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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTUDIO SOBRE EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS SOLDADURAS DETUBERÍA DE ACERO AL CARBONO (API 5L X52) REALIZADAS MEDIANTEEL PROCESO POR ARCO DE METAL Y ELECTRODO REVESTIDO (SMAW)
POR
ING. HÉCTOR HIDALGO JUÁREZ
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
VILLAHERMOSA, TABASCO. JUNIO DEL 2010.
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
ESTUDIO SOBRE EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS SOLDADURAS DETUBERÍA DE ACERO AL CARBONO (API 5L X52) REALIZADAS MEDIANTEEL PROCESO POR ARCO DE METAL Y ELECTRODO REVESTIDO (SMAW)
POR
ING. HÉCTOR HIDALGO JUÁREZ
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
VILLAHERMOSA, TABASCO. JUNIO DEL 2010.
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la Monografía"ESTUDIO SOBRE EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS SOLDADURASDE TUBERÍA DE ACERO AL CARBONO (API 5L X52) REALIZADASMEDIANTE EL PROCESO POR ARCO DE METAL Y ELECTRODOREVESTIDO (SMAW)" realizada por el alumno HÉCTOR HIDALGO JUÁREZcon número de matrícula 09ES-085, sea aceptada para su defensa comoEspecialista en Tecnología de la Soldadura Industrial.
Ing. Carlos Miguel MaderaAbdala
Tutor en Planta
MC. Claudia
Cotf
omite Tutorial
reía Cerecero
cadémico
Dr. Jojs&Jorge Ruizíondragón
Asesor
zález RodríguezPosgrado
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Jurado de Examen de Especialización delalumno HÉCTOR HIDALGO JUÁREZ , una vez leída y revisada la Monografíatitulada "ESTUDIO SOBRE EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE LASSOLDADURAS DE TUBERÍA DE ACERO AL CARBONO (API 5L X52)REALIZADAS MEDIANTE EL PROCESO POR ARCO DE METAL YELECTRODO REVESTIDO (SMAW)", aceptamos que la referida monografíarevisada y corregida, sea presentada por el alumno para aspirar al grado deEspecialista en Tecnología de la soldadura Industrial durante la defensa de lamonografía correspondiente.
Y para que así conste firmamos la presente a los 25 días del mes2010.
Junio del
ÍNDICE
SÍNTESIS 1
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 3
1.1 Antecedentes 3
1.2 Planteamiento del problema 4
1.3 Objetivo General 5
1.4 Justificación 5
1.5 Alcance 5
CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE 6
2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE 6
SOLDADURA
2.2 SOLDADURA POR ARCO DE METAL 7
PROTEGIDO (SMAW)
2.2.1 Descripción General 7
2.2.2 Electrodos Recubiertos 9
2.2.3 Protección del Arco 11
2.2.4 Capacidades y Limitaciones del 11
Proceso
2.2.5 Equipo 12
2.2.6 Material base 14
2.2.7 Aplicaciones del Proceso SMAW 15
2.2.8 Factores Involucrados en el Proceso 16
de Soldadura
2.2.9 Calidad de la Soldadura 22
2.3 SOLDADURA CIRCUNFERENCIAL 26
2.3.1 Descripción General 26
2.3.2 Procedimientos Básicos de Soldadura 27
Circunferencial
CAPITULO 3
CAPÍTULO 4.
2.3.3 Preparación de la Unión de 31
Segmentos Tubulares
2.4 ESFUERZOS RESIDUALES 31
2.4.1 Descripción General 31
2.4.2 Causas de los Esfuerzos Residuales 33
2.4.3 Efectos de los Esfuerzos Residuales 39
2.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LA 46
SOLDADURA
2.5.1 Descripción General 46
2.5.2 Tratamientos Térmicos para 48
Soldadura
2.5.3 Precalentamiento 49
2.5.4 Poscalentamiento 51
2.5.5 Métodos de Aplicación Integrales 54
2.5.6 Métodos de Aplicación Localizados 55
2.5.7 Efectos Indeseables del Tratamiento 57
Térmico
DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA 59
CONCLUSIONES 61
BIBLIOGRAFÍA 63
LISTADO DE TABLAS 66
LISTADO DE FIGURAS 67
RESUMEN AUTOBIOGRÁFICO 68
SÍNTESIS
Las soldaduras realizadas por medio del proceso de arco de metal protegido
(SMAW) en las uniones de segmentos de tubería modifican la microestructura
del metal base en la zona afectada por el calor (ZAC) y generan esfuerzos
residuales en la soldadura y la zona afectada por el calor.
La soldadura por SMAW consiste en la coalescencia de metal por medio del
calor producido por un arco eléctrico formado entre un electrodo recubierto y las
piezas metálicas que se están uniendo. Este tipo de soldadura es la más común
y uno de sus muchos usos es la unión de segmentos de tubería de acero al
carbono para transporte de hidrocarburos.
Los esfuerzos residuales y el cambio microestructural del metal en la soldadura
y la zona afectada por el calor, provocan que estas áreas de la unión sean
susceptibles a fracturas frágiles, corrosión bajo esfuerzos, fatiga del metal y
pandeo de las piezas. Esto disminuye la capacidad de servicio del material lo
que puede provocar fallas y discontinuidades durante la operación de las
tuberías.
Con el fin de mitigar los esfuerzos residuales y mejorar las propiedades
mecánicas de la soldadura, se aplica un tratamiento térmico de relevado de
esfuerzos. A la temperatura subcrítica a la que se lleva el metal es suficiente
para homogenizar su microestructura, obteniendo las propiedades mecánicas
apropiadas de la soldadura.
El tratamiento térmico antes y después de la soldada es un paso fundamental
en el proceso constructivo y de reparación de líneas de tubería, pues
proporciona a la unión, las propiedades necesarias para una operación segura y
sin fallas.
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
La soldadura circunferencial por arco eléctrico y electrodo revestido (Shielded
Metal Are Welding, SMAW) es un proceso en el cuál una intensa fuente de calor
en movimiento es aplicada sobre la superficie de trabajo.
La importancia de predecir la forma de los gradientes de temperatura que se
genera en el metal base (MB) debido a la fuente de calor producido por el arco
eléctrico durante el proceso de soldadura, permite entender fenómenos tales
como: los cambios microestructurales que se producen en la zona afectada por
calor (ZAC) del metal base, el ancho y la profundidad de penetración, los
esfuerzos residuales (energía atrapada) que se generan así como la realización
de predicciones sobre posibles problemas de agritamiento de la junta, todos
ellos en función de la cantidad de calor de entrada, comúnmente conocido
como "heat input".
El objetivo del pre y el pos tratamiento térmico de los procesos de soldadura es
conocer las diferentes microestructuras que se generan en las zonas de la
soldadura en función de las isotermas características. Para lograr esto se
disponen de las siguientes herramientas:
• La determinación de los parámetros de soldadura, obtenidos por la
práctica experimental.
• El conocimiento de las transformaciones de fase en estado sólido, es de
gran utilidad para entender su influencia en la penetración y ancho de los
cordones así como sus efectos en las propiedades mecánicas
El proceso de soldadura por arco eléctrico, por ser una operación totalmente
localizada, tiene algunas características de las técnicas de fusión y otras del
tratamiento térmico convencional, esto se debe a que presenta una zona de
material totalmente fundido y otra en la cual el material ha sufrido un
calentamiento.
Este proceso ocurre en tiempos muy cortos y con una variación de
temperaturas extremas que van desde la fusión hasta aquellas que no afectan
la estructura del metal base. Como consecuencia de esto, se originan
velocidades de enfriamiento variables y muy rápidas dentro de cada zona.
En muchos casos, no es necesario un tratamiento térmico previo y posterior a la
soldadura. Pero cuando se requiere que el material tenga la máxima
confiabilidad bajo cualquier condición de esfuerzos y del medio ambiente en
cuestión, es aconsejable un tratamiento térmico para asegurar que la soldadura
y la zona afectada por el calor sean restauradas plenamente hasta una
estructura homogénea, esto asegura a la vez el alivio de esfuerzos residuales
atrapados.
1.2 Planteamiento del problema
Durante el proceso de soldadura por arco de metal y electrodo revestido
(Shielded Metal Are Welding, SMAW) el calentamiento y enfriamiento de la
pieza generan esfuerzos residuales en la soldadura y la zona afectada por el
calor (ZAC). Estos fenómenos modifican las propiedades mecánicas de la
unión, haciéndola más susceptible a una amplia gama de fallas, disminuyendo
la vida útil de la pieza e incrementa las posibilidades de que ocurran defectos
con consecuencias graves. Sin embargo, los esfuerzos residuales pueden
mitigarse mediante la consideración de un tratamiento térmico antes y/o
después o ambos en el proceso de soldadura.
1.3 Objetivo General
Determinar el estado del arte en que se encuentran los métodos de mitigación
de los esfuerzos residuales, para su aplicación en tubería de transporte de
hidrocarburos (API 5L X52) unida mediante el proceso soldadura por arco de
metal protegido (SMAW).
1.4 Justificación
La soldadura circunferencial por arco de metal protegido (SMAW) es un proceso
utilizado para la construcción de líneas de tubería y la unión de secciones de
gasoductos y oleoductos. El transporte de hidrocarburos es una actividad
estratégica nacional que contribuye al ingreso de divisas y a la disponibilidad de
energía. La correcta construcción y operación de estas líneas es el factor que
garantiza el abasto nacional ininterrumpido, de allí su importancia. La operación
de las tuberías de línea se ve obstaculizada principalmente por fugas y
derrames causados por defectos en las soldaduras circunferenciales tales
como: grietas por fatiga, por corrosión bajo esfuerzo(SCC), corrosión por gas
amargo(HIC).
1.5 Alcance
Se realiza una documentación del proceso de soldadura SMAW y de los efectos
que producen los esfuerzos residuales sobre las propiedades mecánicas de la
soldadura.
Además, el presente trabajo hace un análisis de la mitigación de los esfuerzos
residuales mediante la aplicación de los tratamientos térmicos de la soldadura.
CAPITULO 2
ESTADO DEL ARTE
2.1 Clasificación de los Procesos de Soldadura 1
El avance tecnológico que se ha experimentado en la soldadura industrial, está
promoviendo el desarrollo de una gran variedad de procesos que hacen uso de
nuevas tecnologías y tienen aplicaciones especializadas. Los diversos procesos
de soldadura se diferencian con base al modo en que se aplica la energía para
realizar la unión o, inclusive, el corte. Figura 2.1.
i Soldadura por \Resistencia
Corte cae
Oxigeno
J Corte~\ Térmico
Y
Otras Formas
de Corte
Corte con
Arco
Figura 2.1. Los distintos procesos de soldadura y corte térmico.1
2.2 Proceso de Soldadura por arco de metal protegido SMAW2 '
2.2.1 Descripción General
La soldadura por arco de metal protegido (shielded metal are welding, SMAW)
es un proceso de soldadura en el cual, se produce la coalescencia de metales
por medio del calor de un arco eléctrico que se mantiene entre la punta de un
electrodo recubierto y la superficie del metal base en la unión que se está
soldando.
El proceso de soldadura SMAW es uno de los más utilizados a nivel mundial.
Aprovecha el calor del arco eléctrico para derretir el metal base y la punta de un
electrodo consumible recubierto.
En la Figura 2.2 se ilustra el proceso de soldadura SMAW. El electrodo y el
metal base forman parte de un circuito eléctrico conectado a la fuente de poder.
El paso de electrones por el circuito produce un arco eléctrico que, por la
resistencia que opone al paso de la electricidad el metal, calienta y funde el
metal base, el electrodo y su recubrimiento formando un charco de metal
fundido. El recubrimiento del electrodo también produce un gas protector y
protege el cordón de soldadura del contacto con la atmosfera, humedad y
oxidación durante el proceso de aplicación de soldadura.
Gas de Protección del
Recubrimiento del Electrodo
\
Metal de Soldadura Fundido
Escoria
Metal de
Soldadura
Solidificado
Dirección de Recorrido
Cobertura del Electrodo
Núcleo de Alambre
Arco
Gotas de Metal
Metal Base
Figura 2.2. Procesode Soldadura SMAW.4
8
Este circuito comienza con la fuente de potencia eléctrica e incluye los cables
de soldadura, un portaelectrodos, una conexión (pinzas conductoras), la pieza
de trabajo y un electrodo de soldadura por arco. Uno de los dos cables de la
fuente de potencia se conecta a la pieza de trabajo y el otro se conecta al
portaelectrodos. Ver Figura 2.3.
Máquina de soldar Electrodo Porta electrodo
Conexión a pieza Cable del electrodo Pieza de trabajo
Figura 2.3. Elementos del circuito de soldadura SMAW.2
La soldadura se inicia cuando se enciende un arco eléctrico entre la punta del
electrodo y la pieza de trabajo. En la punta del electrodo se forman pequeños
glóbulos de metal fundido, los cuales se transfieren a través del chorro del arco
hasta el charco de soldadura. De esta forma se deposita metal de aporte
conforme el electrodo se va consumiendo.
Puesto que la generación de un arco eléctrico es uno de los procesos
disponibles comercialmente que permiten calentar el metal a mayores
temperaturas con gran rapidez, la fusión del metal base se efectúa en forma
casi instantánea al iniciarse el arco.
1
El proceso requiere suficiente corriente eléctrica para fundir tanto el electrodo
como una cantidad adecuada del metal base. Se requiere que el espacio entre
la punta del electrodo y el metal base o el charco de soldadura sea el
adecuado, con el fin de que la soldadura se deposite correctamente y para
evitar defectos.
Los tamaños y tipos de electrodos para soldadura por arco de metal protegido
definen los requerimientos de voltaje (de 16 a 40 V) y de amperaje (de 20 a 550
A) del arco. La corriente puede ser alterna o continua así como su polaridad,
dependiendo del electrodo empleado.
2.2.2 Electrodos Recubiertos
Además de establecer el arco y proporcionar el metal de aporte, para el
depósito de la soldadura, el electrodo introduce material fundente sobre el
espejo del metal líquido. Dependiendo del electrodo que se use, puede tener
una o más de las siguientes funciones:
• El recubrimiento del fundente crea una capa de escoria protectora
y gas anti-oxidante que evita la contaminación del metal de aporte
derretido por la atmósfera (el aire contiene oxígeno, que puede
reaccionar con el metal y formar inclusiones no metálicas tipos
óxidos no deseados).
• Suministra limpiadores, desoxidantes y fundentes para purificar la
soldadura y evitar un crecimiento excesivo de grano en el metal de
soldadura.
• Determina las características eléctricas del electrodo.
• Proporciona una capa de escoria que protege al metal de
soldadura del aire y mejora las propiedades mecánicas, la forma
del cordón y la limpieza superficial de dicho metal.
• Constituye un medio para añadir elementos de aleación que
modifiquen las propiedades mecánicas de la soldadura.
10
El recubrimiento de los electrodos para SMAW se aplica por el método de
extrusión o por el de inmersión. La extrusión se usa con mucha frecuencia, en
tanto que el proceso de inmersión se usa, principalmente, para los núcleos de
varilla colados. En ambos casos, la recubrimiento contiene la mayor parte de los
materiales de protección, limpieza y desoxidación. La mayoría de los electrodos
SMAW tienen un núcleo de metal sólido, aunque algunos de ellos se fabrican
con un núcleo formado por metal en polvo. En el caso de los polvos, su función
es producir un depósito de soldadura de aleación.
Además de mejorar las propiedades de la soldadura, el recubrimiento del
electrodo puede diseñarse específicamente para soldar con corriente alterna
(CA). Con ella, el arco se apaga y reestablece cada vez que se invierte su
polaridad. Para que el arco sea estable, es necesario tener un chorro de gas
que permanezca ionizado durante la inversión de corriente, de forma que
posibilite el reinicio del arco. Este tipo de gases puede producirse a partir de
diversos compuestos, incluyendo los de potasio; estos compuestos se añaden
en el recubrimiento de la soldadura.
Algunos electrodos para aceros al carbono tienen recubrimientos que contienen
hierro en polvo, con el fin de aumentar la velocidad de deposición. Este polvo
permite aprovechar más eficientemente la energía del arco.
Las coberturas gruesas con cantidades relativamente grandes de hierro en
polvo, incrementan la profundidad del charco en la punta del electrodo, con lo
cual ayuda a contener el calor del arco y permite usar la técnica de arrastre
para mantener una longitud de arco constante. Este tipo de electrodos reducen
la habilidad necesaria para soldar, puesto que la punta del electrodo puede
detenerse a lo largo de toda la longitud de la soldadura manteniendo un arco
constante.
11
2.2.3 Protección del Arco
La función principal del recubrimiento del electrodo es la de proteger el arco de
la soldadura, por la conversión de una atmósfera gaseosa y la reacción de los
elementos químicos con el metal produce la capa de escoria, ésta flota en la
superficie del charco del metal de soldadura, por su menor densidad respecto a
la del acero.
2.2.4 Capacidades y Limitaciones del Proceso
Ventajas
La soldadura por arco de metal protegido es uno de los procesos más
ampliamente utilizados. Las principales ventajas son las siguientes:
• El equipo es relativamente sencillo, económico y portátil.
• El electrodo cubierto proporciona el metal de aporte y el
mecanismo para proteger dicho metal y el metal de soldadura
contra una oxidación perjudicial durante la soldadura.
• No se requiere protección con gas auxiliar ni un fundente granular.
• El proceso es menos sensible al viento y las corrientes de aire que
los procesos de soldadura por arco protegidos con gas.
• Se puede utilizar en áreas de acceso limitado.
• El proceso es adecuado para la mayor parte de los metales y
aleaciones de uso común.
Desventajas
La soldadura por arco de metal protegido también tiene algunas limitaciones:
• Los metales de bajo punto de fusión, como el plomo, el estaño y el
cinc, y sus aleaciones, no se sueldan con SMAW porque el calor
de entrada del arco eléctrico es demasiado alto para ellos.
12
El proceso no es apropiado para metales reactivos como el titanio,
zirconio, tántalo y niobio porque la protección es insuficiente para
evitar que la soldadura se contamine con oxígeno.
Al encenderse el arco, la corriente fluye a lo largo de todo el
electrodo; por lo tanto, la cantidad de corriente que puede
aprovecharse está limitada por la resistencia eléctrica del alambre
del núcleo.
Un amperaje excesivo sobrecalienta el electrodo y descompone
su recubrimiento.
2.2.5 Equipo
Fuentes de Potencia
Se puede usar corriente alterna (CA) o bien continua (CC) para la soldadura por
arco de metal protegido, dependiendo de la corriente suministrada por la fuente
de potencia y del electrodo escogido. El tipo específico de corriente utilizada
influye en el rendimiento del electrodo. Ambos tipos de corriente tienen ventajas
y limitaciones, y éstas deben considerarse al seleccionar el tipo de corriente
para una aplicación específica.
Accesorios
Portaelectrodos
El porta electrodos es un dispositivo de sujeción que permite al soldador
sostener y controlar el electrodo. También sirve como medio para conducir la
corriente de soldadura del cable al electrodo. Un mango aislado en el porta
electrodos separa la mano del soldador del circuito de soldadura. La corriente
se transfiere al electrodo a través de las quijadas del porta electrodos.
Conexión con la Pieza de Trabajo
La conexión con la pieza de trabajo se realiza mendiante un cable conectado
desde la pieza de trabajo a la fuente de poder. Debe producir una conexión
fuerte, pero al mismo tiempo debe poderse sujetar con rapidez y facilidad a la
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pieza de trabajo. Para trabajo ligero puede ser apropiada una pinza trenzada
con soporte, pero para corrientes elevadas puede requerirse una abrazadera
de tornillo para establecer una buena conexión sin sobrecalentar la abrazadera.
Cables para Soldadura
Los cables para soldadura sirven para conectar el porta electrodos y las
abrazaderas de tierra a la fuente de potencia; son parte del circuito de
soldadura. El cable se construye de modo que tenga flexibilidad máxima para
facilitar su manipulación, sobre todo el que se conecta al porta electrodos;
también debe ser resistente al desgaste y a la abrasión.
El cable para soldadura consiste en muchos alambres finos de cobre o aluminio
trenzados y encerrados en una funda aislante flexible. La funda se fabrica con
hule sintético o un plástico que tenga buena tenacidad, elevada resistencia
eléctrica y buena resistencia térmica.
Careta
El propósito de la careta es proteger los ojos, el rostro, la frente, el cuello y las
orejas del soldador de los rayos directos del arco y de chispas y salpicaduras
que salen despedidas. Algunas caretas tienen una visera articulada opcional
que permite levantar la placa de filtro oscura que cubre la abertura de la careta
para que el soldador pueda ver al raspar la escoria de la soldadura. Esto
protege la cara y los ojos del operador de las partículas de escoria que salen
despedidas.
Equipo Diverso
La limpieza al soldar es importante. Las superficies de las piezas de trabajo y el
metal de soldadura previamente depositado deben estar libres de suciedad,
escoria y cualquier otro material extraño que pudiera interferir con la soldadura.
Para este fin el soldador debe contar con un cepillo de alambre de acero, un
martillo, un cincel y un mazo para descascarar. Estas herramientas sirven para
p
14
eliminar suciedad y hollín del metal base, cortar soldaduras provisionales y
raspar escoria de la franja de soldadura.
2.2.6 Materiales
Metales Base
El proceso SMAW se usa para aplicaciones de unión y recubrimiento sobre
diversos metales base. Hay electrodos para los siguientes metales base:
• Aceros al carbono.
• Aceros de baja aleación.
• Aceros resistentes a la corrosión.
• Hierros colados.
• Aluminio y aleaciones de aluminio.
• Cobre y aleaciones de cobre.
• Níquel y aleaciones de níquel.
Electrodos Recubiertos
Se clasifican de acuerdo con los requisitos de especificaciones emitidas por la
American Welding Society. Los números de especificaciones de la AWS y las
clasificaciones de electrodos correspondientes se muestran en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1 Especificaciones de la AWS para electrodos recubiertos.
Tipo de Electrodo
Acero al carbono
Acero de baja aleaciónAcero resistente a la corrosión
Hierro colado
Aluminio y sus aleacionesCobre y sus aleacionesNíquel y sus aleacionesRecubrimiento
Especificación de la AWS
A5.1
A5.5
A5.4
A5.15
A5.3
A5.6
A5.11
A5.13yA5.21
1
15
Los electrodos se clasifican con base en la composición química o en las
propiedades mecánicas, o ambas cosas, de su metal de soldadura sin diluir.
Los electrodos de acero al carbono, acero de baja aleación y acero inoxidable
se clasifican también de acuerdo con el tipo de corriente de soldadura con la
que trabajan mejor, y en ocasiones de acuerdo con las posiciones de soldadura
en las que pueden emplearse.
2.2.7 Aplicaciones del Proceso SMAW
Materiales
El proceso SMAW puede servir para unir la mayor parte de los metales y
aleaciones comunes. La lista incluye los aceros al carbono, los de baja
aleación, los aceros inoxidables y el hierro colado, así como cobre, níquel y
aluminio y sus aleaciones.
El proceso no se usa para materiales en los que resulta insatisfactoria la
protección del arco provista por los productos gaseosos de una recubrimiento
de electrodo.
Espesores
El proceso SMAW se puede adaptar a materiales de cualquier espesor dentro
de ciertos límites prácticos y económicos. La mayor parte de las aplicaciones de
este proceso implican espesores de entre 3 y 38 mm (1/8" y 1.5"), excepto
cuando la configuración de las piezas de trabajo es irregular.
Posición de la Soldadura
Con el proceso SMAW puede soldarse en cualquier posición con la mayor parte
de los materiales para los que el proceso es apropiado.
Ubicación de la Soldadura
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Puede soldarse en interiores y exteriores, en una línea de producción, un barco,
un puente, un armazón de edificio, una refinería de petróleo, una tubería a
campo traviesa o cualquier otro trabajo de esta clase.
2.2.8 Factores Involucrados en el Proceso de Soldadura5
Diámetro del Electrodo
El diámetro de electrodo es aquel que, usando el amperaje y velocidad de
desplazamiento correctos, produce una soldadura del tamaño requerido en el
tiempo más corto posible.
En general, se escogen electrodos más grandes para aplicaciones que
impliquen materiales más gruesos y para soldar en la posición plana, a fin de
aprovechar sus mayores tasas de deposición.
Al soldar en las posiciones horizontal, vertical y cenital, el metal de soldadura
fundido tiende a fluir hacia fuera de la unión debido a la fuerza de gravedad.
Esta tendencia puede controlarse empleando electrodos pequeños a fin de
reducir el tamaño del charco de soldadura.
Al seleccionar el tamaño del electrodo también debe considerarse el diseño de
la ranura de la unión. En las ranuras en "V", es frecuente usar electrodos de
diámetro pequeño para la pasada inicial, a fin de evitar la perforación y controlar
la forma de la franja.
Por ultimo, la experiencia del soldador a menudo influye en la elección del
tamaño del electrodo, sobre todo cuando se va a soldar fuera de posición, ya
que la habilidad del soldador determina el tamaño del charco de soldadura que
puede controlar.
Corriente de Soldadura
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La soldadura por arco de metal protegido puede efectuarse con corriente tanto
alterna como continua, siempre que se use el electrodo adecuado. El tipo de
corriente de soldadura, la polaridad y los constituyentes de la recubrimiento del
electrodo afectan la rapidez de fusión de todos los electrodos cubiertos.
Para un electrodo determinado, la rapidez de fusión se relaciona directamente
con la energía eléctrica suministrada al arco. Parte de esta energía se destina a
fundir una porción de metal base, y otra parte sirve para fundir el electrodo. En
la Figura 2.4 se muestra la relación entre el amperaje establecido durante el
proceso de soldadura y la velocidad de depositación. Es una relación
directamente proporcional.
II
10
9
9
o 7
2 s.o
= 4
3
1
O*
E6010(DC)
E6011
_L -L
E6012
E6013
E7024
- 3
E E7018
X JL J_
O 50 100 150 200 250 300 350 400 4$0
Amperios
Figura 2.4. Efecto del amperaje sobre la velocidad de depositación.6
rt3i—
O-C1—co
o
EEO)
2 °
Longitud del Arco
Es la distancia entre la punta fundida del núcleo del electrodo y la superficie delcharco de soldadura. La longitud de arco correcta varía con la clasificación del
electrodo, su diámetro y la composición de su recubrimiento; asimismo, varía
con el amperaje y la posición de la soldadura. La longitud del arco aumenta al
18
incrementarse el diámetro del electrodo y el amperaje. Por lo general la longitud
del arco no debe exceder el diámetro del alambre del núcleo del electrodo,
aunque suele ser aun más corta en el caso de electrodos con recubrimiento
grueso como los de hierro en polvo o de arrastre.
Si el arco es demasiado corto, puede ser irregular y entrar en cortocircuito
durante la transferencia de metal. Por otro lado, si el arco es demasiado largo,
carecerá de dirección e intensidad, y tenderá a dispersar el metal fundido que
viaja desde el electrodo hasta la soldadura.
El control de la longitud del arco es, en gran medida, cuestión de habilidad del
soldador, e implica conocimientos, experiencia, percepción visual y destreza
manual. Aunque la longitud del arco varía dentro de ciertos límites al cambiar
las condiciones, hay algunos principios fundamentales que pueden servir como
guía para determinar la longitud del arco correcta para un conjunto de
condiciones determinado.
Si se suelda con la mano hacia abajo, la punta del electrodo puede arrastrarse
suavemente a lo largo de la unión. En este caso, la longitud del arco estará
determinada automáticamente por el espesor del recubrimiento y la rapidez de
fusión del electrodo; además, será uniforme. En la soldadura vertical o cenital,
el soldador debe estimar la longitud del arco. En estos casos, la longitud
correcta será aquella que permita al operador controlar el tamaño y el
movimiento del charco de soldadura.
En las soldaduras de filete, el arco debe introducirse en la unión a fin de obtener
una penetración y tasa de deposición óptimas. Lo mismo se aplica a las
pasadas de raíz en las soldaduras de ranura en tuberías.
Velocidad de Recorrido
19
Es la rapidez con que el electrodo se desplaza a lo largo de la unión. La
velocidad de recorrido correcta es aquella que produce una franja de soldadura
sin defectos. Son varios los factores que determinan cuál debe ser la velocidad
correcta:
• Tipo de corriente de soldadura, amperaje y polaridad.
• Posición de soldadura.
• Rapidez de fusión del electrodo.
• Espesor del material.
• Condición de la superficie del metal base.
• Tipo de unión.
• Embonamiento de la unión.
• Manipulación del electrodo.
Al soldar, la velocidad de recorrido debe ajustarse de modo que el arco vaya un
poco adelante del charco de soldadura. La velocidad de recorrido también
influye en el aporte de calor, y por tanto afecta la microestructuta del metal de
soldadura y de la zona térmicamente afectada.
Si la velocidad de recorrido es baja, se incrementa el aporte de calor y en
consecuencia la anchura de la zona térmicamente afectada, y se reduce la
rapidez de enfriamiento de la soldadura. En la Figura 2.5 se pueden observar
los efectos de la velocidad y otros factores sobre la depositación del cordón de
soldadura.
Orientación del Electrodo
La orientación del electrodo con respecto al trabajo y a la ranura de soldadura
es importante para la calidad de la soldadura. Una orientación incorrecta puede
causar atrapamiento de escoria, porosidad y socavamiento. La orientación
adecuada depende del tipo y tamaño del electrodo, la posición de soldadura y la
geometría de la unión.
20
B D
Figura 2.5. (A) Amperaje, longitud de arco y velocidad de avance adecuadas; (B) Amperajedemasiado bajo; (C) Amperaje demasiado alto; (D) Longitud de arco demasiado corta; (E)
Longitud de arco demasiado larga; (F) Velocidad de avance demasiado alta; (G) Velocidad deavance demasiado baja.2
Un soldador experimentado toma en cuenta todos estos factores
automáticamente al determinar la orientación que usará para una unión
específica. Se emplea el ángulo de desplazamiento y el ángulo de trabajo para
definir la orientación del electrodo. En la Figura 2.6 se ilustra la orientación del
electrodo en una soldadura circunferencial.
Técnica de Soldadura
El primer paso para soldar por arco de metal protegido es reunir el equipo,
materiales y herramientas apropiados para el trabajo. A continuación hay que
determinar el tipo de corriente de soldadura y su polaridad, y ajusfar la fuente
de potencia de manera acorde. También es preciso ajustar la fuente de
potencia de modo que produzca la característica volt-ampere apropiada para el
21
tamaño y tipo de electrodo que se usara. Después de esto, el trabajo se coloca
en posición para soldar y, de ser necesario, se sujeta.
Ángulo de trabajo
Ángulo de arrastre y U-i - Ángulo de empuje ysu ángulo de avance su ángulo de avance
Línea tangente
Dirección de la
soldadura
Figura 2.6. Orientación del electrodo en la soldadura de tuberías.
El arco se enciende golpeando suavemente la pieza de trabajo con la punta del
electrodo cerca del lugar donde se comenzará a soldar, y retirando de
inmediato el electrodo una distancia corta para producir un arco de la longitud
correcta. Cuando el electrodo toca el trabajo, tiende a pegarse; el propósito del
movimiento de golpe es evitar esto.
La técnica para volver a encender el arco una vez que se ha interrumpido varía
un poco dependiendo del tipo de electrodo. En general, la recubrimiento de la
punta del electrodo se vuelve conductora cuando se calienta durante la
soldadura. Esto ayuda a reiniciar el arco si se hace antes de que el electrodo se
enfríe.
22
Durante la soldadura, el operador mantiene una longitud de arco normal
moviendo el electrodo uniformemente hacia el trabajo conforme el electrodo se
funde. Al mismo tiempo, el electrodo se desplaza de manera constante a lo
largo de la unión en la dirección de soldadura para formar la franja.
Existen varias técnicas para romper el arco. Una de ellas consiste en cortar el
arco rápidamente y luego sacar el electrodo del cráter con un movimiento lateral
brusco. Esta técnica se emplea cuando se va a reemplazar un electrodo
agotado, en cuyo caso la soldadura continuará a partir del cráter. Otra técnica
consiste en detener el movimiento hacia delante del electrodo y dejar que el
cráter se llene, retirando después el electrodo gradualmente para romper el
arco. Cuando se continúa una soldadura a partir de un cráter, el arco deberá
encenderse en el borde delantero del cráter, moverse de inmediato al lado
opuesto del cráter y adelantarse lentamente para continuar con la soldadura.
Así, el cráter se llenará sin causar porosidad ni atrapar escoria. Esta técnica
tiene importancia especial cuando se usan electrodos de bajo hidrógeno.
2.2.9 Calidad de la Soldadura
La unión soldada debe tener las cualidades necesarias para desempeñar su
función esperada en servicio. La unión debe poseer las propiedades físicas y
mecánicas requeridas y para esto puede ser necesario que posea
microestructuras y composiciones químicas determinadas, según el caso.
Es un proceso manual y su calidad depende de la habilidad del soldador que la
produce. Por lo tanto es preciso seleccionar con cuidado los materiales que se
usarán, el soldador debe ser apto y el procedimiento que use debe ser el
correcto.
En las soldaduras hechas con el proceso SMAW a veces se encuentran los
siguientes defectos:
23
Porosidad
Son bolsas de gas o huecos en el metal de la soldadura, los cuales son elresultado de la formación de gases por ciertas reacciones químicas que ocurren
durante la soldadura.
La porosidad puede prevenirse empleando el amperaje apropiado ymanteniendo un arco con la longitud correcta.
Inclusiones de Escoria
Son los óxidos y sólidos no metálicos que a veces quedan atrapados en elmetal de soldadura entre franjas adyacentes oentre el metal de soldadura yelmetal base. Durante la deposición ysolidificación del metal de soldadura, tienenlugar muchas reacciones químicas. Algunos de los productos de estasreacciones son compuestos no metálicos sólidos insolubles en el metal fundido.
La mayor parte de las inclusiones de escoria pueden prevenirse con una buenapractica de soldadura ypreparando debidamente la ranura antes de depositar lasiguiente franja de metal de soldadura. En estos casos debe tenerse cuidado decorregir los perfiles que sean difíciles de penetrar como es debido con el arco.
Fusión Incompleta
Se refiere a la incapacidad para fusionar franjas adyacentes de metal desoldadura, o el metal de soldadura con el metal base.
La fusión incompleta puede deberse a que el metal base no se elevó al puntode fusión. La causa puede ser que, por carencia de fundente, no se disolvieronlos óxidos o demás materiales extraños que podrían estar presentes en lasuperficie que debe fusionarse con el metal de la soldadura.
La fusión incompleta puede evitarse asegurándose de que las superficies porsoldar están debidamente preparadas yembonadas, yque estén lisas ylimpias.
24
Socavamiento
Este término se usa para describir una de dos situaciones. La primera es
cuando se derrite la pared lateral de una ranura de soldadura en el borde de la
franja, con la formación de un nicho agudo en la pared lateral en el área donde
se va a depositar la siguiente franja. La otra es cuando se reduce el espesor del
metal base en la línea donde las franjas de la capa final de metal de soldadura
se ligan a la superficie del metal base.
Ambos tipos de socavamiento suelen deberse a la técnica de soldadura
específica empleada por el operador. Si el amperaje es elevado y el arco largo,
aumenta la tendencia al socavamiento. Otras causas son una posición
inadecuada del electrodo o una velocidad de recorrido incorrecta, así como
tardarse demasiado en los cambios de dirección de una soldadura
zigzagueante.
El grado de socavamiento que se permite en una soldadura terminada por lo
regular está determinado por el código de fabricación empleado, y es necesario
seguir los requisitos especificados porque un socavamiento excesivo puede
reducir apreciablemente la resistencia mecánica de la unión. Este tipo de
socavamiento puede detectarse mediante un examen visual de la soldadura
terminada, y puede corregirse mediante abrasión de fusionado o depositando
una franja adicional.
Grietas
El agrietamiento puede clasificarse en caliente o en frío. Pueden producirse
grietas en el metal de soldadura, en el metal base, o en ambos.
El agrietamiento en caliente es una función de la composición química, y su
causa principal es la presencia en el metal de soldadura de constituyentes con
25
punto de fusión relativamente bajo, los cuales se acumulan en las fronteras de
los granos durante la solidificación.
El agrietamiento en frío se debe a falta de ductilidad o a la presencia de
hidrógeno en aceros endurecibles. La causa de esta condición es una tenacidad
insuficiente en presencia de muesca mecánica o metalúrgica y esfuerzos decierta magnitud.
Para evitar el agrietamiento en frío de aceros endurecibles es preciso emplear
electrodos de bajo hidrógeno secos y un precalentamiento adecuado. También
se requiere precalentamiento con materiales que son quebradizos o de baja
tenacidad. En la Figura 2.7 se observan los distintos mecanismos de daño quese pueden encontrar en las soldaduras.
Desalineción de Soldaduras
tS£3Q2Z3Incrustaciones o Escorias
3-tSOPorosidad
Effl3Falta de Fusión
r~v iFalta de Penetración
-TT A - >
!_M 7Rechupe
O^C3tA¿QSocavado
Figura 2.7. Defectos identificables en las soldaduras.7
•
26
2.3 Soldadura Circunferencial8
2.3.1 Descripción General
La soldadura circunferencial es la técnica que permite unir entre sí dossegmentos de tubo yse realiza generalmente mediante el proceso de soldadurapor arco de metal protegido (SMAW), aunque también se puede usar lasoldadura por arco de tungsteno bajo gas protector (GTAW). Ver Figura 2.8.
Para realizar correctamente una soldadura circunferencial, el técnico debe serhábil en las cuatro posiciones básicas: plana, horizontal, vertical y sobrecabeza, ya que todas ellas son necesarias para soldar un tubo correctamente.Esto se debe a que la forma redonda del tubo requiere una transición gradualen la posición de soldadura. Además, el tubo mismo puede encontrarse vertical,horizontal o en ángulo. El proceso de soldadura circunferencial se realiza entres etapas principales:
• Fondeo (Punteo y pase de raíz).
• Pases calientes (Intermedios).
• Paso de acabado.
Figura 2.8. Soldadura circunferencial de una tubería.
27
Cada uno de los pases de soldadura intermedios tiene el efecto de un
tratamiento térmico sobre los cordones depositados previamente, mejorando así
la microestructura del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor;
también se disminuye la dureza de la unión.9 Sin embargo, esto no significa que
la soldadura no deba ser sometida a un relevado de esfuerzos posterior, puesto
que el tratamiento térmico proporcionado por los pases de soldadura no
necesariamente elimina todos los esfuerzos residuales, siendo esto
especialmente válido para piezas grandes. En la Figura 2.9 se presenta una
gráfica con los resultados de mediciones de dureza realizadas a lo largo de una
soldadura de varias pasadas a diferentes distancias a partir del primer cordón
depositado. Es interesante observar cómo la dureza del metal disminuye
conforme se añaden más pases de soldadura.
•
>c
400 ,
350
300
250
200
© 150K3
100
r>o
10 15
Distancia en mm
20 25
♦ 2a Pasada
• 3a Pasada
A 4a Pasada
2a Pasada É
3a Pasadaa.
4a Pasadao
&
Figura 2.9. Dureza del metal de soldadura en una unión con varios cordones de soldadurasuperpuestos.9
2.3.2 Procedimientos Básicos de Soldadura Circunferencial
Cuando el tubo se encuentra en la posición horizontal, se pueden identificar las
posiciones de acuerdo a su similitud con el horario de un reloj de manecillas tal
como se puede observar en la Figura 2.10.
28
Figura 2.10. Identificación de las posiciones de soldadura mediante el horario técnico.
En la Figura 2.11 se ilustran los dos tipos de procedimiento para soldar tubería
colocada horizontalmente: hacia abajo y hacia arriba. La elección entre uno u
otro no depende del diámetro del tubo, sino de su espesor y tipo de aleación.
Figura 2.11. Procedimiento de soldadura de tubería hacia abajo (izquierda) y hacia arriba(derecha).8
Soldadura de Tubería Hacia Abajo
Sin importar el método utilizado, los tubos a unir deben ser ajustados y
soldados con puntos para fijarlos en la posición correcta. La soldadura inicia a
las 12:00 horario técnico, y el cordón se aplica hacia abajo hasta llegar a las
6:00 horario técnico.
29
La soldadura hacia abajo se utiliza principalmente para unir tuberías de poco
espesor o de acero dúctil con espesores entre 1/8" y 5/16". La razón de esto es
que permite al metal de soldadura y a la ZAC enfriarse lentamente, si la
velocidad de arrastre es uniforme. El enfriamiento lento genera una
microestructura con granos más finos, obteniéndose una unión dúctil y suave.
La baja velocidad de enfriamiento hace posible depositar la soldadura con
mayor rapidez y sin que ocurran defectos por esta causa. Esta es la principal
razón por la cual se prefiere la soldadura hacia abajo en aceros suaves.
Además, la ductilidad del metal en la soldadura y el metal base que la rodea
puede incrementarse mediante la aplicación de varios pases de soldadura.
Cada pase calienta el cordón anterior, haciendo el papel de un tratamiento
térmico.
La principal aplicación del método de soldadura circunferencial hacia abajo es la
fabricación de líneas de transporte a través del campo y en otros recipientes de
baja presión por medio de soldadura SMAW. Como estas piezas tienen
espesores menores a 3/8", el método de soldadura hacia abajo permite realizar
la tarea con mayor rapidez y con menor tendencia a atravesar el pase de raíz.
En contraste, piezas con mayor espesor deben ser unidas mediante soldadura
hacia arriba.
La soldadura circunferencial hacia abajo hace uso de electrodos de
enfriamiento rápido con cobertura delgada, tales como 6010, 6011, 7010 y 7014
que producen cantidades mínimas de escoria. Conforme el electrodo se mueve
hacia abajo a lo largo de la unión, el charco fundido y su cobertura de escoria
tienden a apagar el arco, causando porosidad e inclusiones de escoria en la
soldadura. La utilización de los electrodos apropiados y de ángulos y
velocidades de arrastre correctos, manteniéndose siempre por delante de la
escoria fundida, garantizará la obtención de soldaduras de buena calidad.
30
Los electrodos con coberturas más anchas, tales como los 7024 y los
electrodos de polvo de hierro con bajo hidrógeno, no son recomendables para
la soldadura circunferencial hacia abajo puesto que provocan muchos
problemas como porosidad, inclusiones de escoria y traslapes.
En la actualidad, el incremento en la demanda de tubería de mayor diámetro
con mayor espesor para el transporte de petróleo y gas a través de grandes
distancias y a altas presiones ha provocado que los fabricantes de tubo mejoren
las propiedades mecánicas de las líneas mediante la adición de manganeso y
silicio, así como cantidades mejor controladas de carbono. También se usan
pequeñas cantidades de columbio y vanadio. Cuando se usan estos materiales
se dice que son tuberías de baja aleación y debe ser unidas mediante la técnica
de soldadura circunferencial hacia abajo.
Soldadura de Tubería Hacia Arriba
Después de que el la unión ha sido fijada con puntos de soldadura se aplica la
soldadura comenzando desde las 6:00 horario técnico hacia arriba depositando
el cordón a lo largo, hasta llegar a las 12:00 horario técnico. La otra mitad del
tubo se suelda de igual forma, cerrando la unión en ambos extremos.
Este método se usa preferentemente para unir tuberías de gran espesor y de
aleación de acero. Los tubos de mayor espesor absorben el calor con mayor
rapidez que los tubos delgados. Esta transferencia de calor provoca que el
metal de la soldadura se vuelva más frágil y quebradizo en los aceros suaves
aunque esta tendencia también se incrementa en las aleaciones de acero.
Para eliminar esta tendencia, se disminuye la velocidad de enfriamiento del
área sometida a la soldadura. Esto puede realizarse mediante la disminución de
la velocidad de soldadura y depositando un cordón más grueso, lo que ocurre
por si mismo en la soldadura circunferencial hacia arriba.
31
2.3.3 Preparación de la Unión de Segmentos Tubulares
La preparación de la unión de los tubos es una parte esencial del proceso de
soldadura. En muchos casos, las fallas que ocurren en las soldaduras en este
tipo de piezas se deben a la falta de atención a la preparación de la unión.
La preparación de la unión entre dos tubos consiste en cuatro pasos:
• Preparación de los extremos (biselado).
• Limpieza de las superficies a unir.
• Alineación de la tubería.
• Punteo de la unión (para fijarla).
En la Figura 2.12 se puede observar una máquina utilizada para cortar el bisel
en los extremos de los dos segmentos de tubería a soldar.
Figura 2.12. Máquina de corte para tuberías con la que se realiza el biselado.
2.4 Esfuerzos Residuales 10
2.4.1 Descripción General
32
Normalmente, las piezas soldadas contienen esfuerzos residuales de
resistencia a la fluencia paralelos al eje de la soldadura y una fracción de ellos
(dependiendo del grado de embridamiento, espesor, o restricción a la
contracción) en direcciones perpendiculares al cordón. Los esfuerzos residuales
también pueden estar presentes en el material base como producto del
laminado, rolado o tratamientos térmicos anteriores.
El fenómeno de dilatación está presente en el calentamiento de los cuerpos
físicos. Si el calentamiento es localizado, como ocurre durante la soldadura
circunferencial, la falta de uniformidad en la temperatura produce dilataciones
diferentes simultáneas en distintos puntos de la pieza lo que provoca esfuerzos
residuales.
Estos esfuerzos residuales son energía atrapada en un sistema de fuerzas
dentro de la unión soldada que se compensan ellas mismas y pueden existir en
ausencia de una carga externa. Esto significa que si hay en una parte del
material esfuerzos residuales de tensión, seguramente en otra parte del mismo
habrá esfuerzos residuales de compresión que mantienen en equilibrio el
conjunto. En una soldadura circunferencial existen esfuerzos residuales tanto
longitudinales como transversales al cordón de soldadura. Ver Figura 2.13.
/L-4^' yy"/ ¿Í£y "
/ /
\1/
Figura 2.13. Esfuerzos residuales longitudinales (L) y transversales (T) en una soldadura atope
10
Esfuerzos Residuales Micro y Macroscópicos
33
Los formas como se encuentran los esfuerzos residuales en una pieza varían
ampliamente. El esfuerzo residual puede encontrarse en secciones grandes de
una estructura o a escala atómica.
En la Figura 2.14 se muestran algunos tipos de esfuerzos residuales en varias
escalas. Por ejemplo, pueden encontrarse esfuerzos residuales macroscópico
debidos al estrés térmico provocado por el calor de la luz solar que incide sobre
un edificio, debidos al rectificado o pulido de la pieza metálica (esfuerzos
localizados en la superficie) o a la aplicación de un cordón de soldadura.
También pueden encontrarse e nivel atómico, como en la estructura
martensítica del acero producida durante el enfriamiento.
/1*
TmmfrhwAmw
(A) Distorsión en unaestructura debida al calor solar
C i
nsió
,<•> ' I IIi- i la1
^*mf i IM-'Mii»^-s¡ur
-"° 1 -m :cu I
a. r :
on
SoldaduraO i
(B) Esfuerzos residualesdebidos a una soldadura
Compresión
(C) Esfuerzos residualesdebidos al esmerilado
Figura 2.14. Esfuerzos residuales en varias escalas: (A) Distorsión térmica en una estructuradebida al calor solar; (B) Esfuerzos residuales debidos a una soldadura; (C) Esfuerzos
10residuales debidos al esmerilado.
2.4.2 Causas de los Esfuerzos Residuales
Desajuste Estructural
Los esfuerzos residuales pueden producirse cuando se conectan o sueldan
piezas que no encajan correctamente unas con otras. Las tensiones y/o
compresiones generadas así en la estructura pueden entonces ser susceptibles
a cambios debidos a la variación de temperatura o al estrés térmico del ciclo de
calentamiento y enfriamiento de la soldadura.
34
Deformación Plástica Desigual
Cuando el metal se somete a una deformación plástica distintas zonas de la
pieza cambian de forma desigual generando esfuerzos de tensión y compresión
entre ellas.
Esfuerzos Térmicos
Cuando el metal se calienta uniformemente, se expande gradualmente y con
uniformidad, sin generar esfuerzos residuales. Por otra parte, si el metal se
calienta desigualmente, las secciones del metal se expanden a una velocidad
distinta, generando esfuerzos residuales y deformaciones.
Los cambios en la temperatura y los esfuerzos residuales generados por la
soldadura se muestran esquemáticamente en la Figura 2.15. Se trata de un
cordón de soldadura aplicado sobre una placa en la línea X-X. En el esquema,
el arco de soldadura se mueve a velocidad v y se localiza en ese instante en el
punto O. Se muestra distribución de la temperatura a lo largo de la placa
pasando a través de la línea X-Xen los sitios A, B, C y D. A lo largo de A-A el
AT es nulo puesto que se encuentra antes de la aplicación de la soldadura. En
B-B la distribución es muy alta pues se encuentra justo en el sitio del arco
eléctrico. En C-C, detrás del arco de soldadura, la distorsión es menos intensa
y disminuye hasta D-D donde la distribución de temperatura regresa a cero.
En la sección A-A, el estrés residual provocado por la soldadura es casi cero,
mientras que en la sección B-B es casi inexistente, puesto que el metal caliente
no puede soportar cargas. En la ZAC a ambos lados de la soldadura se
generan esfuerzos residuales de compresión. Esto se debe a que el metal (a
menor temperatura) que se encuentra rodeándolas restringe su expansión.
A
I
Región fundida
Región donde ocurrela deformación plástica
durante la soldadura
D
(A) Soldadura
AT». O
t. Sección a-a
i
2. Sección B-B
35
Esfuerzo
residual = 0
Esfuerzo
residual
de tensión
mmmm^mmBBBKtt
Esfuerzo
residual de
compresión
flgflllll llJMta ""^^^/^jip»''*
3. Sección C-C
ST«0
Esfuerzo
residual
4. Sección D-D
(B) Cambio detemperatura, AT
(C) Esfuerzoresidual, o.
Figura 2.15. Cambios en la temperatura y los esfuerzos residuales generados por la10
soldadura.
La magnitud del esfuerzo residual de compresión alcanza su máximo a cierta
distancia del arco de soldadura, cuando el metal se ha enfriado. En este punto,
sin embargo, el esfuerzo residual de compresión se equilibra con el esfuerzo
residual de tensión, mismo que se crea cuando la ZAC se enfría e intenta
encogerse. El estado final del esfuerzo residual se puede observar en la
sección D-D. A lo largo de la soldadura y la ZAC existen grandes esfuerzos de
tensión, en tanto que, en el metal base lejos de la soldadura existen esfuerzos
de compresión. La distribución final de los esfuerzos residuales se puede
observar en la Figura 2.15C.
Movimiento del Metal Durante el Proceso de Soldadura
36
Además, durante el proceso de soldadura ésta se somete a una expansión
seguida de una contracción que se denomina movimiento del metal. Este
fenómeno se hace evidente cuando provoca la curvatura de la pieza. En la
Figura 2.16 se observa el cambio en una barra metálica rectangular cuando se
pasa sobre ella un arco de soldadura o una antorcha para calentamiento. El
metal cerca de la fuente de calor adquiere una temperatura mayor y se
expande, desplazando al resto del material y causando así la curvatura.
Figura 2.16. Distorsión en una barra metálica rectangular cuando se pasa sobre ella un arco desoldadura o una antorcha para calentamiento.10
Si el material permanece elástico durante el ciclo térmico, los esfuerzos
desaparecerán cuando la pieza regrese a temperatura ambiente. De este modo
el cambio en la barra sigue la curva AB'C'D' de la Figura 2.16. Sin embrago,
cuando el ciclo térmico produce deformaciones plásticas se crean esfuerzos
residuales que pueden deformar la barra. A este tipo de cambio se le denomina
distorsión.
Es interesante notar que el movimiento provocado por la expansión del metal
durante la soldadura y la distorsión que se genera durante el enfriamiento
37
ocurre en direcciones opuestas y, generalmente, tienen el mismo orden de
magnitud.
Esfuerzos Residuales y Esfuerzos de Reacción en Soldaduras
Los tipos de esfuerzos residuales que se pueden dar durante la fabricación de
estructuras soldadas se clasifican como: 1) los que son producidos en la
soldadura de piezas sin restricción externa; 2) los que son causados por una
carga externa, denominados esfuerzos de reacción.
Las distribuciones de esfuerzos residuales longitudinales y transversales típicas
en las soldaduras de un solo paso en una unión a tope se muestran en la Figura
2.17. Los esfuerzos de consideración son longitudinales a la dirección de la
soldaduras, designados gx, y también los transversales, designados ay, como
se ve en la Figura 2.17 (A).
La Figura 2.17 (B) ilustra la distribución de los esfuerzos residuales
longitudinales ax. Se observa que se producen en la región cercana a la
soldadura esfuerzos residuales de tensión de gran magnitud que disminuyen
hasta ser nulos a unas pocas veces la distancia del ancho de la soldadura. Más
allá los esfuerzos residuales son del tipo de compresión.
La distribución de los esfuerzos está determinada por dos variables: el esfuerzo
máximo en una región de la soldadura, am, y la mitad del ancho de la zona de
esfuerzos residuales, f. En las soldaduras realizadas sobre aceros al carbono el
máximo esfuerzo residual, am, tiene normalmente la magnitud aproximada del
esfuerzo de cedencia del metal de soldadura. La distribución longitudinal
residual se muestra en la Figura 2.17 (B), y puede ser representada,
aproximadamente, de acuerdo a la siguiente ecuación:
o-*00 = o;
f V
y
f\j j
exp
f \2y
fkj ;
(2.1)
38
Donde:
ax = Esfuerzos residuales longitudinales, psi (MPa).
y = Distancia lateral desde la línea central de la soldadura, in. (mm).
am = Esfuerzo residual máximo a lo largo de la línea central de la soldadura,psi (MPa).
f= Mitad de la anchura de la zona de esfuerzos residuales, in. (mm).
La distribución de los esfuerzos residuales transversales, ay, a lo largo de lasoldadura se representa por la curva 1 en la Figura 2.17 (C). En la secciónmedia de la unión se producen esfuerzos de tensión de magnitud relativamentepequeña, mientras tanto, en los extremos se producen esfuerzos decompresión.
Compresión Tensión
*— nrmunnnn SBHBignnnnnnox b=2fL.js
(A) Soldadura a tope (B) Distribución de o*, a lo largo de XX
I Oy
(C) Distribución de oy, a lo largo de YY
Figura 2.17. Distribución típica de los esfuerzos residuales longitudinales (ax) ytransversales(ov) en una soldadura a tope a lo largo del eje de la soldadura (eje X) yen la línea vertical al
paso de la línea de soldadura que pasa por el centro de la misma (eje Y). 10
39
Si la contracción lateral de la soldadura es contenida por una fuerza externa, elesfuerzo de tensión, que es aproximadamente uniforme a lo largo de la unión,se suma al los esfuerzos residuales en forma de esfuerzo de reacción.
2.4.3 Efectos mecánicos de los Esfuerzos Residuales
Alteraciones en las Soldaduras Sometidas a Cargas de Tensión
Cuando una soldadura se somete esfuerzos de tensión ocurren algunoscambios en la distribución de los esfuerzos residuales en ella, tal como lo
ejemplifica la soldadura a tope de la Figura 2.18. La curva A representa la
distribución lateral de los esfuerzos residuales longitudinales en la pieza talcomo se encuentran justo después de la soldadura.
Al aplicar la carga externa de tensión a1f los esfuerzos residuales cambian a la
distribución de la curva B. Los esfuerzos en las zonas cercanas a la soldadura
alcanzan el límite de cedencia y la mayor parte del incremento en el esfuerzo se
da en zonas lejanas a la soldadura.
Cuando la carga externa de tensión aumenta hasta llegar a a2) los esfuerzos
residuales se distribuyen de la manera representada en la curva C. Así,
conforme aumenta la carga externa la distribución del esfuerzo residual se
vuelve cada vez más uniforme, lo que significa que el efecto de la carga externaimpacta la distribución de los esfuerzos residuales en la soldadura.
Si la carga externa se incrementa aún más, el metal de la pieza sufre cedencia
general. La distribución de los esfuerzos residuales durante la cedencia generalse observa en la curva D. Más allá de la cedencia generalizada del material, losesfuerzos residuales prácticamente desaparecen.
Comparado con la distribución original, mostrada en la curva A, la distribución
de los esfuerzos residuales después del ciclo de carga es menos severo, como
lo muestran las curvas E y F. Conforme se aumenta la intensidad de la carga
40
externa la distribución de los esfuerzos residuales tiende a la uniformidad
después de quitar la carga.
mi m 11 ti
I Hl I Hi II
Figura 2.18. Efectos de la aplicación de una carga externa uniforme sobre la distribución de losesfuerzos residuales en una soldadura a tope, a = carga aplicada; A: esfuerzo residual justo
después de aplicar la soldadura; B: distribución de esfuerzos en a = a-,; C: distribución deesfuerzos en o = a2; D: distribución de esfuerzos durante la cedencia generalizada; E:
distribución de esfuerzos después de la aplicación de ct = o,; F: distribución de esfuerzosdespués de la aplicación de a = a2. Nota: a2 > o-i.10
Basados en este análisis de la distribución del esfuerzo residual, podemos
resumir el efecto de los esfuerzos generados por la soldadura:
El efecto de los esfuerzos residuales sobre el desempeño de una estructura
soldada es significativo sólo cuando el fenómeno de falla ocurre bajo cargas
relativamente pequeñas, tal como en la fractura frágil, la fatiga del material y
la ruptura por esfuerzos bajo corrosión.
Conforme la carga aplicada aumenta, el efecto de los esfuerzos residuales
disminuye.
41
• El efecto de los esfuerzos residuales sobre el desempeño de estructuras
soldadas sometidas a cargas mayores a su esfuerzo de cedencia es
despreciable.
• El efecto de los esfuerzos residuales tiende a disminuir después de la
aplicación repetitiva de cargas externas.
Fractura Frágil de Bajos Ciclos
Los efectos de los esfuerzos residuales sobre las fracturas frágiles han sido
estudiados extensivamente y se ha observado que las magnitudes de las
cargas bajo las que ocurren fracturas frágiles en estructuras grandes, por
ejemplo barcos, se encuentran muy por debajo del esfuerzo de cedencia del
material. Sin embargo, la carga de ruptura nominal generalmente es tan alta
como el esfuerzo de cedencia aun cuando el espécimen de prueba tenga
grietas. Bajo ciertas condiciones, puede ocurrir la ruptura total de una pieza
aunque la magnitud de la carga aplicada sea considerablemente menor que el
esfuerzo de cedencia.
La Figura 2.19 ilustra las tendencias generales de la resistencia a la fractura en
piezas soldadas de acero al carbono a diferentes temperaturas, así como los
efectos de los esfuerzos residuales y el ranurado de la pieza sobre ellas.
Cuando un espécimen sin ranurar se somete a la prueba, la fractura ocurre en
el esfuerzo máximo ruptura, representado por la curva PQR.
Si el espécimen tiene una ranura pero ningún esfuerzo residual, la fractura
ocurre a la carga representada por la curva PQST. Cuando la temperatura es
mayor que la temperatura de transición de fractura Tf, ocurre una ruptura de alta
energía (por cizallamiento). En cambio, si la temperatura es menor a Tf, la
ruptura es de baja energía (por clivaje) y el esfuerzo de fractura disminuye
hasta niveles del esfuerzo de cedencia.
Cuando la ranura se realiza en zonas con alto contenido de esfuerzos
residuales de tensión, se pueden dar los siguientes tipos de fractura:
42
A temperaturas mayores a Tf, el esfuerzo de fractura es el esfuerzo máximo
de ruptura (curva PQR) y los esfuerzos residuales no tienen influencia sobre
el esfuerzo de ruptura.
Atemperaturas menores a Tf pero mayores a la temperatura de suspensión
de avance de grieta, Ta, puede iniciarse una grieta bajo un esfuerzopequeño, pero ésta no se propagará.
A temperaturas menores a Ta, puede ocurrir uno de dos fenómenos,
dependiendo de la magnitud del esfuerzo en el momento en que se inicia la
fractura: a) Si el esfuerzo se halla debajo del esfuerzo crítico, VW, la grieta
se detiene después de propagarse una distancia corta; b) Si el esfuerzo se
halla porencima del esfuerzo crítico, VW, ocurre una fractura completa.
El efecto de los esfuerzos residuales sobre las fracturas ha sido analizado
mediante los conceptos de la mecánica de fracturas. Este análisis ha concluido
que es posible que se desarrollen fracturas a partir de grietas que normalmente
serían estables en ausencia de los esfuerzos residuales. Si una pequeña falla
se da en una región libre de esfuerzos residuales o éstos son de compresión,
los esfuerzos no contribuyen a la fuerza aplicada en la punta de ladiscontinuidad.
Por el contrario, si la discontinuidad se encuentra en una región de esfuerzos
residuales de tensión, la intensidad de la fuerza aplicada sobre ella aumenta lo
que puede causar una grieta, misma que se extenderá hasta fuera de la zona
con esfuerzos residuales. En este punto, la grieta puede detenerse o crecer,
dependiendo de su longitud y de la intensidad de la carga. Entonces, los
esfuerzos residuales se encuentran localizados y la susceptibilidad a la fracturaes afectada sólo en esa región.
"O03O
"5.
O)
O
Esfuerzo de ruptura sinranura
Esfuerzo de ruptura con ranura ysin esfuerzos residuales
Esfuerzo de cedencia
Propagación ' Detención
Límite superior de carga de trabajo
Fractura parcial N\ ' \ x i
>—i i—i . % l\ \_1
T. T,
Temperatura
MMEsfuerzo de ruptura
con ranura y
esfuerzos residuales
MM
43
Figura 2.19. Efecto de los esfuerzos residuales sobre el esfuerzo de fractura en especímenescon ranura. Ta = temperatura de suspensión de avance de grieta; Tf = temperatura de transición
10de fractura
Pandeo Bajo Cargas de Compresión
Las piezas metálicas estructurales, tales como barras, vigas y láminas pueden
pandearse cuando se someten a esfuerzos de compresión, deformación o
torsión. Los esfuerzos residuales de compresión disminuyen la resistencia de
un metal al pandeo. Además, las distorsiones iniciales causadas por los
esfuerzos residuales son un factor que disminuye la resistencia al pandeo.
Fatiga del Material
La resistencia a la fatiga, es decir el número de ciclos que requiere una pieza
para fracturarse bajo una carga, aumenta cuando la pieza contiene esfuerzos
44
residuales de compresión, especialmente en la superficie. Por otra parte, los
esfuerzos residuales pueden ser atenuados por la aplicación cíclica de
esfuerzos, por lo que sus efectos sobre la resistencia a la fatiga en una
soldadura pueden ser despreciables.
Una característica importante del material que influye sobre su resistencia a la
fatiga es la uniformidad de su superficie. Esto se debe a que la mayoría de las
grietas de fatiga se inician en la superficie. Por ello, una forma efectiva de
reducir la concentración de esfuerzos residuales y aumentar la resistencia a la
fatiga consiste en quitar el refuerzo de la soldadura (si se utilizó uno) y pulir las
irregularidades superficiales, incluyendo los socavados.
Ruptura Bajo Condiciones Severas
Bajo condiciones severas los esfuerzos residuales pueden provocar el
agrietamiento de los metales aun cuando no se les aplique una carga externa.
Tanto las aleaciones ferrosas como las no ferrosas son susceptibles a la
corrosión bajo esfuerzos. En la Tabla 2.2 se enlistan algunos de las condiciones
ambientales que provocan rupturas por corrosión bajo esfuerzos.
Tabla 2.2 Condiciones que provocan rupturas por corrosión bajoesfuerzos.1
Aleación
Aceros de baja aleación
Aceros inoxidables al cromo
(con más del 12%deCr)Acero inoxidables austeníticos
(18% Cr, 8% Ni)Aluminio y sus aleaciones
Titanio y sus aleaciones
Condiciones ambientales
Nitratos, hidróxidos, ácidosu Ifid rico
Haluros, sulfuro dehidrógeno, vapor
Cloruros, hidróxidos
Cloruro de sodio,ambientes tropicales
Ácido nítrico fumante,hidrocarburos clorados
Por ejemplo, el patrón de ruptura a lo largo de la soldadura a tope de un acero
templado y revenido tipo SAE 4340 se muestra en la Figura 2.20.
45
El patrón de ruptura se reveló mediante la aplicación de un líquido penetrante
que después del análisis sale de las grietas y mancha la zona cercana al inicio
de las grietas. Así, los manchas redondas indican el ligar de inicio de las grietas
y no son huecos redondos, como podría creerse.
Las grietas longitudinales aparecen en la ZAC, mientras que las grietas
transversales ocurren en la ZAC y el metal base. Los esfuerzos residuales de
tensión son transversales a la soldadura en la ZAC, como lo indican las grietas
longitudinales. Por otro lado, lo esfuerzos residuales se vuelven longitudinales
conforme se alejan de la soldadura, tal como lo indican las grietas
transversales, las cuales son más largas y numerosas a lo largo de la soldadura
que cerca de los extremos. Esto indica que los esfuerzos residuales son
menores hacia el inicio y final de la soldadura.
m **•
«MI*1'
mS^
•*•
i
JB*~
Mayoresfuerzo
residual de
compresión
Figura 2.20. Patrón de ruptura por corrosión bajo esfuerzo.10
46
2.5 Tratamientos Térmicos 11
2.5.1 Descripción General
Los diferentes Tratamientos Térmicos (TT) a los que puede estar sometido un
metal se dividen en dos grupos de acuerdo con la temperatura alcanzada:
• TT Subcríticos cuando la temperatura alcanzada es inferior a la temperatura
crítica de transformación (de cambio alotrópico, o de recristalización).
• TT Supercríticos o de recristalización cuando la temperatura alcanzada es
superior a la temperatura crítica de transformación.
Los metales y/o aleaciones poseen en ciertos casos (el acero es uno de ellos)
una temperatura critica por encima de la cual ocurre la recristalización de la
microestructura por medio del cambio alotrópico. En el acero la temperatura
crítica varía con los elementos de aleación. En el caso de los aceros al carbono
sin aleantes la temperatura crítica por encima de la que comienza la
recristalización es en promedio 727°C. En la Figura 2.21 se muestra el
diagrama hierro carbono, en el que se puede apreciar la línea de cambio
alotrópico, conocida como Ai.
Es importante conocer las temperaturas críticas de las diferentes aleaciones ya
que suelen ser los valores máximos de calentamiento en los tratamientos
térmicos subcríticos. Un error frecuente es creer que la temperatura de 727°C
es la temperatura crítica de cualquier acero. Sólo los aceros al carbono (sin
aleantes) tienen esa temperatura crítica. Por ejemplo, la temperatura crítica de
un acero con 0,5% de Cr y 0,5% de Mo es de 760°C y con 5% de Cr y 0,5% de
Mo la Temperatura crítica alcanza los 820°C.
En la Figura 2.22 se observan las microestructuras que ilustran el cambio en la
microestructura de un acero después de ser sometido a un tratamiento térmico
de relevado de esfuerzos. Este cambio modifica las propiedades mecánicas de
la pieza, eliminando la fragilidad inducida y aumentando su resistencia.
1150
1100
1050
1000
950
900
O850
| 800
I 750E
700
650
600
550
500
450
400
47
2060
- 1950
-
_
(Y Fe) Ferrita
K
v
Austenita
\ Cementita
A,l\
"Austenita j mm
+
- • Ferrita
\
i j¡i,*
*1
{a Fe) Ferrita _.
—
Ferrita Cementita—
Perlita Perlita—
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Porcentaje de Carbono en Peso
Figura 2.21. Diagrama hierro-carbono.
1.8
1650
1750
1650
1550 u.o
s1450 3
«3L.
0)Q.
1350 £
|2
1250
1150
- 1050
- 950
8S0
750
2.2
El metal base (Fig. 2.22A) muestra la típica microestructura de granos
equiaxiales compuestos por una mezcla mayormente de ferrita y en menor
proporción de perlita dependiendo del contenido de C, que es común en los
aceros bajo carbono. Por otra parte, el metal de soldadura se compone
principalmente por granos columnares dendríticos de ferrita acicular y provoca
fragilidad en la línea central del cordón de soldadura por efecto de la
contracción (rechupe) durante la solidificación (Fig. 2.22B). La zona afectada
por el calor puede presentar fases frágiles cuando se enfría bruscamente
48
alcanzando durezas superiores a los 22 HRC, esta fase transformada se le
llama martensita sin revenir. Cuando las zonas de la soldadura se someten a un
tratamiento térmico la martensita gruesa se transforma en martensita de grano
fino, que es más tenaz y resistente.13
(A)
(B) (C)
Figura 2.22. Microestructura de una soldadura de acero: el metal base (A), la zona afectada porel calor (B), el metal de soldadura al final del proceso (B) y el metal de soldadura después de un
tratamiento térmico (C).12
2.5.2 Tratamientos Térmicos para Soldadura
Los tratamientos térmicos a los que se somete la soldadura tienen como fin
mejorar las propiedades mecánicas de la soldadura y eliminar los esfuerzos
residuales. La mayoría de los tratamientos térmicos de la soldadura son
subcríticos y no de recristalización alotrópica (austenización) como ocurre en
los aceros de construcción de máquinas. El tratamiento térmico puede
realizarse antes o después de aplicar el cordón de soldadura, por lo que
tenemos dos categorías principales o tres tipos de tratamientos térmicos:
49
• Precalentamiento
• Poscalentamiento
El tratamiento térmico puede aplicase antes que la soldadura, lo que
denominamos precalentado y sirve para disminuir la formación de los esfuerzos
residuales y otros defectos. Si el tratamiento térmico se aplica después de la
soldadura, se denomina poscalentamiento. Si el poscalentamiento tiene como
función eliminar los esfuerzos residuales se le llama relevado de esfuerzos. Si,
por el contrario, el objetivo es disminuir la dureza producida por estructuras
martensíticas en la ZAC, el se le llama revenido.
2.5.3 Precalentamiento
Consiste en calentar el material base antes y durante la soldadura manteniendo
la temperatura del mismo entre un valor mínimo (temperatura de
precalentamiento) y uno máximo (temperatura entre pasadas) por alguna o
varias de las siguientes razones:
1. El precalentamiento es la principal defensa contra la fisuracion inducida por
hidrogeno (HIC) puesto que permite a éste difundir fuera del metal de
soldadura. Además elimina el exceso de humedad en la pieza a soldar que
es el principal factor mediante el cual el hidrógeno es absorbido en el charco
de metal de soldadura durante la unión.
2. Disminuye la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura y de la ZAC,
el resultado es una microestructura más dúctil y resistente a la fisuracion.
3. Disminuye los esfuerzos residuales al reducir la diferencia de temperatura
entre el metal de soldadura y el material base, minimizando la contracción.
4. Mantiene el acero a una temperatura superior a aquella por debajo de la
cual ocurre una fractura frágil.
5. Compensa las pérdidas de calor en secciones gruesas de acero y
especialmente en aleaciones de alta conductividad térmica, como cobre o
aluminio, evitando fallas por falta de fusión del material base.
50
6. Reduce la porosidad debida a la presencia de humedad.
En la Figura 2.23 se observa el cambio en las propiedades mecánicas de una
pieza con una soldadura gracias al tratamiento térmico. Se trata de las caras de
fractura de una prueba de ruptura con el espécimen justo como se obtiene al
final del proceso de soldadura (A) y cuando es sometido a un tratamiento
térmico (B). La pieza (A) muestra una ruptura frágil mientras que la pieza (B)
exhibe una ruptura dúctil. Sin importar de cuál proceso de soldadura se trate, el
tratamiento térmico de la unión es beneficiosa para las propiedades mecánicas
de la pieza.12
m
A\
(A)
1 > 1(B)
Figura 2.23. Fractura de una soldadura porarco sumergido sin tratamiento térmico (A) y contratamiento térmico (B). La fractura tratada térmicamente es más dúctil.
Elección de la Temperatura de Precalentamiento
La capacidad de un acero para adquirir temple depende de su %C y de los
elementos de aleación. Los elementos de aleación (incluyendo al carbono)
definen la velocidad de enfriamiento desde el rango austenítico necesaria para
poder lograr el temple. Cuanto mayor sea el %C mayor será la dureza posible a
obtener y cuanto mayor sea la cantidad de aleantes menor será la velocidad de
enfriamiento necesaria para obtenerla.
Esto significa que ambos, %C y porcentaje de aleantes disminuyen la
soldabilidad de un acero pues aumentan su templabilidad. Concretamente, el
recalentamiento se realiza con el objeto de disminuir la velocidad de
enfriamiento de la ZAC y del metal de soldadura.
51
2.5.4 Poscalentamiento
Relevado de Esfuerzos
Se utiliza para relevar los esfuerzos residuales que pudieran haber quedado
como consecuencia de un proceso de fabricación, en nuestro caso la soldadura.
El relevado de esfuerzos puede ser integral o localizado, se realiza a una
temperatura adecuada al material en cuestión por debajo de la temperatura de
transformación (ACi para aceros ferríticos) durante un determinado tiempo
seguido por un enfriamiento controlado. Los esfuerzos residuales pueden
disminuir en un 90% con la aplicación de un tratamiento térmico.14
Se le realiza en aceros ferríticos de baja aleación a temperaturas entre los
595°C y los 675°C. Esto se realiza con el fin de homogeneizar la
microestructura. Para los aceros de alta aleación el revenido debe realizarse a
mayores temperaturas, pero siempre por debajo de la temperatura crítica de
transformación (727°C).
Debe tenerse cuidado en asegurar el enfriamiento uniforme, particularmente
cuando el componente tiene diferentes espesores. Si la velocidad de
enfriamiento no es uniforme, pueden generarse nuevos esfuerzos residuales
iguales o mayores que los originales. Esta técnica puede reducir la distorsión
proveniente de la soldadura. La presencia de esfuerzos residuales puede
producir SCC cerca de la soldadura (aún sin cargas externas) y en zonas del
componente que hayan sufrido deformación plástica en frío, además, la
deformación plástica en frío puede producir una reducción en la resistencia al
flujo plástico a temperaturas elevadas.
En un acero ferrítico los esfuerzos residuales reducen la resistencia a la fractura
frágil. En materiales no propensos a la fractura frágil, tal como los aceros
inoxidables austeníticos, los esfuerzos residuales pueden ser suficientes por si
solos para producir agrietamiento asistido por el medio (SCC, Stress Corrosión
52
Cracking), aun en medios con bajas concentraciones de H2S o C02 (u otra
especie iniciadora de SCC).
Cuando se requiere un maquinado luego de la soldadura la presencia de
esfuerzos residuales puede generar distorsión del componente soldado durante
la operación. Esto ocurre debido a que el material retirado por el maquinado
soportaba parte del sistema de esfuerzos residuales que se encontraba en
equilibrio, de tal manera que el maquinado permite que las tensiones del
material que queda no sean equilibradas por las tensiones del material que fue
retirado. De esta forma se producen distorsiones muchas veces inaceptables.
Con el objeto de lograr la estabilidad dimensional del componente durante el
mecanizado es necesario someter la pieza a un tratamiento térmico de relevado
de esfuerzos. Este problema es general en todos los materiales pero es más
severo en los aceros austeníticos debido a su alto coeficiente de dilatación. En
la Figura 2.24 se muestra una gráfica donde se observa el relevado de
esfuerzos como efecto de la temperatura y el tiempo a los que se somete la11
pieza.
600
Temperatura de Relevado de Esfuerzos, °F
800 1000 1200 1400T
53
Temperatura de Relevado de Esfuerzos, °C
Figura 2.24. Relevado de esfuerzos en una pieza de acero al carbono.11
Revenido
Se realiza con el fin de ablandar la ZAC o mismo metal de aporte ya que el ciclotérmico de la soldadura produce una modificación indeseable de la
microestructura. Las razones por las cuales se aplica el revenido son:
1. La dureza en la ZAC o en el metal de soldadura (debida a la transformación
de su microestructura por el calor) no es recomendable por la inherente
fragilidad de las mismas. Un material duro no es plástico y la plasticidad es
esencialmente el mecanismo de consumo de energía que genera la
tenacidad. La tenacidad de la unión se incrementa considerablemente.15
2. Una alta dureza puede ser el factor desencadenante de una fisuracion
inducida por hidrógeno (HIC). Un caso particular de HIC tiene lugar enpresencia de H2S que suele estar presente en la industria petroquímica. En
este caso se recomienda revenir al acero (generalmente un acero al
carbono), a una temperatura de aproximadamente 600°C durante 1 hora o
54
cualquier otro ciclo de tratamiento térmico subcrítico para obtener una
dureza no superior a los 22 HRC. (NACE RM 0175). Este ablandamiento se
considera imprescindible para materiales con una resistencia superior a losX70.
3. Una tercera razón para realizar el revenido es que la dureza también puede
ser el factor desencadenante de SCC (corrosión bajo esfuerzo). En este
caso se busca que la dureza no sea superior a los HB 200-240, estos
valores están especificados para cada acero en particular; por ejemplo, enASMEB31.3.
El revenido se realiza generalmente en aceros aleados al CrMo (P5, P9, P91
etc.). Estos aceros, por estar aleados con Cr, son más difíciles de revenir, ya
que son aceros resistentes a las altas temperaturas. Por lo tanto para
ablandarlos es necesario utilizar temperaturas superiores (720°C-760°C) a la de
los aceros al carbono. El ablandamiento o revenido es función tanto de la
temperatura como del tiempo, o sea a mayor tiempo mayor será el
ablandamiento a una temperatura dada.
2.5.5 Tratamientos Térmicos Integrales 16 17
Cuando una pieza ha sido fabricada mediante algún proceso de soldadura y se
desea tratarla en su totalidad entonces se aplica un tratamiento térmico integral.
Para ello generalmente se hace uso de un horno de combustible aunque
también es posible calentar la pieza por dentro mediante el uso de un
calefactor. La temperatura se controla a través de un termopar.
Horno Estacionario
Se trata de hornos grandes y pesados que se encuentran en un lugar fijo. Su
aislamiento térmico consiste en ladrillos cerámicos o fibras de cerámica. La
mayoría de ellos cuentan con un piso móvil o una banda que permite introducir
las piezas a tratar térmicamente. Los hornos estacionarios pueden ser muy
grandes y tienen todo tipo de usos: desde el tratamiento térmico en pequeños
55
talleres, pasando por plantas de producción en masa, hasta el tratamiento de
piezas únicas de gran tamaño.
Horno Portátil
Son hornos de fabricación modular que pueden transportarse hasta el lugar de
trabajo. Tienen la ventaja de que pueden hacerse del tamaño requerido
agregando o quitando módulos. Están fabricados con paneles revestidos
exteriormente en chapa galvanizada e interiormente aislados con fibra
cerámica. Son especialmente útiles con piezas medianas y grandes en sitios de
construcción.
Calefaccionado Interno
Esta forma de aplicación del tratamiento térmico se utiliza cuando la pieza
involucrada es demasiado grande para meterla en un horno. El método consiste
en utilizar la pieza misma como un horno. Esto se logra revistiéndola con dos
capas de aislamiento y colocando una fuente de calor en su interior. La primera
capa debe ser refractaria y se usa fibra cerámica ya que la misma debe resistir
las altas temperaturas de la piel caliente del equipo. La segunda capa puede
ser un material aislante menos refractario y menos costoso, por ejemplo lana
mineral. El calor se obtiene de un quemador de gas colocado en el interior de la
estructura. El ejemplo típico de esta técnica es el tratamiento térmico de esferas
de almacenamiento de gas.
2.5.6 Tratamientos Térmicos Localizados 17
En ellos se aplica el tratamiento térmico sólo en la zona donde se realizó la
soldadura. Esto se hace cuando es impráctico el uso de los hornos o si éstos no
están disponibles. En el caso de las líneas de tubería, las soldaduras
longitudinales y las uniones soldadas de conexiones a envolventes no se tratan
localizadamente pues el material frío aledaño a la zona calentada no permite a
ésta la libre dilatación. En el caso de costuras longitudinales la zona caliente
tampoco no puede dilatarse en la dirección del cordón y en el caso de
56
conexiones a envolvente si se calienta el circulo alrededor de la conexión éste
no puede dilatarse por que esta restringido por el material frío alrededor de él.
En estos casos el material tiende a dilatarse en la dirección del espesor y como
esta caliente y blando por el efecto de la temperatura, se deforma plásticamente
en esa dirección.
Resistencias Eléctricas
Como su nombre lo indica, el calor se produce mediante resistencias eléctricas
flexibles que se colocan sobre la banda de metal que desea calentarse. La
unión a calentar se aisla térmicamente con mantas de fibra cerámica. Si se trata
de una unión de tubería, entonces se tapa el interior del tubo a ambos lados de
la soldadura circunferencial para formar una mampara. La mampara permite
mantener una temperatura uniforme
Inducción
Consiste en aplicar una corriente alterna (AC) a las espiras de un cable
enrollado alrededor de la parte a ser calentada. Esto se debe a que toda
corriente eléctrica tiene asociado a ella un campo magnético, que penetra en el
metal cercano a las espiras. Este campo alterno produce corrientes inducidas
en el material. El calor es, a su vez, desprendido el efecto de la resistencia
eléctrica del metal. El espesor de la zona calentada depende de la frecuencia
de la corriente que pasa por las espiras. Cuanto mayor sea la frecuencia más
fina será la capa calentada. Las frecuencias más utilizadas se encuentran entre
60 y 400 Hertz.
Radiación con Lámparas de Cuarzo
Este método aprovecha la energía contenida en un haz de luz muy intenso para
calentar la zona dende se ha realizado la soldadura. Presenta ventajas sobre
otras formas de aplicación de tratamientos térmicos localizados. Por ejemplo, la
luz de la lámpara puede alcanzar un área mucho mayor que el calor de la flama
y calienta el metal con mayor rapidez. En comparación con la inducción y las
57
resistencias eléctricas, las lámparas pueden encontrarse a una distancia
relativamente grande de la pieza a tratar. Este proceso consume mucha
energía.
Llama
Es un método que emplea la llama producida por un gas de rápida combustión.
El calor producido por la combustión lleva al metal a una temperatura lo
suficientemente alta para producir el tratamiento térmico. Este método es
relativamente sencillo y muy asequible pero tiene la desventaja de que la
temperatura es difícil de controlar.
Radiación con Calefactores de Gas
Concentra el calor producido por la combustión de gas sobre la superficie
metálica a tratar sin contacto directo con la flama. Estos calefactores cuentan
con una superficie reflejante que concentra la radiación (especialmente
infrarroja) sobre una superficie. El aumento de la temperatura es ocurre con
mayor lentitud que con otros métodos, lo que puede ser deseable en algunos
casos. Los calefactores de este tipo consumen una mayor cantidad de gas para
el tratamiento térmico en comparación de la llama.
2.5.7 Efectos Indeseables del Tratamiento Térmico 16
Generalmente los tratamientos térmicos se utilizan para mejorar las
propiedades de una pieza metálica, sin embargo cuando el tratamiento térmico
se aplica incorrectamente, el proceso puede resultar contraproducente. Por
ejemplo, si la velocidad de enfriamiento es muy alta o si la temperatura máxima
superó por mucho el punto crítico (o llegó hasta el punto de fusión), el
tratamiento térmico puede provocar los esfuerzos residuales, distorsiones,
absorción de gases y modificaciones de la microestructura que se supone debía
eliminar. Evidentemente, esto lleva a la generación de defectos y desperfectos
en las piezas.
58
La forma más sencilla para evitar este tipo de errores es el control preciso de la
temperatura y de las velocidades de enfriamiento y calentamiento. Otro factor
importante a controlar es el tiempo que dura el tratamiento térmico. En los
métodos que lo requieran, se debe cuidar que el aislamiento térmico sea
uniforme sobre la pieza o las zonas a tratar.
CAPITULO 3
DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE
BIBLIOGRAFÍA
59
Las soldaduras realizadas por medio del proceso de arco de metal protegido
(SMAW) en las uniones de segmentos de tubería modifican la microestructura
del metal base en la zona afectada por el calor (ZAC) y generan esfuerzos
residuales en la soldadura y la zona afectada por el calor.
La soldadura por SMAW consiste en la coalescencia de metal por medio del
calor producido por un arco eléctrico formado entre un electrodo recubierto y las
piezas metálicas que se están uniendo. Este tipo de soldadura es la más común
y uno de sus muchos usos es la unión de segmentos de tubería de acero al
carbono para transporte de hidrocarburos.
Los esfuerzos residuales generados durante la aplicación de la soldadura
SMAW pueden disminuirse drásticamente si la operación se lleva a cabo sobre
una pieza precalentada e, inclusive, pueden llegar a eliminarse casi por
completo si se aplica un post tratamiento térmico. Esto es fundamental para el
control del SCC.19 El tratamiento térmico de la soldadura en dos pasos se
realiza rutinariamente en todas las actividades de construcción, mantenimiento
y reparación de líneas de tubería de acero al carbono.
60
El tratamiento térmico de la soldadura puede realizarse utilizando diferentes
fuentes de calor. Algunas operaciones requieren específicamente de un tipo de
tratamiento térmico, puesto que sólo éste proporciona la calidad requerida por
las especificaciones. En ultima instancia, el método de aplicación del
tratamiento térmico se elige de acuerdo a las posibilidades económicas y
operacionales de la empresa que requiere el servicio.
En la industria del transporte de hidrocarburos la mayoría de las soldaduras se
realizan en la unión de segmentos de línea de tubería. Para el tratamiento
térmico de este tipo de soldaduras se utiliza generalmente el método de
inducción. La versatilidad, rapidez y sencillez del método de inducción lo hacen
adecuado para su aplicación en tareas de campo. El tratamiento térmico de la
soldadura circunferencial es esencial para la prevención de la corrosión y
ruptura de estas uniones.18
Es muy importante que el tratamiento térmico se aplique a las temperaturas
apropiadas para el tipo de acero empleado durante el lapso de tiempo
suficiente. Si la temperatura pasa por encima del punto critico, el tratamiento
térmico puede ser perjudicial para el material. Si la temperatura es muy baja, los
esfuerzos residuales pueden quedar sin eliminar.
Finalmente, podemos decir que el tratamiento térmico de la soldadura es un
pilar fundamental, entre otros, de la industria del transporte de hidrocarburos,
pues permite la construcción y reparación de líneas seguras y permite su
operación interrumpida a largo plazo.20
CAPITULO 4
CONCLUSIONES
61
De acuerdo a la investigación realizada en el presente trabajo, "Estudio sobre el
tratamiento térmico de las soldaduras de tuberías de acero al carbono (API 5L
X52) realizadas mediante el proceso por arco de metal y electrodo revestido
(SMAW)" se concluye lo siguiente:
1. Los esfuerzos residuales generados durante el proceso de soldadura SMAW
pueden ser perjudiciales para la integridad mecánica de las uniones soldadas
de tubería de acero.
2. En las tuberías de acero al carbono las fallas ocurren preferentemente en las
uniones realizadas por medio de soldadura circunferencial por proceso
SMAW. Específicamente, en la zona afectada por el calor.
3. La mejor forma de mitigar los esfuerzos residuales y mejorar las propiedades
mecánicas de la soldadura es la aplicación de un tratamiento térmico de pre
y/o pos calentamiento o ambos, cuando el enfriamiento es debidamente
controlado hasta su temperatura ambiente se le denomina "relevado de
esfuerzos".
62
4. Por lo tanto, el tratamiento térmico y el relevado de esfuerzos son una
herramienta fundamental de prevención de fallas y rupturas, su aplicación
garantiza las propiedades mecánicas adecuadas de la soldadura lo cual
disminuye el riesgo de accidentes y ahorra recursos económicos.
63
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10 O'Brien, R. L. Welding Handbook Volume 1: Welding Science & Technology.
9th Edition. AWS. (2001). p. 298-313
11 ASM Handbook Volume 4: Heat Treating. Revised Edition. ASM. (1991). p.
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Element Method and Experiments. Journal of Materials Processing Technology.
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15 Ghosh, P. K., Gupta, P. C, Potluri, N. B., Gupta, Y. J. 2004. Influence of Pre
and Post Weld Heating on Weldability of Modified 9Cr-1 MoVNb Steel Plates
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Disponible en: http://www.24-7pressrelease.com/press-release/post-weld-heat-
treatments-prevent-premature-failure-of-industrial-structures-100366.php
19
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Abril 3]. Corrosión Doctors; [consultado 2010 Abril 3]. Disponible en:
http://corrosion-doctors.org/Forms-SCC/scc-control.htm
Pipeline Stress Corrosión Cracking. [Internet], [actualizado 2010 Abril 4].
Corrosión Doctors; [consultado 2010 Abril 4]. Disponible en: http://corrosion-
doctors.org/Forms-SCC/scc-pipeline.htm
66
LISTA DE TABLAS
Tabla Descripción Página
2.1 Especificaciones de la AWS para electrodos recubiertos. 13
2.2 Condiciones que provocan rupturas por corrosión bajo 43esfuerzos.
LISTA DE FIGURAS
Figura Descripción Página
2.1 Los distintos procesos de soldadura y corte térmico. 4
2.2 Proceso de Soldadura SMAW. 5
2.3 Elementos del circuito de soldadura SMAW. 6
2.4 Efecto del amperaje sobre la velocidad de 15depositación.
2.5 Defectos causados por amperaje, longitud de arco y 18velocidad de avance inadecuados.
2.6 Orientación del electrodo en la soldadura de tuberías. 19
2.7 Defectos identificables en las soldaduras. 23
2.8 Soldadura circunferencial de una tubería. 24
2.9 Dureza del metal de soldadura en una unión con 25varios cordones de soldadura superpuestos.
2.10 Identificación de las posiciones de soldadura mediante 26el horario técnico.
2.11 Procedimiento de soldadura de tubería hacia abajo 26(izquierda) y hacia arriba (derecha).
2.12 Máquina de corte para tuberías con la que se realiza el 29biselado.
2.13 Esfuerzos residuales longitudinales y transversales en 30una soldadura a tope
2.14 Ejemplos de esfuerzos residuales en varias escalas. 31
2.15 Cambios en la temperatura y los esfuerzos residuales 33generados por la soldadura.
2.16 Distorsión en una barra metálica rectangular cuando 34se pasa sobre ella una fuente de calor.
2.17 Distribución típica de los esfuerzos residuales 36longitudinales y transversales en una soldadura.
2.18 Efectos de la aplicación de una carga externa uniforme 38sobre la distribución de los esfuerzos residuales.
2.19 Efecto de los esfuerzos residuales sobre el esfuerzo 41de fractura en especímenes con ranura.
2.20 Patrón de ruptura por corrosión bajo esfuerzo. 44
2.21 Diagrama hierro-carbono. 46
2.22 Microestructura de las diferentes zonas de una 47soldadura de acero.
2.23 Patrón de fractura en una antes y después de un 49tratamiento térmico.
2.24 Relevado de esfuerzos en una pieza de acero. 51
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