Tratamentos térmicos de pré-aquecimento e pós-solda

O que o inspetor de soldagem deve saber sobre pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda

Ao soldar alguns materiais base e, em algumas condições de serviço, o pré-aquecimento e/ou o tratamento térmico pós-solda pode ser uma exigência. Esses tipos de tratamentos térmicos são necessários para garantir a integridade adequada da solda e normalmente vão evitar ou remover características indesejáveis na solda concluída. Qualquer forma de tratamento térmico é cara, pois exige equipamento extra, mais tempo e manuseio adicional. Por essas razões, o tratamento térmico só deverá ser realizado depois de uma análise cuidadosa das vantagens que ele pode oferecer. Em certos casos, o tratamento térmico será obrigatório, como acontece com seções pesadas de aços de baixa liga, e em outros casos será uma precaução justificável contra falhas precoces no serviço.

Existem várias razões para a incorporação desses tratamentos térmicos dentro do procedimento de soldagem. Vamos considerar algumas das mais comuns.

Pré-aquecimento

Pré-aquecimento, conforme definido nos Termos e definições de soldagem padrão AWS, é "o calor aplicado ao metal base ou substrato para atingir e manter a temperatura de pré-aquecimento". A temperatura de pré-aquecimento é definida pelo mesmo documento como "a temperatura do metal base no volume que circunda o ponto de soldagem pouco antes do início da soldagem. Em uma solda de várias passadas, é também a temperatura pouco antes da segunda e das passadas subsequentes serem iniciadas" (temperatura entre passadas).

Como realizar o pré-aquecimento

O pré-aquecimento pode ser realizado usando-se queimadores a gás, chamas de oxigás, mantas elétricas, aquecimento por indução ou aquecimento em um forno. Para resultados superiores, é essencial que o aquecimento seja uniforme ao redor da área da junta. O aquecimento intenso e não uniforme é de pouca utilidade para retardar o resfriamento e pode ser prejudicial ao causar tensões residuais mais altas, distorção ou alterações metalúrgicas indesejáveis no material base.

Quando o pré-aquecimento é especificado, toda a junta de solda deve ser aquecida uniformemente através da espessura do material até a temperatura mínima desejada. Para obter uma temperatura uniforme através da espessura do material, é desejável aplicar as fontes de aquecimento em um lado da superfície do material e medir a temperatura do material no lado oposto.

Sempre que o aquecimento e a medição da temperatura precisarem ser realizados pela mesma superfície, o inspetor deverá garantir que mais do que apenas a superfície do material tenha sido aquecida. É importante garantir que toda a espessura do material tenha sido aquecida a uma temperatura uniforme.

Além de estabelecer uma temperatura de pré-aquecimento, talvez seja necessário considerar uma limitação de temperatura entre passadas para algumas aplicações. Essa informação deve ser mostrada na especificação do procedimento de soldagem. Quando uma temperatura entre passadas é especificada, a área de solda deve ser inspecionada antes do depósito do próximo cordão de solda. A soldagem talvez não continue caso a temperatura medida exceda as condições máximas entre passadas especificadas no procedimento de soldagem. É preciso esperar a soldagem esfriar até o limite máximo especificado da temperatura entre passadas antes de continuar a solda.

Dependendo das propriedades metalúrgicas do material e/ou das propriedades mecânicas desejadas do componente soldado, o pré-aquecimento e a temperatura entre passadas podem ser avaliados por diversos motivos. Por exemplo, um procedimento para soldagem de aço doce, que possui baixo teor de carbono, temperabilidade relativamente baixa e é usado em uma aplicação sem exigências de serviço especiais, pode considerar um pré-aquecimento mínimo e uma temperatura entre passadas com base na espessura do material.

Os procedimentos de soldagem usados nos aços de baixa liga tratáveis termicamente e aços de cromo-molibdênio com exigências de impacto normalmente especificarão uma exigência mínima e uma máxima para temperaturas de pré-aquecimento e entre passadas. Esses materiais de baixa liga podem ter alta temperabilidade e são suscetíveis a rachaduras de hidrogênio. Permitir que esses materiais esfriem muito rapidamente ou superaquecê-los pode afetar seriamente suas exigências de desempenho. Ao soldar as ligas de níquel, estamos preocupados principalmente com a alta entrada de calor durante a operação de soldagem. A entrada de calor do processo de soldagem e a temperatura de pré-aquecimento e entre passadas podem afetar seriamente esses materiais. A alta entrada de calor pode resultar em liquação constitucional excessiva, precipitação de carbonetos e outros fenômenos metalúrgicos perigosos. Essas alterações metalúrgicas podem promover rachaduras ou perda de resistência à corrosão. Os procedimentos para soldar algumas ligas de alumínio, como as séries tratáveis termicamente, 2xxx, 6xxx e 7xxx, geralmente se preocupam com a redução geral da entrada de calor. Com esses materiais, a temperatura máxima de pré-aquecimento e entre passadas é controlada para minimizar sua influência de recozimento e envelhecimento excessivo na HAZ (Heat-Affected Zone, Zona afetada pelo calor) e consequente perda de resistência à tração.

Em aplicações críticas, a temperatura de pré-aquecimento deve ser controlada com precisão. Nessas situações, são utilizados sistemas de aquecimento controláveis e são acoplados termopares para monitorar a peça que está sendo aquecida. Esses termopares fornecem um sinal para a unidade de controle que pode regular a fonte de alimentação necessária para o aquecimento. Usando-se esse tipo de equipamento, a peça que está sendo aquecida pode ser controlada com tolerâncias extremamente mínimas.

Por que o pré-aquecimento é necessário?

Algumas das principais razões para o pré-aquecimento são:

a) Afastar a umidade da área de solda: normalmente, isso é realizado aquecendo-se a superfície do material a uma temperatura relativamente baixa, pouco acima do ponto de ebulição da água. Isso vai secar a superfície da placa e remover os contaminantes indesejáveis que podem causar porosidade, fragilização por hidrogênio ou rachaduras devido à introdução de hidrogênio durante o processo de soldagem.

b) Diminuir o gradiente térmico: todos os processos de soldagem a arco usam uma fonte de calor de alta temperatura. Um grande diferencial de temperatura ocorre entre a fonte de calor localizada e o material base frio que está sendo soldado. Essa diferença de temperatura causa expansão e contração térmicas diferenciais e altas tensões ao redor da área soldada. A redução do diferencial de temperatura pré-aquecendo o material base minimizará os problemas associados à distorção e à tensão residual excessiva. Se o pré-aquecimento não for realizado, poderá ocorrer um grande diferencial de temperatura entre a área de solda e o material base. Isso pode causar resfriamento rápido, levando à formação de martensita e prováveis rachaduras ao soldar alguns materiais com alta temperabilidade.

Tratamento térmico pós-solda

Diferentes tipos de tratamentos térmicos pós-solda são usados por motivos variados e materiais diferentes.

a) Alívio da tensão – O tratamento térmico pós-solda é geralmente usado no alívio da tensão. O objetivo do alívio de tensão é remover eventuais tensões internas ou residuais que possam estar presentes na operação de soldagem. O alívio de tensão após a soldagem pode ser necessário para reduzir o risco de fratura frágil, evitar distorções subsequentes na usinagem ou erradicar o risco de corrosão sob tensão.

b) Obtenção de estrutura metalúrgica adequada – Para alguns aços-liga, pode ser necessário um tratamento de têmpera térmica para obter uma estrutura metalúrgica adequada. Esse tratamento é realizado após o resfriamento da solda, mas, sob certas circunstâncias, pode ser necessário realizar esse tratamento antes do resfriamento para evitar rachaduras.

c) Normalização após a soldagem – Estruturas de solda extremamente grosseiras em aço, como as obtidas com o processo de soldagem por eletroescória, podem necessitar de normalização após a soldagem. Esse tratamento vai refinar a estrutura de grão grosso, reduzir as tensões após a soldagem e remover eventuais zonas duras na zona afetada pelo calor.

d) Recuperação de suas propriedades originais – As ligas de endurecimento por precipitação, como as ligas de alumínio tratáveis termicamente, às vezes são submetidas a um tratamento térmico pós-solda para recuperar suas propriedades originais. Em alguns casos, apenas um tratamento de envelhecimento é usado, embora um tratamento térmico de solução completa e um tratamento de envelhecimento artificial proporcionem uma melhor recuperação das propriedades após a soldagem.

Quando as operações de soldagem envolvem pré-aquecimento e/ou tratamento térmico pós-solda, é importante que o inspetor de soldagem entenda esses requisitos para garantir que eles estejam sendo conduzidos corretamente e de acordo com as especificações relevantes do procedimento de soldagem e/ou exigências de código.