ANEXO IV. Guía de Métodos Alternativos para Determinar el Precalentamiento en la Soldadura de Aceros Estructurales

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1 296 ANEXO IV Guía de Métodos Alternativos para Determinar el Precalentamiento en la Soldadura de Aceros Estructurales IV.1.Introducción Un factor que controla la microestructura de la zona afectada por calor (ZAC), es su velocidad de enfriamiento, esta velocidad depende de los espesores del material base, la geometría de la unión, el calor aportado y la temperatura de precalentamiento. La velocidad de enfriamiento puede entonces ser usada, dentro de cierto rango, para prevenir la formación de microestructuras peligrosas en la ZAC. Por efecto de la velocidad de enfriamiento pueden originarse en el acero estructuras metalúrgicas de elevada dureza y, en casos extremos, provocar una transformación directa de austenita a martensita. Si calentamos el material, previamente a la soldadura, disminuimos el desnivel térmico desde la temperatura de fusión del acero, desplazando la curva de enfriamiento hacia la derecha del diagrama Temperatura Tiempo Transformación (TTT) o, para el análisis de aceros bajo procesos de soldadura, la curva de enfriamiento continuo(cct). De este modo se favorecen las transformaciones metalúrgicas a estructuras más blandas que resultan menos frágiles y propensas a fisuración. La temperatura de precalentamiento tiene como principal función disminuir la velocidad de enfriamiento de la soldadura. Es la mínima temperatura que debe ser alcanzada en todo el espesor y en una zona suficientemente ancha a ambos lados de la junta del material base antes de que comience el proceso de soldadura y que normalmente debe mantenerse entre las diversas pasadas en caso de soldadura de pasadas múltiples. Se aplica localmente por resistencia eléctrica(mantas térmicas) o llama de gas y su medición se realiza, siempre que sea posible, en la cara opuesta a la que se está aplicando la fuente de calor por medio de termocuplas, lápices termoindicadores, termométros de contacto, etc. La temperatura de precalentamiento debe ser balanceada con el calor aportado durante la operación de soldadura de acuerdo al tipo de acero y en función de las propiedades requeridas para la junta. La temperatura de precalentamiento produce también un efecto importante en la velocidad de difusión del hidrógeno y previene la formación de martensita en aceros de alto carbono. Además tiene un efecto secundario de reducir las tensiones residuales disminuyendo los gradientes térmicos asociados a la soldadura. El precalentamiento incluye la temperatura entre pasadas cuando se trata de soldadura en multipasadas cuando el calor generado durante la soldadura no es suficiente para mantener la temperatura de precalentamiento entre pasadas sucesivas. En general la temperatura de precalentamiento requerida en soldadura multipasadas es menor que para soldadura de simple pasada. En soldadura de multipasadas el calor de la segunda pasada disminuye la dureza de la ZAC que generó la primera pasada y acelera la migración de hidrógeno. Esto reduce notablemente la posibilidad de fisuración en frío en aceros soldados. Proyecto de Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras en Acero

2 297 La pasada en caliente realizada inmediatamente después de la pasada de raíz es muy efectiva para prevenir la fisuración en frío, dado que puede reducir la concentración de hidrógeno en aproximadamente un 30 a 40% comparados con los casos de pasada de raíz solamente. Esta hace que la temperatura de precalentamiento necesaria se pueda disminuir entre 30 y 50 C aproximadamente. La pasada en caliente además, puede disminuir la dureza en la ZAC. Generalmente, en la práctica las temperaturas de precalentamiento pueden variar desde temperatura ambiente hasta los 450 C, en casos específicos puede ser aún mayor. El propósito de esta guía es proveer de algunos métodos alternativos opcionales para determinar las condiciones de soldadura (principalmente precalentamiento), para evitar la fisura en frío. Los métodos están principalmente basados en la investigación de ensayos en pequeña escala realizados a lo largo de muchos años en diferentes laboratorios de investigación alrededor de todo el mundo. No hay un método para predecir las condiciones óptimas en todos los casos, pero la guía considera varios factores importantes tales como nivel de hidrógeno y composición del acero no incluido en forma explícita en la Tabla 3.2. La guía puede entonces ser de valor para indicar tanto si los requerimientos de la Tabla 3.2 son excesivamente conservadores o si en algunos casos no son suficientes. Al usar esta guía como una alternativa a la Tabla 3.2 deberá tenerse una consideración cuidadosa de las hipótesis asumidas, los valores elegidos, y la experiencia previa. IV.2. Métodos Existen numerosos métodos propuestos para determinar o estimar la necesidad de precalentar en la soldadura de aceros. Estos métodos consideran algunos o todos los factores que influyen en la fisuración en frío: composición química del acero, difusión de hidrógeno, calor aportado, espesor del metal base, tensiones residuales en la soldadura y restricción de la junta. Sin embargo, hay una considerable diferencia en la valoración de la importancia de estos factores ente los distintos métodos. Por ejemplo el efecto de la composición química difiere de un método a otro en la evaluación de la importancia de cada elemento de aleación y por lo tanto se obtienen distintos carbonos equivalentes (CE), relación que permite analizar la soldabilidad del acero en función de su composición química. Alguno de los métodos más conocidos y aplicados para el cálculo de la temperatura de precalentamiento son los siguientes: Norma British Standard BS 5135 Nomograma de Coe Criterio de Duren Criterio de Ito y Bessyo Criterio de Suzuki y Yurioka Método de Seferian Método del Instituto Internacional de Soldadura ANSI/AWS D1.1, Código de Estructuras Soldadas en Acero Método de la Carta En este Reglamento se adopta como método alternativo la utilización del criterio aplicado por el Código ANSI/AWS D1.1. Este criterio utiliza dos métodos básicos para estimar las condiciones de soldadura para evitar la fisura en frío: Control de Dureza en la ZAC Control del Hidrógeno Reglamento CIRSOC 304

3 298 IV.3. Control de Dureza en la ZAC Las disposiciones incluidas en esta guía para el uso de este método están restringidas a las soldaduras de filete. Este método está basado en la suposición que la fisura no ocurrirá si la dureza de la ZAC se mantiene debajo de algún valor crítico. Esto se logra controlando la velocidad de enfriamiento debajo de un valor crítico dependiendo de la templabilidad del acero. La templabilidad del acero en soldadura se relaciona con su propensión a la formación de una ZAC de alta dureza y puede caracterizarse por la velocidad de enfriamiento necesaria para producir un nivel de dureza dado. Los aceros con una gran templabilidad pueden, por lo tanto, producir una ZAC de alta dureza a velocidades de enfriamiento inferiores a las correspondientes a aceros con menor templabilidad. Las ecuaciones y gráficos están disponibles en la literatura técnica que relaciona las velocidades de enfriamiento con los espesores de los componentes de acero, tipo de junta, condiciones de soldadura y otras variables. La selección de la dureza crítica dependerá en un número de factores tales como tipo de acero, nivel de hidrógeno, restricción, y condiciones de servicio. Los ensayos de laboratorio con soldadura de filete muestran que la fisuras en la ZAC no ocurren si el valor de Dureza Vickers (HV) es menor que 350 HV, incluso con electrodos de alto hidrógeno. Con electrodos de bajo hidrógeno, se puede admitir una dureza menor o igual que 400 HV sin evidencia de frisuras. Tal dureza, sin embargo, puede no ser tolerable en servicio donde hay un alto riesgo de frisuración debido a corrosión bajo tensiones, fractura frágil u otro tipo de riesgos relacionados con la integridad estructural. La velocidad de enfriamiento crítica para una dureza dada, puede ser relacionada aproximadamente con el carbono equivalente del acero (ver Figura IV-2). Debido a que la relación es sólo aproximada, la curva que se muestra en la Figura IV-2 puede ser conservadora para aceros al carbono o carbono-manganeso y por esto permiten el uso de curvas de elevada dureza con mínimo riesgo. Alguno aceros de baja aleación o microaleados de laminado termo controlado, particularmente, aquellos que contienen niobio (Nb), pueden ser más templables que lo indicado por la Figura IV 2 y se recomienda el uso de una curva de dureza más baja. A pesar que el método puede ser usado para determinar el nivel de precalentamiento, su finalidad más importante es la de determinar el mínimo calor aportado (y por ende el mínimo tamaño de soldadura) que impide un endurecimiento excesivo. Es particularmente útil para determinar el tamaño mínimo de soldaduras de una sola pasada en filete que podrán ser depositadas sin precalentamiento. La aproximación por dureza no considera la posibilidad de fisura del metal de soldadura. Sin embargo, de la experiencia se encuentra que el calor aportado determinado por este método es adecuado normalmente para impedir las fisuras en el metal de soldadura. Esto ocurre, en la mayoría de los casos, en soldaduras de filete si el material de aporte no es de alta resistencia y es en general de bajo hidrógeno. Debido a que este método depende solamente del control de dureza de la ZAC, el nivel de hidrógeno y restricción no se consideran en forma explícita. Este método no es aplicable a aceros templados y revenidos. IV.4. Control del Hidrógeno El método de control del hidrógeno se basa en la hipótesis que la fisura no ocurrirá si la cantidad promedio de hidrógeno que permanece en la junta luego que fue enfriada hasta los 50 C no excede un valor crítico que depende de la composición del acero y el grado de restricción. Usando este Proyecto de Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras en Acero

4 299 método se puede estimar la temperatura de precalentamiento necesaria para permitir la difusión de suficiente hidrógeno fuera de la junta. Este método está basado principalmente en los resultados de ensayos de soldadura utilizando junta con bisel de penetración parcial(jpp)soldada con restricción. El metal de soldadura usado en los ensayos iguala las propiedades del metal base. No se han realizado ensayos extensivos de este método en soldadura de filete; sin embargo, teniendo en cuenta la restricción, ha sido adaptado adecuadamente para dichas soldaduras. Para el método de control del hidrógeno, se requiere una determinación del nivel de restricción y del nivel de hidrógeno original en la pileta líquida del metal de soldadura. En esta guía, la restricción es clasificada como alta, media o baja, donde la categoría de restricción se deberá establecer por la experiencia. El método de control del hidrógeno está basado en un único cordón de soldadura de bajo calor aportado que representan una pasada de raíz y asume que la ZAC se endurece. Este método es particularmente útil para aceros de baja aleación y alta resistencia que tengan muy alta templabilidad, donde el control de dureza no es siempre factible. En consecuencia, debido a la consideración que la ZAC se endurece totalmente, el calentamiento predicho puede ser muy conservador para aceros al carbono. IV.5. Selección del Método Se sugiere el siguiente procedimiento como guía para la selección tanto del método de control de dureza como el de control del hidrógeno. Determinar el carbono y el carbono equivalente de acuerdo con la expresión del Instituto Internacional de Soldadura (IIW): (Mn + Si) (Cr + Mo + V) (Ni + Cu) CE = C para ubicar la posición de la zona del acero en la Figura IV-1. Las características de comportamiento de cada zona y la interpretación de las mismas es la siguiente: Zona I. La fisuración es improbable, pero puede ocurrir con alto hidrógeno o alto nivel de restricción. Usar el método de control del hidrógeno para determinar el precalentamiento de los aceros de esa zona. Zona II. El método de control de dureza y la dureza seleccionada deberán ser utilizadas para determinar el mínimo calor aportado para soldaduras de filete de pasada única sin precalentamiento. Si el nivel de calor aportado no resulta práctico, usar el método de control de hidrógeno para determinar el precalentamiento. Para aceros con alto carbono, puede requerirse un mínimo calor aportado para el control de dureza y un precalentamiento para el control del hidrógeno tanto para soldaduras de filete como de bisel. Zona III. Deberá usarse el método de control del hidrógeno. Donde el calor aportado deberá ser restringido para preservar las propiedades mecánicas de la ZAC(por ejemplo en algunos aceros templados y revenidos) deberá usarse el método de control del hidrógeno para determinación del precalentamiento. IV.6. Aplicación del Método de Control de Dureza IV.6.1. El carbono equivalente deberá ser calculado como CE según la expresión detallada del IIW. El análisis químico puede ser obtenido de: Reglamento CIRSOC 304

5 300 Certificados de ensayos de la acería Composición química típica de producción (acería) Composición química de la especificación (usando los valores máximos) Ensayos de los usuarios (análisis químicos) IV.6.2. La velocidad de enfriamiento crítica deberá determinarse para una dureza máxima en la ZAC seleccionada de 350 HV o 400 HV de acuerdo con la Figura -2. IV.6.3. Usando los espesores de chapas para ala y alma, deberá seleccionarse el diagrama apropiado de la Figura -3 y deberá determinarse el mínimo calor aportado para una pasada única de soldadura de filete. Este calor aportado corresponde al proceso de soldadura por arco sumergido. IV.6.4. Para otros procesos, el mínimo calor aportado para soldaduras de pasada única puede ser estimado aplicando los siguientes factores de multiplicación en relación con el aporte térmico del proceso de soldadura por arco sumergido. Proceso de Soldadura Factor de Multiplicación SAW 1 SMAW 1.50 GMAW, FCAW 1.25 IV.6.5. La Figura IV-4 podrá utilizarse para determinar los tamaños de filete como una función del calor aportado. IV.7. Aplicación del Método de Control del Hidrógeno IV.7.1. El valor del parámetro de composición, Pcm, deberá ser calculado de acuerdo con la siguiente expresión: Si Mn Cu Ni Cr Mo P cm = C V 5V 10 El nivel de hidrógeno deberá ser determinado y definirse como sigue: (1)H1 Hidrógeno Extra Bajo. Estos consumibles deben tener un contenido de hidrógeno difusible menor que 5ml/100g de metal depositado cuando medido de acuerdo con la norma ISO o un contenido de humedad del recubrimiento del electrodo menor o igual que 0.2% de acuerdo con las normas IRAM-IAS U y U (ANSI/AWS A5.1 o A5.5) Esto puede ser establecido ensayando cada tipo y marca de consumible o combinación alambre/fundente aplicada. Los siguientes consumibles podrán ser considerados como que alcanzan estos requerimientos: (a)electrodos de bajo hidrógeno tomados de envases herméticamente sellados, secados entre 340 C y 430 C por una hora(teniendo en cuenta la indicación específica del fabricante del consumible) y usados dentro de las dos horas de ser retirados. (b)gmaw con alambres sólidos limpios Proyecto de Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras en Acero

6 301 (2)H2 Bajo Hidrógeno. Estos consumibles deben tener un contenido de hidrógeno difusible menor que 10ml/100g de metal depositado medido de acuerdo con la norma ISO o un contenido de humedad del recubrimiento del electrodo menor o igual que 0.4% de acuerdo con las normas IRAM-IAS U y U (ANSI/AWS A5.1 o A5.5). Esto puede ser establecido ensayando cada tipo y marca o combinación alambre/fundente aplicada. Los siguientes consumibles podrán ser considerados como que alcanzan estos requerimientos: (a)electrodos de bajo hidrógeno tomados de contenedores herméticamente sellados, almacenados y acondicionados de acuerdo con la Sección de este Reglamento y usados dentro de las cuatro horas luego de ser retirados. (b) SAW con fundente seco. (3)H3 Hidrógeno no controlado. El resto de los consumibles que no alcanzan los requerimientos de H1 o H2. Debe determinarse el grupo correspondiente al índice de susceptibilidad de la Tabla IV-1. IV.7.2. Niveles Mínimos de Temperatura de Precalentamiento y Entre Pasadas La Tabla IV-2 permite la obtención de las temperaturas mínimas de precalentamiento y entre pasadas que deberán aplicarse. La Tabla IV-2 establece tres niveles de restricción, los mismos deberán determinarse según el criterio indicado en IV.7.3. IV.7.3. Restricciones La clasificación de los tipos de soldadura con distintos niveles de restricción se efectuará por la experiencia, análisis de ingeniería, investigación o cálculo. Se han establecido tres niveles de restricción: (1)Bajo. Este nivel describe juntas soldadas de filete y con biseles simples, en los cuales existe una libertad razonable de movimiento de los elementos estructurales. (2)Medio. Este nivel describe juntas soldadas de filete y con bisel en las cuales debido a que los elementos estructurales se encuentran fijos o parcialmente fijos existe una libertad de movimiento reducida. (3)Alto. Este nivel describe soldaduras en los cuales no existe casi libertad de movimiento para los elementos estructurales unidos (tales como soldaduras de reparación, especialmente con materiales de gran espesor) Reglamento CIRSOC 304

7 302 Notas: 1. CE = C + (Mn+Si)/6 + (Cr + Mo +V)/5 + (Ni+ Cu)/15 2. Ver XI5.2(1), (2), o (3), para características aplicables de la zona. Figura IV-1. Clasificación en Zonas del Acero Proyecto de Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras en Acero

8 303 CARBONO EQUIVALENTE (CE) R 540 ( C/s) PARA DUREZA EN LA ZAC DE 350 HV Y 400 HV CE = C + (Mn+Si)/6 + (Cr + Mo +V)/5 + (Ni+ Cu)/15 Ver 5.2(1), (2) o (3) para características aplicables de la zona. Figura IV 2. Velocidad de Enfriamiento Crítica para 350 HV y 400HV Reglamento CIRSOC 304

9 304 NOTA: EL CALOR APORTADO DETERMINADO POR EL GRÁFICO NO IMPLICA ADECUACION A APLICACIONES PRÁCTICAS. PARA ALGUNAS COMBINACIONES DE ESPESORES LA FUSION PUEDE TENER LUGAR A TRAVES DEL ESPESOR {PUEDE ATRAVESAR EL ESPESOR}. (A) PASADA UNICA EN SOLDADURAS DE FILETE SAW CON ALMA Y ALA DEL MISMO ESPESOR (B) PASADA UNICA EN SOLDADURAS DE FILETE SAW CON ALA DE 6 mm. ALMA DE DISTINTOS ESPESORES Figura IV-3. Gráficos para Determinar las Velocidades de Enfriamiento para Soldaduras de Filete con Arco Sumergido Proyecto de Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras en Acero

10 305 (C) PASADA UNICA EN SOLDADURAS DE FILETE SAW CON ALA DE 12 mm. ALMA DE DISTINTOS ESPESORES (D) PASADA UNICA EN SOLDADURAS DE FILETE SAW CON ALA DE 25 mm. ALMA DE DISTINTOS ESPESORES NOTA: EL CALOR APORTADO DETERMINADO POR EL GRÁFICO NO IMPLICA ADECUACION A APLICACIONES PRÁCTICAS. PARA ALGUNAS COMBINACIONES DE ESPESORES LA FUSION PUEDE TENER LUGAR A TRAVES DEL ESPESOR. Figura IV-3 (Continuación) Gráficos para Determinar las Velocidades de Enfriamiento para Soldaduras de Filete con Arco Sumergido Reglamento CIRSOC 304

11 306 (E) PASADA UNICA EN SOLDADURAS DE FILETE SAW CON ALA DE 50 mm. ALMA DE DISTINTOS ESPESORES NOTA: EL CALOR APORTADO DETERMINADO POR EL GRÁFICO NO IMPLICA ADECUACION A APLICACIONES PRÁCTICAS. PARA ALGUNAS COMBINACIONES DE ESPESORES LA FUSION PUEDE TENER LUGAR A TRAVES DEL ESPESOR. (F) PASADA UNICA EN SOLDADURAS DE FILETE SAW CON ALA DE 100 mm. ALMA DE DISTINTOS ESPESORES Figura IV-3 (Continuación) Gráficos para Determinar las Velocidades de Enfriamiento para Soldaduras de Filete con Arco Sumergido Proyecto de Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras en Acero

12 307 Figura IV-4. Relación Entre Tamaño de Soldadura y Entrega de Energía Reglamento CIRSOC 304

13 308 Tabla IV-1 Agrupamiento del Indice de Susceptibilidad como Función del Nivel de Hidrógeno H y Parámetro de Composición(Carbono Equivalente) P cm Agrupamiento por Indice 2 de Susceptibilidad Carbono Equivalente = P cm 1 Nivel de Hidrógeno, H <0.18 <0.23 <0.28 <0.33 <0.38 H1 A B C D E H2 B C D E F H3 C D E F G Notas Si Mn Cu Ni Cr Mo V 1. P cm = C B Indice de susceptibilidad 12P cm +log 10 H. 3. Las Agrupaciones de Indice de Susceptibilidad, desde A hasta G, abarcan el efecto combinado del parámetro de composición, P cm, y nivel de hidrógeno, H, de acuerdo con las fórmulas mostradas en Nota 2. Las cantidades numéricas exactas se obtienen de la Nota 2 usando los valores de P cm establecidos y los siguientes valores de H, dado en ml/100g de metal de soldadura: H1 5; H2 10; H3 30. Por una conveniencia mayor, Los Agrupamientos de Indice de Susceptibilidad fueron expresados en la tabla por medio de letras, desde la A hasta G, para cubrir los siguientes rangos estrechos: A = 3.0; B = ; C = ; D = ; E = ; F = ; G = Estos agrupamientos son usados en la Tabla -2 en conjunto con la restricción y el espesor para determinar la temperatura de precalentamiento y entre pasada. Tabla IV-2 Temperaturas Mínimas de Precalentamiento y Entre Pasadas para Tres Niveles de Restricción Nivel de Restricción Bajo Medio Alto Temperatura Mínima de Precalentamiento y Entre Pasada ( C) Espesor * Agrupamiento del Indice de Susceptibilidad mm A B C D E F G <10 <20 <20 <20 < <20 < <20 < > <10 <20 <20 <20 < <20 < > <10 <20 < < > *El espesor es aquel de la parte más gruesa a ser soldada. Proyecto de Reglamento Argentino para la Soldadura de Estructuras en Acero

14 309 Reglamento CIRSOC 304