Nombre de tema: Tratamiento Trmico Posterior a la
soldaduraNombre del profesor:Javier Santos MincholaNombres y
apellidosDeyvid Valverde Castro
TRATAMIENTO TERMICO POSTERIOR A LA SOLDADURA- El Tratamiento
Trmico de Soldadura se aplica generalmente a equipos de gran tamao
y difciles de movilizar (Ej. Recipientes) En otros casos la parte a
tratar esta fija y es imposible separarla fsicamente del conjunto
(Ej. Caeras ya montadas)..- Cuando es posible, se lleva a cabo
calefaccionado integralmente todo el equipo, la forma ms sencilla
es la utilizacin de un horno, cuando el tamao del equipo y su
ubicacin lo permite..- Usualmente se presenta el problema de que no
hay hornos en donde quepa el equipo o que el horno se encuentra
alejado del lugar de fabricacin y la movilizacin del equipo es
costosa, o inconveniente. En estos casos el Tratamiento Trmico de
Soldadura se realiza "in situ" al equipo entero como ocurre con los
tanques esfricos de gas licuado a los que se asla completamente y
se los calienta desde el interior y a veces localizadamente en los
cordones de soldadura .- Desde el punto de vista del material
tambin hay algunas diferencias importantes .- Los aceros soldables
tienen un contenido de Carbono limitado a valores de alrededor de
0,2 % con el objeto de limitar la Templabilidad (que implica
dureza) de los mismos ya que esta ltima es inversamente
proporcional a la Soldabilidad..- Los Aceros Soldables se
especifican generalmente con orientacin hacia las propiedades
mecnicas (Normas ASTM) con una considerable amplitud en la
composicin Qumica. Por ejemplo los casos de ASTM 514 y 517 son
especificaciones para chapas de alta resistencia y para recipientes
a presin respectivamente. Cada una contiene varias composiciones
que pueden proveer las Propiedades Mecnicas requeridas..- En cambio
los Aceros de construccin de mquinas se especifican con lmites
estrictos de Composicin Qumica (Especificaciones SAE) dejando las
propiedades mecnicas libradas a los diferentes Tratamientos Trmicos
que el fabricante de la pieza estipule durante el proceso de
fabricacin. La Composicin Qumica es por lejos el criterio ms
utilizado para la designacin de los Aceros seguido por las
Especificaciones basadas en las Propiedades Mecnicas..- La mayora
de los Tratamientos Trmicos de Soldadura son Suscriticos y no de
Recristalizacion Alotrpica (Austenizacin) como ocurre en los aceros
de construccin de elementos de mquinas (ejes, engranajes, etc.) POR
CALEFACCIONADO INTERNOEs el caso tpico de Tratamiento Trmico de
Esferas de Gas licuado aunque puede realizarse con mayor o menor
dificultad en otros tipos de configuraciones. Lo original de este
mtodo consiste en utilizar el mismo equipo como horno. Esto se
logra revistiendo el equipo con dos capas de aislacin. La capa
primera debe ser refractaria, se usa fibra cermica ya que la misma
debe resistir las altas temperaturas de la piel caliente del equipo
( 600 C). La segunda capa puede ser un material aislante, menos
refractario y menos costoso, por ejemplo Lana Mineral. No debe
usarse Lana de vidrio por que tiene un aglomerante polimrico que se
quema an estando sobre la capa de fibra cermica ya que esta suele
tener imperfecciones como por ejemplo en las uniones de conexiones
a la esfera (escaleras, barandas, etc.). Los espesores de la
aislacion se calculan haciendo un Balance Trmico.
Fig. 1 Esquema de un TTPS Integral de un tanque vertical con
Quemadores de alta velocidad a gas Propano.
Fig. 2. Esquema de un TTPS integral de un Tanque esfricoLa
potencia requerida para el calentamiento del equipo se puede
calcular con la siguiente frmula: KW = M x c x R / 3600 x
ESiendo:KW: Potencia en KilowattsM: Masa de material a ser
calentado (en Kg.)C: Calor especfico del material (en KJ / Kg.- C).
Para acero usar 0,83 Kj / Kg.- C.R: Mxima velocidad requerida de
calentamiento. (En C / h)E: Eficiencia de la aislacin. (Usar 0,4
Para un equipo bien aislado)3600 KJ = 1 Kilowatt hora. 860 Kcal. =
1 Kilowatt hora.La caracterstica mas importante que debe cumplir el
quemador a utilizar adems de tener obviamente la potencia necesaria
(para una esfera de 12 m de dimetro y 1 de espesor de dimetro la
potencia oscila alrededor de los 2 Millones de Kcal. / h.) Es la
Velocidad de salida de los gases calientes que debe ser superior a
los 100 m / seg. Esta velocidad mnima se requiere para obtener
dentro del equipo una turbulencia importante con el objeto de
uniformizar la temperatura entre la parte superior y la inferior.El
quemador se coloca usualmente en una brida inferior de la esfera,
fijado con bulones a ella para un fcil montaje y desmontaje. El
combustible utilizado suele ser gas o gas-ol. En el segundo caso
prevalece la ventaja de la independencia del suministro de
combustible frente a posibles prdidas de presin de la lnea o la
imposibilidad de conseguirlo en zonas rurales.En la esfera o
recipiente a tratar se debe realizar una abertura en la parte
superior para la salida de los gases colocndose una vlvula tipo
mariposa graduable.
En el caso de Tratamiento Trmico de Soldadura es muy comn
utilizar el Tratamiento Localizado solo en la zona de la Soldadura
(Se calienta una banda a cada lado del cordn soldado, cuyo ancho
est especificado en los cdigos).Hay bsicamente dos tecnologas
diferentes cada una con su aplicacin aprovechando la ventajas de
una u otra. Un mtodo es el calentamiento por Resistencias Elctricas
y el otro es el Calentamiento por Induccin. Es importante aclarar
que el Tratamiento Localizado solo puede ser aplicado a geometras
que permitan la libre dilatacin como son las soldaduras
circunferenciales. Las soldaduras longitudinales y las uniones
soldadas de conexiones a envolventes no deben tratarse
localizadamente* pues el material fro aledao a la zona calentada no
permite a esta la libre dilatacin. En el caso de costuras
longitudinales la zona calefaccionada no puede dilatarse libremente
en la direccin del cordn y en el caso de conexiones a envolvente si
calefaccionados el circulo alrededor de la conexin este no puede
dilatarse por que esta restringido por el material fro alrededor de
el. En estos casos el material tiende a dilatarse en la direccin
del espesor y como esta caliente y blando por el efecto de la
temperatura, se deforma plsticamente en esa direccin. Ver Excepcin
del NBIC Cuando la costura longitudinal se enfra, debera contraerse
en esa direccin pero el material aledao que esta fro no se lo
permite crendose de esta manera, tensiones residuales
longitudinales. En el caso de una conexin a envolvente ocurre algo
similar quedando tensiones radiales y tangenciales en el crculo
calentado. Si bien esto es as y ASME* no permite realizar TTPS
localizados en juntas soldadas longitudinales el Welding Institute
recomienda en casos excepcionales hacerlo con valores de ancho de
banda suficientemente altos que reducen las tensiones trmicas a
valores casi nulos.
RESISTENCIAS ELECTRICAS CON CALEFACTORES FLEXIBLESEl Tratamiento
Trmico localizado consiste en calentar a la Temperatura de
Tratamiento la unin soldada y una banda e material base a cada lado
del cordn de soldadura.Para ello se colocan sobre la banda de
calentamiento calefactores elctricos flexibles de diversas
configuraciones que se adaptan a la forma de la parte tratada.
Estos calefactores se fabrican con un cable de Nicron que oficia de
resistencia elctrica rodeado por cuentas cermicas. Estos
calefactores son alimentados e n general por una tensin no superior
a 85V, por seguridad del personal de la obra. Su potencia oscila
alrededor de los 4 KW.El equipamiento necesario para calentamiento
por resistencias elctricas incluye adems:.- Aislacin refractaria de
fibra cermica..- Fuente de poder, en general son equipos con un
transformador de 70Kw..- Programadores de ciclo trmico,
generalmente son seis (6) por equipo lo que indica que se puede
realizar seis (6) Tratamientos distintos al mismo tiempo..-
Registrador de temperaturas de hasta 12 Termocuplas.- Termocuplas
tipo K aisladas en seda de vidrio con alambre de 0,5 / 0,8 mm de
dimetro, para ser soldadas por descarga Capacitiva.- Soldador de TC
por descarga CapacitivaVentajas1.-Se puede mantener una temperatura
de precalentamiento uniforme y continua durante la soldadura y
durante las interrupciones de la misma en forma automatizada.2.-La
Temperatura puede ajustarse con exactitud y rpidamente.3.-Los
soldadores trabajan confortablemente y no necesitan interrumpir la
soldadura para elevar la temperatura de precalentamiento. No hay
quemadores que incomoden los movimientos del soldador.4.-Puede
distribuirse el calor no uniformemente como ocurre en la parte
superior e inferior de una caera horizontal o en piezas de
distintos espesores como caos soldados a bridas de gran masa o
espesor entregando mayor calor a las secciones gruesas y as
mantener la temperatura uniforme.Desventajas1.- Los calefactores
pueden quemarse durante el Tratamiento2.- Pueden ocurrir
cortocircuitos entre el calefactor y la caera quedando marcas en la
misma. Esto no es frecuente si se usan calefactores en buen estado
y adecuados.RESISTENCIAS ELECTRICAS. Tipo four-bank. Mtodo de la
Mampara Dentro del mtodo de Calentamiento por resistencias
elctricas, adems de los calefactores flexibles mencionados
anteriormente existe un mtodo que se llama " De la Mampara" que
pasaremos a describir: Cuando el ancho de banda de calentamiento es
muy grande, por ejemplo en un recipiente de 3000 mm de dimetro y
una pulgada de espesor el ancho de banda segn ASME VIII sera dos
veces el espesor a cada lado del cordn de soldadura, o sea
aproximadamente 5" (130 mm) para nuestro ejemplo.Hay veces que las
Especificaciones de Ingeniera exigen que el ancho de banda sea por
ejemplo, como ya ha ocurrido, 1200 mm en vez de 130mm. En estos
casos cubrir toda la superficie de la banda demandara muchos
calefactores flexibles (150 en vez de 35), una gran cantidad de
Termocuplas y maquinas de Tratamiento Trmico.
LA SOLDADURA, UN TRATAMIENTO TRMICO .- Soldar, es llevar los
bordes de las partes a ser unidas hasta el punto de fusin
adicionndole o no un metal de aporte y luego permitir al conjunto
enfriarse hasta Temperatura ambiente..- Lo ms relevante de este
proceso es sin duda el calentamiento localizado seguido de
enfriamiento que produce en las piezas soldadas una serie de
EFECTOS INDESEABLES..- Las velocidades de calentamiento y
enfriamiento son elevadas. La velocidad mxima alcanza los 300C /
seg. Durante el calentamiento y/o enfriamiento a un nivel de
temperatura de 1000C, reducindose al disminuir la temperatura a
valores de 6C / seg. a 550C.La Velocidad de enfriamiento en el
centro del cordn de soldadura puede aproximarse con la siguiente
Frmula:Ve = 2 p K (Tc - To) / H input.Ve: Velocidad de enfriamiento
en el centro del cordn de soldaduraK: Conductividad trmica del
metal (Joule/ m seg. C)K acero 0,2% C, 0,6% Mn: 0,028K cobre :
0,20K aluminio : 0,12To: Temperatura inicial del metal base (T de
precalentamiento)Tc: Temperatura a la cual se calcula la velocidad
de enfriamientoH Input: Heat Input o Calor Aportado (J / mm)
EFECTOS INDESEABLES DEL CICLO TRMICO DE SOLDADURASon esencialmente
tres (3).- Generacin de Tensiones Residuales y/o distorsin.-
Modificacin de la Estructura Metalografica.- Absorcin de gases por
el metal fundido.TENSIONES RESIDUALES Y/O DISTORSINLectura
Recomendada: Welding Handbook.Vol.I.Welding Technology.Pag.136 y
226.Las construcciones soldadas contendrn usualmente Tensiones
Residuales del orden de la resistencia a la Fluencia paralelas al
eje de la Soldadura y una fraccin de la misma (dependiendo del
grado de embridamiento, espesor, o restriccin a la contraccin) en
las direcciones perpendiculares al cordn. Las Tensiones Residuales
tambin pueden estar presentes en el material base producto del
laminado, rolado u otros Tratamientos Trmicos anteriores. La mayora
de los Metales al calentarse se dilatan. Si el calentamiento es
localizado como ocurre durante la soldadura, la falta de
uniformidad de la Temperatura produce dilataciones diferentes en
distintos puntos de la pieza en un mismo instante generndose por
esa razn Tensiones Trmicas.Si estas Tensiones alcanzan el Lmite de
Fluencia algo que ocurre normalmente en el cordn de soldadura, se
produce deformacin plstica localizada que luego en el enfriamiento
genera Tensiones Residuales y / o distorsin.Las Tensiones
Residuales son un sistema de Tensiones dentro de la parte 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
Tensiones residuales de traccin seguramente en otra parte del mismo
habr Tensiones Residuales de compresin que mantienen en equilibrio
el conjunto.En una Soldadura existen Tensiones Residuales tanto
longitudinales como transversales al cordn. Se puede ver en la
soldadura de dos chapas planas que las Tensiones longitudinales son
de Traccin en el cordn de Soldadura siendo balanceadas por
Tensiones de Compresin en el metal base adyacente.En el caso de
tensiones Transversales la parte media del cordn est sometida a
Tensiones de Traccinmientras que los extremos estn sometidos a
compresin. Tambin puede haber Tensiones Residuales en la direccin
del espesor particularmente en el caso de secciones gruesas.
Conviene notar que cuando se aplica una carga externa de traccin
las Tensiones Residuales de Traccin aumentan mientras que las de
compresin disminuyen. Si continuamos aumentando la carga externa,
las Tensiones de Traccin alcanzan el punto de fluencia, sin
superarlo. Con cargas externas mayores lo nico que ocurre es un
aumento de la zona del materia l bajo fluencia y la disminucin de
las Tensiones residuales de Compresin.Si en este estado se
disminuye la carga externa, el pico de Tensiones Residuales de
Traccin se hace menos agudo y las Tensiones Residuales disminuyen.
Si el aumento de la carga externa hace desaparecer a las Tensiones
Residuales de Compresin por completo entonces durante la descarga
se observar que las Tensiones Residuales de Traccin tambin habrn
desaparecido gracias a que el material alcanz la fluencia.Este
hecho ha sido reconocido en algunas especificaciones las que
requieren que ciertas estructuras sean sobrecargadas hasta la
fluencia para eliminar Tensiones Residuales.ABSORCIN DE GASES POR
LA SOLDADURA. Metalurgia de la Soldadura. Cap. V. Daniel Seferian.
Ed. TECNOS. Madrid.1962.Uno de los Problemas ms importantes a tener
en cuenta cuando se estudian los Efectos Indeseables del proceso de
Soldadura es la Absorcin de Gases por el Metal Fundido. Cualquiera
que sea el procedimiento de Fusin, en el acero lquido se fijan
cantidades mas o menos importantes de los gases del aire (Oxigeno y
Nitrgeno) y de los productos de descomposicin del revestimiento,
principalmente Hidrgeno procedente de la humedad o del agua de
cristalizacin de ciertas substancias qumicas..- El Oxgeno puede
presentarse disuelto o formando oxido de hierro o combinado con
otros xidos. En estado disuelto puede influir sobre las propiedades
mecnicas de la Solucin Slida Ferrita; en estado de xido influye por
la presencia de inclusiones en la tenacidad y estriccin del metal
de soldadura.31.- El Nitrgeno origina al nitruro de hierro Fe4N en
forma de agujas que tambin influye en la tenacidad. Cuando el
Nitrgeno se encuentra disuelto produce el envejecimiento del acero
con la correspondiente falta de plasticidad. .- Pero el verdadero
problema y mucho ms grave es que durante la Soldadura el acero
tambin absorbe Hidrgeno, lo mismo que absorbe oxgeno y nitrgeno.
Las Soldaduras oxiacetilnicas contienen muy poco hidrgeno (2 a 3
cm3por 100g de metal); La concentracin de hidrgeno en las
soldaduras por arco es, por el contrario mucho mas importante y
puede llegar a alcanzar el lmite de solubilidad de este gas en el
metal lquido (28 cm3 por 100g de metal) segn sea la naturaleza del
revestimiento. El hidrgeno es la causa de la formacin de
Microfisuras, sopladuras y es el formador de los Fish-eyes
EL PROCESO DE LA SOLDADURARevista las superficies de la unin
usando un nmero adecuado de capas.La capa inicial debe de
realizarse con un electrodo de soldado de dimetro pequeo, un
electrodo para soldadura de arco con proteccin metlica (SMAW, por
sus siglas en ingls shielded-metal-arc welding), o utilizando
soldadura de arco con gas de tungsteno, con una corriente mxima de
120A. En la segunda capa utilizar el mismo dimetro de electrodo y
corriente que la primera capa, para minimizar el ZAS. Cualquier
micro estructura dura y frgil que pueda formarse en la ZAS del
material base al realizar la primera capa ser templada por el calor
de la segunda capa, reduciendo la posibilidad de grietas. El resto
de la unin puede ser soldado utilizando mayor corriente y
electrodos de mayor dimetro. Revista de soldadura por encima de la
superficie de la herramienta y maquine las ltimas capas mientas la
herramienta todava est precalentada. Durante la soldadura, el arco
debe ser corto y los cordones depositados en diferentes pasadas.
Incline el electrodo a 90 grados con respecto a las caras la unin
para minimizar los socavados. Al mismo tiempo sostenga el electrodo
en un ngulo entre 75 y 80 grados en la direccin del movimiento del
cordn .Cuando revista bordes o esquinas ahorre tiempo y electrodos
usando un pedazo de placa de cobre o grafito La soldadura de acero
para herramientas la manera correcta...implica la preparacin
adecuada de la unin, capas de soldadura y tratamiento trmico despus
de soldado.Tratamiento trmico posterior a la soldaduraDependiendo
de las condiciones iniciales de la herramienta, estos tratamientos
trmicos pueden ser realizados despus de la soldadura: Templado
Recocido y luego endurecimiento y templado normales Revenido y
liberacin de esfuerzos TempladoLas herramientas completamente
templadas y reparadas con soldadura deben ser templadas despus de
la soldadura. El templado mejora la tenacidad del material
depositado y es particularmente importante cuando el rea soldada
trabaja bajo presiones, como en el caso de herramientas para
trabajo en fro y en caliente. Muy importante: escoja una
temperatura de templado ideal para la compatibilidad entre la
dureza del material depositado y el acero base.
Una excepcin: cuando el material depositado requiere de una
temperatura de temple mucho mayor que el acero base. En este caso,
temple la soldadura a la temperatura ms alta posible en la que el
acero base retenga su dureza. Las curvas de templado estn
disponibles con su proveedor de acero para herramientas y
electrodos de soldadura. Las reparaciones menores no necesitas ser
templadas despus de soldado, pero se recomienda templar cuando se
hayan terminado todas las reparaciones de soldadura. Recorrido Las
herramientas reparadas con soldadura para realizar cambios de diseo
o enmendar errores de maquinado durante la fabricacin y, que son
trabajados en suave, deben ser tratadas trmicamente despus del
soldado. Debido a que el material depositado habr endurecido
durante el enfriamiento posterior a la soldadura, realice un
recocido de la soldadura antes de endurecer y templar la
herramienta. Emplee el ciclo de recocido recomendado para el acero
base. Despus podr maquinar el rea soldada, acabar la herramienta y
tratarla trmicamente como de costumbre para el acero base. An si la
herramienta puede ser terminada meramente maquinando la soldadura,
se recomienda en primera instancia el recocido para eliminar
posibles grietas durante el tratamiento trmico.Revenido y Liberacin
de EsfuerzosEste proceso se lleva acabo a veces despus de la
soldadura para reducir esfuerzos residuales, esto es especialmente
importante para depsitos grandes, o altamente restringidos. Si la
soldadura ser templada o recocida, la liberacin de esfuerzos nos es
necesaria. Pero, realice la liberacin de esfuerzos en las
herramientas de acero templadas despus de la soldadura, debido a
que seguramente no se le aplicar ningn otro tratamiento trmico.
Escoja una temperatura de liberacin de esfuerzos donde ni el acero
base, ni el material depositado, se suavicen excesivamente durante
la operacin. Las reparaciones muy pequeas o ajustes normalmente no
requieren de la liberacin de esfuerzos, pero es recomendable
hacerlo.
Preguntas:1.- en qu condiciones pueden realizarse estos
tratamientos trmicos Pueden ser realizados despus de la soldadura:
Templado Recocido y luego endurecimiento y templado normales
Revenido y liberacin de esfuerzos Templado.2.- en qu se aplica
generalmente el tratamiento trmico de la soldadura Mayormente se
aplica a equipos de grandes tamaos y difciles de movilizar
