INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA DE ESTRUCTURAS EN ACERO. UTN-FRH Maestría/Posgrado Ingeniería Estructural Mecánica Ing. Eduardo Asta

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA DE ESTRUCTURAS EN ACERO UTN-FRH Maestría/Posgrado Ingeniería Estructural Mecánica Ing. Eduardo Asta

2 DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS ASPECTOS BÁSICOS MECÁNICOS CONDICIONES DE OPERACIÓN METALÚRGICOS TIPOS DE ESFUERZOS TEMPERATURA CORROSIÓN SOLDABILIDAD CÁLCULO ESTRUCTURAL DESGASTE RIESGO A FISURACIÓN 2

3 MECANICOS ACCIONES CARGAS ESTÁTICAS CARGAS DINÁMICAS TRACCIÓN COMPRESIÓN FLEXIÓN IMPACTO FATIGA CORTE TORSIÓN ALTO N DE CICLOS HCF COMBINADOS BAJO N DE CICLOS LCF 3

4 Tensión Admisible σ a = σ Y / n Tensiones Admisibles para el Diseño Convencional (DTA o ASD) 4

5 Diseño por Factor de Carga y Resistencia (DFR o LRFD) F R = φ Fw siendo: F R = resistencia de diseño (MPa) φ= factor de resistencia Fw= resistencia nominal (MPa) metal base o metal de aporte 5

6 Soldaduras de Filete ejem.: Juntas longitudinales de elementos estructurales Corte sobre el área efectiva DTA o ASD F R = 0,30 F EXX DFR o LRFD F R = 0,75* 0,6 F EXX 6

7 CONDICIONES DE OPERACION TEMPERATURA MEDIO CORROSIVO DESGASTE Alta Temperatura (No permanente) Alta Temperatura (Permanente) Baja Temperatura Corrosión Generalizada Corrosión Intergranular Rozamiento Abrasión Erosión Cavitación fluencia a temp. Creep (cargas estáticas) Creep- Fatiga(LCF) (cargas cíclicas Tenacidad (tenacidad a la fractura) Cv(Charpy), KIc,J CTOD Corrosión por Picado y en Rendijas Oxidacidación Corrosión Bajo Tensiones Resistencia a la Intemperie 7

8 ASPECTOS METALÚRGICOS Riesgo a la Fisuarción en Frio Asistida por Hidrógeno Riesgo a la Fisuración en Caliente Fisura por Desgarre Laminar Riesgo de Fisuras de Fragilización por Revenido ZAC Metal de Soldadura Metal de Soldadura ZAC Comp. química impurezas Metal base y soldadura Factor J y X Step cooling Tenacidad Temperatura de transición Carbono equivalente Hidrógeno difusible Contenido de Impurezas Aporte Térmico Impurezas (metal base) Geometría de junta Tensiones residuales Geometria de junta Composición química Aporte térmico H Microestructura Modo de solidificación 8

9 Procesos de Soldadura por Arco (a) soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW) (b) soldadura por arco sumergido (SAW) (c) soldadura por arco eléctrico con protección gaseosa o semiautomática alambre macizo (GMAW o MIG-MAG) (d) soldadura por arco con alambre tubular (semiautomática alambre tubular), con o sin protección gaseosa. (FCAW) (e) Soldadura por arco con electrodo de tungsteno y protección gaseosa (GTAW o TIG) 9

10 Tipos de juntas para soldadura de estructuras en acero Juntas con bisel de penetración completa (JPC) Juntas con bisel de penetración parcial (JPP) Juntas de filete Soldaduras en botón (tapón) y ranura (ojal) 10

11 JPC 11

12 JPP 12

13 SOLDADURA DE FILETE c Cateto teórico a Garganta Teórica Sección Resistente a lw 13

14 Mínimo tamaño de cateto en soldadura de filete compatible con los espesores de partes a ser soldadas. Espesor de material base (T) (1) Cateto mínimo (2) mm mm T< 6 3 (3) 6 < T< < T< < T 8 (1) Para procesos de no bajo hidrógeno sin precalentamiento calculado T es el espesor de la parte más gruesa a ser soldada. Soldadura de una sola pasada debe ser utilizada. Para procesos de no bajo hidrógeno pero con cálculo de precalentamiento o procesos de bajo hidrógeno, T es igual ala parte más fina a ser soldada. (2) No debe exceder el espesor de la parte más delgada a ser soldada. (3) Cateto mínimo para estructuras cargadas cíclicamente, 5 mm. 14

15 15

16 Aceros Estructurales Aceros al carbono: es la aleación hierrocarbono conteniendo generalmente 0,008 % hasta aproximadamente 2 % de carbono, además de ciertos elementos residuales resultantes de los procesos de fabricación. 16

17 Aceros Estructurales Aceros aleados: es el acero al carbono que contiene otros elementos de aleación o presenta los elementos residuales en contenidos por encima de los que son considerado normales. 17

18 Clasificación de aceros Aceros al carbono (bajo y alto contenido de carbono. Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA). Aceros templados y revenidos (HSQT) Aceros de baja aleación tratables térmicamente (HTLA). Aceros de procesos termo mecánicamente controlados (TMCP). Aceros al cromo-molibdeno. 18

19 Propiedades de aceros HSLA 19

20 Aceros estructurales Acero Límite de Fluencia mínimo MPa Resist. a la Tracción MPa Especificación de proceso y material de aporte según AWS ASTM A36 ASTM A53 ASTM A106 Grado B Grado B min 415 min SMAW AWS A5.1 E60XX E70XX ASTM A131 ASTM A139 Grado A, B, CS, D, DS, E Grado B min AWS A5.5 E70XX-X ASTM A381 ASTM A500 ASTM A501 ASTM A516 Grado Y35 Grado A Grado B Grado 55 Grado min 310 min 400 min 400 min SAW AWS A5.17 F6XX-EXXX, F6XX-ECXXX F7XX-EXXX, F7XX-ECXXX AWS-A5.23 F7XX-EXX-XX, F7XX-ECXXX-XX ASTM A524 Grado I Grado II ASTM A

21 Aceros estructurales Continuación tabla anterior ASTM A570 Grado min GMAW y GTAW Grado min AWS A5.18 Grado min ER70S-X Grado min AWS A5.28 Grado min ER70S-XXX, E70C-XXX Grado min ASTM A573 Grado FCAW Grado AWS A5.20 ASTM A709 Grado E6XT-X, E6XT-XM API 5L Grado B E7XT-X, E7XT-XM Grado X Grado A, B, CS, D, DS AWS A5.29 ABS Grado E E7XTX-X, E7XTX-XM 21

22 Aceros estructurales ASTM A131 Grado AH32, DH32, EH SMAW Grado AH36, DH36, EH AWS A5.1 ASTM A E7015, E7016 ASTM A516 Grado E7018, E7028 Grado AWS A5.5 ASTM A537 Clase E7015-X, E7016-X ASTM A572 Grado min E7018-X ASTM A572 Grado min SAW ASTM A588 (< 100 mm) min AWS A5.17 ASTM A595 Grado A min F7XX-EXXX, F7XX-ECXXX Grados B y C min AWS-A5.23 ASTM A min F7XX-EXX-XX, F7XX-ECXXX-XX ASTM A607 Grado min GMAW y GTAW Grado min AWS A5.18 Grado min ER70S-X, E70C-XC 22

23 Aceros estructurales ASTM A618 ASTM A633 ASTM A709 ASTM A710 ASTM A808 ASTM A913 API 5L ABS Continuación tabla anterior Grado Ib, II, III min Grado A Grados C, D (< 65 mm) Grado min Grado 50W min Grado A, Clase min (2-1/2 in y por debajo) min Grado min Grado X Grado AH32, DH32, EH Grado AH36, DH36, EH AWS A5.28 ER70S-XXX, E70C-XXX FCAW AWS A5.20 E7XT-X, E7XT-XM AWS A5.29 E7XTX-X, E7XTX-XM 23

24 Selección de materiales de aporte La selección del material de aporte para una determinada unión soldada se basa fundamentalmente en dos criterios: la igualación de la resistencia con material base igualación de resistencia y similitud de composición química. 24

25 Soldabilidad de los aceros Regiones de la unión soldada: 25

26 REGIONES DE LA ZAC EN SOLDADURA MULTIPASADA 26

27 Regiones de la unión soldada ZAC MS 27

28 Carbono Equivalente Fórmula IIW: en % de peso CE = C + ( Mn + Si) ( Cr + Mo + V ) ( Ni + Cu)

29 Carbono Equivalente Fórmula de Ito y Bessyo : en % de peso Si Mn Cu Ni Cr Mo P cm = C V 10 5V 29

30 Soldabilidad de los aceros DIAGRAMA DE ENFRIAMIENTO CONTINUO, Curva CCT 30

31 Soldabilidad de los aceros Típico diagrama CCT Acero Cr-Mo 31

32 Productos de transformación en función de velocidades de enfriamiento para soldaduras 32

33 T0=150ºC-HV5 T0=20ºC-HV1 Dureza HV ZAC Aporte (a) ZAC Dureza HV (b) T0=150ºC-HV5 T0=20ºC-HV1 (b) Mediciones de durezas (a) línea superior (b) 33

34 Soldabilidad, diagrama de Graville Zona II: Moderada tendencia a la fisuración Zona III: Alta tendencia a la fisuración Zona I: Baja tendencia a la fisuración 34

35 INTEGRIDAD ESTRUCTURAL Soldabilidad Tenacidad Riesgo de fisuración + - Integridad Estructural 35

36 Riesgo a la aparición de fisuras en frío en la soldadura de aceros estructurales Este es uno de los mayores problemas de integridad estructural en las soldaduras de aceros. Puede aparecer tanto en MS como en ZAC 36

37 Riesgo a la aparición de fisuras en frío Factores de riesgo: - Hidrógeno difusible - Microestructura - Tensiones 37

38 Formas de control del riesgo a la aparición de fisuras en frío en la soldadura de aceros Utilizar procesos y consumibles de bajo nivel de hidrógeno( ej.: electrodos básicos) Control del aporte térmico y/o aplicación de precalentamiento Control de la temperatura entre pasadas Aplicación de poscalentamiento y/o enfriamiento en material termoaislante Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) Aplicación de martillado; shot peening 38

39 Hidrógeno difusible Los procesos y consumibles de soldadura pueden ser clasificados en relación con su contenido de hidrógeno en: de muy bajo, bajo, medio y alto nivel. Muy bajo, menor que 5 ml /100 g. Bajo, entre 5 y 10 ml /100 g. Medio, entre 10 y 15 ml /100 g. Alto, mayor que 15 ml /100 g. 39

40 Distribución de hidrógeno en metal de soldadura por proceso y tipo de consumible 40

41 Clasificación Opcional AWS R- Electrodo resistente a la humedad a 26,7 C y 80% rh 9 h < 0,4% humedad HZ- Z = nivel de hidrógeno (16, 8, 4 ml(h 2 ) / 100 g ; EXX18HZR Ej.: E7018R E8018-B2R E7018H4, E8018-B2H8 41

42 Métodos predictivos para establecer la temperatura de precalentamiento 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 42

43 CÁLCULO DE PRECALENTAMIENTO AWS D1.1/CIRSOC 304 Método de control de la Dureza Método de control del Hidrógeno 43

44 CONTROL DEL NIVEL DE H 44

45 Tabla -1 Agrupamiento del Indice de Suceptibilidad 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. 45

46 Tabla -2 Temperaturas Mínimas de Precalentamiento y Entre Pasadas para Tres Niveles de Restricción Temperatura Mínima de Precalentamiento y Entre Pasada ( C) Nivel de Restricción Bajo Medio Alto 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. 46

47 Ensayos de soldabilidad Lehigh Tekken o JIS Slot WIC CTS TWI G-BOP Cruciforme Ranura circular 47

48 Ensayo Tekken 48

49 Probeta CT 49

50 50

51 51

52 52

53 53

54 54

55 55

56 56

57 57

58 58

59 ESPECIFICACION DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA(EPS) WPS n : TP Fecha: xxxxx Cliente: Código Aplicable: Proceso(s) de soldadura: FCAW Tipo: Semiautomática(SA) Esquema de Junta: α Dimensiones en mm R= 6 +2; -0 R α= ; -0 T T= 25 59

60 Respaldo: Si ( x ) No ( ) Material del Respaldo: mismo material base o ASTM A36 Espesor: mín.6,25mm Ancho: mín.20mm MATERIAL BASE Especificación tipo y grado: ASTM A 516 Gr. 70 a Especificación tipo y grado: ASTM A 516 Gr. 70 Diámetro (Caño): 2000 mm Rango de espesores: 25 mm A tope: si Filete: POSICION Posición (es) de la junta: Horizontal 2G Progresión de soldadura: Circunferencial Posición (es) del filete: PRECALENTAMIENTO Temperatura de Precalentamiento (mínima): 10 C Temperatura Entre Pasadas (máxima): 280 C TRATAMIENTO TERMICO POSTSOLDADURA(PWHT) Temperatura: No Tiempo: No TECNICA Cordón recto u oscilado: Recto Repelado: Si ( ) No ( x ) Método: METAL DE APORTE Proceso: FCAW Especificación AWS: 5.20 Clasificación AWS: E 70T-5 PROTECCIÓN Gas: CO2 Composición: 100% CO2 Caudal: l/min Flux: N/A Clasif.Alambre-Flux: N/A CARACTERÍSTICAS ELECTRICAS Tipo de corriente: C.C Modo de Transferencia(GMAW): Polaridad: + Rango de Intensidad: A Rango de Tensión: 23-30V Electrodo de Tungsteno(GTAW): (mm): Tipo: Pasada multiple o Unica (por lado): Multiple N de Pasada Proceso Metal de Aporte Corriente Tensión Veloc.Sold. Veloc. Alambre Clase mm Polaridad A V mm/min m/min Raiz (1) FCAW E70T-5 1, Relleno (2 a n) FCAW E70T-5 1,

61 Probetas de calificación Soldadura a Tope Soldadura de Filete 61

62 Probetas de Calificación para Elementos Estructurales Tubulares 62

63 Calificación de Procedimientos de Soldadura y de Soldadores Procedimientos (EPS o WPS): - Inspección Visual - Inspección END : US o RI - Ensayo Tracción (unión soldada, MS) - Ensayos de Plegado (Raíz, Cara, Lateral) - Suplementarios: Tenacidad( Charpy-V); otros 63

64 Calificación de Procedimientos de Soldadura y de Soldadores Soldadores (RCHP): - Inspección Visual - Inspección END : RX - Ensayos de Plegado (Raíz, Cara, Lateral) 64

65 Extracción típica de probetas para calificación 65

66 Tipos de Inspección Visual: ocular directa y/o con ayuda de Tintas Penetrantes o Partículas Magnetizables Volumétrica o discontinuidades planas: Ultrasonido (US) o Radiografía (RI) 66

67 Criterios de aceptación típicos para la Inspección Visual en juntas a tope( calificación y programas de inspección) La soldadura deberá estar libre de fisuras. La socavación deberá ser menor o igual que 1 mm. El refuerzo o convexidad de la cara de la soldadura deberá ser menor o igual que 3 mm. La raíz de la soldadura deberá ser inspeccionada y no deberán verificarse evidencias de fisuras, fusión incompleta o penetración inadecuada de la junta. La máxima concavidad de la raíz deberá ser 2 mm y el máximo sobre espesor de raíz por penetración deberá ser 3 mm. 67

68 Criterios de aceptación típicos para la Inspección END (US o RI) en juntas a tope ( calificación y programas de inspección) Discontinuidades típicas observables por RI (Inspección Radiográfica) 68

69 Criterios de aceptación típicos para la Inspección END (US o RI) en juntas a tope( calificación y programas de inspección) Ejemplo de Requerimientos Típicos de Calidad para Soldadura con Discontinuidades Alargadas Determinadas por RI para Estructuras No Tubulares Cargadas Estáticamente. 69

70 Criterios de aceptación típicos para el ensayo de tracción en juntas a tope (calificación EPS) La resistencia a la tracción deberá ser mayor o igual al valor mínimo especificado correspondiente al metal base. 70

71 Criterios de aceptación típicos para el ensayo de plegado en juntas a tope Los ensayos para la evaluación de habilidad del soldador y para la calificación de procedimientos de soldadura, serán sometidos a los criterios de aceptación de especificaciones o códigos ( ASME, API, AWS D1.1, CIRSOC, DIN, BS, Eurocodes, etc.). 71

72 72

73 Criterios de aceptación típicos para el ensayo de plegado en juntas a tope En la inspección de la superficie convexa de la probeta ensayada no debe tener discontinuidades que excedan las siguientes dimensiones: 3 mm, medidos en cualquier dirección sobre la superficie 10 mm, como la suma de las mayores dimensiones de todas las discontinuidades mayores que 1 mm, pero menores o iguales que 3 mm. 6 mm, la máxima fisura en las esquinas de la probeta plegada, excepto cuando dicha fisura resulte de una inclusión de escoria visible u otro tipo de discontinuidad relacionada con la fusión. 73

74 Criterio de Aceptación Típico del Ensayo Macrográfico en Filete y JPP(calificación y programas de inspección o QA) En soldaduras con JPP, el tamaño real de la soldadura debe ser igual o mayor que el tamaño de soldadura especificado, (E) Las soldaduras de filete deben tener fusión completa de la raíz de la junta, pero no necesariamente más allá de esta. El tamaño mínimo del cateto debe alcanzar el tamaño de filete especificado. Las soldaduras con JPP y soldaduras con filete deben verificar lo siguiente: Sin fisuras Fusión completa de las pasadas o capas adyacentes al metal de soldadura y entre el metal de soldadura y el metal base. Perfiles de soldadura adecuados Ninguna socavadura mayor o igual que 1 mm. 74

75 Calificación de filete (EPS) 75

76 Calificación para filete (Soldador) 76

77 Reglamento CIRSOC 304 REGLAMENTO ARGENTINO PARA LA SOLDADURA DE ESTRUCTURAS EN ACERO Basado en Código AWS D1.1 y Eurocode 3 77

78 Capítulos Reglamento CIRSOC REQUERIMIENTOS GENERALES 2. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS 3. ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA 4. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS (EPS), SOLDADORES Y OPERADORES DE SOLDADURA 5. FABRICACIÓN Y MONTAJE 6. INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD 7. REFUERZO, RESTAURACIÓN Y REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS EXISTENTES 78

79 Reglamento CIRSOC 304 Anexos (incluidos) ANEXOS: Anexo I. Gargantas Efectivas de Soldaduras de Filete en Juntas T Oblicuas Anexo IIa. Planitud de las Vigas Armadas Estructuras Cargadas Estáticamente Anexo IIb. Planitud de las Vigas Armadas Estructuras Bajo Carga Cíclica Anexo III. Requerimientos para los Ensayos de Impacto Anexo IV. Guía de Métodos Alternativos para Determinar el Precalentamiento en la Soldadura de Aceros Estructurales Anexo V. Requerimientos de Calidad de Soldadura para Juntas a la Tracción en Estructuras Cargadas Cíclicamente Anexo VI. Formularios para EPS, RCP e Informes de Ensayos 79

80 Reglamento CIRSOC 304 ANEXO A : Soldadura de Espesores Delgados en Chapa de Acero ANEXO B: Soldadura de Barras de Acero para Estructuras Livianas 80

81 PROYECTO REGLAMENTO CIRSOC 704 REGLAMENTO ARGENTINO PARA LA SOLDADURA DE ESTRUCTURAS EN ALUMINIO 81

82 CIRSOC REQUERIMIENTOS GENERALES 2. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS 3. ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA 4. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS (EPS), SOLDADORES Y OPERADORES DE SOLDADURA 5. FABRICACIÓN y MONTAJE 6. INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD 82

83 83

84 ATENCIÓN: Los contenidos de esta presentación están basados en diferentes fuentes, algunas propias otras de la bibliografía. UTN-FRH- GIMF y el autor no se responsabilizan por la precisión de la información o por cualquier daño, imprevisto o indirecto, perjuicio comercial o incidentes similares que pudieran ser causados por la implementación de medidas o acciones descriptas en esta presentación. SEGURIDAD EN SOLDADURA: La aplicación de una técnica industrial como la soldadura por arco eléctrico, el corte de metales y los procesos de proyección térmica obliga a la aplicación de prácticas de protección adecuadas. 84