ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL INGENIERÍA MECÁNICA SOLDADURA DE PRODUCCIÓN Y MANTENIMIENTO PROYECTO DE SOLDABILIDAD Integrantes: Gustavo Huilca David Rivera
Tema: Soldabilidad de los aceros HSLA Objetivos:
Analizar las condiciones necesarias para soldar aceros HSLA.
Determinar las características de los diferentes tipos de electrodos utilizados para soldar aceros HSLA.
Determinar las diferentes posiciones utilizadas para proceder a soldar aceros HSLA.
MARCO TEÓRICO Aceros HSLA Los aceros microaleados, también conocidos como aceros de baja aleación y alto límite elástico (HSLA), son aceros de bajo o medio contenido en carbono con pequeñas cantidades de elementos de aleación. Se caracterizan por poseer una elevada ductilidad, estructura de grano fino y bajo contenido en carbono, además de
combinar
unas
excelentes
propiedades
mecánicas
con
una
buena
conformabilidad y soldabilidad. Los elementos que, en forma de microaleación, se emplean más para la fabricación de estos aceros son Cr, Ni, Mo, V, Zr, Cu, Ti, Nb, N y P. La función principal de estos microaleantes es contribuir al endurecimiento de la ferrita, por medio del afino de grano, endurecimiento por precipitación y endurecimiento por formación de solución sólida. Los aceros microaleados más usados poseen un límite elástico comprendido entre 30 y 56Kg/mm2 y cargas de rotura entre 42 y 63Kg/mm2, valores que se pueden superar con la adición de determinados elementos de aleación y con la aplicación de tratamientos térmicos. Los aceros HSLA de mayor aplicación se pueden clasificar en tres grupos:
* Grupo A, aceros normalizados de alto límite elástico: este grupo de aceros se caracteriza por poseer una buena soldabilidad y su elevado límite elástico se consigue por la adición de pequeñas cantidades de elementos de aleación como el Nb. * Grupo B, aceros normalizados resistentes a la corrosión atmosférica: los elementos que se añaden como microaleantes a esta grupo de aceros son Ni, Cr, Cu, Si y P. Son aceros que poseen unas cuatro veces más resistencia a la corrosión y valores de resiliencia superiores a los del los aceros al carbono. Los aceros de este grupo más empleados son los ASTM 242 y A588. * Grupo C,aceros templados y revenidos de muy altas características mecánicas: son aceros que en función de la composición química, espesores y tratamiento térmico, pueden llegar a alcanzar límites elásticos de entre 35 y 205Kg/mm2. Estas elevadas propiedades mecánicas provienen de la estructura martensítica que se consigue después de un tratamiento térmico de temple y revenido. Para ello, las piezas de acero se calientan a una temperatura a la cual se consigue una estructura martensítica con los carburos de estos elementos en disolución. A continuación, la pieza se enfría y la estructura martensítica se transforma en una estructura mixta de martensita y bainita inferior.
Soldabilidad de los aceros aleados Prácticamente se pueden soldar todos los tipos de aceros aleados, aunque, como regla general, la operación de soldadura exige mucho más cuidado que en los aceros ordinarios. Esta dificultad se debe a que, en algunos casos, la operación de soldadura puede destruir las características comunicadas al acero por algún elemento de aleación. Además, salvo que se tomen las precauciones adecuadas, pueden aparecer fisuras en el área de soldadura, así como cordones con sopladuras e inclusiones de escoria, todo lo cual debilita considerablemente la soldadura. Sin embargo, muchas de estas dificultades pueden evitarse o aminorarse empleando electrodos especiales fabricados expresamente para el soldeo de distintos tipos de aceros aleados.
Precalentamiento y postcalentamento En muchos aceros aleados, para obtener una soldadura de calidad, se requiere un exacto control de la velocidad de enfriamiento. Esto se debe a que tales aceros templan con facilidad cuando se calientan a elevadas temperaturas y se enfrían rápidamente. Si estos aceros se sueldan sin un control adecuado de la aportación de calor, se produzca una fragilización del material de la junta, en la zona térmicamente afectada. Los precalentamientos y postcalentamientos disminuyen la
velocidad
de
enfriamiento
y
como
consecuencia
no
se
produzcan
modificaciones apreciables en la zona de la soldadura. La aplicación de precalentamiento y postcalentamiento es también un factor importante en la prevención de fisuras por las tensiones de contracción. Al disminuir la velocidad de enfriamiento, las tensiones de contracción que se van originando tienen tiempo para distribuirse a través de la soldadura y para atenuarse mientras el metal está aún caliente. Las temperaturas de precalentamiento y postcalentamiento dependen de la composición del metal base. Algunos elementos de aleación aumentan la templabilidad del acero más que otros y, por consiguiente, exigen velocidades de enfriamiento más lentas. En cualquier caso, la temperatura de precalentamiento nunca debe rebasar la temperatura de temple del material base, salvo que la pieza se vaya a someter a un tratamiento térmico posterior a la soldadura. Cuando no se sabe si es necesario precalentar un acero determinado, se puede comprobar rápidamente mediante la prueba que se pasa a comentar. Esta prueba no es aplicable para espesores muy finos, pero da buenos resultados sobre piezas de hasta unos 10 mm de espesor. Para realizar la prueba se coge una chapa cuadrada, de acero ordinario con pequeño contenido en carbono, de unos 50 a 75 mm de lado y 12 mm de espesor, y se suelda en T, como se muestra en la figura, a un trozo de chapa del acero que se indica a investigar. Se deposita un cordón en ángulo, de forma convexa, empleando un electrodo y una intensidad de corriente similares a los que se van a utilizar posteriormente. A continuación se deja enfriar la soldadura durante cinco minutos y se golpea con un martillo hasta producir la rotura. Si la rotura se produce a través de la soldadura, la prueba nos indica que
se ha producido una fisuración apreciable en el metal base, por lo que puede soldarse sin necesidad de precalentamiento. Por el contrario, si la rotura se verifica como en la figura, arrancando parte del metal base que estamos ensayando, la prueba nos indica que este acero debe precalentarse.
Tipos de bordes Para obtener buenas soldaduras es muy importante la preparación adecuada de los bordes. Para espesores inferiores a 1.5 mm, se recomienda la preparación con bordes rectos, sin separación. En espesores más gruesos, las piezas se disponen con una cierta separación. Para evitar la contaminación de la soldadura, es necesario limpiar cuidadosamente los bordes de las piezas a soldar. Al iniciar la soldadura hay que cebar el arco tocando con el extremo del electrodo sobre la pieza y levantándolo rápidamente a una distancia suficiente para
mantener un arco adecuado. La tendencia del electrodo a pegarse sobre la pieza, puede evitarse utilizando un movimiento de cebado similar al que se emplea para encender una cerilla. Antes de cebar el arco hay que asegurarse de que en el electrodo sobresale ligeramente la parte metálica del mismo. En caso contrario, eliminar el revestimiento excesivo. Para mantener un arco de longitud constante, el electrodo, además del movimiento de avance en la dirección de la soldadura, debe estar animado de un movimiento continuo de aproximación a la pieza, con vistas a compensar la longitud fundida. Para finaliza la soldadura o para extinguir el arco, debe aproximarse momentáneamente al electrodo a la pieza (acortar el arco) y a continuación levantarlo rápidamente sobre el cordón depositado. Con vistas a reducir la porosidad y la oxidación de la soldadura, el arco debe mantenerse lo más corto posible. Un arco demasiado largo no es eficiente en estos aspectos y además aumenta considerablemente las proyecciones. Las soldaduras en vertical y en techo requieren arcos más cortos y electrodos de menor diámetro que los utilizados para la soldadura horizontal. Una vez finalizada la soldadura deben eliminarse cuidadosamente tanto la escoria como los cambios de coloración en el cordón y en el metal base. Los ligeros cambios de coloración pueden eliminarse por procedimientos electrolíticos. En cuanto a los óxidos, es mejor eliminarlos por esmerilados o decapado, o mediante la aplicación de un chorro de arena. Cuando se emplea el esmerilado, debe rematarse puliendo con granos cada vez más finos. En los acero inoxidables, cuanto más limpia y pulida esté la superficie, mayor s la resistencia a la corrosión.
Procesos de soldadura Proceso SMAW El proceso Smaw puede servir para unir la mayor parte de los metales y aleaciones comunes. 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. La soldadura por arco de metal protegido también se usa para unir una amplia gama de materiales químicamente disímiles. El proceso no se usa para metales en los que resulta insatisfactoria la protección del arco prevista por los productos gaseosos de una cobertura de electrodos. Los metales reactivos (Ti, Zr) y refractarios (Nb, Ta, Mo) pertenecen a esta categoría. El proceso Smaw puede ser utilizado para soldar aceros HSLA sin embargo hay que tomar en cuenta algunas consideraciones al momento de seleccionar los electrodos.
Tipos de electrodos para proceso SMAW Se puede utilizar electrodos para soldar aceros de bajo carbono especificados en la AWS A5.1; también se puede utilizar electrodos revestidos para soldar aceros de baja aleación especificados en AWS A5.5. el principal requerimiento es que la resistencia a la tracción del metal de aporte empareje con la del metal base. Por el riesgo de fisuramiento por hidrógeno en la soldadura, otro requerimiento que se debe tener en cuenta al momento de seleccionar los electrodos para soldar aceros HSLA es que deben ser electrodos de bajo hidrógeno y así evitar la aparición de fisuras en el metal base. Debido a que la humedad del revestimiento en los electrodos puede aumentar el contenido de hidrógeno en el metal de soldadura y en la ZAC, al soldar aceros HSLA resulta de particular importancia mantener los niveles de humedad en los electrodos en niveles muy bajos, así, para la serie 70 (E70xx) el nivel de humedad debe ser de 0.4 %; para la serie 80 (80xx) de 0.2%; 0.15%, etc. Por esta razón resulta
muy
importante
tomar
en
cuenta
adecuadas
condiciones
almacenamiento, mantención y reacondicionamiento de electrodos.
de
El uso de electrodos que sean de bajo hidrógeno puede ser aceptable en algunas aplicaciones como por ejemplo cuando los espesores del material son delgados o las juntas no están sometidas a grandes esfuerzos. La norma AWS D1.1 especifica los procedimientos de soldadura y el material de aporte que se debe usar para soldar cada uno de los aceros HSLA.
Proceso SAW En la soldadura por arco sumergido, el arco es protegido con un fundente granular formado por cal, sílice, óxido de manganeso, fluoruro de calcio y otros compuestos. Este fundente se alimenta por gravedad a la zona de soldadura, a través de una boquilla. La capa gruesa de fundente cubre totalmente el metal fundido; evita las salpicaduras y las chispas, suprime la intensa radiación ultravioleta y los humos característicos del proceso de arco y metal protegidos. También el fundente actúa como aislante térmico, facilitando la penetración profunda del calor en la pieza.
Tipo de electrodo para proceso SAW El electrodo consumible es un rollo de alambre redondo desnudo de 1.5 a 10 mm de diámetro, se alimenta de forma automática por un tubo (pistola de soldar), las corrientes eléctricas suelen ser de 300 a 2000 A. El fabricante de los aceros HSLA por lo regular suministra estos aceros en las condiciones recién roladas, normalizado o extinguido y templado, dependiendo de los requisitos de especificación del material. Los aceros que se sueldan con consumibles de SAW cubiertos por ANSI/AWS A5.23 incluyen las especificaciones ASTM A242, A572 Grados 42-55, A588 Y A633 Grados A-E. cabe señalar que algunos de estos aceros también pueden soldarse con consumibles especificados en ANSI/AWS A5.17; la elección depende de los requisitos de propiedades mecánicas. Los aceros ASTM A242 y A588 son resistentes a la oxidación. En algunas aplicaciones estos materiales deben soldarse con combinaciones de electrodo/fundente que produzcan soldaduras con el mismo aspecto y resistencia a la oxidación del material base.
Soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW) Es un proceso de soldadura que aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Este proceso se emplea con protección de un fundente contenido dentro del electrodo tubular, con o sin un escudo adicional de gas de protección externa y sin aplicación de presión.
Tipo de electrodo para proceso FCAW El electrodo con núcleo de fundente es un electrodo tubular de metal de aporte compuesto que consiste en una funda metálica y un núcleo con diversos materiales pulverizados. Durante la soldadura, se produce un manto de escoria abundante sobre la superficie de la franja de soldadura. La mayor parte de los aceros que se puede soldar con los proceso SMAW, GMAW, o SAW se sueldan fácilmente empleando el proceso FCAW. Los electrodos con núcleo de fundente utilizados en la soldadura de acero HSLA son especificados en la ANSI/AWS A5.2 y A.29; los electrodos están diseñados para producir metales de soldadura con composición química y propiedades mecánicas similares a las que se obtienen con electrodos de SMAW para soldar aceros HSLA. Varias clasificaciones de electrodos con núcleo de fundente también tienen especificaciones de requerimientos de pruebas de impacto. Algunos electrodos no requieren un escudo adicional de gas externo como por ejemplo E80T1-W que es un electrodo que provee metal de soldadura que tiene características de resistencia a la intemperie similar a la de algunos aceros estructurales de baja aleación.
Soldadura por arco de metal y gas (GMAW) La soldadura por arco de metal y gas es un proceso de soldadura por arco que emplea un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. El proceso se realiza bajo un escudo de gas suministrado externamente y sin aplicación de presión. Para el proceso GMAW pueden usarse gases de protección tanto inertes como reactivos. GMAW puede operar en modalidad mecanizada, semiautomática o automática. Todos los metales de importancia comercial, como el acero al carbono, el acero de
baja aleación de alta resistencia mecánica (HSLA), el acero inoxidable, el aluminio, el cobre, el titanio y las aleaciones de níquel se pueden soldar en cualquier posición con este proceso escogiendo el gas protector, el electrodo y variables de soldadura apropiados.
Soldadura con electrodo de tungsteno bajo la protección de gas (GTAW) La característica importante de este proceso de soldadura es que el electrodo usado no se consume durante la operación de soldadura. Está hecho con tungsteno puro o aleado, que tiene la capacidad de soportar temperaturas muy altas, incluso aquellas del arco de soldadura. Por esto, cuando pasa la corriente, se crea un arco entre el electrodo de tungsteno y la pieza. La principal ventaja de GTAW se basa en el hecho que pueden producir soldaduras de excelente aclidad y excelente apariencia visual. Los acero HSLA se sueldan fácilmente con el proceso GTAW, aunque niveles combinados de fósforo y azufre en el metal base en exceso de 0.03% pueden causar agrietamiento de la zona de fusión y de la zona térmicamente afectada. La pérdida de ductilidad por hidrógeno en estas aleaciones es un problema si hay contaminación por hidrocarburos o vapor de agua. El agrietamiento inducido por hidrógeno puede minimizarse con la aplicación de precalentamiento o un tratamiento térmico posterior o en algunos casos en áreas muy húmedas, usando escudos de gas con estela.
Soldadura por electroescoria (ESW) En este proceso de soldadura el arco se inicia entre la punta del electrodo y el fondo de la pieza a soldar. Se agrega fundente, el cual se funde por el calor del arco. Después de que la escoria fundida llega a la punta del electrodo, se extingue el arco y en adelante el calor se produce por resistencia eléctrica. Permite soldar placas de espesores entre 50 y más de 9000 mm, siéndola soldadura de un paso. Se requieren corrientes de 600 A. La velocidad de avance del electrodo es de 12 a 36 mm/min. Este método puede utilizarse para recipientes de reactores nucleares y maquinaria pesada. Los electrodos sólidos y de núcleo metálico usados en la soldadura
por
electroescoria
ESW
especificados de acuerdo a la AWS A5.5.
de
aceros
estructurales
HSLA
son
La composición del metal de soldadura es similar al material depositado por electrodos utilizados en los procesos GMAW y SAW. Es indispensable que esta composición sea similar a la del metal base en términos de elementos de aleación, a fin de satisfacer los requisitos de servicio, por ejemplo el acero ASTM A 588 que se utiliza por su resistencia a la oxidación y a la intemperie cuyos elementos de baja aleación son el níquel, cromo, molibdeno, cobre; elementos que también deben estar presentes en el metal de soldadura.
Soldadura electrogas (EGW)
Se usa para soldar los bordes de secciones en sentido vertical y en un paso, con las piezas colocadas borde a borde (unión a tope). Requiere de equipos especiales para la aplicación del electrodo, trabaja a unos 750 A con potencias de hasta 20 kW. Usa como protección un gas inerte que depende del material a soldar, y puede aplicarse en un núcleo fundente o directamente con una fuente externa. Los espesores trabajados con EGW van de 12 a 75 mm en aceros, titanio y aleaciones de aluminio. Aplicaciones características son la construcción de puentes, recipientes de presión, tubos de pared gruesa y diámetro grande, tanque de almacenamiento y barcos.
Tipos de electrodos para EGW Los electrodos sólidos y con núcleo de fundente especificados de acuerdo a la AWS A5.26 para el proceso EGW utilizados para soldar aceros estructurales HSLA tienen una composición similar a los electrodos con núcleo de fundente especificados de acuerdo a la AWS A5.29 y también a electrodos sólidos especificados de acuerdo a la AWS A5.28 utilizados para el proceso GMAW. Una alta energía de entrada asociada a los procesos EGW y ESW puede resultar un metal de aporte y una zona afectada por el calor con propiedades diferentes a las obtenidas con otros procesos de soldadura por arco.
La norma AWS D1.1 recomienda los procesos de soldadura y el metal de aporte a ser utilizados en la soldadura de los aceros HSLA.
CORTE TÉRMICO Los aceros de alta resiste
