PREÎNCĂLZIREA

Preîncălzirea constă în încălzirea piesei până la o temperatură superioară mediului ambiant, de regulă sub 300°C, avându-se în vedere că, odată cu creşterea temperaturii, condiţiile de lucru ale sudorului devin din ce în ce mai greu de suportat, mai ales la sudarea în incinte închise. În cazul fontelor, preîncălzirea poate depăşi chiar si 600°C.

1. EFECTELE PREÎNCĂLZIRII

a) Micşorarea vitezei de răcire sau a timpului de răcire t8/5 se bazează pe realizarea gradientului de temperatură din ZIT, respectiv motorul transmiterii căldurii de la cusătură la materialul de bază. Acest aspect este luat în considerare prin relaţii analitice pentru viteze de răcire sau timpi de răcire.

Un al doilea aspect, mai ales în domeniul temperaturilor de preîncălzire mari, este cel al scăderii nesemnificative a conductivităţii termice odată cu creşterea temperaturii. Pentru un acelaşi gradient de temperatură către materialul de bază se transmite în unitatea de timp o cantitate de căldură cu atât mai mică cu cât conductibilitatea termică este mai scăzută, deci cu cât temperatura este mai înaltă. De exemplu, ferita are o conductibilitate termică la 500°C egală cu jumătate din valoarea acesteia la 20°C, ceea ce înseamnă ca o fâşie preîncălzită în jurul băii de sudură se comportă ca o barieră termică.

Acest aspect nu este luat în considerare de relaţiile analitice ce modelează câmpul termic la sudare, astfel încât, in cazurile pretenţioase, se recomandă determinarea experimentală a vitezei de răcire care rezultă după aplicarea preîncălzirii. Efectul principal al influenţelor arătate privind scăderea vitezei de răcire este acela că se obţin în ZIT şi în cusăturile multistrat structuri mai apropiate de echilibru, favorabile din multe puncte de vedere, precum şi tensiuni proprii mai mici. În privinţa scăderii vitezei de răcire în jurul intervalului de cristalizare se crează condiţii favorabile pentru decantarea mai corectă a gazelor şi a incluziunilor, adică reducerea porozităţii şi a retasurii.

b) Mărirea timpului de menţinere în domeniul temperaturilor de supraîncălzire este un efect nefavorabil deoarece duce la creşterea granulaţiei austenitei, scăderea tenacităţii şi influenţează asupra gradului de dizolvare a anumitor precipitate (carburi, nitruri, carbo-nitruri), precum şi a omogenităţii austenitei.

c) O oarecare creştere a temperaturii de supraîncălzire a băii de metal lichid poate face ca baia să aibă, în cazul preîncălzirii, vâscozitate şi tensiune superficială mai mici, putând produce dificultăţi în cazul sudării în poziţie verticală, îngroşarea cordonului fiind mai puţin convexă sau concavă (ceea ce este favorabil din punct de vedere al concentrării tensiunilor mecanice).

d) O oarecare mărire a volumului băii de metal lichid poate duce la îngreunarea sudării de poziţie.

e) Scurtarea timpului de încălzire pentru atingerea unor anumite temperaturi este benefica din punct de vedere energetic si „pregăteşte” materialul pentru operaţia de sudare.

f) Extinderea zonei de influenţă termo-mecanică poate duce la obţinerea unor efecte nefavorabile pentru anumite fâşii din ZIT. Efectul poate fi considerat şi favorabil sub aspectul instaurării unei articulaţii plastice ce contribuie la egalizarea tensiunilor proprii.

g) Posibilitatea promovării unor procese de îmbătrânire datorate azotului reprezintă un aspect conex, care trebuie luat in considerare mai ales in cazul pieselor deformate plastic la rece.

2. MODIFICAREA STRUCTURII DIN ZIT ŞI SCĂDEREA PROBABILITĂŢII DE FISURARE

Unul dintre factorii importanţi ce determină fisurarea la rece în afară de câmpul de tensiuni mecanice şi prezenţa hidrogenului este formarea unei structuri susceptibile la fisurare, a unei structuri metalografice care este cu atât mai periculoasă cu cât este mai îndepărtată de starea de echilibru.

Prin preîncălzire se urmăreşte obţinerea unei structuri mai puţin înclinate spre fisurare şi cât mai apropiate de echilibru.

3. IMPORTANŢA RAPORTULUI DINTRE TEMPERATURA DE PREÎNCĂLZIRE ŞI POZIŢIA TEMPERATURILOR PUNCTELOR

MARTENSITICE

Din punctul de vedere al importanţei raportului dintre temperatura de preîncălzire şi temperatura punctelor martensitice se pot diferenţia următoarele situaţii:

a) temperatura de preîncălzire este mai mică decât punctul martensitic inferior (Tp Mf);

b) temperatura de preîncălzire este cuprinsă între punctul martensitic superior şi punctul martensitic inferior;

c) temperatura de preîncălzire este mai mare decât punctul martensitic superior (Tp Ms).

3.1 Preîncălzirea realizată la temperaturi mai mici decât punctul martensitic inferior

Considerăm curbele de descompunere anizotermă a austenitei subrăcite pentru un oţel la care se evidenţiază următoarele domenii: austenitic (A), feritic (A F), perlitic (A P), structuri intermediare (Si), martensitic (M) în care poate fi prezentă şi austenita reziduală, Ar (figura 1).

Fig. 1. Preincalzirea la temperaturi inferioare MF.

Peste aceste curbe se suprapun curbele de răcire I – VI, corespunzătoare diferitelor temperaturi de preîncălzire de la Tp1 la Tp6, toate mai mici decât punctul martensitic inferior.

Luând în considerare dreapta I corespunzătoare celei mai mari viteze de răcire, pentru cea mai mică temperatură de preîncălzire, se observă că, până la atingerea lui M S în punctul 1, austenita subrăcită se păstrează ca atare. Între punctele 1 şi 2 are loc o transformare martensitică ce se termină în punctul 2. Sub 2 avem o structură integral martensitică; eventual, în cazul nedesăvârşirii transformării martensitice poate apare şi o cantitate de austenită reziduală Ar, a cărei proporţie nu depăşeşte 1%.

În intervalul dintre punctele 1 şi 2 structura este bifazică (A + M), proporţia de martensită crescând pe măsură ce ne apropiem de punctul 2.

Mărind temperatura de preîncălzire la Tp2 şi răcind după dreapta II (ce corespunde vitezei critice de călire martensitică) lucrurile se petrec identic cu situaţia anterioară, cu deosebirea că, datorită vitezei de răcire mai mici, are loc o oarecare uniformizare şi micşorare a tensiunilor proprii determinate de creşterea volumică a martensitei faţă de austenita din care provine, precum şi o începere timidă a unor procese de revenire a austenitei formate. Cele două diferenţe arătate au o influenţă favorabilă în evitarea fisurării la cald.

Mărind în continuare temperatura de preîncălzire se ajunge în cazul III când, în punctul 5, fără o precipitare prealabilă de ferită, începe formarea structurii intermediare, proces ce continuă până în punctul 6.

În intervalul 5 – 6 structura este formată din austenită şi structuri intermediare în proporţie crescândă spre sfârşitul intervalului (6), fără a atinge proporţia 100%.

Austenita netransformată rămasă în punctul 6 începe să se transforme în martensită, proces ce se încheie în punctul 7. Sub acest punct avem o structură formată din bainită, martensită şi eventual austenită reziduală. Spre deosebire de cazurile anterioare, pe lângă martensită mai apare şi bainită.

Trecând la temperatura de preîncălzire Tp4, micşorarea vitezei de răcire (curba IV) face ca, din punctul 8, din austenita subrăcită, să înceapă precipitarea feritei urmată de procesul de formare a structurilor intermediare. În punctul 10 acest proces se încheie, iar proporţia de austenită rămasă netransformată trece în martensită, în intervalul de temperatură delimitat de punctele 10 – 11. Sub punctul 11 se obţine o structură ce conţine ferită, structuri intermediare, martensită şi, eventual, austenită reziduală.

În cazul Tp5, pentru curba de răcire V, complexitatea trensformării creşte. După precipitarea feritei în intervalul 12 – 13 are loc în plus şi o precipitare a perlitei în intervalul 13 -–14. Sub punctul 14 începe transformarea austenitei în structuri intermediare, proces ce se încheie în punctul 15; în punctul 16 începe transformarea în martensită a austenitei rămase, proces ce se încheie în punctul 17. În final, structura va conţine ferită, perlită, bainită, martensită şi, eventual, martensită reziduală.

Pentru Tp6 şi curba de răcire VI, în punctul 18 începe formarea feritei iar în punctul 19 formarea perlitei. Transformarea se încheie sub punctul 20, cu obţinerea unei structuri alcătuită din ferită şi perlită.

În urma celor prezentate, se pot face următoarele observaţii:1) Prin simpla modificare a temperaturii de preîncălzire se obţine o modificare de

mare amploare a structurii din ZIT sau din cusătura sudată.2) Pe baza relaţiilor între structură şi proprietăţile mecanice, se ajunge la concluzia că

modificarea temperaturii de preîncălzire determină modificarea însuşirilor ZIT-ului.

Trebuie avută în vedere şi influenţa diferitelor elemente de aliere asupra liniilor diagramelor de descompunere anizotermă deoarece pot apare modificări structurale neprevăzute.

În cazul particular al oţelurilor cu Cr şi Mo, care reclamă, după sudarea cu preîncălzire, un tratament termic de revenire, se produce fisurarea structurii sudate in etapa de răcire, mai ales în condiţii grele (grosimi mari de perete, bridarea cordoanelor de sudură)

când tensiunile interne sunt mai mari şi tenacitatea este scăzută. Ca urmare, în anumite cazuri, nu este admisă răcirea după sudare, până la temperatura ambiantă, ci aplicarea tratamentului termic imediat după încetarea procesului de sudare.

3.2 Preîncălzirea realizată la temperaturi cuprinse între punctul martensitic inferior şi punctul martensitic superior

Dacă viteza de răcire este mai mare decât viteza critică de călire martensitică (curba I, figura 2), în punctul a începe transformarea austenitei în martensită. Dacă se întrerupe răcirea în punctul b, apar trei variante posibile pentru continuarea procesului de răcire. În cazul răcirii după traseul b – e, pericolul de fisurare este mai mare. Dacă se preferă varianta b – c – d, se constată că, pe durata menţinerii izoterme pe palierul b – c, proporţia de martensită rămâne nealterată. Această menţinere izotermă are ca efect o oarecare revenire favorabilă pentru evitarea fisurării martensitei. Răcirea în continuare (c – d) determină formarea unei noi cantităţi de martensită care însă nu mai este revenită, permiţând apariţia unor tensiuni proprii suplimentare. Aceste efecte pot duce la apariţia fisurilor, deşi s-a lucrat cu preîncălzire.

Dacă se parcurge istoria termică b – f – g – h, se obţine o structură formată din martensită revenită şi bainită rezultată în condiţii izoterme, prin descompunerea austenitei rămasă netransformată până în punctul b.

În cazul în care răcirea are loc după curba III, se obţin structuri intermediare (eventual şi martensită), în funcţie de poziţia curbelor de transformare.

Fig. 2. Preîncălzirea la temperaturi cuprinse între punctul martensitic inferior şi punctul martensitic superior

3.3 Preîncălzirea la temperaturi mai mari decât punctul martensitic superior

Diagrama din figura 3 corespunde unui oţel aliat de construcţii şi este caracterizată prin separarea domeniilor de transformare în ferită şi perlită de cele corespunzătoare structurilor intermediare.

Fig. 3. Preîncălzirea la temperaturi mai mari decât punctul martensitic superior.

Analizând curba de răcire I, în punctul a structura este încă integral austenitică şi se păstrează ca atare până în punctul b. În unele situaţii, extinderea în timp a intervalului a – b corespunde timpului în care se realizează sudarea. Răcirea de la Tp până la temperatura mediului pe traseul b – c determină formarea martensitei.

Avantajul faţă de cazurile anterioare este acela că, prin menţinerea izotermă în intervalul a – b, asigură o egalizare a temperaturii între diferitele părţi ale produsului sudat. Aceasta face ca tensiunile remanente să scadă.

Dacă răcirea se face pe traseul a – d – e se obţin în final structuri intermediare produse în intervalul b’ – d şi martensită produsă în intervalul d – e. Obţinerea numai a structurilor intermediară este posibilă prin menţinerea îndelungată la temperatura de palier, T p, urmărind traseul a – f – g.

Este important faptul că nu numai mărirea temperaturii de preîncălzire, ci şi a timpului de menţinere, pot influenţa structura obţinută şi, implicit, însuşirile ZIT-ului şi pericolul de fisurare.

Alegerea între diferitele variante posibile se face în funcţie de compoziţia chimică a oţelului, tehnologia de sudare, însuşirile mecanice.

În cazuri complexe, cu prilejul încercărilor pentru omologarea tehnologiei de sudare (inclusiv a temperaturii de preîncălzire) se pot face verificări ale efectelor cauzate de preîncălzire.

Preîncălzirea, indiferent de valoarea temperaturii la care se realizează, are şi efectul favorabil al scăderii concentraţiei de hidrogen difuzibil, cu cât prelungim timpul de menţinere.

Efectul favorabil al scăderii vârfurilor de tensiuni remanente şi repartizarea mai uniformă a acestora este potenţat de temperatură, dar şi de timpul de menţinere.

Aceste efecte se manifestă atât în cusătură, cât şi în ZIT.

În cazul cusăturilor multistrat, stratul depus anterior se comportă ca un material de bază pentru cel ulterior şi reîncălzirea determinată de această nouă depunere are un efect favorabil, de revenire, asupra materialului depus.

4. VARIANTE ALE PREÎNCĂLZIRII

4.1 Preîncălzirea simplă

În perioada tp se realizează încălzirea cu diferite surse termice termice până la atingerea unei temperaturi mai mari decât temperatura prescrisă, mai ales atunci când încălzirea se face unilateral (figura 4).

Fig. 4. Preîncălzirea simplă.

Perioada ta corespunde timpului de aşteptare pentru egalizarea temperaturilor pe întreaga grosime. Urmează perioada ts corespunzătoare sudării. Din acest moment, din punct de vedere al operaţiei de sudare importantă devine temperatura de lucru, Tl.

Temperatura de lucru Tl se defineşte ca fiind temperatura iniţială a diferitelor părţi din rost în momentul când asupra acestuia acţionează sursa termică la sudare. Această temperatură poate fi diferenţa între temperaturile diferitelor straturi, la cusăturile multistrat.

Pot exista următoarele situaţii distincte:1) Tl scade în raport cu timpul – această situaţie apare în cazul pieselor groase, încălzite

local. În acest caz, este importantă supravegherea temperaturii minime de lucru, T l min

(curba 1, figura 4).2) Tl se păstrează constantă – cazul ideal.3) Se manifestă o creştere în raport cu timpul a lui Tl în cazul pieselor puţin masive, cu pereţi

subţiri.Trebuie supravegheată Tl max pentru a nu depăşi valoarea maximă admisibilă, mai ales

în cazul oţelurilor cu granulaţie fină.

4.2 Preîncălzirea la temperatură de lucru constantă

Fig. 5. Preîncălzirea la temperatură de lucru constantă

În acest caz, acţiunea sursei termice se păstrează pe toată durata de preîncălzire, t p

incluzând şi durata de sudare (figura 5).Uneori, pentru asigurarea încălzirii uniforme a întregii secţiuni, se practică o încălzire

puţin peste Tp care asigură, în perioada de aşteptare ta, menţinerea pieselor la valoarea prescrisă pentru începerea sudării. Intensitatea sursei de preîncălzire se reglează manual sau automat, astfel încât să se păstreze constantă valoarea temperaturii Tp pe toată durata sudării.

4.3 Sudarea cu menţinere izotermă

În unele situaţii, acţiunea sursei termice de preîncălzire se poate menţine şi după încheierea operaţiei de sudare.

Fig. 6. Sudarea cu menţinere izotermă

În intervalul de menţinere tm (figura 6) se pot manifesta acţiuni asociate operaţiei de preîncălzire, de pildă: dehidrogenarea, revenirea joasă, detensionarea parţială etc.

Uneori, pentru a potenţa aceste efecte asociate, fără a deranja activitatea sudorului printr-o preîncălzire prea înaltă, după terminarea sudării, în întregime sau parţial, se procedează la o creştere mică a temperaturii, cu 50 - 150C (curba 2, figura 6).

Dacă după sudare se impune o revenire înaltă (cazul oţelurilor cu călibilitate mare), fără a permite răcirea intermediară sub Tp, se poate menţine piesa la temperatură constantă până în momentul introducerii sale în cuptor (la 500 - 600C, în funcţie de marca oţelului) – curba 3, figura 6.

Dacă Tp este mai mare decât punctul martensitic superior, se recurge la preîncălzire după modelul curbei 1, figura 6, cu scopul transformării izoterme a austenitei reziduale.

În cazul în care Tp este mai mică decât punctul martensitic superior şi oţelul are o călibilitate mare, se recurge la preîncălziri conform curbei 3, figura 6.

În unele cazuri mai complexe, după menţinerea la temperatura constantă în intervalul tm pentru dehidrogenare, revenire joasă sau revenire parţială se recurge şi la o scădere a temperaturii sub Tp pentru a permite transformarea unei părţi din austenita rămasă netransformată şi pentru a facilita transferul de la locul de sudare la cuptorul de tratament termic.

5. OBSERVAŢII GENERALE

În general, orice produs sudat este individualizat prin anumiţi indicatori privind construcţia, materialul sau tehnologia de sudare.

Chiar din prima etapă a stabilirii oportunităţii preîncălzirii trebuie avute în vedere toate aceste caracteristici deoarece, în multe cazuri, această operaţie depinde nu numai marca de oţel, ci şi de concepţia constructivă a produsului, procedeul şi tehnologia de sudare folosite.

Odată stabilită valoarea optimă a temperaturii de încălzire, trebuie precizată modalitatea de efectuare a operaţiei, respectiv globală sau locală.

Trebuie întotdeauna precizate şi valorile limită faţă de Tp, adică Tp min şi Tp max

admisibile, precum şi vitezele de încălzire şi răcire şi durata de menţinere la temperatura de preîncălzire.

Este necesar să se aibe în vedere, după stabilirea echipamentului de preîncălzire, modalităţile de control, supravegherea temperaturii într-unul sau mai multe puncte importante.

În general se doreşte prevederea unei valori minime pentru Tp care să satisfacă condiţiile impuse prin caietul de sarcini al produsului, din considerente energetice, pentru uşurarea condiţiilor de lucru la sudare, cu scopul simplificării echipamentului necesar reducerii perioadelor de încălzire şi răcire.

De regulă, metodele de calcul şi unele normative prescriu numai temperatura minimă de preîncălzire necesară.

Se subliniază că nu întotdeauna creşterea Tp are un efect favorabil. De aceea, unele prescripţii limitează Tp max admisă, precum şi Tl max admisă.

În general, costurile sunt mai puţin afectate de valoarea efectivă pentru Tp (în limitele a câtorva zeci de grade).

Din punct de vedere economic, deciziile cele mai importante sunt dacă este sau nu necesară preîncălzirea şi modalitatea locală sau globală de efectuare a acesteia.

De asemenea, trebuie avut în vedere faptul că, în multe cazuri, materialele de bază nu sunt foarte sensibile la variaţii de cîteva zeci de grade ale temperaturii de preîncălzire.

Majoritatea metodelor pentru stabilirea temperaturii de preîncălzire sunt aproximative (excepţie făcându-se în cazul oţelurilor foarte greu sudabile, când se impun precizii de 20C pentru Tp).

Pentru siguranţă, se recomandă adoptarea unei temperaturi cu 10 - 20C peste cea determinată analitic pentru a se ţine cont şi de erorile ce pot interveni la controlul acestora.

În cazurile complexe şi la produse d mare importanţă, trebuiesc parcurse următoarele etape:

a) stabilirea orientativă a Tp prin metoda analitică sau după normative;b) sudarea unor plăci martor cu Tp determinată şi verificarea acesteia în condiţiile

impuse în caietul de sarcini privind duritatea maximă, rezilienţa, tendinţa de fisurare la cald sau la rece;

c) în unele cazuri pretenţioase se sudează experimental un model al porţiunii critice a produsului (cu bridare puternică, grosime variabilă);

d) la oţelurile pretenţioase se determină şi influenţa variaţiilor temperaturii de preîncălzire asupra însuşirilor prescrise.