La soldadura de aceros de baja temperatura requiere un profundo conocimiento de las propiedades de los materiales, ya que las condiciones extremas pueden provocar fallos por fragilidad. El artículo analiza los requisitos técnicos de los aceros de baja temperatura, haciendo hincapié en la importancia de la tenacidad a baja temperatura y el papel de los distintos elementos y tratamientos térmicos para conseguirla. Además, aborda los métodos de soldadura, la selección de materiales y las prácticas específicas para soldar diferentes tipos de acero de baja temperatura, como el A333-GR6. Los lectores obtendrán información para garantizar la calidad de la soldadura y evitar defectos en estas aplicaciones críticas.
1) Los requisitos técnicos fundamentales de los aceros de baja temperatura abarcan una resistencia suficiente, una gran tenacidad en condiciones criogénicas, una excelente soldabilidad, una buena mecanizabilidad y una resistencia superior a la corrosión.
Entre ellas, la tenacidad a bajas temperaturas -la capacidad de resistir la fractura frágil a temperaturas bajo cero- es primordial. En consecuencia, la mayoría de las normas nacionales especifican valores mínimos de tenacidad al impacto a las temperaturas de servicio más bajas, que suelen medirse mediante ensayos Charpy V-notch.
2) En la composición del acero de baja temperatura, elementos como el carbono, el silicio, el fósforo, el azufre y el nitrógeno suelen ser perjudiciales para la tenacidad a baja temperatura, siendo el fósforo el más perjudicial.
Para mitigarlo, se da prioridad a la eliminación del fósforo durante las primeras fases de la fabricación del acero, a menudo mediante procesos metalúrgicos secundarios como la desgasificación al vacío. Por el contrario, elementos como el manganeso y el níquel mejoran la tenacidad a baja temperatura. Cada 1% de aumento en el contenido de níquel puede reducir la temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) en aproximadamente 20°C, principalmente estabilizando la fase austenita y refinando la estructura del grano.
3) El proceso de tratamiento térmico desempeña un papel crucial en la determinación de la microestructura y el tamaño de grano del acero de baja temperatura, influyendo significativamente en su tenacidad criogénica. Los tratamientos de temple y revenido, cuando se optimizan, pueden mejorar notablemente la tenacidad a baja temperatura al producir una estructura martensítica o bainítica de grano fino con precipitación controlada de carburos.
4) En función de los métodos de conformación primaria, el acero de baja temperatura puede clasificarse en acero moldeado y acero forjado (laminado).
En función de la composición y las características microestructurales, los aceros de baja temperatura se clasifican en: aceros de baja aleación (por ejemplo, ASTM A353, A553), aceros al Ni de 3,5%, aceros al Ni de 5%, aceros al Ni de 6%, aceros al Ni de 9%, aceros austeníticos al Cr-Mn o al Cr-Mn-Ni, y aceros inoxidables austeníticos al Cr-Ni.
Los aceros de baja aleación se emplean normalmente en aplicaciones criogénicas moderadas de hasta -100°C aproximadamente, para fabricar equipos de refrigeración, recipientes de transporte criogénico, tanques de almacenamiento de etileno en superficie y equipos de procesamiento petroquímico.
En países como EE.UU., Reino Unido y Japón, el acero al Ni 9% (por ejemplo, ASTM A353) se utiliza ampliamente en estructuras de baja temperatura más exigentes, como tanques de almacenamiento y transporte de gas natural licuado (GNL) a -162°C, almacenamiento de oxígeno líquido a -183°C y en la fabricación de unidades de separación de aire para producir oxígeno y nitrógeno líquidos.
Los aceros inoxidables austeníticos, en particular los grados 304L, 316L y 347, son excelentes materiales estructurales criogénicos, ya que ofrecen una excepcional tenacidad a bajas temperaturas, una soldabilidad superior y una baja conductividad térmica. Estos aceros mantienen su ductilidad hasta temperaturas de helio líquido (-269 °C) y se utilizan mucho en aplicaciones de temperaturas extremadamente bajas, como tanques de transporte y almacenamiento de hidrógeno líquido (-253 °C) y oxígeno líquido, así como en criostatos de imanes superconductores. Sin embargo, su mayor contenido en cromo y níquel los hace más caros, lo que exige un cuidadoso análisis coste-beneficio para cada aplicación.
A la hora de seleccionar los métodos y condiciones de construcción de la soldadura para el acero de baja temperatura, la atención se centra en prevenir el deterioro de la tenacidad a baja temperatura en las juntas de soldadura y evitar grietas de soldadura.
No hay ninguna diferencia fundamental entre las formas de las ranuras de juntas de soldadura para acero de baja temperatura, acero al carbono ordinario, acero de baja aleación o acero inoxidable; pueden procesarse de la forma estándar. Sin embargo, para 9Ni acero, el ángulo de la ranura no debería ser inferior a 70 grados y el borde romo no debería ser inferior a 3 mm.
Todos los aceros de baja temperatura pueden cortarse con una llama oxiacetilénica. Sin embargo, cuando se corta con gas acero 9Ni, la velocidad de corte debe ser ligeramente más lenta que cuando se corta con gas acero estructural al carbono ordinario. Si el espesor del acero supera los 100mm, el corte puede precalentarse a 150-200℃ antes del corte con gas, pero no debe superar los 200℃.
El corte de gas no tiene efectos adversos en las zonas afectadas por calor de soldadura. Sin embargo, debido a las propiedades de autoendurecimiento del acero que contiene níquel, la superficie de corte se endurecerá.
Para garantizar un funcionamiento satisfactorio del junta soldadaEn el caso de la soldadura por arco, lo mejor es utilizar una muela abrasiva para alisar y limpiar la superficie cortada antes de soldar.
Durante la construcción de la soldadura, si es necesario retirar el cordón de soldadura o material de base, se puede utilizar el ranurado por arco-aire. Sin embargo, antes de repasar, la superficie de la ranura debe limpiarse y pulirse.
No debe utilizarse el ranurado con llama oxiacetilénica porque se corre el riesgo de sobrecalentar el acero.
El acero de baja temperatura puede soldarse utilizando métodos típicos como soldadura por arcosoldadura por arco sumergido y soldadura por arco metálico con gas.
La soldadura por arco es el método más utilizado para el acero de baja temperatura, y puede aplicarse en varias posiciones de soldadura. Su aporte térmico es de aproximadamente 18~30KJ/cm.
Cuando se utilizan electrodos de bajo contenido en hidrógeno, se pueden conseguir uniones soldadas completamente satisfactorias, que no sólo presentan buenas propiedades mecánicas, sino también una excelente tenacidad de entalla.
Además, la soldadura por arco tiene las ventajas de unas máquinas de soldar sencillas y baratas, una menor inversión en equipos y ninguna limitación de posición o dirección.
El aporte térmico de la soldadura por arco sumergido para acero de baja temperatura es de unos 10~22KJ/cm. Es ampliamente utilizado debido a su simplicidad, alta eficiencia de soldadura y fácil operación.
Sin embargo, debido al efecto aislante del fundente, ralentiza el enfriamiento, lo que provoca una mayor tendencia a la formación de grietas calientes.
Además, las impurezas y el silicio pueden entrar en el metal de soldadura desde el fundente, lo que puede agravar esta tendencia. Por lo tanto, cuando se utiliza la soldadura por arco sumergido, la elección del hilo y el fundente debe considerarse cuidadosamente, y las operaciones deben realizarse meticulosamente.
CO2 La soldadura con gas de protección produce uniones con menor tenacidad, por lo que no se utiliza para soldar aceros de baja temperatura.
La soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) suele realizarse manualmente, y su aporte térmico se limita a un rango de 9~15KJ/cm. Aunque la junta de soldadura producida presenta un rendimiento satisfactorio, este método no es aplicable cuando el grosor del acero supera los 12 mm.
La soldadura por arco metálico con gas (MIG) es el método de soldadura automático o semiautomático más utilizado para el acero de baja temperatura, con un aporte térmico de 23~40KJ/cm.
Según el método de transferencia de gotas, puede dividirse en transferencia en cortocircuito (menor aporte de calor), transferencia globular (mayor aporte de calor) y transferencia por pulverización pulsada (mayor aporte de calor). La soldadura MIG en cortocircuito puede tener una profundidad de fusión insuficiente, lo que puede provocar defectos de fusión incompleta.
Otras modalidades de soldadura MIG también pueden presentar problemas similares, pero en distintos grados. Para lograr una profundidad de fusión satisfactoria haciendo que el arco esté más concentrado, se puede introducir entre unas pocas y varias decenas de por ciento de CO2 u O2 en el argón puro utilizado como gas protector.
El porcentaje adecuado debe determinarse experimentalmente, en función de la situación específica. tipo de acero que se está soldando.
Materiales de soldadura (incluidos electrodos, hilos de soldadura y fundentes), deben seleccionarse generalmente en función del método de soldadura adoptado, la forma de la unión, la forma de la ranura y otras características necesarias.
En el caso de los aceros de baja temperatura, lo más importante es garantizar que el metal de soldadura tenga una tenacidad a baja temperatura igual a la del metal base y minimizar la cantidad de hidrógeno difundido.
(1) Acero aluminizado
El acero aluminizado es muy sensible a la velocidad de enfriamiento posterior a la soldadura. Los electrodos utilizados en la soldadura manual por arco para el acero aluminizado suelen ser del tipo Si-Mn de bajo hidrógeno o del tipo Ni de 1,5%, Ni de 2,0%.
Para reducir el aporte de calor de la soldadura, el acero aluminizado suele adoptar la soldadura multicapa con electrodos finos de 3~3,2 mm. De este modo se puede utilizar el ciclo de calor secundario de la pasada de soldadura superior para refinar los granos.
La tenacidad al impacto del metal soldado con electrodos de Si-Mn a 50℃ disminuirá bruscamente a medida que aumente el aporte térmico. Por ejemplo, cuando la entrada de calor aumenta de 18KJ/cm a 30KJ/cm, la tenacidad perderá más de 60%. Los electrodos de Ni de 1,5% y Ni de 2,5% no son sensibles a este fenómeno, por lo que son la mejor elección para la soldadura.
La soldadura por arco sumergido es un método de soldadura automática común para el acero aluminizado. La mejor composición para el alambre de soldadura utilizado en la soldadura por arco sumergido contiene 1,5~3,5% de níquel y 0,5~1,0% de molibdeno.
Según la bibliografía, con el uso de alambre de soldadura 2,5%Ni-0,8%Cr-0,5%Mo o 2%Ni y el fundente adecuado, el valor medio de tenacidad del metal de soldadura a -55℃ puede alcanzar 56-70J (5,7~7,1Kg/fm). Incluso con hilo de soldadura 0,5%Mo y fundente alcalino de aleación de manganeso, siempre que el aporte de calor se controle por debajo de 26KJ/cm, se puede obtener un metal de soldadura con 55J (5,6Kg/f.m).
Al elegir el fundente, preste atención a la correspondencia de Si y Mn en el metal de soldadura. Las pruebas han demostrado que un contenido diferente de Si y Mn en el metal de soldadura puede afectar en gran medida a su tenacidad. La tenacidad óptima se obtiene con 0,1~0,2% Si y 0,7~1,1% Mn. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de seleccionar los alambres de soldadura y los fundentes.
La soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) y con gas inerte metálico (MIG) se utiliza con menos frecuencia en el acero aluminizado. Los alambres de soldadura mencionados para la soldadura por arco sumergido también pueden utilizarse para Soldadura TIG.
(2) Acero 2,5Ni y acero 3,5Ni
Para la soldadura por arco sumergido o la soldadura MIG de aceros de 2,5Ni y 3,5Ni, pueden utilizarse generalmente hilos de soldadura con el mismo material que el metal base. Sin embargo, como se muestra en la fórmula de Wilkinson, el Mn es un inhibidor de la fisuración en caliente para los aceros de baja temperatura con bajo contenido en níquel.
Mantener el contenido de manganeso en el metal de soldadura en torno a 1,2% es beneficioso para prevenir las grietas en la fosa del arco y otras grietas calientes. Esto debe priorizarse al seleccionar la combinación de hilo de soldadura y fundente.
La tendencia a la fragilización por revenido del acero 3.5Ni es alta, por lo que tras el tratamiento térmico posterior a la soldadura para tensión residual (por ejemplo, 620℃×1 hora, luego enfriamiento en horno), la tenacidad disminuirá drásticamente de 3,8Kg/f.m a 2,1Kg/f.m y no cumplirá la especificación.
La tendencia a la fragilización por revenido del metal de soldadura fabricado con el alambre de soldadura 4,5%Ni-0,2%Mo es mucho menor, y el uso de este alambre puede evitar la dificultad antes mencionada.
(3) Acero 9Ni
El acero 9Ni suele someterse a un tratamiento térmico de temple-temple o de doble normalización-temple para maximizar su tenacidad a baja temperatura. Sin embargo, el metal de soldadura de este acero no puede someterse al tratamiento térmico mencionado.
Por lo tanto, el uso de materiales de soldadura de ferrita dificulta la obtención de metal de soldadura con una tenacidad a baja temperatura comparable a la del metal base. Los más utilizados son los materiales de soldadura con alto contenido en níquel.
El metal de soldadura de estos materiales es una estructura austenítica completa. A pesar de los inconvenientes de su menor resistencia en comparación con el metal base de acero 9Ni y su elevado coste, la fractura frágil ya no es un problema grave para él.
De lo anterior sabemos que:
Dado que el metal de soldadura es totalmente austenítico, la tenacidad a baja temperatura del metal de soldadura soldado con los electrodos y alambres de soldadura utilizados puede competir plenamente con el metal base, aunque su resistencia a la tracción y su límite elástico son inferiores a los del metal base.
El acero que contiene níquel tiene características de autoendurecimiento, por lo que la mayoría de los electrodos y alambres de soldadura han tomado medidas para limitar el contenido en carbono para lograr una buena soldabilidad.
En los materiales de soldadura, el Mo es un importante elemento reforzante, mientras que el Nb, Ta, Ti y W son importantes elementos endurecedores. Su importancia se ha reconocido plenamente en la selección y configuración de los materiales de soldadura.
Cuando se utiliza el mismo hilo de soldadura, la resistencia y la tenacidad del metal de soldadura por arco sumergido son algo inferiores a las de la soldadura MIG. Esto podría deberse a la menor velocidad de enfriamiento de la soldadura y a la posible infiltración de impurezas o Si del fundente.
El acero A333-GR6 es un acero de baja temperatura, cuya temperatura de uso más baja es de -70℃, y que suele suministrarse en estado normalizado o normalizado más templado. El acero A333-GR6 tiene un bajo contenido de carbono, por lo que tiene una pequeña tendencia al endurecimiento y al agrietamiento en frío, buena tenacidad y plasticidad.
Por lo general, no produce fácilmente defectos de endurecimiento y agrietamiento, y tiene buena soldabilidad.
ER80S-Ni1 soldadura por arco de argón se puede utilizar alambre con electrodos W707Ni, aplicando la soldadura combinada argón-eléctrica, o se puede utilizar alambre de soldadura por arco de argón ER80S-Ni1 para la soldadura por arco de argón completo para garantizar una buena tenacidad de la unión de soldadura.
La marca del hilo y el electrodo de soldadura por arco de argón puede elegirse entre productos con las mismas prestaciones, pero debe obtenerse la aprobación del propietario antes de su uso.
Durante la soldadura, para los tubos con un diámetro inferior a 76,2 mm, se utiliza una unión a tope de tipo I y la soldadura completa por arco de argón; para los tubos con un diámetro superior a 76,2 mm, se abre una ranura de tipo V y se utiliza el método de raíz de arco de argón y la soldadura eléctrica de argón de relleno multicapa o la soldadura completa por arco de argón.
Las prácticas específicas dependen del diámetro de la tubería y del grosor de la pared aprobados por el propietario.
(1) Precalentamiento antes de soldar
Cuando la temperatura ambiente es inferior a 5℃, es necesario precalentar la soldadura.
En temperatura de precalentamiento es de 100~150℃; el rango de precalentamiento es de 100mm a ambos lados de la soldadura; se utiliza llama oxiacetilénica (llama neutra) para calentar, y la temperatura se mide a 50~100mm del centro de la soldadura mediante un lápiz sensor de temperatura, con puntos de temperatura distribuidos uniformemente para un mejor control de la temperatura.
(2) Tratamiento térmico posterior a la soldadura
Para mejorar la tenacidad de entalla del acero de baja temperatura, los materiales generalmente utilizados ya han sido sometidos a temple y revenido. Un tratamiento térmico posterior a la soldadura inadecuado suele deteriorar su rendimiento a baja temperatura, por lo que debe prestársele la suficiente atención.
Por lo tanto, excepto en condiciones en las que el espesor de la soldadura es mayor o las condiciones de restricción son muy estrictas, el acero de baja temperatura no suele someterse a un tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Por ejemplo, la soldadura de la nueva tubería de GLP en CSPC no requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Si el tratamiento térmico posterior a la soldadura es realmente necesario en algunos proyectos, la velocidad de calentamiento, el tiempo de temperatura constante y la velocidad de enfriamiento del tratamiento térmico posterior a la soldadura deben llevarse a cabo estrictamente de acuerdo con las siguientes disposiciones:
El tiempo de temperatura constante debe ser de 1h por cada 25mm de espesor de pared y no inferior a 15min. La diferencia de temperatura entre la temperatura más alta y la más baja durante el período de temperatura constante debe ser inferior a 65℃.
Después de la temperatura constante, la velocidad de enfriamiento no debe ser superior a 65×25/δ ℃/h, y no más de 260℃/h. Por debajo de 400℃, es aceptable el enfriamiento natural. Deben utilizarse equipos de tratamiento térmico controlados por ordenador.
(1) Precalentamiento estricto según las normas, controlando la temperatura entre capas dentro de 100~200℃. Cada soldadura debe completarse de una sola vez, si se interrumpe, deben tomarse medidas de enfriamiento lento.
(2) Los arañazos de arco en la superficie de la soldadura están estrictamente prohibidos. Una vez extinguido el arco, debe rellenarse el cráter y rectificarse cualquier defecto con una muela abrasiva. Las uniones entre capas en la soldadura multicapa deben escalonarse.
(3) La energía de la línea debe controlarse estrictamente, utilizando corrientes pequeñas, tensiones bajas y soldaduras rápidas. Para electrodos W707Ni con un diámetro de 3,2 mm, la longitud de soldadura por electrodo debe superar los 8 cm.
(4) Debe adoptarse un funcionamiento de arco corto y sin oscilaciones.
(5) Soldadura de penetración total y debe seguir estrictamente los requisitos de las especificaciones del proceso de soldadura y la tarjeta del proceso de soldadura.
(6) El refuerzo de la soldadura debe ser de 0~2mm, y el ensanchamiento de la soldadura debe ser ≤2mm a cada lado.
(7) Una vez superada la inspección de aspecto de la soldadura, los ensayos no destructivos sólo pueden realizarse transcurridas al menos 24 horas. La norma JB 4730-94 debe aplicarse a soldadura a tope costuras de la tubería.
(8) La norma "Recipiente a presión: Ensayos no destructivos de recipientes a presión", y se debe alcanzar el nivel II de cualificación.
(9) Las reparaciones de soldadura deben realizarse antes del tratamiento térmico posterior a la soldadura. Si es necesario realizar reparaciones después del tratamiento térmico, la soldadura debe volver a tratarse con calor después de la reparación.
(10) Si el tamaño geométrico de la superficie de soldadura no es conforme, se permite esmerilarla, siempre que el espesor después del esmerilado no sea inferior a los requisitos de diseño.
(11) En general defectos de soldaduraSe permite un máximo de dos reparaciones. Si sigue sin pasar después de dos reparaciones, la soldadura debe cortarse y volverse a soldar de acuerdo con el procedimiento completo. proceso de soldadura.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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