Preriscaldamento e trattamenti termici post-saldatura

Cosa deve sapere l'ispettore delle saldature sul preriscaldamento e sul trattamento termico post-saldatura

Quando si saldano alcuni materiali di base e per alcune condizioni di servizio, potrebbe essere necessario effettuare un preriscaldamento e/o un trattamento termico post-saldatura. Questi tipi di trattamenti termici sono necessari per garantire un'adeguata integrità della saldatura e in genere prevengono o eliminano caratteristiche indesiderabili nella saldatura completata. Qualsiasi forma di trattamento termico è costosa poiché richiede tempo, gestione e apparecchiature supplementari. Per questi motivi, il trattamento termico dovrebbe essere effettuato solo dopo un'attenta valutazione dei vantaggi che può offrire. In alcuni casi il trattamento termico sarà obbligatorio, ad esempio con i profilati pesanti di acciai basso legati, mentre in altri casi sarà una giustificata precauzione contro il danneggiamento precoce in fase di servizio.

Sono diversi i motivi per cui questi trattamenti termici vengono integrati nella procedura di saldatura. Illustreremo alcuni dei motivi più comuni.

Preriscaldamento

Il preriscaldamento, come definito negli Standard Welding Terms and Definitions (Termini e definizioni standard di saldatura) dell'AWS, è "il calore applicato al metallo di base o al substrato per raggiungere e mantenere la temperatura di preriscaldamento". La temperatura di preriscaldamento è definita nello stesso documento come "la temperatura del metallo di base nel volume che circonda il punto di saldatura immediatamente prima dell'inizio della saldatura. In una saldatura multistrato, è anche la temperatura immediatamente prima dell'inizio del secondo passaggio e di quelli successivi" (temperatura tra passaggi).

Come eseguire il preriscaldamento

Il preriscaldamento può essere eseguito utilizzando bruciatori a gas, fiamme ossi-gas, coperte elettriche, riscaldamento a induzione o riscaldamento in un forno. Per risultati superiori, è essenziale che il riscaldamento intorno all'area del giunto sia uniforme. Il riscaldamento intenso e non uniforme è di scarsa utilità nel ritardare il raffreddamento e può essere dannoso perché potrebbe causare sollecitazioni residue maggiori, distorsioni o cambiamenti metallurgici indesiderabili nel materiale di base.

Quando il preriscaldamento viene specificato, è necessario riscaldare l'intero giunto di saldatura in modo uniforme attraverso lo spessore del metallo fino alla temperatura minima desiderata. Per ottenere una temperatura uniforme attraverso lo spessore del metallo, è preferibile applicare le fonti di riscaldamento su un lato della superficie del materiale e misurare la temperatura del materiale sul lato opposto.

Ogni volta che è necessario effettuare il riscaldamento e la misurazione della temperatura dalla stessa superficie, l'ispettore deve assicurarsi che non sia stata riscaldata solo la superficie del materiale. È importante assicurarsi che l'intero spessore del metallo sia stato riscaldato a una temperatura uniforme.

Oltre a stabilire una temperatura di preriscaldamento, per alcune applicazioni potrebbe essere necessario considerare una limitazione della temperatura tra passaggi. Queste informazioni devono essere indicate nelle specifiche della procedura di saldatura. Quando viene specificata una temperatura tra passaggi, è necessario ispezionare l'area di saldatura prima di depositare il cordone di saldatura successivo. Se la temperatura misurata supera la temperatura massima tra passaggi specificata nella procedura di saldatura, è necessario interrompere il processo di saldatura. Prima di proseguire, la saldatura deve essere lasciata raffreddare fino al limite superiore specificato per la temperatura tra passaggi.

A seconda delle proprietà metallurgiche del materiale e/o delle proprietà meccaniche desiderate del componente saldato, è opportuno valutare la temperatura di preriscaldamento e quella tra passaggi per diversi motivi. Ad esempio, una procedura per la saldatura di acciaio dolce, che ha un basso contenuto di carbonio, una temprabilità relativamente bassa e viene utilizzato in un'applicazione senza requisiti di servizio speciali, può prevedere una temperatura minima di preriscaldamento e tra passaggi in base allo spessore del metallo.

In genere, le procedure di saldatura utilizzate per gli acciai bassolegati trattabili termicamente e per gli acciai al cromo-molibdeno con requisiti di resistenza agli impatti specificheranno un requisito minimo e massimo per le temperature di preriscaldamento e tra passaggi. Questi materiali bassolegati possono avere un'elevata temprabilità e sono soggetti alla fessurazione causata dall'idrogeno. Consentire a questi materiali di raffreddarsi troppo rapidamente o surriscaldarli può influire notevolmente sui loro requisiti prestazionali. Quando si saldano le leghe di nichel, è fondamentale evitare un elevato apporto di calore durante l'operazione di saldatura. L'apporto di calore del processo di saldatura e le temperature di preriscaldamento e tra passaggi possono influire notevolmente su questi materiali. Un elevato apporto di calore può provocare un'eccessiva liquefazione strutturale, precipitazioni dei carburi e altri fenomeni metallurgici dannosi. Questi cambiamenti metallurgici possono favorire la fessurazione o perdita di resistenza alla corrosione. Le procedure per la saldatura di alcune leghe di alluminio come le serie 2xxx, 6xxx e 7xxx trattabili termicamente indicano spesso la riduzione complessiva dell'apporto termico. Con questi materiali, la temperatura massima di preriscaldamento e di quella tra passaggi viene controllata per ridurre al minimo l'effetto della ricottura e dell'eccessiva usura sulla zona termicamente alterata (ZTA) e la conseguente perdita di resistenza alla trazione.

Nelle applicazioni critiche, la temperatura di preriscaldamento deve essere controllata con precisione. In queste situazioni, vengono utilizzati sistemi di riscaldamento controllabili e vengono collegate termocoppie per monitorare la parte riscaldata. Queste termocoppie forniscono un segnale all'unità di controllo che può regolare l'alimentazione necessaria per il riscaldamento. Utilizzando questo tipo di apparecchiatura, la parte riscaldata può essere controllata con tolleranze estremamente ridotte.

Perché il preriscaldamento è necessario

Di seguito sono illustrati alcuni dei motivi principali per cui è necessario eseguire il preriscaldamento.

a) Per allontanare l'umidità dall'area di saldatura: in genere, tale operazione viene eseguita riscaldando la superficie del materiale a una temperatura relativamente bassa, appena al di sopra del punto di ebollizione dell'acqua. Questo procedimento asciugherà la superficie della lamiera e rimuoverà i contaminanti indesiderati che potrebbero altrimenti causare porosità, infragilimento da idrogeno o fessurazione mediante l'immissione di idrogeno durante il processo di saldatura.

b) Per abbassare il gradiente termico: tutti i processi di saldatura ad arco utilizzano una fonte di calore ad alta temperatura. Si verifica una forte differenza di temperatura tra la fonte di calore localizzata e il materiale di base freddo da saldare. Questa differenza di temperatura provoca contrazione ed espansione termica differenziale e sollecitazioni elevate intorno all'area saldata. La riduzione della differenza di temperatura mediante il preriscaldamento del materiale di base ridurrà al minimo i problemi associati alla distorsione e alle sollecitazioni residue eccessive. Se il preriscaldamento non viene eseguito, può verificarsi una notevole differenza di temperatura tra l'area di saldatura e il materiale di base. Ciò può causare un rapido raffreddamento, con conseguente formazione di martensite e probabile fessurazione durante la saldatura di alcuni materiali a elevata temprabilità.

Trattamento termico post-saldatura

Tipi diversi di trattamenti termici post-saldatura vengono utilizzati per vari motivi e materiali differenti.

a) Riduzione delle sollecitazioni: il trattamento termico post-saldatura è generalmente utilizzato per la riduzione delle sollecitazioni. Lo scopo della riduzione delle sollecitazione è rimuovere eventuali sollecitazioni interne o residue derivate dall'operazione di saldatura. La riduzione delle sollecitazioni dopo la saldatura può essere necessaria per diminuire il rischio di frattura da infragilimento, evitare la conseguente distorsione durante la lavorazione o eliminare il rischio di tensocorrosione.

b) Ottenere una struttura metallurgica adeguata: per ottenere una struttura metallurgica adeguata in alcuni acciai legati, può essere necessario un trattamento termico di tempra. Questo trattamento viene eseguito dopo che la saldatura si è raffreddata ma, in determinate circostanze, potrebbe essere necessario eseguire questo trattamento prima che si sia raffreddata per evitare fessurazioni.

c) Normalizzazione post-saldatura: le strutture di saldatura in acciaio estremamente grossolane, come quelle ottenute con il processo di saldatura a elettroscoria, possono richiedere una normalizzazione post-saldatura. Questo trattamento raffinerà la struttura grossolana, ridurrà le sollecitazioni post-saldatura e rimuoverà le eventuali parti dure nella zona termicamente alterata.

d) Ottenere nuovamente le proprietà originali: a volte, le leghe a indurimento per precipitazione, come le leghe di alluminio trattabili termicamente, devono essere sottoposte a un trattamento termico post-saldatura per ottenere nuovamente le loro proprietà originali. In alcuni casi, viene utilizzato solo un trattamento di invecchiamento, sebbene un trattamento termico a soluzione completa e un trattamento di invecchiamento artificiale forniscano un migliore recupero delle proprietà dopo la saldatura.

Quando le operazioni di saldatura prevedono il preriscaldamento e/o il trattamento termico post-saldatura, è importante che l'ispettore delle saldature comprenda questi requisiti per garantire che le operazioni siano condotte correttamente e in base alle specifiche della procedura di saldatura e/o ai requisiti dei codici pertinenti.