Tratamientos térmicos de precalentamiento y posteriores a la soldadura

Lo que el inspector de soldadura debe saber sobre el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura

Para soldar algunos materiales base y para algunas condiciones de servicio, el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura pueden ser un requisito. Estos tipos de tratamiento térmico son necesarios para garantizar la correcta integridad de la soldadura y, por lo general, evitan o eliminan las características no deseadas en la soldadura terminada. Cualquier forma de tratamiento térmico es costosa, ya que requiere un equipo adicional, tiempo extra y una mayor manipulación. Por estas razones, el tratamiento térmico solo debe llevarse a cabo después de sopesar con cuidado las ventajas que puede ofrecer. En ciertos casos, el tratamiento térmico es obligatorio, como en el caso de las secciones pesadas de aceros de baja aleación, mientras que en otros casos, será una precaución justificable para evitar fallos prematuros en el servicio.

Existen varias razones para incorporar estos tratamientos térmicos al procedimiento de soldadura. Tendremos en cuenta algunas de las más habituales.

Precalentamiento

El precalentamiento, tal y como se define en los Términos y definiciones estándar de soldadura de AWS, es "el calor aplicado al metal base o sustrato para alcanzar y mantener la temperatura de calor previo". La temperatura de precalentamiento se define en el mismo documento como "la temperatura que debe alcanzar el metal base inmediatamente antes que se inicie cualquier proceso de soldeo. En procedimientos de pasadas múltiples, es la temperatura que debe alcanzarse antes de depositar los siguientes cordones" (temperatura entre pasadas).

Método de precalentamiento

El precalentamiento se puede realizar utilizando quemadores de gas, llamas de oxigás, mantas eléctricas, calentamiento por inducción o calentamiento en un horno. Para obtener resultados óptimos, es esencial que el calentamiento sea uniforme alrededor del área de la junta. El calentamiento intenso y desigual no resulta útil para retrasar el enfriamiento y puede ser perjudicial al causar mayores tensiones residuales, distorsión o cambios metalúrgicos no deseados en el material base.

Cuando se especifica el precalentamiento, toda la junta de soldadura debe calentarse uniformemente a través del espesor del metal a la temperatura mínima deseada. Para alcanzar una temperatura uniforme en todo el espesor del metal, lo mejor es aplicar las fuentes de calentamiento a un lado de la superficie del material y medir la temperatura del material en el lado opuesto.

Siempre que el calentamiento y la medición de la temperatura deban realizarse desde la misma superficie, el inspector deberá asegurarse de que se ha calentado algo más que la superficie del material. Es importante asegurarse de que todo el espesor del metal se haya calentado a una temperatura uniforme.

Además de establecer una temperatura de precalentamiento, puede que sea necesario limitar la temperatura entre pasadas para algunas aplicaciones. Esa información debe constar en la especificación del procedimiento de soldadura. Cuando se especifica una temperatura entre pasadas, el área de soldadura debe inspeccionarse antes de depositar el siguiente cordón de soldadura. La soldadura no puede continuar si la temperatura medida excede las condiciones máximas entre pasadas especificadas en el procedimiento de soldadura. Se debe dejar que se enfríe la soldadura hasta el límite superior especificado de la temperatura entre pasadas antes de continuar con la soldadura.

Dependiendo de las propiedades metalúrgicas del material y de las propiedades mecánicas deseadas del componente soldado, la temperatura de precalentamiento y entre pasadas puede evaluarse por diversas razones. Por ejemplo, en un procedimiento para soldar acero dulce, que tiene un bajo contenido de carbono, una templabilidad relativamente baja y se utiliza en una aplicación sin requisitos de servicio especiales, se puede considerar un precalentamiento mínimo y una temperatura entre pasadas según el espesor del material.

Los procedimientos de soldadura utilizados para aceros de baja aleación tratables térmicamente y aceros de cromo-molibdeno con requisitos de impacto, normalmente especifican un requisito mínimo y máximo para las temperaturas de precalentamiento y entre pasadas. Estos materiales de baja aleación pueden tener una alta templabilidad y son susceptibles de sufrir agrietamiento por hidrógeno. Permitir que estos materiales se enfríen demasiado rápido o sobrecalentarlos puede afectar seriamente a su rendimiento. En la soldadura de aleaciones de níquel, nos preocupamos principalmente por la alta entrada de calor durante la operación de soldadura. La entrada de calor del proceso de soldadura y la temperatura de precalentamiento y entre pasadas pueden afectar seriamente a estos materiales. La alta entrada de calor puede tener como consecuencia una licuación constitucional excesiva, una precipitación de carburo y otros fenómenos metalúrgicos dañinos. Estos cambios metalúrgicos pueden provocar el agrietamiento o la pérdida de resistencia a la corrosión. Los procedimientos para soldar algunas aleaciones de aluminio, como las series 2xxx, 6xxx y 7xxx, tratables térmicamente, a menudo se refieren a la reducción general de la entrada de calor. Con estos materiales, se controla la temperatura máxima de precalentamiento y entre pasadas para minimizar la influencia de recocido y envejecimiento excesivo en la zona afectada térmicamente (ZAT) y la consiguiente pérdida de resistencia a la tracción.

En aplicaciones críticas, la temperatura de precalentamiento debe controlarse con precisión. En esas situaciones, se utilizan sistemas de calentamiento controlables y se conectan termopares para controlar la pieza que se está calentando. Estos termopares proporcionan una señal a la unidad de control que puede regular la fuente de alimentación necesaria para el calentamiento. Utilizando este tipo de equipamiento, se puede controlar la pieza que se calienta hasta tolerancias extremas.

Motivos para un precalentamiento

Algunos de los motivos principales para el precalentamiento son:

a) Alejar la humedad del área de soldadura: por lo general, esto se realiza calentando la superficie del material hasta una temperatura relativamente baja, justo por encima del punto de ebullición del agua. Así se seca la superficie de la chapa y se eliminan los contaminantes no deseados, que de otro modo podrían causar porosidad, fragilidad por hidrógeno o agrietamiento debido a la introducción de hidrógeno durante el proceso de soldadura.

b) Reducir el gradiente térmico: todos los procesos de soldadura por arco utilizan una fuente de calor a alta temperatura. Se produce un diferencial de temperatura pronunciado entre la fuente de calor localizada y el material de base frío que se está soldando. Esa diferencia de temperatura causa una dilatación y contracción térmica diferencial y altas tensiones alrededor del área soldada. La reducción del diferencial de temperatura mediante el calentamiento previo del material base minimiza los problemas asociados a la distorsión y la tensión residual excesiva. Si no se lleva a cabo el precalentamiento, puede producirse un gran diferencial de temperatura entre el área de soldadura y el material base. Esto puede causar un enfriamiento rápido, que provoca la formación de martensita y un probable agrietamiento en la soldadura de algunos materiales con alta templabilidad.

Tratamiento térmico posterior a la soldadura

Se utilizan diferentes tipos de tratamiento térmico posterior a la soldadura por diversas razones y en diferentes materiales.

a) Alivio de tensión: el tratamiento térmico posterior a la soldadura se utiliza generalmente para aliviar la tensión. El propósito del alivio de tensión es eliminar cualquier tensión interna o residual que pueda estar presente en la operación de soldadura. El alivio de la tensión después de la soldadura puede ser necesario para reducir el riesgo de rotura por fragilidad, evitar la distorsión posterior en el mecanizado o erradicar el riesgo de corrosión por tensión.

b) Obtención de una estructura metalúrgica adecuada: para algunos aceros aleados, puede resultar necesario un tratamiento de templado térmico para obtener una estructura metalúrgica adecuada. Este tratamiento se realiza después de que la soldadura se haya enfriado, pero en determinadas circunstancias, puede ser necesario llevar a cabo este tratamiento antes de que se haya enfriado para evitar el agrietamiento.

c) Normalización después de la soldadura: las estructuras de soldadura extremadamente gruesas en acero, como las obtenidas con un proceso de soldadura por electroescoria, pueden requerir una normalización después de la soldadura. Este tratamiento refina la estructura de grano grueso, reduce las tensiones después de la soldadura y elimina cualquier zona dura en la zona afectada térmicamente.

d) Recuperación de las propiedades originales: las aleaciones de endurecimiento por precipitación, como las aleaciones de aluminio tratables térmicamente, a veces deben someterse a un tratamiento térmico posterior a la soldadura para recuperar sus propiedades originales. En algunos casos, solo se utiliza un tratamiento de envejecimiento, aunque un tratamiento térmico de solución completa y un tratamiento de envejecimiento artificial proporcionan una mejor recuperación de las propiedades después de la soldadura.

Cuando las operaciones de soldadura implican un tratamiento térmico previo o posterior a la soldadura, es importante que el inspector de soldadura comprenda estos requisitos para asegurarse de que se han llevado a cabo correctamente y en los términos de las especificaciones relevantes del procedimiento de soldadura y los requisitos del código.