recubrimientos

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOL OGÍAS DE UNIÓN

Tem a 2 2.18

RECUB RIMIENTOS

Carlos s Ranni Ranninger nger Rodríguez Ac A c t u ali al i zado zad o p o r : Carlo

Julio Ju lio 2004 2004

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN 2.- MATERIALES PLAQUEADOS Y RECARGUES POR SOLDEO 2.1.- Aspectos generales 2.2.- Materiales plaqueados plaqueados 2.2.1.- Materiales plaqueados obtenidos por laminación conjunta 2.2.2.- Materiales plaqueados obtenidos por soldeo 2.2.2.1.- Soldadura blanda, dura y soldadura por difusión 2.2.2.2.- Soldadura por explosión 2.3.- Recargues por soldeo 2.3.1.- Procesos de soldeo. Dilución 2.3.2.- Plaqueado superficial por soldeo 2.3.2.1.- Los recipientes nucleares y sus plaqueados 2.3.2.2.- Estructura del plaqueado en los componentes componentes nucleares 2.3.2.3.- La ZAT en los componentes nucleares 2.3.2.4.- Tensiones residuales en la condición de soldadura 2.3.2.5.- Fisuraciones posibles en la condición de soldadura 2.3.2.6.- Tratamientos térmicos de postsoldadura (PWHT) 2.3.2.7.- Fisuraciones posibles en los plaqueados tras el PWHT 2.3.3.- Recargues duros 2.3.3.1.- Procesos de soldeo y materiales 2.3.4.- Otros recargues y reparaciones reparaciones por soldadura 2.4.- Soldeo de los materiales plaqueados plaqueados 2.5.- Problemática de los materiales plaqueados plaqueados 3.- FORROS 4.- CAPAS PROTECTORAS 4.1.- Acero recubierto por aluminio 4.2.- Acero galvanizado 4.3.- Pinturas

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ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN 2.- MATERIALES PLAQUEADOS Y RECARGUES POR SOLDEO 2.1.- Aspectos generales 2.2.- Materiales plaqueados plaqueados 2.2.1.- Materiales plaqueados obtenidos por laminación conjunta 2.2.2.- Materiales plaqueados obtenidos por soldeo 2.2.2.1.- Soldadura blanda, dura y soldadura por difusión 2.2.2.2.- Soldadura por explosión 2.3.- Recargues por soldeo 2.3.1.- Procesos de soldeo. Dilución 2.3.2.- Plaqueado superficial por soldeo 2.3.2.1.- Los recipientes nucleares y sus plaqueados 2.3.2.2.- Estructura del plaqueado en los componentes componentes nucleares 2.3.2.3.- La ZAT en los componentes nucleares 2.3.2.4.- Tensiones residuales en la condición de soldadura 2.3.2.5.- Fisuraciones posibles en la condición de soldadura 2.3.2.6.- Tratamientos térmicos de postsoldadura (PWHT) 2.3.2.7.- Fisuraciones posibles en los plaqueados tras el PWHT 2.3.3.- Recargues duros 2.3.3.1.- Procesos de soldeo y materiales 2.3.4.- Otros recargues y reparaciones reparaciones por soldadura 2.4.- Soldeo de los materiales plaqueados plaqueados 2.5.- Problemática de los materiales plaqueados plaqueados 3.- FORROS 4.- CAPAS PROTECTORAS 4.1.- Acero recubierto por aluminio 4.2.- Acero galvanizado 4.3.- Pinturas


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1.- INTRODUCCIÓN Hay variadas razones para recubrir los metales con vista a su utilización y/o mantenimiento. mantenimiento. Hay que tener en cuenta que los metales, salvo algunos casos de metales nobles que están en la naturaleza en estado nativo, se obtienen a partir de sus compuestos (óxidos, carbonatos, silicatos, etc.), que es lo que existe en estado natural, y que para ello es necesario aportar energía, llevándolos a un estado de valencia 0. Es por ello lógico que tiendan a oxidarse (valencia positiva) en su superficie en contacto con la atmósfera o con medios agresivos. Si las capas iniciales de oxidación no son protectoras, es decir, no aíslan al metal de su entorno, el proceso de oxidación continuará continuará haciendo desaparecer desaparecer cantidades, que pueden pueden ser importantes, de metal. La tendencia a la oxidación es una de las razones importantes para recubrir los metales. Por otro lado, los materiales tecnológicos se utilizan en base a un comportamiento multidisciplinar de los mismos. Así, por ejemplo, sólo desde una perspectiva de comportamiento mecánico, se pueden desear buenas características de ductilidad, tenacidad, dureza, resistencia, resistencia al desgaste, etc. Muchas veces al aumentar las dos primeras características citadas, disminuyen las restantes. La conciliación de ambas situaciones puede abordarse buscando una situación de compromiso, dando a la pieza las propiedades propiedades necesarias en las posiciones en que se precisan, lo que puede hacerse mediante tratamientos térmicos o termoquímicos (cementación, nitruración, etc.) o recubriendo la pieza o componente mediante otros metales, aleaciones o compuestos diferentes con las propiedades propiedades requeridas. Hay ocasiones en que se debe diseñar con materiales compatibles en contacto. Por ejemplo, un cambiador o condensador con tubos de un determinado material en contacto con la placa tubular, normalmente de otro material. Principalmente, si los tubos han de ir soldados a la placa, será necesario recubrir o plaquear plaquear ésta con un material compatible compatible con los tubos. Los recubrimientos pueden clasificarse en cuatro grandes bloques, aunque pueda haber solapamientos entre ellos: •

Plaqueado. Material metálico compuesto por dos o más capas metálicas unidas entre sí por procesos diversos (laminación, extrusión conjunta, soldeo (incluyendo soldeo duro o blando, soldeo por explosión, soldeo por difusión, etc.). También puede incluirse en este bloque el material recubierto por depósito de soldadura con fusión de metal base, aunque en ocasiones se trata como recargues por soldeo, así como depósitos (masivos) originados por otros procesos, como el electrolítico. El conjunto es un material integral o monolítico, que se utiliza como tal o se une con otros para formar conjuntos.

•

Recargues por soldeo. Son depósitos producidos por soldeo sobre un soporte metálico, con una finalidad diferente a la de unir dos piezas, aunque puedan realizarse para utilizar como soporte para una posterior unión. Los recargues por soldeo pueden ser parciales o totales sobre una superficie. También se incluyen los depósitos producidos producidos por proyección térmica. Las soldaduras de reparación pueden asimismo incluirse en este bloque.

•

Forros o revestimientos metálicos que cubren o revisten a otro material metálico o no metálico. Generalmente se utilizan chapas o placas, que se solapan entre sí y/o se sueldan entre sí o a un


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soporte de la estructura. También, generalmente, no van unidos en toda su superficie al material metálico al que recubren. •

Capas protectoras. Son recubrimientos protectores sobre los metales, sin finalidad estructural. Pueden ser metálicos o no metálicos. Pueden realizarse por procesos de conversión superficial de los metales, por depósitos metálicos que formen interfases de aleación con el sustrato o que no las formen y por capas de pintura (orgánica o inorgánica, inorgánica, con o sin contenido metálico).

El soldeo de los materiales recubiertos recubiertos merece una atención especial: •

Las uniones de plaqueados y materiales recargados suponen la unión estructural de los sustratos y la continuidad de los recubrimientos. En este proceso los materiales disimilares tienen diferentes problemáticas problemáticas y exigencias, que en ocasiones son contrapuestas. contrapuestas.

•

Las soldaduras de los forros se realizan en muchas ocasiones sobre soportes de la estructura o rastreles, generalmente de un material disimilar, por lo que hay que considerar específicamente la continuidad de las propiedades del revestimiento o utilizar cubrejuntas o solapes.

•

El soldeo de los materiales con capas protectoras tiene problemáticas diferentes para cada tipo de recubrimiento.

Los procesos de fabricación de los materiales plaqueados obtenidos mediante soldeo se tratan en extensión en el módulo de materiales (1º). Aquí sólo se hace una pequeña revisión en los aspectos que sean de interés para el comportamiento y problemática de estos materiales.

2.- MATERIALES PLAQUEADOS Y RECARGUES RECARGUES POR SOLDEO 2.1.- Aspectos generales Son numerosos los casos en que deben utilizarse materiales plaqueados en el diseño y en la construcción de componentes. Generalmente, la razón estriba en la necesidad de que un material cumpla simultáneamente diferentes funciones, por ejemplo, estructurales o resistentes mecánicamente y de resistencia a la corrosión o de compatibilidad superficial. Para la primera función, el material debe poseer, desde un punto de vista de ingeniería, las características adecuadas al servicio, obtenidas con un coste razonable. Para la segunda función, que implica preferentemente un comportamiento superficial acorde al servicio, el material debe poseer las características precisas en su superficie y en una profundidad determinada a partir de dicha superficie. El cumplimiento con los fines de diseño, incluido el coste, lleva a la utilización de los materiales plaqueados. Aunque pueda entenderse que el coste del material del revestimiento es superior al del sustrato base y que, por lo tanto, el coste del componente fabricado integralmente con dicho material del revestimiento será mayor, mayor, que el fabricado con los dos materiales, materiales, no siempre el coste es la razón para utilizar los materiales plaqueados. Unas veces, las propiedades mecánicas de diseño del material del revestimiento no son adecuadas o suficientes para el diseño del componente (por ejemplo, límite elástico más bajo, lo que llevaría a piezas más masivas con problemas añadidos, incluso logísticos). Otras veces pueden suponer problemas de tenacidad. En los materiales plaqueados utilizados como materiales estructurales, suele ser habitual que la finalidad estructural se encomiende únicamente al material base. En este caso, el metal base en el producto -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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plaqueado deberá cumplir con los requisitos mecánicos exigidos al metal base sin plaquear; cumpliendo con los valores mínimos de norma y, si los hay, con los valores máximos. Estos mismos requisitos aplicarían a los plaqueados en los que todo el espesor del material se considere como resistente estructuralmente, siempre que el espesor sea superior a un determinado valor, por ejemplo, 40 mm. Si ese espesor fuese inferior, la resistencia debería superar a la mínima resistencia del metal base, pero no a la máxima, si la hubiera, en más de un determinado valor dado en la norma, por ejemplo un 5-10%. Además, la tensión de cortadura entre base y plaqueado debe se mayor que la mínima especificada en las diferentes normas de materiales plaqueados. Si, además de la utilización estructural, la finalidad del plaqueado es la resistencia a la corrosión, ésta puede manifestarse desde varios puntos de vista. Puede tratarse de evitar: •

Una degradación importante o masiva del material estructural.

•

Una contaminación, con los productos de corrosión del material estructural, de otras partes del circuito en que se encuentre.

•

Una fragilización por hidrógeno del material estructural. El revestimiento actúa de barrera.

El plaqueado debe resistir, muchas veces, distintos tipos de corrosión: corrosión generalizada y localizada. Ejemplos de esta última son picaduras, corrosión en resquicio, corrosión intergranular y corrosión bajo tensión. En muchos casos, la resistencia a la corrosión del plaqueado es el factor que limita la vida del componente. Por ello, ésta es la consideración primera al seleccionar la aleación, el proceso y procedimiento de plaqueado. Todas las superficies del componente mojadas por el fluido deberán estar plaqueadas y el plaqueado deberá ser sano y su superficie lisa, a ser posible, si se quiere lograr una resistencia anticorrosiva óptima y efectuar los Ensayos No Destructivos sin necesidad de mecanizados.

2.2.- Materiales plaqueados Se ha indicado que los materiales plaqueados son materiales metálicos compuestos por dos o más capas metálicas unidas entre sí por procesos diversos (laminación, extrusión conjunta, soldeo (incluyendo soldadura dura o blanda, soldeo por explosión, soldeo por difusión, etc.). También puede incluirse en este bloque el material recubierto por depósito de soldadura con fusión de metal base, aunque en ocasiones se trata como recargues por soldeo, así como depósitos (masivos) originados por otros procesos, como el electrolítico. El conjunto es un material integral o monolítico, que se utiliza como tal o se une con otros para formar conjuntos. 2.2.1.- Materiales plaqueados obtenidos por laminación o extrusión conjunta

Los materiales plaqueados obtenidos por laminación o extrusión conjunta del material base y del recubrimiento pueden fabricarse por un proceso en caliente o en frío. Generalmente, las normas no especifican el proceso, indicando que es aceptable cualquier proceso que permita obtener las características indicadas en la norma. Los materiales fácilmente deformables y plaqueados en chapa fina o fleje pueden permitir un proceso en frío, aunque lo normal sobre materiales estructurales es que el conformado se realice en caliente, controlando en el proceso la temperatura y la deformación. Se asume -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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que en este proceso pueda haber una migración de átomos entre los dos materiales que forman el conjunto, variando la composición química en las zonas próximas a la intercara entre ambos, y, así las normas pueden decir que para analizar la composición química del material del revestimiento se debe eliminar el material base y un 40% del metal del plaqueado tomado desde la intercara, realizando el análisis en el restante 60% sobre limaduras o virutas de todo el espesor. Se indica que este análisis deberá cumplir con los requisitos establecidos para el material del revestimiento. Suele pedirse un cumplimiento con las características mecánicas: 







Ensayo de tracción, según lo indicado anteriormente para las propiedades mecánicas resistentes. El ensayo de tracción puede ser del material plaqueado en su conjunto y puede ser de resistencia a tracción en la interfase (véase figura), interesante cuando el material plaqueado se utilice para soldar otros componentes sobre él, que le hagan trabajar en la dirección z, o bien cuando se utilice para mecanizar de él juntas de transición. Ensayos de doblado con el material de revestimiento en tracción y en compresión para determinar la ductilidad de los materiales, realizando los ensayos según lo exigido en las especificaciones o norma del material base, si éste está en tracción o de acuerdo con las del material de revestimiento cuando éste esté en tracción. No suelen realizarse doblados por encima de los 40 mm de espesor. Si el espesor es mayor, suelen reducirse los espesores de ambos materiales en la misma proporción para dejar el espesor de la probeta de ensayo en esa dimensión. Ensayo de cortadura, si se requiere por especificación, en compresión utilizando útiles o en tracción (véase figura), o ensayos de doblado para determinar la resistencia de la unión de los dos materiales, realizados mediante una especificación adecuada. Utilización de un cincel o cortafríos aplicado en la interfase para evaluar la facilidad o dificultad de su despegue, bien valorando la fuerza necesaria para el mismo, bien observando si el despegue va por delante del frente del cincel o el corte va justamente en el frente. En este último caso la adherencia es buena y en el primero es más débil. Este ensayo es cualitativo, se puede realizar en un taller simple. Los ensayos cuantitativos sirven para determinar la tensión de cortadura.


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En los materiales plaqueados con el revestimiento resistente a la corrosión, si además es esta característica la que se busca en la funcionalidad del recubrimiento, se pide generalmente que el revestimiento en el material plaqueado cumpla con las mismas exigencias que tendría el material del revestimiento si estuviese sólo cumpliendo su función. Así, en la norma ASTM A-264 de materiales plaqueados por laminación de aceros inoxidables con cromo y níquel sobre acero al carbono se dice que, salvo otro acuerdo entre el fabricante y el comprador, el material plaqueado debe llevar un tratamiento térmico de solubilización de carburos de cromo a la temperatura adecuada al material del recubrimiento y con enfriamiento al aire y que en el caso de que el material base sea templable al aire se seguirá de un tratamiento térmico de revenido. Esto que podría parecer obvio, no siempre es fácil de conseguir con resultados favorables o no perjudiciales para los materiales, tanto del recubrimiento, como del metal base. En el apartado 2.5 se expone la problemática. 2.2.2.- Materiales plaqueados obt enidos por s oldeo

Se ha indicado que los materiales plaqueados pueden obtenerse por soldeo (incluyendo soldadura dura o blanda, soldadura por explosión, soldadura por difusión, etc.). También puede incluirse en este bloque el material recubierto por depósito de soldadura con fusión de metal base, aunque en ocasiones, como la presente, se trate específicamente como recargues por soldeo. 2.2.2.1.- Soldadura blanda, dura y soldadura por difusión

Excluyendo, en consecuencia, el depósito por soldeo con fusión de metal base, quedan como procesos térmicos el soldeo del recubrimiento al metal base mediante soldeo duro, blando o por difusión. Salvo en el proceso de soldeo por difusión, en el que podría no utilizarse un material de aporte, se utiliza un material de aporte con un punto de fusión inferior a los de los dos materiales a unir. Para estas aplicaciones el material de aporte suele utilizarse en láminas. También podría utilizarse un proceso aluminotérmico. Generalmente, el material interpuesto tiene una resistencia inferior a la de los materiales a unir. Esto querría decir que esta zona sería la zona crítica para el despegue del recubrimiento. Sin embargo, en el comportamiento del conjunto, las diferencias existentes entre las resistencias de los materiales del aporte y de los dos componentes del plaqueado no se manifiestan tanto, ya que siendo el espesor del aporte muy fino, cuando el conjunto se somete a carga, son las deformaciones en los dos materiales del plaqueado las que condicionan la deformación del aporte unido a ellas; es decir le restringen su deformación y, en consecuencia, elevan su resistencia. Las aplicaciones de estos métodos térmicos de obtención de materiales y piezas plaqueadas suelen estar limitadas a conjuntos no muy grandes, que posteriormente pueden ser sometidos a operaciones mecánicas de conformado, pero no de unión por soldadura con fusión. Los procedimientos de soldeo para la fabricación de estos plaqueados son los procedimientos correspondientes a los procesos de soldeo duro, blando o por difusión aplicables. Hay que tener en cuenta, en todo caso, que los ciclos térmicos, temperatura y tiempo, que se utilicen, sean los adecuados para las propiedades finales de los dos materiales que se unen y no dañen a sus cualidades esperables para el comportamiento en servicio. 2.2.2.2.- Soldadura por explosión

El soldeo por explosión, como se ha estudiado en el módulo 1º, es una soldadura en estado sólido, en la que una chapa (chapa móvil), generalmente del material del recubrimiento, es proyectada a gran velocidad -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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sobre una chapa fija, normalmente la de mayor espesor y la que en el conjunto plaqueado mantiene la responsabilidad estructural.

En el punto de impacto o línea de impacto, que se va desplazando progresivamente sobre toda la superficie de ambas chapas, se originan grandes presiones (700 – 4000 MPa) que mantienen a dicha zona en un estado de presión hidrostática en la que los materiales cizallan deformándose y generando un chorro de material que va siendo expulsado por delante de la línea de impacto. Este chorro viene exigido por la conservación de la masa de los materiales que entran en contacto y por el principio de conservación de la cantidad de movimiento (m.v = cte.).


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Ese chorro participa de los materiales de ambas chapas, con una cuantía de cada uno de ellos aproximadamente en relación inversa a sus resistencias a cortadura. La importancia de este material, que va siendo expulsado en el proceso de soldeo, estriba en que supone que la unión de ambos materiales se realiza sobre material virgen sin las contaminaciones superficiales existentes en ambas chapas, por lo que la unión se produce por contactos atómicos entre ambos materiales y por lo tanto permiten interacciones íntimas. En ocasiones, si la energía mecánica aportada y la energía térmica generada por los procesos de deformación son suficientes, puede haber procesos de difusión atómica y producirse la generación de compuestos intermetálicos, que podrían fragilizar la unión. Sin embargo, no es normal que haya procesos de difusión en el soldeo por explosión, ya que los ciclos térmicos son muy rápidos, por lo que la unión para la mayoría de los materiales se produce directamente entre los granos de ambos materiales. Lo que hay es un pequeño incremento de dureza, debido a la deformación en frío en la zona de la interfase de unión. También pueden producirse compuestos intermetálicos como consecuencia del atrapamiento de pequeñas porciones del chorro proyectado, que se queda formando pequeñas bolsas entre los dos materiales de la unión. El material de estas bolsas, que participa del material de ambas chapas, y que en ocasiones llega a fundir, puede formar, bien una solución sólida dúctil si los componentes de ambas chapas son solubles el uno en el otro, o bien pueden formar compuestos intermetálicos de carácter frágil. Si la cantidad de bolsas es pequeña, lo que se procura en el proceso de unión, aunque sean de carácter frágil, no perjudican sensiblemente las características del producto plaqueado.

Además de la unión metalúrgica que se produce entre las chapas, en la soldadura por explosión hay también una unión mecánica, ya que la intercara de unión tiene un perfil, más o menos triangular y en ocasiones de tipo empestañado. Todo ello supone una unión muy resistente entre ambos materiales. Este perfil forma ondas con una determinada longitud de onda λ. La longitud de onda depende del espesor de la chapa móvil y del ángulo dinámico de oblicuidad β, que forma esta chapa con la chapa fija en las proximidades del punto de impacto, durante el proceso de soldeo. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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2

λ = k.e.sen (β/2),

en donde k es una constante que depende de los materiales y de sus propiedades. Una longitud de onda adecuada puede estar situada entre 0,5 – 2 mm.

METAL MUNTZ SOBRE ACERO AL CARBONO

Si las densidades de ambos materiales son semejantes, la forma de las ondas tiene una simetría, que va desapareciendo al aumentar la diferencia entre las densidades. En ocasiones, en la unión de algunos materiales, principalmente si la velocidad a que se realiza la unión es inferior a un cierto valor crítico, pueden aparecer placas interfaciales, formadas por ambos materiales de las chapas a unir. No es recomendable este fenómeno, porque pequeñas variaciones en los parámetros del proceso alrededor de las condiciones de formación de estas placas podrían conducir a una falta de unión. El que la unión producida tenga las características esperables supone el que se cumplan una serie de exigencias del proceso. Los parámetros que intervienen en el proceso, tales como: naturaleza de los materiales a unir, la velocidad del sonido en ellos y su resistencia, espesor del material que se proyecta, separación inicial entre ellos si la disposición es en paralelo y ángulo entre ellos si la disposición es inclinada, velocidades de propagación (detonación) de los explosivos utilizados y disposición y cantidad de los mismos, forman parte del procedimiento de soldeo por explosión. La velocidad el proceso es tan elevada, que durante el mismo no se pueden reajustar los parámetros para optimizar el proceso, por lo que la predeterminación correcta de los mismos es necesaria para garantizar la calidad de la unión.


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AMBITO Metal base Revestimiento Dimensiones globales

Variables de la operación de plaqueado

VARIABLE Tipo y grado Espesor Estado de trat. térmico Tipo y grado Espesor Estado de trat. térmico Superficie de la placa Relación de espesores revestimiento/base Longitud y anchura Separación inicial Peso de explosivo / m2 Tipo de expl. y compos. Preparación superficial Tipo y punto de ignición Elementos espaciadores Peso total explosivos Veloc. detonación expl. Confinamiento del expl.

ESENCIAL X X X X X X

NO ESENCIAL

X X X X X X X X X X X X

Desde la perspectiva de la utilización de los materiales plaqueados por explosión, interesa que los materiales no sean afectados negativamente por el proceso, que no se formen interfases frágiles o débiles y que no existan zonas de baja adherencia entre ambas chapas. Para que los materiales no sean afectados por el proceso, los parámetros del mismo deben ser adecuados a los materiales a unir, evitando tensiones excesivas sobre los mismos y evitando también la formación de ondas reflejadas que podrían provocar su agrietamiento y fragmentación. Asimismo, los materiales deben ser capaces de deformar y fluir, ya que son condiciones para que pueda darse este tipo de soldadura. La velocidad de deformación de los materiales durante el proceso es muy elevada, del orden de 104 – 105 s-1. Por lo tanto, los materiales deben ser suficientemente dúctiles, ya que si no lo son se figurarían. Su alargamiento en la rotura debería ser superior al 15%, aunque se han conseguido plaqueados correctos desde un 5-6% de alargamiento, y su tenacidad de fractura superior a 30 J a la temperatura del proceso. Para conseguir plaquear con ductilidades inferiores sería necesario precalentar las chapas, lo que tiene grandes dificultades técnicas y de seguridad. La mayoría de los materiales que pueden utilizarse con fines estructurales cumplen con estas condiciones de ductilidad y tenacidad. Normalmente, los materiales no son afectados sensiblemente por el proceso de soldeo por explosión. Tampoco son afectados por el calor generado por la explosión, ya que el proceso es muy rápido. A veces, el chorro formado por materiales de ambas chapas, que es expulsado, puede quedar atrapado entre las dos chapas que forman el plaqueado, principalmente si el frente de propagación se hace excesivamente convexo hacia el origen de la detonación, es decir, si se retrasa la propagación en algunos puntos. También puede ocurrir que la velocidad de proyección de la chapa móvil no sea suficiente y no se forme este chorro, con lo cual entrarían en contacto las superficies originales de ambas chapas, que darían lugar a una unión deficiente. Por ello es importante que las cantidades de explosivos que se dispongan sobre la chapa móvil sean las pertinentes y con una distribución correcta en función de sus velocidades de detonación, consiguiendo así un frente adecuado y un estado tensional que favorezca la unión. Si las velocidades de detonación de los explosivos son muy elevadas, puede haber fusión en los vórtices de las ondas en la interfase, debido a un calentamiento adiabático


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En ocasiones, puede interponerse una chapa de otro material entre las dos chapas a unir. Su finalidad no es aumentar o potenciar las propiedades del plaqueado, sino facilitar la realización del mismo. Unas veces esta capa intermedia facilita la evacuación del calor generado por la deformación en la interfase, principalmente de algunos materiales de la chapa móvil, y en otras permite utilizar un material de recubrimiento más fácil de conseguir, al evitar interacciones entre la chapa del cubrimiento y la chapa base. La utilización de esta chapa intermedia complica sensiblemente el proceso, al tener que duplicar el número de proyecciones de chapas, tanto si se realiza con una explosión, como con dos sucesivas; cada proyección con sus propios requisitos y casuística. Otras veces se adiciona a este proceso complejo una laminación intermedia del primer plaqueado.

Debido a las características del proceso, la rugosidad de las chapas a unir debe controlarse. Acabados con rugosidades iguales o menores de 3 µm de Ra serían las adecuadas. El acabado superficial sería una variable esencial del procedimiento de soldeo. También el enderezado y aplanamiento de las chapas es muy importante. Cuándo alguno de los constituyentes del plaqueado pueda fisurar el aplanamiento debe realizarse en caliente o tras un tratamiento térmico de eliminación de tensiones. En la tabla pueden observarse tolerancias estándar de aplanamiento.

Espeso res 0,125 - 1,25 1,26 - 2,5 2,51 - 6,25 6,26 - 9,375 9,376 - 18,75 18,76 - 37,5 37,6 - 75 > 75

TOLERANCIAS EN EL APL ANAMIENTO DE CHAPAS PLAQUEADAS POR EXPLOSIÓN Dimensiones (mm) hasta 150 x 300 hasta 300 x 900 hasta 300 x 1800 hasta 600 x 1800 hasta 1200 x 2400 0,500 3,125 12,500 25,000 50,000 0,500 3,125 6,250 25,000 50,000 0,500 2,000 3,125 18,750 50,000 0,500 2,000 3,125 12,500 50,000 0,500 5,000 6,250 6,250 50,000 0,500 6,250 9,375 12,500 50,000 0,500 6,250 12,500 18,750 50,000 0,500 6,250 12,500 25,000 50,000

Desde el punto de vista de la adherencia y del comportamiento mecánico, a los materiales plaqueados por explosión podría aplicárseles los ensayos mecánicos descritos para los plaqueados por laminación, por ej. de acuerdo con ASTM B-898. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Es conveniente realizar una inspección por ultrasonidos del material plaqueado, por ej. de acuerdo con ASTM A-578, para obtener un mapa de adherencia, utilizando patrones de calibración con zonas bien unidas y zonas sin adherencia. En ocasiones se realiza un C-scan. Otras veces se realiza una inspección mediante líneas o retículas. Los estándares de aceptación o rechazo pueden ser muy variados. En grandes superficies, por ej. de virolas, sin otras soldaduras o taladros en su superficie pueden adoptarse criterios semejantes a los empleados para la inspección de defectos de hoja en acero. En cambio, en placas tubulares con numerosos taladros, puede especificarse que no se admitan defectos de tamaño igual o superior al ligamento entre taladros, y/o a un tamaño máximo, por ej. 6 mm. Suele pedirse, asimismo, una inspección por líquidos penetrantes para buscar fisuraciones en el material del recubrimiento. Si hay una diferencia sensible entre las densidades de los dos materiales del plaqueado, puede realizarse asimismo una inspección radiográfica. Ésta se realizaría desde el lado del material más denso, colocando las placas radiográficas sobre el material menos denso. En la radiografía se pueden apreciar una serie de líneas paralelas, correspondientes a los vértices del perfil de las ondas. Si apareciesen zonas sin estas líneas se interpretarían como zonas en que los materiales no han tenido una unión correcta. Otra herramienta adecuada para apreciar si los parámetros del proceso utilizados y si la unión ha sido correcta es el examen metalográfico en una sección del plaqueado y en un plano normal a la superficie y paralelo a la dirección de la detonación. Si las ondas son regulares y con un perfil estimado correcto, es señal de que el proceso y la unión son adecuados. Pueden apreciarse asimismo si han quedado bolsas del material del chorro expulsado, su cuantía y si pueden suponer un comportamiento adverso en la unión. Si existen abundantes poros, bolsas y aparecen fisuras, la calidad de la unión será deficiente y el proceso utilizado incorrecto. El ensayo metalográfico y los ensayos mecánicos son ensayos destructivos y las probetas para los mismos deben ser tomadas de lugares representativos del conjunto del material. Los bordes de la pieza plaqueada no son los lugares más adecuados, porque en ellos es más fácil que la unión no sea correcta. Podría estimarse que si en esas zonas los resultados son favorables, estos serían conservadores respecto a las propiedades en otras zonas. Todo ello debe ser tomado en consideración y evaluado conjuntamente con los resultados de los exámenes no destructivos sobre el conjunto del plaqueado. En general hay que llegar a un acuerdo entre el fabricante de la chapa placada por explosión con el usuario de la misma sobre donde se va a extraer probetas por ensayo, debido a la falta de homogeneidad en función de posición, reparación a la posición inicial de la carta, etc. Hay otros dos aspectos que pueden ser importantes en el material plaqueado: el que éste sea plano y el control dimensional del espesor. Después del proceso de soldeo por explosión, puede ser necesario enderezar el plaqueado, si la chapa base no es muy gruesa, para cumplir con los requisitos especificados. Si las dimensiones lo permiten, esta operación suele realizarse entre rodillos. Cuando el espesor del recubrimiento es pequeño, por ej. por debajo de 1 mm, la pérdida de material expulsado por el chorro puede ser representativa. Los materiales blandos y gruesos se adelgazan más que los duros y finos. Para compensarla puede partirse de un espesor de chapa para el recubrimiento mayor del espesor necesario final. Debe controlarse el espesor. Con este fin se han empleado, en adición a las técnicas de ensayo anteriormente descritas, ensayos mediante corrientes inducidas. Las posibilidades del soldeo por explosión para la fabricación de plaqueados se centran preferentemente en su capacidad para unir numerosos materiales disimilares. No solamente permite obtener plaqueados que -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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no podrían conseguirse mejor por otros medios, tales como por procesos de laminación conjunta, por recargue de soldadura o por difusión, sino también de otros materiales, siempre que cumplan con las condiciones de ductilidad y tenacidad anteriormente mencionadas. Permite obtener plaqueados de grandes dimensiones, actualmente hasta aproximadamente 35 m 2 de superficie y espesores de revestimiento entre aproximadamente 3 centésimas de milímetro y 30 mm. No hay límites para el espesor de la placa base, ya que ésta se apoya sobre el suelo o sobre una placa gruesa. Se han fabricado placas tubulares para calentadores de alta de 500 mm de espesor de acero al carbono, plaqueado con acero inoxidable austenítico. Además de placas planas, el proceso permite obtener plaqueados cilíndricos o cónicos, siempre que la progresión de la detonación pueda ser uniforme, así como se pueda mantener una distancia constante o apropiada entre las placas a unir. Los materiales industriales que pueden unirse por este medio se indican en la figura.

Aunque se pueden unir los materiales relacionados y algunos más, el material típico para la placa base es el acero al carbono. Se puede unir con casi todos los materiales y es el que ofrece la mejor relación coste/resistencia, siendo ésta suficientemente elevada. Además es el que se puede acopiar con mayor facilidad en las especificaciones y tamaños requeridos. Aleaciones típicas para el revestimiento del acero al carbono son: •

aceros inoxidables, generalmente austeníticos, ferríticos, martensíticos, duplex

•

aleaciones base níquel, incluidos materiales registrados, monel, inconeles, hasteloy, etc.


Tema 2.18 -13-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN •

Aleaciones base cobre: cobre, latones, bronces, cupro-níquel

•

Aleaciones de titanio, Ti-0,2Pd, Ti-0,05Pd, Ti-0,1Ru

•

Aleaciones de aluminio

Menos típicas, pero de interés, sobre acero al carbono pueden ser: •

Aleaciones de zirconio (oxígeno < 1000ppm) y zirconio + titanio interpuesto

•

Tántalo y tántalo + cobre interpuesto

•

Fundición de hierro resistente al desgaste

•

Aceros al manganeso

Aluminio sobre cobre o cobre sobre aluminio son plaqueados muy utilizados para transiciones eléctricas. Precisamente una aplicación de los plaqueados por explosión de materiales no soldables entre sí por fusión, es la obtención de piezas de transición por mecanizado del plaqueado para ser utilizadas en la unión de materiales disimilares no compatibles. En este caso, la soldadura por explosión trabajará principalmente a tracción, como una soldadura normal; es decir, el plaqueado de origen trabajaría en la dirección z. también tienen interés las piezas de transición en la unión de materiales con diferente comportamiento anódico. Aunque esta solución no anula esa situación, si puede evitar “crevices” en la unión, que agravarían el comportamiento a corrosión. Aunque el proceso de plaqueado por explosión no puede considerarse un proceso térmico, como otros tipos de soldeo, en los que las contracciones diferenciales en el calentamiento y en el enfriamiento del ciclo térmico dan origen a la generación de tensiones residuales, las deformaciones en frío de los materiales en la zona de la intercara dan lugar a un endurecimiento por deformación, que se considera que se debe eliminar del producto plaqueado, ya que disminuye la ductilidad. La manera de reducir ese endurecimiento será la aplicación de un tratamiento térmico. Este tratamiento térmico debería reducir el endurecimiento y ser compatible con las características de los dos materiales del plaqueado y con su presencia conjunta en la interfase (producción de fenómenos de difusión o de compuestos intermetálicos). Aunque estos tratamientos térmicos se realizan, no siempre pueden considerarse favorables.


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También se aplican procesos térmicos a los materiales plaqueados, principalmente si es necesario aplanar las placas. Hay que considerar que el material base del plaqueado debe cumplir con sus requisitos estructurales al final del proceso de obtención, incluidos los tratamientos térmicos que pueda sufrir. También el proceso de soldeo por explosión le afecta. Por lo tanto, la especificación de compra del material base deberá tener esto en cuenta.

2.3.- Recargues por sol deo Los recargues por soldeo son depósitos, generalmente formando una capa, producidos por soldeo sobre un soporte metálico, con una finalidad diferente a la de unir dos piezas, aunque puedan realizarse para utilizar como soporte para una posterior unión. Los recargues por soldeo pueden ser parciales o totales sobre una superficie. También se incluyen los depósitos producidos por proyección térmica. Las soldaduras de reparación pueden asimismo incluirse en este bloque. La finalidad, por lo tanto, es conseguir las propiedades o dimensiones deseadas. Se utiliza para cumplir con las condiciones de servicio, tales como resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste por sólidos o fluidos, control dimensional, capacidad para poder soldar otros componentes compatibles con el recargue, pero que no son compatibles con el material base o no es conveniente su soldeo directa, soldaduras de reparación o cumplimiento con características metalúrgicas. Simplificadamente, podrían agruparse los procesos de recargue, como plaqueado superficial, recargues duros, depósitos de restauración dimensional o recrecimiento y el llamado untado. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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En el plaqueado superficial se deposita una capa, relativamente gruesa, del material de recargue sobre la superficie de un material, generalmente acero al carbono o de baja aleación, normalmente con el propósito de obtener una superficie más resistente a la corrosión. Como se ha indicado anteriormente, la capa depositada no suele tener o no se le da una finalidad estructural en el diseño del componente. El recargue duro supone la deposición de una capa del material del recargue para reducir el desgaste del componente, aumentando la resistencia superficial a la abrasión, impacto, erosión, etc. En este caso, tampoco se considera esta capa con fines estructurales en el diseño. Los depósitos de restauración superficial tienen la finalidad, indicada en el nombre, de restaurar un componente, bien desgastado, bien saneado para reparar, con un material, generalmente semejante o compatible con el metal base, hasta cumplir con las dimensiones debidas del componente. En este caso, tratándose de un material estructural, la restauración del mismo también tendrá una finalidad estructural. El untado se aplica a superficies a ser soldadas, normalmente de materiales disimilares, sobre las que se aplica previamente a la unión una o dos capas de un material de transición, compatible con el material de aporte de la soldadura posterior, que en caso necesario pueda cumplir con las requisitos del material base a soldar, incluido un posible tratamiento térmico. Este untado podría distinguirse, por ejemplo, de un depósito por soldeo, aplicado sobre una superficie de una chapa sobre la que habría que soldar un componente o cartela, lo que haría que la chapa trabajase en la dirección z con riesgo de desgarre laminar. En este caso, lo que se pretende con el depósito es hacerle actuar como placa de reparto de tensiones sobre una superficie mayor. La capacidad resistente del untado debe ser tenida en cuenta en el diseño.

2.3.1.- Procesos de sol deo. Diluci ón.

Los procesos de soldeo empleados en los recargues son sustancialmente los mismos empleados en la uniones por soldeo. Sin embargo la problemática no es la misma. Normalmente a las soldaduras de unión de materiales estructurales se las exige características estructurales, lo que no sucede en muchos recargues. Las uniones trabajan generalmente a tracción, flexión y cortantes y a los recargues usualmente no se les exige un comportamiento a tracción en el sentido del espesor. Sin embargo, el material del recargue tiene un espesor suficiente para que el recargue tenga una entidad propia y manifieste su diferente comportamiento con el material base en los ciclos térmicos, con el que comparte una gran superficie en la interfase. Adicionalmente, hay que tener en cuenta la gran diferencia, tanto en la composición química, como en las propiedades mecánicas de los materiales del recargue y del material base. También hay que considerar que normalmente se pretende aplicar la menor cantidad posible de recargue. Por ello, en un espesor pequeño, el gradiente de composición y propiedades es muy elevado. Puesto que los recargues son normalmente de materiales disimilares, salvando las soldaduras de reparación, la comparación entre los procesos de soldeo deberá establecerse con la unión de materiales disimilares. En estos casos los aspectos de la dilución entre el material fundido del metal base y el material del aporte cobran especial importancia. También se consideran los aspectos de dilución en las uniones de materiales de la misma composición, aunque en estos casos se analizan principalmente porque las composiciones del material de aporte no son exactamente coincidentes con las de los metales base. Un caso habitual se presenta en el soldeo de los aceros inoxidables austeníticos, en los que la existencia o no de un porcentaje pequeño de ferrita delta tiene una gran importancia.


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Los aspectos de la dilución cobran especial importancia en la realización de recargues, en donde condicionan el comportamiento del mismo y, en consecuencia, su realización, tipo de proceso de soldeo, espesor del recargue, número de pasadas, etc. Desde la perspectiva metalúrgica, la composición y propiedades del recargue se ven muy afectadas por el grado de dilución que se pueda producir. El tipo de proceso de soldeo, sus variables y la forma de ejecutarlo influyen en la dilución. El porcentaje de dilución y la composición en los distintos elementos en el baño de fusión se pueden determinar como se indican en la figura.

ZF = (ZB . B + Z A . A) / (A + B ),

en donde:

ZF = contenido del elemento Z en el metal fundido Z A = contenido del elemento Z en el metal de aportación ZB = contenido del elemento Z en el metal base A y B = áreas respectivas de la sección transversal, correspondientes a las participaciones del metal de aporte y base

Puesto que las variables del proceso de soldeo afectan a la dilución y ésta a las propiedades, la homologación del procedimiento incluye un análisis químico del depósito, a una cierta profundidad desde la superficie, para demostrar que el proceso puede producir el recargue requerido para un comportamiento correcto del mismo frente al entorno. La microestructura del material procedente de la solidificación de la zona fundida depende asimismo de la dilución habida entre el metal base y el aporte. Se ha indicado que en el soldeo de los aceros inoxidables austeníticos, la existencia o no de un porcentaje pequeño de ferrita delta tiene una gran importancia. La razón estriba en que la soldadura de un material completamente austenítico es muy sensible a la fisuración en caliente. Esta figuración puede prevenirse si el material fundido solidifica con una cierta cantidad de ferrita delta. Un 2% de ferrita delta en la microestructura puede prevenir esta figuración, aunque por conservadurismo se especifican cantidades superiores, un mínimo del 4 u 8%. Porcentajes superiores al 16 – 18% pueden ser perjudiciales, ya que en algún eventual tratamiento térmico podría derivar en fase sigma, fragilizando al acero. En la figura puede observarse que para contenidos medios y altos de ferrita delta la energía absorbida en el ensayo Charpy disminuye a valores muy bajos para los normales en un metal de soldadura de acero austenítico 308L, mantenido a 600ºC.


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La microestructura del metal depositado y principalmente el contenido de ferrita delta, puede evaluarse de distintas formas en los aceros inoxidables austeníticos. Se indican procedimientos aceptados en especificaciones de diseño e inspección. Por medios métalográficos puede determinarse la cantidad de ferrita delta, bien por análisis de imagen o bien por comparación de una micrografía con micrografías patrones. Bien realizado es un método bastante exacto. Dado que la ferrita delta tiene respuesta magnética y la austenita no, puede emplearse un medidor de ferrita basado en esta propiedad. El resultado se expresa en Nº. de ferrita, que es bastante parecido al porcentaje. Puesto que el material procedente de la zona fundida está lindando con el metal base (no magnético), si la sonda se aproxima a este límite la medida puede verse influida por el metal base. Deben tomarse precauciones en la aplicación del método. La microestructura a obtener en la soldadura puede preverse a partir de la composición química del metal base, la del metal de aportación y del grado de dilución, mediante el Diagrama de Schäffler, que puede escribirse también Schaeffler. Aplica a material de acero inoxidable depositado por soldadura y, por consiguiente, solidificado y enfriado con rapidez. Fija un punto en función del cromo equivalente (elementos que aumentan el campo de estabilidad de la ferrita) y del níquel equivalente (elementos que amplían el campo de estabilidad de la austenita). A ese punto le corresponde una determinada microestructura. Es relativamente exacto. Los tratamientos térmicos modifican la microestructura.


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Se presenta a continuación un diagrama de Schäffler con las composiciones de los materiales más usuales y las líneas sobre las que se encontrarán las zonas fundidas, así como las diluciones a las que corresponderían otros puntos característicos.


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Desde el punto de vista de resistencia a la corrosión, por ejemplo en los aceros inoxidables austeníticos, tiene mucha importancia el contenido en carbono. Los grados regulares de chapas de estos aceros (C < 0,08%) han demostrado numerosas veces ser susceptibles a la corrosión intergranular y a la corrosión intergranular bajo tensión en medios no especialmente agresivos, cuando estaban sensibilizados, aunque superasen los criterios de aceptación de la norma ASTM A-262, práctica E. el metal de la zona fundida de composición semejante puede ser algo menos susceptible, pero, no obstante, deben tomarse precauciones, máxime cuando el contenido en carbono en un recargue sobre acero al carbono puede ser elevado, tanto en la primera capa, como en la segunda, si la dilución es elevada. El siguiente supuesto lo pone de manifiesto, aunque se parte de un acero al carbono soldable con un contenido no muy alto en carbono. Se realiza un recargue con un acero inoxidable austenítico bajo en carbono, grado L, sobre acero al carbono con un contenido en carbono del 0,20%. El contenido máximo de carbono en el aporte es del 0,04%. Si la dilución es del 30%, el contenido en carbono del depósito en la primera pasada será: 0,30% . 0,2 + 0,70% . 0,04 = 0,09%. Sería necesario realizar una segunda capa. Su resultado sería: 0,30% . 0,09 + 0,70% . 0,04 = 0,055%. Se ha indicado anteriormente que las variables del proceso de soldeo afectan a la dilución. El control de las variables del proceso es más crítico en la realización de un recargue, que en la realización de una soldadura de unión. Las variables más importantes que afectan a la dilución son: Intensidad, polaridad, diámetro del electrodo, extensión de electrodo, el espaciado entre cordones, la oscilación, la velocidad de avance, la posición de soldeo y la inclinación de trabajo, el medio de protección y la utilización de material de refuerzo. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Aumentando la intensidad, aumenta la dilución. El arco se hace más recto y caliente, penetrando más profundamente y fundiendo más cantidad de metal

•

El soldeo con corriente continua, electrodo negativo, da menos penetración y, en consecuencia, menos dilución, que el soldeo con corriente continua, electrodo positivo. Con el soldeo con corriente alterna se obtiene una dilución intermedia entre las anteriores.

•

El soldeo con electrodos de menor diámetro supone soldar con menores intensidades y, por lo tanto, con menores diluciones. En soldeo MIG, para una determinada intensidad, los electrodos de mayor diámetro (menor densidad de corriente) suponen menor dilución, si estos electrodos trabajan en modo de transferencia globular, en tanto que los electrodos de menor diámetro trabajan en modo de transferencia spray. Con otros procesos de soldeo los resultados pueden ser diferentes.

•

En el soldeo MIG, una mayor extensión de electrodo (longitud del consumible desde la punta de contacto) supone una menor dilución, al aumentar la velocidad de fusión del electrodo (por calentamiento I2R) y difusión de la energía del arco al incidir en el metal base. A la inversa una menor extensión de electrodo podría suponer una mayor dilución.

•

El espaciado entre cordones influye en la dilución, ya que a menor espaciado hay mayor solape entre cordones, lo que supone que hay mayor participación del cordón anterior en el baño de fusión y, por lo tanto, menor dilución del metal base. Mayor separación supone mayor dilución.

•

Al aumentar la oscilación del electrodo disminuye la dilución. Con el soldeo sin oscilación se produce el máximo de dilución. La frecuencia de la oscilación también influye en la dilución. Se puede decir que al aumentar la frecuencia, disminuye la dilución. En la figura se aprecia que al variar la oscilación varía la forma del baño. La menor dilución se obtiene con oscilación recta de velocidad constante, en disposición horizontal con longitud de arco constante.


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Al disminuir la velocidad de avance, disminuye la cantidad de metal base fundido y aumenta la cantidad de material aportado por unidad de longitud, es decir, disminuye la dilución. Esta disminución se produce porque cambia la forma del baño y su espesor, debido a que la energía del arco se concentra más en el baño que en el metal base. La figura muestra este efecto.

•

La posición de soldeo influye en la dilución, porque, dependiendo de ella y de la inclinación de trabajo, la gravedad hace que el baño se desplace hacia delante o hacia detrás del arco. Cuanto más vaya el baño hacia delante del arco o debajo de él, menor será la penetración en el metal base y menor la dilución, ya que el baño hace de escudo del arco, absorbiendo parte de su energía, antes de que actúe sobre el metal base. La energía del arco aplana y ensancha el baño. Las posiciones de trabajo, más usuales para recargues, se enumeran en orden de dilución decreciente:

•

o

Vertical ascendente

o

Horizontal

o

Plana, con una disposición hacia arriba de hasta 15º

o

Plana, sin inclinación

o

Plana, con una disposición hacia abajo

El medio de protección, gas o fundente tiene una influencia significativa en la dilución. Influye en la fluidez y en la tensión superficial del baño, que determinan la extensión en que el metal fundido moja el metal base y rebosa sobre los bordes de la zona que se ha fundido del mismo, dando un cordón suave y liso. Tiene también influencia significativa en el tipo de corriente de soldeo que puede utilizarse. Se enumeran seguidamente los diferentes medios de protección en orden decreciente de la dilución que producen:


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN o

Helio

o

Fundente granular sin adición metálica

o

CO2

o

o

Argon Fundente granular con adición metálica

•

La adición de refuerzos metálicos distintos del electrodo al baño disminuye significativamente la dilución. Estas adiciones, como polvo, alambre, varilla o con el fundente reducen la dilución porque, al mismo tiempo, aumentan la cantidad de metal aportado y disminuyen la cantidad de metal base fundido. Sucede porque parte de la energía del arco se emplea en fundir este material añadido, en lugar de emplearse en fundir metal base.

•

Estas medidas deben tomarse con cuidado para evitar el problema de fallos de fusión que harían el recargue inservible (error frecuente en ciertos materiales).

2.3.2.- Plaqueado superf ici al por s oldeo

Se ha indicado anteriormente que los recargues por soldeo pueden realizarse por los mismos procesos de soldeo utilizados para realizar uniones. También se han indicado las peculiaridades de los recargues superficiales y sus cuidados específicos. Cuando se realizan plaqueados, normalmente se tratan grandes superficies, por lo que se seleccionan procesos, que cumpliendo los requisitos técnicos, tengan la mejor productividad. Se centrará inicialmente el estudio del plaqueado ligado a un tipo de vasija. En lo que sigue se analiza en componentes nucleares, y salvo detalles, como calidades distintas de los metales base, estructuras de temple más o menos severas en la ZTA, tratamientos térmicos postsoldadura a temperaturas algo diferentes, la filosofía en otros diseños de vasijas es la misma. 2.3.2.1.- Los recipientes nucleares y sus plaqueados

Las vasijas del circuito primario de las centrales nucleares de agua ligera están constituidas fundamentalmente por forjas o chapas de baja aleación conformadas y soldadas que, en las grandes centrales (1300 MW), llegan a alcanzar un tamaño gigantesco. La chapa que se emplea en las virolas, fondos y cabezas de cierre suele ser acero SA 533 Grado B Clase 1, templado (tras austenizar a 860-910 ºC durante 4-8 horas) y revenido (560-690 ºC). La cara interior de estas piezas, que posteriormente estará en contacto con el agua, se recubre de un plaqueado de acero inoxidable austenítico (y en determinadas zonas, como la placa-tubo, de Inconel o aleación Ni-Cr-Fe) depositado por soldadura sobre una superficie que corresponde a la piel del lingote original. Las forjas para las virolas, toberas y bridas, se fabrican a partir de lingotes de acero ASME SA 508 clase 2 ó 3 ó DIN 20MnMoNi55 (Tabla 1) que se trepanan eliminando el núcleo del lingote. Tras su forja y premecanizado estas forjas se templan y revienen como las chapas y sufren el mecanizado final. Consecuentemente el plaqueado de las superficies internas de las forjas se realiza sobre un material que proviene de cerca del centro del lingote original y que tendrá una alta segregación. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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En las operaciones de plaqueado se recurre normalmente a procesos automáticos, como el arco sumergido a banda y, en zonas especiales, al arco sumergido a hilo relegándose el electrodo revestido a pequeños remates. Si se realiza el plaqueado por soldeo, por ejemplo, de una placa tubular circular, puede seguirse un proceso de soldeo automático en espiral hasta un determinado diámetro del orden de 300 – 400 mm, a partir del cual no se podría cumplir con la temperatura máxima entrepasadas, por lo que ese círculo se realiza por un proceso manual con electrodo revestido. Para los plaqueados de acero inoxidable austenítico, los materiales de aportación suelen ser del tipo 24Cr/12Ni con o sin Nb (AWS 309L o 309L + Nb) en la primera capa (que debe compensar la dilución con el metal base), mientras que en la segunda capa, caso de depositarse, se hace uso de materiales 20Cr/10Ni con o sin Nb (AWS 308L ó 347). Los fluxes de arco sumergido son habitualmente neutros, o compensan ligeramente las pérdidas de cromo. Todo esto es aplicable a los reactores de la industria petroquímica con la salvedad de que las chapas y forjas empleadas ahora son de acero de baja aleación tipo 2 1/4Cr 1 Mo y los metales de aportación para plaqueado son sólo aceros inoxidables austeníticos estabilizados con Nb, al menos en la segunda capa. 2.3.2.2.- Estructura del plaqueado en los componentes nucleares

En el caso del plaqueado de acero inoxidable austenítico su composición química se mantiene en el espesor de la capa salvo en la proximidad de la interfase con el acero de baja aleación o metal base (interfase austenítica/ferrítica). A unas 500 micras de esta interfase y del lado del plaqueado se inicia un fuerte gradiente químico que hace que la interfase esté constituida por una delgada capa de martensita. En el resto, el plaqueado está constituido por austenita con una pequeña presencia de ferrita delta (5-15%) que garantiza la ausencia de grietas en caliente en el depósito especialmente cuando se han usado procedimientos de soldadura de alto aporte térmico (arco sumergido) con metales de aportación estabilizados, (hay que señalar que en los reactores de urea está prohibida la existencia de dicha ferrita delta en el plaqueado ya que disminuye su resistencia anticorrosiva en este medio). En el caso de plaqueado con aleaciones de níquel (como la Ni-Cr-Fe o Inconel) la estructura del depósito es austenítica con presencia de carburos, y la capa martensítica de la interfase permanece aunque su detección se hace mas difícil. (Este plaqueado no se usa en ambientes, como los reactores petroquímicos, en los que hay una presencia de azufre que lo corroería rápidamente). 2.3.2.3.- La ZTA del plaqueado de los componentes nucleares

Se consideran las soldaduras realizadas por arco sumergido a banda y con hilo. 2.3.2.3.1.- La ZTA en el plaqueado por arco sumergido a banda En la industria este proceso suele usar la banda de 60x0.5 mm. de sección y genera unos aportes térmicos por unidad lineal de depósito muy altos (110 kJ/cm). En el plaqueado de una capa se genera una ZTA que en el centro del cordón alcanza una altura de 8 a 10 mm de los que el área de grano grueso (AGG) ocupa 2 ó 3 mm. En esta área el tamaño de grano máximo producido es de unos 0,20 mm. y la estructura ha sido descrita como bainita superior y/o inferior y, ocasionalmente, como martensita. Su dureza es de unos 330 HV.


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La extensión del AGG (y de la ZTA) y su tamaño de grano parece ser la misma para las chapas (SA 533 grado B clase 1) que para las forjas (SA 508 clase 2) y no es influida por el tamaño de grano original del metal base (0.06 a 0,017 mm.). En los aceros no desoxidados con aluminio, la extensión del AGG es algo mayor, aunque el tamaño de grano máximo puede ser inferior. Esta ZTA se ve modificada sólo en la proximidad del solape por el ciclo térmico de la pasada siguiente, afinándose ahí parte de su AGG, que por lo demás, permanece inalterada al terminar los recubrimientos anticorrosivos de una sola capa. En los plaqueados de dos o más capas, las pasadas en la segunda capa, posicionadas adecuadamente, pueden hacer desaparecer las AGG del metal base. Los ciclos térmicos de estos cordones calientan a esas AGG a temperaturas de 800 a 1100-C, afinando su estructura.


Tema 2.18 -25-


2.3.2.3.2.- La ZTA en el plaqueado por arco sumergido a hilo y por electrodo revestido. La tasa de deposición baja de estos procesos (véase Tabla), así como su alta dilución, reduce su aplicación en las vasijas nucleares a aquellas geometrías en que no es posible aplicar la banda (escalones estrechos, zona central de fondos y cabezas o placas-tubo, soldadura en posición, reparaciones, etc.). La dilución alta de estos procesos obliga a solapes precisos y generosos de los cordones y al depósito de dos o más capas.

Proceso soldeo

Polaridad

Arco sumergido Arco sumergido

Electrodo (mm) Banda 60x0,5 1 hilo

C.C. (-) C.A.

Intens. (A) 600 - 750 400

Voltaje (V) 28 - 39 36

Velocidad (mm/min.) 90 - 120 130 -140

Electrodo revest.

2,6

-

-

-

-

Tasa deposición (kg/h de arco) 13 - 17 12 con oscilación 0,75 – 2,5

Nota: Precalentamiento 100 – 175 ºC. A veces se prolonga en un postcalentamiento de 8 horas. La ZTA de la primera capa de ambos procesos se muestra en la figura, en donde se aprecia que un solape mayor produce AGG más reducidas.


Tema 2.18 -26-


Con el arco sumergido (aporte térmico 19 kJ/cm), la profundidad de la ZTA es de 5 a 7 mm y la del AGG de 1 a 1,5 mm con un tamaño de grano máximo de 0,17 a 0,08 mm. Pero los ciclos térmicos de los cordones de la segunda capa normalizan las AGG presentes en el metal base. Esta circunstancia no sucede cuando el plaqueado se hace con electrodo revestido (aporte térmico 8 kJ/cm), quedando las AGG del metal base intactas, salvo que se reduzca el espesor de la primera capa mediante amolado o mecanizado y/o se aumente eí aporte térmico de la segunda capa (técnica del cordón de revenido). 2.3.2.4.- Tensiones residuales en la condición de soldadura

El tratamiento térmico de temple y revenido de las chapas y forjas que integran las vasijas nucleares elimina las tensiones residuales de su fabricación y hace que, antes de soldar, estas piezas de acero estén libres de tensiones internas. En la fabricación de estos componentes, el soldeo de sus forjas y chapas genera tensiones residuales. Su distribución es función del procedimiento de soldeo y de la geometría de la unión. 2.3.2.4.1.- Plaqueado por arco sumergido a banda. En la condición de soldeo el plaqueado de una sola capa está sometido a tensiones biaxiales de tracción que, disminuidas, alcanzan al metal base ferrítico adyacente para volverse de compresión a profundidades mayores. Esta no es la situación en la zona del solape, donde e! AGG de la ZTA sufre también tensiones longitudinales de gran magnitud (400Mpa). La figura muestra en el plaqueado a banda de una capa las tensiones residuales, en la dirección de soldeo, presentes en la línea de fusión.

En los plaqueados de dos capas en la condición de soldadura la situación es diferente. Ahora también el plaqueado sufre tensiones biaxiales de tracción, pero el máximo valor se alcanza en el metal base, fuera del AGG). -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 2.18 -27-


2.3.2.4.2.- Plaqueado por arco sumergido a hilo y por electrodo revestido. Aunque no hay datos publicados de las vasijas nucleares, resulta evidente que estos plaqueados presentan en la condición de soldadura tensiones residuales de tracción del orden del límite elástico en la ZTA inmediata al plaqueado, y por ende en las AGG. 2.3.2.5.- Fisuraciones posibles en los plaqueados en la condición de soldadura

En la condición de soldadura el plaqueado puede presentar dos tipos de agrietamiento. Uno de ellos son las fisuras en caliente. Se presentan mayormente en plaqueados de acero inoxidable austenítico estabilizados sin ferrita delta, hechos con procesos de soldadura de alto aporte térmico. Estas grietas también son posibles en el plaqueado de inconel, aunque en este caso su aparición depende de la colada de metal de aportación empleada y de la dilución. El otro tipo de fisuración es el agrietamiento en frío que puede tener lugar en la ZTA del metal base o a lo largo de la capa martensítica presente en la interfase. En este último caso se produce la separación del plaqueado y del metal base. 2.3.2.6.- Tratamiento térmico de postsoldadura (pwht) en las vasijas nucleares.

Se efectúa en horno. El calentamiento es uniforme con velocidades de 20-55 ºC para evitar posibles distorsiones debidas a tensiones térmicas. La temperatura de mantenimiento (595-625 ºC), subcrítica e inferior a la temperatura de revenido del metal base en 55 ºC o más, no altera prácticamente las características mecánicas de las forjas y chapas en los tiempos de mantenimiento usuales. El tiempo de mantenimiento aumenta con el espesor de la unión con el fin de compensar posibles retrasos en la relajación de tensiones que, en las soldaduras más gruesas, pueden presentar mayor triaxialidad. Como la permanencia a alta temperatura tiene efectos negativos sobre los materiales, los Códigos especifican este tiempo y así ASME pide dos horas para un espesor de dos pulgadas, más quince minutos por cada pulgada adicional. Sin embargo al acumularse sobre la vasija los tratamientos térmicos de postsoldadura (PWHT) de sus distintas uniones y plaqueados se puede llegar a mantenimientos acumulados de hasta 40 horas. Por ello se usan PWHT intermedios a 550 ºC y así se reducen los tiempos a 600 ºC considerablemente, con un daño mínimo al material. El enfriamiento en horno y uniforme (20-55 ºC/hora) evita distorsiones e impide la introducción de nuevas tensiones residuales. 2.3.2.6.1.- Efecto del PWHT sobre el plaqueado de los componentes nucleares. El PWHT induce en el plaqueado y su correspondiente ZTA los siguientes fenómenos: •

Relajación de las tensiones residuales debidas a la soldadura. Como es sabido cuando las tensiones en el AGG de la ZTA son elevadas y el metal base es susceptible se produce grietas de recalentamiento en estas áreas. Por lo dicho anteriormente, esta fisuración se puede dar en el plaqueado de una capa por arco sumergido a banda y en el plaqueado con electrodo revestido.

•

Generación de unas nuevas tensiones residuales. Se deben a la diferencia en los coeficientes de dilatación entre el metal austenítico y el ferrítico.


Tema 2.18 -28-


Difusión del hidrógeno fuera de la ZTA.

•

Revenido en la ZTA.

•

Emigración de carbono del metal base al plaqueado. Esta emigración de carbono es mucho mas intensa en el caso de plaqueados de acero inoxidable austenítico que inconel. A lo largo de la interfase austenítica/ferrítica y del lado del plaqueado se produce una capa martensítica muy dura, mientras que del lado del metal base se genera una franja descarburada y blanda.

•

En el caso del plaqueado inoxidable austenítíco, posible pérdida de propiedades anticorrosivas y mecánicas del plaqueado debido a la precipitación de carburos de cromo (frenada por la existencia de ferrita y niobio) y fase sigma (acelerada por la misma ferrita y niobio) respectivamente. Esto se minimiza/evita depositando plaqueados bajos en carbono o estabilizados y con una ferrita delta entre el 5 y 15%.

2.3.2.7.- Fisuraciones posibles en los plaqueados tras el PWHT.

Se ha visto que tras el PWHT se tiene una capa martensítica a lo largo de la interfase austenítica/ferrítica y tensiones residuales altas en el plaqueado. Si por alguna circunstancia se introduce hidrógeno en esa zona se puede tener en ella agrietamiento en frío y separación del plaqueado y metal base. El hidrógeno puede introducirse en posteriores operaciones de soldeo sobre el plaqueado que lleguen a afectar térmicamente al acero ferrítico. También puede llegar cuando dicho gas está presente en el ambiente de servicio (caso de los reactores petroquímicos). Por eso en reactores recientes se ha hecho uso de plaqueados obtenidos por soldeo sin fusión. 2.3.2.- Recargues duro s

Es un recargue que se aplica para reducir el efecto de desgaste que sobre el metal base ejercen fenómenos de desgaste, abrasión, impacto, erosión o cavitación. La resistencia del recargue duro no se considera en el cálculo estructural de! diseño. El recargue duro se deposita normalmente mediante procesos de arco manual, semiautomático o automático o por soldadura oxiacetilénica. Los metales de aportación se suministran en la forma de varillas, electrodos revestidos, bobinas de hilo, pasta y polvos. Las propiedades importantes de un recargue duro son: •

Dureza

•

Resistencia a la abrasión,

•

Resistencia al impacto,

•

Resistencia al calor,

•

Resistencia a la corrosión,

•

Propiedades de fricción.


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El recargue duro pretende prolongar la vida en servicio del componente. Sin embargo, debido a la complejidad de los fenómenos de desgaste es difícil relacionar la vida en servicio y las propiedades del recargue. En general se trata de lograr un compromiso entre resistencia a la abrasión (relacionada en general, aunque no siempre, con la dureza) y al impacto (desconchados y grietas). Ambas propiedades son incompatibles, salvo en el caso de los aceros austeníticos al manganeso. En caso de oxidación a alta temperatura la solución puede ser un mayor porcentaje de cromo. El desgaste por fricción entre metales, que se debe a fenómenos de soldadura espontáneos, se evita procurando depósitos que desarrollan películas superficiales no soldables (ej. bronces al aluminio). El recargue duro tiene las siguientes ventajas: •

Da una resistencia mayor al desgaste o a la corrosión donde se necesita,

•

Uso fácil de aleaciones muy duras,

•

Rápida realización en campo,

•

Uso económico de aleaciones caras,

•

Proporciona una capa superficial dura resistente al desgaste soportada por el metal base tenaz que aguanta la carga.

La calidad requerida depende de la aplicación. En las válvulas de motores, por ejemplo, se necesita un recargue duro sano. Es necesario un control cuidadoso en la fabricación de las varillas de aportación y un entrenamiento concienzudo del soldador. En el otro extremo están los equipos de movimiento de tierras, en los que el recargue puede realizarse con soldadores con menos experiencia, utilizando material de aportación sin demasiados requisitos. En estos casos los recargues duros con grietas y porosidad pueden ser aceptables y alargan la vida del equipo pese a esos defectos.

2.3.3.1.- Procesos de soldeo y materiales.

El recargue duro manual mediante soldeo oxiacetiIénico con varilla logra depósitos lisos, precisos y de muy alta calidad. La ausencia de dilución con el metal base de este procedimiento lo hace muy apropiado para los casos en que el metal de aportación y el base son muy distintos (aleaciones base cobalto/acero). El precalentamiento y lento enfriamiento minimizan las grietas. Su capacidad de deposición es inferior a la de los procesos de soldadura por arco, pero para muchas aplicaciones es el proceso más satisfactorio. El recargue duro manual mediante electrodo revestido es muy frecuente. Los metales de aportación pueden ser aceros de baja y alta aleación, aleaciones de base níquel, de base cobalto y base cobre. Los metales base pueden ser aceros o aleaciones no férreas. La tasa de deposición suele ser de 0,5 a 2 kg/hora con una dilución del 30 al 50%. También se emplea para este menester el proceso TIG. Aunque es más lento que otros procesos de soldeo por arco, proporciona recargues de excelente calidad. Con respecto al depósito oxiacetiIénico su calidad es semejante, y aunque se logran contenidos en carbono inferiores y diluciones algo mayores, se -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 2.18 -30-


requieren precalentamientos menores, resulta más rápido y con menores acumulaciones de calor y distorsiones. Normalmente se emplea argón y su tasa de deposición es baja. El recargue duro mediante plasma con polvo permite una buena calidad con las siguientes ventajas: •

posibilita depositar una gran gama de materiales,

•

es posible recargar sobre materiales de bajo punto de fusión,

•

aplicación controlada de capas muy delgadas así como gruesas,

•

buen control sobre el acabado superficial.

•

es un proceso totalmente automático con tasas de depósito de 5,5 kg/hora.

También el proceso semiautomático se usa para recargues duros. La dilución en transferencia "spray" es alta (30-50%) y la tasa de deposición de 5,4 a 6,7 kg/hora. El proceso MIG/MAG tiene limitaciones porque hay aleaciones que no se pueden laminar y trefilar en forma de calor, por sus características. El proceso "Flux Core" es una modificación del anterior con la ventaja de que se puede ajustar la composición del material de aportación con mas facilidad, pero con los inconvenientes de que se produce escoria, que hay que eliminar antes continuar con el cordón siguiente (igual que con el electrodo revestido y el arco sumergido) y de que electrodo no se suministra enrollado en radios tan pequeños como e! hilo macizo. El proceso de arco abierto utiliza hilo tubular con material de aporte en polvo en su interior. Puede ir mezclado con desoxidantes, pero no con fundentes. No utiliza protección de gas. Las tasas de deposición son elevadas. El arco sumergido da tasas de depósito altas pero la dilución es elevada necesitándose varias capas para alcanzar las características superficiales deseadas. Con depósitos frágiles se suelen obtener redes de grietas superficiales que muchas veces son tolerables y que para evitarse requerirían precalentamientos y postcalentamientos muy elevados. Con electrodo único y sin oscilación son de esperar depósitos de 6 kg/hora con diluciones de 15 a 50%. En la tabla siguiente se dan las aleaciones para recargues duros, clasificadas por grupos. Los elementos que figuran en la columna de la derecha, se encuentran ordenados en orden decreciente de su participación en la aleación. Es decir, el primer elemento es el que tiene la composición mayoritaria.


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En la tabla siguiente se muestran resumidas las características de los procesos de soldeo utilizados para los recargues duros.

2.3.4.- Otros recargues y reparaciones por soldadura

En lo anterior se ha tratado de la fabricación de piezas o componentes, centrándose en los aspectos de plaqueado, mediante recargues por soldeo. Hay numerosos casos en que se pretende reconstruir piezas -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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desgastadas o reparar piezas o componentes rotos, mediante soldaduras. Deben contemplarse la realización de soldaduras de recargue y de soldaduras de reparación. La diferencia entre un componente o pieza nueva y una usada y desgastada, puede expresarse mediante la diferencia de peso entre ambas, o bien, mediante la diferencia entre sus dimensiones. Una diferencia de apenas un pequeño porcentaje causa, a veces, que deba tirarse el componente usado a la chatarra habiendo perdido casi todo su valor. La lucha contra el desgaste es muy importante y se han desarrollado muchas técnicas para aumentar la vida de los componentes expuestos a tal desgaste. Una de las primeras técnicas que se desarrollaron fue el recargue mediante soldadura. Las aplicaciones realizadas con éxito durante más de 40 años han demostrado que esta técnica permite importantes ahorros, no sólo porque puede recuperarse el componente desgastado, sino que además, en algunas ocasiones, si la reparación se ha realizado correctamente, es posible obtener una pieza recuperada con una superficie más resistente al desgaste que la averió que una pieza original. Aumentar la vida de servicio de un componente tiene las siguientes ventajas: •

Se aumenta la eficacia y el rendimiento

•

Se reduce el tiempo de paradas improductivo para reparaciones.

•

Se reduce el coste de montar y desmontar las piezas.

•

Posiblemente se reduce también el coste de producción ya que se reduce el coste de los de producción.

•

Se reduce el stock de piezas de recambio.

•

equipos

A veces no es una reparación definitiva, que no es posible, sino que permite mantener la instalación en uso hasta que llega la pieza nueva de repuesto que puede tener un plazo de entrega no pequeño.

Si se utilizan equipos formados por componentes de diferentes materiales, cada uno de ellos el más óptimo para resistir el tipo de desgaste a que esté sometido, dicho equipo sería normalmente muy caro. En cambio, pueden utilizarse equipos con componentes de materiales más económicos y revestirlos, bien cuando están nuevos, o a medida que vayan desgastándose sus componentes, de los materiales de mayor resistencia al tipo de desgaste que sufren, con lo que se obtendrá un equipo de una larga durabilidad a un precio mucho más económico. Los metales no-férreos y algunas fundiciones pueden ser recargadas mediante soldadura. La gran mayoría de componentes sometidos a desgaste que se emplean en la industria son, no obstante, de acero (de diferentes calidades) y este es el material más común para recargar mediante soldadura. Para preparar un material para su recargue deben seguirse una serie de recomendaciones. En general, la pieza desgastada presenta defectos en su superficie que deben ser escrupulosamente retirados antes de empezar a soldar. Estos defectos pueden ser fisuras, oxidaciones, inclusiones de cuerpos extraños, etc. Si se procediese al soldeo antes de limpiar, la capa antidesgaste no quedaría perfectamente fijada a la superficie desgastada, y además se correría el riesgo de producir defectos mayores en dicha pieza (por -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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ejemplo soldar sobre una pieza fisurada puede causar una fisura aún mayor o incluso llegar a romper la pieza antes o durante su puesta en funcionamiento). Además de estas recomendaciones, todo lo citado concerniente a la identificación del tipo de material a reparar, sigue siendo de gran utilidad a la hora de proceder a un recargue. Esto junto con las recomendaciones dadas sobre cómo tratar dicho material en cuanto a precalentamientos y posttratamientos de soldadura, debe considerarse en recargue con soldadura, que en realidad es un tipo muy especial de reparación, y, que, por lo tanto, cuanto mejor sea la técnica que se realice, mayor será el resultado y la durabilidad del componente recargado, con lo que se disminuirán costes y tiempo de mantenimiento de dichos componentes, así como se podrá aumentar la productividad de los mismos. Un aspecto muy importante de la preparación del material, antes de proceder al recargue resistente al desgaste, es la reconstrucción del mismo. Para una mayor eficacia de esta reconstrucción, debería realizarse con un material lo más similar posible al material que vamos a reconstruir. En el caso de que su composición química fuera conocida, será fácil encontrar el material más idóneo que sea de la mayor similitud con el metal base. Si la composición fuera desconocida, se deberán realizar pruebas para el reconocimiento del mismo, al igual que tratamientos de precalentamiento y utilizar consumibles indicados para cada familia de materiales. En el caso de piezas de gran volumen, junto a otros procesos de soldeo posibles, uno de los que más se utilizan con el fin de disminuir costes, es el Arco Sumergido. Para elegir la solución de recargue, hay que clasificar los materiales para proceder a recargarlos. Según las dimensiones de la pieza y los medios de que se dispongan, se elegirá uno u otro proceso de soldeo. Se puede intentar aumentar la tasa de deposición, siempre que sea compatible con los materiales y geometría de la pieza a recargar. Muchas veces el cuidado puesto en el proceso es fundamental y este cuidado se consigue mejor con pasadas pequeñas. Por otro lado, rellenar una junta con pasadas pequeñas aumenta la contracción de la soldadura. Para aumentar la cantidad depositada puede acudirse a electrodos de gran rendimiento (entre 160-250%), lo cual ayuda a reducir costes, ya que se deposita mayor cantidad de material en un tiempo dado, a unos parámetros muy similares a los que se utilizarían en el caso de electrodos de rendimiento normal -ahorro de energía. En la industria, las diferentes reparaciones a las que se enfrenta el soldador de mantenimiento, pueden clasificarse en los siguientes grupos: •

Roturas: La pieza se ha dividido en dos o más partes debido a la aplicación de un esfuerzo superior a su resistencia (golpe, sobrepresión, etc.).

•

Fisuras: Son, quizás, las causantes de la mayor proporción de reparaciones, ya que, normalmente, antes de producirse la rotura, las fisuras nos avisan del sobre-esfuerzo que la pieza está resistiendo. Al percibir estas fisuras debe intentarse su reparación antes de que sobrevenga la rotura de la pieza.

•

Refuerzos: En general, un refuerzo es un componente que se añade a una pieza sometida a un esfuerzo superior a su resistencia, con la finalidad de aumentar el espesor efectivo de la pieza y así también su resistencia.

Es importante que una vez reparada una pieza rota o fisurada se estudie el sobre-esfuerzo que produjo el defecto. Si éste va a permanecer, la pieza romperá o fisurará de nuevo, incluso antes, ya que no debe -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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olvidarse que es una pieza reparada. En este caso es aconsejable poner refuerzos que ayuden a la pieza a resistir toda la carga. En algunos casos, si la reparación es correcta, se obtiene una pieza de mayor vida que una nueva, ya que se ha tenido la oportunidad de ver dónde ha fallado y evitarlo con refuerzos en el futuro. En el módulo I se analizan en detalle las formas de abordar en la práctica lo relacionado con las soldaduras de recargue y de reparación.

2.4.- Soldeo de los materi ales plaqueados La unión por soldeo de dos materiales plaqueados supone la unión de los dos metales de un plaqueado con los correspondientes de la segunda pieza y, generalmente, la restauración del plaqueado de la unión. Normalmente, se intenta mantener el carácter estructural del metal base y las propiedades pedidas al material del recubrimiento. En consecuencia, el metal base se suelda con el material con que se soldaría en una unión normal en que no existiese el plaqueado, aunque el proceso de soldeo deberá ser compatible con las exigencias conjuntas de un material plaqueado y con las preparaciones de bordes que se especifiquen para el conjunto de ambos materiales. Es decir, el proceso de soldeo del material estructural no debe causar daños en las propiedades del revestimiento, ni provocar descohesiones entre el metal base y el revestimiento. El material del revestimiento se restaurará en la unión con un material semejante al mismo. Si la finalidad es de resistencia a la corrosión, el material restaurado no deberá ser anódico respecto al revestimiento original, ya que si lo fuera podría concentrar la agresividad del medio en un área anódica pequeña (zona restaurada), frente a un área catódica grande (resto del revestimiento). También hay que tener en cuenta si el material del revestimiento es soldable con el metal base. En el caso de que el plaqueado se haya obtenido por soldeo con fusión de metal base, evidentemente lo será, pero, por ejemplo, en plaqueados por explosión de titanio sobre acero, no lo es y, por lo tanto, la restauración del revestimiento tendrá que hacerse por otros medio, por ejemplo, con un forro. En algunos casos en que pueda justificarse que la soldadura constituida por material del revestimiento cumple con las características exigidas al carácter estructural del metal base, bien que no se exija ese carácter estructural y si el código de diseño lo permite, puede soldarse la unión completa con el material del revestimiento o con un aporte común compatible con ambos. Si la soldadura es accesible por ambos lados, el soldeo se realizará soldando el metal base desde su lado y el revestimiento desde el suyo. Es el caso más usual y más recomendable. Si la soldadura sólo es accesible desde el lado del revestimiento, puede hacerse, tomando alguna precaución adicional. Muy mala solución tiene el que la soldadura sólo sea accesible desde el lado del metal base. Con algunos pares de metales, usuales en plaqueados, será casi imposible, sin que aparezcan defectos en la interfase (a veces inconel 625 de aporte en pares placados acero carbono/acero inoxidable). Es un problema de coste, accesibilidad y especificaciones finales. Aún en el caso de que el material del plaqueado pueda depositarse por soldeo sobre el metal base, caso de los aceros inoxidables austeníticos o de aleaciones de cobre sobre acero al carbono, el depósito a la inversa de acero al carbono sobre dichos materiales lleva siempre a la aparición de fisuraciones en la interfase. Esta situación debe tenerse también en cuenta en la reparación de defectos aparecidos, bien en la unión de los plaqueados, bien en la fabricación de los mismos. Si la reparación del acero al carbono debe -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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hacerse con acero al carbono, hay que asegurarse de que se ha retirado completamente la capa de revestimiento, sin que queden restos de la misma (lo que puede observarse atacando el acero al carbono con Nital) antes de proceder a aportar el acero al carbono. En la tabla siguiente se indican materiales de aportación para el soldeo de materiales plaqueados.

En el caso más deseable, citado anteriormente, de que el material se accesible para el soldeo por ambos lados, las preparaciones más usuales se recogen en la figura siguiente. En esas preparaciones se pretende evitar las contaminaciones de un material con el otro. Si, como es el caso de un revestimiento de acero inoxidable austenítico sobre acero al carbono, el material del revestimiento puede verse afectado -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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negativamente en su microestructura por el ciclo térmico del soldeo del metal base, habrá que tomar medidas adicionales para que esto no suceda, por ejemplo, aumentando la distancia del revestimiento no levantado a los bordes en que se esté soldando el material base.

Preparaciones de bordes, tal como B, D o F de la figura anterior son las más aconsejables.


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La secuencia de soldeo empieza por el metal base hasta completar la soldadura del mismo, incluyendo el saneado de raíz y el amolado a paño de la misma, si son necesario. Posteriormente se repone el revestimiento con el número de pasadas especificado. Posibles formas y secuencia se muestran en la figura.

Si se admite la soldadura completa de unión con metal del revestimiento puede seguirse una secuencia como se indica en la figura.


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Si la soldadura de unión se realiza completamente con material del revestimiento (no suele hacerse para materiales plaqueados de espesor total superior a 12 – 15 mm), podría cambiarse la secuencia normal y comenzar por el lado revestimiento. La soldadura del revestimiento se haría con dos pasadas al menos, la primera de ellas con un material más rico en elementos aleantes, para compensar la dilución con el material base sobre la que se apoyaría y la segunda por ese lado con material más semejante electroquímicamente al del revestimiento. Posteriormente se soldaría por el lado metal base y el aporte podría ser cualquiera de los dos anteriores, normalmente el que tenga una resistencia más parecida a la del metal base, el que dé menos problemas, por ejemplo de fisuración en caliente del aporte con la dilución correspondiente del metal base, y, en condiciones semejantes, el más económico. Si el material del revestimiento y el material base no son compatibles para soldar entre sí por ejemplo titanio, zirconio, cobre, etc. sobre acero), hay que acudir a otras soluciones para la unión por soldeo, una de ellas se muestra en la figura; se esmerila a paño la raíz de la soldadura del metal base, se dispone encima sin soldar una pletina del espesor del revestimiento y posteriormente se recubre con un forro del material del revestimiento, que se suelda a solape con soldadura en ángulo. Para el gas de purga se procede como se indica en la figura.

2.5.- Problemática de los materiales plaqueados La obtención y fabricación de los materiales plaqueados y el diseño con ellos presenta una amplia problemática. Hay que tener en cuenta que el material del recubrimiento y el sustrato son materiales diferentes y, por lo tanto, con diferentes propiedades. Entre otras características, pueden ser diferentes: •

Las propiedades de resistencia,

•

los coeficientes de dilatación,

•

las conductividades térmicas,


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las electronegatividades y, por tanto, ser diferentes los comportamientos frente a la corrosión, estando, además, unidos eléctricamente,

•

los requisitos de tratamiento térmico para obtener las respectivas propiedades óptimas de cada material, pudiendo ser además estos requisitos contrapuestos,

•

las influencias mutuas durante el proceso de soldeo.

Adicionalmente, la adherencia entre las capas puede ser un punto débil en el conjunto. Las tres primeras, diferentes propiedades de resistencia, coeficientes de dilatación y conductividades térmicas, pueden generar tensiones en zonas próximas a la intercara, principalmente de cortadura, y llegar a originar despegues o fisuras. Aunque los efectos térmicos inciden en los tres tipos de diferencias, el sistema de cargas exteriores tiene asimismo influencia; principalmente bajo esfuerzos de flexión en el componente plaqueado. Esfuerzos que pueden ser soportados por uno de los materiales, pero no por el otro, llevan a un posible fallo de éste. Se ha indicado anteriormente, que, generalmente, la razón de utilizar un producto plaqueado estriba en la necesidad de que un material cumpla simultáneamente diferentes funciones, por ejemplo, estructurales o resistentes mecánicamente y de resistencia a la corrosión o de compatibilidad superficial. Por ello, la diferencia en el comportamiento frente a la corrosión es una diferencia buscada. Sin embargo, esto en algunos casos puede ser origen de problemas. Por ejemplo, si falla la continuidad del recubrimiento, se expondrá al medio, que puede considerarse agresivo para el sustrato ya que por ello se recubre, el material de este último. Es una situación agravada, ya que el material puesto al descubierto será normalmente una zona pequeña frente a la superficie del recubrimiento y constituirá, en consecuencia, una zona anódica pequeña frente a una zona catódica grande, lo que acelera el proceso de corrosión. Esto no sucede si el recubrimiento es de un material menos noble que la base, por ejemplo, zinc sobre acero, pero estos recubrimientos no suelen considerarse plaqueados, sino capas protectoras. También puede producirse corrosión en las caras laterales del producto plaqueado si quedan expuestas al medio agresivo, aunque en este caso no sea tan relevante la diferencia de áreas anódicas y catódicas. Las diferencias en los requisitos de tratamiento térmico para obtener las respectivas propiedades óptimas de cada material, se manifiestan en aquellos plaqueados, en los que sea preciso aplicar un tratamiento térmico tras el proceso de fabricación. Puede presentarse en los procesos de fabricación que se realizan en caliente, como en el plaqueado por laminación o en el realizado por soldeo. En ocasiones puede no ser necesario el tratamiento térmico en los plaqueados por explosión o por proyección térmica en proceso frío para el material base sobre el que se aplica el recubrimiento. Si en la fabricación de un plaqueado por laminación de chapa de acero al carbono con un recubrimiento de una chapa de acero inoxidable austenítico, se aplica el tratamiento térmico de norma que puede precisar el acero al carbono, es fácil que se produzca la sensibilización (precipitación de carburos de cromo en borde de grano) del acero inoxidable austenítico. Esto puede producirse en los grados regulares (requerimiento de C < 0,08 %) de estos aceros, por lo que deberían utilizarse grados bajos en carbono y realizar el tratamiento sobre las placas perfectamente limpias de residuos grasos y otros contaminantes carbonosos, para evitar que superficialmente aumente su contenido en carbono y se produzca su sensibilización. Los tipos 316 y 316L son menos susceptibles respectivamente que los 304 y 304L. Una problemática semejante sucede con los plaqueados obtenidos por soldeo, aunque el material depositado es menos susceptible que el laminado.


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3.- FORROS Los forros o revestimientos metálicos cubren o revisten a otro material metálico o no metálico. Generalmente se utilizan chapas o placas, que se solapan entre sí y/o se sueldan entre sí o a un soporte de la estructura. También, generalmente, no van unidos en toda su superficie al material metálico al que recubren. Como ya se ha mencionado, cuando se necesita restaurar un plaqueado de un metal que no es soldable por fusión con el acero (por ejemplo, titanio), se efectúan forros locales para proteger las costuras ferríticas de las chapas plaqueadas. En los depósitos, otra situación complicada es la de las toberas en las que se recurre también a forros (véase figura).

Los forros a base de chapa o de pletina se usan también en vasijas a presión y tanques de la industria química, petroquímica, refino de aceite, papel y minería. Su diseño está contemplado en los Códigos (ASME, API, etc.) y es adecuado cuando la vasija no sufre condiciones severas de ciclos de presión y temperatura. Para realizar los forros, las pletinas o chapas se sujetan individualmente a la superficie interna de la vasija mediante soldeo. Pueden ser de una gran variedad de aceros inoxidables o aleaciones no férreas y -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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sus dimensiones varían según como se sujeten a la pared y de los formatos comerciales. El espesor (1,5 a 5 mm) depende de la vida de servicio deseada y del tipo de metal, empleándose espesores menores (más difíciles de soldar) sólo en el caso de materiales caros (como plata, platino, tántalo y titanio). Los materiales de aportación para unir el forro al acero se seleccionarán de acuerdo con la naturaleza de ambos y considerando la dilución del procedimiento de soldeo. Puntos importantes a considerar durante la fabricación son: •

Desarrollo detallado de la disposición de la instalación por adelantado

•

Preparación de los procedimientos de soldeo y entrenamiento de los soldadores por adelantado

•

Prefabricación de las chapas y subconjuntos en taller en la medida de lo posible

•

Preparación del sustrato y de su superficie

•

Sujeción estructural de las chapas al sustrato

•

Soldaduras de sellado en todo el perímetro de las chapas

•

Inspección y ensayos de estanqueidad

•

Reparación de las zonas necesarias

El espacio entre las soldaduras de sujeción se definirá considerando las condiciones de servicio, el espesor del forro, las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre el forro y la pared y la economía de la construcción. En general, este espacio es menor cuando hay fluctuaciones grandes en las temperaturas y presiones de servicio, siendo a menudo de 75 a 100 mm. La resistencia de la corrosión del forro disminuye en la zona de soldadura que puede contaminarse con el metal base. En soldeo por arco esto puede contrarrestarse usando material de aportación más aleado y, donde esto no es posible, depositar dos o más cordones (Figura). En el caso de soldeo por resistencia la dilución se puede mantener fuera de la superficie controlando cuidadosamente los parámetros del procedimiento.

Para comprobar la calidad del forro se puede recurrir a una prueba de presión. A través de un agujero en el forro o en la vasija se aplica un fluido (aire, nitrógeno, etc.) a presión y se detecta cualquier fuga mediante


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agua jabonosa. Si el agujero estaba en el forro habrá que ensayar la soldadura que lo tapa mediante otros métodos. La prueba hidráulica exigida por los Códigos se usa a veces para ver la calidad del forro (empleo de aceite, que después se verá salir del forro si éste no es perfecto u observación de fugas a través de agujeros practicados por la pared de la vasija detrás de cada panel). Esta prueba es preferible porque reproduce las condiciones de servicio. Adicionalmente se emplean partículas magnéticas, líquidos penetrantes o radiografías para examinar las soldaduras internas. La prueba de fuga de helio puede ser interesante. Una posible disposición y secuencia de montaje se ilustra en las figuras.


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4.- CAPAS PROTECTORAS Las capas protectoras son recubrimientos protectores sobre los metales, sin finalidad estructural. Pueden ser metálicas o no metálicas. Pueden realizarse por procesos de conversión superficial de los metales, por depósitos metálicos que formen interfases de aleación con el sustrato o que no las formen y por capas de pintura (orgánica o inorgánica, con o sin contenido metálico). No es el lugar para analizar lo referente a todas las capas protectoras. Se estudia lo referente a las más importantes relacionadas con la soldadura. Las chapas de acero y otros productos del mismo metal se recubren con un material que resiste la corrosión para alargar su vida de servicio. Los recubrimientos normalmente empleados en aceros son de aluminio, zinc (galvanizado) y pinturas ricas en zinc. Cuando los aceros recubiertos son soldados, el calor de la soldadura daña al recubrimiento próximo a la costura, que, o bien se funde y alea con el acero, o se oxida, o volatiliza, dejando desprotegido al acero. Se hace necesario, pues, reacondicionar las áreas afectadas para devolverles la protección anticorrosiva que tenían.

4.1.- Acero recubierto c on alumini o Los recubrimientos de aluminio sobre chapa de acero al carbono pueden ser de aluminio comercialmente puro o de aluminio aleado con un 8% de silicio. Ambos se aplican por inmersión continua en caliente y, mientras el primero se emplea para resistir en condiciones atmosféricas a temperatura próximas a la ambiente, e! segundo está pensado para resistir la oxidación a 650 ºC. El soldeo por puntos por resistencia es similar a la de los aceros desnudos del mismo espesor, incrementándose ligeramente la intensidad y la fuerza, empleándose también un tiempo algo mas largo. El soldeo por costura a resistencia se realiza de forma similar que con chapas de acero desnudo aunque el amperaje se incrementa ligeramente. El soldeo por electrodo revestido emplea consumibles básicos, como el AWS E7015. La formación de óxido de aluminio puede evitar que el cordón moje y tenga una forma correcta. El TIG sin aportación de materia! puede dar en chapas delgadas y con recubrimientos gruesos depósitos con contenidos de aluminio altos (> 1 %) y por tanto poco dúctiles y frágiles. Por otro lado el aluminio desoxidará al meta! fundido en caso de aceros no desoxidados ni calmados. Será conveniente usar materia! de aportación, y, en cualquier caso, una buena protección gaseosa para evitar la oxidación del aluminio del recubrimiento. El MIG no requiere electrodo desoxidado debido al aluminio que funde del recubrimiento. La protección gaseosa será tal que evite la oxidación del aluminio del recubrimiento ya que ello no dejaría mojar al cordón y la soldadura no sería sana. Las chapas de acero recubierto con aluminio pueden unirse también mediante soldeo blando.


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4.2.- Acero galv anizado El acero es galvanizado, bien por inmersión en caliente, sumergiéndolo en un baño de zinc (espesor 0,01 a 0,025 mm), bien por electrodeposición (espesor de 0,002 a 0,005 mm, aunque puede ser mayor). Las soldaduras por arco de los aceros galvanizados pueden sufrir agrietamiento intergranular en el metal depositado, especialmente a lo largo de la garganta de las soldaduras angulares. Estas fisuras, llamadas agrietamiento por penetración del zinc, se deben a la acción de! zinc fundido sobre el metal de soldadura y a las tensiones residuales. La mayor propensión de las soldaduras angulares se debe al zinc atrapado en la raíz. Asimismo la posibilidad de grietas es mayor en galvanizados por inmersión ya que estos son más gruesos. El proceso de electrodo revestido es más adecuado que el MIG, ya que la menor velocidad del primero permite evaporar una mayor cantidad del zinc situado por delante del arco. En cualquier caso el metal de aportación deberá ser bajo en silicio, ya que con metales depositados con silicio inferior a 0,2% no se presenta este problema. También son preferibles juntas con aperturas de raíz grandes, que permiten escapar a los humos de zinc. Galvanizados con aleaciones zinc-hierro son más fáciles de soldar que galvanizados con más zinc libre. Por todo ello antes de proceder a comenzar la producción es conveniente cualificar el procedimiento de soldadura, aunque se deberá considerar que el resultado puede variar con distintos lotes de chapa galvanizada. El TIG es un proceso no recomendado si no se elimina antes el galvanizado, ya que los vapores de zinc pueden contaminar al electrodo. La soldadura por puntos (resistencia) se ve afectada por el zinc que se alea y pega al electrodo (con lo que aumenta el área de contacto y disminuye la densidad de corriente en la zona de soldadura. Además el zinc, blando y buen conductor eléctrico, cambia la situación y obliga a intensidades y tiempos mayores. En la figura se muestra un esquema, así como la necesidad de guardar una distancia mínima entre puntos, para que la corriente no se cierre sobre el punto anterior.


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recubrimientos

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