Introduzione

Gas Tungsteno Swelding (GTAW), comunemente indicato come saldatura TIG, è uno dei processi di saldatura ad arco più precisi e versatili disponibili. È ampiamente utilizzato in settori come aerospaziale, generazione di potenza, petrolchimica e produzione farmaceutica, dove qualità della saldatura, aspetto e integrità meccanica sono fondamentali. GTAW produce giunti puliti, forti utilizzando un elettrodo di tungsteno non consumabile e un gas di schermatura inerto inerti per proteggere il ciclo

La gestione dei tassi di immissione e di raffreddamento del calore è fondamentale per raggiungere saldature sonore in materiali esigenti. Senza preriscaldamento appropriato e PWHT, anche una procedura GTAW perfettamente eseguita può portare a un giunto che non riesce prematuro sotto carico o in ambienti corrosivi. Questo articolo fornisce un esame completo e autorevole del ruolo, metodi e razionalità ingegneristiche dietro il preriscaldamento e il trattamento termico post-saldamento in GTAW.

Fondazione metallurgica: Perché il controllo termico

Per apprezzare la necessità di preriscaldamento e PWHT, bisogna prima capire cosa succede al metallo durante la saldatura. L'arco di saldatura crea una piscina fusa che si solidifica rapidamente mentre la fonte di calore si allontana. Il metallo base circostante sperimenta un gradiente termico ripido, con temperature che vanno dal punto di fusione fino all'ambiente in pochi secondi. Questo ciclo termico rapido può causare diversi effetti dannosi:

  • Formazione delle microstrutture indurite[: In acciaio al carbonio e alla lega, il raffreddamento rapido può trasformare l'austenite in martensite duro e fragile. La martensite ha bassa tenacità ed è altamente suscettibile alla cracking indotto dall'idrogeno (crinatura fredda).
  • Le tensioni residuali: L'espansione termica e la contrazione della zona di saldatura sono vincolate dal metallo freddo circostante, generando elevate tensioni che possono portare a distorsione o cracking.
  • Idrogeno Entrapment[[[]]: L'idrogeno introdotto dall'umidità, dai contaminanti superficiali o dai materiali di riempimento può diffondersi nella zona colpita dal calore (HAZ).
  • Loss of Corrosion Resistance[[]: In acciai inossidabili austenitici, il raffreddamento rapido può causare precipitazioni del carburo di cromo ai confini del grano (sensitizzazione), riducendo la resistenza alla corrosione intergranular.

Preriscaldamento rallenta il tasso di raffreddamento, dando più tempo per l'idrogeno a diffondersi e per l'austenite a trasformarsi in prodotti più duttili come la bainite o la ferrite piuttosto che la martensite. Il trattamento termico post-saldato poi tempra qualsiasi martensite che si forma, allevia le tensioni residue e può ripristinare la resistenza alla corrosione attraverso la soluzione ricottura o stabilizzazione.

Preriscaldamento in Gtaw

Scopo e Meccanismo

Preriscaldamento è l'applicazione del calore al metallo base prima dell'inizio della saldatura. Misurata dalla temperatura interpass, che deve essere mantenuta durante la sequenza di saldatura.

  • Ridurre il tasso di raffreddamento[[]: Un tasso di raffreddamento più lento impedisce la formazione di microstrutture dure e sensibili alla crepa e consente all'idrogeno di sfuggire prima che si verifichi la crepa.
  • Controlling Thermal Gradient[[[]: Preriscaldamento riduce la differenza di temperatura tra la zona di saldatura e il metallo circostante, riducendo così le sollecitazioni termiche e la probabilità di cracking caldo.
  • Rimozione della mobilitÃ[[]: Il riscaldamento del metallo di base spinge fuori dall'umidità della superficie che potrebbe contribuire al pick-up dell'idrogeno.
  • Migliorare la Penetrazione della Saldatura[[]: In sezioni o materiali spessi con elevata conducibilità termica (ad esempio, rame, alluminio), il preriscaldamento aiuta l'arco a ottenere una fusione adeguata.

Temperatura di preriscaldamento del materiale-Specifico

Non esiste una temperatura di preriscaldamento universale; dipende dalla composizione del materiale, dallo spessore, dal vincolo delle articolazioni e dalle condizioni ambientali.

  • Gli acciai al carbonio[: Per gli acciai al carbonio (ad esempio ASTM A36), il preriscaldamento non è generalmente richiesto per gli spessori sotto 1 pollice. Tuttavia, per gli acciai a basso tenore di carbonio o ad alta resistenza (HSLA) le temperature di preriscaldamento di 100–400°F (40–200°C) sono comuni, in base agli equivalenti di carbonio (CE).
  • Alloy Steels (ad esempio 4130, 4340)[[]: Questi richiedono il preriscaldamento nell'intervallo di 300–600°F (150–315°C) per evitare la formazione di martensite e la cracking dell'idrogeno.
  • Acciai inox[[]]: Gli acciai inossidabili austenitici generalmente non richiedono preriscaldamento per la riduzione dellacrimazione a freddo, ma il preriscaldamento può essere utilizzato per controllare la distorsione o ridurre gli stress termici. Gli acciai inossidabili ferritici e martensitici richiedono preriscaldamento simile agli acciai in lega per evitare lacriminatura.
  • Leghe di alluminio[[]: Mentre l'alluminio non soffre di cracking dell'idrogeno nello stesso modo degli acciai, il preriscaldamento (150–300°F/65–150°C) è spesso usato per ridurre lo shock termico, migliorare la saldabilità nelle sezioni spesse e rimuovere l'umidità della superficie.
  • Leghe di rame e rame[[]]: A causa di elevata conducibilità termica, può essere necessario un preriscaldamento significativo (fino a 1000°F/540°C) per ottenere una corretta fusione ed evitare una penetrazione incompleta.
  • Titanium[]: Il preriscaldamento viene generalmente evitato nella saldatura del titanio perché aumenta il rischio di ossidazione; invece, si fa ricorso ad un'attenta schermatura. Tuttavia, quando viene utilizzato, il preriscaldamento deve essere tenuto sotto i 600°F (315°C) per evitare l'infrazione.

Metodi di preriscaldamento

Diversi metodi sono utilizzati per applicare preriscaldamento, a seconda delle dimensioni dei componenti, della geometria e delle attrezzature disponibili:

  • Oxy-Fuel Torch[[]: Comune per piccole parti e riparazioni di campo. Richiede un attento monitoraggio per garantire la temperatura uniforme.
  • Riscaldatori di resistenza elettrici[[]: I riscaldatori di ceramica o di corda posti sul pezzo forniscono un riscaldamento controllato e uniforme.
  • Induzione Riscaldamento[[]]: Utilizza campi magnetici alternati per riscaldare rapidamente e con precisione il metallo. Ideale per saldature ripetitive e processi automatizzati.
  • Riscaldamento a vapore[[]]: Utilizzato per preriscaldare intere assemblee o per componenti molto grandi.
  • Riscaldatori a infrarossi[[]: Fornire calore radiante all'area di saldatura; utile quando il riscaldamento a contatto non è possibile.

Gli strumenti comuni includono termocoppie a contatto, pirometri a infrarossi e pastelli a temperatura indicativa. La zona di preriscaldamento deve estendersi almeno 3-4 pollici oltre il giunto di saldatura su ogni lato per applicazioni standard; i codici possono richiedere zone più grandi per acciai ad alta resistenza.

Trattamento termico post-saldato (PWHT) in Gtaw

Scopo e Meccanismo

Il trattamento termico post-saldato, spesso chiamato stress relieving, comporta il riscaldamento dell'assemblaggio saldato ad una temperatura specifica sotto la gamma di trasformazione critica, tenendolo per un tempo prescritto, e poi raffreddandolo in condizioni controllate.

  • Residual Stress Relief[[[]: Il riscaldamento riduce la resistenza alla resa del materiale, consentendo il flusso di plastica che ridistribuisce e riduce gli stress residui.
  • Temperazione di Martensite[[]: In acciai che formavano martensite durante il raffreddamento, PWHT tempra la struttura, migliorando la durezza e riducendo la durezza.
  • Idrogeno di gassificazione[[]: Le temperature elevate accelerano la diffusione dell'idrogeno dal metallo, mitigando il rischio di incrinatura ritardata.
  • Stabilizzazione strutturale[[[]]: Per alcuni materiali, PWHT può precipitare i carburi in modo controllato (ad esempio, stabilizzazione di 321 o 347 acciai inossidabili) o dissolvere i precipitati nocivi.
  • Ristorazione della resistenza alla corrosione[[]: L'impastatura o il sollievo dallo stress possono invertire la sensibilizzazione negli acciai inossidabili austenitici se eseguita correttamente.

Parametri PWHT per materiali comuni

Le temperature PWHT e i tempi di attesa sono specifici per il materiale e spesso regolati da requisiti di codice.

  • Acciai di carbonio e di basso tenore di lega[[: Le temperature tipiche di riduzione dello stress variano da 1100 a 180 °C (600–675°C) con un tempo di attesa di 1 ora per pollice di spessore (minimo 1 ora). Raffreddamento in aria o forno ancora raffreddamento a 600°F prima che il raffreddamento dell'aria sia comune.
  • Acciai rigati e temprati[]: PWHT deve essere eseguito a una temperatura almeno 50°F (28°C) sotto la temperatura di tempra originale per evitare sovratempramenti e perdite di forza.
  • Austenitic Steels[[]: ricottura completa a 1900–2050°F (1040–1120°C) seguita da un rapido quenching viene utilizzato per ripristinare la resistenza alla corrosione. Tuttavia, il bassorilievo di temperatura (circa 1500°F/815°C) può essere utilizzato per la stabilità dimensionale, ma rischia di setenere troppo a lungo.
  • Acciai inox martensitici[[]: Tempera a 1000–1400°F (540–760°C) è necessario per ridurre la durezza e migliorare la durezza dopo la saldatura.
  • Leghe di alluminio[[]: Per leghe termotrattabili (ad esempio, 6061, 7075), PWHT può coinvolgere il trattamento termico della soluzione e l'invecchiamento artificiale per ripristinare la forza dopo la saldatura. Tuttavia, molte saldature di alluminio sono utilizzate nella condizione as-welded o con una semplice invecchiamento post-temperatura (ad esempio, 35 °C16 / 18 ° F16 ore).
  • Leghe di Nichel[[[]: Le temperature di PWHT variano ampiamente. Il sollievo di stress è comune intorno ai 1600-1900°F (870-1040°C) a seconda della lega. Le aziende allungate possono causare la crescita del grano o la precipitazione del carburo, quindi è necessario un controllo preciso.

Metodi PWHT

Come preriscaldamento, la scelta del metodo PWHT dipende dalla dimensione e dall'accessibilità delle parti:

  • Trattamento termico completo[[]: Il metodo più comune per le saldature di produzione.
  • Trattamento termico locale o zona[[]]: Utilizzato per grandi componenti che non possono adattarsi a un forno. I riscaldatori a banda, le bobine di induzione o i riscaldatori in ceramica sono posizionati intorno al giunto di saldatura.
  • Induzione Riscaldamento[[]]: Fornisce un riscaldamento rapido e localizzato ed è spesso utilizzato per PWHT di saldature a trazione tubi.
  • Riscaldamento[[]]: elementi di resistenza elettrica sono bloccati alla parte. Sono efficaci per superfici piane e geometrie complesse.

Il raffreddamento rapido può reintrodurre tensioni residue o causare distorsioni, mentre il raffreddamento troppo lento può consentire precipitazioni indesiderate. La maggior parte dei codici specifica una velocità di raffreddamento massima, spesso 500°F all'ora (280°C/h) per la prima caduta di temperatura 600°F (315°C).

Codice e requisiti standard

Preriscaldamento e PWHT non sono lasciati alla discrezione del saldatore da solo; sono incaricati da vari codici e standard del settore.

  • ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Sezione VIII[[]: Fornisce requisiti PWHT per i vasi di pressione, compresi i tempi di attesa obbligatori e le intervalli di temperatura per diversi materiali e spessori.
  • ASME B31.1 e B31.3]: Codici di tubazioni che specificano il preriscaldamento e il PWHT per la tubazione di potenza e processo, rispettivamente, che includono tabelle basate su gruppo materiale e spessore nominale della parete.
  • AWS D1.1/D1.1M[[[]]: codice di saldatura strutturale per l'acciaio. Richiede preriscaldamento basato su CE e spessore metalli base e PWHT per alcune applicazioni notch-toughness o fratture-critical.
  • API 1104[[]]: Utilizzato per la saldatura delle tubazioni. Contiene requisiti preriscaldamento e PWHT per le tubazioni di fondo, comprese le temperature minime di interpass.
  • ISO 15614[[]: Qualificazione delle procedure di saldatura. Specifica che i range preriscaldamento e PWHT devono essere documentati e qualificati.

I codici spesso consentono esenzioni per sezioni sottili o materiali a basso tenore di carbonio, ma quando necessario, i parametri devono essere rigorosamente rispettati e registrati nella specifica di procedura di saldatura (WPS).

Conseguenze del trattamento termico improprio

Il mancato adempimento di un preriscaldamento o di un PWHT può avere gravi conseguenze, che vanno dai difetti di saldatura immediati ai guasti di servizio a lungo termine.

Defetti immediatamente

  • Cold Cracking (Hydrogen-Induced Cracking): Molto comune in acciai ad alta resistenza. Le crepe formano ore o giorni dopo la saldatura, spesso in HAZ o metallo saldato.
  • Crecatura calda[[]: Occurs durante la solidificazione a causa di film ad alto livello di resistenza e basso punto di fusione. Preriscaldamento può esacerbare lacrimatura calda in alcuni materiali (ad esempio, acciai inossidabili completamente austenitici) se non accuratamente controllati.
  • Fusione incompleta[[]: Nei materiali con elevata conducibilità termica ( rame, alluminio), la mancanza di preriscaldamento può causare la raffreddamento troppo rapida della vasca di saldatura, impedendo la corretta fusione al metallo di base.

Fallimenti di servizio a lungo termine

  • Stress-Corrosion Cracking (SCC): Le tensioni residenziali lasciate nella saldatura forniscono una forza di guida per SCC in ambienti aggressivi.
  • Fatigue Fall[[]: Le tensioni residenziali aggiungono ai carichi di servizio, riducendo la durata della fatica.
  • Frattura del birillo[[]: Nei materiali che rimangono rigidi e fragili dopo la saldatura, il carico di impatto o basse temperature possono causare una frattura catastrofica senza una significativa deformazione plastica.
  • Sensibilità e corrosione intergranular[[]: Se PWHT di acciaio inossidabile austenitico viene eseguito nella gamma di sensibilizzazione (800–1500°F/425–815°C) senza una corretta ricottura della soluzione, la saldatura può diventare suscettibile alla corrosione.

Gli studi di casi nelle industrie di produzione di energia e di petrolio e gas hanno ripetutamente dimostrato che il trattamento termico inadeguato è una causa principale di riparazioni costose, arresti e anche incidenti di sicurezza. Per riferimento, una revisione approfondita dei guasti di cracking dell'idrogeno è fornita dalla American Welding Society nella loro linea guida AWS D1.1] e ]

Attuazione pratica e migliori pratiche

Sviluppo del WPS

Ogni procedura di saldatura deve specificare l'intervallo di temperatura preriscaldamento e interpass, il metodo di riscaldamento, i parametri PWHT (temperatura, tempo di attesa, riscaldamento/raffreddamento), e la tecnica di misurazione della temperatura. Il WPS deve essere qualificato tramite i buoni di prova di saldatura e sottoponendoli a test meccanici, comprese le indagini di durezza e le prove di piega, per verificare che il regime di trattamento termico produce proprietà accettabili.

Monitoraggio e documentazione

  • Registrazione di temperatura[[]]: Utilizzare strumenti calibrati. I registratori di grafici o i registratori di dati continue sono preferiti sui controlli manuali delle macchie per saldature critiche.
  • Il posizionamento del termocouple[[]: Attaccare i termocoppie direttamente alla superficie metallica vicino al giunto di saldatura.Per PWHT, possono essere necessari più termocoppie per verificare l'uniformità della temperatura.
  • Calcolo del tempo vecchio[[]: Nei codici, il tempo di attesa è tipicamente basato sullo spessore nominale della parte più spessa al giunto di saldatura.
  • Controllo di riscaldamento e raffreddamento[[[]]: evitare cambiamenti di temperatura improvvisi. Preriscaldare e PWHT deve essere applicato e rimosso gradualmente per evitare shock termico.

Considerazioni di sicurezza

Le aree di lavoro devono essere prive di materiali infiammabili e i lavoratori devono indossare una protezione termica adeguata. Per il trattamento termico locale, assicurarsi che le superfici adiacenti siano protette e che la struttura possa tollerare l'espansione termica. Quando si utilizza il riscaldamento a induzione, l'apparecchiatura deve essere messa a terra e protetta correttamente per evitare interferenze elettromagnetiche.

Inoltre, PWHT di materiali con alto contenuto di carbonio o alto contenuto di lega può richiedere atmosfere protettive (ad esempio, gas inerte o forno a vuoto) per prevenire l'ossidazione e la decarburazione.Per applicazioni aerospaziale o nucleare critiche, ispezioni post-trattamento come test di particelle magnetiche o test ultrasonici sono spesso specificati per verificare che nessuna crepe o difetti sviluppati durante il trattamento termico.

Esempi di casi specifici

GTAW di acciaio per tubi di pressione ad alta resistenza (HSLA)

L'applicazione comune è la saldatura di acciaio HSLA (ad esempio, ASTM A516 Grade 70) per i vasi di pressione. Senza preriscaldamento, il tasso di raffreddamento HAZ è così alto che le forme di martensite, che producono i valori di durezza superiore a 350 HV. Combinato con umidità, la rottura dell'idrogeno è quasi certa.

GTAW di 304 tubi in acciaio inossidabile per il servizio chimico

Per la tubazione dell'acciaio inossidabile 304 in ambienti corrosivi, la preoccupazione principale è la sensibilizzazione che porta ad attacco intergrano. Normalmente, nessun preriscaldamento è usato perché può rallentare il raffreddamento e promuovere la precipitazione del carburo. Tuttavia, per il tubo pesante (oltre 0,5 pollici), un leggero preriscaldamento di 200°F (93°C) può essere applicato per evitare la rottura da saldatura ad alto tenore di carbonio, ma solo se il metallo saldato è stabilizzato è stabilizzato.

Conclusioni

Preriscaldamento e trattamento termico post-saldato non sono semplici passi procedurali; sono controlli di ingegneria fondamentali che determinano se un giunto GTAW si esibisce in modo affidabile in condizioni di servizio. Gestire il ciclo termico, questi processi impediscono la formazione di piccole microstrutture, ridurre le tensioni residue e mitigare i danni all'idrogeno. I benefici si estendono attraverso l'intero ciclo di vita della saldatura, da una migliore qualità saldata a una maggiore resistenza alla corrosione affatica, e alla corrosione e al guasto.

[LT] I produttori di prodotti di qualità e di prodotti di qualità [LT] sono in grado di fornire un'assistenza tecnica e di fornire un'assistenza tecnica per la produzione di prodotti di qualità.