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“UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA”

TEMA Sede Quito – Campus SUR.

EFECTOS DEL CALOR EN SOLDADURA

PROCESOS DE MANUFACTURA

2020

Mauricio Carrera Ing. Mecánica 24-4-2020

EFECTOS DEL CALOR EN SOLDADURA Todos los metales al calentarse aumentan de tamaño y se reducen al enfriarse. Este fenómeno se conoce como dilatación y contracción, respectivamente. Durante el proceso de la soldadura, el calor producido por el arco tiende a calentar la pieza y, por lo tanto, a dilatarla. Una vez terminada la soldadura, la pieza se enfría y, en consecuencia, tiende a contraerse. Se estudió el efecto del calor aportado, suministrado por el proceso de soldadura, en la microestructura y en el perfil de micro durezas de la zona de la soldadura de un acero micro aleado experimental de alta resistencia. El calor aportado por soldadura produjo una variedad de microestructuras, lo que se vio directamente reflejado en un ablandamiento de la zona afectada por el calor. En procesos de soldadura, el aporte de calor es una medida relativa de la energía transferida a los componentes a ser soldados. Esta medida es importante porque afecta a la rapidez de enfriamiento, la cual, a su vez, afecta a la microestructura final de la soldadura en la zona de fusión (ZF) y en la zona afectada por el calor (ZAC). En general la microestructura finales función de la composición química y ciclo térmico, y a su vez éste último, es función del calor aportado y del componente geométrico (cantidad de material a ser soldado). Esto lleva a que la zona de la soldadura presente, con respecto al material base, un campo de esfuerzos residuales, así como una diferencia de propiedades mecánicas, tenacidad y resistencia al agrietamiento asistido por el medio ambiente. En particular, en los aceros micro aleados, durante el proceso de soldadura, los cambios microestructurales que se pueden presentar son: transformaciones de fase, crecimiento de grano y disolución, crecimiento y precipitación de precipitados. Estos cambios microestructurales, y por lo tanto las propiedades y comportamiento mecánico, así como la resistencia al AAMH, pueden ser controlados en la ZF por medio de la composición química del electrodo en soldaduras donde se utiliza material de aporte. Para el caso de la ZAC, el control de las características microestructurales se da desde la selección del material base (MB) y/o el diseño de la aleación; sin embargo, en la mayoría de las ocasiones no es posible cambiar el MB, por lo que el control de las características se realiza por medio del calor aportado por el arco eléctrico de la soldadura por arco. Generalmente, la subzona de crecimientos de grano de la zona afectada por el calor es la que mayor mente de ve afectada por el calor aportado por la soldadura, debido a que en esta subzona se alcanza la mayor temperatura pico del ciclo térmico. La soldadura de aceros es empleada en la fabricación de tubería de gran diámetro para la conducción de petróleo y sus derivados. Los esfuerzos a los que están sometidos las estructuras de tuberías para el transporte de fluido, acompañados por la agresividad del medio ambiente, son elementos a considerar para establecer los posibles defectos que

pueden inducir a una rotura de sus elementos estructurales, que se encuentran localizados fundamentalmente en la zona afectada por el calor, región que abarca varios milímetros desde la línea de fusión de la soldadura. Los cambios microestructurales que en esta región se producen se deben a la energía calorífica aportada por la soldadura, cuyo ciclo térmico genera productos de transformación, los que dependen fundamentalmente de la temperatura alcanzada, la velocidad de enfriamiento y la composición química del metal base. Estos productos de transformación fragilizan la zona, reduciendo sus propiedades mecánicas cuando la estructura es sometida a cargas cíclicas que facilitan la propagación de una grieta, iniciada en aquellas regiones de la ZAC más proclives a la formación y propagación de microgrietas, cuya elevada velocidad de propagación hace colapsar la estructura en unos instantes Las plantas industriales no pueden controlar sus procesos de fabricación en algunos casos, por lo tanto, el obtener una calidad óptima en sus productos se vuelve una tarea por demás difícil, que día a día enfrentan los responsables de producción. La investigación y desarrollo aplicados en planta puede resolver gran parte de este problema, siempre y cuando exista coherencia en el planteamiento de los proyectos a realizar, enfocándose en problemas específicos y llevar a cabo estudios preliminares que permitan el conocimiento básico del proceso de fabricación y su comportamiento. La zona de soldadura es una región crítica por presentar heterogeneidad microestructural con microconstituyente que muchas veces no es recomendable bajo las condiciones de operación, además de la contribución de los esfuerzos residuales generados por el proceso de soldadura. En dicha zona es más fácil que se generen problemas de fragilización o agrietamiento, que muchas veces se combinan con agentes corrosivos, favoreciendo diversos mecanismos de daño. Las operaciones de soldadura al arco utilizan metales de aportación que dependen de muchos factores económicos que están relacionados con la cantidad de metal de aporte consumido al realizar una soldadura. Todo esfuerzo debe ser hecho para reducir la cantidad de metal de relleno requerido por cada junta soldada, conforme con los requerimientos de calidad. Las pérdidas por oxidación de los elementos útiles, como el carbono en los aceros, el silicio en las fundiciones, modifican las características mecánicas. El análisis de las áreas de las juntas de soldar diseñadas, los procedimientos de soldadura y la preparación de las piezas a soldar pueden proveer oportunidades para minimizar costos. Este es un proceso en el cual el calor necesario para la soldadura se suministra mediante un arco (o arcos) que se lleva a cabo entre una barra de metal consumible o electrodo y la pieza de trabajo. El arco se cubre mediante una cama de fundente que protege al metal líquido y al metal base que está cerca de la junta, funcionando como una capa protectora.

Durante la soldadura por fusión la interacción entre el metal base y la fuente de calor lleva a rápidos calentamiento y fusión, y a una vigorosa circulación de metal fundido. La transferencia de calor y el flujo defluido resultantes afectan la distribución de temperaturas en el metal base, la forma y tamaño de la pileta líquida, el proceso de solidificación, la velocidad de enfriamiento y las cinéticas de transformación en estado sólido en el metal de soldadura y en la zona afectada por el calor (ZAC, HAT, ZIT). La variación de la temperatura con el tiempo, a menudo denominada como ciclo térmico, afecta a la evolución microestructural, las tensiones residuales y la magnitud de las distorsiones en la soldadura Sobre la superficie de la pileta líquida la distribución de temperaturas influye en la pérdida de elementos de aleación por evaporación y en la absorción y desorción de hidrógeno y de otros gases como oxígeno y nitrógeno, por lo que la composición, la microestructura y propiedades resultantes del metal de soldadura se ven afectadas. Los efectos de tan elevado calentamiento local sobre las propiedades mecánicas del metal de las piezas por soldar y de la zona misma de soldadura se estudia, sin embargo, antes de seguir adelante, deberá estudiarse el mecanismo de la solidificación, a la vez que se recuerdan algunos de los principios aplicables a los procesos de tratamientos térmicos que fueron estudiados. La manera en que los cristales o gramos del metal adquieren sus formas en los momentos de la solidificación depende del ritmo con que el metal fundido vaya perdiendo el calor. El efecto del calor de entrada en las propiedades mecánicas y metalúrgicas de las soldaduras en la zona afectada por calor (ZAC) de las uniones soldadas mediante el proceso de soldadura de Arco Metálico con Protección de Gas (GMAW por sus siglas en ingles), evaluando los parámetros de soldadura típicamente utilizados durante la producción normal de chasises para la industria automotriz. La dilatación y contracción de las piezas que se sueldan trae como consecuencia: • •

La deformación de las piezas soldadas La formación de tenciones internas, que debilitan la junta soldada

No se puede evitar la dilatación y contracción, pero es posible ayudar a prevenir sus efectos mediante la aplicación de las reglas siguientes: • • • •

Reducción de las fuerzas de contracción Utilización de las fuerzas que causan la contracción, para reducir las deformaciones Equilibrar las fuerzas de contratación por medio de otras fuerzas Reducción de las fuerzas causantes de contratación

Mediante la aplicación de las siguientes reglas es posible disminuir el calentamiento de las piezas y sus efectos: •

Utilizar el menor número posible de pasadas o cordones

Evitar depositar varios cordones con electrodos delgados y preferir pocos cordones con electrodos de mayor diámetro.

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No debe depositarse excesivamente

material

Ya que no se produciría mayor resistencia en la junta; al contrario, la pieza se calienta más y se emplea más material de aporte y tiempo. •

Realizar soldaduras alternadas

A menudo es posible depositar las 2/3 partes del metal de aporte, obteniendo igual resistencia. Por ello, si es posible se prefiere una soldadura alternada antes que una continua •

Preparar la pieza adecuadamente

Es posible reducir la intensidad de la contracción, preparando la pieza en forma adecuada. En la preparación de la junta se deben observar los ángulos correctos para el achaflanado (a,b) la separación de bordes (c) y la altura de raíz o talón (d), teniendo presente que estos valores están en función del espesor de la pieza (e), tipo de electrodo y material base. •

Ejecutar la soldadura por retroceso

Si una junta larga requiere un cordón continuo, es posible reducir la contracción soldando por retroceso. El sentido de avance puede ser hacia la izquierda, pero cada cordón parcial debe ejecutarse de izquierda a derecha, como indica la figura. Utilización de las fuerzas causantes de contracción para reducir la deformación. Las siguientes reglas permiten cumplir con este objetivo: •

Presentar las piezas fuera de posición

Al presentar las piezas tal como indica la figura, o sea no alineadas, luego de ejecutar el cordón la fuerza de contracción las alineará. Las figuras dan ejemplos para la aplicación de esta regla.

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Separar las piezas para equilibrar la contracción

La separación de dos planchas, antes de soldarlas, sirve para que se contraigan a medida que la soldadura avanza, como indica la figura. •

Curvado previo del lado opuesto al de soldadura

La fuerza opuesta por las grapas contrarresta la tendencia del metal de soldadura a contraerse, obligándolo a estirarse. Al retirar las grapas, la fuerza de contracción a línea la pieza. Equilibrio de las fuerzas de contracción con otras fuerzas. Las reglas indicadas a continuación pueden ayudar a cumplir con este objetivo: •

Equilibrar las fuerzas de contracción con otras fuerzas

Un orden adecuado en la aplicación de cordones equilibrará los esfuerzos que se produzcan. Observe las indicaciones dadas por las figuras.

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Aplicar la soldadura alternadamente para evitar la contracción

El ejemplo más claro de esta regla se tiene en la soldadura de un eje, que debe ser rellenado en la forma indicada para evitar la deformación.

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precalentamiento

El precalentamiento puede ser definido como la aplicación de calor a un metal base o sustrato, antes de la respectiva soldadura. Los sopletes de gas, calentadores eléctricos, o calentadores de paneles radiantes infrarrojos pueden ser utilizados para realizar el precalentamiento, lo cual reduce la velocidad de enfriamiento de soldadura y por tanto evita el agrietamiento en frío de las soldaduras POSCALENTAMIENTO

El post-calentamiento se puede definir como la aplicación de calor a un ensamblado después de la respectiva soldadura. El post-calentamiento incluye tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), calentamiento inmediatamente posterior a la soldadura (IPWH), normalización, enfriamiento rápido, y revenido (envejecimiento). Los propósitos principales de estas operaciones en la fabricación de soldadura son los siguientes:  PWHT: Aliviar las tensiones residuales  IPWH: Aliviar el hidrógeno difusible  Normalización: Refina microestructuras deformadas por causa del moldeo en caliente (por ejemplo, es aplicada en la placa terminal de los recipientes)  Enfriamiento rápido: Endurece soldaduras por enfriamiento rápido, utilizando agua, aire, o niebla (por ejemplo, es aplicado en ejes alisados)  Revenido (Envejecimiento): Estabiliza microestructuras después del enfriamiento rápido o soldadura. Zona afectada por el calor Los efectos de soldar pueden ser perjudiciales en el material rodeando la soldadura. Dependiendo de los materiales usados y la entrada de calor del proceso de soldadura usado, la zona afectada térmicamente (ZAT) puede variar en tamaño y fortaleza. La difusividad térmica del material base es muy importante - si la difusividad es alta, la velocidad de enfriamiento del material es alta y la ZAT es relativamente pequeña. Inversamente, una difusividad baja conduce a un enfriamiento más lento y a una ZAT más grande. La cantidad de calor inyectada por el proceso de soldadura también desempeña un papel importante, pues los procesos como la soldadura oxiacetilénica tienen una entrada de calor no concentrado y aumentan el tamaño de la zona afectada. Difusividad Térmica es una propiedad específica de cada material para caracterizar conducción de calor en condiciones no estacionarias. Este valor describe cuán rápido un material reacciona a un cambio de temperatura. Para predecir procesos de enfriamiento o para simular campos de temperatura, la Difusividad Térmica debe ser conocida. Procedimiento experimental Se soldaron tres probetas de metal de aporte puro según la norma ANSI/AWS A5.29-2005 [9], utilizando diferentes calores aportados (bajo, medio y alto), con un alambre tubular del tipo flux cored de 1,2 mm de diámetro que deposita un acero de 9 % de Cr resistente al creep, bajo el proceso de soldadura FCAW mecanizado con protección gaseosa de gas Ar-20%CO2. Las chapas empleadas en las probetas de aporte puro fueron de acero al carbono, habiéndose enmantecado la junta con el consumible a estudiar, según lo indica Las soldaduras se realizaron con corriente continua polaridad positiva (DC+), con un caudal de gas de 20 L/min, y longitud libre del alambre de 20 mm. Las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas fueron de 240 ºC, valor obtenido según: To = (Ms – 90) ± 10 ºC [10] Para determinar las temperaturas de transformación se realizaron ensayos de dilatometría térmica lineal sobre muestras extraídas de las probetas soldadas, mediante un

dilatómetro NETZSCH, con una velocidad de calentamiento de 15 ºC/min y de enfriamiento de 15 ºC/min hasta 400 ºC, 5 ºC/min hasta 200 ºC y 2 ºC/min hasta 50 ºC. Luego se realizaron PWHT a diferentes temperaturas (760, 780 y 800 ºC) y con distintos tiempos (30 min, 1h, 2h y 4h) de tratamiento para cada uno de los calores aportados analizados. De cada probeta soldada se extrajeron cortes transversales para estudios de composición química, metalografía y microdureza y probetas de impacto Charpy-V, en las diferentes condiciones de PWHT. La composición química del metal de aporte puro como soldado (AW) se determinó por espectrometría de emisión y los contenidos de C y S con equipos Leco. La caracterización microestructural se realizó mediante microscopía óptica (LM) y electrónica de barrido (SEM). Para revelar la microestructura se utilizó el reactivo Villela. Se realizaron barridos de microdureza Vickers con 1 kg de carga (HV1). El desarrollo de plantas de producción de energía termoeléctrica ultra supercríticas requiere la utilización de nuevos aceros que permitan reforzar y estabilizar la matriz de martensita para las altas temperaturas y presiones necesarias [1-5]. Los aceros al Cr-Mo resistentes al creep compiten con los aceros inoxidables austeníticos al presentar mejor resistencia a la termofluencia lenta, mayor conductividad térmica y menor coeficiente térmico de expansión lineal, además de tener menores costos de fabricación y transformación en productos tubulares. Por otro lado, debido a su alta resistencia mecánica, los aceros con 9 % Cr permiten reducir los espesores de pared y mejorar la resistencia a la corrosión en comparación con los aceros convencionales de baja y media aleación, además de presentar mayor tenacidad y mejor comportamiento a la termofluencia lenta. A partir del acero Cr-Mo ASTM A335 grado P91 últimamente, se han desarrollado nuevas aleaciones que permiten incrementar su resistencia a altas temperaturas mediante el agregado de W a expensas de una reducción en el contenido de Mo y adiciones de Co y B. En la literatura existen algunos trabajos sobre consumibles experimentales que ajustan su composición química a la de estos nuevos aceros, para ser usados en los procesos de soldadura SMAW, GMAW y SAW [6,7], pero no se reporta ningún trabajo sistemático con alambres tubulares para soldar por el proceso FCAW. Las propiedades mecánicas y la resistencia a la termofluencia del metal de aporte puro de estos aceros se obtienen después de un tratamiento térmico post soldadura. Este tratamiento debe realizarse a altas temperaturas, evitando superar la temperatura Ac1, ya que ocurrirían transformaciones microestructurales que podrían deteriorar las propiedades del metal de soldadura.

La composición química del metal de aporte puro influye en las temperaturas de transformación de fases, especialmente el contenido de Ni y Mn; por esta razón se limita el agregado de estos elementos de manera tal que la relación Ni+Mn no supere el valor de 1,5 % en el metal depositado. Aunque tales aceros normalmente tienen una microestructura completamente martensítica, ellos son susceptibles a la formación de ferrita-δ, principalmente durante los procesos de soldadura. La ferrita-δ tiene varios efectos negativos en las propiedades tales como la resistencia al creep, ductilidad y tenacidad. Por ello, es importante evitar su formación [8]. El objetivo del presente trabajo fue analizar el efecto del calor aportado (HI) y del tratamiento térmico post soldadura (PWHT), realizado a diferentes tiempos y temperaturas, sobre las propiedades mecánicas y la microestructura del metal de aporte puro de un acero 9 % Cr-Mo avanzado depositado por FCAW.

El precalentamiento del acero a soldar frena la velocidad de enfriamiento en la zona de la soldadura. Esto puede ser necesario para evitar el agrietamiento en el metal de la soldadura o en la zona afectada por el calor. La necesidad de aumentar el precalentamiento va en relación a diferentes variables como el espesor del acero, las restricciones de soldadura, el contenido de carbono/aleación del acero, y el hidrógeno de difusible del metal de soldadura. El precalentamiento se aplica comúnmente con sopletes de gas o calentadores de resistencia eléctrica. Desde un punto de vista general, el precalen-tamiento incluye la temperatura entre pasadas cuando se trata de soldadura en multipasadas cuando el calor generado durante la soldadura no es suficiente para mantener la temperatura de precalentamiento entre pasadas sucesivas. La temperatura de precalentamiento es la mí-nima temperatura que debe ser alcanzada en to-do el espesor del material antes de soldar, y que debe extenderse en una zona suficientemente an-cha a ambos lados de la junta soldada. En la práctica la temperatura de precalenta-miento puede fijarse entre temperatura ambiente y 450°C, y aún hasta 600-700°C en casos muy específicos como la soldadura del hierro fundido. La temperatura de precalentamiento debe ser balanceada con el calor aportado durante la ope-ración de soldadura de acuerdo al tipo de acero y en función de las propiedades requeridas para la junta soldada. Para soportar las condiciones de servicio principalmente debido a la reducción de los problemas que se mencionaron antes. El precalentamiento se hace en metales altamente conductivos para mantener suficiente calor en el área de trabajo de soldadura. En los trabajos de naturaleza critica la temperatura de precalentamiento debe controlarse de modo preciso. En estos casos, se usan sistemas de calentamiento controlable, y se conectan pares termoeléctricos directamente a la parte que se está calentando. Los pares termo eléctricos directamente a la parte que se está calentando.

BIBLIOGRAFÍA batista, w. (2016). Efecto térmico de la soldadura por arco sumergido en un acero bajo aleado. Cuba: Instituti Superior Minero Metalúrgico. Edgar, L. (2013). Efecto del calor aportado por soldadura en un acero microaleado. Pachupa México: Universidad Nacional Autonoma de México. Gómez, M. (2006). Procedimientos de mecanizado. Madrid: Paranifo. doi:84-9732-428-5 ASM International (2003). Trends in Welding Research. Materials Park, Ohio: ASM International. ISBN 0-87170-780-2 Kalpakjian, Serope and Steven R. Schmid (2001). Manufacturing Engineering and Technology. Prentice Hall. ISBN 0-201-36131-0.