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Comprender la zona afectada por el calor en la soldadura: una guía integral

La Zona Afectada de Calor (HAZ) representa uno de los aspectos más críticos de la metalurgia de soldadura y desempeña un papel fundamental en la determinación de la calidad, integridad y rendimiento a largo plazo de las estructuras soldadas. En la soldadura de fusión, la zona afectada por el calor (HAZ) es el área de material base, ya sea un metal o un termoplástico, que no se funde, pero ha tenido su microestructura y propiedades alteradas

HAZ puede afectar las propiedades mecánicas del metal, como su dureza, dureza y susceptibilidad a la grieta. Estos cambios de propiedades se producen porque el calor del proceso de soldadura y posterior re-cooling causa este cambio de la interfaz de soldadura a la terminación de la temperatura de sensibilización en el metal base. La extensión y gravedad de estos cambios dependen de múltiples factores incluyendo la composición de material, los parámetros de proceso de soldadura, la entrada de calor y la refrigeración.

¿Cuál es la Zona Afectada por el Calor?

La Zona Afectada de Calor es la región de metal base adyacente a la soldadura que experimenta ciclos térmicos durante la soldadura sin realmente fundir. La HAZ se refiere a la porción del material base adyacente a la soldadura que ha experimentado ciclos térmicos (calentamiento y refrigeración) lo suficientemente intenso para alterar su microestructura, pero no lo suficiente para fundirla. Mientras que la piscina de soldadura en sí forma la zona de fusión de metal caracterizado y solidifica

El HAZ es distinto tanto de la zona de fusión (metal dorado) como del metal base no afectado. Mientras que la piscina de soldadura en sí forma la zona de fusión (FZ), el HAZ rodea esta zona y se divide en varios gradientes de temperatura, cada uno afectando el material de manera diferente. La anchura y las características del HAZ varían significativamente dependiendo del proceso de soldadura empleado, con procesos como soldadura de rayos láser y la cantidad de electrones

¿Por qué HAZ importa en la soldadura

Estos cambios de propiedad son generalmente indeseables y en última instancia sirven como la parte más débil del componente. Por ejemplo, los cambios microestructurales pueden llevar a tensiones residuales, la resistencia reducida del material, el aumento de la fragilidad y la disminución de la resistencia a la corrosión y/o a la fractura. En muchas aplicaciones críticas, se producen muchos fallos en la HAZ. Esto hace que la comprensión y el control de la HAZ sea esencial para garantizar la fiabilidad y seguridad de las estructuras soldadas.

En muchos materiales, especialmente aceros al carbono, aceros inoxidables y aceros aleación, el HAZ es un factor crítico en el rendimiento de la soldadura. La historia térmica experimentada por el HAZ durante la soldadura puede inducir varios efectos perjudiciales, incluyendo dureza excesiva, hervidor, crecimiento de granos y potencial cracking si no se gestiona cuidadosamente. Entender estos fenómenos es crucial para seleccionar parámetros adecuados de soldadura y tratamientos post-alados.

Zonas microestructurales dentro de la HAZ

El HAZ no es una región uniforme sino que consiste en varios subzonas distintos, caracterizados por diferentes temperaturas pico y microestructuras resultantes. El HAZ puede ser descompuesto en tres subzonas clave: Zona de Calor Afectada de Grano Corso (CGHAZ): Más cerca de la zona de fusión, el CGHAZ experimenta las temperaturas más altas justo debajo del punto de fusión del material base.

Zona afectada de grano gruesa (CGHAZ)

La zona afectada por el calor del grano grueso representa la región inmediatamente adyacente a la línea de fusión y experimenta la exposición térmica más severa. Esta zona se calienta a temperaturas muy por encima de la temperatura de transformación austenita (Ac3) pero debajo del punto de fusión. Esta zona adyacente a la línea de fusión experimenta temperaturas bien por encima de la temperatura de transformación Ac3. Cualquier precipitación que obstruya el crecimiento de los granos austenitos se disuelve, resultando en granos.

La CGHAZ muestra típicamente las características más problemáticas dentro de la HAZ. La zona de grano grueso (CGHAZ) cuenta con la mayor dureza de la HAZ y se espera valores generalmente bajos de dureza. En aceros de carbono y baja aleación, los granos de austenita gruesa que forman a altas temperaturas se transforman en precios de martensita, bainita u otros productos de transformación generalmente reducidos

Fina de la Calor Zona Afectada (FGHAZ)

Fina Zona Afectada por el Calor (FGHAZ): Al alejarse de la zona de fusión, el metal experimenta temperaturas inferiores, lo que conduce a estructuras de grano más finos. Los granos más finos mejoran la dureza y la ductilidad en comparación con la zona de grano grueso. La zona de grano fino se calienta a temperaturas justo encima de la temperatura de transformación Ac3, donde el crecimiento austenito es limitado.

Temperaturas pico inferiores de aproximadamente 1100 °C, justo encima de Ac3, resulta en un desarrollo impropio de austenita, después de la transformación α/γ durante la calefacción, produciendo pequeños granos austeniticos (FGHAZ). Además, la temperatura pico puede no ser lo suficientemente alta para disolver completamente precipitados, limitando el crecimiento del grano al fijar los límites del grano austenito.

HAZ intercrítica y subcrítica

HAZ intercrítica y subcrítica: Estas regiones son las más alejadas de la zona de fusión y experimentan temperaturas por debajo del punto de transformación. La zona intercrítica se calienta a temperaturas entre las temperaturas de transformación Ac1 y Ac3, lo que resulta en transformación parcial de la microestructura. Las temperaturas de pico entre las temperaturas de transformación Ac1 y Ac3 son un resultado de transformación parcial de γ en los granos templados.

La HAZ intercrítica muestra un pequeño tamaño de grano y muestra los valores de dureza más bajos en soldaduras. La zona subcrítica experimenta temperaturas por debajo de Ac1, donde no se produce transformación de fase, pero puede tener lugar el templado de la microestructura existente. Estas zonas pueden ser particularmente importantes en la soldadura de prótesis donde las soldaduras posteriores recalientan las soldaduras previamente depositadas y sus HAZs.

Factores que influyen en las propiedades de la zona afectada por el calor

Múltiples factores interrelacionados determinan el tamaño, la microestructura y las propiedades de la HAZ. Comprender estos factores es esencial para controlar la calidad de la soldadura y predecir el comportamiento material. La magnitud y magnitud del cambio de propiedad depende principalmente del material base, el metal de relleno de soldadura, y la cantidad y concentración de entrada de calor por el proceso de soldadura.

Entrada de calor

La entrada de calor es posiblemente el parámetro más crítico que afecta a las características de HAZ. Entrada de calor: Este es un factor crítico que influye en el tamaño y las propiedades de la HAZ. La entrada de calor se determina por el proceso de soldadura, corriente, tensión y velocidad de viaje. Una entrada de calor alto aumenta el tamaño de la HAZ y puede conducir a la ensanchamiento y ablandamiento del metal base en aceros, aumentando el riesgo de grieta.

El mayor aporte de calor generalmente resulta en un HAZ más grande porque la energía térmica se transfiere al metal base, lo que hace que una región más amplia alcance temperaturas suficientes para la transformación microestructural. Además, la mayor entrada de calor suele dar lugar a tasas de enfriamiento más lentas, lo que puede llevar al excesivo crecimiento del grano y la formación de microestructuras indeseables.

Por el contrario, la entrada de calor inferior produce un HAZ más pequeño pero puede resultar en tasas de enfriamiento más rápidas que pueden conducir a la formación de fases duras y frágiles como martensita en aceros resistentes. El reto en la soldadura es equilibrar la entrada de calor para lograr una fusión y penetración adecuadas al minimizar los efectos adversos HAZ.

Tasa de enfriamiento

La tasa de refrigeración después de la soldadura tiene un profundo impacto en la evolución microestructural de la HAZ. El enfriamiento rápido en aceros puede llevar a la formación de martensita, una fase dura pero frágil, haciendo que la articulación de soldadura sea más propensa a la fractura. Enfriamiento controlado, como el tratamiento térmico post-aliento (PWHT), puede aliviar las tensiones residuales y las estructuras martensitarias templados, mejorando la dureza.

La tasa de refrigeración está influenciada por varios factores, como el calor, el espesor del material, la temperatura precalentada y la temperatura de interpaso. El ciclo de temperatura durante la soldadura se expresa por el tiempo t8/5 que es el momento en que se produce un enfriamiento de la capa de soldadura de 800°C a 500°C. Este parámetro de tiempo de enfriamiento es particularmente importante para los aceros, ya que determina los productos de transformación que se forman durante el enfriamiento.

La dureza máxima en la HAZ normalmente disminuye con el tiempo de enfriamiento creciente t8/5. Si un valor máximo dado de dureza no es excedido para un acero particular, los parámetros de soldadura tienen a los elegidos de tal manera que el tiempo de enfriamiento t8/5 no cae bajo un valor particular. Sin embargo, el enfriamiento excesivamente lento también puede ser perjudicial, ya que el aumento de los tiempos de enfriamiento provoca una disminución de los parámetros de Charimppy

Composición de materiales y propiedades térmicas

La composición de material base afecta significativamente las características de HAZ a través de su influencia en el comportamiento de transformación, la dureza y la tendencia al crecimiento del grano. Los diferentes materiales responden muy diferente a los ciclos térmicos de soldadura. Los cambios en la microestructura que tienen lugar en el HAZ dependerán del material que se solda y de su historia térmica y mecánica.

La difusividad térmica juega un papel particularmente importante en la determinación del tamaño de HAZ. La difusividad térmica del material base juega un papel grande - si la difusividad es alta, la tasa de enfriamiento de materiales es alta y el HAZ es relativamente pequeño. Alternativamente, una baja difusividad conduce a un enfriamiento más lento y un HAZ más grande. Materiales con alta conductividad térmica, como rápidas aleaciones de aluminio y cobre

El contenido de carbono y elementos de aleación afectan significativamente la dureza de los aceros y por lo tanto las microestructuras que forman en el HAZ. El contenido de carbono y aleación más alto generalmente aumenta la dureza, lo que hace que la formación de martensita dura y frágil sea más probable durante el enfriamiento rápido. Los elementos de microaleo como el niobio, el vanadio y el titanio pueden influir en el comportamiento del crecimiento de los fenómenos.

Selección de procesos de soldadura

Los diferentes procesos de soldadura proporcionan calor a la pieza de diferentes maneras, lo que da lugar a características HAZ variables. La soldadura de arcos se encuentra entre estos dos extremos, con procesos individuales que varían un poco en la entrada de calor. Procesos de densidad de alta energía como soldadura de rayos láser y soldadura de haz de electrones producen fuentes de calor altamente concentradas que resultan en HAZs estrechas y pequeñas.

Los procesos de soldadura de arco convencional como GMAW (MIG), GTAW (TIG) y SMAW (stick) producen tamaños intermedios de HAZ. La soldadura de oxifulos, con su fuente de calor difusa y alta entrada de calor total, produce las mayores HAZs. La elección del proceso de soldadura debe considerar las características HAZ requeridas junto con otros factores como el espesor de material, la configuración conjunta y los requisitos de producción.

Calculando la entrada de calor en la soldadura

El cálculo exacto de la entrada de calor es fundamental para predecir y controlar las propiedades HAZ. La entrada de calor cuantifica la cantidad de energía térmica entregada a la pieza por unidad de longitud de soldadura y sirve como parámetro clave en las especificaciones y calificaciones de procedimiento de soldadura.

Fórmula de entrada estándar de calor

Para los procesos de soldadura de arco, se utiliza la siguiente fórmula: Q = (V × I × 60) / (S × 1000) × Eficiencia donde Q = entrada de calor (kJ/mm), V = voltaje (V), I = corriente (A), y S = velocidad de soldadura (mm/min). Esta fórmula es ampliamente utilizada en los códigos y estándares de soldadura, incluyendo ASME Sección IX y AWS D1.

La fórmula representa la potencia eléctrica que el arco (voltaje multiplicado por corriente) y el tiempo que se aplica a cualquier lugar dado a lo largo de la soldadura (inversamente proporcional a la velocidad de viaje).El factor de 60 convertidos de segundos a minutos, y dividir por 1000 convertidos de joules a kilojoules. El factor de eficiencia explica que no toda la energía eléctrica se transfiere a la pieza de trabajo, se pierde a través de otros mecanismos de radiación.

El sistema europeo para calcular la entrada de calor difiere del sistema americano por el parámetro adicional de "eficiencia térmica/eficiencia del proceso/eficiencia del arco". Nota, en el estándar anterior, BS 5135, la entrada de calor se denomina "energía del arco" y no necesariamente incluye la eficiencia del proceso. Los valores típicos de eficiencia del arco varían de aproximadamente 0,6-0,8 para SMAW, 0,7-0,85 para GMAW75 y 0,25 para condiciones específicas

Ejemplos de cálculo de la carga

Considere una operación de soldadura GMAW con los siguientes parámetros: tensión = 28V, corriente = 250A, velocidad de viaje = 300 mm/min, y eficiencia de arco = 0.80.

■ 0,80 = 1,12 kJ/mm observado/strong título

Este valor de entrada de calor se especificará en la especificación del procedimiento de soldadura (WPS) y debe mantenerse dentro de rangos cualificados durante la soldadura de producción. Para muchos aceros estructurales, los rangos de entrada de calor típicos pueden ser de 0,5-2,5 kJ/mm, aunque los requisitos específicos varían según el grado de material, el espesor y los requisitos de aplicación.

Cuando se especifican los parámetros de soldadura como rangos, se deben calcular los valores mínimos y máximos de entrada de calor. Para la entrada mínima de calor, tomaremos la corriente y el voltaje en el lado inferior, ya que es un factor de multiplicación, y la velocidad de viaje en el lado superior, ya que la velocidad de viaje es factor dividendo. Por lo tanto, Entrada mínima de calor (J/min) = (140 × 16 60)/110 = 1221.8 J/min)

Control de la entrada de calor

La entrada de calor de soldadura es un producto de tensión y corriente dividida por velocidad de viaje. Por lo tanto, para controlar la entrada de calor de soldadura, es esencial mantener el valor de corriente y tensión en el lado inferior mientras que la velocidad de viaje debe mantenerse alta. Sin embargo, estos parámetros no se pueden ajustar arbitrariamente - deben ser equilibrados para lograr la fusión, penetración y perfil de cuentas adecuada.

La soldadura se llevará a cabo por cuentas de cadena ya que ayudan a mantener la velocidad de viaje más rápido. El tejido reduce la velocidad de viaje de soldadura y por lo tanto aumenta la entrada de calor de soldadura. Además, utilizando una varilla de diámetro inferior, ya que necesitan un amperaje de soldadura menor, por lo que reducirá indirectamente la entrada de calor de soldadura puede ser una estrategia eficaz cuando se desea una menor entrada de calor.

Modelo térmico y Predicción de tamaño HAZ

Más allá de los cálculos simples de insumos térmicos, modelos térmicos más sofisticados pueden predecir las distribuciones de temperatura, las tasas de enfriamiento y las dimensiones HAZ. Estos modelos van desde soluciones analíticas hasta análisis complejos de elementos finitos.

Ecuación Rosenthal para soldadura

La ecuación Rosenthal representa un enfoque analítico clásico para predecir campos de temperatura en soldadura. Rosenthal ha propuesto un método analítico para estimar las características térmicas de los materiales durante la soldadura de fusión en modo de conducción. Por lo tanto, esta ecuación puede ser utilizada en procesos de soldadura láser bajo modo de conducción de soldadura y no agujero clave, para entender el comportamiento dependiente de temperatura de los materiales durante la soldadura.

La solución Rosenthal proporciona una primera aproximación de la historia térmica y puede ser particularmente útil para estimaciones rápidas. Tal vez la solución analítica más referenciada para el campo de temperatura en una parte que sufre una fuente de calor en movimiento (con velocidad constante y flujo) en el límite es la que proporciona Rosenthal. Esta solución ahora clásica a la ecuación de calor ayuda a predecir las tasas de enfriamiento y la profundidad de penetración HAZ para aplicaciones como el arc-aliento.

Sin embargo, la ecuación Rosenthal se basa en varias suposiciones simplificadoras, incluyendo propiedades materiales constantes, sin pérdidas de calor de la convección o radiación, y una fuente de calor de punto o línea. Algunas suposiciones deben realizarse al utilizar la ecuación Rosenthal para que esta solución analítica sea aplicable en el proceso de soldadura; sin embargo, esto planteará preocupaciones acerca de la exactitud de los resultados obtenida de esta ecuación.

Análisis de Elemento Finite

El análisis de elementos finitos (FEA) proporciona predicciones más precisas eliminando muchas de las suposiciones simplificadoras requeridas para soluciones analíticas. El análisis de elementos finitos (FEA) elimina la suposición de propiedades materiales no constantes, y permite el uso de fuentes de calor no asimétricas, tridimensionales como las distribuciones elipsoidales y elipsoideales dobles.

Los modelos FEA pueden incorporar propiedades materiales que dependen de la temperatura, geometrías complejas de fuentes de calor, pérdidas de calor de la convección y radiación y efectos de transformación de fase. Sin embargo, FEA requiere recursos y conocimientos mucho más computacionales en comparación con métodos analíticos. La elección entre enfoques analíticos y numéricos depende de la precisión necesaria, los recursos disponibles y la complejidad de la aplicación de soldadura.

HAZ empírica Width Estimation

Para aplicaciones prácticas, las fórmulas empíricas pueden proporcionar estimaciones rápidas de las dimensiones HAZ basadas en la entrada de calor y propiedades materiales. Ancho HAZ (y) se puede obtener utilizando la siguiente ecuación con: Tp = Temperatura de pico/oC. a = Temperatura de placa/oC. Tm = Temperatura de fusión de metal base/oC. A = Temperatura original de metal base/oC. Estas relaciones empíricas se desarrollan típicamente a partir de datos experimentales para sistemas de materiales específicos.

Aunque son menos precisos que los modelos térmicos detallados, las fórmulas empíricas proporcionan primeras aproximaciones útiles para la planificación de procesos y pueden ayudar a identificar si se justifica un análisis más detallado. Son particularmente valiosas para comparar diferentes escenarios de soldadura o para trabajos de diseño preliminar.

Predicción de microestructura y propiedades HAZ

Comprender los ciclos térmicos experimentados por el HAZ es sólo el primer paso: predecir las microestructuras resultantes y las propiedades mecánicas requiere análisis adicional basado en el comportamiento de transformación material.

Diagramas de Transformación de Enfriamiento Continua (CCT)

Los diagramas de transformación de refrigeración continuo son herramientas esenciales para predecir las microestructuras que se formarán en la HAZ de aceros basados en la velocidad de refrigeración. Los diagramas de CCT muestran qué productos de transformación (ferrita, perla, bainita, martensita) se forman a diferentes tasas de refrigeración para una composición de acero específica. Al calcular la tasa de refrigeración de los modelos térmicos y compararlo con el diagrama de CCT, los ingenieros pueden predecir la microca.

La tasa de refrigeración a través del rango de temperatura crítica (normalmente 800°C a 500°C para aceros) es particularmente importante. El tiempo de enfriamiento (t8/5) es el tiempo de enfriamiento de 800 a 500 °C, que finalmente decidirá los productos de transición de fase en HAZ. Diferentes tasas de enfriamiento a través de esta gama producirán diferentes microestructuras con propiedades muy diferentes.

Predicción de dureza

La dureza es una de las propiedades HAZ más comúnmente medida y se puede predecir sobre la base de la microestructura y composición. La dureza pico en la zona afectada por el calor (HAZ) es a menudo considerada como un signo de la calidad de fabricación de la articulación de soldadura y por lo tanto se mide con frecuencia durante las aprobaciones de procedimientos de soldadura y prueba de soldadura.

Para los aceros de carbono y baja aleación, las fórmulas empíricas pueden estimar la dureza máxima de HAZ basada en el equivalente de carbono y la tasa de refrigeración. Estas predicciones ayudan a determinar si el tratamiento térmico precalentado o post-aliento es necesario para evitar la dureza excesiva que podría conducir a la fractura de grieta o de hervidor. Muchos códigos de soldadura especifican valores máximos de dureza HAZ permitibles, típicamente en el rango de 350-400 HV para acero estructural.

Consideraciones de la tosicidad

La tosicidad, o la resistencia a la fractura de hervidor, es a menudo la propiedad más crítica de HAZ para aplicaciones estructurales. En algunos casos todas las regiones de la zona afectada por el calor (grano grueso, refinado de grano, intercrítico y subcrítico) se embrittled en algún grado en comparación con el material padre. Sin embargo, si la dureza de fractura del material padre es relativamente baja, la zona afectada por el contenido térmico puede tener mejores propiedades, especialmente en la naturaleza de grano.

El grano grueso HAZ normalmente exhibe la menor dureza debido al tamaño de grano grueso y productos de transformación potencialmente frágiles. Con la entrada de calor aumentó de 50 a 100 kJ/cm, la dureza de HAZ disminuyó rápidamente, mientras que la microdicidad medida disminuye constantemente. Los tamaños de grano se incrementan de 52 a 132 μm, y el ancho de la latiga de bainita aumentó de 0.4 a 2 μm.

Estrategias para controlar las propiedades HAZ

Controlar las características de HAZ requiere un enfoque integral que incluya una selección adecuada de materiales, parámetros de soldadura optimizados y tratamientos térmicos apropiados. Se pueden emplear múltiples estrategias individualmente o en combinación para lograr las propiedades deseadas de HAZ.

Precalentado

Precalentar el material base antes de soldar ayuda a reducir la tasa de enfriamiento, minimizando el riesgo de endurecimiento y grieta HAZ, especialmente en aceros de carbono. Las temperaturas precalentadoras dependen del material pero pueden variar de 150°C a 300°C. El precalentamiento es particularmente importante para secciones gruesas, aceros de alta carbono o de alta aleación, y al soldar en ambientes fríos.

El precalentamiento es muy útil para evitar los fenómenos de la crujía fría a medida que desacelera el enfriamiento de la HAZ y permite que el hidrógeno inducido durante la soldadura escape. Además, el precalentamiento mejora las restricciones inducidas por la soldadura. La temperatura precalentada puede calcularse sobre la base de carbono equivalente, espesor de material y contenido de hidrógeno utilizando diversas fórmulas empíricas o códigos de soldadura.

La temperatura de precalentamiento debe mantenerse no sólo antes de que comience la soldadura, sino también durante la soldadura (como temperatura de interpaso) para asegurar unas tasas de enfriamiento constantes a lo largo de la soldadura. La temperatura indicando crayones, termopares o termómetros infrarrojos se puede utilizar para verificar que se logra y mantiene el precalentamiento adecuado.

Tratamiento de la calidez post- soldada (PWHT)

PWHT es un proceso térmico aplicado después de soldar para aliviar las tensiones residuales y mejorar la dureza en el HAZ. En aceros, PWHT reduce la dureza de martensita y mejora la ductilidad. El proceso normalmente implica calentar el montaje soldado a una temperatura justo debajo del rango de transformación y mantenerlo por un tiempo especificado.

PWHT sirve múltiples propósitos, incluyendo el alivio del estrés, el temperamento de microestructuras duras y la eliminación de hidrógeno. Para aceros de carbono y baja aleación, PWHT se realiza normalmente a temperaturas entre 550-650°C, con tiempos de retención basados en el espesor del material (normalmente 1 hora por pulgada de espesor).

Muchos vasos de presión y códigos de tuberías exigen PWHT para ciertos materiales, grosores y condiciones de servicio. Incluso cuando no se requiere por código, PWHT puede mejorar significativamente las propiedades HAZ y la calidad general de soldadura, especialmente para aplicaciones críticas.

Optimización de parámetros de soldadura

La selección y control cuidadosos de los parámetros de soldadura representa el método más directo para controlar las características de HAZ. Controlar la entrada de calor es una de las maneras más eficaces para minimizar el HAZ. Sin embargo, la entrada de calor debe ser equilibrada, demasiado baja puede causar falta de fusión o dureza excesiva, mientras que demasiado alto produce un crecimiento excesivo de granos y suavizar.

Para muchos aceros estructurales, mantener la entrada de calor dentro de un rango especificado (a menudo 0,5-2,5 kJ/mm) proporciona el mejor equilibrio de propiedades. Soldadura multipass con menor entrada de calor por paso puede ser preferible a la soldadura de entrada de calor de paso único, ya que los pases posteriores pueden refinar el HAZ de pases anteriores a través del ciclismo térmico.

La velocidad de viaje afecta tanto al calor como al tiempo a temperatura elevada. Para controlar la entrada de calor de soldadura, es esencial mantener el valor de corriente y tensión en el lado inferior mientras que la velocidad de viaje debe mantenerse alta. Sin embargo, la velocidad de viaje debe ser suficiente para mantener la estabilidad de arco adecuado y el perfil de cuentas.

Selección y soldabilidad de materiales

La selección de materiales impacta significativamente las características y la soldabilidad de HAZ. Los aceros modernos de alta resistencia de baja aleación (HSLA) están diseñados con química controlada para minimizar los problemas de HAZ. Estos aceros suelen tener bajo contenido de carbono (a menudo inferior al 0,10%) para reducir la dureza y mejorar la soldabilidad, con la fuerza alcanzada mediante la microalisa y laminación controlada en lugar de alto contenido de carbono.

Las fórmulas equivalentes de carbono proporcionan una herramienta útil para evaluar la soldabilidad y predecir dureza HAZ y susceptibilidad de grieta. Existen varias fórmulas equivalentes de carbono, siendo el más común la fórmula IIW (Instituto Internacional de Soldadura) y la fórmula Pcm. Los valores inferiores de carbono equivalente generalmente indican una mejor soldabilidad y problemas menos graves de HAZ.

Para aplicaciones críticas, la selección de materiales debe considerar no sólo las propiedades de metal base, sino también las características de HAZ esperadas. Algunos materiales que exhiben excelentes propiedades de metal base pueden desarrollar HAZs problemáticos que limitan su utilidad en la construcción soldada.

Prácticas de bajo hidrógeno

Utilizar electrodos de baja hidrógeno (como E7018 para soldar palos) o gases de blindaje controlados adecuadamente reduce el contenido de hidrógeno en la soldadura, minimizando el riesgo de quebranza inducida por hidrógeno en la HAZ. El cracking inducido por hidrógeno, también llamado cracking frío o rallado retardado, es uno de los defectos HAZ más graves y puede ocurrir horas o días después de soldar.

Las prácticas de bajo hidrógeno incluyen el almacenamiento y manejo adecuados de los consumibles, utilizando procesos de soldadura de bajo hidrógeno, evitando la contaminación por humedad y permitiendo un tiempo adecuado para que el hidrógeno se desplace antes de que la soldadura se enfríe a temperatura ambiente. Para materiales susceptibles, es posible que sea necesario hornear a 200-300°C después de la limpieza de hidrógeno.

HAZ Caracterización y pruebas

La caracterización adecuada de las propiedades de HAZ es esencial para la calificación de procedimiento de soldadura, control de calidad y análisis de fallos.

Testing de dureza

Las pruebas de dureza son el método más común para caracterizar HAZ debido a su sencillez y el tamaño de la muestra pequeña requerido. Las encuestas de dureza en todo el metal de soldadura, HAZ y base proporcionan información valiosa sobre los cambios microestructurales y pueden identificar regiones de dureza excesiva que pueden ser susceptibles a la fracturación.

Las pruebas de microdificultancia de Vickers o Knoop se utilizan típicamente para caracterizar HAZ, con mediciones tomadas a intervalos regulares (a menudo espaciamiento de 0,5-1.0 mm) en las diferentes zonas de HAZ. Los perfiles de dureza pueden revelar la extensión de la HAZ, identificar las regiones más duras y verificar que no se superen los límites máximos de dureza.

Muchos códigos de soldadura especifican valores máximos de dureza HAZ permitidos. Por ejemplo, las aplicaciones offshore y submarinas suelen limitar la dureza de HAZ a 350 HV10 o más bajo para asegurar una resistencia y resistencia adecuadas a la grieta de estrés de sulfuro. Exceder estos límites puede requerir acción correctiva como tratamiento térmico post-aliento o reparación de soldaduras.

Pruebas de tosificación de impacto

La prueba de impacto de V-notch de Charpy evalúa la dureza y resistencia a la fractura de HAZ. Para la prueba HAZ, la puntera está cuidadosamente posicionada en regiones específicas de HAZ (típicamente el grano grueso HAZ) para evaluar la dureza de la peor maleta. Esto requiere un examen metálico cuidadoso para identificar ubicaciones de HAZ antes de maquinar especímenes de prueba.

Las pruebas de impacto se realizan normalmente a temperatura mínima de diseño o inferior para asegurar una resistencia adecuada en condiciones de servicio. Muchos códigos requieren valores mínimos de energía de impacto (a menudo 27 Joules o más) a temperaturas de prueba especificadas. La dureza de impacto HAZ es a menudo menor que la resistencia del metal base, lo que lo convierte en un criterio de aceptación crítico.

La relación entre la entrada de calor y la dureza de HAZ está bien establecida. Con la entrada de calor aumentó de 50 a 100 kJ/cm, la dureza de HAZ disminuyó rápidamente, mientras que la microdistencia medida disminuye constantemente. Los tamaños de los granos se aumentan de 52 a 132 μm, y el ancho de latiga de bainita aumentó de 0.4 a 2 μm. La fracción de lat de lat de latija lat

Examen metalgráfico

El examen metalográfico proporciona observación directa de microestructuras HAZ y es esencial para comprender la relación entre parámetros de soldadura y propiedades resultantes. Las secciones transversales a través de la soldadura se preparan cortando, montando, molendo, puliendo y grabado para revelar la microestructura.

La microscopía óptica puede identificar las diversas zonas de HAZ, medir el tamaño del grano y caracterizar la microestructura general. La microestructura de la zona afectada del calor depende de la temperatura máxima alcanzada y la duración del tiempo gastada en el rango de temperatura de 800oC - 500oC. Los componentes de la microestructura de la zona afectada del calor pueden variar desde zonas finas de martensita a zonas de perlas gruesas.

La medición del tamaño de la grano en HAZ es particularmente importante ya que influye fuertemente en las propiedades mecánicas. Los tamaños de grano gruesos generalmente se correlacionan con menor dureza y mayor susceptibilidad a la fractura. La metalografía cuantitativa puede medir el tamaño del grano, las fracciones de fase y las distribuciones de inclusión para apoyar las predicciones de propiedades y la optimización de procesos.

Consideraciones especiales para diversos materiales

Los diferentes sistemas de materiales presentan características únicas de HAZ y requieren enfoques específicos para el control y la optimización.

Carbono y aceros de baja aleación

Los aceros de carbono y baja aleación son los materiales más ampliamente soldados y su comportamiento HAZ está bien entendido. Las preocupaciones principales son la dureza excesiva de la formación de martensitas y la grieta inducida por hidrógeno. Procesos de baja tasa de calor que dan tasas de enfriamiento relativamente altas generan una zona afectada por calor fino y menos embrittlement en acero de baja emisión de carbono.

Para aceros con bajas emisiones de carbono (abajo 0,15% C), los problemas de HAZ son generalmente mínimos y la soldadura se pueden realizar sin precalentar o PWHT. Los aceros con carbono medio (0.15-0.30% C) requieren un control más cuidadoso de las tasas de enfriamiento a través del precalentamiento y pueden requerir PWHT. Los aceros con alto carbono (ambos 0,30% C) son difíciles de soldar y casi siempre requieren precalentar y evitar el crack.

Los aceros de baja aleación que contienen cromo, molibdeno y otros elementos de aleación presentan mayor dureza y requieren un control cuidadoso de la entrada de calor y las tasas de refrigeración. Estos materiales se benefician de la temperatura de interpaso precalentada, controlada y a menudo requieren PWHT para lograr propiedades HAZ aceptables.

Acero inoxidable

Los aceros inoxidables presentan desafíos únicos de HAZ dependiendo de su clase microestructural. Los aceros inoxidables autóctonos generalmente tienen buena soldabilidad pero pueden sufrir de la sensibilización en la HAZ. En la condición soldada muchos aceros inoxidables son susceptibles a la corrosión intergranular rápida o a la corrosión de estrés. Esto es porque el calor de soldar sensibiliza la zona afectada por calor de metal base (HAZ) y la soldadura.

La sensibilidad ocurre cuando los carburos de cromo precipitan en los límites de grano en la HAZ, agotando las regiones adyacentes del cromo y haciéndolos susceptibles a la corrosión intergranular. Esto se puede evitar utilizando grados de bajo carbono (grados L con menos de 0,03% C), grados estabilizados que contienen titanio o niobio, o por solución alimentándose después de la soldadura.

Los aceros inoxidables ferríticos pueden experimentar el crecimiento de granos en la HAZ, lo que lleva a una reducción de la dureza. Los aceros inoxidables martensiáticos se comportan de forma similar a los aceros de carbono resistentes y requieren precalentar y PWHT. Los aceros inoxidables dúplex requieren un control cuidadoso de la entrada de calor para mantener el equilibrio adecuado de fases de ferrite y austenita en la HAZ.

Aleaciones de aluminio

Aleaciones de aluminio presentan diferentes desafíos de HAZ en comparación con aceros. En aleaciones de aluminio tratadas con calor, como 6061, el HAZ puede experimentar la disolución precipitada, lo que conduce a suavizar. La fuerza de la aleación de aluminio se reduce significativamente en el HAZ en comparación con el material padre.

Para aleaciones de aluminio endurecidas por precipitación (2xxx, 6xxx, 7xxx series), la HAZ experimenta sobreaging o disolución de precipitados de refuerzo, dando lugar a una zona suave con una fuerza significativamente reducida. Este suavizado no puede ser fácilmente remediado y debe ser contabilizado en el diseño. El envejecimiento artificial pos-alentado puede restaurar parcialmente propiedades pero raramente consigue la fuerza de metal base completa.

Aleaciones de aluminio no tratables de calor (1xxx, 3xxxx, serie 5xxx) que obtienen fuerza de la experiencia de endurecimiento del trabajo amasando en el HAZ, también resulta en suavizar. La alta conductividad térmica de aluminio requiere mayor entrada de calor para la fusión, pero también resulta en el enfriamiento rápido y anchos HAZ relativamente pequeños.

Tecnologías avanzadas de control de HAZ

Los avances tecnológicos recientes ofrecen nuevos enfoques para minimizar los problemas de HAZ y lograr una calidad de soldadura superior.

Procesos de densidad de alta energía

Soldadura láser: Soldadura láser proporciona una fuente de calor altamente enfocada, minimizando la entrada de calor y reduciendo significativamente el tamaño de la HAZ. Esta técnica es ideal para materiales como acero inoxidable y titanio. Soldadura de haz electrones: Como soldadura de láser, soldadura de haz de electrones ofrece alta densidad de energía, reduciendo los cambios metalúrgicos asociados.

Estos procesos de densidad de alta energía producen HAZs muy estrechos debido a sus fuentes de calor concentradas y altas velocidades de viaje. El tamaño reducido de HAZ minimiza la degradación y la distorsión de la propiedad. Sin embargo, estos procesos requieren una inversión significativa de capital y se limitan típicamente a aplicaciones específicas donde sus beneficios justifican el costo.

Los procesos híbridos que combinan rayos láser o electrones con soldadura de arco pueden proporcionar beneficios de ambos enfoques: la penetración profunda y la baja entrada de calor del proceso de alta energía con la tolerancia de la brecha y la tasa de deposición de la soldadura de arco.

Técnicas de soldadura pulsada

Utilizando técnicas avanzadas de soldadura como la soldadura pulsada TIG y MIG también es beneficioso para controlar la entrada de calor de soldadura. alternancias de soldadura pulsadas entre la alta corriente pico para la penetración y la baja corriente de fondo para enfriamiento, resultando en menor entrada de calor promedio en comparación con la soldadura continua en la misma corriente máxima.

Los procesos pulsados proporcionan un mejor control sobre la piscina de soldadura y la entrada de calor, permitiendo la optimización de las propiedades HAZ manteniendo una fusión y penetración adecuadas. El enfriamiento periódico durante la fase de corriente de fondo puede refinar la estructura de granos y reducir el ancho HAZ en general.

Metalurgia de óxido y Microalación

El desarrollo moderno de acero se ha centrado en mejorar la dureza de HAZ mediante enfoques de metalurgia de óxido. Las inclusiones finas pueden desempeñar un papel importante en la mejora de la dureza de HAZ, este mecanismo de fortalecimiento se puede resumir en dos aspectos. En primer lugar, implica el refinamiento de granos austenitos dentro de la HAZ. Durante el ciclo térmico de soldadura, las inclusiones actúan como anclas, inmovilizando efectivamente el movimiento de los límites de granos.

Las inclusiones de óxido cuidadosamente controladas pueden servir como núcleos para ferrite acicular, una microestructura fina con una excelente dureza. Este enfoque se ha aplicado con éxito en aceros de tuberías y otras aplicaciones críticas para mejorar la dureza de HAZ incluso a insumos de calor alto. Titanium, magnesio y tratamientos de calcio pueden producir dispersiones de óxido beneficiosos que realzan las propiedades de HAZ.

Aplicaciones Prácticas y Estudios de Casos

Entender los principios de HAZ y aplicar estrategias de control apropiadas es esencial en numerosas industrias y aplicaciones.

Construcción de tuberías

La soldadura de tuberías representa una de las aplicaciones más exigentes para el control de HAZ. Las tuberías deben soportar altas presiones, entornos potencialmente corrosivos y a menudo operan en climas extremos. La dureza de HAZ es crítica para prevenir fracturas de hervidor, especialmente en ambientes de servicio agrio donde está presente el sulfuro de hidrógeno.

Los aceros de tuberías modernos están diseñados con química controlada y microalisa para lograr excelentes propiedades HAZ. Los procedimientos de soldadura están cuidadosamente calificados para garantizar una resistencia adecuada a la temperatura mínima de diseño. La entrada de calor se controla típicamente dentro de rangos estrechos (a menudo 0,5-1,5 kJ/mm) para equilibrar la productividad con requisitos de propiedad HAZ.

Para tuberías árticas que operan a temperaturas tan bajas como -60°C, se requiere una resistencia excepcional de HAZ. Esto requiere aceros de carbono ultra-bajo, entrada de calor controlada y pruebas rigurosas para verificar la resistencia adecuada de baja temperatura.

Presión de los buques y boilers

La fabricación de vasos de presión y caldera requiere un control cuidadoso de HAZ para garantizar un funcionamiento seguro bajo presión y temperatura elevada. Código de Presión y Boiler ASME Sección VIII y Sección I proporcionan requisitos detallados para los procedimientos de soldadura, incluyendo los límites de entrada de calor, los requisitos de precalor y las especificaciones de PWHT.

Para los vasos de presión de sección gruesa, soldadura multipasa con temperatura controlada de interpaso es práctica estándar. PWHT es típicamente obligatorio para los vasos de acero de carbono y baja aleación para aliviar las tensiones residuales y las microestructuras HAZ de temperamento duro. La temperatura y el tiempo PWHT se especifican en base a grado y espesor de material.

Los aceros resistentes a los escalones utilizados en el servicio de alta temperatura presentan desafíos adicionales de HAZ. El grano fino HAZ puede ser susceptible a la grieta Tipo IV durante la exposición a largo plazo, que requiere una selección cuidadosa de materiales y el desarrollo de procedimientos de soldadura.

Construcción de acero estructural

Soldadura de acero estructural para edificios, puentes y otras infraestructuras deben equilibrar la productividad con requisitos de calidad. AWS D1.1 Código de soldadura estructural proporciona requisitos integrales para el control HAZ, incluyendo requisitos de precalentamiento basados en el espesor del material y la temperatura ambiente.

Para aplicaciones sísmicas, la dureza de HAZ es particularmente crítica ya que las soldaduras deben ser capaces de soportar grandes deformaciones de plástico durante la carga del terremoto. Las conexiones de marco de momento especiales requieren pruebas de calificación rigurosas, incluyendo pruebas de impacto de Charpy de la HAZ para asegurar una resistencia adecuada.

Los aceros estructurales de alta resistencia (fuerza de rendimiento superior a 450 MPa) requieren un control HAZ más cuidadoso que los aceros suaves convencionales. El precalentamiento suele ser necesario, y la entrada de calor puede limitarse a prevenir el crecimiento excesivo de granos y la pérdida de fuerza en el HAZ.

Problemas y soluciones comunes de HAZ

A pesar de la cuidadosa planificación y control, pueden ocurrir problemas de HAZ. Entender problemas comunes y sus soluciones es esencial para la solución de problemas y la mejora continua.

Apretón inducido por hidrógeno

El cracking inducido por hidrógeno (también llamado cracking frío o cracking retardado) es uno de los defectos HAZ más graves. Se produce cuando tres factores están presentes simultáneamente: hidrógeno, una microestructura susceptible (normalmente martensita dura), y estrés de tracción. Los grillos se forman típicamente en las horas o días HAZ después de soldar como difuso de hidrógeno a regiones de alto estrés.

Las estrategias de prevención incluyen el uso de procesos de soldadura de baja hidrógeno y consumibles, la aplicación de precalentamiento adecuado para frenar el enfriamiento y permitir que el hidrógeno escape, manteniendo la temperatura adecuada de interpaso y evitando la contaminación de humedad. Para materiales altamente susceptibles, es posible que sea necesario realizar una panadería de hidrógeno después de la toma de 200-300°C durante varias horas.

Dureza excesiva

La dureza excesiva de HAZ puede provocar fracturas frágiles y mayor susceptibilidad a la grieta de hidrógeno. Esto suele derivarse de un rápido enfriamiento de aceros resistentes, produciendo martensita dura. Las soluciones incluyen aumentar la temperatura precalentada para enfriamiento lento, aumentar la entrada de calor (dentro de límites aceptables) y aplicar PWHT para templar microestructuras duras.

Si se descubre una dureza excesiva después de la soldadura, PWHT puede reducir la dureza a niveles aceptables. En algunos casos, la reparación de soldadura puede ser necesaria, aunque esto debe hacerse cuidadosamente para evitar introducir problemas adicionales.

Pobre Tough

La dureza HAZ inadecuada puede resultar de un crecimiento excesivo de granos debido a la alta entrada de calor, la formación de microestructuras frágiles o distribuciones de inclusión desfavorables. Las soluciones incluyen reducir la entrada de calor para limitar el crecimiento del grano, optimizar las tasas de enfriamiento para promover microestructuras favorables, y utilizar materiales con mayor dureza HAZ mediante microaloyación o metalurgia de óxido.

Para las soldaduras existentes con una dureza inadecuada, las opciones son limitadas. PWHT puede proporcionar alguna mejora por fases templadas de hervidor, pero es poco probable que la recuperación de la dureza significativa.

Suavecimiento en materiales con calor

El suavizado HAZ en aleaciones de aluminio endurecidas por precipitación y aceros templados resulta de sobreenvejecimiento o templado de mecanismos de fortalecimiento. Este problema es difícil de remediar después de soldar. Las estrategias de prevención incluyen minimizar la entrada de calor mediante la selección de procesos ( soldadura de rayos láser o electrones), utilizando la soldadura de fricción de agitación que produce un suavizado mínimo HAZ, o articulaciones de diseño para tener en cuenta para reducir la resistencia HAZ.

El envejecimiento artificial pos-alentado puede restaurar parcialmente la fuerza en algunas aleaciones de aluminio, aunque la recuperación completa a la fuerza de metal base raramente se logra. Para aplicaciones críticas, el ayuno mecánico o la unión adhesiva puede ser preferible a la soldadura de fusión.

Tendencias futuras en investigación y tecnología HAZ

La investigación continua continúa avanzando en la comprensión de los fenómenos de HAZ y desarrolla estrategias de control mejoradas. El modelado computacional se está haciendo cada vez más sofisticado, incorporando la cineética de transformación de fases, el desarrollo residual del estrés y la evolución de la microestructura. Estos modelos permiten la prueba virtual de procedimientos de soldadura y optimización antes de los ensayos físicos.

Técnicas avanzadas de caracterización, incluyendo la difusión de radiodifracción de electrones (EBSD), tomografía de sonda atótomática y difusión de rayos X de sincrotrón proporcionan una visión sin precedentes de las microestructuras y mecanismos de transformación HAZ.

Los sistemas de monitoreo y control en tiempo real mediante imágenes térmicas, emisiones acústicas y otros sensores permiten el control adaptativo de los parámetros de soldadura para mantener propiedades HAZ consistentes. Se están aplicando el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para predecir las propiedades HAZ y optimizar los procedimientos de soldadura basados en grandes conjuntos de datos.

Nuevos materiales, incluyendo aceros avanzados de alta resistencia, aleaciones nanoestructuradas y compuestos de matriz metálica presentan tanto desafíos como oportunidades para el control de HAZ. Entender y optimizar el HAZ en estos materiales requiere investigación y desarrollo continuo.

Conclusión

La Zona Afectada por el Calor representa una región crítica en estructuras soldadas donde los ciclos térmicos alteran la microestructura y las propiedades sin fundir el metal base. La Zona Afectada por el Calor es un aspecto complejo pero crítico de soldadura que puede impactar significativamente el rendimiento de las articulaciones soldadas. Entendiendo cómo ocurren los cambios metalúrgicos en la HAZ y cómo controlarlos a través de parámetros de proceso, precalentando, tratamientos fiables y post-alientos

El control exitoso de HAZ requiere un enfoque integral que integra la selección de materiales, optimización de procesos de soldadura, gestión térmica a través del precalentamiento y PWHT, y pruebas y caracterización rigurosas. Entendiendo los principios fundamentales de transferencia de calor, transformaciones de fase y relaciones de propiedad de la estructura permite a los ingenieros predecir el comportamiento de HAZ y desarrollar estrategias de control apropiadas.

Calcular propiedades HAZ implica múltiples pasos: determinar la entrada de calor de los parámetros de soldadura, predecir ciclos térmicos utilizando modelos analíticos o numéricos, estimar microestructuras basadas en las tasas de enfriamiento y los diagramas de transformación, y correlacionar la microestructura con propiedades mecánicas. Mientras que las fórmulas simplificadas proporcionan primeras aproximaciones útiles, el análisis detallado puede requerir modelos computacionales sofisticados validados por pruebas experimentales.

A medida que la tecnología de soldadura continúa avanzando y se desarrollan nuevos materiales, la comprensión y el control de HAZ sigue siendo esencial para garantizar la calidad, fiabilidad y seguridad de las estructuras soldadas en todas las industrias. Aplicando los principios y prácticas descritos en esta guía, los profesionales de soldadura pueden minimizar los problemas de HAZ y lograr una óptima calidad de soldadura en las aplicaciones más exigentes.

Recursos adicionales

Para aquellos que buscan profundizar su comprensión de los fenómenos HAZ y la metalurgia de soldadura, existen numerosos recursos disponibles. La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) ofrece extensas publicaciones técnicas, cursos de capacitación y programas de certificación que abarcan la metalurgia de soldadura y el desarrollo de procedimientos. La ⁇ a href="https://www.twi-global.com/" ConfesoWI (The Welding Institute) ofrece servicios de control técnico, informes de investigación y tecnología HAZing proporciona servicios.

Las instituciones académicas de todo el mundo realizan investigaciones sobre la metalurgia de soldadura y publican hallazgos en revistas como Welding Journal, Science and Technology of Welding and Joining, y Ciencias e Ingeniería de Materiales. Organizaciones específicas de la industria, incluyendo ASME, API y AWS desarrollan códigos y estándares que incorporan las mejores prácticas actuales para el control de HAZ.

Recursos en línea incluyendo יa href="https://www.aws.org/" títuloAWS.org/a título, foros de soldadura y bases de datos técnicas proporcionan acceso a procedimientos de soldadura, especificaciones materiales y orientación de solución de problemas. La educación continua a través de conferencias, talleres y seminarios web ayuda a los profesionales de soldadura a mantenerse al corriente con la tecnología y las mejores prácticas en evolución.

Aprovechando estos recursos y aplicando los principios fundamentales de formación y control de HAZ, los ingenieros y técnicos de soldadura pueden producir consistentemente soldaduras de alta calidad que satisfagan los exigentes requisitos de la industria moderna, garantizando la seguridad, fiabilidad y rendimiento a largo plazo.