MANUAL de soldadura de acero de refuerzo para hormigón armado

Transcripción

1 CONSTRUCCIÓN LÍNEA DE NEGOCIO REFORZAMIENTO DE HORMIGÓN FAMILIA MANUAL de soldadura de acero de refuerzo para hormigón armado

2 ALCANCE El propósito del presente documento es proporcionar, de manera sucinta, requisitos y recomendaciones generales sobre la soldadura del acero de refuerzo que comercializa Novacero. El acero de refuerzo laminado en caliente es el que se trata con mayor detalle en esta guía, debido a que en el acero de refuerzo trefilado las uniones soldadas se suelen realizar por procesos de soldadura automáticos controlados (ERW). Este documento no pretende resumir o peor aún sustituir un código de soldadura. La aplicación de códigos y normas es indispensable para poder soldar el acero de refuerzo de una manera adecuada. A continuación se enumeran los principales puntos que considera esta guía: 2

3 1. Introducción 4 2. Soldabilidad del acero de refuerzo 5 3. Aplicaciones 6 4. Normas y Códigos Aplicables 6 5. Acero de refuerzo contemplado en AWS D Procesos de soldadura Tipos de juntas 9 8. Preparación del metal base y calidad de la unión soldada Material de aporte Ensayos y análisis Calificación de procedimientos y soldadores Consecuencias del incumplimiento del código Puntos importantes Requisitos de Seguridad Referencias 19 3

4 1. INTRODUCCIÓN El acero microaleado de refuerzo puede producir juntas soldadas de alto desempeño y gran seguridad ya que, a diferencia de otros aceros, es menos susceptible de modificar sus propiedades mecánicas por las altas temperaturas generadas en los procesos de soldadura. Esto se debe a que no posee tratamiento térmico ni una microestructura heterogénea en la sección transversal. Sin embargo, como cualquier otra soldadura que está sometida a cargas, debe seguir lo estipulado en el código de soldadura aplicable. Por otro lado, el acero templado y auto-revenido (o termotratado como se conoce en nuestro medio), presenta una microestructura en un anillo exterior en el borde (conocida como martensita revenida) que puede verse afectada por el calor que genera el proceso de soldadura, lo que merma sus propiedades mecánicas originales. Por esto, el código AWS D1.4 menciona en el capítulo 5, en la sección de precalentamiento y temperaturas entre pases, que se debe tener extrema precaución al soldar aceros templados y revenidos, debido al cambio en la microestructura martensítica del borde, apreciable en la siguiente figura. Microestructura antes del calor Microestructura después del calor 4

5 2. Soldabilidad del acero de refuerzo La soldabilidad de un acero depende principalmente del contenido de carbono que contenga, tal como se muestra a continuación en el diagrama de evaluación de soldabilidad de Graville. Mientras mayor sea el contenido de carbono y otros elementos químicos como el manganeso y cromo, más complejo será el proceso de soldadura y más probable será que exista fragilización en la junta. La soldabilidad del acero de refuerzo en base al código AWS D1.4 se determina mediante los porcentajes en peso de los elementos químicos reportados en un análisis de composición química de laboratorio. Las fórmulas de cálculo se establecen a continuación: La soldabilidad del acero de refuerzo en base al código AWS D1.4 se determina mediante los porcentajes en peso de los elementos químicos reportados en un análisis de composición química de laboratorio. Las fórmulas de cálculo se establecen a continuación: El carbono equivalente para el acero de refuerzo INEN 2167 se calcula con la siguiente ecuación y no debe superar 0.55%: El carbono equivalente para el acero de refuerzo INEN 102 se calcula con la siguiente ecuación: Diagrama de Graville, evaluación de soldabilidad El acero de refuerzo INEN 2167 debido a que está diseñado para tener una buena soldabilidad tiene un control de la composición química mucho más estricto que el acero INEN

6 3. APLICACIONES Una aplicación importante de la soldadura de acero de refuerzo es reemplazar los traslapes para reducir la congestión del refuerzo longitudinal, lo cual además permite reducir la cantidad de acero empleado. Esto se evidencia de manera significativa en diámetros mayores a 22 mm. Otras aplicaciones para la soldadura son: la fabricación de armaduras, soldadura a placas base, entre otras. Ejemplos de aplicaciones de soldadura en acero de refuerzo 4. Normas y Códigos Aplicables La soldadura de acero de refuerzo está regulada por distintos códigos de soldadura a nivel mundial. Sin embargo, en el país el código de soldadura que rige es el AWS D1.4 de la American Welding Society. Este código se encuentra especificado como mandatorio en la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC) y en las normas de varilla INEN 2167 e INEN 102, también consta en el código ACI 318 el cual es muy utilizado en nuestro medio para el diseño en hormigón. El código de soldadura AWS D1.4 regula aspectos como esfuerzos permisibles en las juntas soldadas, tipos de juntas, preparación de la junta, procedimiento de soldadura, material de aporte, procesos de soldadura, calificación de procedimiento y soldadores, entre otros. El alcance de este código es para la soldadura de: Acero de refuerzo con acero de refuerzo Acero de refuerzo con acero estructural al carbono y de baja aleación (ej. Placas base o anclajes). 6

7 5. Acero de refuerzo contemplado en AWS D1.4 Todo acero de refuerzo laminado en caliente que se requiera soldar debe cumplir con las normas nacionales INEN 2167 de acero de refuerzo soldable a temperatura ambiente, o a su vez la INEN 102 de acero al carbono que tiene requisitos adicionales para poder soldarlo. Las normas ASTM equivalentes son la A706 y A615 respectivamente. En el caso de trefilados la norma que se maneja en el país es la INEN 1511 la cual se basa en parte en ASTM A1064. Es importante mencionar que los aceros trefilados alcanzan las propiedades mecánicas debido a la deformación en frío, por lo que se deben tomar precauciones al momento de soldar para que las altas temperaturas producidas no afecten sus propiedades originales. Otros tipos de aceros que requieran ser soldados deben ser aprobados por el diseñador y los códigos aplicables vigentes (consultar AWS D1.1). 6. PROCESOS DE SOLDURA Los procesos de soldadura contemplados en el código AWS D1.4 son: SMAW (Shielded Metal Arc Welding): consiste en soldadura de arco con electrodo revestido y es uno de los más utilizados. El electrodo consumible es una varilla corta de acero revestida de un fundente que protege el área de la soldadura contra la oxidación y la contaminación. Esquema de electrodo para SMAW 7

8 6. PROCESOS DE SOLDURA Esquema de electrodo para SMAW FCAW (Flux Cored Arc Welding): Consiste en soldadura de arco de núcleo fundente, el cual utiliza un alambre que consiste en un electrodo de acero relleno de un material en polvo, el cual es el fundente que protege la soldadura contra la oxidación y la contaminación. Esquema de electrodo para GMAW GMAW (Gas Metal Arc Welding): Consiste en soldadura de arco con gas inerte. Es un proceso que usa una alimentación continua de alambre como electrodo y una mezcla de gas inerte o semi-inerte para proteger la soldadura contra la oxidación y la contaminación. Otros procesos de soldadura que se quieran emplear deben ser aprobados por el diseñador y deben garantizar que se obtengan juntas satisfactorias de acuerdo a los requisitos establecidos en las normas y códigos aplicables. 8

9 7. TIPO DE JUNTAS Las uniones soldadas que contempla el código AWS D1.4 están en función de varios parámetros tales como la ubicación de la junta, tipo de armadura y cargas a las que estará sometida la junta, accesibilidad para soldar, espacio disponible, entre otros. Es responsabilidad del diseñador determinar las uniones más adecuadas para cada parte de la estructura en cuestión. Algunos de los tipos de juntas utilizados se encuentran listados a continuación, en el código AWS D1.4 se encuentran los detalles y esquemas de cada tipo de bisel. Junta directa a tope con Bisel en V simple Junta directa a tope con Bisel en V doble Junta indirecta a tope con una pieza de perfil angular Traslape directo con barras en contacto Filete externo para unión a placa base 9

10 8. Preparación del metal base y calidad de la unión soldada Para garantizar una unión soldada adecuada se debe evitar la presencia de impurezas (grasa, óxido, etc.) y defectos del material (defectos de laminación, segregación química) que afecten el desempeño de la junta. Los defectos comunes que se pueden presentar en la unión soldada son porosidades, fisuras, falta de penetración de la soldadura, fusión incompleta, escoria atrapada, biseles mal cortados, relleno insuficiente o excesivo, entre otros. Estos defectos pueden perjudicar a las propiedades mecánicas, como la ductilidad y/o resistencia. Relleno insuficiente en una varilla soldada a tope Falla por falta de fusión en la raíz 10

11 9. MATERIAL DE APORTE Para realizar la soldadura de acero de refuerzo, el código AWS D1.4 establece el material de aporte requerido en función del tipo, grado de acero, y el proceso de soldadura utilizado. Por ejemplo, para un proceso de soldadura SMAW se establece: INEN 2167 (ASTM A706) grado 60 (420) Electrodo revestido E8018-X INEN 102 (ASTM A615) grado 60 (420) Electrodo revestido E9018-X En la siguiente figura, con un ejemplo se explica la codificación de los electrodos para proceso SMAW: E Ejemplo para explicar la codificación de un electrodo para proceso SMAW Electrodo para soldadura con arco Resistencia a la tracción: 90 KSI Posición permitida: todas Tipo de corriente, operación En la tabla siguiente se muestran, para distintos procesos, algunos electrodos sugeridos para el caso más crítico donde exista la menor área efectiva de soldadura (igual o ligeramente menor a la sección transversal de la varilla). Por lo tanto la decisión depende del tipo de junta especificada en el diseño, pero en cualquier caso se debe cumplir lo establecido en el código de diseño aplicable (ej. ACI 318) y el AWS D

12 9. MATERIAL DE APORTE PROCESO SUGERENCIA AWS D1.4 SMAW E9018-X E8015-X, E8016-X, E8018-X GMAW E90C-X ER80S-X, E80C-X, E90C-X FCAW E91T1-X E8XTX-X NOTA: el electrodo sugerido es para el caso más crítico donde exista la menor área efectiva de soldadura (ej. Junta directa a tope) Por ejemplo, Novacero recomienda para acero de refuerzo INEN 2167 e INEN 102, electrodo E9018-X (proceso SMAW) si se usan juntas directas a tope. Este electrodo, debido a su resistencia última más elevada, brinda una mayor seguridad de que la rotura no se producirá en la unión soldada sino en el material base. Sin embargo, si se utiliza el electrodo E8018-X para el acero INEN 2167, el criterio mínimo de aceptación de AWS D1.4 es que la resistencia última de la junta sea al menos 1.25 veces la mínima resistencia a la fluencia especificada (grado 60 = 420 MPa). 12

13 10. ENSAYOS Y ANÁLISIS Novacero ha analizado el comportamiento de los diferentes tipos de acero de refuerzo disponibles en nuestro medio al ser soldados, obteniendo los siguientes resultados: Zonas de junta soldada de acero de refuerzo. Material Base (MB), Zona afectada por el Calor (ZAC) y material de Aporte (MA) MB MA ZAC Primer análisis: Tomando a la tenacidad (que es la capacidad que posee un material de absorber energía antes de romperse) como principal característica a ser analizada, se determinó que la tenacidad del acero microaleado es aproximadamente 20% mayor que la de los aceros termotratados, tanto antes como después de ser soldados. Esta propiedad es una de las más importantes que debe poseer el acero de refuerzo para desempeñarse satisfactoriamente en estructuras de diseño sismo resistente, ya que influye directamente en el desempeño a la fatiga de bajo ciclaje que se produce durante los eventos sísmicos. ANTES DE SOLDAR DESPUÉS DE SOLDAR (mm) Tipo Tenacidad (MJ/m3) (mm) Tipo Tenacidad (MJ/m3) 20 MA 113,53 20 MA 96,86 20 QST 96,36 20 QST 79,24 MA= Varilla de acero microaleado QST= Varilla de acero termotratada (Quenched and Self-Tempered) 13

14 10. ENSAYOS Y ANÁLISIS MA QST Fracturas en la ZAC en acero de refuerzo termoprocesado Segundo análisis: Al realizar los ensayos de tracción en las probetas de acero de refuerzo soldadas, se encontró que solamente las probetas de acero termotratada presentaron fracturas en la zona afectada por el calor, ya que su material base es más susceptible a sufrir afectaciones en la microestructura con las altas temperaturas del proceso de soldadura. Posiciones de roturas en ensayos a probetas soldadas (MA microaleada, QST termotratada) 14

15 11. Calificación de procedimientos y soldadores Todo proceso de soldadura se debe calificar por un Inspector Certificado de Soldadura (CWI: Certified Welding Inspector). Este, calificará y certificará al soldador en base a pruebas especialmente diseñadas para determinar la habilidad o destreza para depositar material de suelda homogéneamente. Las pruebas contemplan muchas variables: proceso de soldadura, tipo de metal, espesor, diseño de la junta, posición para soldar, entre otras. Además para validar la calidad de la unión soldada se realizan ensayos destructivos (ej. Tracción, macrografía, etc.), y no destructivos (ej. radiografía, ultrasonido, etc.). Para poder soldar acero de refuerzo es imprescindible tener calificación de procedimientos y soldadores (PQR, WPS). Se debe controlar que todo lo establecido en los procedimientos se cumpla durante toda la ejecución de la obra. El procedimiento de calificación se encuentra detallado en el código AWS D Consecuencias del incumplimiento del código Cuando no se sigue lo establecido en el código AWS D1.4 las consecuencias en seguridad y desempeño de la estructura pueden ser graves. Es muy importante que se sigan todas las recomendaciones del fabricante de los electrodos en cuanto a almacenamiento, manipulación y parámetros de operación como amperaje, tipo de corriente, posiciones de soldadura y polaridad. El incumplir estas instrucciones es muy perjudicial para las uniones soldadas y por eso es parte importante de la calificación del procedimiento de soldadura. A continuación se muestra un ejemplo donde todas las probetas ensayadas fallaron en la unión soldada por porosidades debido a que los electrodos no habían sido correctamente secados antes de usarlos. En la figura se representa el porcentaje de afectación que se puede producir en las propiedades mecánicas del acero de refuerzo con respecto a sus propiedades originales. 15

16 12. Consecuencias del incumplimiento del código FLUENCIA RESISTENCIA ÚLTIMA % ELOGACIÓN TENACIDAD % VARIACIÓN Variación de propiedades mecánicas en ensayos de juntas soldadas incorrectamente. Curvas Esfuerzo- Deformación para probetas mal soldadas en comparación con sus propiedades originales La pérdida de ductilidad (% Elongación) y tenacidad en una junta mal soldada puede ser muy alta (mayor al 70%), lo que perjudicará significativamente a la estructura, especialmente en el caso de un evento sísmico. 16

17 13. PUNTOS IMPORTANTES NO SE DEBE utilizar electrodos con una resistencia inferior a la del acero base, lo que por código no está permitido y puede producir roturas a una carga menor a la requerida por diseño. Se deben seguir todas las recomendaciones de almacenamiento exigidas por el fabricante de los electrodos. Por ejemplo, en el caso de proceso SMAW (electrodos E8018-X o E9018-X), NO SE DEBEN utilizar electrodos húmedos (paquete abierto) o con el revestimiento deteriorado, ya que esto produce porosidades u otros defectos en la junta soldada. Sólo se podrán utilizar estos electrodos si se siguen las directrices del fabricante al verificar la integridad del revestimiento, temperatura y tiempo de secado en horno, temperatura del termo de almacenamiento, entre otros. Se deben seguir todas las recomendaciones de operación del fabricante de los electrodos, como por ejemplo: amperaje, polaridad, tipo de corriente, entre otros. NO SE DEBE enfriar bruscamente la unión soldada (ej. con agua), ya que esto producirá fragilización por alteraciones en la microestructura. Se debe preparar la junta en base a los requisitos de AWS D1.4, y se debe limpiar antes y durante la soldadura para evitar que las impurezas degraden la calidad de la junta. En caso de que se requiera precalentar la junta por requerimiento del código de soldadura, se debe verificar la temperatura con crayones térmicos, pirómetro u otro método adecuado para que el precalentamiento no sea excesivo o insuficiente. Si la temperatura del material base es menor a 10 C, según AWS D1.4, se debe precalentar hasta aproximadamente 20 C para soldar. Fractura frágil por porosidades en la unión soldada 17

18 14. REQUISITOS DE SEGURIDAD ANTES Inspecciona previamente la zona de trabajo. Verifica el buen funcionamiento del equipo. Revisa el estado de los materiales que utilizarás. Solicita los permisos de trabajo en caliente. En caso de ser necesario, solicita los permisos de trabajo en altura. Revisa que la zona de trabajo esté asegurada por el personal asignado. No realices trabajos de soldadura en zonas húmedas. Revisa que la ventilación sea la adecuada. Elimina la presencia de materiales explosivos o inflamables. Revisa el equipo de protección personal (máscara para gases, guantes para soldadura, casco con vidrio adecuado, vestimenta adecuada y zapatos de seguridad). Asegurarse de quien suelde cuente con las certificaciones respectivas. Selecciona el vidrio de soldadura adecuado (ver instrucciones fabricante). DURANTE Asegura la zona de trabajo. Enciende el equipo únicamente el tiempo necesario. Evita la presencia de personas ajenas al trabajo. Recuerda siempre tener personal de respaldo. Recuerda contar con personal de primeros auxilios preparado. Si sucede algo anormal durante el proceso de soldadura, detén el trabajo según el procedimiento, asegura la zona y sigue el plan de contingencia. Cuida el amperaje con que trabajas. Utiliza correctamente la máscara y casco. Evita el cruce de cables y mangueras. DESPUÉS Apaga y desconecta el equipo. Recoge las herramientas y equipos para evitar accidentes. No dejes desperdicios. Identifica las zonas recientemente soldadas para evitar quemaduras a terceros. Contacta al supervisor y entrega el área asegurada. 18

19 15. REFERENCIAS AWS D1.4 Structural Welding Code - Reinforcing Steel AWS A5.1 Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding AWS A5.5 Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding AWS A5.18 Specification for Carbon Steel Electrodes and Rods for Gas Shielded Arc Welding AWS A5.20 Specification for Carbon Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding AWS A5.28 Specification for Low-Alloy Steel Electrodes and Rods for Gas Shielded Arc Welding AWS A5.29 Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding AWS D1.1 Structural Welding Code - Steel ACI Building Code Requirements for Structural Concrete And Commentary NEC-SE-HM: Estructuras de Hormigón Armado ASTM A706/A706M-16 Standard Specification for Deformed and Plain Low-Alloy Steel Bars for Concrete Reinforcement ASTM A615/A615M-16 Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement NTE INEN 2167 Varillas de acero, laminadas en caliente, Soldables, Microaleadas o Termotratadas, para Hormigón Armado. Requisitos NTE INEN 102 Varillas de acero al carbono, laminadas en caliente para Hormigón Armado. Requisitos ASTM A1064 Standard Specification for Carbon-Steel Wire and Welded Wire Reinforcement, Plain and Deformed, for Concrete NTE INEN 1511 Alambre conformado en frío para hormigón armado. Requisitos 19

20 CONSTRUCCIÓN LÍNEA DE NEGOCIO REFORZAMIENTO DE HORMIGÓN FAMILIA MANUAL de soldadura de acero de refuerzo para hormigón armado /Novacero /NovaceroEcuador 20