A causa dell'apporto termico non uniforme durante la saldatura, il campo di temperatura interna, il campo di sollecitazione e la microstruttura del componente subiscono rapidi cambiamenti, che possono facilmente portare a deformazioni elasto-plastiche disomogenee. Pertanto, i pezzi lavorati con la tecnologia di saldatura sono maggiormente colpiti dalle tensioni residue rispetto ad altri metodi di lavorazione.

01.Tipologie di sollecitazioni di saldatura

Le tensioni presenti nelle strutture saldate possono essere grossolanamente suddivise in due categorie in base alle loro cause e proprietà

Stress termico:Lo stress causato da riscaldamento e raffreddamento non uniformi durante il processo di saldatura. È lo stress istantaneo che cambia durante il processo di saldatura.

Stress da transizione di fase:Lo stress causato dalla trasformazione non uniforme dei tessuti nell'area del giunto durante il processo di saldatura viene spesso generato quando l'equivalente di carbonio è elevato o il processo non è corretto.

Stress vincolato:Sollecitazioni causate dalla struttura stessa o da vincoli esterni durante il processo di saldatura.

Stress indotto dall’idrogeno:Sollecitazione locale nell'area del giunto saldato causata dall'accumulo di idrogeno per diffusione in corrispondenza di microdifetti dopo la saldatura. Quando il contenuto di idrogeno è elevato, è facile da produrre.

Tensioni residue di saldatura

Lo stress che esiste all'interno della struttura dopo la saldatura, a volte indicato come stress residuo di saldatura, è uno stress interno autobilanciante in qualsiasi sezione trasversale all'interno della struttura.

L'entità e la distribuzione delle varie sollecitazioni di saldatura sono correlate alle caratteristiche del materiale di saldatura e dell'acciaio (come resistenza e coefficiente di espansione), metodo del processo di saldatura, apporto di calore, parametri di processo, sequenza del gruppo di saldatura e metodo operativo, nonché alla struttura stesso o vincoli esterni, condizioni ambientali di saldatura, ecc. Spesso appaiono in combinazione e sovrapposizione.

02 Pericoli derivanti dallo stress da saldatura

Causando cricche di saldatura

Sotto l'interazione di temperatura, organizzazione e vincolo di rigidità strutturale, quando lo stress di saldatura raggiunge un certo valore, diventerà la causa principale di varie cricche a caldo, cricche a freddo, ecc., influenzando la qualità della struttura, causando potenziale pericolo, e comportando la riparazione o la rottamazione delle parti saldate.

Ridurre la capacità portante della struttura

(1) La sovrapposizione delle tensioni residue nei componenti saldati e delle sollecitazioni di esercizio aumenta il livello di sollecitazione che il componente può sopportare, ma in realtà riduce la capacità portante della struttura o abbassa il margine di sicurezza della resistenza della struttura.

(2) Quando il livello di sollecitazione supera il limite di snervamento del materiale, si causerà una deformazione plastica a trazione nell'area del giunto, consumando una parte della plasticità del materiale.

(3) Nell'area di saldatura di strutture a pareti spesse, saldature intersecanti tridimensionali o difetti nelle saldature possono causare sollecitazione di trazione triassiale, ridurre la capacità dei materiali di subire deformazione plastica e possono diventare il punto di origine di fratture fragili a bassa sollecitazione.

(4) In presenza di carichi di fatica a basso numero di cicli, tensioni residue di trazione più elevate possono causare un certo grado di deformazione in strutture che sono state utilizzate per lungo tempo.

Causando tensocorrosione

La presenza di sollecitazione di trazione residua provoca fessurazioni da tensocorrosione nella struttura del pezzo in lavorazione in mezzi corrosivi, portando a tensocorrosione e frattura fragile a bassa sollecitazione.

Influisce sulla stabilità delle dimensioni strutturali

Soprattutto per le strutture che devono essere lavorate dopo la saldatura, l'equilibrio delle tensioni interne verrà interrotto dopo la lavorazione, causando deformazioni strutturali o dimensioni di lavorazione instabili.

03 Fattori che influenzano lo stress di saldatura

L'influenza della forma strutturale

(1) Alloggiamento per tablet. La distribuzione delle tensioni residue nella saldatura longitudinale e trasversale è mostrata nella Figura 1.

(2) Giunzione circonferenziale del cilindro del recipiente a pressione. L'entità e la distribuzione delle tensioni residue nella saldatura longitudinale sono correlate al diametro del cilindro, allo spessore della parete del cilindro e alla larghezza della zona di deformazione plastica compressiva (come mostrato nella Figura 2) e aumentano con l'aumento della diametro del cilindro, mentre diminuisce con l'espansione della zona di deformazione plastica.

Figura 1 Distribuzione delle tensioni residue nel giunto di testa di una piastra piana

Figura 2 Distribuzione delle tensioni residue nella saldatura longitudinale della giuntura circonferenziale cilindrica

L'impatto dei vincoli rigidi

(1) Alloggiamento per tablet. Due piastre di acciaio sono rigidamente vincolate nella direzione trasversale prima della saldatura e non vi è alcun impatto significativo sullo stress longitudinale dopo la saldatura. I due lati trasversali presentano un'unica sollecitazione di trazione (come mostrato in Figura 3). Le piastre strette determinano un'elevata sollecitazione di vincolo, mentre le piastre larghe determinano una sollecitazione di vincolo ridotta. Per le saldature lunghe, la sollecitazione sulla prima estremità della saldatura è relativamente piccola. Dopo aver rimosso il vincolo esterno, lo stress da vincolo viene eliminato e lo stress residuo verrà ridistribuito.

(2) Il cordone di saldatura chiuso della connessione del blocco incorporato. Nella struttura a guscio sono presenti raccordi o inserti per tubi che forniscono forti vincoli rigidi. Maggiore è la rigidità, maggiore è lo stress interno. La sollecitazione longitudinale (ovvero la sollecitazione tangenziale σ t) nel blocco incassato (come mostrato in Figura 4) è la sollecitazione di trazione vicino al cordone di saldatura, che può arrivare fino a σ s; Anche la sollecitazione laterale (ovvero la sollecitazione radiale σ r) è una sollecitazione di trazione in prossimità del cordone di saldatura. Al centro dell'intarsio, dove σ t=σ r, è presente un campo di tensioni bidirezionale. Minore è il diametro dell'intarsio, maggiore è il valore di sollecitazione bidirezionale. La sollecitazione della saldatura di acquisizione è correlata alla forma del giunto e la sollecitazione del tipo con sede esterna è inferiore; Il tipo plug-in ha elevata rigidità e sollecitazioni elevate.

Figura 3: L'effetto dei vincoli rigidi sullo stress di saldatura

Figura 4 Sollecitazione di saldatura nel cordone di saldatura chiuso del blocco dell'inserto del disco

L'influenza dello spessore della piastra e della forma della scanalatura

La distribuzione delle tensioni residue varia con lo spessore della piastra e la tensione trasversale σ y perpendicolare all'asse della saldatura non può essere ignorata. I valori misurati delle tensioni residue nella saldatura multistrato ad arco sommerso di lamiera ultra spessa 2.25Cr-1Mo. Vale la pena notare che la tensione residua vicino alla superficie raggiunge il suo picco e questa tensione bidirezionale o triassiale è una ragione importante per la comparsa di cricche trasversali in questo tipo di saldatura dell'acciaio. Se la scanalatura a V viene modificata in una scanalatura a doppia V, verrà generata una sollecitazione di compressione alla radice della doppia scanalatura a V, il che è utile per evitare cricche di saldatura, come mostrato nella Figura 6. a) Provino ; b) Piastra spessore 55 mm: c) Piastra spessore 100 mm

Figura 6 Distribuzione delle tensioni residue durante la saldatura simmetrica della doppia scanalatura a V

L'influenza dei parametri del processo di saldatura

Con l'aumento dell'apporto termico di saldatura, aumentano l'ampiezza del riscaldamento e la tensione residua e aumenta anche l'ampiezza della tensione residua di trazione.

Influenza della direzione di saldatura

La tensione residua laterale è la sintesi di tensione indotta dal ritiro longitudinale e trasversale del cordone di saldatura e della zona di deformazione plastica adiacente. Le sue dimensioni e distribuzione dipendono dalla lunghezza della lamiera e dalla direzione di saldatura. Quando si salda dal centro ad entrambe le estremità, il centro rappresenta la sollecitazione di compressione; Quando si salda da entrambe le estremità al centro, è presente una sollecitazione di compressione su entrambe le estremità, come mostrato nella Figura 7. a) Saldatura dal centro ad entrambe le estremità; b) Saldare entrambe le estremità verso il centro

Figura 7: Influenza della direzione di saldatura sulla distribuzione delle sollecitazioni residue laterali

L'impatto della transizione di fase

Quando si salda acciaio ad alta resistenza con elevato contenuto di carbonio equivalente, la ZTA e la microstruttura della saldatura subiranno una trasformazione da austenite a martensite, con conseguente aumento del volume specifico. A questa temperatura di transizione, il materiale ha riacquistato la sua elasticità, con conseguente stress da transizione di fase. Si sovrappone allo stress di saldatura causato da una deformazione plastica irregolare, che può essere uno stress di compressione nella zona di transizione di fase, e l'espansione del volume (triassiale) può anche causare uno stress di transizione di fase di trazione trasversale significativo in alcune aree, che è uno dei principali fattori che portano al cracking a freddo.

04 Metodi per prevenire e ridurre lo stress da saldatura

Adottare una sequenza e una direzione di saldatura ragionevoli

Il principio di base è che quando si saldano cuciture su una superficie piana, sia il ritiro longitudinale che quello trasversale dovrebbero essere relativamente liberi. La saldatura con il ritiro maggiore nella struttura deve essere saldata per prima, ad esempio saldando prima la saldatura di testa e poi la saldatura d'angolo. Quando si saldano saldature trasversali, la sequenza di saldatura dovrebbe garantire che i punti di intersezione non siano soggetti a difetti e abbiano una bassa rigidità. Come mostrato nella Figura 8, ABC è ragionevole e D è irragionevole.

Figura 8 Sequenza di saldatura delle saldature trasversali

Cercare di utilizzare il più possibile un apporto termico di saldatura ridotto

Un piccolo apporto di calore di saldatura può ridurre la gamma di zone di riscaldamento irregolari e la quantità di ritiro della saldatura. Durante il funzionamento, metodi di saldatura ad alta energia come bacchette per saldatura di piccolo diametro, saldatura multistrato e multipassaggio, saldatura veloce e non oscillante a bassa corrente e fonti di calore di saldatura concentrate vengono utilizzati per controllare la temperatura dell'interstrato per la saldatura segmentata e la saldatura inversa segmentata, al fine di ridurre l'apporto di calore.

Adozione del preriscaldamento generale

Il preriscaldamento complessivo può ridurre la differenza di temperatura tra l'area del giunto di saldatura e la struttura complessiva, al fine di ridurre la deformazione plastica irregolare causata dall'espansione e contrazione irregolare nel ciclo termico di saldatura e ridurre lo stress di saldatura. Ad esempio, nel metodo di saldatura a caldo della ghisa, la fusione viene riscaldata a 600 ℃.

Martello

Dopo la saldatura, martellare il cordone di saldatura in modo rapido e uniforme può causare la deformazione plastica del metallo di saldatura, che può ridurre la deformazione e lo stress della saldatura. In generale, per colpire in sequenza è necessario utilizzare un martello piatto, lungo e a testa tonda (che può essere modificato con uno scalpello, ma non con la punta appuntita), con una forza moderata per influenzare la portata di 2 mm. La lunghezza del cordone di saldatura e la temperatura di martellatura devono essere selezionate in base alle proprietà del materiale. In generale, il cordone di saldatura della radice non deve essere martellato per evitare fessurazioni e il cordone di saldatura della copertura non deve essere martellato per evitare di comprometterne l'aspetto.

Ridurre l'impatto dell'idrogeno

Soprattutto per gli acciai legati ad alta resistenza con tendenza alla fessurazione a freddo, è necessario prestare attenzione alla riduzione dell'influenza dell'idrogeno. Se si utilizzano bacchette per saldatura a basso contenuto di idrogeno e flussi alcalini, essiccati e conservati in un cilindro di asciugatura secondo le normative, è possibile utilizzarli secondo necessità per rimuovere umidità, olio, ruggine, ecc. dalla superficie della scanalatura, controllare la temperatura dell'ambiente di saldatura, e, se necessario, eseguire un trattamento di deidrogenazione, ovvero riscaldare immediatamente fino a 250 ℃ per 2-3 ore o 350 ℃ per 1-2 ore dopo la saldatura, a seconda della situazione.

Trattamento antistress

L'eliminazione dello stress residuo della saldatura si ottiene provocando una deformazione plastica a trazione vicino all'area di saldatura e riducendo il grado di deformazione plastica residua.
(1) Trattamento termico di distensione (ricottura di distensione). Riscaldare la struttura saldata nel suo insieme o localmente a 20-30 ℃ sotto il punto di transizione di fase dell'acciaio per l'isolamento, per generare la deformazione plastica necessaria per la distensione attraverso lo scorrimento viscoso durante l'isolamento. Il mantenimento di una determinata temperatura per circa 1 ora può eliminare efficacemente lo stress e la maggior parte del tempo necessario per il trattamento termico delle strutture a pareti spesse viene utilizzato per il riscaldamento e il raffreddamento. Questo metodo generalmente può rilassare dal 70% al 90% dello stress residuo. Allo stesso tempo, ha anche migliorato il materiale della maggior parte delle aree di saldatura dell'acciaio. Per i materiali con fragilità di rinvenimento o tendenza alla rottura da surriscaldamento, è importante scegliere con attenzione la velocità di riscaldamento e la temperatura di isolamento.

(2) Metodo di caricamento. Utilizzando principi meccanici per caricare e indurre deformazione plastica nella zona di tensione residua del giunto saldato e rilassando la forza di trazione nella zona del giunto dopo la riduzione del carico. Questo metodo è applicabile solo a materiali plastici con carico di snervamento relativamente basso e si dovrebbe prestare attenzione al fatto che la temperatura dell'acqua sia superiore alla temperatura di transizione fragile del materiale. Anche il metodo di martellatura dovrebbe seguire questo principio. Negli ultimi anni sono stati sviluppati anche il metodo di riduzione dello stress da esplosione e il metodo di riduzione dello stress da vibrazione.

(3) Metodo di allungamento con differenza di temperatura (o metodo di distensione a bassa temperatura). Riscaldare ciascun lato del cordone di saldatura con un cannello ossiacetilenico appropriato, spruzzare acqua con il tubo di drenaggio a una certa distanza dietro (vedere Figura 9) e mantenere la stessa distanza per creare un campo termico con temperatura elevata su entrambi i lati (circa 200 ℃) e bassa temperatura sul cordone di saldatura (circa 100 ℃). Ciò fa sì che l'espansione termica su entrambi i lati provochi una deformazione plastica a trazione del cordone di saldatura, compensando la deformazione plastica da ritiro originale e allentando lo stress residuo. Questo metodo non rappresenta un grosso problema per l'acciaio a basso tenore di carbonio, ma per gli acciai legati è necessario prestare particolare attenzione all'influenza della temperatura sul materiale.

Figura 9 Metodo di allungamento con differenza di temperatura