Tratamientos térmicos de soldadura: Esenciales antes y después de la soldadura

La soldadura es uno de los métodos de procesamiento térmico de metales. Especialmente al soldar aceros estructurales comunes de baja aleación y chapas gruesas con alto contenido de carbono, el metal local se ve afectado por el ciclo térmico de soldadura de calentamiento y enfriamiento a alta temperatura, provocando diversos cambios en la estructura interna del metal, lo que afecta directamente a las propiedades mecánicas de la unión soldada.

Además, debido a las condiciones metalúrgicas de la soldadura y a los efectos de las diferentes velocidades de calentamiento y enfriamiento, la estructura de la soldadura y de la zona afectada por el calor es desigual, lo que también afecta indirecta y directamente a las propiedades mecánicas de la unión soldada. Por lo tanto, es muy necesario cambiar o mejorar las propiedades mecánicas de la unión soldada mediante el calentamiento, la conservación del calor y el control de la velocidad de enfriamiento local o totalmente antes, durante y después de la soldadura.

 I. Precalentamiento antes de soldar

 1. El papel del precalentamiento

1) El precalentamiento es una medida eficaz para evitar grietas frías, grietas calientes y la formación de estructuras endurecidas en la zona afectada por el calor. Al soldar componentes de acero de alto contenido en carbono, acero de baja aleación, acero resistente al calor y acero ordinario de bajo contenido en carbono de gran rigidez, la rápida velocidad de enfriamiento de la soldadura puede provocar fácilmente la formación de estructuras endurecidas en la soldadura y en la zona afectada por el calor, causando así grietas. Por lo tanto, es necesario precalentar la soldadura. El precalentamiento puede lograr el propósito de ralentizar la velocidad de enfriamiento, lo que puede prevenir la formación de grietas en la soldadura.

2) Cuando juntas de soldadura con alta restricción, el enfriamiento y calentamiento rápidos pueden causar tensiones de contracción en la zona de unión, lo que provoca grietas. El precalentamiento de la zona de unión antes de la soldadura puede reducir la tensión de contracción y evitar la formación de grietas.

3) Cuando se suelda en regiones más frías, para evitar la formación de grietas, incluso el acero bajo en carbono con un espesor superior a 20 m debe precalentarse.

4) El precalentamiento también puede eliminar el aceite, la humedad y otros factores que afectan a la calidad de la soldadura, y puede promover el escape de hidrógeno en la soldadura, desempeñando así un papel correspondiente en la prevención de defectos como la porosidad y también la prevención de la formación de grietas.

 Temperatura de precalentamiento

Para precalentar correctamente la pieza, es necesario determinar principalmente diferentes temperaturas de precalentamiento en función de los distintos materiales metálicos. Por ejemplo, para el acero al carbono, la temperatura de precalentamiento se determina generalmente en función de su contenido de carbono. Si la fracción másica de carbono es superior a 0,2%, la temperatura de precalentamiento es de 100~200°C; a medida que aumenta el contenido de carbono, la temperatura de precalentamiento también debe aumentar proporcionalmente. Otros materiales también tienen diferentes temperaturas de precalentamiento dependiendo del material.

 En la Tabla 2-30 se indican las temperaturas de precalentamiento de soldadura para los tipos de acero más utilizados.

 Tabla 2-30 Temperaturas de precalentamiento de soldadura para algunos grados de acero

Métodos de precalentamiento

Existen muchos métodos de precalentamiento: calentamiento por llama, calentamiento por inducción de frecuencia de potencia, calentamiento por infrarrojos lejanos, calentamiento por horno, etc. El método de precalentamiento debe elegirse en función del rango de calentamiento. En la actualidad, los calentadores de infrarrojos lejanos son muy utilizados, ya que proporcionan buenos efectos de calentamiento y un amplio rango de calentamiento.

En general, la anchura de precalentamiento a cada lado de la junta soldada no debe ser inferior a 5 veces el espesor de la chapa, y debe mantenerse una zona de calentamiento uniforme de 75~100 mm a ambos lados del bisel. La temperatura final de precalentamiento debe determinarse mediante pruebas de proceso.

Aislamiento entre capas

En la construcción de soldaduras, especialmente durante la soldadura multicapa, ciertos aceros requieren mantener una temperatura específica durante cada capa de soldadura, conocida como temperatura entre capas. El papel de la temperatura entre capas es similar al del precalentamiento, ya que favorece la difusión y el escape de hidrógeno en la soldadura y en la zona afectada por el calor, y desempeña un papel en la prevención del agrietamiento en frío.

Para el acero al carbono, el acero de baja aleación y el acero resistente al calor, el límite inferior de la temperatura entre capas es generalmente la temperatura de precalentamiento de la soldadura, y el límite superior es generalmente 350~400°C; para el acero inoxidable austenítico, la temperatura entre capas se controla generalmente más baja, normalmente menos de 250°C.

Debe tenerse en cuenta que las temperaturas de precalentamiento e intercalado no deben ser demasiado elevadas, ya que, de lo contrario, provocarán cambios en la microestructura y las propiedades de algunas uniones soldadas de acero.

Tratamiento térmico posterior a la soldadura

Colocar inmediatamente la pieza recién soldada en ceniza de amianto, arena caliente (cal) o enfriar con el horno para enfriar lentamente la unión soldada, tiene como objetivo reducir la tensión interna, minimizar la deformación y evitar la formación de grietas. En el caso de soldaduras con gran tendencia al temple y gran rigidez, el enfriamiento posterior a la soldadura es una medida tecnológica importante para garantizar la calidad de la soldadura.

Postcalentamiento, tratamiento de liberación de hidrógeno

El "postcalentamiento" consiste en mantener la unión soldada a una temperatura igual o superior a la temperatura entre capas durante un cierto tiempo una vez finalizadas todas las operaciones de soldadura. La temperatura de calentamiento y la duración del "postcalentamiento" dependen del espesor de la soldadura, del tipo de unión, del contenido inicial de hidrógeno en la soldadura y de la sensibilidad del acero al agrietamiento por hidrógeno.

Generalmente, la temperatura para el postcalentamiento es de 250~350°C, y el tiempo de mantenimiento depende del grosor de la soldadura, generalmente de 1~3 horas. En el caso de algunos recipientes de pared gruesa de acero de alta resistencia y baja aleación, el uso del postcalentamiento a 300~350°C durante 1 hora puede evitar completamente el agrietamiento retardado y reducir la temperatura de precalentamiento en 50°C. El postcalentamiento puede acelerar la difusión y el escape de hidrógeno, de ahí que también se denomine "tratamiento de liberación de hidrógeno".

El principal objetivo del postcalentamiento es acelerar la difusión y el escape de hidrógeno, evitando la aparición de fisuración retardada. Cuando el precalentamiento, la temperatura entre capas y otras medidas no pueden eliminar en última instancia el agrietamiento retardado, el postcalentamiento es un método sencillo, factible y eficaz. El postcalentamiento se utiliza principalmente para soldar estructuras de acero de baja aleación y alta resistencia.

El postcalentamiento tiene muchas similitudes con el tratamiento térmico posterior a la soldadura, pero en general, el postcalentamiento no puede sustituir al tratamiento térmico posterior a la soldadura. En el caso de las soldaduras que requieren tratamiento térmico posterior a la soldadura y que pueden someterse inmediatamente a dicho tratamiento tras la soldadura, puede omitirse el postcalentamiento. Si el tratamiento térmico posterior a la soldadura no puede realizarse inmediatamente después de la soldadura, y la soldadura debe deshidrogenarse en el momento oportuno, entonces no puede omitirse el poscalentamiento.

Por ejemplo, hay un gran recipiente de alta presión que pasó la inspección de detección de defectos posterior a la soldadura, pero debido a que no fue tratado térmicamente a tiempo después de la soldadura, y no se llevó a cabo ningún tratamiento de eliminación de hidrógeno, se produjo una fisuración retardada durante el almacenamiento. Cuando el recipiente fue tratado térmicamente y sometido a una prueba hidrostática, la presión de prueba no alcanzó la presión de trabajo de diseño, y el recipiente sufrió un grave accidente por fractura frágil, lo que provocó el desguace de todo el recipiente.

El método de calentamiento, la anchura de la zona de calentamiento y los requisitos del lugar de medición de la temperatura para el postcalentamiento son los mismos que para el precalentamiento. El postcalentamiento local también debe mantener una zona de calentamiento uniforme de 75~100 mm a ambos lados del bisel, de forma similar al precalentamiento. Los aceros templados y revenidos deben evitar el sobrecalentamiento local por encima de la temperatura de revenido.

Tratamiento térmico posterior a la soldadura

El tratamiento térmico es un proceso que mejora la estructura interna de los sólidos. metales mediante calentamiento, mantenimiento y enfriamiento, obteniendo así las propiedades deseadas. El tratamiento térmico posterior a la soldadura de las uniones soldadas tiene por objeto mejorar la estructura y las propiedades de las uniones soldadas o eliminar las tensiones residuales. Los tratamientos térmicos posteriores a la soldadura más comunes incluyen el recocido de alivio de tensiones, la normalización, la normalización más revenido y el temple más revenido (tratamiento de revenido).

El objetivo principal del tratamiento térmico postsoldadura es reducir las tensiones residuales, aumentar la estabilidad estructural, ablandar la zona endurecida, favorecer el escape de hidrógeno, aumentar la resistencia a la corrosión bajo tensión y mejorar la plasticidad, la tenacidad y las propiedades mecánicas a alta temperatura de la unión. Dado que el alivio de tensiones es la función principal del tratamiento térmico postsoldadura, se denomina comúnmente tratamiento térmico postsoldadura.

Por lo general, el tratamiento térmico posterior a la soldadura sólo es necesario en circunstancias especiales para productos importantes. En el caso de algunos productos soldados, si la tensión residual postsoldadura no es significativa o si es necesario conservar cierta tensión residual (como la tensión residual postsoldadura de las chapas envueltas en recipientes multicapa), no es necesario el tratamiento térmico postsoldadura. Si no hay estructura endurecida o sólo hay una pequeña cantidad, pero aún mantiene cierta plasticidad y tenacidad, lo que no causa efectos adversos durante el funcionamiento, el tratamiento térmico postsoldadura tampoco es necesario.

Recocido de alivio de tensión

El intervalo de temperatura de calentamiento para el recocido de alivio de tensiones es el mismo que para el revenido a alta temperatura, generalmente calentando la totalidad o parte de la soldadura a 550~650°C, seguido de un mantenimiento suficiente y un enfriamiento lento. El tiempo de mantenimiento para el acero en general se calcula en 2,5min por 1mm de espesor, pero no menos de 15min. Para espesores superiores a 50 mm, añadir 15 min por cada 25 mm adicionales.

 Tratamiento térmico general

La colocación de la pieza soldada en un horno de calentamiento para el tratamiento térmico global puede lograr resultados satisfactorios. La temperatura de la soldadura al entrar y salir del horno debe ser inferior a 300°C. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento deben estar relacionadas con el grosor de la chapa y cumplir los siguientes requisitos:

En la fórmula, U es la velocidad de enfriamiento, °C/h; δ es el espesor de la placa, mm.

Para recipientes de paredes gruesas, las velocidades de calentamiento y enfriamiento son de 50~150°C/h, y la diferencia máxima de temperatura dentro del horno durante el tratamiento térmico general no debe superar los 50°C. Si la soldadura es demasiado larga y debe someterse a tratamiento térmico en dos sesiones, la parte de calentamiento solapada debe ser superior a 1,5 m.

Tratamiento térmico local

En el caso de recipientes y tubos sencillos que sean demasiado largos para un tratamiento térmico global pero tengan una forma regular, se puede realizar un tratamiento térmico local. Durante el tratamiento térmico local, hay que garantizar una anchura de calentamiento suficiente a ambos lados de la soldadura. La anchura de calentamiento para el cilindro está relacionada con el radio del cilindro y el grosor de la pared, y puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

En la fórmula,

• B es la anchura de calentamiento del cilindro, en mm;
• R es el radio del cilindro, en mm;
• δ es el espesor de la pared del cilindro, en mm.

Por ejemplo, para una soldadura cilíndrica con un diámetro de 1.200 mm y un grosor de pared de 24 mm, la anchura de calentamiento centrada en la soldadura se calcula utilizando la fórmula anterior. Es decir, durante el tratamiento térmico local de esta soldadura cilíndrica, el intervalo de 600 m centrado en la soldadura debe calentarse a la temperatura de tratamiento térmico especificada.

Entre los métodos habituales de tratamiento térmico local se incluyen el calentamiento por llama, el calentamiento por infrarrojos y el calentamiento por inducción de frecuencia industrial.

Las siguientes situaciones deben considerar el tratamiento de recocido de alivio de tensiones: metal base con grado de alta resistencia, acero común de baja aleación con tendencia a retrasar la fisuración; recipientes a presión y otras estructuras soldadas que operen en condiciones de baja temperatura, especialmente las utilizadas por debajo de la temperatura de transición frágil; componentes sometidos a cargas alternas que requieran resistencia a la fatiga; recipientes a presión de gran tamaño; estructuras soldadas que requieran resistencia a la corrosión bajo tensión y estabilidad dimensional postsoldadura.

El recocido de alivio de tensiones se realiza generalmente en un horno, que puede eliminar más de 80% de la tensión residual. El recocido de alivio de tensiones local puede conseguir básicamente el mismo efecto que el recocido de alivio de tensiones global.

 Este tratamiento térmico no implica cambios en la estructura cristalina.

 2. Normalizado o normalizado más revenido

Este tratamiento térmico posterior a la soldadura suele ser adecuado para estructuras de soldadura por electroescoria con el fin de mejorar la estructura y el rendimiento de las uniones.

La normalización consiste en calentar el acero por encima de Ac₃ El tiempo de mantenimiento se calcula en 2 minutos por cada 1 mm de espesor, pero no menos de 30 minutos, y después se enfría en aire al salir del horno. Al tratarse de un proceso de recristalización, permite obtener una estructura de grano más fino y mejorar las propiedades mecánicas.

La normalización más el revenido es el revenido después de la normalización. El propósito del revenido es eliminar la tensión estructural causada durante el proceso de enfriamiento del normalizado, mejorando aún más el rendimiento integral del acero o de las uniones soldadas.

 3. Tratamiento de temple y revenido

Este tratamiento térmico posterior a la soldadura es adecuado para el acero templado y revenido u otras estructuras soldadas que requieran un tratamiento de templado y revenido posterior a la soldadura. Tras el temple y revenido, el acero o las uniones soldadas pueden lograr una buena combinación de resistencia y tenacidad en propiedades mecánicas integrales.

El temple consiste en calentar el acero hasta un punto crítico Ac₁ o Ac₃ más 30~50°C, manteniéndolo durante un tiempo y enfriándolo rápidamente en agua o aceite para obtener una estructura de gran dureza.

 Aspectos a tener en cuenta en el tratamiento térmico posterior a la soldadura

El tratamiento de solución consiste en calentar la unión soldada a 1000~1050°C, dejando que los carburos precipitados en los límites de grano durante el proceso de soldadura se refundan en la austenita y, a continuación, enfriar rápidamente para fijar la estructura austenítica. El tratamiento de estabilización consiste en calentar la unión soldada a 850~900°C, mantenerla durante 2 horas y, a continuación, enfriarla con aire, permitiendo que el cromo de los granos de austenita se difunda gradualmente a los límites de grano, eliminando la capa deficiente de cromo en los límites de grano, mejorando así la resistencia a la corrosión intergranular.

Tanto el tratamiento de disolución como el de estabilización tienen por objeto mejorar la resistencia a la corrosión intergranular de las uniones soldadas de acero inoxidable austenítico.

 Las cuestiones que hay que tener en cuenta en el tratamiento térmico posterior a la soldadura son las siguientes.

• Para los aceros de baja aleación que contienen una cierta cantidad de V, Ti o Nb, es necesario evitar el mantenimiento prolongado a unos 600°C, ya que esto puede provocar la fragilidad del revenido, donde la resistencia del material aumenta mientras que la plasticidad y la tenacidad disminuyen significativamente.
• El recocido de alivio de tensiones posterior a la soldadura debe ser generalmente de 30~60°C inferior a la temperatura de revenido del material base.
• Para algunas estructuras de soldadura de acero de baja aleación que contienen elementos como Cr, Mo, V, Ti, Nb, se debe tener cuidado durante el recocido de alivio de tensiones para evitar el agrietamiento por recalentamiento.
•  Durante el tratamiento térmico, hay que tener cuidado para evitar deformaciones estructurales.

Las tablas 2-31 a 2-34 muestran los principales parámetros de algunas especificaciones de tratamiento térmico postsoldadura comúnmente utilizadas.

Tabla 2-31 Velocidades de calentamiento y enfriamiento del tratamiento térmico posterior a la soldadura (por encima de 400°C)

Tabla 2-32 Intervalo de espesores que requieren recocido de distensión después de la soldadura para determinados grados de acero

 Tabla 2-33 Temperaturas de recocido de alivio de tensión posteriores a la soldadura para grados de acero seleccionados.

 Tabla 2-34 Temperaturas comunes de tratamiento térmico postsoldadura de aceros de baja aleación

El tratamiento térmico posterior a la soldadura de las diferentes estructuras soldadas debe realizarse de acuerdo con las condiciones técnicas de fabricación del producto correspondiente.