Capítulo 1 Preheat, Cálculo de Temperaturas de Precalentamiento 1.1 El Problema del Agrietamiento en Frío PDF

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1 Capítulo 1 Preheat, Cálculo de Temperaturas de Precalentamiento 1.1 El Problema del Agrietamiento en Frío El agrietamiento en frío, también denominado fragilización por hidrógeno, ocurre cuando la soldadura se ha enfriado a una temperatura cercana a la ambiente, de ahí su denominación en frío. Las...

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Capítulo

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Preheat, Cálculo de Temperaturas de Precalentamiento 1.1 El Problema del Agrietamiento en Frío El agrietamiento en frío, también denominado fragilización por hidrógeno, ocurre cuando la soldadura se ha enfriado a una temperatura cercana a la ambiente, de ahí su denominación en frío. Las causas más comunes por las cuales se presenta este fenómeno son las características del material base (una microestructura susceptible a la fragilización), el efecto del hidrógeno introducido durante la operación de soldadura, y las tensiones residuales derivadas del proceso. Los aceros al carbono son sensibles al agrietamiento si su contenido de carbono es relativamente alto. Los aceros de baja aleación están más expuestos a la fragilización en frío a causa de su templabilidad. La tendencia aumenta con el espesor de los elementos soldados y cuando la energía de arco disminuye. La fragilización por hidrógeno, comúnmente se retrasa algunas horas mientras el hidrógeno atómico difunde hacia las zonas de alto esfuerzo. En las zonas de defectos microestructurales el hidrógeno cambia a su forma molecular causando grietas. El agrietamiento puede ocurrir en la ZAT o en el metal de soldadura, las grietas pueden ser longitudinales o transversales.

Figura 1.1.1: Distintas grietas en soldadura. Para los aceros al carbono, es más frecuente el agrietamiento en la ZAT debido a que los electrodos utilizados son usualmente bajos en su contenido de carbono y el metal soldado es generalmente no endurecible (templable). Esto no ocurre si se utiliza un electrodo de alta aleación, o si el metal de soldadura se hace más templable por la dilución del carbono desde el metal base. Uno de los problemas serios de la fragilización por hidrógeno es la dificultad en detectar la presencia de una grieta. El retraso natural en la formación de algunas grietas

2 requiere que la inspección no se realice inmediatamente, especialmente en soldaduras en las que se aplicarán esfuerzos externos cuando entren en servicio. Debido a que algunas grietas no alcanzan la superficie, no son detectables por los métodos de inspección visual (por ejemplo líquidos penetrantes o partículas magnéticas). La inspección por ultrasonido es capaz de detectarlas, dependiendo de la pericia del operador. Dada la dificultad en detectar las grietas producidas por la fragilización por hidrógeno y la posibilidad de que estas grietas se transformen en fallas en servicio, lo más prudente es tomar las precauciones necesarias para prevenir este fenómeno.

Figura 1.1.2: Agrietamiento por hidrógeno en la ZAT de un acero al carbono manganeso.

1.1.1 Prevención del Agrietamiento en Frío Los principales métodos para evitar el agrietamiento en frío son: • • • • •

Precalentar la pieza a soldar, lo cual incluye la mantención de una temperatura de interpase adecuada. Controlar el flujo de calor en soldadura Realizar tratamientos térmicos postsoldadura Utilizar un proceso/consumible de bajo aporte de hidrógeno Utilizar metales de aporte con materiales alternativos (por ejemplo electrodos austeníticos).

Los dos primeros métodos actúan de una forma similar, debido a que permiten que el hidrógeno absorbido difunda fuera de la región de soldadura antes de que ésta se enfríe a la temperatura en la cual ocurre la fragilización. De esta manera se prolonga el ciclo térmico experimentado por el metal de soldadura y la ZAT.

1.1.2 Precalentamiento El precalentamiento es el aumento local de temperatura en el metal base, a ambos lados de la unión, a un valor sobre la temperatura ambiente. La necesidad de precalentamiento se determina usualmente por el código de fabricación pertinente y se verifica por el procedimiento de calificación de soldadura. El precalentamiento se utiliza como ayuda a la soldadura por una de las cuatro razones que se describen a continuación:

3 1. Para disminuir la velocidad de enfriamiento, especialmente bajo los 800° C en la ZAT, para reducir la dureza. Los aceros de alto contenido de carbono y los de baja aleación, se endurecen si son templados desde una alta temperatura (sobre 850° C). El mismo proceso puede ocurrir en una unión soldada en la cara de fusión del metal base. Al aumentar la temperatura del metal base a soldar, se reduce el diferencial de temperatura entre la pileta líquida y el metal que la rodea, el endurecimiento se reduce al enfriarse la soldadura. Al reducir la dureza se reduce el riesgo de que se produzcan grietas. 2. Para controlar la velocidad de difusión del hidrógeno en una unión soldada. El arco de soldadura descompone el agua, presente como humedad, en sus elementos básicos que son hidrógeno y oxígeno. Ambos gases son fácilmente absorbidos en el metal de soldadura a altas temperaturas y pueden quedar atrapados durante el enfriamiento. A altas temperaturas el hidrógeno puede jugar un rol importante en las grietas de la ZAT y del metal de soldadura. El precalentamiento con sus efectos benéficos en la velocidad de enfriamiento, ayuda a promover la difusión de hidrógeno fuera de la estructura del acero. El precalentamiento también ayuda a que la zona de soldadura permanezca seca. 3. Para reducir los esfuerzos térmicos. Los esfuerzos térmicos se producen cuando la pileta líquida se enfría. Una soldadura puede agrietarse si el metal base se opone a la contracción del metal de soldadura, cuando éste se enfría, y si el área de sección transversal de la unión es insuficiente para resistir el esfuerzo de tracción resultante. El precalentamiento puede controlar el nivel de esfuerzo, reduciendo los gradientes de temperatura y reduciendo la velocidad de enfriamiento. 4. Compensación por pérdidas de calor. Las secciones más delgadas de un acero con alta conductividad térmica pueden necesitar precalentamiento durante la soldadura para asegurar la fusión. Los métodos de cálculo utilizados por Preheat corresponden a cuatro fuentes distintas: • • • •

Norma AWS (anexo XI de la norma ANSI/AWS D1.1-2000 Structural Welding CodeSteel) (2) Norma británica BS 5135 (BS 5135:1984, Procesos de Soldadura al Arco de Aceros al Carbono y Aceros al Carbono Manganeso) (3) Código ASME, Boiler and Pressure Vessel Code (Sección VIII: Pressure Vessel, apéndice R “Preheating”) (4) ASM Handbook (sección “Soldadura de Aceros al Carbono” del volumen 6 del ASM Handbook) (5)

Estos métodos se describen a continuación

1.1.3 Norma AWS (2) El Anexo XI de la norma ANSI/AWS D1.1-92 Structural Welding Code-Steel tiene como propósito entregar algunos métodos alternativos (principalmente precalentamiento) para determinar las condiciones de soldadura que eviten la fragilización en frío. Estos métodos están basados principalmente en pruebas a escala realizadas en algunos laboratorios durante largos periodos de tiempo. Los métodos utilizados en este apéndice son dos: 1. El método de control de dureza de la ZAT 2. El método de control de Hidrógeno

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Debido a su mayor aplicabilidad el método utilizado por Preheat es el de control de Hidrógeno.

Método de Control de Hidrógeno Se basa en la suposición de que no ocurrirá grieta si la cantidad remanente de hidrógeno en la unión soldada se mantiene bajo un cierto nivel crítico, dependiendo de la composición del acero y del nivel de sujeción, luego de que ésta se enfríe aproximadamente a 50º C. La temperatura de precalentamiento necesaria para facilitar la difusión del hidrógeno fuera de la unión puede ser estimada con este método. La determinación del nivel de sujeción de la unión soldada y del nivel de hidrógeno en la pileta líquida es requerido para los cálculos. El nivel de sujeción se clasifica como Alto, Medio o Bajo y debe ser establecido de acuerdo a la experiencia del fabricante y/o ingeniero de soldadura. El método es particularmente útil para aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, High Strength Low Alloy) que posean alta templabilidad, y en donde el control de dureza no sea factible de realizar. El cálculo del valor de la temperatura de Precalentamiento e Interpase, para éste apéndice se basa en los siguientes parámetros: 1.-Parámetro de Composición Pcm El valor del parámetro de composición Pcm se calcula como: Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B La composición química del metal base puede ser obtenida de un análisis químico, o una norma de fabricación 2.- Nivel de Hidrógeno El nivel de hidrógeno se determina y define como: H1 Extra Bajo Hidrógeno Los consumibles con este nivel poseen una cantidad de hidrógeno difusible menor que 5 ml/100 g de metal depositado cuando la medición se realiza con la norma ISO 3690-1976-E o, un contenido de humedad del recubrimiento de 0.2% máximo de acuerdo a AWS A5.1 (8) o A5.5 (9). Lo anterior se establece con pruebas a cada paquete o combinación de alambre/fundente usados luego de ser removidos de su envoltura y expuestos al medio, considerando las condiciones de almacenamiento previas al uso inmediato. Los siguientes consumibles cumplen con estos requerimientos: a)Electrodos de bajo hidrógeno almacenados en contenedores herméticamente sellados, secados a 370º - 430º C durante una hora y usados luego de dos horas de su desempaque. b)GMAW con alambre sólido limpio. H2 Bajo Hidrógeno Estos consumibles poseen un contenido de hidrógeno difusible menor que 10 ml/100 g de metal depositado, cuando la medición se realiza con la norma ISO 3609-1976 o

5 un contenido de humedad del recubrimiento de 0.4% máximo de acuerdo a AWS A5.1. Los siguientes consumibles cumplen con estos requerimientos: a)Electrodos de bajo hidrógeno almacenados en contenedores herméticamente sellados, de acuerdo con la sección 4.5.2 de la norma y utilizados luego de cuatro horas. b)SAW con fundentes secos. H3 Hidrógeno no Controlado Todos aquellos consumibles que no cumplan con los requisitos de H1 o H2. Con los valores del parámetro de composición Pcm, y el nivel de Hidrógeno se determina un índice de susceptibilidad, con el cual se determina la temperatura de precalentamiento adecuada. La siguiente tabla muestra los índices de susceptibilidad agrupados en función del nivel de hidrógeno y el Pcm. Tabla 1.1.1: Índice de Susceptibilidad en función del Nivel de Hidrógeno “H”, y el Parámetro de Composición Pcm (Tabla XI-1 AWS D1.1). Índice de Susceptibilidad Parámetro de Composición Nivel de Hidrógeno H H1 H2 H3

< 0.18

< 0.23

< 0.28

< 0.33

< 0.38

A B C

B C D

C D E

D E F

E F G

Para un mejor ordenamiento en el cálculo, los índices de susceptibilidad se han agrupado por rangos denominados por letras que van de la A hasta la G, los cuales se muestran a continuación: • • • • • • •

A = 3.0 B = 3.1 – 3.5 C = 3.6 – 4.0 D = 4.1 – 4.5 E = 4.6 – 5.0 F = 5.1 – 5.5 G = 5.6 – 7.0

3.-Sujeción La determinación del nivel de sujeción de una pieza soldada debe determinarse mediante la experiencia, criterio ingenieril, investigación o cálculos. Tres niveles son posibles: Sujeción Baja Este nivel describe uniones de filete y de tope comunes con un razonable grado de libertad de movimiento de sus componentes.

6 Sujeción Media Este nivel describe uniones de filete y de tope en las cuales, debido a que sus componentes están unidos a piezas estructurales, existe un reducido grado de libertad de movimiento. Sujeción Alta Este nivel describe uniones en las cuales casi no existe libertad de movimiento de sus componentes (tales como reparación de piezas por soldadura, especialmente en secciones de gran espesor). Los niveles requeridos de temperatura de precalentamiento se entregan en la tabla IX2 del anexo XI, la cual se reproduce a continuación. Los niveles de sujeción deben ser determinados de acuerdo al párrafo anterior Tabla 1.1.2: Temperatura Mínima de Precalentamiento e Interpase para tres Niveles de Sujeción (Tabla XI-2 AWS D1.1). Temperatura Mínima de Precalentamiento e Interpase (° C) Índice de Susceptibilidad Nivel de Espesor A B C D E F G Sujeción [mm]

Baja

< 10 10-20 20-38 38-75 > 75

< 20 < 20 < 20 20 20

< 20 < 20 < 20 20 20

< 20 20 20 40 40

< 20 60 80 95 95

60 100 110 120 120

140 140 140 140 140

150 150 150 150 150

Media

< 10 10-20 20-38 38-75 > 75

< 20 < 20 20 20 95

< 20 < 20 20 80 120

< 20 20 75 110 140

< 20 80 110 130 150

70 115 140 150 160

140 145 150 150 160

160 160 160 160 160

Alta

< 10 10-20 20-38 38-75 > 75

< 20 < 20 20 115 115

< 20 20 85 130 130

20 65 115 150 150

40 105 140 150 150

110 140 150 160 160

150 160 160 160 160

160 160 160 160 160

1.1.4 Norma BS 5135 (3) La norma británica BS 5135:1984, Procesos de Soldadura al Arco de Aceros al Carbono y Aceros al Carbono Manganeso, especifica los requerimientos para la soldadura al arco manual, semiautomática, automática y mecanizada de los aceros al carbono y carbono manganeso, que contengan un valor máximo de carbono equivalente de 0.54 en todas sus formas de producción, incluyendo secciones circulares y rectangulares.

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Apéndice E Guía para Evitar la Fragilización por Hidrógeno (BS 5135) La ocurrencia de grietas en uniones soldadas depende de un número de factores: composición del acero, el procedimiento de soldadura, consumibles, y los niveles de resistencia aplicada. Si la velocidad de enfriamiento de la soldadura es demasiado rápida, en la zona afectada térmicamente (ZAT) ocurrirá un endurecimiento excesivo. Si existe suficiente cantidad de hidrógeno remanente en la unión, la zona endurecida puede presentar grietas bajo la influencia de esfuerzos residuales luego de que la soldadura se enfríe a temperatura ambiente. Las condiciones para evitar el agrietamiento deben asegurar que la ZAT se enfríe en forma lo suficientemente lenta, esto se consigue mediante el control de las dimensiones del cordón de soldadura y de la aplicación de precalentamiento y control de la temperatura de interpase. Los parámetros considerados por la norma BS 5135, para el cálculo de la temperatura de Precalentamiento son los siguientes: 1.- Carbono Equivalente CE (3) El metal base debe ser un acero al carbono o carbono manganeso cuya composición química, en %, determinada por un análisis químico posea un valor de CE de 0.54 como máximo calculado según la formula: CE = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 Nota: La norma no especifica requerimientos para aceros con CE > 0.54, los resultados obtenidos se utilizan como guía solamente. 2.- Escalas de Hidrógeno Corresponden a: Escala A: Hidrógeno Alto (>15 ml/100 g de metal depositado). Escala B: Hidrógeno Medio (10-15 ml/100 g de metal depositado). Escala C: Hidrógeno Bajo (5-10 ml/100 g de metal depositado). Escala D: Hidrógeno muy Bajo (≤ 5 ml/100 g de metal depositado). Para una guía general sobre la elección de la escala apropiada de hidrógeno para un proceso distinto de Arco Manual (SMAW) se debe considerar lo siguiente: Electrodos de alambre sólido para proceso con protección gaseosa (GMAW) deben usarse con la escala C a menos que se especifique otro. Esta escala puede ser utilizada con otros consumibles luego de aplicarles los tratamientos de secado correctos. Los procesos TIG (GTAW) utilizan la escala D. Esta escala puede ser usada con otros consumibles luego de los tratamientos apropiados de secado u otros. Los procesos de Arco Sumergido (SAW) o Alambre Tubular (FCAW) pueden corresponder a cualquiera de las escalas A a la D, dependiendo de las características de cada producto en particular. 3.- Espesor Combinado El espesor combinado se determina como el promedio de la suma de los espesores de los metales base a una distancia de 75 mm de la línea de soldadura

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Figura 1.1.3: Ejemplos de cálculo de espesor combinado (BS 5135). 4.- Energía de Arco El valor de la energía de arco (en KJ/mm) se calcula como: (V*I/w)*10E-3 donde

V I w

: voltaje (V) : corriente (A) : velocidad de pasada (mm/s)

Para los procesos distintos a SMAW se aplican los siguientes factores (se divide el valor de la energía de arco por el factor respectivo) SAW GMAW GTAW

= 0.8 = 1.0 = 1.2

Las condiciones de Soldadura para evitar la fragilización por hidrógeno en Aceros al Carbono Manganeso, se exponen en forma grafica en la figura 4 de la norma BS 5135, para el rango normal de composiciones, expresadas en función del carbono equivalente. A continuación se muestra un ejemplo de estos gráficos.

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Figura 1.1.4: Gráfico para cálculo de temperatura de precalentamiento en función de espesor combinado y energía de arco (Figura 4 norma BS 5135). La secuencia de cálculo al utilizar la norma se muestra en el siguiente diagrama (ejemplo para la temperatura de precalentamiento): 1

2 Ubicar gráfico correspondiente en Fig. 4 según escala de hidrógeno A, B, C o D

Calcular CE 4

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Leer el valor de la Temp. de Precalentamiento de la recta más cercana

Interceptar el valor del CE con el valor de la Energía de Arco

Figura 1.1.5: Pasos para calcular la Temperatura de Precalentamiento según la norma BS 5135.

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1.1.5 Código ASME Sección VIII (4) El código ASME: Boiler and Pressure Vessel Code, Sección VIII, div 1 es un código de fabricación de recipientes a presión.

Apéndice R Precalentamiento La necesidad de precalentar una unión soldada depende de factores tales como el análisis químico, el grado de sujeción de las partes a unir, las propiedades físicas y el espesor del material. No existen reglas obligatorias para aplicar el precalentamiento. Algunas prácticas se entregan en este apéndice como guía general para cada material clasificado según su 2 número P , en este mismo código. El flujo de calor de la soldadura puede contribuir a mantener la temperatura de precalentamiento necesaria luego de comenzar ésta. El método o el grado de aplicación del precalentamiento no está rigurosamente especificado. Normalmente en el caso de la unión de dos materiales con distinto número P, el precalentamiento utilizado corresponderá a aquel del material que posea la temperatura más alta de acuerdo al procedimiento correspondiente.

Cálculo de la Temperatura de Precalentamiento (ASME VIII) Para usar como Referencia el apéndice R del Código ASME VIII se necesitan los siguientes datos: 1.- Datos del Metal Base • •

Número P: Corresponde al número asignado según la sección QW-420 del código ASME IX (9) para el metal base. Para los aceros y aleaciones ferrosas la clasificación va desde el Nºp 1 al Nºp 11 (5A, 5B y 5C inclusive) Grupo : Corresponde a una clasificación dentro de cada número P

2.- Espesor de la Unión Se debe observar el espesor en la unión en los materiales que correspondan a los números P 1 grupos 1, 2 y 3, P 3 grupos 1, 2 y 3, P 4 grupos 1 y 2 y P 5A y P 5B grupo 1. 3.- Composición Química y Propiedades Mecánicas del Metal Base En algunos casos la determinación de la temperatura mínima de precalentamiento se basa en el porcentaje de carbono del metal base y el espesor de la unión (Nº P 1), en la resistencia a la tracción o el espesor en la unión (Nº P 3 y 4), o finalmente en la resistencia a la tracción como única variable o en el porcentaje de Cromo junto con el espesor de la unión (Nº P 5A y 5B)

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Clasificación de los materiales según Código ASME sección IX, se utiliza para reducir los procedimientos de calificación de soldadura requeridos. Cada numero P tiene asociado un grupo, los materiales de cada grupo poseen características comunes tales como composición química, soldabilidad y propiedades mecánicas.

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1.1.6 ASM Handbook (5) La sección Soldadura de Aceros al Carbono del volumen 6 del ASM Handbook contiene amplia información sobre consideraciones de Soldabilidad de estos materiales y la susce...