per sciogliere completamente i precipitati, limitando la crescita del grano, bloccando i confini di grano austenite.
HAZ intercritico e sottocritico
HAZ intercritico e subcritico: queste regioni sono più lontane dalla zona di fusione e sperimentano temperature al di sotto del punto di trasformazione. La zona intercritica è riscaldata a temperature tra le temperature di trasformazione Ac1 e Ac3, con conseguente parziale trasformazione della microstruttura. Le temperature di picco che si trovano tra le temperature di trasformazione Ac1 e Ac3 provocano una parziale trasformazione di α in γ sul riscaldamento.
L'HAZ intercritico presenta una piccola dimensione del grano e presenta i valori di durezza più bassi nelle saldature. La zona sottocritica sperimenta temperature sotto l'Ac1, dove non si verifica alcuna trasformazione di fase, ma può verificarsi la tempra della microstruttura esistente. Queste zone possono essere particolarmente importanti nella saldatura multipass dove i passaggi di saldatura successivi riscaldano saldature precedentemente depositate e i loro HAZ.
Fattori che influenzano le proprietà delle zone colpite dal calore
La comprensione di questi fattori è essenziale per il controllo della qualità della saldatura e la previsione del comportamento del materiale. La misura e la magnitudine del cambiamento di proprietà dipende principalmente dal materiale di base, dal metallo di riempimento della saldatura e dalla quantità e dalla concentrazione di calore in ingresso dal processo di saldatura.
Input di calore
L'ingresso di calore è probabilmente il parametro più critico che colpisce le caratteristiche HAZ. L'ingresso di calore: Questo è un fattore critico che influenza le dimensioni e le proprietà dell'HAZ. L'ingresso di calore è determinato dal processo di saldatura, corrente, tensione e velocità di viaggio. Un alto ingresso di calore aumenta la dimensione del HAZ e può portare a grano grossolanante e ammorbidimento del metallo di base negli acciai, aumentando il rischio di cracking.
L'ingresso di calore più elevato è generalmente un HAZ più grande perché più energia termica viene trasferita al metallo base, causando una regione più ampia per raggiungere temperature sufficienti per la trasformazione microstrutturale. Inoltre, l'ingresso di calore più elevato risulta tipicamente nelle più lente velocità di raffreddamento, che possono portare ad una crescita eccessiva del grano e alla formazione di microstrutture indesiderabili.
Al contrario, l'ingresso di calore inferiore produce un HAZ più piccolo, ma può portare a velocità di raffreddamento più veloci che possono portare alla formazione di fasi dure e fragili come martensite in acciai induribili. La sfida nella saldatura è di bilanciare l'ingresso di calore per raggiungere una fusione e una penetrazione adeguata, riducendo al minimo gli effetti HAZ negativi.
Tasso di raffreddamento
Il raffreddamento rapido in acciaio può portare alla formazione di martensite, una fase difficile ma fragile, rendendo il giunto di saldatura più incline a crepe. Raffreddamento controllato, come il trattamento termico post-saldato (PWHT), può alleviare le sollecitazioni residue e le strutture martensitiche di tempera, migliorando la durezza.
Il ciclo di temperatura durante la saldatura è espresso dal tempo t8/5 che è il momento in cui si verifica un raffreddamento dello strato di saldatura da 800°C a 500°C. Questo parametro di raffreddamento è particolarmente importante per gli acciai in quanto determina i prodotti di trasformazione che si formano durante il raffreddamento.
Se un dato valore di durezza massimo non deve essere superato per un particolare acciaio, i parametri di saldatura devono essere scelti in modo tale che il tempo di raffreddamento t8/5 non cada sotto un valore particolare. Tuttavia, il raffreddamento eccessivamente lento può anche essere dannoso, come i tempi di raffreddamento crescenti causano una diminuzione della tenacità del HAZ, che significa una diminuzione dei valori di impatto misurati.
Composizione dei materiali e proprietà termiche
La composizione del materiale di base influisce in modo significativo sulle caratteristiche HAZ attraverso la sua influenza sul comportamento di trasformazione, l'induribilità e la tendenza alla crescita del grano. I materiali diversi rispondono molto diverso ai cicli termici della saldatura. Le modifiche della microstruttura che si svolgono nell'HAZ dipenderanno dal materiale saldato e dalla sua storia termica e meccanica.
La diffusione termica del materiale di base svolge un ruolo particolarmente importante: se la diffusione è alta, il tasso di raffreddamento del materiale è alto e l'HAZ è relativamente piccolo. In alternativa, una scarsa diffusione porta a un raffreddamento più lento e un HAZ più grande. Materiali con elevata conducibilità termica, come alluminio e leghe di rame, tendono ad avere condutture più piccole in quanto il calore è rapidamente condotto via.
Il contenuto di carbonio e gli elementi di lega influiscono in modo significativo sull'induribilità degli acciai e quindi sulle microstrutture che si formano nell'HAZ. Il contenuto di carbonio e lega più elevato aumenta generalmente l'induribilità, rendendo più probabile la formazione di martensite duro, fragile durante il raffreddamento rapido.
Selezione dei processi di saldatura
I diversi processi di saldatura forniscono calore al pezzo in modi diversi, con conseguente varie caratteristiche HAZ. La saldatura ad arco cade tra questi due estremi, con i singoli processi che variano in qualche modo in ingresso termico. I processi ad alta energia come la saldatura a raggi laser e la saldatura a raggi elettroni producono sorgenti di calore altamente concentrate che provocano piccoli HAZs. Questi processi sono particolarmente vantaggiosi quando minimizzare la dimensione HAZ è fondamentale.
I processi convenzionali di saldatura ad arco come GMAW (MIG), GTAW (TIG), e SMAW (stick) producono dimensioni intermedie HAZ. La saldatura a ossifuel, con la sua fonte di calore diffusa e l'elevato ingresso totale di calore, produce i più grandi HAZ. La scelta del processo di saldatura dovrebbe considerare le caratteristiche HAZ richieste insieme ad altri fattori come spessore materiale, configurazione congiunta e requisiti di produzione.
Calcolo dell'input di calore nella saldatura
Il calcolo accurato dell'ingresso di calore è fondamentale per prevedere e controllare le proprietà HAZ. L'ingresso di calore quantifica la quantità di energia termica consegnata al pezzo per lunghezza unitaria della saldatura e funge da parametro chiave nelle specifiche e nella qualifica della procedura di saldatura.
Formula di ingresso di calore standard
Per i processi di saldatura ad arco, viene utilizzata la seguente formula: Q = (V × I × 60) / (S × 1000) × Efficienza dove Q = input termico (kJ/mm), V = tensione (V), I = corrente (A), e S = velocità di saldatura (mm/min). Questa formula è ampiamente utilizzata nei codici di saldatura e negli standard tra cui ASME Sezione IX e AWS D1.1.
La formula rappresenta l'energia elettrica fornita dall'arco (tensione moltiplicata per corrente) e il tempo che la potenza viene applicata a qualsiasi dato luogo lungo la saldatura (inversamente proporzionale alla velocità di viaggio). Il fattore di 60 converte da secondi a minuti, e dividendo da 1000 convertiti da joule a kilojoules. Il fattore di efficienza rappresenta il fatto che non tutta l'energia elettrica viene trasferita al pezzo — alcuni si perdono attraverso radiazioni, spatter.
Il sistema europeo di calcolo dell'ingresso di calore differisce dal sistema americano dal parametro aggiuntivo di "efficienza termica/efficienza del processo/efficienza dell'arc". Nota, nella precedente norma, BS 5135, l'ingresso di calore è stato indicato come "energia argillosa" e non include necessariamente l'efficienza del processo.
Esempi di Calcolo dell'Input di Calcolo
Considerare un'operazione di saldatura GMAW con i seguenti parametri: tensione = 28V, corrente = 250A, velocità di viaggio = 300 mm/min, e l'efficienza dell'arco = 0,80.
Q = (28 × 250 × 60) / (300 × 1000) × 0.80 = 1.12 kJ/mm]
Questo valore di apporto termico sarebbe specificato nella specifica della procedura di saldatura (WPS) e deve essere mantenuto entro intervalli qualificati durante la saldatura di produzione. Per molti acciai strutturali, i range di immissione di calore tipici potrebbero essere 0.5-2.5 kJ/mm, anche se i requisiti specifici variano in base a qualità di materiale, spessore e requisiti di applicazione.
Quando i parametri di saldatura sono specificati come intervalli, devono essere calcolati sia i valori di ingresso minimo che quelli di ingresso termico massimo. Per l'ingresso di calore minimo prenderemo la corrente e la tensione sul lato inferiore in quanto è un fattore di moltiplicazione, e la velocità di viaggio sul lato superiore come fattore di dividendo.
Controllo dell'input termico
L'ingresso di calore saldante è un prodotto di Tensione e Corrente diviso per velocità di viaggio. Quindi, per controllare l'ingresso di calore di saldatura, è essenziale mantenere il valore della corrente e della tensione sul lato inferiore mentre la velocità di viaggio deve essere mantenuta alta. Tuttavia, questi parametri non possono essere regolati arbitrariamente - devono essere bilanciati per raggiungere la corretta fusione, penetrazione e profilo di perline.
La saldatura deve essere effettuata da perline di stringhe, poiché aiutano a mantenere la velocità di viaggio più veloce. La tessitura riduce la velocità di viaggio di saldatura e quindi aumenta l'ingresso di calore di saldatura. Inoltre, utilizzando una barra di diametro inferiore in quanto hanno bisogno di un'amperatura di saldatura più bassa in modo che ridurre indirettamente l'ingresso di calore di saldatura può essere una strategia efficace quando si desidera un ingresso di calore più basso.
Modellazione termica e Predizione HAZ
Oltre ai semplici calcoli di calore, i modelli termici più sofisticati possono prevedere distribuzioni di temperatura, di raffreddamento e dimensioni HAZ, che vanno dalle soluzioni analitiche alle complesse analisi degli elementi finiti.
Equazione Rosenthal per saldatura
Rosenthal ha proposto un metodo analitico per stimare le caratteristiche termiche dei materiali durante la saldatura a fusione in modalità di conduzione. Pertanto, questa equazione può essere utilizzata nei processi di saldatura laser in fase di saldatura a modalità di conduzione e non foro chiave, al fine di comprendere il comportamento dipendente dalla temperatura dei materiali durante la saldatura. L'equazione Rosenthal è un metodo semplice per prevedere il comportamento termico dei materiali, che lo rende applicabile
La soluzione Rosenthal fornisce una prima approssimazione della storia termica e può essere particolarmente utile per le stime rapide. Forse la soluzione analitica più referenziata per il campo di temperatura in una parte subisce una fonte di calore in movimento (con velocità costante e flusso) al limite è quella fornita da Rosenthal. Questa soluzione ormai classica agli aiuti di equazione del calore nella previsione dei tassi di raffreddamento e della profondità di penetrazione HAZ per applicazioni come la saldatura ad arco.
Tuttavia, l'equazione di Rosenthal si basa su diverse ipotesi semplificanti, tra cui proprietà materiali costanti, nessuna perdita di calore da convezione o radiazione, e una fonte di calore di punta o linea. Alcune ipotesi devono essere eseguite quando si utilizza l'equazione Rosenthal per consentire che questa soluzione analitica sia applicabile nel processo di saldatura; tuttavia, ciò aumenterà le preoccupazioni circa l'accuratezza dei risultati ottenuti da questa equazione.
Analisi degli elementi finiti
L'analisi degli elementi finiti (FEA) elimina l'assunzione di proprietà materiali non costanti e consente l'uso di fonti di calore ad arco tridimensionali non asimmetriche, come le distribuzioni ellissoidi e doppi ellissoidi.
I modelli FEA possono incorporare proprietà materiali dipendente dalla temperatura, geometrie complesse di sorgente di calore, perdite di calore di convezione e radiazioni e effetti di trasformazione di fase. Tuttavia, FEA richiede risorse e competenze computazionali significativamente più rispetto ai metodi analitici. La scelta tra approcci analitici e numerici dipende dalla precisione richiesta, risorse disponibili e la complessità dell'applicazione di saldatura.
Valutazione della larghezza
Per applicazioni pratiche, le formule empiriche possono fornire stime rapide delle dimensioni HAZ basate sull'ingresso di calore e sulle proprietà materiali. La larghezza HAZ (y) può essere ottenuta utilizzando l'equazione seguente con: Tp = Temperatura di picco/oC. a = Temperatura di piastra/oC. Tm = Temperatura di fusione del metallo base/oC. A = Temperatura originale del metallo base/oC. Queste relazioni empiriche sono tipicamente sviluppate da dati sperimentali per specifici sistemi di saldatura e processi.
Sebbene meno accurate rispetto ai modelli termici dettagliati, le formule empiriche forniscono utili prime approssimazioni per la pianificazione dei processi e possono contribuire a identificare se è richiesta un'analisi più dettagliata.
Predivisione della microstruttura e delle proprietà HAZ
Comprendere i cicli termici sperimentati dall'HAZ è solo il primo passo: prescrivere le microstrutture e le proprietà meccaniche che ne risultano richiede un'analisi aggiuntiva basata sul comportamento di trasformazione materiale.
Diagrammi di trasformazione di raffreddamento continuo (CCT)
I diagrammi CCT mostrano quali prodotti di trasformazione (ferrite, perlaite, bainite, martensite) formano a diversi tassi di raffreddamento per una specifica composizione in acciaio. Calcolando il tasso di raffreddamento dai modelli termici e confrontandolo con il diagramma CCT, gli ingegneri possono prevedere la microstruttura HAZ.
Il raffreddamento attraverso la gamma di temperature critiche (di solito 800°C a 500°C per gli acciai) è particolarmente importante. Il tempo di raffreddamento (t8/5) è il tempo di raffreddamento da 800 a 500 °C, che finalmente deciderà i prodotti di transizione di fase in HAZ. I diversi tassi di raffreddamento attraverso questa gamma produrranno diverse microstrutture con proprietà molto diverse.
Predizione della durezza
La durezza è una delle proprietà HAZ più comunemente misurate e può essere predetto in base alla microstruttura e alla composizione. La durezza di picco nella zona interessata dal calore (HAZ) è spesso da considerare come un segno della qualità di fabbricazione del giunto di saldatura e quindi è spesso misurata durante le approvazioni di procedura di saldatura e la prova di saldatura.
Per gli acciai al carbonio e a basso tenore di lega, le formule empiriche possono stimare la massima durezza HAZ basata sull'equivalente di carbonio e sul tasso di raffreddamento. Queste previsioni aiutano a determinare se il preriscaldamento o il trattamento termico post-saldato è necessario per evitare una durezza eccessiva che potrebbe portare a frattura o fragili. Molti codici di saldatura specificano i valori massimi di durezza HAZ consentiti, tipicamente nell'intervallo di 350-400 HV per gli acciai strutturali.
Considerazioni di tosse
La tosse, o la resistenza alla frattura fragile, è spesso la proprietà HAZ più critica per le applicazioni strutturali. In alcuni casi tutte le regioni della zona termica colpita (grano grossolano, grano raffinato, intercritico e subcritico) sono embrionalizzate a qualche grado rispetto al materiale genitore. Tuttavia, se la durezza frattura del materiale genitore è relativamente bassa, la zona termo-alterata può avere proprietà migliori, in particolare nella regione del ciclo raffinato grano.
Il grano grossolo HAZ presenta tipicamente la resistenza più bassa a causa della dimensione grossolana del grano e dei prodotti di trasformazione potenzialmente fragili. Con l'ingresso di calore aumentato da 50 a 100 kJ/cm, la durezza HAZ diminuì rapidamente, mentre la microdurezza misurata diminuisce costantemente. Le dimensioni del grano sono aumentate da 52 a 132 μm, e la larghezza di lati bainite è aumentata da 0,4 a 2 μm.
Strategie per il controllo delle proprietà HAZ
Il controllo delle caratteristiche HAZ richiede un approccio completo che coinvolge una corretta selezione dei materiali, parametri di saldatura ottimizzati e adeguati trattamenti termici.
Preriscaldamento
Preriscaldamento del materiale di base prima della saldatura contribuisce a ridurre il tasso di raffreddamento, riducendo al minimo il rischio di indurimento e di cracking HAZ, soprattutto negli acciai al carbonio. Le temperature di preriscaldamento dipendono dal materiale ma possono variare da 150°C a 300°C. La preriscaldamento è particolarmente importante per le sezioni spesse, gli acciai ad alto tenore di carbonio o ad alto contenuto di lega, e quando la saldatura in ambienti freddi.
La preriscaldamento è molto utile per evitare i fenomeni di cracking a freddo, in quanto decelera il raffreddamento dell'HAZ e consente l'idrogeno indotto durante la saldatura a fuggire. Inoltre il preriscaldamento migliora i vincoli indotti dalla saldatura. La temperatura preriscaldamento richiesta può essere calcolata in base all'equivalente del carbonio, allo spessore del materiale e al contenuto di idrogeno utilizzando varie formule empiriche o codici di saldatura.
La temperatura preriscaldata deve essere mantenuta non solo prima dell'inizio della saldatura, ma anche durante la saldatura (come temperatura interpass) per garantire un raffreddamento costante durante la saldatura. La temperatura indica i pastelli, i termocoppie o i termometri a infrarossi può essere utilizzata per verificare che il preriscaldamento corretto sia raggiunto e mantenuto.
Trattamento post-saldatura (PWHT)
PWHT è un processo termico applicato dopo la saldatura per alleviare le tensioni residue e migliorare la resistenza nell'HAZ. In acciai, PWHT riduce la durezza della martensite e migliora la duttilità. Il processo prevede in genere il riscaldamento dell'assemblaggio saldato ad una temperatura appena sotto la gamma di trasformazione e tenendolo per un tempo specificato.
PWHT serve a molteplici scopi, tra cui il sollievo dallo stress, la tempra delle microstrutture dure e la rimozione dell'idrogeno. Per gli acciai al carbonio e a basso tenore di lega, PWHT viene tipicamente eseguito a temperature comprese tra 550-650°C, con tempi di tenuta basati su spessore del materiale (tipicamente 1 ora per pollice di spessore).
Molti dei codici di pressione e di tubazione richiedono PWHT per alcuni materiali, spessori e condizioni di servizio. Anche se non richiesto dal codice, PWHT può migliorare significativamente le proprietà HAZ e la qualità complessiva della saldatura, in particolare per applicazioni critiche.
Ottimizzazione dei parametri di saldatura
La regolazione dell'ingresso di calore è uno dei modi più efficaci per minimizzare l'HAZ. Tuttavia, l'ingresso di calore deve essere bilanciato - troppo basso può causare la mancanza di fusione o eccessiva durezza, mentre troppo alto produce una crescita eccessiva del grano e l'ammorbidimento.
Per molti acciai strutturali, il mantenimento dell'ingresso termico all'interno di un intervallo specificato (spesso 0,5-2,5 kJ/mm) fornisce il miglior equilibrio di proprietà. La saldatura multipass con ingresso termico inferiore per passaggio può essere preferibile alla saldatura ad ingresso termico ad alta portata, poiché i passaggi successivi possono affinare l'HAZ dei passaggi precedenti attraverso il ciclismo termico.
Per controllare l'ingresso di calore di saldatura, è essenziale mantenere il valore della corrente e della tensione sul lato inferiore mentre la velocità di viaggio deve essere mantenuta elevata. Tuttavia, la velocità di viaggio deve essere sufficiente per mantenere la stabilità dell'arco e il profilo della perla.
Selezione dei materiali e saldabilità
Gli acciai moderni ad alta resistenza a bassa lega (HSLA) sono progettati con chimica controllata per ridurre i problemi HAZ. Questi acciai hanno tipicamente basso contenuto di carbonio (spesso inferiore allo 0,10%) per ridurre l'induribilità e migliorare la saldabilità, con la forza raggiunta attraverso la microlegatura e la la laminazione controllata piuttosto che il contenuto di carbonio elevato.
Esistono diverse formule equivalenti al carbonio, con la più comune formula IIW (International Institute of Welding) e la formula Pcm. I valori equivalenti al carbonio inferiori indicano generalmente una migliore saldabilità e problemi HAZ meno gravi.
Per applicazioni critiche, la selezione dei materiali dovrebbe considerare non solo le proprietà metalliche di base, ma anche le caratteristiche HAZ previste. Alcuni materiali che presentano eccellenti proprietà metalliche di base possono sviluppare HAZ problematici che limitano la loro utilità nella costruzione saldata.
Pratiche a basso idrogeno
Utilizzando elettrodi a basso idrogeno (come E7018 per saldatura a bastoncini) o gas di schermatura adeguatamente controllati riduce il contenuto di idrogeno nella saldatura, minimizzando il rischio di cracking indotto da idrogeno nell'HAZ.
Le pratiche di basso idrogeno includono un corretto stoccaggio e la manipolazione dei materiali di consumo, utilizzando processi di saldatura a basso idrogeno, evitando la contaminazione dell'umidità e permettendo un tempo adeguato per l'idrogeno di diffondersi prima che la saldatura si raffredda alla temperatura ambiente.
HAZ Caratterizzazione e Test
La corretta caratterizzazione delle proprietà HAZ è essenziale per la certificazione di procedura di saldatura, il controllo della qualità e l'analisi di guasti.
Test di durezza
Il test di durezza è il metodo più comune per la caratterizzazione HAZ per la sua semplicità e la dimensione del campione richiesta. I sondaggi di durezza attraverso la saldatura, HAZ e metallo base forniscono informazioni preziose sui cambiamenti microstrutturali e possono identificare regioni di durezza eccessiva che possono essere suscettibili di cracking.
I test di microdurezza Vickers o Knoop sono generalmente utilizzati per la caratterizzazione HAZ, con misurazioni effettuate a intervalli regolari (spesso 0,5-1.0 mm) nelle varie zone HAZ. I profili di durezza possono rivelare l'estensione dell'HAZ, identificare le regioni più dure e verificare che i limiti massimi di durezza non siano superati.
Molti codici di saldatura specificano i valori massimi consentiti di durezza HAZ. Ad esempio, le applicazioni offshore e subsea spesso limitano la durezza HAZ a 350 HV10 o inferiore per garantire una resistenza adeguata alla rottura dello stress sulfide.
Test di durezza di impatto
Per i test di impatto a V-notch Charpy valuta la resistenza e la resistenza alla frattura fragile dell'HAZ. Per i test HAZ, la tacca viene posizionata accuratamente in specifiche regioni HAZ (tipicamente il grano grossolano HAZ) per valutare la durezza peggiore.
Molti codici richiedono valori minimi di energia da impatto (spesso 27 Joules o più) a temperature di prova specificate. La resistenza all'impatto HAZ è spesso inferiore alla resistenza del metallo di base, rendendolo un criterio di accettazione critico.
Con l'ingresso di calore aumentato da 50 a 100 kJ/cm, la durezza HAZ diminuì rapidamente, mentre la microdurezza misurata diminuisce costantemente. Le dimensioni del grano sono aumentate da 52 a 132 μm, e la larghezza di lati bainiti è aumentata da 0,4 a 2 μm. La frazione di area di lath bainite (LB) è diminuita, mentre la frazione di bainite è diminuita.
Esame metallografico
L'esame metallico fornisce un'osservazione diretta delle microstrutture HAZ ed è essenziale per comprendere il rapporto tra i parametri di saldatura e le proprietà risultanti. Le sezioni trasversali attraverso la saldatura sono preparate da taglio, montaggio, rettifica, lucidatura e incisione per rivelare la microstruttura.
La microscopia ottica può identificare le varie zone HAZ, misurare la dimensione del grano e caratterizzare la microstruttura generale. La microstruttura della zona interessata al calore dipende dalla temperatura di picco raggiunta e dalla durata del tempo trascorso nella gamma di temperatura di 800oC - 500oC. I costituenti della microstruttura della zona interessata dal calore possono variare da zone sottili di martensite a zone perlateite grossolane.
La misura delle dimensioni del grano nell'HAZ è particolarmente importante in quanto influisce fortemente sulle proprietà meccaniche. Le dimensioni del grano grossolano sono generalmente correlate a una ridotta tenacità e una maggiore suscettibilità alla cracking. La metallurgia quantitativa può misurare le dimensioni del grano, le frazioni di fase e le distribuzioni di inclusione per supportare le previsioni di proprietà e l'ottimizzazione dei processi.
Considerazioni speciali per diversi materiali
Diversi sistemi materiali presentano caratteristiche HAZ uniche e richiedono approcci specifici per il controllo e l'ottimizzazione.
Acciaio al carbonio e basso legati
Gli acciai al carbonio e al basso tenore di lega sono i materiali più saldati e il loro comportamento HAZ è ben compreso. Le preoccupazioni principali sono l'eccessiva durezza della formazione martensitica e la cracking indotto dall'idrogeno. I processi di bassa frequenza di calore che danno tassi di raffreddamento relativamente elevati generano una zona colpita dal calore più fine e meno embrionale in acciaio a basso tenore di carbonio.
Per gli acciai a basso tenore di carbonio (sotto lo 0,15% C), i problemi HAZ sono generalmente minimi e la saldatura può essere spesso eseguita senza preriscaldamento o PWHT. Gli acciai a medio-carbonio (0,1,1,30% C) richiedono un controllo più attento dei tassi di raffreddamento attraverso il preriscaldamento e possono richiedere PWHT. Gli acciai ad alto tenore di carbonio (sopra lo 0,30% C) sono difficili da saldare e quasi sempre richiedono preriscaldamento e PWHT per evitare la fessunto e PWHT.
Gli acciai a basso tenore di lega contenenti cromo, molibdeno e altri elementi in lega presentano una maggiore indurabilità e richiedono un attento controllo dei tassi di immissione e raffreddamento del calore. Questi materiali beneficiano di preriscaldamento, temperatura controllata di interpass e spesso richiedono PWHT per ottenere le proprietà HAZ accettabili.
Acciaio inossidabile
Gli acciai inossidabili presentano sfide HAZ uniche a seconda della loro classe microstrutturale. Gli acciai inossidabili austriaci generalmente hanno una buona saldabilità ma possono soffrire di sensibilizzazione nell'HAZ. Nella condizione saldata molti acciai inossidabili sono suscettibili di corrosione intergranulare rapida o di corrosione da stress. Questo è perché il calore da saldatura sensibilizza la zona di calore in metallo di base colpita (HAZ) e la saldatura.
La sensibilizzazione avviene quando i carburi del cromo precipitano a confini del grano nell'HAZ, che esauriscono le regioni adiacenti del cromo e li rendono suscettibili alla corrosione intergranulare. Ciò può essere evitato utilizzando gradi a basso tenore di carbonio (gradi di L con meno dello 0,03% C), gradi stabilizzati contenenti titanio o niobio, o con soluzione ricottura dopo la saldatura.
Gli acciai inossidabili martensitici possono sperimentare la crescita del grano nell'HAZ che porta a una ridotta tenacità. Gli acciai inossidabili martensitici si comportano allo stesso modo con gli acciai in carbonio induribili e richiedono preriscaldamento e PWHT. Gli acciai inossidabili duplex richiedono un attento controllo dell'ingresso di calore per mantenere il corretto equilibrio delle fasi di ferrite e austenite nell'HAZ.
Lega di alluminio
Leghe di alluminio presentano diverse sfide HAZ rispetto agli acciai. Nelle leghe di alluminio termotrattate, come il 6061, l'HAZ può sperimentare la dissoluzione precipitata, portando ad ammorbidimento. La forza della lega di alluminio è significativamente ridotta nell'HAZ rispetto al materiale genitore.
Per leghe in alluminio temprato con precipitazione (2xxx, 6xxx, serie 7xxx), l'HAZ sperimenta sovrainvecchiamento o dissoluzione di rinforzo precipitati, con conseguente zona morbida con resistenza significativamente ridotta. Questo ammorbidimento non può essere facilmente rimediato e deve essere considerato per il design.
Leghe in alluminio non termoretraibili (1xxx, 3xxx, 5xxx serie) che derivano dalla resistenza dell'esperienza di indurimento del lavoro che ricottura nell'HAZ, anche con conseguente ammorbidimento. L'alta conducibilità termica dell'alluminio richiede un maggiore ingresso di calore per fusione, ma provoca un raffreddamento rapido e larghezze HAZ relativamente piccole.
Tecnologie di controllo HAZ avanzate
I recenti progressi tecnologici offrono nuovi approcci per ridurre al minimo i problemi HAZ e ottenere una qualità superiore della saldatura.
Processi di densità ad alta energia
Saldatura laser: La saldatura laser fornisce una fonte di calore altamente focalizzata, riducendo al minimo l'ingresso di calore e riducendo significativamente la dimensione dell'HAZ. Questa tecnica è ideale per materiali come acciaio inossidabile e titanio.
Questi processi ad alta densità energetica producono HAZ molto stretti a causa delle loro fonti di calore concentrate e delle elevate velocità di viaggio. La dimensione ridotta HAZ minimizza la degradazione e la distorsione della proprietà. Tuttavia, questi processi richiedono un investimento significativo di capitale e sono tipicamente limitati a applicazioni specifiche in cui i loro benefici giustificano il costo.
I processi ibridi che combinano il raggio laser o elettrone con la saldatura ad arco possono fornire vantaggi di entrambi gli approcci: la penetrazione profonda e l'ingresso a basso calore del processo ad alta energia con la tolleranza del gap e il tasso di deposizione della saldatura ad arco.
Tecniche di saldatura a impulso
L'utilizzo di tecniche di saldatura avanzate come la saldatura a impulsi TIG e MIG è anche utile per il controllo dell'ingresso di calore di saldatura. La saldatura a impulsi alterna tra alta corrente di picco per la penetrazione e bassa corrente di sfondo per il raffreddamento, con conseguente minore ingresso di calore medio rispetto alla saldatura continua con la stessa corrente di picco.
I processi polsi forniscono un migliore controllo sulla piscina di saldatura e sull'ingresso di calore, consentendo l'ottimizzazione delle proprietà HAZ mantenendo un'adeguata fusione e penetrazione. Il raffreddamento periodico durante la fase corrente di sfondo può affinare la struttura del grano e ridurre la larghezza complessiva di HAZ.
Ossido Metallurgy e Microalloying
Lo sviluppo moderno dell'acciaio si è concentrato sul miglioramento della tenacità HAZ attraverso approcci di metallurgia dell'ossido. Le inclusioni fini possono svolgere un ruolo significativo nel migliorare la tenacità dell'HAZ, questo meccanismo di rinforzo può essere riassunto in due aspetti.
Le inclusioni di ossido attentamente controllate possono servire come siti di nucleazione per la ferrite acicolare, una microstruttura finemente granulata con un'eccellente tenacità. Questo approccio è stato applicato con successo in acciai alle tubazioni e in altre applicazioni critiche per migliorare la resistenza HAZ anche ad alti input termici.
Applicazioni pratiche e studi di casi
La comprensione dei principi HAZ e l'applicazione di strategie di controllo appropriate è essenziale in numerose industrie e applicazioni.
Costruzione di tubazioni
La saldatura a pipeline rappresenta una delle applicazioni più esigenti per il controllo HAZ. Le tubature devono sopportare elevate pressioni, ambienti potenzialmente corrosivi e spesso operano in climi estremi. La durezza HAZ è fondamentale per prevenire la frattura a marmitta, in particolare negli ambienti di servizio agrodolce dove è presente il solfuro di idrogeno.
Gli acciai moderni per tubazioni sono progettati con chimica controllata e microlegatura per ottenere eccellenti proprietà HAZ. Le procedure di saldatura sono accuratamente qualificate per garantire una resistenza adeguata alla temperatura minima di progettazione. L'ingresso di calore è generalmente controllato entro intervalli stretti (spesso 0.5-1.5 kJ/mm) per bilanciare la produttività con i requisiti di proprietà HAZ.
Per le tubazioni artiche a temperature basse a -60°C è necessaria una resistenza HAZ eccezionale, che richiede acciai al carbonio ultra-bassi, un ingresso termico controllato e un test rigoroso per verificare un'adeguata resistenza a bassa temperatura.
Vessilli di pressione e boilers
La fabbricazione di recipienti di pressione e caldaia richiede un controllo accurato HAZ per garantire un funzionamento sicuro sotto pressione e una temperatura elevata. ASME Boiler e Pressure Vessel Code Sezione VIII e Sezione I forniscono requisiti dettagliati per le procedure di saldatura, compresi i limiti di ingresso di calore, i requisiti di preriscaldamento e le specifiche PWHT.
Per i recipienti a pressione a sezione spessa, la saldatura multipass con temperatura controllata di interpass è pratica standard. PWHT è tipicamente obbligatorio per i vasi in acciaio a basso tenore di carbonio e a basso contenuto di lega per alleviare le sollecitazioni residue e le microstrutture HAZ difficili da temperare. La temperatura e il tempo PWHT sono specificati in base al grado e allo spessore del materiale.
Gli acciai resistenti al rumore utilizzati nel servizio ad alta temperatura presentano ulteriori sfide HAZ. Il grano sottile HAZ può essere suscettibile a tipo IV durante l'esposizione a lungo termine del strisciante, richiedendo un'attenta selezione del materiale e lo sviluppo della procedura di saldatura.
Costruzione di acciaio
La saldatura strutturale dell'acciaio per edifici, ponti e altre infrastrutture deve bilanciare la produttività con i requisiti di qualità.
Per le applicazioni sismiche, la durezza HAZ è particolarmente critica in quanto le saldature devono essere in grado di sostenere grandi deformazioni di plastica durante il carico del terremoto.
Gli acciai strutturali ad alta resistenza (forza di saldatura superiore a 450 MPa) richiedono un controllo più attento dell'Hiz rispetto agli acciai miti convenzionali. Il preriscaldamento è spesso richiesto e l'ingresso di calore può essere limitato per evitare una crescita eccessiva del grano e la perdita di forza nell'Haz.
Problemi e soluzioni HAZ comuni
Nonostante la pianificazione e il controllo accurati, possono verificarsi problemi HAZ. Capire i problemi comuni e le loro soluzioni è essenziale per la risoluzione dei problemi e il miglioramento continuo.
Cracking indotto da idrogeno
La fessura indotta da idrogeno (chiamata anche cracking freddo o cracking ritardato) è uno dei difetti HAZ più gravi. Si verifica quando tre fattori sono presenti simultaneamente: idrogeno, microstruttura suscettibile (tipicamente martensite dura), e stress trasile.
Le strategie di prevenzione includono l'utilizzo di processi di saldatura a basso idrogeno e materiali di consumo, l'applicazione di un preriscaldamento adeguato per rallentare il raffreddamento e permettere l'idrogeno di sfuggire, mantenendo la temperatura di interpasso corretta, e evitando la contaminazione dell'umidità.
Eccessiva durezza
L'eccessiva durezza HAZ può portare a frattura fragile e ad una maggiore suscettibilità alla cracking dell'idrogeno. Questo risultato è tipicamente il rapido raffreddamento degli acciai induribili, producendo la martensite dura. Le soluzioni includono l'aumento della temperatura di preriscaldamento per rallentare il raffreddamento, l'aumento dell'ingresso di calore (entro limiti accettabili), e l'applicazione PWHT per temperare le microstrutture dure.
Se la durezza eccessiva viene scoperta dopo la saldatura, PWHT può spesso ridurre la durezza a livelli accettabili. In alcuni casi, la riparazione della saldatura può essere necessaria, anche se questo deve essere fatto con attenzione per evitare di introdurre ulteriori problemi.
Povera tosse
La robustezza HAZ inadeguata può derivare da una crescita eccessiva del grano dovuta all'elevato input termico, alla formazione di microstrutture fragili o a distribuzioni di inclusione sfavorevoli.Le soluzioni includono la riduzione dell'ingresso termico per limitare la crescita del grano, ottimizzando i tassi di raffreddamento per promuovere microstrutture favorevoli, e utilizzando materiali con una maggiore resistenza HAZ attraverso la microlegatura o la metallurgia dell'ossido.
Per le saldature esistenti con una durezza insufficiente, le opzioni sono limitate. PWHT può fornire un certo miglioramento tentando le fasi fragili, ma il recupero significativo della durezza è improbabile.
Ammorbidimento in materiali termoretrati
L'ammorbidimento in leghe di alluminio temprato e gli acciai temprati provoca un eccesso di resistenza o una tempra di meccanismi di rinforzo. Questo problema è difficile da risolvere dopo la saldatura. Le strategie di prevenzione includono ridurre l'ingresso di calore attraverso la selezione di processo (saldatura a trave laser o elettroni), utilizzando la saldatura di mescolanza di attrito che produce l'ammorbidimento minimo HAZ, o la progettazione di giunzioni per tenere conto per conto di resistenza ridotta HAZ.
L'invecchiamento artificiale post-saldato può parzialmente ripristinare la forza in alcune leghe di alluminio, anche se il recupero completo alla resistenza di metallo di base è raramente raggiunto.Per applicazioni critiche, fissaggio meccanico o incollaggio adesivo può essere preferibile alla saldatura di fusione.
Tendenze future nella ricerca e nella tecnologia HAZ
La ricerca continua a migliorare la comprensione dei fenomeni HAZ e a sviluppare strategie di controllo migliorate. La modellazione computazionale sta diventando sempre più sofisticata, incorporando cinetica di trasformazione di fase, sviluppo di stress residuo e evoluzione della microstruttura.
Tecniche di caratterizzazione avanzate, tra cui la diffrazione elettron backscatter (EBSD), la tomografia della sonda atom, e la diffrazione dei raggi X sincrotroni, forniscono una visione senza precedenti delle microstrutture e dei meccanismi di trasformazione HAZ.
I sistemi di monitoraggio e controllo in tempo reale utilizzando immagini termiche, emissione acustica e altri sensori consentono un controllo adattativo dei parametri di saldatura per mantenere le proprietà HAZ coerenti.
Nuovi materiali, tra cui acciai ad alta resistenza, leghe nanostrutturate e compositi a matrice metallica, presentano sia sfide che opportunità per il controllo HAZ. La comprensione e l'ottimizzazione dell'HAZ in questi materiali richiedono una ricerca e sviluppo continua.
Conclusioni
La zona termoretraibile rappresenta una regione critica nelle strutture saldate dove i cicli termici alterano la microstruttura e le proprietà senza fondere il metallo base. La zona termoretraente è un aspetto complesso ma critico della saldatura che può influenzare significativamente le prestazioni delle articolazioni saldate. Capire come i cambiamenti metallurgici nell'HAZ si verificano e come controllarli attraverso i parametri di processo, preriscaldamento e post-saldamento trattamenti è essenziale per ottenere forti e affidabili saldature.
Il controllo HAZ di successo richiede un approccio completo che integra la selezione dei materiali, l'ottimizzazione dei processi di saldatura, la gestione termica attraverso il preriscaldamento e il PWHT, e la sperimentazione rigorosa e la caratterizzazione.
Calcolo delle proprietà HAZ comporta molteplici passi: determinare l'ingresso termico dai parametri di saldatura, predire cicli termici utilizzando modelli analitici o numerici, stimare le microstrutture basate sui tassi di raffreddamento e sui diagrammi di trasformazione, e correlazione microstruttura con proprietà meccaniche.
Poiché la tecnologia di saldatura continua a progredire e vengono sviluppati nuovi materiali, la comprensione e il controllo dell'HAZ rimane essenziale per garantire la qualità, l'affidabilità e la sicurezza delle strutture saldate in tutti i settori. Applicando i principi e le pratiche delineate in questa guida, i professionisti della saldatura possono ridurre al minimo i problemi HAZ e raggiungere una qualità ottimale della saldatura anche nelle applicazioni più esigenti.
Risorse aggiuntive
Per coloro che cercano di approfondire la loro comprensione dei fenomeni HAZ e della metallurgia della saldatura, sono disponibili numerose risorse. L'American Welding Society (AWS) offre pubblicazioni tecniche e corsi di formazione e programmi di certificazione che coprono la metallurgia della saldatura e lo sviluppo della procedura.
Le istituzioni accademiche di tutto il mondo conducono ricerche sulla saldatura della metallurgia e pubblicano i risultati in riviste come Welding Journal, Science and Technology of Welding and Joining, and Materials Science and Engineering.
Risorse online, tra cui AWS.org[[]], forum di saldatura e database tecnici forniscono l'accesso a procedure di saldatura, specifiche materiali e guida alla risoluzione dei problemi.
Levando queste risorse e applicando i principi fondamentali della formazione e del controllo HAZ, gli ingegneri e i tecnici della saldatura possono produrre saldature di alta qualità che soddisfano le esigenze più esigenti dell'industria moderna, garantendo al contempo sicurezza, affidabilità e prestazioni a lungo termine.