Autor:  Mirely Cárdenas.

En la búsqueda de una solución para resolver un problema, es necesario entender las causas para no repetirlo.

Una de las condiciones para que el resultado de una unión por soldadura sea exitosa, es que se minimice o evite la presencia de elementos indeseables como algunos gases, entre estos el Hidrógeno. “La influencia de este gas es variada, pudiendo provocar salpicadura, porosidad, formación de copos (áreas de descohesión o falta de fusión local) y la fragilidad del metal base cuando difunde a este desde la zona fundida. En general su influencia más directa es la fragilización y agrietamiento de uniones soldadas (Portolés, 2004). El agrietamiento o fisura es una de las discontinuidades, que en la mayoría de los casos es rechazada por considerarse un defecto, debido a las consecuencias que podría generar su presencia.

El hidrógeno puede causar estrés o esfuerzo en la microestructura del material base y metal de soldadura, llevando al agrietamiento inducido por hidrógeno o HIC (por sus siglas en inglés), en español es más conocido como agrietamiento en frío (Guy, 2014). Tres factores son determinantes para que suceda el agrietamiento a temperatura ambiente: la presencia de hidrógeno, la tensión debido a restricciones en el diseño de la unión y una microestructura con alta dureza o niveles de ductilidad bajos (figura 1).

El hidrógeno es el átomo de menor tamaño, lo que facilita su difusión rápida a través de la estructura cristalina del hierro sólido, en el curso del enfriamiento, parte se escapa a la atmósfera tras acceder por difusión hasta la superficie exterior, otra parte del hidrógeno queda atrapado en la zona fundida tras su solidificación, este se desplazará hacia la zona afectada térmicamente. (Portolés, 2004). El agrietamiento inducido por hidrógeno además puede ocurrir en el metal de soldadura mismo y cuando así ocurre, es típicamente transversal a la dirección de la soldadura. Los materiales con niveles de aleación y/o carbono más altos son especialmente susceptibles al HIC (Guy, 2014).

Además de la humedad del ambiente y el material base, el material de aporte también puede ser una fuente de hidrógeno en el proceso de soldaura. Los químicos secos y polvos metálicos usados como relleno para alambres tubulares (alambres para FCAW), así como los recubrimientos de fundente en los electrodos para la soldadura por arco eléctrico con electrodos revestidos (SMAW) pueden ser susceptibles de absorber hidrógeno y luego incorporarlo a la soldadura (Guy, 2014)

El HIC ocurre, generalmente, por debajo de los 316°C, comúnmente alrededor o por debajo de los 149°C y dentro de las 48 horas posteriores a la terminación de la soldadura. A mayor cantidad de factores contribuyentes, tales como las juntas altamente restringidas, los altos niveles de hidrógeno, el rápido enfriamiento posterior a la soldadura, materiales con alto contenido de  carbono, el HIC puede ocurrir mucho antes e incluso inmediatamente (Guy, 2014)

La dependencia de precalentamiento y post-calentamiento de soldaduras para controlar el hidrógeno puede ser problemático y costoso, y Los resultados son muy dependientes tanto del nivel de control y la atención prestada a la realización de estos procedimientos. El Pre y post calentamiento de soldaduras se utiliza tradicionalmente para eliminar cualquier humedad residual presente en los materiales a unir y para retardar la velocidad de enfriamiento después de la soldadura para reducir la presencia de una microestructura dura y quebradiza (Little, 2015). Adicional a esto debe considerarse cómo las fábricas pueden conducir la manipulación y almacenamiento de electrodos revestidos y alambres tubulares. Para proporcionar el mejor resultado final, los materiales deben mantenerse secos y en su embalaje original antes de su uso y durante períodos de tiempo de inactividad. Esto, sin embargo, puede ser poco práctico en muchos entornos de fabricación, y como consecuencia, los consumibles expuestos son mucho más propensos a absorber la humedad y correr el riesgo de acompañamiento de la acumulación de hidrógeno en la zona de soldadura (Little, 2015).

En su artículo Little (2015) hace un resumen sobre una investigación centrada en la evaluación de un fluoruro gaseoso como suplemento del gas de protección que se utiliza y produce con varios tipos de consumibles de soldadura. Algunos de los resultados de esos estudios, sobre el proceso FCAW, utilizando CF4 (tetrafluoruro de carbono) se muestran a continuación:

• La adición de un fluoruro gaseoso es mejor que incorporar fluoruros sólidos ya que los sólidos afectan la operatividad del proceso al causar inestabilidad en el arco y producir mayor cantidad de salpicaduras.
• El tetrafluoruro de carbono (CF₄) – un material gaseoso que contiene flúor y que es comúnmente disponible, no es tóxico, y no se conocen efectos negativos sobre la sanidad de la soldadura en el largo plazo – este es un aislante simple, como el argón.
• No hay un OSHA establecido sobre el Límite de exposición permisible (PEL) o valor de umbral límite (TLV) de este material, y no se requiere ningún manejo especial de este o del envase (cilindros, válvulas, reguladores). Esto permite que sea transportado del mismo modo que otros gases de protección comunes.
• El análisis de los humos producidos cuando se añade CF₄ a la mezcla de gas mostró un aumento de la presencia de fluoruro de hidrógeno, pero el balance de los componentes del humo eran similares a las generadas por el electrodo utilizado con una mezcla de gas de protección convencional. La Tasa de generación de gases también se mantuvo casi igual.
• Para la mayoría de los alambres evaluados con CF₄ en la mezcla de gas de protección, el hidrógeno en la soldadura se redujo de 20 a 40% .

Encontramos, por lo tanto, una nueva alternativa para evitar el agrietamiento inducido por Hidrógeno: El gas TETRAFLUORURO DE CARBONO (CF₄) que podría ser ventajoso también económicamente hablando, si se hace la evaluación entre su uso y las medidas de control de hidrógeno convencionales.

Referencias                                                                                                                                                       (material que forma parte del artículo y/o consultado para la elaboración de este)

Guy, B. (2014). Control del agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC). Welding Journal, 93(1), 36-38. Recuperado el 09 de Octubre de 2015

Little, K. (2015). Avoiding Hydrogen-Assisted Cracking in Welds. Welding Journal, 94(10), 44-47. Recuperado el 09 de Octubre de 2015

Portolés, A. (2004). Estructura de las Uniones Soldadas. En A. E. Unión, Curso de formación de Ingenieros Europeos Internacional de Soldadura (pág. 23). Madrid.

• Códigos y normas que proveen información para la soldadura de aceros inoxidables – Parte II
• D18.1/D18.1M:2009 SPECIFICATION FOR WELDING OF AUSTENITIC STAINLESS STEEL TUBE AND PIPE SYSTEMS IN SANITARY (HYGIENIC) APPLICATIONS
• Baterías ETNA

Realizando pases de raíz de soldadura en una Tubería inoxidable Super-Duplex

Los aceros inoxidables Super-duplex (SDSS: Super-Duplex Satainless Steel) son a menudo seleccionados en el campo petrolero para aplicaciones de servicio dónde hay riesgo de corrosión. En la construcción con tuberías SDSS, el pase de raíz es la etapa más importante de una unión soldada, esto debido a la alta exposición interna de la superficie de la tubería al medio corrosivo en servicio. El mejorar la resistencia a las condiciones de servicio, logrando pases de raíz que mantengan las propiedades mecánicas, metalúrgicas, el perfil y la morfología superficial correctos, es crucial.

Aún para los soldadores más experimentados, el pase de raíz en SDSS demanda gran esfuerzo debido a los altos requerimientos de la calidad de la soldadura. El uso de técnicas defectuosas, mecanismos inseguros de ensamble en la junta, o inadecuado gas de purga impedirán alcanzar los criterios de aceptación de la inspección radiográfica o de las pruebas mecánicas establecidas. Además los requerimientos metalúrgicos deben alcanzar el balance de fases austenita-ferrita óptimo y/o mínimo para evitar reacciones adversas debido a precipitaciones. El empobrecimiento de la soldadura y la Zona Afectada por el Calor (ZAC) incrementan la susceptibilidad de la unión a la corrosión por picaduras y disminuyen la resistencia a la tenacidad por impacto.

Este artículo se centra en la ejecución del pase de raíz de soldadura con el proceso TIG o GTAW (Proceso de soldadura por arco eléctrico con electrodo de Tungsteno y protección gaseosa), durante la construcción de una milla de tubería de SDSS para el servicio de agua de mar en un proyecto petrolero.

El Registro de Calificación del Procedimiento (PQR):  Sin un registro de calificación de procedimiento (PQR), alcanzar alta sanidad en la soldadura de la tubería SDSS de forma coherente es difícil. Durante la calificación del PQR, el objetivo fue desarrollar las variables de soldadura para lograr una microestructura del depósito de soldadura y la ZAC que conservaran las propiedades mecánicas y metalúrgicas de la aleación de la tubería. Esto es posible logrando un balance de fase muy próximo a 50:50 de austenita – ferrita en el pase de raíz y en la ZAC.

En soldaduras multipase de SDSS, cada pase subsecuente puede tener efecto adverso y significativo sobre la condición metalúrgica del pase previo. Esto debido a las reacciones de precipitación dañinas que ocurren en la soldadura, incluyendo la fase Chi (χ), fase sigma (σ) y otras fases inter-metálicas. Durante la calificación del PQR, fue crítico mitigar el riesgo de dañar la soldadura debido a las reacciones de precipitación, por lo que fue necesario alcanzar una fase balanceada muy cercana al 50:50 de austenita-ferrita (ver la figura 1). Esto se logró:

1) limitando el número de ciclos térmicos (o de recalentamiento) de la ZAC y del metal de soldadura;

2) Controlando el contenido de ferrita en la soldadura mediante la composición del metal base/metal de soldadura y las condiciones térmicas, incluyendo el precalentamiento, temperatura inter-pases  y el aporte térmico (kiloJoules/pulgada).

Ensamble de la junta de tubería  La figura 2 muestra el método de ensamble y el diseño de junta para una unión de canal con penetración completa. Para optimizar la fusión del pase de raíz y alcanzar un aporte térmico constante, se prestó atención detallada a la preparación de la junta y la uniformidad de la abertura de raíz.

Un buen ensamble de unión es crítico. El tiempo de soldeo se incrementa con un ensamble pobre donde quiera que la ZAC y el metal de soldadura experimenten múltiples ciclos de recalentamiento y exposición a temperatura cuyo rango está entre 537°C y 999°C, en la que la fase sigma y otras fases inter-metálicas se forman. Las prácticas para el ensamble de la unión incluyeron lo siguiente:

• La uniformidad de los biseles de la unión y la abertura de raíz para asegurar el aporte térmico constante
• Un borde de raíz afilado en la unión para facilitar la fusión del pase de raíz con aporte térmico reducido.
• La limpieza en la junta, removiendo contaminantes y capas de óxido en la superficie del diámetro interior de la tubería y también en la superficie del diámetro exterior como mínimo 2 pulgadas desde los bordes de la unión.
• La inspección visual de la unión previa al apuntalado de la raíz y la intervención proactiva permanente.

Apuntalado de raíz GTAW: El apuntalado es importante porque se vuelve parte integral de la raíz de la soldadura.  Para asegurar buena calidad del baño de fusión de soldadura y protección de la oxidación, el diámetro interior de la tubería fue pre-purgado antes y durante el apuntalado de la unión, así como durante la ejecución de la soldadura. La soldadura empezó con el purgado del contenido de oxígeno en el ambiente del gas de purga, el contenido medido fue menor a 100 partes por millón.

El ambiente con gas de purga de la unión representa el espacio volumétrico del diámetro interior de la tubería entre dos bolsas infladas con gas como se muestra en la figura 3.

La soldadura de la tubería fue realizada usando varillas de aporte de SDSS: Zeron 100X, ER/R 2594 de 1/8” de diámetro. Se tuvo cuidado de evitar los golpes de arco fuera de la unión. En la soldadura de aleaciones dúplex, los golpes de arco promueven la formación excesiva de ferrita por lo que el área debe ser excavada por desbaste fino como mínimo a una profundidad de 0,040 pulgadas o 1 milímetros.

Monitoreo y control del gas de purga: La purga del gas es una práctica fundamental y se realiza para facilitar las características del baño de fusión y proteger a la raíz de soldadura y la superficie de la ZAC de la oxidación y la contaminación atmosférica. Internamente los niveles de color de óxidos debido al calor se presentan desde muy oxidados “quemado o acaramelado” a visualmente claros “libres de óxidos”. (AWS D18.2 contiene una guía de comparación de dichos niveles de coloración)

La figura 3 muestra el esquema de bolsa inflable que formó la cámara de purga usado en el proyecto de tuberías. La unidad fue insertada en la tubería y posicionada durante el ensamble de las piezas. La estrategia fue confinar gas en el interior de la tubería a un nivel localizado y controlable. A través de todas las actividades de soldadura, un sensor de oxígeno calibrado fue utilizado para analizar el contenido de oxígeno en el gas argón usado en la purga. La pantalla del sensor fue continuamente monitoreada por un inspector de soldadura. El ratio de flujo de gas para las dos bolsas inflables y para el gas de purga fue controlado por el soldador.

Los defectos del pase de raíz: La figura 4 muestra los defectos del pase de raíz identificados durante la prueba de calificación de soldadores. Entre los defectos se tienen: falta de llenado (superficie de raíz cóncava), penetración excesiva y fusión incompleta. Durante la prueba de soldadores, los defectos del pase de raíz se debieron a lo siguiente:

1)Técnica incorrecta de soldadura durante la alimentación del material de aporte y manipulación de la torcha;

2) Inicios y paradas inapropiadas;

3) fallas por disminución del flujo de gas de purga como de presión de gas en la bolsa inflable durante el cierre del pase de raíz;

4) Presencia de oxígeno en el gas de purga ya que superó las 100 partes por millón;

5) Soldadura con abertura de raíz menor a 1/8 de pulgada; y

6) Unión con desalineamiento, o diferencia de diámetro interno de  1/16 de pulgada.

La inspección radiográfica de la soldadura y la prueba mecánica y metalúrgica de los especímenes o cupones de la calificación del soldador se realizaron de acuerdo con la Especificación autorizada de Soldadura de Aceros Inoxidables Duplex y la Sección IX del Código de Calderas y Recipientes a Presión.

Soldadura del pase de raíz GTAW: La figura 5 muestra un pase de raíz de soldadura con la superficie suavemente convexa y con buena fusión en el pie de la soldadura. La figura 6 muestra raíces de soldadura aceptables. El código utilizado fue ASME 31.4 Sistemas de Tuberías para Transporte de Hidrocarburos Líquidos y Otros Líquidos, ya que gobierna la construcción con tuberías.

Los raiceros lograron pases de raíz con calidad radiográfica consistente basada en lo siguiente:

• Técnica de buceo en la manipulación de la antorcha. Solo cordones rectos de soldadura fueron usados en la soldadura de las tuberías (sin oscilación, con ancho de cordón ≤ 3 x diámetro del metal de aporte).
• Manteniendo arco corto para una mejor definición y control de dirección del baño de fusión.
• Empleando un método de alimentación continua del aporte durante la soldadura.
• Siguiendo los principios de preparación y ensamble de las uniones, incluyendo un diseño de junta apropiado, la precisión en el maquinado de los biseles de la junta, abertura de raíz uniforme, limpieza en la superficie, inspección visual, habilidad para asegurar el control de la atmósfera de protección y la minimizando el desalineamiento.
• Demostrando paciencia en la manipulación del baño de fusión sin el uso excesivo de amperaje.

Revisión de la soldadura de tuberías – Criticidad del PQR

La calificación del PQR para el SDSS fue una parte integral del proyecto de tuberías. La calificación del PQR estuvo basada en el conocimiento del efecto acumulado en detrimento de la microestructura cada vez que una aleación dúplex es mantenida a temperaturas en rango de formación de fase sigma. En consecuencia, hubo énfasis para minimizar el tiempo a tal temperatura, limitando el número de pases de soldadura, efectos sobre la ZAC y ciclos térmicos. Se estableció un compromiso entre el aporte de calor y el número de pases requeridos para alcanzar las propiedades mecánicas y metalúrgicas deseadas.

También, hubo un control estricto del contenido de ferrita en el metal de soldadura mediante el conocimiento de la composición del metal base y el metal de soldadura a las condiciones térmicas del soldeo. Un aspecto importante de las condiciones térmicas es el rango de enfriamiento de la soldadura. A mayor incremento en la velocidad de enfriamiento, el tiempo de solidificación se reduce y viceversa. El ratio de enfriamiento de la soldadura tiene un efecto profundo en el metal de soldadura y la microestructura de la ZAC durante el soldeo y requiere control mínimo. Por ejemplo, una velocidad de enfriamiento acelerada puede promover el contenido de ferrita en el metal de soldadura superior al óptimo, esto disminuye las propiedades del metal.

Conclusión

El pase de raíz en el soldeo de tuberías inoxidables Super Duplex demanda de alta calidad de mano de obra para alcanzar los criterios de aceptación de la inspección radiográfica y las propiedades mecánicas y metalúrgicas requeridas. Esto involucra lo siguiente:

1) el empleo de competencias superiores de los soldadores de tubería con proceso GTAW;

2) Mantener los principios claves de preparación y ensamble de la unión; y

3) la calificación del PQR para asegurar el depósito de soldadura y la efectividad de la microestructura de la ZAC así como las propiedades mecánicas y metalúrgicas propias de la aleación de la tubería.

Resumen obtenido del Brazing Handbook AWS 4ta. Edición

Tal como se indicó en la primera parte de esta publicación la soldadura fuerte se realiza sobre una junta llamada Ensamble, la misma que debe ser preparada de acuerdo con algunos criterios. Trataremos primero el uso de criterios básicos de diseño de uniones para definir el ensamble y en seguida dos de los primeros pasos del Procedimiento típico para llevar a cabo la soldadura fuerte.

DISEÑO DE LAS UNIONES
Se usan básicamente dos tipos de uniones en soldadura fuerte: la unión traslapada y la unión a tope. Estas uniones se muestran en la figura 1 siguiente:

Figura 1

La unión traslapada: la unión puede ser tan fuerte como el componente más débil, si se usa un traslape de por lo menos tres veces el espesor del miembro más delgado. Incluso cuando se emplea metal de aporte de baja resistencia mecánica o en presencia de defectos pequeños en la unión.Las uniones traslapadas ofrecen una elevada eficiencia de unión y facilidad de fabricación, pero tienen la desventaja de que el aumento en el espesor crea una concentración de esfuerzos y la unión es más débil, por el cambio brusco de sección transversal.

Las uniones a tope se usan en los casos en que el espesor de la unión traslapada sería objetable, y en los que la fortaleza de una unión a tope soldada en fuerte satisface los requisitos de servicio. La resistencia mecánica de la unión depende sólo en parte de la resistencia mecánica del metal de aporte.

La ensambladura francesa es una variación de la unión a tope. Como se muestra en la figura 2, el área de sección transver­sal de esta unión se incrementa sin necesidad de incrementar el espesor del metal. Hay dos desventajas que limitan el uso de este tipo de unión: las secciones son difíciles de alinear y la unión no es fácil de preparar, sobre todo en miembros delgados. Puesto que la unión está angulada respecto al eje de las cargas en tensión, la capacidad de soporte de carga es la de una unión a tope.

Figura 2

La holgura
La holgura del ensamble o separación influye en el desempeño mecánico de la unión soldada. De la holgura del ensamble dependerá:

(1) la posibilidad de que la escoria producida por el fundente quede atrapada
(2) la posibilidad de que queden espacios vacíos o huecos.
(3) la relación entre la holgura y la fuerza capilar que gobierna la distri­bución del metal de aporte. Cuando la holgura es muy grande la fuerza capilar disminuye, si es muy pequeña podría dificultar el ingreso de la aleación de aporte si esta es muy viscosa.
(4) la cantidad de metal de aporte que debe difundirse.

Si la unión soldada en fuerte está libre de defectos (inclusio­nes de fundente, huecos, áreas no soldadas o porosidad), su resistencia en corte dependerá del espesor de la unión.
Aunque existen modelos para calcular la holgura del ensamble, estos pueden resultar engorrosos, se sugiere recurrir a las tablas de holgura que ofrecen las normas de acuerdo con los materiales base y las aleaciones de aporte a usar. En la tabla siguiente se muestran algunos ejemplos sobre la holgura recomendada para ciertos materiales de aporte:

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA FUERTE

 1.Limpieza previa y preparación de las superficies

 Es indispensable que las superficies estén limpias y libres de óxidos para asegurar uniones soldadas íntegras y de calidad uniforme. Las grasas, los aceites, la suciedad y los óxidos evitan que el metal de aporte fluya y se adhiera de manera uniforme. La limpieza previa debe ser más minuciosa, y los com­ponentes limpios se deben mantener libres de contaminación si el material tiene óxidos refractarios, como cuando se suelda aluminio, o si la soldadura fuerte debe realizarse en atmósfera especial, como cuando se suelda titanio al vacío.

El tiempo en el que la limpieza es efectiva depende de los metales en a soldar, de las condiciones atmosféricas, de la manipulación de las piezas, del almacenamiento y de otros factores similares. Se recomienda realizar la soldadura fuerte tan pronto como sea posible después de haber limpiado las piezas.

Algunos métodos de desengrasado y limpieza:

 (1) Limpieza con disolventes: disolventes de petróleo o hi­drocarburos clorados.
(2) Desengrasado con vapor: tricloroetileno o percloroetile­no estabilizados.
(3) Limpieza alcalina: mezclas comereiales de silicatos, fos­fatos, carbonatos, detergentes, jabones, agentes humectantes y, en algunos casos, hidróxidos.
(4) Limpieza con emulsión: mezclas de hidrocarburos, áci­dos grasos, agentes humectantes y activadores de superficies.
(5)  Limpieza electrolítica: tanto anódica como catódica.

La eliminación de incrustaciones y óxidos se puede efectuar mecánica o químicamente, a continuación se indican algunas soluciones para retirar las incrustaciones:

• Limpieza ácida : limpiadores ácidos tipo fosfato
• Baño químico ácido: ácidos sulfúrico, nítrico y clorhídrico.
• Baño químico salino: electrolítico o no electrolítico.

 La selección del agente para limpieza química dependerá de la naturaleza del contaminante, del metal base, de la condición de la superficie y del diseño de la unión. Por ejemplo, los metales base que contengan cobre y plata no deberán tratarse con baño de ácido nítrico.
Después de la limpieza química, en todos los casos, el residuo químico se deberá eliminar mediante un enjuagado exhaustivo a fin de evitar la formación de otras películas igualmente indeseables en las su­perficies de las uniones o un ataque químico del metal base subsecuente.

La limpieza mecánica elimina óxidos e incrustaciones y además hace ásperas las superficies de empalme, lo que puede mejorar el flujo capilar y el mojado por parte del metal de aporte de soldadura fuerte. Se puede usar amolado, limado, maquinado y cepillado con alambre. También se puede usar ráfagas de material abrasivo limpio, como arena de sílica, alúmina y otros abrasivos no metálicos, pero no deben dejar en las superficies depósito alguno que pudiera interferir con la soldadura fuerte.

Información adicional en una próxima publicación.

Resumen obtenido del Brazing Handbook AWS 4ta. Edición 

El proceso de SOLDADURA FUERTE o BRAZING (en inglés) que conocemos se inició como un arte antiguo. A través del entendimiento de la naturaleza y el comportamiento de los materiales, este arte se ha envuelto en la tecnología y la ciencia. El proceso es el único en el cual la unión metalúrgica es formada por la fusión de un material de aporte únicamente; los componentes a ser unidos no alcanzan el estado líquido.

La soldadura fuerte es probablemente la técnica de unión de metales más antigua entre las uniones no mecánicas. Oro, plata y cobre fueron encontrados en estado natural y recogidos hace 5000 años a.c. Los sumerios residentes del límite entre el río Tigris y el Eufrates (en el actual Irak), fueron los primeros en descubrir la fusión de dichos metales en sus hornos. El lugar en donde nació la civilización fue también el lugar de nacimiento de la metalurgia.

 La soldadura fuerte tiene diversas aplicaciones, entre las más importantes están la industria aeroespacial (soldadura de turbinas y motores de reacción), la industria electrónica (componentes electrónicos y unidades de almacenamiento de energía), joyería y en el mantenimiento de partes que por su naturaleza no pueden ser unidas por fusión. En la figura 1 siguiente se muestran algunas aplicaciones.

Definición: Se denomina Soldadura Fuerte al proceso de unión de materiales en el que la temperatura de soldeo está por encima de 450ºC y en el que no se llega al punto de fusión del material o materiales base, por lo que la unión no se realiza por fusión de materiales sino en base a la liga producida por la aleación de aporte que ingresa a la unión por capilaridad.

 La capilaridad es la cualidad que posee un material de absorber a otro; en soldadura podemos decir que gracias a la capilaridad, los intersticios de algunos materiales, a cierta temperatura, son capaces de absorber a otros (materiales o aleaciones de aporte), cuya fluidez hace que ello sea posible.

 La soldadura fuerte se realiza porque se satisfacen tres criterios:

 1. Las piezas se unen sin fusión de los metales base.

¿Por qué es mejor que los materiales no se fundan?

Porque mientras menos calor reciba el material a soldar, menos desgaste térmico (pérdida de propiedades por cambios metalúrgicos) y se producirán menos deformaciones.

 ¿Cuándo se requiere que los materiales no se fundan?

Cuando se quiere unir diferentes materiales, como el acero y el bronce por ejemplo, la fusión de ambos sólo formará compuestos inter-metálicos, estos son en general muy duros y quebradizos. Por lo tanto será imposible unirlos por fusión.

Cuando las condiciones del sistema en el que se encuentra la unión significan un riesgo para las personas y el ambiente.

 2. El metal de aporte tiene una temperatura de líquidos mayor que 450ºC.

Se denomina temperatura de líquidos o temperatura de fusión a aquella en la cual el material se vuelve líquido y mantiene su composición pura o de aleación. Las aleaciones de aporte mantienen su composición durante cierto rango de temperatura, por encima de este, los elementos de la composición se desagregan o separan por licuación y la composición pierde sus propiedades iniciales. En la tabla 1 siguiente puede notarse la diferencia de rangos de temperatura de soldeo o braceado para diferentes aleaciones de aporte.

 3. El metal de aporte moja las superficies del metal base y penetra en la unión y se mantiene en ella por acción capilar.

 La mojabilidad es la capacidad  por la que un líquido puede extenderse y dejar un rastro sobre un material sólido. La aleación de aporte debe poder mojar la unión para que a continuación fluya e ingrese por capilaridad en la unión.Las aleaciones de aporte, en general, no logran mojar compuestos como los óxidos, es por ello que la unión deberá estar libre de estos.

 Principio del proceso de Soldadura Fuerte

En Soldadura Fuerte o Brazing la configuración de los componentes a ser unidos: llamado Ensamble, es llevada hasta la temperatura de fusión de la aleación de aporte, la cual llena la holgura entre los materiales base. El ensamble es entonces enfriado hasta que la aleación de aporte solidifica. Para llevar a cabo con éxito la unión por soldadura fuerte, es importante destacar que el proceso requiere elementos auxiliares como los fundentes y desoxidantes, un factor importante como es la atmósfera de soldeo y el equipo que proporcionará la energía térmica. (ver figura 2)

Información adicional en una próxima publicación.

Sigue leyendo →

Resumen del artículo publicado en la referencia siguiente:

Battery Welding: A Guide to Selecting and Using Joining Technologies  (2015). Welding Journal, Vol. 94 (3), pp. 36- 39

El presente resumen nos acerca al uso de la tecnología en la fabricación masiva de unidades de almacenamiento de energía: Las Baterías. Muchas de las decisiones de compra de equipos de las empresas fabricantes, dependen del conocimiento tecnológico de sus ingenieros y técnicos. Nuestro país aclama por la inversión en investigación y desarrollo, los empresarios tienen el deber urgente de capacitar al personal, no sólo por el cumplimiento ante el estado sino porque de ello depende su sostenibilidad en el tiempo.

MCH

SOLDADURA DE BATERÍAS: una guía para seleccionar y usar las tecnologías de unión

Las baterías y paquetes de batería se han convertido en parte integral de la vida cotidiana en respuesta al incremento constante de la demanda de dispositivos electrónicos portátiles, herramientas eléctricas inalámbricas, almacenamiento de energía y coches híbridos. Esto, a su vez, impulsa la necesidad de fabricar baterías y paquetes de estas que cumplan con los requisitos de calidad de estos productos. Hay una cantidad de requisitos de materiales de unión para la fabricación, dependiendo del tipo específico, tamaño, y capacidad de la batería. Las conexiones de los terminales internos, el llenado de la batería y el sellado del enchufe, el tablero de conexiones de terminales y las conexiones eléctricas externas son algunos ejemplos clave.

Algunas opciones de unión pueden ser consideradas para cada una de estas operaciones, tales como: la soldadura por resistencia, ultrasonido, soldadura de arco eléctrico micro-gas (GTAW) y soldadura láser, incluyendo las nuevas o recientes opciones de láser fibra. La decisión de usar una u otra dependerá del tipo específico de unión requerida y los requisitos de producción.

La soldadura por ultrasonido es comúnmente usada para unir los materiales de los electrodos internos de la batería, estos son usualmente construidos de láminas muy delgadas de aluminio y cobre. Los requisitos restantes de unión, incluyendo las conexiones internas de la carcasa, y el tablero de los terminales de conexión externos, es adecuado unirlos por soldadura de resistencia, micro-GTAW y soldadura láser. En uniones que requieran hermeticidad como la carcasa y aplicaciones de enchufe, la soldadura láser es la mejor tecnología de unión.

Lo siguiente es una revisión de la tecnología de la soldadura por resistencia, micro-GTAW, y soldadura láser, a lo largo de ejemplos de aplicaciones de uniones en baterías, detallando cuando y donde usar cada tecnología.

Soldadura por resistencia, Micro-GTAW, y soldadura láser en la fabricación de baterías.

La soldadura por resistencia ha sido usada por más de cuarenta años en la fabricación de baterías. Desde entonces, un flujo constante de avances en los sistemas de soldadura por resistencia ha dado a los usuarios un incremento significativo de capacidades para controlar varios aspectos del proceso. Por ejemplo, la introducción de inversores DC como fuentes de alimentación con los modos eléctricos de circuito cerrado básico, proveen la capacidad para adaptarse a cambios en el circuito secundario. También, el cambio de polaridad de los suministros de descarga de capacitancia para habilitar el equilibrio del tamaño de las pepitas de soldadura y recientemente la medición del desplazamiento y la presión del electrodo, con ello los fabricantes tienen más herramientas para garantizar la calidad de la soldadura.

Similar a la soldadura por resistencia, el proceso GTAW ha sido usado en manufactura por muchas décadas, tradicionalmente en aplicaciones desafiantes de materiales no ferrosos. Los avances en la alta frecuencia de las fuentes de alimentación han incrementado el control de corriente baja y la estabilidad del arco, permitiendo la soldadura más fina. Este proceso se hizo conocido como Micro-GTAW, un proceso generalmente sin contacto que ofrece excelentes uniones de cobre.

La soldadura láser es una tecnología reciente, introducida en el sector de manufactura a mediados de los 80’s. Como tecnología láser ha madurado y el conocimiento de sus beneficios se ha extendido, se ha vuelto un proceso estable. Hoy en día, es simplemente una herramienta más en la caja de herramientas del ingeniero de fabricación para ser utilizado y aplicado según sea necesario.

El láser provee una fuente de luz de intensidad luminosa que puede ser enfocada en diámetros realmente pequeños (0,01 pulgadas o 0,25 mm). La concentración de la energía en esta luz es suficiente para fundir rápidamente los metales, formando un botón instantáneo de soldadura. El proceso es sin contacto, no requiere de consumibles (material de aporte), ofrece soldadura instantánea una vez posicionado en el punto, hay control suficiente para determinar el tamaño del botón de soldadura de acuerdo con los requerimientos, y provee una serie de métodos de ejecución que pueden ser orientados por el operador de acuerdo a los requerimientos de fabricación. La soldadura por láser permite la unión de muchos materiales y combinaciones de materiales, puede soldar piezas gruesas y no tiene ninguna limitación en la proximidad de los puntos de soldadura (esto debido a zonas endurecidas por sobrecalentamiento).

Hay dos tipos de láser que proveen soluciones para las aplicaciones en baterías: Nd:YAG pulsado y Fibra. Ambos ofrecen diferentes características que pueden seleccionarse apropiadamente.

Las costuras de alta velocidad y los cierres de tapón en las carcasas de baterías

La soldadura láser es un método excelente para costuras herméticas, alta velocidad y alta calidad en acero como en aluminio. La soldadura láser ofrece avances significativos por encima del remachado mecánico y los métodos adhesivos, basada en la confiabilidad de la unión velocidad y facilidad de fabricación. Como la soldadura láser es un proceso extremadamente eficiente, el aporte de calor en la batería es mínimo. La figura 1 muestra unos pocos ejemplos de carcasas de aluminio soldadas, incluyendo una sección transversal de soldadura, y una soldadura de tapón de sellado como ejemplos de aplicación.

Soldadura por resistencia: Este proceso ha sido y continúa siendo el método efectivo de menor costo para unir lengüetas a un amplio rango de tipos y tamaños de batería, utilizando los inversores DC de circuito cerrado y los capacitadores de descarga de fuentes de alimentación.  Con tiempos de subida rápida, el control de retroalimentación de circuito cerrado, cambio de polaridad y las opciones para el desplazamiento y la presión del electrodo, el proceso puede ser finalmente sintonizado y monitoreado para asegurar alta calidad y rendimiento.

Para espesores de lámina de níquel de hasta 0.007 pulgadas (0,17 mm), la lengüeta puede ser soldada sin modificación. Más allá de dicho espesor, para prevenir la derivación eléctrica y el desgaste excesivo del electrodo, es necesarios el uso de proyecciones de la lámina como parte del proceso de estampado. Las proyecciones actúan no sólo como concentradores de energía para la soldadura, también aumentan enormemente el tiempo de vida de los electrodos. La figura 2 muestra varios ejemplos de aplicaciones de soldadura de resistencia en lengüetas.

Micro-GTAW: Este proceso ofrece una excelente soldadura del cobre, y presenta una buena solución para la soldadura de barras colectoras que requieren material de aporte para la soldadura por resistencia o una gran máquina de soldar láser de potencia. Tanto a tope, de filete, como uniones traslapadas en espesores desde 0.020 pulgadas (0,5 mm) de espesor de cobre se sueldan fácilmente. Cuando la soldadura del cobre usa Micro-GTAW, es en extremo importante el uso de una función de pulsación que permite soldadura sin porosidad, tal como se muestra en la figura 3.

Soldadura Láser: Para uniones de lengüetas y barras colectoras, la soldadura láser ofrece un alto grado de flexibilidad tanto en espesor como en materiales, como el cobre, aluminio, acero y níquel tan bien como la combinación de materiales disímiles. Dos ejemplos son mostrados en la figura 4.

Cuando se suelda una lengüeta a un terminal, la regla de oro es que la lengüeta debe ser más delgada que el grosor del terminal. La lengüeta debe ser por lo general un 50% más delgada para asegurar que la resistencia y conductividad de la soldadura mientras asegura que no penetre o ahueque la lata de la carcasa.

Como este proceso no tiene limitación de la proximidad de las soldaduras, se puede colocar cualquier patrón de puntos de soldadura en la lengüeta de acuerdo con los requisitos de resistencia. Vale la pena señalar que, en casi todos los casos, si se logra la resistencia de la soldadura de la junta, la conductividad está garantizada. Para materiales más conductivos, la resistencia del área de soldadura requerida puede ser como mucho, diez veces lo requerido para la conducción.

Tal como muestra la figura 5, la ubicación de los puntos de soldadura sobre la lengüeta es flexible, y puede ajustarse a los requisitos de resistencia del paquete o la lengüeta. Por ejemplo, la resistencia al pelado se utiliza a menudo como indicador de calidad de soldadura. Por lo tanto, las soldaduras pueden ser posicionadas adecuadamente. La resistencia al pelado en la figura 5A es 15 lb, y el de la figura 5B es de 60 lb.El tiempo necesario para añadir puntos de soldadura es muy corto; la resistencia suficiente de la lengüeta puede lograrse con muy poco impacto sobre el tiempo del ciclo. Aunque la resistencia al pelado permanece como método de ensayo, otro ensayo importante a la soldadura es la vibración. Como la fuerza de vibración pone énfasis en tener buena resistencia de la soldadura en cualquier dirección, el círculo de puntos de soldadura que se muestra en la figura 5C es la mejor solución.

Volumen de producción dirigido por la demanda del consumidor

El volumen de producción de baterías sigue impulsado por las exigencias de la electrónica de consumo y los vehículos eléctricos. Del mismo modo, la fabricación y las necesidades de estas baterías también dependen de la capacidad, tamaño, materiales, y el uso.

Las tecnologías de soldadura por Resistencia, micro-GTAW, y láser tienen cada una características que se alinean bien a estas necesidades de unión. Se necesita una comprensión clara de estos procesos y la necesidad de su aplicación para implementar un sistema de soldadura de producción eficiente y confiable. Las tablas 1 y 2 ofrecen algunas directrices sobre los métodos disponibles y algunos parámetros que incluyen el proceso ideal para una variedad de aplicaciones.

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Resumen del artículo publicado en la referencia siguiente:

Campbell, R., Sturgill, L. y Roth, W. (2014). Codes and Standards that deal with Stainless Steels. Welding Journal, Vol. 93 (5), pp. 47 – 48

Estándar Equipos de Bio-procesos ASME (ASME Bioprocessing equipment standard)

Esta norma denominada también BPE Standard, fue desarrollada para la construcción de equipos y sistemas de tubos en los que se fabrican productos farmacéuticos y medicamentos; esta cubre el diseño, materiales, construcción, examinación o inspección y ensayos de tales sistemas y equipos. 

Los aceros inoxidables son seleccionados por su resistencia a la corrosión común y a otros tipos de corrosión. Sin embargo, en la industria de alta pureza gobernada por este estándar (BPE Standard), una preocupación adicional es la contaminación de los medicamentos por los materiales de construcción. Por el uso en la industria, del acero inoxidable 316L (UNS S31603), la mayoría de los requisitos de soldadura y criterios de aceptación en la sección MJ (Unión de materiales) han sido escritos en base a las características de esta aleación.

En la edición 2009 el estándar BPE se expandió incluyendo una nueva sección MM (Materiales metálicos). La edición 2012 ahora incluye no sólo los aceros inoxidables austeníticos tales como AISI 304, 304L, 316 y 316L (equivalentes europeos UNS S30400, S30403, S31600), sino también a aleaciones super-austeníticas como AISI 312 (UNS N08367, S31254, y N08926) e inoxidables dúplex  como UNS S32205. En esta sección También se listan los materiales de aporte recomendados, con el fin de que su uso resulte en un metal con más resistencia a la corrosión en comparación con el metal base.

Históricamente el estándar BPE no abordaba el tratamiento post-soldeo, ya que las propiedades mecánicas del 316L en tubos soldados utilizados en estado recocido no variaba mucho de los accesorios preformados y soldados a estos tubos. Sin embargo, cuando aleaciones como UNS N08367 son soldadas, ocurre micro segregación severa de molibdeno, resultando en soldaduras cuya resistencia a la corrosión es significativamente inferior al metal base. Para compensar esto, la sección MM propone como metales de aporte, super-aleaciones a ser usadas con los aceros super-austeníticos o, en lugar de ello, el tratamiento post-soldeo de la soldadura. Como resultado, metales base de alta aleación fueron re-categorizados apropiadamente para permitir la aplicación razonable de estas normas.

En futuras ediciones, posiblemente se pueda incluir el acero inoxidable dúplex UNS S32101, que reflejaría la mejor resistencia a la corrosión que tienen estas aleaciones frente a los aceros 316L, sin mucho costo adicional.

La edición 2012 presenta también en la parte MJ, Unión de Materiales, la cartilla de colores de la AWS D18.2:2009, Guía de niveles de decoloración para soldar sobre y en el interior de tubos de acero inoxidable, e incluye muestras de soldadura con pulido mecánico y electropulido. Estas cartillas de color están también disponibles como cartillas separadas (ASME BPE MP-2012 y ASME BPE EP-2012)

Conclusiones, sobre del artículo: Muchos códigos y normas proveen información de ayuda para la soldadura de aceros inoxidables

Mientras que cada código o norma (estándar) fue desarrollada para industrias o aplicaciones específicas, hay prácticas generales y recomendaciones que son aplicables a todos los aceros inoxidables sin importar su aplicación. Dependiendo de las condiciones de servicio (temperatura, presión, carga, ambiente corrosivo, fluido, etc) e industria, diferentes códigos y normas aplican. Pero, las buenas prácticas de las normas industriales desarrolladas por consenso, basadas en normas desarrolladas por organizaciones tales como AWS y ASME eleva la baya de la calidad en construcción y asegura resultados apropiados y aceptables.

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Resumen del artículo publicado en la referencia siguiente:

Campbell, R., Sturgill, L. y Roth, W. (2014). Codes and Standards that deal with Stainless Steels. Welding Journal, Vol. 93 (5), pp. 47

En la parte I  de esta publicación se trató sobre la norma AWS D1.6, cuyo alcance es la soldadura estructural de los aceros inoxidables; en la parte II la norma AWS D18, que trata de soldadura para uso en la manufactura y contrucción de plantas de procesamiento de lácteos y productos alimenticios y que contiene las especificaciones: (1) AWS D18.1, para aplicaciones de soldadura de sistemas sanitarios de tubos y caños de acero inoxidable; (2)la especificación AWS D18.2, que es una guía para comparar la decoloración de los tubos de acero inoxidable, que sirve para establecer criterios de aceptación de soldaduras; y (3) la especificación AWS D18.3, que establece los requerimientos para la soldadura de tanques, recipientes y otros equipos de aplicaciónn sanitaria.

A continuación se tratará del código ASME B31.3, que trata específicamente a las tuberías de procesos en donde la preocupación principal es la presión de servicio; y en la parte IV se tratará a la norma ASME BPE  desarrollada para los equipos y sistemas de tubos para la fabricación de productos farmacéuticos y medicamentos

ASME B31.3, Código de Tuberías de procesos

Los aceros inoxidables son encontrados en muchos sistemas de tuberías para plantas de producción de petróleo y gas, biotecnología, farmacéutica y química. ASME B31.3, Tuberías de procesos, tiene como fin  “fijar los requerimientos de ingeniería necesarios para el diseño y construcción segura de instalaciones de tuberías” (párrafo 300 (c1)). El primer propósito de el código B31 es la seguridad en instalaciones bajo presión; sin embargo, otras consideraciones deberán también ser tomad

as en cuenta incluyendo “la compatibilidad de materiales con el servicio…” (referencia del párrafo 300 (c6)).  Por esta razón, ASME B31.3 requiere que el dueño/usuario o cliente especifique el fluido de servicio para la aplicación prevista. Esta determina la extensión de la inspección, los métodos de ensayo no destructivo (END) y los criterios de aplicación aplicables.

El Apéndice A provee la resistencia permisible, a esfuerzos básicos (ejm. Tracción, fluencia y corte), para los materiales listados. Este tiene incluido muchos aceros inoxidables austeníticos, ferríticos, martensíticos y dúplex. La edición 2014 contiene algunos austeníticos adicionales (tales como UNS S20153 Y S31635), numerosos grados de dúplex  (tales como UNS S32101, S32205, S32760 Y S32906), y algunos de grado superaustenítico (incluyendo UNS S31254, N08904 y N08367).

El código ASME B31.3 presenta también las temperaturas de pre calentamiento y post soldeo para varias categorías de aceros inoxidables. Antes de la edición del 2012, sólo se recomendaba una temperatura mínima de precalentamiento, si la temperatura ambiente era menor a cero grados centígrados, la temperatura sugerida se volvía requisito. En la edición del 2012, sin embargo, la mínima temperatura de precalentamiento recomendada ya era requisito. En la edición 2014: para los austeníticos con número P 8 y los ferríticos con número P 7, la B31.3 se requiere un mínimo de 50°C, mientras que para los martensíticos con número P 6, se requiere de un mínimo de  204°C.

Este código podría eventualmente agregar algunas cuestiones relativas a los aspectos únicos de la soldadura de los aceros inoxidables. Tal como el gas de protección para la superficie de raíz en una soldadura de tubería. Para una edición futura está siendo evaluado el incluir en las notas de la tabla de criterios de soldadura, una declaración para abordar las soldaduras en tuberías de alta aleación, así como el potencial de oxidación y endurecimiento por oxidación pesada (sugaring) de la raíz ver la figura siguiente (http://blog.pucp.edu.pe/media/4867/20150202-sugaring.png). Una precaución que también se agregaría en la próxima edición sería la disminución a la resistencia de la corrosión debido al sugaring y la evaluación de sus ensayos radiográficos, debido a la apariencia distinta de las soldaduras donde se presenta el sugaring.

La edición 2010 de la ASME B31.3 incluyó un nuevo capítulo: Capítulo X, sobre las tuberías de alta pureza, la cual fue escrita no sólo para indicar los requisitos de seguridad de presión, sino también para fijar los requerimientos de limpieza de las aplicaciones de alta pureza como la industria bio-farmacéutica y de semiconductores. Este capítulo provee reglas alternativas para el diseño y construcción de tubería. para el servicio de fluidos de alta pureza,  diseñada por los mismos usuarios agregando los requerimientos básicos de B31.3, tales como las soldaduras que requieren no solo lo establecido en B31.3, sino también lo requerido en el Estándar para Equipos de Bio-procesos de la industria bio-farmacéutica (ASME BPE). Este capítulo solo permite el proceso de soldadura orbital TIG y requiere del uso de cupones de soldadura para el control de calidad.

En la cuarta y última parte de esta publicación se tratará  la Norma ASME BPE

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 Resumen del artículo publicado en la referencia siguiente:

Campbell, R., Sturgill, L. y Roth, W. (2014). Codes and Standards that deal with Stainless Steels. Welding Journal, Vol. 93 (5), pp. 47

Normas AWS D18

El comité del AWS D18 de Soldadura Sanitaria desarrolló la norma AWS  D18 como respuesta al Comité de Normas Sanitarias 3-A,  para ayudar en la preparación de normas de soldadura para uso en la manufactura y construcción de plantas de procesamiento de lácteos y productos alimenticios. A continuación las tres especificaciones correspondientes a esta norma, de aplicación a los aceros inoxidables.

La AWS D18.1:2009,  Especificación para aplicaciones de soldadura de sistemas sanitarios de tubos y caños de acero inoxidables, cubre los requerimientos para procesos GTAW (soldadura de arco eléctrico con electrodo de tungsteno o TIG) y PAW (soldadura de arco por plasma) de aceros inoxidables y aleaciones de níquel en tubos y caños de 1/4” (6 mm) o más de diámetro. Esta norma incluye la soldadura manual y orbital de tubos para el transporte de productos, soluciones  de limpieza y/o desinfección en sistemas sanitarios.

Una de las principales preocupaciones de la industria sanitaria es la contaminación de los alimentos y productos lácteos. La corrosión es una de las fuentes de contaminación. Las soldaduras son hechas en aceros inoxidables austeníticos y la presencia de oxígeno produce decoloración resultando superficies que pueden corroerse y seguidamente contaminarse y contaminar los alimentos y lácteos. Por ello una cartilla de color se incluye en la AWS D18.1 para identificar los diferentes niveles de decoloración para las superficies de contacto de las soldaduras de producción de acero inoxidable 304L (acero inoxidable 304 con bajo contenido de carbono). La norma AWS D18.1  así como otros códigos, normas y especificaciones ha usado históricamente esta cartilla para establecer criterios de aceptación para aplicaciones específicas. Esta norma también indica el uso de muestras de soldadura antes de la construcción para verificar las características físicas de la soldadura incluyendo el perfil, espesor de soldadura, discontinuidades y nivel de decoloración aceptable de las soldaduras producidas.

AWS D18.2:2009, Guía de niveles de decoloración para soldar sobre y en el interior de tubos de acero inoxidable, provee una carta similar a la de AWS D18.1 pero en un formato único y de uso general para su uso con otras normas (ver figura en  http://blog.pucp.edu.pe/media/4867/20150119-aws_d18_2_cartilla_de_color.png). A requerimiento de la industria biotecnológica y farmacéutica es que se hizo esta norma. Esto acerca a los niveles de decoloración de la soldadura, por comparación. La cartilla se obtuvo a partir del uso de diferentes contenidos de oxígeno en el argón utilizado como gas de purga en el interior de un tubo durante la soldadura. Entre  los factores causantes de la decoloración, en la soldadura de aceros inoxidables están la humedad, hidrocarburos (aceites, grasas), hidrógeno y acabado superficial.

Finalmente, para satisfacer las necesidades de la industria alimentaria y de lácteos, fue preparada la AWS D18.3:2005, Especificación para la soldadura de tanques, recipientes y otros equipos de aplicación sanitaria. La segunda edición de esta especificación es ahora sometida a votación y su última edición aún está por publicarse. El alcance de esta especificación cubre los requerimientos para soldaduras de acero al carbono, aceros inoxidables y aleaciones de níquel usadas en la fabricación de tanques nuevos, recipientes y otros equipos para aplicaciones sanitarias, así como la soldadura de tubería o caño a tanque, recipiente u otra pieza del equipo sanitario y para el uso en soldadura de boquillas u otras aberturas.

En la tercera parte de esta publicación se tratará  el Código ASME B31.3 y la Norma ASME BPE

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Resumen del artículo publicado en la referencia siguiente:

Campbell, R., Sturgill, L. y Roth, W. (2014). Codes and Standards that deal with Stainless Steels. Welding Journal, Vol. 93 (5), pp. 44-46

Numerosos códigos y normas que referencian o tratan la soldadura de los aceros inoxidables se están expandiendo para incluir más información teórica y práctica con respecto a la selección de materiales, soldadura, y consideraciones de servicio en adición a los requerimientos tradicionales de los códigos. Estos consideran la soldadura de las cinco categorías de aceros inoxidables: austeníticos, ferríticos, martensíticos, endurecidos por precipitación y especialmente las aleaciones dúplex. En este artículo se provee de algunos extractos de estos documentos de información muy útil.

AWS D1.6, Norma estructural de soldadura de aceros inoxidables

Este código referencia los requerimientos para soldadura de estructuras de aceros inoxidables tales como soportes para recipientes de presión, plataformas y edificios o armaduras. La mayoría de los constructores usa las especificaciones  del código AWS D1.1 Código de soldadura estructural de acero. Este código no es apropiado ni seguro por numerosas razones: los aceros inoxidables están fuera del alcance del AWS D1.1, los aceros inoxidables tienen diferentes propiedades a los aceros al carbono y a los aceros de baja aleación, y los requerimientos de servicio son diferentes también.

Como resultado el comité D1 de la Asociación Americana de Soldadura (AWS), preparó el código AWS D1.6. La primera edición fue publicada en el año 1999, la segunda en el 2007 y la tercera debe publicarse este 2015.

Este código es principalmente aplicado para aceros inoxidables austeníticos, pero también cubre la soldadura estructural aplicada a cualquiera de las otras cuatro categorías así como a la soldadura entre aceros inoxidables y aceros al carbono o a los de baja aleación, en espesores de 1/16 de pulgada (1.5 mm) a más.

La Claúsula 2 provee información valiosa para diseñadores de estructuras de acero inoxidable.  La Tabla 2.1 señala los valores máximos permisibles de resistencia para uniones de acuerdo con el tipo y orientación de la carga aplicada en uniones con penetración completa (CJP), uniones con penetración parcial (PJP), soldadura de filete y tapón.

La claúsula 3 cubre los procedimientos precalificados de soldadura (WPSs) en dónde el metal base son los aceros inoxidables austeníticos y junto con los materiales de aporte forman pequeña cantidad de ferrita en la soldadura y, por lo tanto, puede ser usado sin necesidad de calificar un procedimiento. El uso de los WPSs están limitados a procesos de soldadura y detalles de unión especificadas.

La claúsula 4 describe la Calificación de procedimientos de soldadura y personal (apuntaladores, soldadores y operadores de soldadura). Las calificaciones pueden ser hechas en cualquier unión de acero inoxidable o entre acero inoxidable y acero al carbono o acero de baja aleación. Algunas áreas están siendo evaluadas para su revisión e inclusión en la próxima edición.

En la claúsula 5:  La fabricación, referencia las cuestiones prácticas sobre la soldadura de los aceros inoxidables, principalmente lo relacionado a la contaminación y la consecuente corrosión. El párrafo 5.2 indica “las propiedades de resistencia a la corrosión de los materiales y las condiciones de servicio de lo fabricado serán consideradas como prioridad en la fabricación”. Luego continua con las recomendaciones para remover los óxidos de la superficie y concluye diciendo: “Donde la corrosión por picaduras, la corrosión por agrietamiento, corrosión intergranular o la fisuración debido a corrosión por tensión  son consideraciones especiales de fabricación que deberán ser especificadas en los documentos contractuales.” Esa claúsula también advierten respecto a evitar el contacto con plomo, zinc u otros materiales con estos componentes debido a la potencial fisuración en caliente.

La importancia de la contaminación es desarrollada en el párrafo 5.2.1 con requerimientos tales como: “discos de amolado, hojas de sierra, hojas, u otras herramientas cortantes que han sido usadas con aceros al carbono no deberán ser usadas en aceros inoxidables. El amolado deberá ser realizado con ruedas abrasivas libres de hierro. “La limpieza de las soldaduras es añadida en el párrafo 5.10 con requerimientos como: “En todos los casos donde se usen escobillas, los alambres de las escobillas serán de materiales de acero inoxidable”.

La claúsula 6: Inspección, está siendo evaluada para una revisión potencial y ser reformada paralelamente al AWS D1.1:2010. Hay dos áreas principales diferentes entre AWS D1.1 y AWS D1.6 con respecto a los ensayos no destructivos. El ensayo por partículas magnéticas (MT) se aborda brevemente en el AWS D1.6 debido a que los aceros inoxidables austeníticos (los que son mayormente usados en la soldadura de aceros inoxidables estructurales) no son magnéticos; sin embargo el párrafo 6.7.7 permite el uso de partículas magnética para los grados de inoxidable ferrítico y martensítico así como para las aleaciones endurecidas por precipitación. Los procedimientos de ensayo por ultrasonido (UT) y sus requerimientos son diferentes en AWS D1.6  a los indicados en AWS D1.1 debido a la mayor dimensión de los granos vistos en los aceros inoxidables austeníticos soldados y sus efectos sobre la resolución e interpretación de las señales UT.

Finalmente la claúsula 7  trata la Soldadura de espárragos y está siendo evaluada para formatearla y presentar una secuencia más lógica de operaciones, e identificar claramente las combinaciones de acero inoxidable y espárragos de acero al carbono/ acero de baja aleación  y los metales base que pueden ser soldados.

Mucha gente no se da cuenta de la riqueza sobre la información disponible en AWS D1.6 para la soldadura de aceros inoxidables, independientemente de si están siendo aplicados a estructuras o no. Hay un número de anexos informativos que merecen una mención.

El anexo F del AWS D1.6:  este es un anexo informativo que provee una matriz de metales base y sus metales de aporte sugeridos. Este incluye combinaciones de las cinco categorías de aceros inoxidables así como sus uniones a aceros al carbono y de baja aleación.

El Anexo I: es una guía para la calificación de procedimientos (WPS) y su us;, este es extremadamente beneficioso ya que tiene una compilación de recomendaciones y guías para la evaluación o ensayo de la calificación de procedimientos. Es especialmente útil en la explicación de las relaciones entre los tratamientos de  precalentamiento y post-calentamiento (PWHT) y las propiedades metalúrgicas y mecánicas de las cinco categorías de acero inoxidable. También se agregan cuestiones singulares para las cinco categorías de acero inoxidable, incluyendo la fisuración en caliente de los austeníticos con contenido bajo de ferrita; la fisuración en frío de los martensíticos que incluye la necesidad de precalentamiento; los electrodos de bajo hidrógeno y el tratamiento de post-calentamiendo cuando estos se sueldan; el control de aporte de calor para alcanzar una microestructura balanceada de austenita-ferrita en los grados dúplex; y problemas de fragilización. Este anexo también trata la soldadura de materiales disímiles (de diferente naturaleza) esto es entre aceros inoxidables y aceros al carbono o de aceros de baja aleación.

Finalmente el anexo N -Soluciones de Ataque: en este se recomienda una lista de químicos y soluciones para macro-ataque de los aceros inoxidables, tales como los que se necesitan para determinar el tamaño de la soldadura o el perfil de la soldadura de filete o la penetración parcial de las uniones de ranura. Este anexo también incluye precauciones de seguridad.

En una próxima publicación se tratará las Normas AWS D18, el Código ASME B31.3 y la Norma ASME BPE

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