Calculo de Temperatura de Precalentamiento

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    18-Oct-2015

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Clculo de Temperaturas de Precalentamiento 1.1 El Problema del Agrietamiento en Fro El agrietamiento en fro, tambin denominado fragilizacin por hidrgeno, ocurre cuando la soldadura se ha enfriado a una temperatura cercana a la ambiente, de ah su denominacin en fro. Las causas ms comunes por las cuales se presenta este fenmeno son las caractersticas del material base (una microestructura susceptible a la fragilizacin), el efecto del hidrgeno introducido durante la operacin de soldadura, y las tensiones residuales derivadas del proceso. Los aceros al carbono son sensibles al agrietamiento si su contenido de carbono es relativamente alto. Los aceros de baja aleacin estn ms expuestos a la fragilizacin en fro a causa de su templabilidad. La tendencia aumenta con el espesor de los elementos soldados y cuando la energa de arco disminuye. La fragilizacin por hidrgeno, comnmente se retrasa algunas horas mientras el hidrgeno atmico difunde hacia las zonas de alto esfuerzo. En las zonas de defectos microestructurales el hidrgeno cambia a su forma molecular causando grietas. El agrietamiento puede ocurrir en la ZAT o en el metal de soldadura, las grietas pueden ser longitudinales o transversales. Figura 1.1.1: Distintas grietas en soldadura. Para los aceros al carbono, es ms frecuente el agrietamiento en la ZAT debido a que los electrodos utilizados son usualmente bajos en su contenido de carbono y el metal soldado es generalmente no endurecible (templable). Esto no ocurre si se utiliza un electrodo de alta aleacin, o si el metal de soldadura se hace ms templable por la dilucin del carbono desde el metal base. Uno de los problemas serios de la fragilizacin por hidrgeno es la dificultad en detectar la presencia de una grieta. El retraso natural en la formacin de algunas grietas 2requiere que la inspeccin no se realice inmediatamente, especialmente en soldaduras en las que se aplicarn esfuerzos externos cuando entren en servicio. Debido a que algunas grietas no alcanzan la superficie, no son detectables por los mtodos de inspeccin visual (por ejemplo lquidos penetrantes o partculas magnticas). La inspeccin por ultrasonido es capaz de detectarlas, dependiendo de la pericia del operador. Dada la dificultad en detectar las grietas producidas por la fragilizacin por hidrgeno y la posibilidad de que estas grietas se transformen en fallas en servicio, lo ms prudente es tomar las precauciones necesarias para prevenir este fenmeno. Figura 1.1.2: Agrietamiento por hidrgeno en la ZAT de un acero al carbono manganeso. 1.1.1 Prevencin del Agrietamiento en Fro Los principales mtodos para evitar el agrietamiento en fro son: Precalentar la pieza a soldar, lo cual incluye la mantencin de una temperatura de interpase adecuada. Controlar el flujo de calor en soldadura Realizar tratamientos trmicos postsoldadura Utilizar un proceso/consumible de bajo aporte de hidrgeno Utilizar metales de aporte con materiales alternativos (por ejemplo electrodos austenticos). Los dos primeros mtodos actan de una forma similar, debido a que permiten que el hidrgeno absorbido difunda fuera de la regin de soldadura antes de que sta se enfre a la temperatura en la cual ocurre la fragilizacin. De esta manera se prolonga el ciclo trmico experimentado por el metal de soldadura y la ZAT. 1.1.2 Precalentamiento El precalentamiento es el aumento local de temperatura en el metal base, a ambos lados de la unin, a un valor sobre la temperatura ambiente. La necesidad de precalentamiento se determina usualmente por el cdigo de fabricacin pertinente y se verifica por el procedimiento de calificacin de soldadura. El precalentamiento se utiliza como ayuda a la soldadura por una de las cuatro razones que se describen a continuacin: 31. Para disminuir la velocidad de enfriamiento, especialmente bajo los 800 C en la ZAT, para reducir la dureza. Los aceros de alto contenido de carbono y los de baja aleacin, se endurecen si son templados desde una alta temperatura (sobre 850 C). El mismo proceso puede ocurrir en una unin soldada en la cara de fusin del metal base. Al aumentar la temperatura del metal base a soldar, se reduce el diferencial de temperatura entre la pileta lquida y el metal que la rodea, el endurecimiento se reduce al enfriarse la soldadura. Al reducir la dureza se reduce el riesgo de que se produzcan grietas. 2. Para controlar la velocidad de difusin del hidrgeno en una unin soldada. El arco de soldadura descompone el agua, presente como humedad, en sus elementos bsicos que son hidrgeno y oxgeno. Ambos gases son fcilmente absorbidos en el metal de soldadura a altas temperaturas y pueden quedar atrapados durante el enfriamiento. A altas temperaturas el hidrgeno puede jugar un rol importante en las grietas de la ZAT y del metal de soldadura. El precalentamiento con sus efectos benficos en la velocidad de enfriamiento, ayuda a promover la difusin de hidrgeno fuera de la estructura del acero. El precalentamiento tambin ayuda a que la zona de soldadura permanezca seca. 3. Para reducir los esfuerzos trmicos. Los esfuerzos trmicos se producen cuando la pileta lquida se enfra. Una soldadura puede agrietarse si el metal base se opone a la contraccin del metal de soldadura, cuando ste se enfra, y si el rea de seccin transversal de la unin es insuficiente para resistir el esfuerzo de traccin resultante. El precalentamiento puede controlar el nivel de esfuerzo, reduciendo los gradientes de temperatura y reduciendo la velocidad de enfriamiento. 4. Compensacin por prdidas de calor. Las secciones ms delgadas de un acero con alta conductividad trmica pueden necesitar precalentamiento durante la soldadura para asegurar la fusin. Los mtodos de clculo utilizados por Preheat corresponden a cuatro fuentes distintas: Norma AWS (anexo XI de la norma ANSI/AWS D1.1-2000 Structural Welding Code-Steel) (2) Norma britnica BS 5135 (BS 5135:1984, Procesos de Soldadura al Arco de Aceros al Carbono y Aceros al Carbono Manganeso) (3) Cdigo ASME, Boiler and Pressure Vessel Code (Seccin VIII: Pressure Vessel, apndice R Preheating) (4) ASM Handbook (seccin Soldadura de Aceros al Carbono del volumen 6 del ASM Handbook) (5)Estos mtodos se describen a continuacin 1.1.3 Norma AWS (2)El Anexo XI de la norma ANSI/AWS D1.1-92 Structural Welding Code-Steel tiene como propsito entregar algunos mtodos alternativos (principalmente precalentamiento) para determinar las condiciones de soldadura que eviten la fragilizacin en fro. Estos mtodos estn basados principalmente en pruebas a escala realizadas en algunos laboratorios durante largos periodos de tiempo. Los mtodos utilizados en este apndice son dos: 1. El mtodo de control de dureza de la ZAT 2. El mtodo de control de Hidrgeno 4Debido a su mayor aplicabilidad el mtodo utilizado por Preheat es el de control de Hidrgeno. Mtodo de Control de Hidrgeno Se basa en la suposicin de que no ocurrir grieta si la cantidad remanente de hidrgeno en la unin soldada se mantiene bajo un cierto nivel crtico, dependiendo de la composicin del acero y del nivel de sujecin, luego de que sta se enfre aproximadamente a 50 C. La temperatura de precalentamiento necesaria para facilitar la difusin del hidrgeno fuera de la unin puede ser estimada con este mtodo. La determinacin del nivel de sujecin de la unin soldada y del nivel de hidrgeno en la pileta lquida es requerido para los clculos. El nivel de sujecin se clasifica como Alto, Medio o Bajo y debe ser establecido de acuerdo a la experiencia del fabricante y/o ingeniero de soldadura. El mtodo es particularmente til para aceros de alta resistencia y baja aleacin (HSLA, High Strength Low Alloy) que posean alta templabilidad, y en donde el control de dureza no sea factible de realizar. El clculo del valor de la temperatura de Precalentamiento e Interpase, para ste apndice se basa en los siguientes parmetros: 1.-Parmetro de Composicin Pcm El valor del parmetro de composicin Pcm se calcula como: Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B La composicin qumica del metal base puede ser obtenida de un anlisis qumico, o una norma de fabricacin 2.- Nivel de Hidrgeno El nivel de hidrgeno se determina y define como: H1 Extra Bajo Hidrgeno Los consumibles con este nivel poseen una cantidad de hidrgeno difusible menor que 5 ml/100 g de metal depositado cuando la medicin se realiza con la norma ISO 3690-1976-E o, un contenido de humedad del recubrimiento de 0.2% mximo de acuerdo a AWS A5.1 (8) o A5.5 (9). Lo anterior se establece con pruebas a cada paquete o combinacin de alambre/fundente usados luego de ser removidos de su envoltura y expuestos al medio, considerando las condiciones de almacenamiento previas al uso inmediato. Los siguientes consumibles cumplen con estos requerimientos: a)Electrodos de bajo hidrgeno almacenados en contenedores hermticamente sellados, secados a 370 - 430 C durante una hora y usados luego de dos horas de su desempaque. b)GMAW con alambre slido limpio. H2 Bajo Hidrgeno Estos consumibles poseen un contenido de hidrgeno difusible menor que 10 ml/100 g de metal depositado, cuando la medicin se realiza con la norma ISO 3609-1976 o 5un contenido de humedad del recubrimiento de 0.4% mximo de acuerdo a AWS A5.1. Los siguientes consumibles cumplen con estos requerimientos: a)Electrodos de bajo hidrgeno almacenados en contenedores hermticamente sellados, de acuerdo con la seccin 4.5.2 de la norma y utilizados luego de cuatro horas. b)SAW con fundentes secos. H3 Hidrgeno no Controlado Todos aquellos consumibles que no cumplan con los requisitos de H1 o H2. Con los valores del parmetro de composicin Pcm, y el nivel de Hidrgeno se determina un ndice de susceptibilidad, con el cual se determina la temperatura de precalentamiento adecuada. La siguiente tabla muestra los ndices de susceptibilidad agrupados en funcin del nivel de hidrgeno y el Pcm. Tabla 1.1.1: ndice de Susceptibilidad en funcin del Nivel de Hidrgeno H, y el Parmetro de Composicin Pcm (Tabla XI-1 AWS D1.1). ndice de Susceptibilidad Parmetro de Composicin Nivel de < 0.18 < 0.23 < 0.28 < 0.33 < 0.38 Hidrgeno H H1 A B C D E H2 B C D E F H3 C D E F G Para un mejor ordenamiento en el clculo, los ndices de susceptibilidad se han agrupado por rangos denominados por letras que van de la A hasta la G, los cuales se muestran a continuacin: A = 3.0 B = 3.1 3.5 C = 3.6 4.0 D = 4.1 4.5 E = 4.6 5.0 F = 5.1 5.5 G = 5.6 7.0 3.-Sujecin La determinacin del nivel de sujecin de una pieza soldada debe determinarse mediante la experiencia, criterio ingenieril, investigacin o clculos. Tres niveles son posibles: Sujecin Baja Este nivel describe uniones de filete y de tope comunes con un razonable grado de libertad de movimiento de sus componentes. 6Sujecin MediaEste nivel describe uniones de filete y de tope en las cuales, debido a que sus componentes estn unidos a piezas estructurales, existe un reducido grado de libertad de movimiento. Sujecin Alta Este nivel describe uniones en las cuales casi no existe libertad de movimiento de sus componentes (tales como reparacin de piezas por soldadura, especialmente en secciones de gran espesor). Los niveles requeridos de temperatura de precalentamiento se entregan en la tabla IX-2 del anexo XI, la cual se reproduce a continuacin. Los niveles de sujecin deben ser determinados de acuerdo al prrafo anterior Tabla 1.1.2: Temperatura Mnima de Precalentamiento e Interpase para tres Niveles de Sujecin (Tabla XI-2 AWS D1.1). Temperatura Mnima de Precalentamiento e Interpase ( C) ndice de Susceptibilidad Nivel de Espesor A B C D E F G Sujecin [mm] < 10 < 20 < 20 < 20 < 20 60 140 150 10-20 < 20 < 20 20 60 100 140 150 Baja 20-38 < 20 < 20 20 80 110 140 150 38-75 20 20 40 95 120 140 150 > 75 20 20 40 95 120 140 150 < 10 < 20 < 20 < 20 < 20 70 140 160 10-20 < 20 < 20 20 80 115 145 160 Media 20-38 20 20 75 110 140 150 160 38-75 20 80 110 130 150 150 160 > 75 95 120 140 150 160 160 160 < 10 < 20 < 20 20 40 110 150 160 10-20 < 20 20 65 105 140 160 160 Alta 20-38 20 85 115 140 150 160 160 38-75 115 130 150 150 160 160 160 > 75 115 130 150 150 160 160 160 1.1.4 Norma BS 5135 (3) La norma britnica BS 5135:1984, Procesos de Soldadura al Arco de Aceros al Carbono y Aceros al Carbono Manganeso, especifica los requerimientos para la soldadura al arco manual, semiautomtica, automtica y mecanizada de los aceros al carbono y carbono manganeso, que contengan un valor mximo de carbono equivalente de 0.54 en todas sus formas de produccin, incluyendo secciones circulares y rectangulares. 7Apndice E Gua para Evitar la Fragilizacin por Hidrgeno (BS 5135) La ocurrencia de grietas en uniones soldadas depende de un nmero de factores: composicin del acero, el procedimiento de soldadura, consumibles, y los niveles de resistencia aplicada. Si la velocidad de enfriamiento de la soldadura es demasiado rpida, en la zona afectada trmicamente (ZAT) ocurrir un endurecimiento excesivo. Si existe suficiente cantidad de hidrgeno remanente en la unin, la zona endurecida puede presentar grietas bajo la influencia de esfuerzos residuales luego de que la soldadura se enfre a temperatura ambiente. Las condiciones para evitar el agrietamiento deben asegurar que la ZAT se enfre en forma lo suficientemente lenta, esto se consigue mediante el control de las dimensiones del cordn de soldadura y de la aplicacin de precalentamiento y control de la temperatura de interpase. Los parmetros considerados por la norma BS 5135, para el clculo de la temperatura de Precalentamiento son los siguientes: 1.- Carbono Equivalente CE (3)El metal base debe ser un acero al carbono o carbono manganeso cuya composicin qumica, en %, determinada por un anlisis qumico posea un valor de CE de 0.54 como mximo calculado segn la formula: CE = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 Nota: La norma no especifica requerimientos para aceros con CE > 0.54, los resultados obtenidos se utilizan como gua solamente. 2.- Escalas de Hidrgeno Corresponden a: Escala A: Hidrgeno Alto (>15 ml/100 g de metal depositado). Escala B: Hidrgeno Medio (10-15 ml/100 g de metal depositado). Escala C: Hidrgeno Bajo (5-10 ml/100 g de metal depositado). Escala D: Hidrgeno muy Bajo ( 5 ml/100 g de metal depositado). Para una gua general sobre la eleccin de la escala apropiada de hidrgeno para un proceso distinto de Arco Manual (SMAW) se debe considerar lo siguiente: Electrodos de alambre slido para proceso con proteccin gaseosa (GMAW) deben usarse con la escala C a menos que se especifique otro. Esta escala puede ser utilizada con otros consumibles luego de aplicarles los tratamientos de secado correctos. Los procesos TIG (GTAW) utilizan la escala D. Esta escala puede ser usada con otros consumibles luego de los tratamientos apropiados de secado u otros. Los procesos de Arco Sumergido (SAW) o Alambre Tubular (FCAW) pueden corresponder a cualquiera de las escalas A a la D, dependiendo de las caractersticas de cada producto en particular. 3.- Espesor Combinado El espesor combinado se determina como el promedio de la suma de los espesores de los metales base a una distancia de 75 mm de la lnea de soldadura 8Figura 1.1.3: Ejemplos de clculo de espesor combinado (BS 5135). 4.- Energa de Arco El valor de la energa de arco (en KJ/mm) se calcula como: (V*I/w)*10E-3donde V : voltaje (V) I : corriente (A) w : velocidad de pasada (mm/s) Para los procesos distintos a SMAW se aplican los siguientes factores (se divide el valor de la energa de arco por el factor respectivo) SAW = 0.8 GMAW = 1.0 GTAW = 1.2 Las condiciones de Soldadura para evitar la fragilizacin por hidrgeno en Aceros al Carbono Manganeso, se exponen en forma grafica en la figura 4 de la norma BS 5135, para el rango normal de composiciones, expresadas en funcin del carbono equivalente. A continuacin se muestra un ejemplo de estos grficos. 9Figura 1.1.4: Grfico para clculo de temperatura de precalentamiento en funcin de espesor combinado y energa de arco (Figura 4 norma BS 5135). La secuencia de clculo al utilizar la norma se muestra en el siguiente diagrama (ejemplo para la temperatura de precalentamiento): 1 2Calcular CE Ubicar grfico correspondiente en Fig. 4 segn escala de hidrgeno A, B, C o D 4 3Leer el valor de la Temp. de Precalentamiento de la recta Interceptar el valor del CE con el valor de la Energa de Arco ms cercana Figura 1.1.5: Pasos para calcular la Temperatura de Precalentamiento segn la norma BS 5135. 10 1.1.5 Cdigo ASME Seccin VIII (4) El cdigo ASME: Boiler and Pressure Vessel Code, Seccin VIII, div 1 es un cdigo de fabricacin de recipientes a presin. Apndice R Precalentamiento La necesidad de precalentar una unin soldada depende de factores tales como el anlisis qumico, el grado de sujecin de las partes a unir, las propiedades fsicas y el espesor del material. No existen reglas obligatorias para aplicar el precalentamiento. Algunas prcticas se entregan en este apndice como gua general para cada material clasificado segn su nmero P2, en este mismo cdigo. El flujo de calor de la soldadura puede contribuir a mantener la temperatura de precalentamiento necesaria luego de comenzar sta. El mtodo o el grado de aplicacin del precalentamiento no est rigurosamente especificado. Normalmente en el caso de la unin de dos materiales con distinto nmero P, el precalentamiento utilizado corresponder a aquel del material que posea la temperatura ms alta de acuerdo al procedimiento correspondiente. Clculo de la Temperatura de Precalentamiento (ASME VIII) Para usar como Referencia el apndice R del Cdigo ASME VIII se necesitan los siguientes datos: 1.- Datos del Metal Base Nmero P: Corresponde al nmero asignado segn la seccin QW-420 del cdigo ASME IX (9) para el metal base. Para los aceros y aleaciones ferrosas la clasificacin va desde el Np 1 al Np 11 (5A, 5B y 5C inclusive) Grupo : Corresponde a una clasificacin dentro de cada nmero P 2.- Espesor de la Unin Se debe observar el espesor en la unin en los materiales que correspondan a los nmeros P 1 grupos 1, 2 y 3, P 3 grupos 1, 2 y 3, P 4 grupos 1 y 2 y P 5A y P 5B grupo 1. 3.- Composicin Qumica y Propiedades Mecnicas del Metal Base En algunos casos la determinacin de la temperatura mnima de precalentamiento se basa en el porcentaje de carbono del metal base y el espesor de la unin (N P 1), en la resistencia a la traccin o el espesor en la unin (N P 3 y 4), o finalmente en la resistencia a la traccin como nica variable o en el porcentaje de Cromo junto con el espesor de la unin (N P 5A y 5B) 2Clasificacin de los materiales segn Cdigo ASME seccin IX, se utiliza para reducir los procedimientos de calificacin de soldadura requeridos. Cada numero P tiene asociado un grupo, los materiales de cada grupo poseen caractersticas comunes tales como composicin qumica, soldabilidad y propiedades mecnicas.11 1.1.6 ASM Handbook (5) La seccin Soldadura de Aceros al Carbono del volumen 6 del ASM Handbook contiene amplia informacin sobre consideraciones de Soldabilidad de estos materiales y la susceptibilidad a fenmenos tales como la fragilizacin en fro, las variaciones de las propiedades mecnicas en la ZAT, la porosidad del metal soldado y las grietas de solidificacin. Tambin se trata el tema de la seleccin del proceso de soldadura y los consumibles Fragilizacin por Hidrgeno (ASM Handbook) La fragilizacin por hidrgeno es uno de los ms serios problemas que afectan la soldabilidad. Cualquier acero al carbono endurecible (templable) es susceptible a este fenmeno. Este tipo de agrietamiento se debe a cuatro factores: Una microestructura frgil. La presencia de hidrgeno en el metal soldado. Esfuerzos de traccin en el rea de soldadura. Un rango especifico de temperatura, -100 a 200 C. La aplicacin de Precalentamiento en la unin soldada es uno de los mtodos ms utilizados y ms efectivos para evitar la fragilizacin por hidrgeno (fragilizacin en fro). Su funcin primaria es disminuir la velocidad de enfriamiento para evitar o reducir la transformacin martenstica de la microestructura bajo un cierto nivel crtico. La menor velocidad de enfriamiento da tambin mayor tiempo para que el hidrgeno difunda fuera de la zona de soldadura y retrasa la formacin de esfuerzos residuales. En la tabla 1.1.3 se muestra una comparacin de los distintos mtodos utilizados por Preheat y las variables correspondientes para determinar la temperatura de precalentamiento mnima. La mayora de los mtodos o normas utilizadas se basan en el tipo de metal base y sus caractersticas (composicin qumica y propiedades mecnicas), el espesor de la pieza a soldar y el nivel de hidrgeno presente en el consumible. Es importante notar que el proceso de soldadura no es un factor importante y slo lo considera el mtodo de la norma britnica BS 5135 a travs de la energa de arco para los procesos distintos de arco manual. 12 Tabla 1.1.3: Comparacin de las variables utilizadas por los distintos mtodos de clculo de Preheat. Aspecto Norma o Mtodo y Variable Utilizada AWS D1.1 BS 5135 ASME VIII ASM Handbook Caractersticas Metal Base (Composicin Qumica, Parmetro de Composicin Carbono Equivalente CE N P y Grupo % Cr Especificacin AISI/SAE Propiedades Pcm % C Mecnicas) Hidrgeno Presente en Consumible Nivel de Hidrgeno H1, H2, H3 Escalas de Hidrgeno A, B, C, D No Utilizado Proceso/Consumible Bajo Hidrgeno o no Bajo Hidrgeno Dimensin de la Espesor de la Espesor Espesor de la Espesor de la Pieza pieza, Factor Pieza y Sujecin Combinado Pieza Geomtrico Aporte Calrico No Utilizado Energa de Arco No Utilizado No Utilizado

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