Rachaduras transversais em tubos de aço soldados: causas básicas e prevenção

As rachaduras continuam sendo um dos defeitos mais sérios encontrados na produção de tubos soldados e também um dos menos indulgentes - ao contrário de um desvio dimensional ou de um defeito superficial, uma rachadura na costura de solda é um defeito estrutural que pode se propagar sob carga de serviço e levar à falha total. Rachaduras em tubos soldados são geralmente classificadas pela sua orientação em relação à linha de solda em duas categorias:fissuras longitudinais, que correm paralelamente à costura de solda, efissuras transversais, que o atravessa. Este artigo enfoca especificamente a fissuração transversal - por que ela se forma e o que um produtor precisa controlar para evitá-la, com atenção especial à espiral (SSAW) tubo soldado, onde a geometria da costura helicoidal acrescenta suas próprias considerações à metalurgia de soldagem geral envolvida.

As fissuras transversais em tubos soldados formam-se mais comumente durante a solidificação e cristalização do próprio metal de solda, e não depois. À medida que a poça de fusão esfria, ela solidifica progressivamente das bordas externas da poça para dentro em direção à linha central, com grãos crescendo na direção do fluxo de calor. Esta solidificação é acompanhada por encolhimento volumétrico - o metal simplesmente ocupa menos espaço à medida que faz a transição do líquido para o sólido e continua a se contrair à medida que esfria ainda mais em direção à temperatura ambiente.

Esse encolhimento geratensão de traçãoao longo da solda, e como o metal base circundante e o metal de solda já{0}solidificado resistem à contração, a tensão em desenvolvimento concentra-se mais fortemente na linha central da solda, onde o último metal líquido se solidifica e onde os limites dos grãos de ambos os lados da poça se encontram quase de frente-. Se essa região da linha central não puder acomodar a tensão de tração - porque a estrutura do grão é desfavorável, porque oligoelementos prejudiciais enfraqueceram os limites do grão ou porque a tensão em si é maior do que o necessário devido ao controle deficiente do processo - uma trinca se abre perpendicularmente à direção da solda. Essa orientação perpendicular é precisamente o que a torna uma fissura transversal e não longitudinal.

O diagrama abaixo ilustra este mecanismo: a frente de solidificação que segue a tocha de soldagem, a tensão de contração atravessando a linha de solda à medida que a poça esfria e a abertura de trinca resultante na linha central onde essa tensão se concentra.

A tensão de contração de solidificação é uma condição básica de toda solda - e não pode ser totalmente eliminada, apenas gerenciada. Mas um segundo fator transforma a tensão de contração comum em uma trinca real com muito mais facilidade: a presença de impurezas de baixo ponto de-ponto de fusão-no metal de solda e na produção de tubos{{4}soldados em espiral,cobre é o agressor mais comum.

O cobre entra na poça de fusão a partir de uma fonte inesperada: o fino revestimento de cobre aplicado ao fio de soldagem para evitar ferrugem superficial durante o armazenamento e para melhorar o contato elétrico e a alimentação através do equipamento de soldagem. À medida que o arame passa pela ponta de contato em alta velocidade, o atrito gradualmente desgasta o furo da ponta, e partículas finas de cobre - tanto do revestimento do arame quanto, em pontas desgastadas, da própria ponta de contato de cobre - descamam e são transportadas para dentro do fluxo e do arco, atingindo finalmente a poça de fusão de fusão.

O cobre derrete a uma temperatura muito mais baixa que o aço. À medida que a poça de fusão se solidifica, qualquer cobre presente não se solidifica com a matriz de aço a granel - ele permanece líquido por mais tempo e segrega para os limites dos grãos, onde os umedece e os enfraquece. Esta é uma forma defragilização-de metal líquido: o contorno do grão, já sob tensão de tração devido à contração normal de solidificação, agora tem muito menos resistência a essa tensão porque o cobre comprometeu sua coesão. O resultado é que rachaduras transversais aparecem em limites-contaminados com cobre em níveis de tensão que uma solda não contaminada toleraria sem problemas.

Prevenir fissuras transversais não é uma questão de solução única -; requer o controle da tensão de contração subjacente e da contaminação metalúrgica que torna a solda vulnerável a ela. Na prática, isso se resume a cinco áreas de controle de processo.

1. Seleção de consumíveis de soldagem

O ponto de partida é escolher o fio e o fluxo de soldagem com uma química adequada ao material de base e livre de oligoelementos nocivos excessivos. A seleção cuidadosa dos consumíveis reduz o nível de base de impurezas que entram na poça de fusão, o que diminui a probabilidade de trincas transversais, independentemente do que mais aconteça a jusante do processo. Esta é uma decisão tomada antes mesmo de a soldagem começar e estabelece o limite máximo sobre o quão limpo o metal de solda pode estar - nenhuma quantidade de controle de processo posterior pode compensar totalmente uma má escolha de consumíveis.

2. Design de chanfro e controle de penetração

A geometria da ranhura ou chanfro na junta de solda afeta diretamente a quantidade de metal de solda depositado e como o padrão de solidificação se desenvolve. O princípio geral aqui é reduzir o chanfro interno da solda sempre que possível, sem sacrificar a profundidade de penetração que a junta realmente necessita. Um chanfro interno menor, combinado com penetração adequada, resulta em um volume menor da poça de fusão e em um caminho de solidificação mais curto, ambos reduzindo a magnitude da tensão de contração que se desenvolve à medida que a solda esfria. Conseguir esse equilíbrio requer uma coordenação estreita entre o projeto do chanfro e os parâmetros de soldagem (corrente, tensão, velocidade de deslocamento) realmente usados ​​na linha, uma vez que um projeto do chanfro não pode ser avaliado isoladamente do processo ao qual está associado.

3. Formação de precisão e alinhamento de rolos

Especificamente em tubos soldados-em espiral, a precisão do processo de conformação-que molda a tira plana no corpo do tubo helicoidal tem uma influência direta na tensão residual presente na junta de solda antes mesmo de a soldagem começar. Se as bordas da tira não forem alinhadas com precisão - lacuna consistente, altura consistente da borda, curvatura consistente correspondente ao diâmetro pretendido do tubo - a solda terá que acomodar uma incompatibilidade geométrica além da contração normal de solidificação. Essa tensão residual adicional reduz a margem disponível antes do início de uma fissura transversal. A conformação precisa, às vezes chamada de “ajuste de forma” na área de produção, reduz essa tensão residual na fonte, em vez de tentar compensá-la posteriormente nos parâmetros de soldagem.

4. Controle do fator de forma da solda

Ofator de forma de solda- a relação entre a largura da superfície do cordão de solda e sua profundidade de penetração - tem uma relação direta e bem{2}}documentada com a suscetibilidade a trincas. Uma poça de fusão estreita e profunda se solidifica com grãos crescendo abruptamente para dentro de ambos os lados e encontrando-se quase de frente-na linha central, concentrando a tensão de contração ao longo de uma faixa estreita. Uma poça de fusão mais larga e rasa permite que os grãos cresçam em direção ao centro em um ângulo mais raso, distribuindo a mesma tensão geral de contração por uma região mais ampla, em vez de concentrá-la.

Como objetivo prático, o fator de forma da solda é geralmente mantidoacima de 1(largura do cordão maior que a profundidade de penetração) especificamente para evitar esta concentração de tensões. Isto é controlado principalmente através das configurações de corrente de soldagem, tensão e velocidade de deslocamento, e deve ser verificado como parte da qualificação do processo de rotina, em vez de ser assumido apenas a partir de configurações de parâmetros nominais, uma vez que o desgaste do eletrodo, a condição do fluxo e até mesmo a temperatura ambiente podem alterar a geometria real do cordão produzido em um determinado dia.

5. Ponta de contato e controle de contaminação de cobre

Como a contaminação por cobre é um fator desproporcionalmente prejudicial em relação às pequenas quantidades realmente envolvidas, ela merece controles de processo dedicados, em vez de ser tratada como um efeito colateral da qualidade geral dos consumíveis. Isso inclui a inspeção programada e a substituição das pontas de contato antes que o desgaste do furo se torne significativo, monitorando a alimentação do arame quanto a descamação visível ou degradação do revestimento e, em alguns casos, especificando o arame com um tratamento de superfície mais leve ou alternativo, onde a captação de cobre tem sido um problema recorrente. Como esse caminho de contaminação é praticamente invisível na solda acabada até que uma rachadura realmente apareça, é uma das áreas onde a disciplina de manutenção preventiva é mais importante do que a solução de problemas reativos.

Para um comprador que compra SSAW ou outro tubo soldado, a trinca transversal é praticamente invisível em um certificado de fábrica padrão, a menos que já tenha progredido para um defeito detectável detectado por testes não{0}destrutivos -, ponto em que um comprimento já foi rejeitado ou reparado, adicionando custo e risco de cronograma ao pedido. A abordagem mais confiável é avaliar se os controles de processo de um fornecedor tornam improvável a fissuração transversal. Vale a pena confirmar os seguintes pontos antes de fazer um pedido, especialmente para projetos de especificações maiores ou superiores:{4}}:

• Pergunte como o fator de forma da solda é monitorado e não apenas definido.Um fornecedor que consegue descrever como a relação entre largura-e-profundidade do cordão é realmente medida e verificada durante a produção - em vez de simplesmente citar uma folha de parâmetros alvo - está demonstrando controle real do processo em vez de uma especificação em papel.
• Pergunte sobre os intervalos de substituição das pontas de contato e as práticas de manuseio dos fios.Um fornecedor com um cronograma de manutenção preventiva-definido para pontas de contato e armazenamento/manuseio controlado do fio de solda para evitar danos ao revestimento está abordando o caminho de contaminação do cobre de forma proativa, em vez de apenas reagir aos defeitos depois que eles ocorrerem.
• Confirme quais tolerâncias de formação/alinhamento são mantidas antes da soldagem, especialmente para tubos soldados-em espiral, já que o alinhamento da borda da tira antes do passe de solda tem uma influência direta na tensão residual na junta.
• Solicite a cobertura real de testes não{0}destrutivos aplicados à costura de solda- testes completos- detectam problemas que um regime de inspeção de amostra pode deixar passar, e isso é mais importante para defeitos do tipo-rachadura do que para a maioria das outras características de qualidade, uma vez que uma rachadura que escapa à detecção pode se propagar sob carga de serviço muito depois de o tubo ter saído da fábrica.
• Pergunte se os parâmetros de soldagem são qualificados por execução de produção ou se são considerados estáticos.Como a geometria do cordão e a qualidade da solda podem mudar com o desgaste do eletrodo, a condição do fluxo e outras variáveis ​​ao longo do tempo, um fornecedor que requalifica os parâmetros periodicamente - em vez de tratar uma qualificação de procedimento inicial como permanente - oferece uma resistência à trinca mais consistente em todo o pedido, não apenas nos primeiros comprimentos produzidos.
• Onde a especificação do projeto permitir, solicite dados de produção ou exemplos de pedidos anteriores de diâmetro e espessura de parede semelhantes, uma vez que a suscetibilidade a trincas é influenciada pela geometria do tubo, bem como pelos parâmetros do processo, e o histórico do fornecedor em tamanhos comparáveis ​​é um indicador mais direto do que afirmações gerais sobre sistemas de qualidade.

A trinca transversal é, em última análise, um defeito controlável, não um risco inerente ao processo de soldagem -, mas controlá-la requer atenção a detalhes que não aparecem em uma folha de especificações padrão: geometria do cordão, condição da ponta de contato e precisão de conformação, tudo trabalhando em conjunto com uma seleção correta de consumíveis. Os compradores que perguntam sobre essas especificações no estágio de qualificação, em vez de confiar apenas nos resultados de testes químicos e mecânicos, estão em uma posição muito mais forte para evitar o impacto no cronograma e no custo de uma rejeição-relacionada ao crack posteriormente no projeto.

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