A soldagem de aço de baixa temperatura exige um conhecimento profundo das propriedades do material, pois condições extremas podem levar a falhas frágeis. O artigo discute os requisitos técnicos para o aço de baixa temperatura, enfatizando a importância da tenacidade em baixa temperatura e o papel de vários elementos e tratamentos térmicos para alcançá-la. Além disso, ele aborda métodos de soldagem, seleção de materiais e práticas específicas para soldagem de diferentes tipos de aço de baixa temperatura, como o A333-GR6. Os leitores obterão insights para garantir a qualidade da solda e evitar defeitos nessas aplicações críticas.
1) Os requisitos técnicos essenciais para o aço de baixa temperatura abrangem resistência suficiente, ampla tenacidade em condições criogênicas, excelente soldabilidade, boa usinabilidade e resistência superior à corrosão.
Entre elas, a tenacidade em baixa temperatura - a capacidade de resistir à fratura frágil em temperaturas abaixo de zero - é fundamental. Consequentemente, a maioria das normas nacionais especifica valores mínimos de resistência ao impacto nas temperaturas de serviço mais baixas, normalmente medidas por meio de testes Charpy V-notch.
2) Na composição do aço de baixa temperatura, elementos como carbono, silício, fósforo, enxofre e nitrogênio são geralmente prejudiciais à tenacidade em baixa temperatura, sendo o fósforo o mais prejudicial.
Para atenuar isso, a remoção do fósforo é priorizada nos estágios iniciais da fabricação do aço, geralmente por meio de processos de metalurgia secundária, como a desgaseificação a vácuo. Por outro lado, elementos como o manganês e o níquel aumentam a resistência em baixas temperaturas. Cada aumento de 1% no teor de níquel pode reduzir a temperatura de transição dúctil para frágil (DBTT) em aproximadamente 20°C, principalmente por meio da estabilização da fase de austenita e do refinamento da estrutura do grão.
3) O processo de tratamento térmico desempenha um papel crucial na determinação da microestrutura e do tamanho do grão do aço de baixa temperatura, influenciando significativamente sua resistência criogênica. Os tratamentos de têmpera e revenimento, quando otimizados, podem melhorar significativamente a resistência a baixas temperaturas, produzindo uma estrutura martensítica ou bainítica de granulação fina com precipitação controlada de carbonetos.
4) Com base nos métodos de formação primária, o aço de baixa temperatura pode ser classificado em aço fundido e aço forjado (laminado).
Dependendo da composição e das características microestruturais, os aços de baixa temperatura são classificados como: aços de baixa liga (por exemplo, ASTM A353, A553), aços 3.5% Ni, aços 5% Ni, aços 6% Ni, aços 9% Ni, aços austeníticos Cr-Mn ou Cr-Mn-Ni e aços inoxidáveis austeníticos Cr-Ni.
Os aços de baixa liga são normalmente empregados em aplicações criogênicas moderadas até cerca de -100°C, para a fabricação de equipamentos de refrigeração, embarcações de transporte criogênico, tanques de armazenamento de etileno acima do solo e equipamentos de processamento petroquímico.
Em países como EUA, Reino Unido e Japão, o aço 9% Ni (por exemplo, ASTM A353) é amplamente utilizado em estruturas de baixa temperatura mais exigentes, como tanques de armazenamento e transporte de gás natural liquefeito (GNL) a -162°C, armazenamento de oxigênio líquido a -183°C e na fabricação de unidades de separação de ar para a produção de oxigênio e nitrogênio líquidos.
Os aços inoxidáveis austeníticos, especialmente os tipos 304L, 316L e 347, são excelentes materiais estruturais criogênicos, oferecendo excepcional resistência a baixas temperaturas, soldabilidade superior e baixa condutividade térmica. Esses aços mantêm sua ductilidade até temperaturas de hélio líquido (-269°C) e são amplamente utilizados em aplicações de temperaturas extremamente baixas, incluindo tanques de transporte e armazenamento de hidrogênio líquido (-253°C) e oxigênio líquido, bem como em criostatos de ímãs supercondutores. No entanto, seu maior teor de cromo e níquel os torna mais caros, exigindo uma análise cuidadosa do custo-benefício para cada aplicação.
Ao selecionar os métodos e as condições de construção de soldagem para o aço de baixa temperatura, o foco está em evitar a deterioração da resistência a baixas temperaturas nas juntas de soldagem e evitar trincas de solda.
Não há nenhuma diferença fundamental entre os formatos dos sulcos de juntas de solda para aço de baixa temperatura, aço carbono comum, aço de baixa liga ou aço inoxidável; eles podem ser processados da maneira padrão. Entretanto, para 9Ni aço, o ângulo da ranhura não deve ser inferior a 70 graus, e a borda cega não deve ser inferior a 3 mm.
Todos os aços de baixa temperatura podem ser cortados com uma chama de oxiacetileno. No entanto, ao cortar aço 9Ni com gás, a velocidade de corte deve ser um pouco mais lenta do que no corte com gás de aço estrutural de carbono comum. Se a espessura do aço for superior a 100 mm, o corte pode ser pré-aquecido a 150-200°C antes do corte a gás, mas não deve exceder 200°C.
O corte de gás não tem nenhum efeito adverso sobre as áreas afetadas por calor de soldagem. No entanto, devido às propriedades de auto-endurecimento do aço contendo níquel, a superfície de corte se endurecerá.
Para garantir o desempenho satisfatório do junta soldadaSe você não estiver soldando, é melhor usar um rebolo para alisar e limpar a superfície cortada antes de soldar.
Durante a construção da solda, se for necessário remover o cordão de solda ou material de base, é possível usar a goivagem a arco-ar. No entanto, antes do retrabalho, a superfície da ranhura ainda deve ser limpa e polida.
A goivagem com chama de oxiacetileno não deve ser usada porque há o risco de superaquecimento do aço.
O aço de baixa temperatura pode ser soldado usando métodos típicos, como soldagem a arcosoldagem por arco submerso e soldagem por arco de metal a gás.
A soldagem a arco é o método mais comumente usado para aço de baixa temperatura e pode ser aplicada em várias posições de soldagem. Sua entrada de calor é de aproximadamente 18~30KJ/cm.
Ao usar eletrodos com baixo teor de hidrogênio, é possível obter juntas de solda totalmente satisfatórias, que não apenas apresentam boas propriedades mecânicas, mas também excelente resistência ao entalhe.
Além disso, a soldagem a arco tem as vantagens de máquinas de soldagem simples e baratas, menor investimento em equipamentos e nenhuma limitação de posição ou direção.
A entrada de calor da soldagem a arco submerso para aço de baixa temperatura é de cerca de 10~22KJ/cm. Ela é amplamente utilizada devido à sua simplicidade, alta eficiência de soldagem e fácil operação.
No entanto, devido ao efeito isolante do fluxo, ele retarda o resfriamento, levando a uma tendência maior de formação de rachaduras quentes.
Além disso, impurezas e silício podem entrar no metal de solda a partir do fluxo, o que pode exacerbar essa tendência. Portanto, ao usar a soldagem a arco submerso, a escolha do arame e do fluxo deve ser cuidadosamente considerada, e as operações devem ser realizadas meticulosamente.
CO2 A soldagem com proteção gasosa produz juntas com menor tenacidade e, portanto, não é usada na soldagem de aço de baixa temperatura.
A soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) é normalmente operada manualmente, e sua entrada de calor é limitada à faixa de 9 a 15 KJ/cm. Embora a junta de soldagem produzida apresente desempenho satisfatório, esse método não é aplicável quando a espessura do aço excede 12 mm.
A soldagem a arco de metal a gás (MIG) é o método de soldagem automática ou semiautomática mais amplamente usado para aço de baixa temperatura, com um aporte térmico de 23 a 40 KJ/cm.
Com base no método de transferência de gotículas, ele pode ser dividido em transferência de curto-circuito (menor aporte de calor), transferência globular (maior aporte de calor) e transferência por pulverização pulsada (maior aporte de calor). A soldagem MIG de curto-circuito pode ter profundidade de fusão insuficiente, o que pode levar a defeitos de fusão incompleta.
Outros modos de soldagem MIG também podem ter problemas semelhantes, mas em graus variados. Para obter uma profundidade de fusão satisfatória ao tornar o arco mais concentrado, algumas a várias dezenas de por cento de CO2 ou O2 podem ser introduzidas no argônio puro usado como meio de soldagem. gás de proteção.
A porcentagem adequada deve ser determinada experimentalmente, com base no tipo de aço sendo soldadas.
Materiais de soldagem (incluindo eletrodos, fios de soldagem e fluxos), geralmente devem ser selecionados de acordo com o método de soldagem adotado, a forma da junta, o formato da ranhura e outras características necessárias.
No caso de aço de baixa temperatura, o mais importante é garantir que o metal de solda tenha uma resistência a baixas temperaturas que corresponda à do metal de base e minimizar a quantidade de hidrogênio difundido.
(1) Aço com acabamento em alumínio
O aço com alumínio é altamente sensível à velocidade de resfriamento pós-soldagem. Os eletrodos usados na soldagem a arco manual para aço com alumínio são normalmente do tipo Si-Mn com baixo teor de hidrogênio ou do tipo 1.5% Ni, 2.0% Ni.
Para reduzir o aporte térmico da soldagem, o aço com alumínio morto geralmente adota a soldagem de várias camadas com eletrodos finos de 3 a 3,2 mm. Isso pode utilizar o ciclo de calor secundário do passe de solda superior para refinar os grãos.
A resistência ao impacto do metal de solda soldado com eletrodos de Si-Mn a 50°C diminuirá drasticamente à medida que o aporte de calor aumentar. Por exemplo, quando a entrada de calor aumenta de 18KJ/cm para 30KJ/cm, a resistência perderá mais do que 60%. Os eletrodos do tipo 1.5% Ni e 2.5% Ni não são sensíveis a isso e, portanto, são a melhor opção para soldagem.
A soldagem a arco submerso é um método de soldagem automática comum para aço com alumínio. A melhor composição para o fio de solda usado na soldagem a arco submerso contém 1,5~3,5% de níquel e 0,5~1,0% de molibdênio.
De acordo com a literatura, com o uso do fio de solda 2.5%Ni-0.8%Cr-0.5%Mo ou 2%Ni e o fluxo apropriado, o valor médio de tenacidade do metal de solda a -55°C pode chegar a 56-70J (5,7~7,1Kg/fm). Mesmo com o fio de solda 0.5%Mo e o fluxo alcalino de liga de manganês, desde que a entrada de calor seja controlada abaixo de 26KJ/cm, ainda é possível produzir um metal de solda com 55J (5,6Kg/f.m).
Ao escolher o fluxo, preste atenção à correspondência de Si e Mn no metal de solda. Testes demonstraram que diferentes teores de Si e Mn no metal de solda podem afetar muito sua tenacidade. A resistência ideal é obtida com 0,1 a 0,2% de Si e 0,7 a 1,1% de Mn. Isso deve ser observado ao selecionar fios e fluxos de soldagem.
A soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) e com gás inerte metálico (MIG) é menos comumente usada em aço com alumínio. Os arames de soldagem mencionados acima para soldagem por arco submerso também podem ser usados para Soldagem TIG.
(2) Aço 2.5Ni e aço 3.5Ni
Para soldagem por arco submerso ou soldagem MIG de aços 2,5Ni e 3,5Ni, geralmente podem ser usados fios de soldagem com o mesmo material do metal de base. Entretanto, conforme mostrado na fórmula de Wilkinson, o Mn é um inibidor de trincas a quente para aço de baixa temperatura e baixo níquel.
Manter o teor de manganês no metal de solda em torno de 1,2% é benéfico para evitar trincas no poço do arco e outras trincas a quente. Isso deve ser priorizado ao selecionar a combinação de arame de solda e fluxo.
A tendência de fragilização por têmpera do aço 3.5Ni é alta, portanto, após o tratamento térmico pós-soldagem para tensão residual (por exemplo, 620°C×1 hora e, em seguida, resfriamento no forno), a resistência diminuirá drasticamente de 3,8 kg/f.m para 2,1 kg/f.m e não atenderá à especificação.
A tendência de fragilização por têmpera do metal de solda produzido pelo fio de solda 4.5%Ni-0.2%Mo é muito menor, e o uso desse fio pode evitar a dificuldade mencionada anteriormente.
(3) Aço 9Ni
O aço 9Ni geralmente é submetido a um tratamento térmico de têmpera de têmpera ou de dupla normalização para maximizar sua resistência a baixas temperaturas. Entretanto, o metal de solda desse aço não pode ser submetido ao tratamento térmico mencionado acima.
Portanto, o uso de materiais de soldagem de ferrite dificulta a obtenção de metal de solda com resistência a baixas temperaturas comparável à do metal de base. Os mais comumente usados são os materiais de soldagem com alto teor de níquel.
O metal de solda desses materiais de soldagem é uma estrutura austenítica completa. Apesar das desvantagens da menor resistência em comparação com o metal de base do aço 9Ni e do alto custo, a fratura frágil não é mais um problema sério para ele.
Com base no exposto, sabemos que:
Como o metal de solda é totalmente austenítico, a resistência a baixas temperaturas do metal de solda soldado com os eletrodos e fios de solda usados pode competir totalmente com o metal de base, embora sua resistência à tração e seu ponto de escoamento sejam inferiores aos do metal de base.
O aço contendo níquel tem características de auto-endurecimento, portanto, a maioria dos eletrodos e fios de soldagem tomou medidas para limitar a teor de carbono para obter boa soldabilidade.
Nos materiais de soldagem, o Mo é um importante elemento de reforço, enquanto Nb, Ta, Ti e W são importantes elementos de endurecimento. Sua importância foi totalmente reconhecida na seleção e configuração de materiais de soldagem.
Quando o mesmo arame de solda é usado, a resistência e a tenacidade do metal de solda da soldagem por arco submerso são um pouco inferiores às da soldagem MIG. Isso pode ser devido à velocidade de resfriamento mais lenta da solda e a possíveis impurezas ou infiltrações de Si do fluxo.
O aço A333-GR6 é um aço de baixa temperatura, com a temperatura de uso mais baixa a -70°C, geralmente fornecido em um estado normalizado ou normalizado mais temperado. O aço A333-GR6 tem baixo teor de carbono e, portanto, uma pequena tendência de endurecimento e trincas a frio, boa tenacidade e plasticidade.
Em geral, não produz facilmente defeitos de endurecimento e rachaduras, e tem boa soldabilidade.
ER80S-Ni1 soldagem a arco de argônio com eletrodos W707Ni pode ser usado, aplicando a soldagem combinada argônio-elétrica, ou o fio de soldagem a arco de argônio ER80S-Ni1 pode ser usado para a soldagem a arco de argônio completo para garantir a boa resistência da junta de soldagem.
A marca do fio e do eletrodo de soldagem a arco de argônio pode ser escolhida entre produtos com o mesmo desempenho, mas a aprovação do proprietário deve ser obtida antes do uso.
Durante a soldagem, para tubos com diâmetro inferior a 76,2 mm, é usada uma junta de topo do tipo I e soldagem completa a arco de argônio; para tubos com diâmetro superior a 76,2 mm, é aberta uma ranhura do tipo V e é usado o método de raiz de arco de argônio e soldagem elétrica de argônio de enchimento multicamada ou soldagem completa a arco de argônio.
As práticas específicas dependem do diâmetro do tubo e da espessura da parede aprovados pelo proprietário.
(1) Pré-aquecimento antes da soldagem
Quando a temperatura ambiente estiver abaixo de 5 ℃, é necessário pré-aquecer a solda.
O temperatura de pré-aquecimento é de 100~150℃; a faixa de pré-aquecimento é de 100 mm em ambos os lados da solda; a chama de oxiacetileno (chama neutra) é usada para aquecimento, e a temperatura é medida a 50~100 mm de distância do centro da solda por uma caneta sensível à temperatura, com pontos de temperatura distribuídos uniformemente para melhor controle da temperatura.
(2) Tratamento térmico pós-soldagem
Para melhorar a resistência ao entalhe do aço de baixa temperatura, os materiais geralmente usados já passaram por têmpera e revenimento. O tratamento térmico pós-soldagem inadequado geralmente deteriora seu desempenho em baixa temperatura, o que deve receber atenção suficiente.
Portanto, com exceção das condições em que a espessura da solda é maior ou as condições de restrição são muito rigorosas, o aço de baixa temperatura geralmente não passa por tratamento térmico pós-solda.
Por exemplo, a soldagem da tubulação de GLP recém-adicionada na CSPC não requer tratamento térmico pós-soldagem.
Se o tratamento térmico pós-solda for de fato necessário em alguns projetos, a taxa de aquecimento, o tempo de temperatura constante e a taxa de resfriamento do tratamento térmico pós-solda devem ser rigorosamente executados de acordo com as disposições a seguir:
O tempo de temperatura constante deve ser de 1h por 25 mm de espessura de parede e não inferior a 15 minutos. A diferença de temperatura entre a temperatura mais alta e a mais baixa durante o período de temperatura constante deve ser inferior a 65 ℃.
Após a temperatura constante, a taxa de resfriamento não deve ser maior do que 65×25/δ ℃/h, e não mais do que 260℃/h. Abaixo de 400 ℃, o resfriamento natural é aceitável. Deve-se usar equipamento de tratamento térmico controlado por computador.
(1) Pré-aquecimento rigoroso de acordo com as normas, controlando a temperatura entre camadas entre 100 e 200°C. Cada solda deve ser concluída de uma só vez; se for interrompida, devem ser tomadas medidas de resfriamento lento.
(2) Arranhões de arco na superfície da solda são estritamente proibidos. Após a extinção do arco, a cratera deve ser preenchida e todos os defeitos devem ser lixados com um rebolo. As juntas entre as camadas na soldagem de várias camadas devem ser escalonadas.
(3) A energia da linha deve ser rigorosamente controlada, usando pequenas correntes, baixas tensões e soldagem rápida. Para eletrodos W707Ni com diâmetro de 3,2 mm, o comprimento de soldagem por eletrodo deve ser superior a 8 cm.
(4) Deve-se adotar uma operação de arco curto e não oscilante.
(5) Soldagem de penetração total e deve seguir rigorosamente os requisitos das especificações do processo de soldagem e do cartão do processo de soldagem.
(6) O reforço da solda deve ser de 0 a 2 mm, e o alargamento da solda deve ser ≤2 mm em cada lado.
(7) Depois que a inspeção da aparência da solda for aprovada, o teste não destrutivo só poderá ser realizado depois de pelo menos 24 horas. A norma JB 4730-94 deve ser aplicada a soldagem de topo costuras do tubo.
(8) A norma "Vaso de pressão: Non-destructive Testing of Pressure Vessels" deve ser seguida, e a qualificação de nível II deve ser alcançada.
(9) Os reparos na solda devem ser realizados antes do tratamento térmico pós-solda. Se forem necessários reparos após o tratamento térmico, a solda deverá ser tratada novamente com calor após o reparo.
(10) Se o tamanho geométrico da superfície da solda não estiver em conformidade, é permitido esmerilhá-la, desde que a espessura após o esmerilhamento não fique abaixo dos requisitos do projeto.
(11) Para geral defeitos de soldagemSe a solda não for aprovada, é permitido um máximo de dois reparos. Se ainda assim não for aprovado após dois reparos, a solda deve ser cortada e refeita de acordo com o manual completo. processo de soldagem.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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