Devido à entrada irregular de calor durante a soldagem, o campo de temperatura interna, o campo de tensão e a microestrutura do componente sofrem mudanças rápidas, o que pode facilmente levar a deformações elástico-plásticas irregulares. Portanto, as peças processadas com tecnologia de soldagem são mais afetadas pela tensão residual em comparação com outros métodos de processamento.

01.Tipos de tensão de soldagem

A tensão presente em estruturas soldadas pode ser dividida aproximadamente em duas categorias com base em suas causas e propriedades

Estresse térmico:O estresse causado pelo aquecimento e resfriamento desiguais durante o processo de soldagem. É a tensão instantânea que muda durante o processo de soldagem.

Tensão de transição de fase:A tensão causada pela transformação desigual do tecido na área da junta durante o processo de soldagem é frequentemente gerada quando o equivalente de carbono é alto ou o processo é inadequado.

Estresse restrito:Tensões causadas pela própria estrutura ou restrições externas durante o processo de soldagem.

Estresse induzido por hidrogênio:Tensão local na área da junta soldada causada pelo acúmulo de hidrogênio por difusão em microdefeitos após a soldagem. Quando o teor de hidrogênio é alto, é fácil de produzir.

Tensão residual de soldagem

A tensão que existe dentro da estrutura após a soldagem, às vezes chamada de tensão residual de soldagem, é uma tensão interna de autoequilíbrio em qualquer seção transversal da estrutura.

A magnitude e distribuição de várias tensões de soldagem estão relacionadas às características do material de soldagem e do aço (como resistência e coeficiente de expansão), método do processo de soldagem, entrada de calor, parâmetros do processo, sequência de montagem de soldagem e método de operação, bem como a estrutura próprios ou restrições externas, condições ambientais de soldagem, etc. Eles geralmente aparecem em combinação e sobreposição.

02 Riscos de estresse de soldagem

Causando rachaduras de soldagem

Sob a interação de temperatura, organização e restrição de rigidez estrutural, quando a tensão de soldagem atinge um determinado valor, ela se tornará a principal causa de diversas trincas a quente, trincas a frio, etc., afetando a qualidade da estrutura, causando perigo potencial, e levando ao reparo ou sucateamento das peças soldadas.

Reduzir a capacidade de carga da estrutura

(1) A sobreposição de tensões residuais em componentes soldados e tensões de trabalho aumenta o nível de tensão que o componente pode suportar, mas na realidade reduz a capacidade de carga da estrutura ou diminui a margem de segurança de resistência da estrutura.

(2) Quando o nível de tensão ultrapassa o limite de escoamento do material, causará deformação plástica por tração na área da junta, consumindo uma parte da plasticidade do material.

(3) Na área de soldagem de estruturas de paredes espessas, soldas tridimensionais que se cruzam ou defeitos nas soldas podem causar tensão de tração triaxial, reduzir a capacidade dos materiais de sofrer deformação plástica e podem se tornar o ponto de origem da fratura frágil de baixa tensão.

(4) Sob cargas de fadiga de baixo ciclo, tensões residuais de tração mais elevadas podem causar um certo grau de deformação em estruturas que têm sido utilizadas há muito tempo.

Causando corrosão sob tensão

A presença de tensão de tração residual causa fissuração por corrosão sob tensão na estrutura da peça em meio corrosivo, levando à corrosão sob tensão e fratura frágil de baixa tensão.

Afeta a estabilidade das dimensões estruturais

Especialmente para estruturas que precisam ser processadas após a soldagem, o equilíbrio das tensões internas será perturbado após o processamento, causando deformação estrutural ou dimensões de processamento instáveis.

03 Fatores que afetam o estresse de soldagem

A influência da forma estrutural

(1) Encaixe do tablet. A distribuição das tensões residuais na soldagem longitudinal e transversal é mostrada na Figura 1.

(2) Costura circunferencial do cilindro do vaso de pressão. A magnitude e distribuição das tensões residuais na soldagem longitudinal estão relacionadas ao diâmetro do cilindro, à espessura da parede do cilindro e à largura da zona de deformação plástica compressiva (conforme mostrado na Figura 2), e aumentam com o aumento do diâmetro do cilindro, diminuindo com a expansão da zona de deformação plástica.

Figura 1 Distribuição de tensões residuais na junta de topo de uma placa plana

Figura 2 Distribuição da tensão residual na soldagem longitudinal de costura circunferencial cilíndrica

O impacto de restrições rígidas

(1) Encaixe do tablet. Duas placas de aço são rigidamente restringidas na direção transversal antes da soldagem e não há impacto significativo na tensão longitudinal após a soldagem. Os dois lados transversais têm uma única tensão de tração (conforme mostrado na Figura 3). Placas estreitas resultam em alta tensão de restrição, enquanto placas largas resultam em tensão de restrição reduzida. Para soldas longas, a tensão na primeira extremidade da soldagem é relativamente pequena. Após a remoção da restrição externa, a tensão de restrição é eliminada e a tensão residual será redistribuída.

(2) A costura de solda fechada da conexão do bloco embutido. Existem encaixes ou inserções de tubos na estrutura do invólucro, que proporcionam fortes restrições rígidas. Quanto maior a rigidez, maior o estresse interno. A tensão longitudinal (isto é, tensão tangencial σ t) no bloco embutido (como mostrado na Figura 4) é a tensão de tração próxima à costura de solda, que pode atingir até σ s; A tensão lateral (ou seja, a tensão radial σ r) também é uma tensão de tração próxima à costura de solda. No centro do embutimento, onde σ t=σ r, existe um campo de tensões bidirecional. Quanto menor for o diâmetro do embutimento, maior será o valor da tensão bidirecional. A tensão da solda de controle está relacionada à forma da junta, e a tensão do tipo de sede externa é menor; O tipo plug-in possui alta rigidez e alta tensão.

Figura 3: O efeito das restrições rígidas na tensão de soldagem

Figura 4 Tensão de soldagem na solda fechada do bloco de inserção de disco

A influência da espessura da placa e da forma da ranhura

A distribuição da tensão residual varia com a espessura da placa, e a tensão transversal σ y perpendicular ao eixo da solda não pode ser ignorada. Os valores medidos de tensão residual na soldagem por arco submerso multicamadas de chapa ultra grossa 2,25Cr-1Mo. Vale ressaltar que a tensão residual próxima à superfície atinge seu pico, sendo esta tensão bidirecional ou triaxial um importante motivo para a ocorrência de trincas transversais neste tipo de solda de aço. Se a ranhura em forma de V for alterada para uma ranhura em forma de V duplo, será gerada tensão de compressão na raiz da ranhura em forma de V duplo, o que é benéfico para evitar trincas de soldagem, conforme mostrado na Figura 6. a) Peça de teste ; b) placa com 55 mm de espessura: c) placa com 100 mm de espessura

Figura 6 Distribuição de tensões residuais durante soldagem simétrica de canal duplo em forma de V

A influência dos parâmetros do processo de soldagem

Com o aumento da entrada de calor de soldagem, a largura de aquecimento e a tensão residual aumentam, e a largura da tensão residual de tração também aumenta.

Influência da direção de soldagem

A tensão residual lateral é a síntese de tensão induzida pela retração longitudinal e transversal da costura de solda e sua zona de deformação plástica adjacente. Seu tamanho e distribuição estão relacionados ao comprimento da placa e à direção da soldagem. Ao soldar do centro para ambas as extremidades, o centro é a tensão de compressão; Ao soldar de ambas as extremidades para o centro, há tensão de compressão em ambas as extremidades, conforme mostrado na Figura 7. a) Soldagem do centro para ambas as extremidades; b) Solde ambas as extremidades em direção ao centro

Figura 7: A influência da direção da soldagem na distribuição da tensão residual lateral

O impacto da transição de fase

Ao soldar aço de alta resistência com alto equivalente de carbono, a ZTA e a microestrutura da solda sofrerão uma transformação de austenita em martensita, resultando em aumento do volume específico. Nesta temperatura de transição, o material recuperou a sua elasticidade, resultando em tensão de transição de fase. É sobreposto à tensão de soldagem causada por deformação plástica irregular, que pode ser tensão de compressão na zona de transição de fase, e a expansão de volume (triaxial) também pode causar tensão de transição de fase de tração transversal significativa em certas áreas, que é um dos principais fatores que levam à fissuração a frio.

04 Métodos para prevenir e reduzir o estresse de soldagem

Adotando uma sequência e direção de soldagem razoáveis

O princípio básico é que ao soldar costuras em uma superfície plana, tanto a contração longitudinal quanto a transversal devem ser relativamente livres. A solda com maior encolhimento na estrutura deve ser soldada primeiro, como soldar primeiro a solda de topo e depois a solda de ângulo. Ao soldar soldas cruzadas, a sequência de soldagem deve garantir que os pontos de interseção não sejam propensos a defeitos e tenham baixa rigidez. Conforme mostrado na Figura 8, ABC é razoável e D não é razoável.

Figura 8 Sequência de soldagem de soldas cruzadas

Tente usar o menor aporte de calor de soldagem tanto quanto possível

Uma pequena entrada de calor de soldagem pode reduzir a gama de zonas de aquecimento irregulares e a quantidade de encolhimento da solda. Em operação, métodos de soldagem de alta energia, como hastes de soldagem de pequeno diâmetro, soldagem multicamadas e multipassagem, soldagem rápida sem oscilação de baixa corrente e fontes de calor de soldagem concentrada são usados ​​para controlar a temperatura intercalar para soldagem segmentada e soldagem reversa segmentada, para reduzir a entrada de calor.

Adotando pré-aquecimento geral

O pré-aquecimento geral pode reduzir a diferença de temperatura entre a área da junta de soldagem e a estrutura geral, a fim de reduzir a deformação plástica irregular causada pela expansão e contração irregulares no ciclo térmico de soldagem e reduzir o estresse de soldagem. Por exemplo, no método de soldagem a quente de ferro fundido, a peça fundida é aquecida a 600 ℃.

Martelo

Após a soldagem, martelar o cordão de solda de forma rápida e uniforme pode causar deformação plástica do metal de solda, o que pode reduzir a deformação e o estresse da soldagem. Geralmente, um martelo chato, longo e de cabeça redonda (que pode ser modificado com um cinzel, mas não com ponta pontiaguda) deve ser usado para golpear em sequência, com força moderada para afetar a faixa de 2 mm. O comprimento do cordão de solda e a temperatura de martelamento devem ser selecionados com base nas propriedades do material. Geralmente, o cordão de solda da raiz não deve ser martelado para evitar rachaduras, e o cordão de solda da tampa não deve ser martelado para evitar afetar a aparência.

Reduzir o impacto do hidrogénio

Especialmente para aços-liga de alta resistência com tendência à trinca a frio, deve-se prestar atenção à redução da influência do hidrogênio. Se forem usadas hastes de soldagem com baixo teor de hidrogênio e fluxos alcalinos, e secas e armazenadas em um cilindro de secagem de acordo com os regulamentos, elas podem ser retiradas conforme necessário para remover umidade, óleo, ferrugem, etc. da superfície da ranhura, controlar a temperatura do ambiente de soldagem, e se necessário, realizar tratamento de desidrogenação, ou seja, aquecer imediatamente até 250 ℃ por 2 a 3 horas ou 350 ℃ por 1 a 2 horas após a soldagem, dependendo da situação.

Tratamento de alívio do estresse

A eliminação da tensão residual da soldagem é obtida causando deformação plástica por tração perto da área de soldagem e reduzindo o grau de deformação plástica residual.
(1) Tratamento térmico para alívio de tensões (recozimento para alívio de tensões). Aqueça a estrutura soldada como um todo ou localmente a 20-30 ℃ abaixo do ponto de transição de fase do aço para isolamento, a fim de gerar a deformação plástica necessária para o alívio de tensões através da fluência durante o isolamento. Manter uma determinada temperatura por cerca de 1 hora pode efetivamente eliminar o estresse, e a maior parte do tempo necessário para o tratamento térmico de estruturas de paredes espessas é usado para aquecimento e resfriamento. Este método geralmente pode relaxar 70% a 90% da tensão residual. Ao mesmo tempo, também melhorou o material da maioria das áreas de soldagem de aço. Para materiais com fragilidade por revenimento ou tendência a trincas por reaquecimento, é importante escolher cuidadosamente a velocidade de aquecimento e a temperatura de isolamento.

(2) Método de carregamento. Utilizar princípios mecânicos para carregar e induzir deformação plástica na zona de tensão residual da junta soldada e relaxar a força de tração na zona da junta após a redução da carga. Este método só é aplicável a materiais plásticos com resistência ao escoamento relativamente baixa, e deve-se prestar atenção ao fato de a temperatura da água estar acima da temperatura de transição frágil do material. O método de martelar também deve seguir este princípio. Nos últimos anos, também foram desenvolvidos métodos de alívio de tensão de explosão e método de alívio de tensão de vibração.

(3) Método de alongamento por diferença de temperatura (ou método de alívio de tensão em baixa temperatura). Aqueça cada lado da costura de solda com uma tocha de oxiacetileno apropriada, borrife água com o tubo de drenagem a uma certa distância atrás (veja a Figura 9) e mantenha distância igual para criar um campo de temperatura com alta temperatura em ambos os lados (cerca de 200 ℃) e baixa temperatura na costura de solda (cerca de 100 ℃). Isso faz com que a expansão térmica em ambos os lados cause deformação plástica de tração da costura de solda, compensando a deformação plástica de contração original e relaxando a tensão residual. Este método não é um grande problema para o aço de baixo carbono, mas atenção especial deve ser dada à influência da temperatura no material do aço-liga.

Figura 9 Método de alongamento por diferença de temperatura