El precalentamiento es una técnica comúnmente utilizada en soldadura. Consiste en calentar la pieza a soldar a una temperatura superior a la ambiente antes o durante el proceso de soldadura.
La mayoría de las especificaciones modernas requieren rangos de temperatura de precalentamiento específicos según el estándar y el tipo de material que se está soldando.
En este artículo, analizaremos la importancia de un precalentamiento adecuado, sus beneficios y las consecuencias de un precalentamiento inadecuado mediante ejemplos.
1. Técnicas
El precalentamiento es el proceso de calentar la pieza a soldar a una temperatura superior a la temperatura ambiente, antes o durante la soldadura.
El precalentamiento es un requisito obligatorio en la soldadura y los rangos de temperatura de precalentamiento específicos se describen en las especificaciones previas y posteriores a la soldadura. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, también se pueden usar métodos de precalentamiento alternativos.
El precalentamiento ofrece varias ventajas, independientemente de si es obligatorio o no:
- Reduce la tensión de contracción entre la soldadura y el metal base adyacente, lo cual es especialmente crucial para soldaduras de alta tensión.
- Disminuye la velocidad de enfriamiento durante el enfriamiento de la soldadura en el rango de temperatura principal, evitando el endurecimiento excesivo y reduciendo la ductilidad de la soldadura y de la zona afectada por el calor (HAZ).
- Reduce la velocidad de enfriamiento en el rango de temperatura de 400 °F, lo que permite que el hidrógeno escape más tiempo de la soldadura y del metal base adyacente, evitando así el agrietamiento inducido por el hidrógeno.
- Elimina contaminantes.
La cantidad de precalentamiento necesaria para soldar no está determinada únicamente por el estándar mínimo descrito en la especificación. En su lugar, se pueden utilizar uno o más de los siguientes métodos:
- Tablas de cálculo
- Estimación de carbono equivalente
- Estimación de parámetros de crack
- Estimación de la prueba de chispa
- Regla de oro
El rango de temperatura de precalentamiento generalmente es adecuado para diversos tamaños y restricciones de ranuras de soldadura.
Aunque muchas especificaciones especifican una temperatura mínima de precalentamiento, en algunos casos se puede usar una temperatura de precalentamiento más baja, mientras que en otros puede ser necesaria una temperatura de precalentamiento más alta.
2. Hoja de cálculo
Hay varias “tablas de cálculo de precalentamiento” disponibles que utilizan reglas lineales o circulares para determinar la temperatura de precalentamiento. Estas tablas le permiten predecir la temperatura de precalentamiento requerida según la identificación del material y el espesor del metal base.
3. Carbono equivalente
El carbono equivalente (CE) es una medida útil para determinar si el precalentamiento es necesario y en qué medida. Aquí están las pautas:
- Si la CE es menor o igual a 0,45%, el precalentamiento es opcional.
- Si CE está entre 0,45% y 0,60%, el rango de temperatura de precalentamiento debe estar entre 200°F y 400°F (100°C a 200°C).
- Si CE es superior al 0,60 %, el rango de temperatura de precalentamiento debe estar entre 400 °F y 700 °F (200 °C a 350 °C).
Si el CE es superior a 0,5, es aconsejable retrasar la prueba final no destructiva (NDE) durante al menos 24 horas para determinar si hay grietas retardadas.
4. Parámetros de crack
El método de Detección de Grietas Parámetros (PCM) de Ito & Bessyo se puede utilizar cuando el carbono equivalente es igual o inferior al 0,17% en peso o cuando se utiliza acero de alta resistencia. Este enfoque es útil para determinar con precisión cuándo es necesario el precalentamiento, así como cuándo aplicar el precalentamiento forzado y qué temperatura usar. Aquí están las pautas:
- Si el PCM es menor o igual al 0,15%, el precalentamiento es opcional.
- Si el PCM está entre 0,15 % y 0,26-0,28 %, precaliente a un rango de temperatura de 100 °C a 200 °C (200 °F a 400 °F).
- Si el PCM es superior a 0,26-0,28 %, precaliente a un rango de temperatura de 200 °C a 350 °C (400 °F a 700 °F).
5. Prueba de chispa
La prueba de chispa se ha utilizado durante muchos años como método para estimar el contenido de carbono en el acero al carbono. La calidad de la chispa producida indica el nivel de contenido de carbono; un mayor contenido de carbono da como resultado una mejor chispa y una mayor necesidad de precalentamiento.
Aunque este método no es el más preciso, es sencillo y puede dar una indicación general de la temperatura de precalentamiento requerida. Al examinar la calidad de la chispa producida, se puede determinar el nivel relativo de temperatura de precalentamiento requerido.
6. Reglas generales
Otro método eficaz pero menos preciso para seleccionar la temperatura de precalentamiento es aumentarla en 50 °C (100 °F) por cada 10 puntos según el contenido de carbono (0,10 % en peso). Por ejemplo, si el contenido de carbono es del 0,25 % en peso, la temperatura de precalentamiento debe ser de al menos 250 °F (125 °C) o superior.
Sin embargo, si hay recubrimientos u otros componentes cerca de la soldadura, la temperatura de precalentamiento especificada en la especificación de producción original puede no ser adecuada.
Si el aporte de calor de soldadura está cerca del rango máximo permitido por el proceso estándar, el calor transferido a los componentes soldados puede ser suficiente para equilibrar la necesidad de precalentamiento. Como resultado, el metal afectado puede calentarse hasta o por encima de los requisitos mínimos de precalentamiento. En estos casos, se pueden utilizar métodos externos para reducir los requisitos de precalentamiento.
Cabe señalar que este enfoque implica rangos y conversiones imprecisos (por ejemplo, °F a °C), ya que el precalentamiento no es una ciencia exacta.
En muchos casos, también es habitual aumentar continuamente la temperatura de precalentamiento hasta que se solucione el problema, como por ejemplo la desaparición de grietas.
Por otro lado, en algunas situaciones específicas, es posible lograr el objetivo deseado incluso si la temperatura de precalentamiento es inferior al valor recomendado o a la temperatura especificada en la especificación de producción.
7. Aplicación práctica
Para evitar el ablandamiento del material causado por el precalentamiento, es importante prestar atención a las habilidades operativas reales.
Elija procesos de soldadura y electrodos que rara vez introduzcan hidrógeno.
Existen determinadas técnicas que pueden ayudar a reducir o aliviar el estrés residual.
Se requiere un control cuidadoso para garantizar el uso correcto del método de precalentamiento.
Las siguientes descripciones son cruciales para la implementación exitosa de estas técnicas.
8. Tamaño y capacidades de las ranuras de soldadura
Las habilidades de soldadura tienen un impacto significativo en la contracción de la soldadura, la tensión residual, el control del aporte de calor y la prevención de grietas.
Las soldaduras cortas tienen menos contracción longitudinal que las soldaduras largas.
Se puede emplear soldadura inversa o secuencias de soldadura especiales para reducir las tensiones residuales.
El aporte de calor debe controlarse o reducirse.
Se deben utilizar soldaduras lineales con pequeñas oscilaciones en lugar de aquellas con grandes oscilaciones.
9. Reducir el agrietamiento
Los procesos de fabricación adecuados pueden ayudar a reducir o eliminar los cráteres y grietas de soldadura.
- En comparación con las soldaduras con secciones delgadas y anchas, las de sección circular tienden a tener menos grietas.
- Deben evitarse arranques o paradas bruscas en la soldadura. Las operaciones de soldadura y la formación de soldadura se pueden controlar mediante técnicas de soldadura de pendiente ascendente/descendente o mediante medios eléctricos utilizando la fuente de energía de soldadura.
- Se deben utilizar suficientes materiales depositados para evitar grietas causadas por la contracción de la soldadura o la soldadura normal.
Según la experiencia, para evitar grietas debido a una cantidad insuficiente de material depositado en la soldadura (que también es un requisito en muchas especificaciones de producción), la cantidad de metal depositado debe ser de al menos 3/8 de pulgada. (10 mm) o 25% del espesor de la ranura de soldadura. .
10. Método de precalentamiento
En talleres o campos, el precalentamiento se puede lograr mediante calentamiento por llama (aire-combustible o combustible de acetileno), calentamiento por resistencia, calentamiento por inducción electrónica y otros métodos.
Independientemente del método utilizado, el precalentamiento debe ser uniforme.
A menos que existan requisitos específicos, el precalentamiento debe penetrar todo el espesor de la soldadura.
La Figura 1 muestra equipos que utilizan calentamiento por resistencia (sin aislamiento, aplicación posterior) y calentamiento por inducción.
Fig. 1 – calentamiento por resistencia (izquierda) y calentamiento por inducción (derecha)
11. Monitoreo de precalentamiento
Se pueden utilizar varios dispositivos para medir y controlar la temperatura.
Los componentes o piezas soldadas a soldar deben precalentarse hasta que el material esté completamente saturado de calor.
Siempre que sea posible, se debe probar o evaluar el grado de penetración térmica.
Para la mayoría de aplicaciones de soldadura, suele ser suficiente controlar la temperatura a una distancia del borde de soldadura.
El control o la lectura de la temperatura no deben contaminar la ranura de soldadura.
12. Bolígrafo indicador de temperatura
Se utilizan bolígrafos indicadores o herramientas similares a lápices para determinar la temperatura mínima alcanzada durante el precalentamiento. Estas herramientas se funden a una temperatura específica, lo que permite un método sencillo y rentable para determinar la temperatura de fusión del bolígrafo.
Sin embargo, si la temperatura de la pieza excede la temperatura de fusión del lápiz indicador, no funcionará correctamente. En estos casos, puede ser necesario utilizar varios bolígrafos indicadores con diferentes temperaturas de fusión para garantizar lecturas de temperatura precisas.
13. Monitoreo electrónico de temperatura
Para las operaciones de precalentamiento y soldadura también se pueden utilizar equipos de medición directa como pirómetros de contacto o termopares de lectura directa con lecturas analógicas o digitales. Estos instrumentos deben estar calibrados o tener verificada de alguna manera su capacidad para medir el rango de temperatura.
El termopar en particular tiene la ventaja de monitorear y almacenar datos continuamente. Como resultado, se puede utilizar con un registrador de curvas o un sistema de adquisición de datos durante las operaciones de precalentamiento o tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).
La Sociedad Estadounidense de Soldadura (AWS) D10.10 proporciona varios diagramas y ejemplos de posiciones apropiadas para la colocación de termopares.
14. Monitoreo de los “derechos indígenas”
Desde hace muchos años se utilizan diversos “métodos autóctonos” para determinar si la temperatura de precalentamiento es suficiente. Uno de esos métodos consiste en rociar saliva o humo directamente sobre la pieza de trabajo. El sonido que produce la saliva se utiliza como indicador de temperatura, aunque este método no es muy preciso. Algunas personas experimentadas todavía utilizan esta técnica.
Una forma más precisa de determinar la temperatura de precalentamiento es utilizar un soplete de acetileno. La llama se ajusta para producir una alta carbonización, creando una capa de humo gris en el área a precalentar. Luego, el soplete de soldadura se ajusta para producir humo medio y se utiliza para calentar el área de humo gris. Cuando el humo gris desaparece, indica que la temperatura de la superficie ha alcanzado más de 200°C (400°F).
Es importante asegurarse de que la temperatura de precalentamiento se alcance en todo el espesor de la pieza y en la zona de soldadura. La mayor parte del monitoreo es solo para la superficie exterior de la pieza de trabajo, pero AWS D10.10 proporciona mejores prácticas para la zona de inmersión y requiere que todo el espesor de la pieza de trabajo se caliente durante la soldadura de la tubería.
Se requiere una observación cuidadosa durante el precalentamiento para evitar el sobrecalentamiento del metal base, especialmente cuando se utilizan métodos de calentamiento por resistencia o por inducción. Muchos transportadores ahora requieren que se coloquen termopares debajo de cada placa calefactora de resistencia o conjunto de bobina de inducción para monitorear y evitar el sobrecalentamiento.
15. Resumen
Independientemente de si se requiere precalentamiento y del método de precalentamiento utilizado, el precalentamiento proporciona varios beneficios, entre ellos:
- Reducción de la tensión de contracción en la soldadura y el metal base adyacente, lo cual es particularmente beneficioso para uniones soldadas bajo alta restricción;
- Reducir la velocidad de enfriamiento de la pieza en el rango de temperatura crítico, evitando un endurecimiento excesivo y reduciendo el ablandamiento de la soldadura y de la zona térmicamente afectada (ZAT);
- Permitir más tiempo para que el hidrógeno se difunda desde la soldadura y el metal base adyacente, lo que reduce la velocidad de enfriamiento a medida que la pieza pasa por el rango de temperatura de 400 °F (200 °C), lo que ayuda a prevenir el agrietamiento inducido por el hidrógeno;
- Descontaminación de la pieza;
Al precalentar, es mejor calentar uniformemente todo el espesor de la soldadura a la temperatura de precalentamiento especificada. El sobrecalentamiento de una zona local puede provocar daños materiales, por lo que conviene evitarlo en la medida de lo posible.
