Selección de metal de aportación y entrada de calor recomendada para soldadura de acero de baja aleación

¿Por qué utilizar aceros de baja aleación?

Empresas elegir de baja aleación aceros debido a que tienen mayor resistencia, dureza y / o el rendimiento bajo de operación severas condiciones en comparación con los aceros al carbono. Sin embargo, las propiedades mecánicas de baja aleación de acero se variar en gran medida debido a diferentes aleantes elementos. Con la creciente popularidad de estos materiales en la industria, desde el acero estructural y los fabricantes de recipientes a presión hasta la fabricación de maquinaria pesada, el electrodo de soldadura o los materiales de relleno y la soldadura.Los procesos necesarios para su conexión se han vuelto cada vez más importantes. Recuerde los siguientes puntos para eliminar problemas graves de soldadura durante la soldadura.

¿Qué es el acero de baja aleación?

Los aceros de baja aleación tienen muchos elementos de aleación diferentes. Entre ellos, Ni (níquel), Mo (molibdeno) y Cr (cromo) suelen representar más del 0,5% pero menos del 5% del total de elementos de aleación.

 Cada elemento le da al material propiedades específicas. Por ejemplo, además de aumentar moderadamente la resistencia a la tracción, el níquel también puede mejorar la tenacidad a baja temperatura. El molibdeno y el cromo aumentan la resistencia a la tracción y ayudan a mantener la resistencia a temperaturas elevadas. El cobre se puede usar en combinación con otros elementos para mejorar la resistencia a la corrosión atmosférica, al igual que el acero resistente a la intemperie.

 La resistencia a la tracción de la mayoría de los aceros de baja aleación supera los 70 ksi y algunos incluso superan los 120 ksi. Algunos aceros de baja aleación tienen una excelente soldabilidad, mientras que otros son soldables dependiendo de la aleación. Recuerde, a medida que aumenta el contenido de aleación, el material tiende a formar una microestructura más frágil después de la soldadura, lo que dificulta la soldadura con éxito.

Dado que cada elemento de aleación afecta las características y el rendimiento del metal de soldadura, es muy importante hacer coincidir correctamente el material de relleno con el metal base.

 Elección de metales de aportación para la soldadura de acero de baja aleación

Al seleccionar el metal de aportación correcto para aplicaciones de acero de baja aleación, es importante determinar el tamaño y la calidad del metal base; la forma más sencilla de determinar los requisitos mínimos es consultar la especificación del material base. Muchas especificaciones ASTM tienen requisitos para propiedades químicas y mecánicas, mientras que muchas especificaciones AISI / SAE solo tienen requisitos para propiedades químicas y generalmente requieren que se especifiquen propiedades mecánicas mínimas en el momento de la compra.

Considere la composición química de los metales básicos. Los elementos utilizados para mejorar las propiedades del sustrato también se utilizan en materiales de relleno. Cuando busque metales de aportación que se acerquen al rendimiento del metal base, recuerde que la composición química de algunas clasificaciones de metales de aportación de baja aleación coincidirá perfectamente con la composición del metal base. Esto se debe a la diferencia significativa entre la producción de acero y la producción de metales de soldadura. Dado que rara vez hay una coincidencia exacta, cumplir con los requisitos de composición química nominal de la aplicación, por ejemplo, el nivel requerido de resistencia a la corrosión o rendimiento a altas temperaturas, ayuda a que el material de relleno y el material base tengan características similares.

 El metal de aportación también se puede ajustar mediante las propiedades mecánicas del sustrato. Tenga en cuenta que determinadas aleaciones se pueden utilizar en condiciones de recocido, normalización o templado y revenido, según la tecnología de procesamiento, lo que puede dar lugar a diferencias significativas en las propiedades mecánicas del mismo material. Por ejemplo, acero al cromo molibdeno 4130 y 4140.

Al seleccionar un material de relleno que utiliza las propiedades mecánicas del sustrato, el más común es ajustar la resistencia a la tracción y / o el límite elástico de acuerdo con los requisitos de la aplicación. De acuerdo con AWS D1.1 o AWS D1.5, la clasificación del electrodo de soldadura que cumple con los requisitos del código se da en AWS D1.1 Tabla 3.1 en la edición anterior y Tabla 6.9 en la nueva edición del código y AWS D1.5 Cuadro 4.1.

 En algunas estructuras de acero soldadas de alta resistencia y baja aleación, a menudo sucede que la resistencia a la tracción o el límite elástico del metal de aportación es menor que el del metal base. A medida que aumenta la resistencia a la tracción del metal de soldadura, la ductilidad tiende a disminuir. Si el componente está diseñado para que la tensión no se concentre en la soldadura, el ajuste inferior puede ser una forma de maximizar la ductilidad de la soldadura y la vida útil a la fatiga.

Controle y verifique el nivel de hidrógeno en la soldadura

Al seleccionar el material de relleno, asegúrese de que tenga una baja proporción de hidrógeno difusible. Dado que las soldaduras de baja aleación tienden a formar microestructuras quebradizas, es más probable que se produzcan fisuras por hidrógeno.

 Los materiales de relleno con hidrógeno menos difusivo reducirán una de varias fuentes de hidrógeno (otras incluyen el material base y el entorno de soldadura), reduciendo así el riesgo de agrietamiento por hidrógeno. Busque metales de aportación con el designador H4 o H8, cuanto menor sea el número en el identificador, menor será la difusión de hidrógeno. Las condiciones adecuadas de almacenamiento del material de relleno de baja aleación también ayudan a minimizar la absorción de hidrógeno y la contribución posterior al metal de soldadura. Evite cambios drásticos de temperatura al almacenar metales de aportación, minimice el tiempo total de exposición (tiempo fuera del empaque) y siga siempre las recomendaciones de almacenamiento del fabricante.

El uso de temperaturas de precalentamiento superiores a 212 grados Fahrenheit y la eliminación de óxido, escamas o revestimientos de metales base (como aceite, grasa o escamas) son otras formas de reducir el hidrógeno en el metal de soldadura. Combinadas con metales de relleno con bajo contenido de hidrógeno almacenados adecuadamente, estas tecnologías ayudan a reducir la susceptibilidad al agrietamiento por hidrógeno.

Tome nota de la velocidad de enfriamiento

La velocidad de enfriamiento de la soldadura y la zona afectada por el calor (ZAT) es importante porque afecta la formación de la estructura en estas áreas y las propiedades mecánicas posteriores.

 La zona afectada por el calor es el área cercana a la soldadura que no es derretida por el arco, pero aún sufre cambios de microestructura debido al calor de procesamiento. Debido a que el acero de baja aleación tiene una alta templabilidad, es más fácil formar una microestructura frágil en ZAT. Por lo tanto, el rendimiento de HAZ es un aspecto importante para el éxito de la soldadura de acero de baja aleación.

 Una velocidad de enfriamiento demasiado rápida conduce a la formación de microestructuras frágiles, mientras que una velocidad de enfriamiento demasiado lenta y un aporte de calor excesivo dará como resultado una microestructura muy rugosa, que puede no proporcionar un buen rendimiento final. La clave es elegir un comportamiento de equilibrio de la tasa de enfriamiento adecuado.

 Considere estos factores que afectan la velocidad de enfriamiento:

Aplicación y temperatura de precalentamiento

Establecer y mantener una temperatura mínima de precalentamiento ayuda a reducir la velocidad de enfriamiento para prevenir o minimizar la formación de microestructuras quebradizas. Para garantizar un precalentamiento eficaz, utilice una temperatura suficiente para el material. Los materiales con mayor contenido de aleación y, por lo tanto, mayor templabilidad, requieren temperaturas de precalentamiento más altas. También es importante establecer la temperatura de precalentamiento correcta en todo el espesor del material, no solo para alcanzar la temperatura de la superficie. Esto se puede hacer mediante calentamiento por inducción o calentando el material y manteniéndolo a una temperatura por pulgada de grosor del material durante media hora (por ejemplo: una tabla de 102 mm (4 pulgadas) se beneficiaría de mantenerse a la temperatura de precalentamiento durante dos horas). También es importante calentar a una distancia suficiente de la soldadura.Una buena regla general es de 3 pulgadas en todas las direcciones, aunque las soldaduras más grandes pueden beneficiarse de un mayor espaciado.

Temperatura entre pasadas

También es importante establecer la temperatura más alta entre capas para evitar el enfriamiento lento y el procesamiento del acero de baja aleación templado y revenido. La soldadura “restablece” la microestructura HAZ, que se crea cuidadosamente mediante temple y revenido. Por lo tanto, es ideal minimizar la zona afectada por el calor ajustando la temperatura de la capa intermedia al límite recomendado por el fabricante de acero. Además, ciertos aceros (como ASTM A514) son propensos a agrietarse cuando se recalientan, y la temperatura excesiva entre capas aumentará este riesgo.

Entrada de calor

Esta es la energía aplicada a la estructura soldada por unidad de longitud durante el proceso de soldadura. En América del Norte, la entrada de calor generalmente se expresa en kilojulios por pulgada, pero también se puede expresar en julios por milímetro. El aumento de la entrada de calor ralentiza la velocidad de enfriamiento y produce una estructura de grano grueso con menor resistencia a la tracción y tenacidad. La entrada de calor reducida acelerará la velocidad de enfriamiento y producirá una estructura de grano más fina, que hasta cierto punto tiene mayor resistencia a la tracción y tenacidad.

 Un aporte de calor muy pequeño perjudicará la ductilidad y la tenacidad.

Sugerencia para la colocación del cordón de soldadura de la secuencia de soldadura

 La secuencia de costura es otro factor que afecta los resultados de la soldadura de acero de baja aleación. Hay una ZAT para cada pasada de soldadura. Un cordón de soldadura ancho con un grosor y una profundidad de penetración mínimos promueve un refinamiento adicional del grano y forma una microestructura más fina en toda la sección transversal de la soldadura y en la capa previamente depositada. Se recomienda utilizar canales más delgados y anchos que canales más grandes y gruesos. El cordón templado también se puede utilizar para aleaciones de resistencia extremadamente alta. La técnica consiste en colocar el cordón de soldadura en la parte superior de la soldadura terminada para refinar la ZAT y cubrir la microestructura de la soldadura y proporcionar una buena tenacidad, y luego esmerilar estas soldaduras, dejando la capa anterior de metal de soldadura refinado debajo.

Tratamiento térmico final posterior a la soldadura

 Debido a la mayor dureza del material, los aceros de baja aleación a menudo requieren un tratamiento térmico posterior (PWHT), lo que conduce a una mayor tensión de soldadura.

 Estas tensiones pueden eliminarse mediante tratamiento térmico después de la soldadura, pero la reacción del metal de aportación al tratamiento térmico es diferente a la del metal base. Es importante seleccionar metales de aportación que puedan mantener suficiente resistencia a la tracción y tenacidad después del tratamiento térmico posterior a la soldadura.

 Comuníquese con el fabricante del metal de aportación para determinar la capacidad del tratamiento térmico posterior a la soldadura del metal de aportación, especialmente si el tratamiento se usa durante mucho tiempo.

 En algunos casos, se recomienda mantener el precalentamiento o la temperatura mínima entre dos pasadas después de soldar, aproximadamente una hora por pulgada de espesor del sustrato. Informalmente llamado “secado con hidrógeno”, esto ayuda a acelerar la difusión del hidrógeno en el metal de soldadura antes del mantenimiento.

En breve,

 El acero de baja aleación es más fácil de endurecer que el acero sin alear, lo que hace que sea importante controlar el hidrógeno y la velocidad de enfriamiento al soldar estos materiales. La elección del material de relleno correspondiente a las características del metal base, el precalentamiento correcto y la temperatura de la capa intermedia y el suministro de calor durante el proceso de soldadura contribuyen al éxito.