tratamiento termico posterior a la soldadura

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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