PROCESOS DE MANUFACTURA Soldadura Precalentamiento Ing. William Canro P.
Precalentamiento Generalidades El objetivo del precalentamiento es evitar una disipación demasiado rápida del calor proporcionado por el arco eléctrico, es decir evitar un enfriamiento brusco que ocasione un transformación estructural en el acero. El precalentamiento será más o menos fuerte de acuerdo al tamaño de la pieza, del espesor a unir y al contenido del carbono. En piezas pequeñas, el precalentamiento muchas veces será innecesario.
Precalentamiento Generalidades El precalentamiento del acero que se va a soldar disminuye la velocidad de enfriamiento en el área de soldadura. Esto puede ser necesario para evitar fisuración del metal depositado o en la zona afectada por el calor. La necesidad de precalentar aumenta con el espesor del acero, soldaduras con dilatación restringida, el contenido de carbono/aleación del acero y el hidrógeno difusible del metal depositado. El precalentamiento se aplica comúnmente con lanzas de gas combustible o calentadores de resistencia eléctrica.
Precalentamiento Generalidades Si consideramos una plancha en la que se esté aplicando un cordón de soldadura y se pudiera medir la temperatura en diferentes sitios, se podría ver que en centro del cordón la temperatura aumentaría en pocos segundos hasta la temperatura de fusión del acero. Habrá un punto en el cual aunque la temperatura aumentó rápidamente, no alcanzó a fundir y si nos alejamos más del eje del cordón, notaríamos que la temperatura máxima alcanzada es inferior a la anterior, hasta llegar a un sitio en que el metal base no experimentó ningún cambio en su temperatura.
Precalentamiento Generalidades
Precalentamiento Generalidades Como puede apreciarse, hay una zona que aunque no se fundió sí estuvo expuesta a altas temperaturas. En esa zona el acero pudo llegar a recristalizarse en forma de austenita y puede haber también modificaciones en la estructura del grano. Esa zona es la llamada “Zona Afectada por el Calor (ZAC)”. La velocidad de enfriamiento puede entonces ser usada, dentro de cierto rango, para prevenir la formación de microestructuras peligrosas en la ZAC.
Precalentamiento Generalidades Por efecto de la velocidad de enfriamiento pueden originarse en el acero estructuras metalúrgicas de elevada dureza por la transformación directa de austenita a martensita. Si se calienta el material, previamente a la soldadura, se disminuye el desnivel térmico desde la temperatura de fusión del acero. De este modo se favorecen las transformaciones metalúrgicas a estructuras más blandas que resultan menos frágiles y propensas a fisuración.
Precalentamiento Importancia REDUCE EL NIVEL DE ESFUERZOS TERMICOS Las tensiones térmicas tienen su origen en el enfriamiento de un área de soldadura. Las fracturas pueden ocurrir durante y después de la soldadura, cuando el enfriamiento del metal base resiente la inevitable contracción del metal de soldadura. El precalentamiento reduce los diferenciales de temperatura entre el metal de soldadura y el metal base minimizando la tendencia hacia la fractura.
Precalentamiento Importancia COMPENSACION DE PERDIDADES TERMICAS SIGNIFICANTES Las sección gruesas de acero al carbón aso como también las aleaciones de cobre y aluminio de alta conductividad térmica son beneficiadas por el calentamiento previo a la soldadura, así mismo el calentamiento contribuye a la correcta fusión de los metales.
Precalentamiento Importancia REDUCE EL ENDURECIMIENTO DE LA ZONA DE SOLDADURA El metal de soldadura y la zona adjunta afectada por el calor pueden endurecer y fracturarse cuando son r谩pidamente enfriadas desde temperaturas muy altas. Precalentando la soldadura la zona afectada por el calor previene generalmente que ambas se endurezcan extremadamente, debido a la reducci贸n del enfriamiento.
Precalentamiento Importancia REDUCCION DE POROSIDAD Y ROTURAS DE HIDROGENO Un arco de soldadura descompone el agua en sus elementos bรกsico, hidrogeno y oxigeno. El hidrogeno se disuelve fรกcilmente en el metal de soldadura a altas temperaturas, pudiendo resultar porosidad del metal durante su solidificaciรณn, el precalentamiento ayuda a dispersar la humedad. Electrodos recubiertos y fundentes a menudo introducen humedad directamente al arco y al charco de soldadura, el hidrogeno resultante aumenta considerablemente la posibilidad de roturas en la soldadura y/o en la zona afectada por el calor. El precalentamiento reduce el enfriamiento, permitiendo el escape de hidrogeno
Precalentamiento Generalidades MEJORA MICROESTRUCTURA DE LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR Los aceros de baja aleación que contienen elementos tales como cromo, níquel, molibdeno y vanadio son susceptibles a roturas dentro de la zona afectada por el calor. Mediante el precalentamiento se mejora la micro estructura de esta zona. Reduciendo el enfriamiento de la post-soldadura; permitiendo así la formación de micro estructuras más deseables y más dúctiles. Las roturas por endurecimiento, particularmente bajo la superficie son minimizadas.
Precalentamiento Generalidades El precalentamiento reduce la temperatura entre la zona de soldadura y el resto de la pieza. Como consecuencia, la evacuación de calor es más lenta y disminuye la tendencia a la formación de martensita en la zona de soldadura. Cuando se suelda con precalentamiento hay menos probabilidad de que se desarrollen zonas duras en las inmediaciones del cordón, que cuando se suelda en frío. Además, el precalentamiento quema cualquier traza de aceite, grasa o pintura que pudiera estar presente en la junta y también permite una mayor velocidad de soldadura.
Precalentamiento Generalidades El precalentamiento puede realizarse aplicando una llama oxiacetilénica sobre la superficie de la pieza a soldar, o introduciéndola en un horno. Las ventajas específicas son las siguientes: Reduce la posibilidad de fisuración Disminuye la dureza de la zona afectada por el calor Disminuye el valor de las tensiones residuales Reduce la deformación
Precalentamiento Generalidades Para que el tratamiento sea efectivo es muy importante el precalentar a la temperatura adecuada. En los aceros de contenido medio de carbono, esta temperatura suele oscilar entre 95 y 370째C (200 a 700째F), dependiendo del contenido de carbono. Cuanto mayor es el porcentaje de carbono, mayor debe ser la temperatura de precalentamiento.
Precalentamiento Generalidades El control de la temperatura de precalentamiento puede realizarse de muy diversas formas: 1. Mediante el empleo de termopares 2. Marcando la superficie de la pieza con una tiza azul de carpintero. Una marca realizada con esta tiza cambiará a un color gris blanquecino cuando la pieza alcance una temperatura de unos 330°C (625°F). 3. Frotando con una barra de estaño para soldadura sobre la superficie de la pieza. La barra de estaño empieza a fundirse a 182°C. 4. Apoyando un palillo de pino sobre la superficie de las pieza. El palillo empezará a quemarse a unos 335°C (635°F). 5. Utilizando lápices o líquidos comerciales que funden o cambian de color a determinadas temperaturas, especificadas por el fabricante.
Precalentamiento Por qué es necesario? Por efecto de la velocidad de enfriamiento pueden originarse en el acero estructuras metalúrgicas duras, y en casos extremos, provocar una transformación directa de austenita a martensita. Si se calienta el material previamente a la soldadura, se disminuye el desnivel térmico desde la temperatura de fusión del acero, de este modo se favorecen las transformaciones metalúrgicas a estructuras más blandas que resultan menos frágiles y propensas a fisuración en frío.
Precalentamiento Por qué es necesario? La temperatura de precalentamiento tiene como principal función disminuir la velocidad de enfriamiento del conjunto soldado. Es la mínima temperatura que debe ser alcanzada en todo el espesor y en una zona suficientemente ancha a ambos lados de la junta del material base antes de que comience el proceso de soldadura y que normalmente debe mantenerse entre las diversas pasadas en caso de soldadura de pasadas múltiples. Se aplica localmente por resistencia eléctrica o llama de gas y su medición se realiza, siempre que sea posible, en la cara opuesta a la que se está aplicando la fuente de calor, por medio de termocuplas o lápices termoindicadores.
Precalentamiento Por qué es necesario? La temperatura de precalentamiento produce también un efecto importante en la velocidad de difusión del Hidrógeno, consigue microestructuras con menores valores de dureza en la ZAC (Zona Afectada por el Calor) y en el metal de soldadura y previene la formación de martensita en aceros de alto carbono. Además, tiene el efecto secundario de reducir las tensiones residuales disminuyendo los gradientes térmicos asociados a la soldadura.
Precalentamiento Cálculo En la práctica, generalmente las temperaturas de precalentamiento pueden variar desde temperatura ambiente hasta los 450 ºC; en casos específicos puede ser aún mayor. Hay que evitar todo precalentamiento innecesario, ya que consume tiempo y energía. Las temperaturas de precalentamiento excesivas no justifican el costo y podrían degradar las propiedades y la calidad de la unión. La incomodidad del soldador aumenta si el precalentamiento es muy alto, y la calidad del trabajo tiende a ser menor. Las temperaturas de precalentamiento que se usen se basarán en los requisitos de soldadura prescritos, una evaluación técnica competente o los resultados de ensayos o pruebas.
Precalentamiento Cálculo Existen numerosos métodos propuestos para determinar o estimar la necesidad de precalentar en el proceso de soldadura de aceros. Estos métodos consideran algunos o todos de los factores que influyen en la fisuración en frío: composición química del acero, difusión de Hidrógeno, calor aportado, espesor del metal base, tensiones residuales en la soldadura y restricción de la junta. Sin embargo, hay una considerable diferencia en la valoración de la importancia de estos factores entre los distintos métodos. Por ejemplo, el efecto de la composición química difiere de un método a otro en la evaluación de la importancia de cada elemento de aleación, y por lo tanto se obtienen distintos carbonos equivalentes.
Precalentamiento Cálculo Algunos de los métodos existentes para el cálculo de la temperatura de precalentamiento son los siguientes: a) Norma British Standard BS 5135-74. b) Nomograma de Coe. c) Criterio de Düren. d) Criterio de Ito y Bessyo. e) Criterio propuesto por Suzuki. f) Criterio de Suzuki y Yurioka. g) Método de Seferian. h) Método del Instituto Internacional de Soldadura. i) Método del Control de la Temperatura. j) ANSI/AWS D1.1-98 - Structural Welding Code-Steel. k) Método de la Carta. l) Fórmulas propuestas.
Precalentamiento Cálculo En esta presentación se adopta como método alternativo la utilización del criterio aplicado por el Código ANSI/AWS D1.1-98. Este criterio utiliza dos métodos básicos para estimar las condiciones de soldadura para evitar la fisura en frío: Control de Dureza en la ZAC Control del Hidrógeno Con el Carbono y el carbono equivalente del acero se selecciona cuál método emplear. El diagrama de Graville indica las zonas de uso de cada método.
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Precalentamiento Cálculo Las características de comportamiento de cada zona y la interpretación de las mismas es la siguiente: Zona I. La fisuración es improbable, pero puede ocurrir con alto hidrógeno o alto nivel de restricción. Usar el método de control del hidrógeno para determinar el precalentamiento de los aceros de esa zona. Zona II. El método de control de dureza y la dureza seleccionada deberán ser utilizadas para determinar el mínimo calor aportado para soldaduras de filete de pasada única sin precalentamiento. Si el nivel de calor aportado no resulta práctico, usar el método de control de hidrógeno para determinar el precalentamiento.
Precalentamiento Cálculo Para aceros con alto carbono, puede requerirse un mínimo calor aportado para el control de dureza y un precalentamiento para el control del hidrógeno tanto para soldaduras de filete como de bisel. Zona III. Deberá usarse el método de control del hidrógeno. Donde el calor aportado deberá ser restringido para preservar las propiedades mecánicas de la ZAC(por ejemplo en algunos aceros templados y revenidos) deberá usarse el método de control del hidrógeno para determinación del precalentamiento.
Precalentamiento Cálculo Control de Dureza en la ZAC La selección de la dureza crítica dependerá en un número de factores tales como tipo de acero, nivel de hidrógeno, restricción, y condiciones de servicio. La dureza, sin embargo, puede no ser tolerable en servicio donde hay un alto riesgo de fisuración debido a corrosión bajo tensiones, fractura frágil u otro tipo de riesgos relacionados con la integridad estructural. La velocidad de enfriamiento crítica para una dureza dada, puede ser relacionada aproximadamente con el carbono equivalente del acero.
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Precalentamiento Cálculo Procedimiento 2. La velocidad de enfriamiento crítica deberá determinarse para una dureza máxima en la ZAC seleccionada de 350 HV o 400 HV de acuerdo con la figura 2:
Precalentamiento Cálculo Procedimiento 3. Usando los espesores de chapas para ala y alma, deberá seleccionarse el diagrama apropiado de la figura 3 y deberá determinarse el mínimo calor aportado para una pasada única de soldadura de filete.
Precalentamiento Cálculo Procedimiento 4. Para otros procesos, el mínimo calor aportado para soldaduras de pasada única puede ser estimado aplicando los siguientes factores de multiplicación en relación con el aporte térmico del proceso de soldadura por arco sumergido. Proceso de Soldadura
Factor de Multiplicación
SAW
1
SMAW
1,50
GMAW, FCAW
1,25
Precalentamiento Cálculo Procedimiento 5. La figura 4 podrá utilizarse para determinar los tamaños de filete como una función del calor aportado.
Precalentamiento Cálculo Control del Hidrógeno El método de control del hidrógeno se basa en la hipótesis que la fisura no ocurrirá si la cantidad promedio de hidrógeno que permanece en la junta luego que fue enfriada hasta los 50°C no excede un valor crítico que depende de la composición del acero y el grado de restricción. Usando este método se puede estimar la temperatura de precalentamiento necesaria para permitir la difusión de suficiente hidrógeno fuera de la junta. El método de control del hidrógeno está basado en un único cordón de soldadura de bajo calor aportado que representan una pasada de raíz y asume que la ZAC se endurece.
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Precalentamiento Cálculo Procedimiento Nivel H2 Bajo Hidrógeno. Estos consumibles deben tener un contenido de hidrógeno difusible menor que 10ml/100g de metal depositado o un contenido de humedad del recubrimiento del electrodo menor o igual que 0.4%. A este grupo pertenecen los alambres SAW con fundente seco. Nivel H3 Hidrógeno no controlado. El resto de los consumibles que no alcanzan los requerimientos de H1 o H2. Debe determinarse el grupo correspondiente al índice de susceptibilidad de la Tabla IV-1.
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Precalentamiento Cálculo Procedimiento 2. Niveles Mínimos de Temperatura de Precalentamiento y Entre Pasadas La Tabla IV-2 permite la obtención de las temperaturas mínimas de precalentamiento y entre pasadas que deberán aplicarse. Además establece tres niveles de restricción, los mismos deberán determinarse según el criterio indicado en el siguiente paso.
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Precalentamiento Cálculo Procedimiento 3. Restricciones: La clasificación de los tipos de soldadura con distintos niveles de restricción se efectuará por la experiencia, análisis de ingeniería, investigación o cálculo. Se han establecido tres niveles de restricción: a) Bajo. Este nivel describe juntas soldadas de filete y con biseles simples, en los cuales existe una libertad razonable de movimiento de los elementos estructurales.
Precalentamiento C谩lculo Procedimiento b) Medio. Este nivel describe juntas soldadas de filete y con bisel en las cuales debido a que los elementos estructurales se encuentran fijos o parcialmente fijos existe una libertad de movimiento reducida. c) Alto. Este nivel describe soldaduras en los cuales no existe casi libertad de movimiento para los elementos estructurales unidos (tales como soldaduras de reparaci贸n, especialmente con materiales de gran espesor)
Precalentamiento
FIN GRACIAS!!