Soldadura y tratamientos térmicos
Debido a las numerosas consultas de nuestros clientes, en las que nos solicitan aclaraciones sobre aspectos básicos de los diferentes tratamientos térmicos relacionados con la soldadura, hemos decidido publicar este artículo en nuestro blog. El texto forma parte de la formación, en este caso nivel básico, que Montajes Industriales EOS S.A., ofrece a sus técnicos de tratamiento térmico. Si desea profundizar en el tema al final del texto podrá encontrar una amplia bibliografía. Las imágenes y parte de los textos que se recogen en este artículo son propiedad intelectual de sus autores. El texto que encontrara a continuación es un extracto del capítulo 4 de la “Guía formativa para técnicos de tratamiento térmico “
Durante el proceso de soldadura se generan efectos indeseables en el material, los principales son:
Generación de tensiones residuales que pueden producir fragilidad en piezas de gran espesor o distorsión en piezas de poco espesor, estas tensiones son de dos tipos: de tracción y de compresión.
Absorción de hidrógeno en la soldadura, debido a factores ambientales o a la utilización de material de aportación en condiciones inadecuadas.
Modificación de la estructura del metal aumentando la dureza de la zona afectada por el calor y produciendo fragilidad o favoreciendo la aparición de corrosión inducida por estrés o fisuras por la presencia de hidrógeno en la soldadura.
Con el fin de mitigar la influencia de estos efectos no deseados las uniones soldadas requieren el calentamiento controlado tanto del metal base como del metal de soldadura. Estos procedimientos de calentamiento mantenimiento y enfriamiento controlado, se pueden dar antes, durante y después del proceso de soldadura y afectan a las propiedades mecánicas de la unión soldada, parámetros erróneos tanto ya sea en las velocidades de enfriamiento o calentamiento, o tiempos y temperaturas de mantenimiento, pueden ocasionar que las propiedades mecánicas de la soldadura no sean las adecuadas. Al conjunto de técnicas consistentes en aplicar calor, de forma controlada, a la unión soldada lo llamaremos tratamientos térmicos de la soldadura. Emplearemos dos formas de agruparlos:
Por la temperatura alcanzada: subcríticos e hipercríticos.
Por el momento en el que se realizan: bake-out, precalentamiento, post calentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Configuración de las resistencias en función del tratamiento térmico a realizar
Bake-out (desgasificado, deshidrogenado, outgassing)
Precalentamiento con la finalidad de eliminar el hidrógeno presente en una pieza, antes de proceder a realizar un trabajo en ella, generalmente soldaduras de reparación o mecanizados. Consiste en elevar la temperatura del metal para conseguir que el hidrógeno molecular que pueda estar presente en la pieza, debido a las condiciones de servicio, pueda pasar a estado atómico y difundir fuera. El hidrógeno en estado molecular atrapado en huecos, inclusiones, defectos de la soldadura, necesita disociarse, elevando la temperatura, en hidrógeno atómico. La presencia de hidrógeno es común en equipos y tuberías asociadas a servicios que contienen H2S. La utilidad del Bake-Out consiste en elevar la pieza a una temperatura determinada, durante un tiempo suficiente, que permita la transformación del hidrógeno molecular en atómico y migre al exterior de la pieza para reducir el riesgo de fisuración en frío durante el proceso de soldadura.
Para determinar el tiempo y la temperatura necesarios, conviene tener en cuenta algunos parámetros:
Contenido inicial de hidrógeno (depende del servicio y/o del proceso de soldadura empleado en la construcción del equipo o tubería).
Contenido final aceptable de hidrógeno.
Coeficiente de difusión del hidrógeno.
Distancia hasta el exterior del material (normalmente se considera la mitad del espesor).
Restricciones de temperatura, que puedan causar efectos no deseados en el material.
Normalmente los códigos constructivos no dan indicaciones para la realización de este tipo de deshidrogenado. API RP 945(2008) 6.5.3 recomienda para reparaciones en servicios de aminas realizar el Bake-Out a una temperatura entre 232 y 316 ºC, por un periodo de 2 a 4 horas
Precalentamiento / Temperatura entre pasadas
El precalentamiento implica calentar el metal de base, ya sea en su totalidad o sólo la región que rodea la junta antes de la soldadura, a una temperatura específica, llamada temperatura de precalentamiento. El calentamiento debe continuar durante el proceso de soldadura. El precalentamiento puede producir muchos efectos beneficiosos; Sin embargo, sin un conocimiento práctico de los fundamentos implicados, se corre el riesgo de degradar la integridad de la soldadura.
Si calentamos el material, disminuimos el desnivel térmico desde la temperatura de fusión del acero, desplazando la curva de enfriamiento hacia la derecha del diagrama (TTT) de este modo se favorecen las transformaciones metalúrgicas a estructuras más blandas que resultan menos frágiles y propensas a fisuración.
La temperatura de precalentamiento tiene como principal función disminuir la velocidad de enfriamiento de la soldadura. 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.
En general la temperatura de precalentamiento requerida en soldadura multipasadas es menor que para soldadura de simple pasada. En soldadura de multipasadas el calor de la segunda pasada disminuye la dureza de la ZAC que generó la primera pasada y acelera la migración de hidrógeno. Esto reduce notablemente la posibilidad de fisuración en frío en aceros soldados.
Desplazando la curva de enfriamiento hacia la derecha del diagrama , se favorece la formación de estructuras metalúrgicas menos frágiles y propensas a fisuración
Hay cuatro motivos principales para realizar un precalentamiento:
Se ralentiza la velocidad de enfriamiento en la unión soldada, produciendo una estructura metalúrgica más dúctil con una mayor resistencia al agrietamiento
Una velocidad de enfriamiento más lenta favorece que el hidrógeno que puede estar presente difunda fuera, reduciendo el potencial de agrietamiento.
Reduce las tensiones de contracción entre la soldadura y el metal base especialmente importante en las uniones muy restringidas.
Mejora el comportamiento de algunos aceros ante la rotura frágil y puede ser necesario para asegurar las propiedades mecánicas, tales como resiliencia de metal de soldadura.
Para determinar si se debe o no precalentar es necesario tener en consideración varios aspectos:
Requisitos de códigos, procedimientos o especificación de soldadura.
Espesor de la unión soldada.
Composición química del metal base.
Temperatura ambiente.
Contenido de hidrógeno del metal de aportación.
Problemas de agrietamiento anteriores.
Si se debe seguir una norma de soldadura, este código indicará la temperatura de precalentamiento para un tipo de soldadura, metal base y un espesor determinado. Esta temperatura mínima debe alcanzarse independientemente de las restricciones o la composición química de metales, sin embargo, el valor mínimo podrá ser incrementado si es necesario.
Cuando el proceso de soldadura no está gobernado por un código, se debe determinar si se necesita realizar un precalentamiento, así como la temperatura que tiene que alcanzar dicho precalentamiento. En general, el precalentamiento no es necesario en aceros de bajo contenido de carbono de menos de 1" (25 mm) de espesor. La necesidad de precalentamiento se incrementa con el aumento del espesor, del nivel de hidrógeno en el material de aportación y de la composición química del metal base. Los códigos de soldadura generalmente especifican los valores mínimos de la temperatura de precalentamiento, pero nos podemos encontrar que, para un mismo material, diferentes códigos dan temperaturas de precalentamiento distintas.
En algunas ocasiones existe el riesgo de fragilización de la unión soldada y de la aparición de fisuras ya sea en el metal de soldadura o en la zona afectada por el calor. El ciclo térmico de la soldadura con rápidos calentamientos y enfriamientos, desde temperaturas muy elevadas, favorece la aparición de microestructuras, que han sido sometidas a un ciclo similar al temple. El espesor de la junta, la composición química de material y la presencia de hidrógeno favorecen la fisuración. El precalentamiento es un excelente método de reducir la velocidad de enfriamiento, consiguiendo estructuras menos duras y por lo tanto menos susceptibles a la fisuración, también nos ayuda a difundir el hidrógeno fuera del material.
Cuando no se especifica un código de soldadura, y se ha establecido la necesidad de realizar un precalentamiento, ¿cómo se determina la temperatura de precalentamiento adecuado?
La temperatura de precalentamiento varía en función de diversos factores pudiendo encontrarnos con temperaturas de precalentamiento que superan los 600 ºC. Se debe intentar que la temperatura de precalentamiento este por encima de la temperatura de inicio de la transformación martensitica, evitando la formación de martensita o que esta se forme muy lentamente, para evitar la formación de microestructuras muy duras. En la soldadura por arco de aceros al carbono y de baja aleación, el endurecimiento de la zona afectada por el calor (ZAC) normalmente se debe a la transformación de la austenita en martensita. El grado de endurecimiento depende la composición química de la aleación y la velocidad de enfriamiento. Para los aceros al carbono y de baja aleación, el efecto de la composición química de la aleación, en la dureza de la ZAC se evalúa mediante el carbono equivalente. Se han desarrollado diversos métodos para determinar el carbono equivalente de un acero.
A título orientativo se dan los siguientes valores en función del carbono equivalente (CE):
CE< 0,45 Precalentamiento opcional.
CE entre 0,45 – 0.60 Precalentamiento 95 ºC a 200 ºC.
CE> 0,60 Precalentamiento 200 ºC a 370 ºC.
"Temperatura entre pasada" se refiere a la temperatura del material en la zona de soldadura inmediatamente antes dar la segunda o pasadas posteriores. En la práctica, el mínimo entre pasadas es a menudo igual a la temperatura mínima de precalentamiento.
La temperatura entre pasada es tan importante o más que la temperatura de precalentamiento, con respecto a las propiedades mecánicas y microestructurales de la unión soldada. Por ejemplo, los límites de elasticidad y la rotura por tracción del metal de soldadura dependen de la temperatura entre pasadas. Temperaturas entre pasadas elevadas pueden reducir la resistencia del metal de soldadura. Cuando la resistencia al impacto es un requisito conviene no superar temperatura entre pasadas de 290 °C.
Cuando se especifica una temperatura entre pasadas mínima, la soldadura no debe realizarse si la chapa base está por debajo de esta temperatura.
Una temperatura entre pasadas elevada puede ayudar a obtener una microestructura de grano fino, mejorando la resistencia al impacto, pero en algunos materiales es imprescindible controlar la temperatura entre pasadas máxima para evitar unos niveles de resistencia bajos que pueden no ser adecuados para el servicio (materiales que han recibido tratamiento Q&T).
Mantener una temperatura entre pasadas entre un nivel mínimo que ayude a evitar la aparición de fisuración y un nivel máximo que no afecte a las propiedades mecánicas depende de varios aspectos:
Tiempo entre pasadas.
Espesor del metal base.
Temperatura de precalentamiento.
Condiciones medio ambientales.
Energía aportada.
Transferencia de calor.
Control de la temperatura entre pasadas
Para medir si la temperatura entre pasadas es la especificada, emplearemos tizas de temperatura. Cuando solo se indique una temperatura mínima, usaremos una sola tiza, una vez completada la soldadura de la raíz, comprobaremos antes de que comiencen a soldar, con una tiza adecuada a la temperatura, que hemos alcanzado la temperatura mínima entre pasadas, la tiza debe fundirse, si no ocurre así elevaremos la temperatura de las resistencias.
Cuando nos indiquen un valor máximo y uno mínimo para la temperatura entre pasadas, emplearemos dos tizas, se debe fundir la tiza para el valor mínimo, pero no la tiza para el valor máximo,
La pasada en caliente realizada inmediatamente después de la pasada de raíz es muy efectiva para prevenir la fisuración en frío, dado que puede reducir la concentración de hidrógeno en aproximadamente un 30 a 40% comparados con los casos de pasada de raíz solamente. Esta hace que la temperatura de precalentamiento necesaria se pueda disminuir entre 30 y 50 °C aproximadamente. La pasada en caliente, además, puede disminuir la dureza en la ZAC.
Postcalentamiento (deshidrogenado)
El principal objetivo del postcalentamiento, consiste en reducir la cantidad de hidrógeno presente en la soldadura y el metal base adyacente con el fin de reducir el riesgo de fisuras inducidas por la presencia del hidrógeno o fisuración retardada pues esta puede aparecer al cabo de varias horas o días cuando la pieza se encuentra a temperatura ambiente. Este proceso de calentamiento tiene una gran importancia en la soldadura de aceros de alta resistencia o aleados, sobre todo cuando existe el riesgo de haber introducido hidrógeno en la zona de soldadura por no haber respetado, las temperaturas de precalentamiento o el secado del material de aporte.
Susceptibilidad de formación de fisuras en frío
Cuando se va a realizar un postcalentamiento se debe mantener la temperatura de precalentamiento, hasta que se inicie el mismo.
El postcalentamiento también se emplea cuando va a existir un periodo de tiempo entre que se acaba la soldadura y se inicia el tratamiento térmico de la soldadura.
El postcalentamiento se emplea como un eximente de la realización de tratamiento térmico en soldaduras de reparación con técnicas de Temper Bead.
El postcalentamiento se realiza a una temperatura entre 232 y 316 ºC, por un periodo de 2 horas por pulgada con un mínimo de 2 horas (para aceros al carbono y baja aleación).
Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT)
Los tratamientos térmicos posteriores a la soldadura, en aceros al carbono y aceros de baja aleación son ciclos térmicos que se realizan a temperaturas inferiores a la temperatura critica de transformación Ac1, son tratamientos subcríticos, puesto que no se busca una recristalización de la microestructura (pasar de una estructura cubica centrada en el cuerpo a una estructura cubica centrada en las caras).
Existen muchas razones por las que no realizar tratamientos térmicos localizados a temperaturas hipercríticas:
Los gradientes de temperaturas que se producen en los tratamientos térmicos localizados, pueden crear zonas a diferentes temperaturas de forma que mientras una parte de la pieza está a temperatura de recristalización otra este a temperatura subcrítica, obteniendo una estructura no homogénea, con propiedades diferentes en función de la temperatura alcanzada.
Los tratamientos térmicos a temperaturas hipercríticas, pueden afectar de forma negativa a las propiedades mecánicas del material modificando su límite elástico o la resistencia al impacto.
Los tratamientos térmicos a temperaturas hipercríticas, pueden incrementar notablemente el riesgo de que la pieza sufra deformaciones.
A pesar de estos inconvenientes en algunos casos se deben realizar tratamientos térmicos localizados a temperaturas de recristalización como en el caso del Normalizado y del Hipertemple.
El tratamiento térmico posterior a la soldadura tiene efectos beneficiosos para la soldadura, como: reducción de tensiones residuales, eliminación de hidrógeno y revenido de microestructuras duras. Estos efectos beneficiosos mejoran la estabilidad dimensional, reducen el riesgo de aparición de fisuras inducidas por el hidrógeno y mejoran algunas propiedades del material como la resistencia al impacto, la ductilidad o la resistencia a la corrosión.
De igual forma un tratamiento térmico con temperaturas o tiempos de mantenimiento equivocadas puede afectar negativamente a las propiedades de un material reduciendo la resistencia y causando fragilidad. La elección de los parámetros adecuados depende de la composición del material base y del material de aportación y de los procesos a los que ha sido sometido el material base (trabajos mecanizado, conformado o ciclos térmicos).
La necesidad de realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura, normalmente viene determinada por los requisitos de diversos códigos constructivos o por las condiciones de servicio a las que se verá sometido el material. Los códigos constructivos, dan indicaciones orientadas a la realización de tratamientos térmicos con la finalidad de mejorar el comportamiento frente a la aparición de fisuras debidas a la fractura frágil, reduciendo las tensiones residuales o mejorando la resistencia al impacto. Los tratamientos térmicos relacionados con las condiciones de servicio, generalmente buscan reducir la dureza y eliminar tensiones residuales, para evitar situaciones que faciliten la aparición de corrosión.
Los tratamientos térmicos posteriores a la soldadura más habituales son:
Distensionado: tratamiento subcrítico que tiene como finalidad reducir las tensiones residuales creadas durante el proceso de soldadura, no acostumbra a superar los 650 ºC.
Revenido: tratamiento subcrítico que busca disminuir la dureza de la zona afectada por el calor (ZAC) y eliminar tensiones, no acostumbra a superar los 750 ºC.
Solubilizacion de carburos: tratamiento hipercrítico, se aplica a algunos aceros inoxidables temperaturas entre 900 y 1050 ºC y enfriamiento rápido
En algunas ocasiones puede ser necesario realizar un Normalizado, seguido de un revenido, con la finalidad de restaurar las propiedades del material. El normalizado es un tratamiento hipercrítico y no todos los materiales de aportación toleran adecuadamente este tipo de tratamientos.
El tratamiento térmico posterior a la soldadura mejora la ductilidad, en soldaduras susceptibles al agrietamiento debido a la composición de metal o al espesor de pared. Cuando se aplica correctamente, ha demostrado ser muy eficaz en la prevención de fallas prematuras relacionadas con soldadura.
El estrés inducido por el ciclo térmico de la soldadura juega un papel en ciertos fenómenos de corrosión localizada. Constantemente se están reemplazando o reparando equipos y tuberías por sufrir una pérdida localizada de metal o corrosión bajo tensión, debido a los efectos combinados las condiciones de servicio y los efectos no deseados de la soldadura.
Se ha convertido en una práctica habitual realizar tratamientos térmicos a equipos y tubos, que debido a su poco espesor están exentos de tratamiento en los códigos constructivos. La corrosión a menudo continúa siendo un problema incluso después del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Los resultados de pruebas experimentales demuestran que, durante la realización de un Pwht, pueden generarse grandes diferencias de temperatura a través del espesor de la pieza. La aplicación de elementos de calefactores en al exterior de la tubería no siempre proporciona la seguridad de que la superficie interior alcancen las temperaturas necesarias para reducir adecuadamente la dureza de la soldadura. Es en estas superficies interiores que se inicia el fenómeno de la corrosión inducida por el estrés.
Influencia del tiempo y la temperatura en la reducción de tensiones residuales y durezas en la zona afectada por el calor
La reducción de las tensiones residuales relacionadas con la soldadura es un proceso que depende del tiempo y la temperatura, siendo la temperatura el componente que tiene un efecto mayor. Se ha demostrado que, para aceros de baja aleación, hasta que la temperatura del metal de soldadura supera una temperatura mínima, apenas existe reducción de tensiones. Por encima de esa temperatura, los niveles residuales de estrés disminuyen rápidamente con el aumento de la temperatura. El mismo estudio sugiere que una vez a esa temperatura, la tensión residual, se reduce rápidamente durante sólo los primeros 20 minutos, después de lo cual la tasa de relajación es muy lenta.
El revenido es un tratamiento térmico posterior a la soldadura cuya finalidad es disminuir el nivel de dureza de la zona afectada por el calor, con el fin de reducir la fragilidad que presentan las estructuras duras. Una microestructura con una dureza elevada (350 HV) es propensa a sufrir figuraciones inducidas por el hidrógeno (HIC) o corrosión bajo tensión (SSC). Los tratamientos de revenido se aplican principalmente a los aceros aleados, que se emplean para servicios a altas temperaturas.
Dado que estas aleaciones están diseñadas para resistir altas temperaturas, las temperaturas del tratamiento también han de ser más elevadas, acostumbran a estar en el rango de los 720-780 ºC para los aceros al CrMo, siendo preferible emplear las temperaturas más elevadas, dentro del rango, para obtener una mayor reducción de la dureza.
Disolución, hipertemple, precipitación de carburos. Este tratamiento precisa de una austenizacion completa y por lo tanto se realiza a temperaturas hipercríticas. Durante el proceso de soldadura de los aceros inoxidables austeníticos una parte de la zona afectada por el calor está en el rango de temperaturas, que facilitan la formación de carburos de cromo.
La característica de inoxidable, de estos aceros se debe a la formación de una capa pasivante, al reaccionar el cromo de la aleación con el oxígeno presente en la atmosfera, si debido al proceso de soldadura, el cromo ha reaccionado con el carbono, corremos el riesgo de que algunas zonas de la zac, no formen la capa pasivante. Este fenómeno conocido como sensitizacion o corrosión intergralunar, aparece en el rango de temperaturas entre 430 y 850 ºC y se manifiesta en forma de bandas paralelas al cordón de soldadura.
Desde el punto de vista del tratamiento, la solución consiste en elevar la temperatura hasta los 1050ºC y permanecer en ella durante un periodo de tiempo suficiente para que se disuelvan todos los carburos. El carbono forma carburos de Ti o Nb a temperaturas superiores a las que se empiezan a formar los carburos de cromo, entorno a los 900 ºC, si el carbono se asocia con estos aleantes, permaneciendo a esta temperatura el tiempo necesario, cuando lleguemos a la temperatura de formación de carburos de cromo y pasemos por ella rápidamente, el Cr permanecerá en estado libre al no existir carbono libre al que unirse. No es aconsejable realizar este tipo de tratamientos de forma localizada.
Bibliografía
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“Taking your w eld’s temperature”, R. Scott Funderburk
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“WRC 452-2000 Recommended Practices f or Local Heating of Welds in Pressure Vessels” McEneney,-Dong
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“Tratamento Térmico de Juntas Soldadas” A. Silva
“Alivio de tensiones residuales: Tratamiento térmico vs. Vibración” G. Garcia Rodoredo
