Capitulo 24. Precalentamiento y Postcalentamiento [Modo de Compatibilidad]

24. PRECALENTAMIENTO Y POSTCALENTAMIENTO

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INTRODUCCION

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INTRODUCCION • ¿Porqué es importante el precalentamiento? • ¿Qué es la temperatura de precalentamiento? • ¿Qué le sucede al acero cuando se precalienta? • ¿Qué puede suceder cuando se solda a temperaturas bajas, por ejemplo, -40 oC? • ¿Cuál es el objetivo del pos-tratamiento de soldadura (PWHT) Diplomado Soldadura

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OBJETIVOS DEL PRECALENTAMIENTO • Reducir las pérdidas de calor • Reducir el riesgo de agrietamiento • Reducir los índices de expansión y contracción • Quemar la grasa • Modificar la forma del cordón • Evitar la fractura frágil • Permitir la difusión del hidrógeno Diplomado Soldadura

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EFECTOS DEL PRECALENTAMIENTO • Aumenta el tamaño de la ZAC

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EFECTOS DEL PRECALENTAMIENTO • Aumenta el costo de la soldadura • Aumenta la penetración, corriendo el riesgo de captar elementos indeseables • Reduce la resistencia al esfuerzo y aumenta la ductilidad • Puede llegar a afectar la tenacidad de un material Diplomado Soldadura

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EFECTOS DEL PRECALENTAMIENTO

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EL ENSAYO CLIP

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EL ENSAYO CLIP • Normalmente, el fabricante del acero recomienda la temperatura de precalentamiento. • Cuando no se conoce, se recomienda aplicar el ensayo clip. El cual da buenos resultados cuando el espesor es superior a 10 mm.

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ENSAYO CLIP

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ENSAYO CLIP

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SOLDABILIDAD

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¿QUE ES SOLDABILIDAD? • En términos simples, la soldabilidad es la capacidad que tiene un metal para ser soldado, alcanzándose las propiedades mecánicas deseadas y cumpliéndose el propósito para el cual fue diseñado.

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¿QUE ES SOLDABILIDAD? • De acuerdo con la norma ISO 581/80: “Un acero se considera soldable en un grado prefijado por un procedimiento determinado y para una aplicación específica, cuando mediante una técnica adecuada se pueda conseguir la continuidad metálica de la unión, de tal manera que ésta cumpla con las exigencias prescritas con respecto a sus propiedades locales y a su influencia en la construcción de la cual forma parte integrante” Diplomado Soldadura

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DIFERENTES SOLDABILIDADES • La soldabilidad puede ser considerada desde los siguientes puntos de vista: – Soldabilidad operativa – Soldabilidad metalúrgica – Soldabilidad constructiva o global

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PROPIEDADES A CONSIDERAR • • • • • •

Resistencia estática Resistencia al impacto Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosión Ductilidad Aspecto

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SOLDABILIDAD METALURGICA • Es soldable metalúrgicamente si cumple con las siguientes condiciones: – Buena tenacidad después de realizada la soldadura. – Que la zona fundida no se haga frágil por dilución con el metal base.

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FACTORES • • • •

Las transformaciones La composición química de los materiales Los esfuerzos residuales generados El procedimiento de soldadura empleado

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PROBLEMAS EN SOLDADURA ATRIBUIBLES AL PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

• Agrietamiento en frío • Agrietamiento en caliente • Desgarre laminar Diplomado Soldadura

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PROBLEMAS EN SOLDADURA ATRIBUIBLES AL COMPORTAMIENTO EN SERVICIO

• Agrietamiento por tratamiento térmico • Corrosión • Resistencia estática • Rotura frágil • Resistencia a la fatiga Diplomado Soldadura

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CARBONO EQUIVALENTE

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CARBONO EQUIVALENTE • La dureza se utiliza para predecir la soldabilidad de los aceros. • La dureza máxima que se alcanza en un acero depende de su contenido de carbono y de su templabilidad bajo el ciclo térmico impuesto por la soldadura. • Al ser el carbono el principal elemento que influye en la templabilidad de un acero se acostumbra a utilizar el carbono equivalente (CE) como una medida de la soldabilidad. Diplomado Soldadura

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CARBONO EQUIVALENTE • El carbono equivalente describe la influencia de la composición química sobre la templabilidad mediante un solo número. • De hecho, se considera que el carbono equivalente da una indicación de la tendencia de un material a figurarse en frío. Diplomado Soldadura

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CARBONO EQUIVALENTE • Se han desarrollado diversas ecuaciones empíricas para calcular el carbono equivalente teniendo en cuenta: – La templabilidad de la aleación – La sensibilidad de los aceros a fisurarse en frío – La evaluación de las propiedades de la unión en servicio Diplomado Soldadura

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FORMULA DEL IIW Mn Cr + Mo + V Ni + Cu CE = C + + + (%) 6 5 15 • La fórmula anterior se usa para aceros con un contenido de carbono superior a 0.18% o en condiciones de soldadura que requieran el enfriamiento lento t8/5 > 12 s. Diplomado Soldadura

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FORMULA TIPO PCM PCM

Si Mn + Cu + Cr Ni Mo V =C+ + + + + + 5B 30 20 60 15 10

• La formula anterior se utiliza en el código estructural AWS D1.1 para determinar la temperatura de precalentamiento.

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FORMULA TIPO PCM PCM

Si Mn + Cu + Cr Ni Mo V =C+ + + + + + 5B 30 20 60 15 10

• La formula anterior se utiliza en el código estructural AWS D1.1 para determinar la temperatura de precalentamiento.

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FORMULA TIPO CEMW CE MW

Si Mn + Cu Cr Ni Mo V =C+ + + + + + 25 20 10 40 15 10

• Las dos ecuaciones anteriores pueden elegirse para aceros con contenido de carbono inferior a 0.22% y en el caso de un enfriamiento rápido t8/5 < 6 s. Esta ecuación produce mejores resultados cuando las velocidades de enfriamientos son tales que t8/5 = 2-3 s. Diplomado Soldadura

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FORMULA CEN  Si Mn Cu Ni Cr + Mo + Nb + V  CEN = C + A(C ) + + + + + 5B  6 15 20 5  24  A(C ) = 0.75 + 0.25 tanh{20(C − 0.12)}

• A(C)es un factor de acomodo que se aproxima a 0.5 cuando %C0.18. Esta expresión produce resultados aceptables para aceros con un contenido decarbono inferior a 0.25%. Diplomado Soldadura

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INTERPRETACION DEL CE • Cuanto mayor sea el valor del CE más difícil es soldar el material. • Se recomienda que el acero tenga un valor de carbono equivalente no mayor a 0.4. • Se puede establecer que: – Aceros con un CE entre 0.2 y 0.3 tienen buena soldabilidad. – Aceros con un CE > 0.4 tienen una mala soldabilidad, y un riesgo de figuración en frío.

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INTERPRETACION DEL CE • Para acero estructural destinado a soldarse se puede especificar: – un valor de CE y – la dureza bajo el cordón de soldadura.

• Debe notarse que las ecuaciones de CE deben ser utilizadas únicamente para aquellos casos para los que fueron desarrolladas. Diplomado Soldadura

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EJEMPLO 1 • Calcular el carbono equivalente para los aceros de la tabla. Interpretar los resultados. ACERO

%C

%Mn

%Si

ASTM A357G2

0.24

1.15

0.3

ASTM A572G65

0.26

1.65

0.3

ASTM A588G.H

0.20

1.25

0.5

ASTM A36

0.20

0.80

0.3

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%Cr

%Ni

%Mo

%V

otros

0.2 min Cu 0.17

0.45

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0.15

0.06

0.3 Cu

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SOLUCION EJEMPLO 1 ACERO

CEIIW

CEMW

CEN

ASTM A357G2

0.43

0.31

0.44

ASTM A572G65

0.55

0.36

0.56

ASTM A588GH

0.53

0.34

0.54

ASTM A36

0.33

0.25

0.34

• Se observa que el CEIIW arroja resultados similares a la ecuación CEN por lo cual es más utilizada la ecuación del IIW. • La ecuación del IIW es recomendada cuando el enfriamiento es lento. • La formula CEMW es utilizada cuando el enfriamiento es rápido o la placa es gruesa. El código AWS D1.1 utiliza la ecuación CEMW para determinar la temperatura de precalentamiento teniendo en cuenta el espesor de la placa. Diplomado Soldadura

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DUREZA BAJO EL CORDON

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IMPORTANCIA • La dureza esta relacionada con propiedades mecánicas como la resistencia a la tensión y la tenacidad.

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• Una dureza elevada esta relacionada con un alta resistencia a la tensión y una baja tenacidad. • La martensita produce valores altos de dureza. • A mayor dureza mayor susceptibilidad al fisuramiento.

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PREDICCION • Es necesario conocer la composición química. • La microestructura inicial • Comprender como se transforma la microestructura de acuerdo con los ciclos térmicos • ¿En que lugar se presenta la dureza máxima? Diplomado Soldadura

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PREDICCION

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FORMULAS PARA LA DUREZA 1. Fórmula de Düren : HV = 2019[C (1 − 0.5 log t8 / 5 ) + 0.3(CE B − C )] + 66(1 − 0.8 log t8 / 5 ) Donde Si Mn Cu Cr Ni Mo V CE B = C + + + + + + + , 11 8 9 5 17 6 3 HV = HVM = 802C + 305 ,

HV = HVB = 305CE B + 101 Diplomado Soldadura

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FORMULAS PARA LA DUREZA 2. Fórmula de Susuki : HV = H + K /[1 + exp(a (log t8 / 5 − Y5 ))] Donde a = a K / K H = 884C + 287 − K K = 237 + 1633C − 1157 PCM , a K = 566 + 5532 C − 2880 PCM

Y5 = −0.03 − 6.00C + 7.77 PCM ,

PCM = C + Diplomado Soldadura

Si Mn Cu Ni Cr Mo V + + + + + + + 5B 30 20 20 60 20 15 10 Dr. Cuauhtémoc Maldonado

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FORMULAS PARA LA DUREZA 3. Fórmula de Yurioka : HV = 406C + 164CE I + 183 − (369C − 149CE I + 100 )arctanhX

( logt 8/5 − 2.822CE II + 0.262) Donde X = (0.526 − 0.195CEII )

, Si Mn Cu Ni Cr Mo V Nb CE I = C + + + + + + + + + 10 B 24 6 15 40 6 4 5 5 Si Mn Cu Ni Cr Mo CE II = C + + , + + + + + 10 B 30 6 5 20 4 6

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EJEMPLO 2 • En instalaciones petroleras o de gas se recomienda que la dureza de la ZAC en las tuberías soldadas no exceda los 240 HV. Determinar si los aceros de la tabla sobrepasaran este valor. La velocidad de enfriamiento durante la soldadura fue tal que t8/5 es de 3 s. ACERO API X-52 API X-80

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%C %Mn %P %S %Nb 0.15 1.30 0.015 0.012 0.02 0.06 1.65 0.015 0.005 0.04

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%V ---0.08

%Ti -------

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SOLUCION EJEMPLO 2 HV = 2019[C (1 − 0.5 log t8 / 5 ) + 0.3(CE B − C )] + 66(1 − 0.8 log t8 / 5 ) Si Mn Cu Cr Ni Mo V Donde CE B = C + + + + + + + 11 8 9 5 17 6 3 API X - 52 CE B = 0.34 API X - 80 CE B = 0.32

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SOLUCION EJEMPLO 2 HVAPI X -52 = 2019[0.15(1 − 0.5 log 3) + 0.3(0.34 − 0.15)] +

66(1 − 0.8 log 3) = 386

HVAPI X -80 = 2019[0.06(1 − 0.5 log 3) + 0.3(0.32 − 0.06 )] +

66(1 − 0.8 log 3) = 291

• Los resultados sobrepasan el valor fijado de 240 HV, lo cual indica que la soldadura es susceptible a la corrosión bajo esfuerzo.

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SOLUCION EJEMPLO 2 • Aplicando la ecuaciones de la martensita a los aceros anteriores: HVM = 802C + 305 API X - 56 HVM = 802(0.15) + 305 = 425 API X - 80 HVM = 802(0.06 ) + 305 = 353

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SOLUCION EJEMPLO 2 • ¿Qué hubiera pasado si la velocidad de enfriamiento hubiera sido más rápida? ACERO

t8/5

HV martensita

HV bainita

545 591

425

147

379 404

353

119

3.0

1.0

0.5

API X-52

386

484

API X-80

291

345

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0.3

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SOLUCION EJEMPLO 2 • ¿Qué resultados se obtienen empleando las fórmulas de Susuki y la de Yurioka?

ACERO API X-52 API X-80

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HVDüren 386 291

HVSusuki 366.3 303.0

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HVYurioka 383.9 315.6

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SOLUCION EJEMPLO 2 • ¿Cómo se puede obtener la dureza de 240 HV?

ACERO API X-52 API X-80

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t8/5 Düren 16 9

t8/5 Susuki 18 13

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t8/5 Yurioka 19 12

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TEMPERATURAS DE PRECALENTAMIENTO (AWS D1.1) ACERO

CEMW

ESPESOR

Tp ( oC)

ASTM A36

0.25

20-30 mm

10

ASTM A357G2

0.31

38-65 mm

65

ASTM A588 GRADO H

0.34

>65 mm

110

20-30 mm

65

38-65 mm

110

>65 mm

150

ASTM A572 GRADO 65

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0.36

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CALCULO DE LA TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO

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PROCEDIMIENTO AWS D1.1 • Existen diferentes criterios para calcular la temperatura de precalentamiento. • A continuación se presenta un método recomendado por el código AWS-D1.1 • Primero hay que calcular el carbono equivalente

Mn + Si Cr + Mo + V Ni + Cu CE = C + + + 6 5 15 Diplomado Soldadura

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PROCEDIMIENTO AWS D1.1

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PROCEDIMIENTO AWS D1.1

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PROCEDIMIENTO AWS D1.1

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EJEMPLO 3 • Con los aceros de la tabla, se quiere fabricar una junta en T con alma y ala de 25 mm de espesor, por el proceso SAW, determinar las condiciones que aseguren buena soldabilidad. ACERO

%C

%Mn

%Si

Cu

CE

(A) ASTM A537G2

0.24

1.15

0.3

----

0.48

(B) ASTM A572G65

0.26

1.65

0.3

0.2

0.60

(C) ASTM A36

0.20

0.8

0.3

----

0.38

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SOLUCION 3: MÉTODO DE DUREZA El carbono equivalente se calcula usando la ecuación : CE = C +

(Mn + Si ) + (Cr + Mo + V ) + (Ni + Cu ) 6

5

15

ASTM A537G2, CE = 0.48 ASTM A572G65, CE = 0.60 ASTM A36, CE = 0.38

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SOLUCION 3: MÉTODO DE DUREZA

(A) A537G2 (C) A36

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(B) A572G65

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SOLUCION 3: MÉTODO DE DUREZA

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57

SOLUCION 3: MÉTODO DE DUREZA

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SOLUCION 3: MÉTODO DE DUREZA De la figura anterior se puede observar que para obtener un dureza inferior a 350 HV es necesario usar un aporte térmico mínimo de 2.2 KJ/mm, mediante el proceso SAW.

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SOLUCION 3: METODO CONTROL DE HIDROGENO • Este método se basa en la suposición de que el agrietamiento no ocurrirá si la cantidad promedio de hidrógeno que permanece en la junta después de que ésta se enfría a 50oC esta por debajo de cierto valor.

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SOLUCION 3: METODO CONTROL DE HIDROGENO

PCM

Si Mn + Cu + Cr Ni Mo V =C+ + + + + + 5B 30 20 60 15 10

Indice de susceptibi lidad : 12 PCM + log H Nivel de hidrógeno

H

H1

5 ml/100g

H2

10 ml/100g

H3

30 ml/100g

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(A) ASTM A537G2 : Si Mn + Cu + Cr Ni Mo V PCM = C + + + + + + 5B 30 20 60 15 10 0.3 1.15 PCM = 0.24 + + = 0.31 30 20 (B) ASTM A572G65 : 0.3 1.65 + 0.2 PCM = 0.26 + + = 0.36 30 20 (C) ASTM A36 : 0.3 0.8 PCM = 0.20 + + = 0.25 30 20

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SOLUCION 3: METODO CONTROL DE HIDROGENO ACEROS

Indice de susceptiblidad PCM Formula Tabla A ASTM A537G2 0.31 5.2 F= 5.1-5.5 B ASTM A572G65 0.36 5.8 G= 5.6-7.0 C ASTM A36 0.25 4.5 D= 4.1-4.5 • Considerando un nivel de embridamiento medio se tiene. Diplomado Soldadura

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SOLUCION 3: METODO CONTROL DE HIDROGENO INDICE DE SUSCEPTIBILIDAD AL AGRIETAMIENTO Nivel

medio

Espesor (mm)

A 3.0