Soldadura de aceros de baja temperatura: Una guía completa | MachineMFG

Soldadura de aceros de baja temperatura: Guía completa

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01 Visión general de los aceros de baja temperatura

1) Los requisitos técnicos generales del acero para bajas temperaturas son los siguientes: debe tener suficiente resistencia y amplia tenacidad en condiciones de baja temperatura, además de buena soldabilidad, mecanizabilidad y resistencia a la corrosión.

Entre ellos, la tenacidad a bajas temperaturas, es decir, la capacidad de prevenir y detener el fallo por fragilidad a bajas temperaturas, es el factor más importante. Por ello, cada país suele prescribir un determinado valor de tenacidad al impacto a las temperaturas más bajas.

2) En la composición del acero de baja temperatura, se cree generalmente que elementos como el carbono, el silicio, el fósforo, el azufre y el nitrógeno degradan la tenacidad a baja temperatura, siendo el fósforo el que plantea la mayor amenaza.

Por lo tanto, el fósforo debe eliminarse a temperaturas más bajas al principio de la fundición. Elementos como el manganeso y el níquel pueden mejorar la tenacidad a baja temperatura. Cada 1% adicional de níquel puede reducir la temperatura de transición frágil en aproximadamente 20℃.

3) El proceso de tratamiento térmico tiene un impacto decisivo en la estructura metalúrgica y el tamaño de grano del acero de baja temperatura, afectando así a la tenacidad del acero a baja temperatura. Después de temple y revenido la tenacidad a baja temperatura mejora notablemente.

4) En función de los distintos métodos de conformación en caliente, el acero de baja temperatura puede dividirse en acero moldeado y acero de acero laminado.

En función de las diferencias de composición y estructura metalúrgica, los aceros de baja temperatura pueden clasificarse en: aceros de baja aleación, aceros al níquel 6%, aceros al níquel 9%, aceros austeníticos al cromo-manganeso o al cromo-manganeso-níquel, y aceros inoxidables austeníticos al cromo-níquel, entre otros.

El acero de baja aleación se utiliza generalmente en regiones con temperaturas en torno a -100℃ para fabricar equipos de refrigeración, equipos de transporte, cámaras de almacenamiento de etileno sobre el suelo y equipos petroquímicos.

En países como Estados Unidos, Reino Unido y Japón, el acero al níquel 9% se utiliza mucho en estructuras de baja temperatura, como en tanques de almacenamiento para conservar y transportar gas licuado de pantano y metano, almacenar oxígeno líquido y fabricar equipos de oxígeno líquido y nitrógeno.

El acero inoxidable austenítico es un excelente material estructural de baja temperatura, con buena tenacidad a baja temperatura, excelente rendimiento de soldadura y baja conductividad térmica.

Se utiliza mucho en aplicaciones de baja temperatura, para el transporte de hidrógeno líquido y tanques de oxígeno, tanques de almacenamiento, etc. Sin embargo, debido a su mayor contenido en cromo y níquel, suele ser bastante caro.

02 Visión general de la construcción soldada de acero a baja temperatura

A la hora de seleccionar los métodos y condiciones de construcción de la soldadura para el acero de baja temperatura, la atención se centra en prevenir el deterioro de la tenacidad a baja temperatura en las juntas de soldadura y evitar grietas de soldadura.

1. Procesamiento de ranuras

No hay ninguna diferencia fundamental entre las formas de las ranuras de juntas de soldadura para acero de baja temperatura, acero al carbono ordinario, acero de baja aleación o acero inoxidable; pueden procesarse de la forma estándar. Sin embargo, para 9Ni acero, el ángulo de la ranura no debería ser inferior a 70 grados y el borde romo no debería ser inferior a 3 mm.

Todos los aceros de baja temperatura pueden cortarse con una llama oxiacetilénica. Sin embargo, cuando se corta con gas acero 9Ni, la velocidad de corte debe ser ligeramente más lenta que cuando se corta con gas acero estructural al carbono ordinario. Si el espesor del acero supera los 100mm, el corte puede precalentarse a 150-200℃ antes del corte con gas, pero no debe superar los 200℃.

El corte de gas no tiene efectos adversos en las zonas afectadas por calor de soldadura. Sin embargo, debido a las propiedades de autoendurecimiento del acero que contiene níquel, la superficie de corte se endurecerá.

Para garantizar un funcionamiento satisfactorio del junta soldadaEn el caso de la soldadura por arco, lo mejor es utilizar una muela abrasiva para alisar y limpiar la superficie cortada antes de soldar.

Durante la construcción de la soldadura, si es necesario retirar el cordón de soldadura o material de base, se puede utilizar el ranurado por arco-aire. Sin embargo, antes de repasar, la superficie de la ranura debe limpiarse y pulirse.

No debe utilizarse el ranurado con llama oxiacetilénica porque se corre el riesgo de sobrecalentar el acero.

2. Selección de los métodos de soldadura

El acero de baja temperatura puede soldarse utilizando métodos típicos como soldadura por arcosoldadura por arco sumergido y soldadura por arco metálico con gas.

La soldadura por arco es el método más utilizado para el acero de baja temperatura, y puede aplicarse en varias posiciones de soldadura. Su aporte térmico es de aproximadamente 18~30KJ/cm.

Cuando se utilizan electrodos de bajo contenido en hidrógeno, se pueden conseguir uniones soldadas completamente satisfactorias, que no sólo presentan buenas propiedades mecánicas, sino también una excelente tenacidad de entalla.

Además, la soldadura por arco tiene las ventajas de unas máquinas de soldar sencillas y baratas, una menor inversión en equipos y ninguna limitación de posición o dirección.

El aporte térmico de la soldadura por arco sumergido para acero de baja temperatura es de unos 10~22KJ/cm. Es ampliamente utilizado debido a su simplicidad, alta eficiencia de soldadura y fácil operación.

Sin embargo, debido al efecto aislante del fundente, ralentiza el enfriamiento, lo que provoca una mayor tendencia a la formación de grietas calientes.

Además, las impurezas y el silicio pueden entrar en el metal de soldadura desde el fundente, lo que puede agravar esta tendencia. Por lo tanto, cuando se utiliza la soldadura por arco sumergido, la elección del hilo y el fundente debe considerarse cuidadosamente, y las operaciones deben realizarse meticulosamente.

CO2 La soldadura con gas de protección produce uniones con menor tenacidad, por lo que no se utiliza para soldar aceros de baja temperatura.

La soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) suele realizarse manualmente, y su aporte térmico se limita a un rango de 9~15KJ/cm. Aunque la junta de soldadura producida presenta un rendimiento satisfactorio, este método no es aplicable cuando el grosor del acero supera los 12 mm.

La soldadura por arco metálico con gas (MIG) es la técnica automática o semiautomática más utilizada. método de soldadura para acero de baja temperatura, con un aporte térmico de 23~40KJ/cm.

Según el método de transferencia de gotas, puede dividirse en transferencia en cortocircuito (menor aporte de calor), transferencia globular (mayor aporte de calor) y transferencia por pulverización pulsada (mayor aporte de calor). La soldadura MIG en cortocircuito puede tener una profundidad de fusión insuficiente, lo que puede provocar defectos de fusión incompleta.

Otras modalidades de soldadura MIG también pueden presentar problemas similares, pero en distintos grados. Para lograr una profundidad de fusión satisfactoria haciendo que el arco esté más concentrado, se puede introducir entre unas pocas y varias decenas de por ciento de CO2 u O2 en el argón puro utilizado como gas protector.

El porcentaje adecuado debe determinarse experimentalmente, en función de la situación específica. tipo de acero que se está soldando.

3) Selección de los materiales de soldadura

Materiales de soldadura (incluidos electrodos, hilos de soldadura y fundentes), deben seleccionarse generalmente en función del método de soldadura adoptado, la forma de la unión, la forma de la ranura y otras características necesarias.

En el caso de los aceros de baja temperatura, lo más importante es garantizar que el metal de soldadura tenga una tenacidad a baja temperatura igual a la del metal base y minimizar la cantidad de hidrógeno difundido.

(1) Acero aluminizado

El acero aluminizado es muy sensible a la velocidad de enfriamiento posterior a la soldadura. Los electrodos utilizados en la soldadura manual por arco para el acero aluminizado suelen ser del tipo Si-Mn de bajo hidrógeno o del tipo Ni de 1,5%, Ni de 2,0%.

Para reducir el aporte de calor de la soldadura, el acero aluminizado suele adoptar la soldadura multicapa con electrodos finos de 3~3,2 mm. De este modo se puede utilizar el ciclo de calor secundario de la pasada de soldadura superior para refinar los granos.

La tenacidad al impacto del metal soldado con electrodos de Si-Mn a 50℃ disminuirá bruscamente a medida que aumente el aporte térmico. Por ejemplo, cuando la entrada de calor aumenta de 18KJ/cm a 30KJ/cm, la tenacidad perderá más de 60%. Los electrodos de Ni de 1,5% y Ni de 2,5% no son sensibles a este fenómeno, por lo que son la mejor elección para la soldadura.

La soldadura por arco sumergido es un método de soldadura automática común para el acero aluminizado. La mejor composición para el alambre de soldadura utilizado en la soldadura por arco sumergido contiene 1,5~3,5% de níquel y 0,5~1,0% de molibdeno.

Según la bibliografía, con el uso de alambre de soldadura 2,5%Ni-0,8%Cr-0,5%Mo o 2%Ni y el fundente adecuado, el valor medio de tenacidad del metal de soldadura a -55℃ puede alcanzar 56-70J (5,7~7,1Kg/fm). Incluso con hilo de soldadura 0,5%Mo y fundente alcalino de aleación de manganeso, siempre que el aporte de calor se controle por debajo de 26KJ/cm, se puede obtener un metal de soldadura con 55J (5,6Kg/f.m).

Al elegir el fundente, preste atención a la correspondencia de Si y Mn en el metal de soldadura. Las pruebas han demostrado que un contenido diferente de Si y Mn en el metal de soldadura puede afectar en gran medida a su tenacidad. La tenacidad óptima se obtiene con 0,1~0,2% Si y 0,7~1,1% Mn. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de seleccionar los alambres de soldadura y los fundentes.

La soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) y con gas inerte metálico (MIG) se utiliza con menos frecuencia en el acero aluminizado. Los alambres de soldadura mencionados para la soldadura por arco sumergido también pueden utilizarse para Soldadura TIG.

(2) Acero 2,5Ni y acero 3,5Ni

Para la soldadura por arco sumergido o la soldadura MIG de aceros de 2,5Ni y 3,5Ni, pueden utilizarse generalmente hilos de soldadura con el mismo material que el metal base. Sin embargo, como se muestra en la fórmula de Wilkinson, el Mn es un inhibidor de la fisuración en caliente para los aceros de baja temperatura con bajo contenido en níquel.

Mantener el contenido de manganeso en el metal de soldadura en torno a 1,2% es beneficioso para prevenir las grietas en la fosa del arco y otras grietas calientes. Esto debe priorizarse al seleccionar la combinación de hilo de soldadura y fundente.

La tendencia a la fragilización por revenido del acero 3.5Ni es alta, por lo que tras el tratamiento térmico posterior a la soldadura para tensión residual (por ejemplo, 620℃×1 hora, luego enfriamiento en horno), la tenacidad disminuirá drásticamente de 3,8Kg/f.m a 2,1Kg/f.m y no cumplirá la especificación.

La tendencia a la fragilización por revenido del metal de soldadura fabricado con el alambre de soldadura 4,5%Ni-0,2%Mo es mucho menor, y el uso de este alambre puede evitar la dificultad antes mencionada.

(3) Acero 9Ni

El acero 9Ni suele someterse a un tratamiento térmico de temple-temple o de doble normalización-temple para maximizar su tenacidad a baja temperatura. Sin embargo, el metal de soldadura de este acero no puede someterse al tratamiento térmico mencionado.

Por lo tanto, el uso de materiales de soldadura de ferrita dificulta la obtención de metal de soldadura con una tenacidad a baja temperatura comparable a la del metal base. Los más utilizados son los materiales de soldadura con alto contenido en níquel.

El metal de soldadura de estos materiales es una estructura austenítica completa. A pesar de los inconvenientes de su menor resistencia en comparación con el metal base de acero 9Ni y su elevado coste, la fractura frágil ya no es un problema grave para él.

De lo anterior sabemos que:

Dado que el metal de soldadura es totalmente austenítico, la tenacidad a baja temperatura del metal de soldadura soldado con los electrodos y alambres de soldadura utilizados puede competir plenamente con el metal base, aunque su resistencia a la tracción y su límite elástico son inferiores a los del metal base.

El acero que contiene níquel tiene características de autoendurecimiento, por lo que la mayoría de los electrodos y alambres de soldadura han tomado medidas para limitar el contenido en carbono para lograr una buena soldabilidad.

En los materiales de soldadura, el Mo es un importante elemento reforzante, mientras que el Nb, Ta, Ti y W son importantes elementos endurecedores. Su importancia se ha reconocido plenamente en la selección y configuración de los materiales de soldadura.

Cuando se utiliza el mismo hilo de soldadura, la resistencia y la tenacidad del metal de soldadura por arco sumergido son algo inferiores a las de la soldadura MIG. Esto podría deberse a la menor velocidad de enfriamiento de la soldadura y a la posible infiltración de impurezas o Si del fundente.

03 Soldadura de tubos de acero de baja temperatura A333-GR6

1) Análisis de soldabilidad del acero A333-GR6

El acero A333-GR6 es un acero de baja temperatura, cuya temperatura de uso más baja es de -70℃, y que suele suministrarse en estado normalizado o normalizado más templado. El acero A333-GR6 tiene un bajo contenido de carbono, por lo que tiene una pequeña tendencia al endurecimiento y al agrietamiento en frío, buena tenacidad y plasticidad.

Por lo general, no produce fácilmente defectos de endurecimiento y agrietamiento, y tiene buena soldabilidad.

ER80S-Ni1 soldadura por arco de argón se puede utilizar alambre con electrodos W707Ni, aplicando la soldadura combinada argón-eléctrica, o se puede utilizar alambre de soldadura por arco de argón ER80S-Ni1 para la soldadura por arco de argón completo para garantizar una buena tenacidad de la unión de soldadura.

La marca del hilo y el electrodo de soldadura por arco de argón puede elegirse entre productos con las mismas prestaciones, pero debe obtenerse la aprobación del propietario antes de su uso.

2) Proceso de soldadura

Durante la soldadura, para los tubos con un diámetro inferior a 76,2 mm, se utiliza una unión a tope de tipo I y la soldadura completa por arco de argón; para los tubos con un diámetro superior a 76,2 mm, se abre una ranura de tipo V y se utiliza el método de raíz de arco de argón y la soldadura eléctrica de argón de relleno multicapa o la soldadura completa por arco de argón.

Las prácticas específicas dependen del diámetro de la tubería y del grosor de la pared aprobados por el propietario.

3) Proceso de tratamiento térmico

(1) Precalentamiento antes de soldar

Cuando la temperatura ambiente es inferior a 5℃, es necesario precalentar la soldadura.

En temperatura de precalentamiento es de 100~150℃; el rango de precalentamiento es de 100mm a ambos lados de la soldadura; se utiliza llama oxiacetilénica (llama neutra) para calentar, y la temperatura se mide a 50~100mm del centro de la soldadura mediante un lápiz sensor de temperatura, con puntos de temperatura distribuidos uniformemente para un mejor control de la temperatura.

(2) Tratamiento térmico posterior a la soldadura

Para mejorar la tenacidad de entalla del acero de baja temperatura, los materiales generalmente utilizados ya han sido sometidos a temple y revenido. Un tratamiento térmico posterior a la soldadura inadecuado suele deteriorar su rendimiento a baja temperatura, por lo que debe prestársele la suficiente atención.

Por lo tanto, excepto en condiciones en las que el espesor de la soldadura es mayor o las condiciones de restricción son muy estrictas, el acero de baja temperatura no suele someterse a un tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Por ejemplo, la soldadura de la nueva tubería de GLP en CSPC no requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Si el tratamiento térmico posterior a la soldadura es realmente necesario en algunos proyectos, la velocidad de calentamiento, el tiempo de temperatura constante y la velocidad de enfriamiento del tratamiento térmico posterior a la soldadura deben llevarse a cabo estrictamente de acuerdo con las siguientes disposiciones:

El tiempo de temperatura constante debe ser de 1h por cada 25mm de espesor de pared y no inferior a 15min. La diferencia de temperatura entre la temperatura más alta y la más baja durante el período de temperatura constante debe ser inferior a 65℃.

Después de la temperatura constante, la velocidad de enfriamiento no debe ser superior a 65×25/δ ℃/h, y no más de 260℃/h. Por debajo de 400℃, es aceptable el enfriamiento natural. Deben utilizarse equipos de tratamiento térmico controlados por ordenador.

4) Precauciones

(1) Precalentamiento estricto según las normas, controlando la temperatura entre capas dentro de 100~200℃. Cada soldadura debe completarse de una sola vez, si se interrumpe, deben tomarse medidas de enfriamiento lento.

(2) Los arañazos de arco en la superficie de la soldadura están estrictamente prohibidos. Una vez extinguido el arco, debe rellenarse el cráter y rectificarse cualquier defecto con una muela abrasiva. Las uniones entre capas en la soldadura multicapa deben escalonarse.

(3) La energía de la línea debe controlarse estrictamente, utilizando corrientes pequeñas, tensiones bajas y soldaduras rápidas. Para electrodos W707Ni con un diámetro de 3,2 mm, la longitud de soldadura por electrodo debe superar los 8 cm.

(4) Debe adoptarse un funcionamiento de arco corto y sin oscilaciones.

(5) Soldadura de penetración total y debe seguir estrictamente los requisitos de las especificaciones del proceso de soldadura y la tarjeta del proceso de soldadura.

(6) El refuerzo de la soldadura debe ser de 0~2mm, y el ensanchamiento de la soldadura debe ser ≤2mm a cada lado.

(7) Una vez superada la inspección de aspecto de la soldadura, los ensayos no destructivos sólo pueden realizarse transcurridas al menos 24 horas. La norma JB 4730-94 debe aplicarse a soldadura a tope costuras de la tubería.

(8) La norma "Recipiente a presión: Ensayos no destructivos de recipientes a presión", y se debe alcanzar el nivel II de cualificación.

(9) Las reparaciones de soldadura deben realizarse antes del tratamiento térmico posterior a la soldadura. Si es necesario realizar reparaciones después del tratamiento térmico, la soldadura debe volver a tratarse con calor después de la reparación.

(10) Si el tamaño geométrico de la superficie de soldadura no es conforme, se permite esmerilarla, siempre que el espesor después del esmerilado no sea inferior a los requisitos de diseño.

(11) En general defectos de soldaduraSe permite un máximo de dos reparaciones. Si sigue sin pasar después de dos reparaciones, la soldadura debe cortarse y volverse a soldar de acuerdo con el procedimiento completo. proceso de soldadura.

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