Control de entrada de calor en soldadura de acero inoxidable

Cada soldadura deposita energía en el metal base. Esa energía, medida como entrada de calor, controla directamente el tamaño de la zona afectada por el calor (HAZ), la velocidad de enfriamiento y, en última instancia, la microestructura y las propiedades de la junta soldada. Para los aceros inoxidables, donde la resistencia a la corrosión es el principal requisito de rendimiento, el control del aporte de calor no es opcional, sino fundamental.

La entrada de calor se calcula a partir de tres parámetros de soldadura: amperaje (corriente), voltaje y velocidad de desplazamiento. La relación es sencilla: el aporte de calor es igual al producto de la corriente y el voltaje, dividido por la velocidad de desplazamiento, con un factor de corrección para el proceso de soldadura. Sin embargo, a pesar de esta simplicidad, el aporte de calor sigue siendo uno de los parámetros más incomprendidos y mal aplicados en la fabricación de acero inoxidable.

¿Por qué importa más de lo que crees? Porque las consecuencias de un aporte térmico inadecuado no siempre son visibles de inmediato. Una soldadura que pasa la inspección visual y la radiografía aún puede fallar en servicio debido a sensibilización, formación de fase sigma o crecimiento excesivo de grano, todo lo cual está directamente relacionado con el ciclo térmico impuesto durante la soldadura. Este artículo explica la base metalúrgica para los límites de entrada de calor y proporciona orientación práctica para diferentes familias de acero inoxidable.

Cálculo del aporte de calor

La fórmula estándar para el aporte de calor se deriva de la física básica. La potencia (vatios) es igual al voltaje multiplicado por la corriente. La energía (julios) es igual a la potencia multiplicada por el tiempo. En soldadura, nos interesa la energía por unidad de longitud de soldadura, lo que significa que la dividimos por la velocidad de desplazamiento.

El factor de eficiencia tiene en cuenta el calor perdido hacia el entorno: radiación, convección y salpicaduras. Los diferentes procesos de soldadura tienen diferentes eficiencias:

Tabla 1: Factores de eficiencia del aporte de calor por proceso de soldadura

Fuente: AWS D1.6:2017; ASME Sección IX (2023); Metalurgia de soldadura, Kou (2003)

Ejemplo de cálculo: una soldadura GTAW realizada a 12 voltios, 150 amperios y una velocidad de desplazamiento de 150 mm/min: Entrada de calor=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Se trata de un aporte de calor relativamente bajo, típico del acero inoxidable austenítico de sección delgada-.

Aceros inoxidables austeníticos: el aporte moderado de calor evita la sensibilización

Aceros inoxidables austeníticosSon los más soldables de todas las familias de acero inoxidable, pero no son inmunes al daño térmico. El principal riesgo es la sensibilización: la precipitación de carburos de cromo en los límites de los granos cuando el metal pasa por el rango de 500 a 850 grados Celsius. El alto aporte de calor extiende el tiempo que la ZAT pasa en esta zona de temperatura crítica, lo que aumenta la gravedad de la sensibilización.

Los grados bajos-de carbono (304L, 316L) y los grados estabilizados (321, 347) se desarrollaron específicamente para resistir la sensibilización. Sin embargo, ni siquiera estos grados son inmunes a los efectos del aporte excesivo de calor. Las altas temperaturas también provocan el crecimiento del grano, lo que puede reducir la tenacidad y aumentar el riesgo de agrietamiento en caliente en metales de soldadura totalmente austeníticos.

El rango de entrada de calor recomendado para los grados austeníticos equilibra dos requisitos en competencia: suficiente calor para garantizar una fusión adecuada y una fluidez del baño de soldadura, pero no tanto como para que la ZAC pase demasiado tiempo en el rango de sensibilización. El control de temperatura entre pasadas (normalmente por debajo de 150 grados Celsius) reduce aún más la exposición térmica acumulativa.

Tabla 2: Pautas de aporte de calor para aceros inoxidables austeníticos

Fuente: Manual de acero inoxidable de Outokumpu (2020); AWS D1.6:2017; ASME Sección VIII Div.1 (2023)

Aceros inoxidables dúplex: el aporte de calor controla el equilibrio de ferrita-austenita

Aceros inoxidables dúplexderivan su fuerza excepcional y resistencia a la corrosión de una microestructura equilibrada de aproximadamente 50% de austenita y 50% de ferrita. La soldadura altera este equilibrio. El rápido ciclo térmico favorece la formación de ferrita y, si el aporte de calor es demasiado bajo, el metal de soldadura y la HAZ pueden retener un exceso de ferrita (más del 70%), lo que reduce la tenacidad y la resistencia a la corrosión.

Por el contrario, si el aporte de calor es demasiado alto, el tiempo prolongado a temperatura elevada promueve la formación de fases intermetálicas dañinas, particularmente la fase sigma y la fase chi. Estas fases consumen cromo y molibdeno de la matriz circundante, creando zonas empobrecidas susceptibles a picaduras y grietas por corrosión bajo tensión. La formación de fase sigma es el riesgo metalúrgico más grave en la soldadura dúplex.

La solución es una ventana de entrada de calor cuidadosamente controlada, combinada con metales de aportación adecuados. Los metales de aportación para grados dúplex están sobre-aleados con níquel (normalmente entre un 8 y un 9 %) para promover la reforma de austenita durante el enfriamiento. El aporte de calor debe ser lo suficientemente alto como para dar tiempo a esta transformación de austenita, pero no tan alto como para que se forme la fase sigma.

Tabla 3: Pautas de aporte de calor para aceros inoxidables dúplex

Fuente: Manual de acero inoxidable dúplex de Outokumpu (2015); Pautas de soldadura Sandvik SAF 2205/2507; NACE MR0175/ISO 15156

Aceros inoxidables martensíticos: el bajo aporte de calor con precalentamiento evita el agrietamiento

Los aceros inoxidables martensíticos se transforman en martensita dura y quebradiza al enfriarse desde la temperatura de austenitización. Esta transformación crea altas tensiones residuales y hace que la ZAT sea extremadamente susceptible al craqueo inducido por hidrógeno-(también llamado craqueo retardado o craqueo en frío). A diferencia de los grados austeníticos, los aceros martensíticos no están protegidos por una estructura cristalina FCC estable.

El control del aporte de calor para los grados martensíticos tiene dos propósitos. En primer lugar, el aporte excesivo de calor aumenta el tamaño de la ZAT endurecida, creando un mayor volumen de material quebradizo. En segundo lugar, el bajo aporte de calor combinado con el precalentamiento ralentiza la velocidad de enfriamiento, lo que reduce la dureza de la martensita y proporciona más tiempo para que el hidrógeno se difunda fuera de la zona de soldadura.

El precalentamiento es esencial para los grados martensíticos. La temperatura de precalentamiento depende del contenido de carbono y del espesor de la sección, pero normalmente oscila entre 200-300 grados Celsius. La temperatura entre pasadas debe mantenerse por encima del mínimo de precalentamiento. Casi siempre se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura (templado a 650-750 C).

Tabla 4: Aporte de calor y requisitos de precalentamiento para aceros inoxidables martensíticos

Fuente: Manual de especialidades de la MAPE: Aceros inoxidables (1994); AWS D1.6:2017; ASME Sección VIII División 1

Conexión de la tasa de enfriamiento: por qué el aporte de calor por sí solo no es suficiente

El aporte de calor es una medida de la energía depositada, pero es la velocidad de enfriamiento la que determina la microestructura final. El mismo aporte de calor aplicado a una lámina de 3 mm producirá una velocidad de enfriamiento mucho más rápida que cuando se aplica a una placa de 25 mm. Esta es la razón por la que siempre se deben considerar las recomendaciones de aporte de calor junto con el espesor de la sección.

La velocidad de enfriamiento en la soldadura generalmente se mide como el tiempo para enfriarse de 800 a 500 grados Celsius (t8/5). Para los aceros al carbono, este parámetro determina directamente la dureza y la microestructura de la ZAT. Para los aceros inoxidables, el rango de temperatura crítico es diferente: para la sensibilización, lo que importa es el tiempo que pasa entre 850 y 500 grados Celsius.

La relación entre el aporte de calor y la velocidad de enfriamiento se puede aproximar utilizando ecuaciones de flujo de calor. Para secciones delgadas (donde el calor fluye principalmente en dos dimensiones), la velocidad de enfriamiento es inversamente proporcional al cuadrado de la entrada de calor. Para secciones gruesas (flujo de calor tridimensional-), la velocidad de enfriamiento es inversamente proporcional a la entrada de calor. Esto significa que en secciones delgadas, un pequeño aumento en el aporte de calor reduce drásticamente la velocidad de enfriamiento.

Tabla 5: Variación de la tasa de enfriamiento con el aporte de calor y el espesor de la sección

Fuente: Soldadura Metalurgia, Kou (2003); Manual de ASM Volumen 6A (2011)

Soldadura multi-pasada: entrada de calor acumulada y temperatura entre pasadas

La soldadura de múltiples-pasadas introduce una complicación que la soldadura de una sola-pasada no tiene: cada pasada posterior somete el metal de soldadura subyacente y la HAZ a ciclos térmicos adicionales. Esto puede ser beneficioso o perjudicial según el grado. Para algunas soldaduras austeníticas, el calor de pasadas posteriores puede disolver los carburos formados durante pasadas anteriores. Para los grados dúplex, el calentamiento repetido en el rango de 600 a 900 grados Celsius acelera la formación de la fase sigma.

La temperatura entre pasadas es la temperatura de la zona de soldadura justo antes de depositar la siguiente pasada. Para la mayoría de los aceros inoxidables, esta temperatura debe mantenerse por debajo de los 150 grados Celsius para limitar la exposición térmica acumulativa. Algunas especificaciones dúplex son aún más restrictivas y requieren una separación inferior a 100 grados Celsius para grados super-dúplex como 2507.

La implicación práctica es que las soldaduras de múltiples-pasadas requieren una planificación más cuidadosa que las soldaduras de una sola-pasada. El soldador debe dejar suficiente tiempo entre pasadas para que se enfríe, o utilizar métodos de enfriamiento forzado (chorro de aire, agua nebulizada) que no contaminen la zona de soldadura. La soldadura apresurada de múltiples-pasadas en calidades dúplex o super-dúplex es una causa común de formación de fase sigma y fallas de servicio posteriores.

Tabla 6: Pautas de temperatura entre pasadas para soldadura de pasadas múltiples-

Fuente: Directrices de soldadura de Outokumpu (2020); Manual de soldadura de metales especiales; NACE MR0175

Consecuencias del aporte excesivo de calor

Las consecuencias de un mal control del aporte de calor no son teóricas. Aparecen regularmente en informes de análisis de fallas en todas las industrias. Comprender estos modos de falla ayuda a los ingenieros e inspectores a reconocer los síntomas y rastrearlos hasta la causa raíz.

Corrosión intergranular: Provocada por sensibilización en la ZAT. Los límites de los granos son atacados selectivamente, dando lugar a una apariencia "azucarada" en la superficie. Común en soldaduras 304/316 con aporte excesivo de calor sin grado L-adecuado o estabilización.

Corrosión por picaduras: la formación de fase sigma en aceros dúplex consume cromo y molibdeno, creando zonas con resistencia a las picaduras reducida. Las picaduras se inician preferentemente en la ZAC de soldaduras de entrada de alto-calor-.

Fisuración por corrosión bajo tensión (SCC): un alto aporte de calor crea una ZAC más grande con mayor tensión residual. Combinado con la sensibilización, esto crea condiciones ideales para el SCC en entornos que contienen cloruro-.

Dureza reducida: el crecimiento excesivo de grano en HAZ austenítico reduce la tenacidad al impacto. En los aceros dúplex, el alto contenido de ferrita y la fase sigma reducen significativamente la tenacidad.

Agrietamiento en caliente: en metales de soldadura totalmente austeníticos (310, algunas aleaciones de níquel), el alto aporte de calor extiende el tiempo que pasa en el rango de solidificación frágil, aumentando el riesgo de agrietamiento por solidificación.

Tabla 7: Modos de falla relacionados con un aporte excesivo de calor

Fuente: Manual de ASM Volumen 11: Análisis de fallas (2002); Encuesta de datos de corrosión de NACE; Estudios de casos de falla de JN Alloys

Control práctico de la entrada de calor: desde WPS hasta el taller

El control de la entrada de calor comienza en la oficina de ingeniería y termina en el taller. La especificación del procedimiento de soldadura (WPS) debe incluir límites explícitos de entrada de calor, no solo los parámetros básicos de amperaje, voltaje y velocidad de desplazamiento. Para aplicaciones críticas, el WPS debe especificar el rango aceptable para cada parámetro y los límites de entrada de calor calculados.

Especifique la entrada de calor en el WPS: no asuma que enumerar los rangos de amperaje y voltaje es suficiente. Calcule e indique explícitamente el aporte térmico máximo (por ejemplo, 'Aporte térmico máximo: 2,0 kJ/mm').

Utilice equipos calibrados: las fuentes de energía modernas pueden mostrar y registrar el amperaje y el voltaje reales. Utilice estos datos para calcular la entrada de calor real, no solo los puntos de ajuste.

Capacite a los soldadores sobre las consecuencias: Los soldadores que comprendan que el aporte excesivo de calor puede causar fallas por corrosión estarán más motivados para controlar la velocidad de desplazamiento y la temperatura entre pasadas.

Supervise la velocidad de desplazamiento: la velocidad de desplazamiento es el parámetro que los soldadores ajustan con mayor frecuencia durante la producción. Proporcione orientación sobre cómo mantener una velocidad constante o utilizar sistemas mecanizados/automatizados para soldaduras críticas.

Documente el aporte de calor para soldaduras críticas: para recipientes a presión, componentes marinos y tuberías de plantas químicas, calcule y registre el aporte de calor real para cada soldadura. Esto proporciona trazabilidad en caso de futuras fallas.

Utilice calculadoras de entrada de calor: las aplicaciones gratuitas y las calculadoras en línea permiten a los soldadores calcular rápidamente la entrada de calor a partir de los parámetros básicos. Fomentar su uso en el taller.

El costo del control del aporte de calor es mínimo en comparación con el costo de una falla por corrosión en servicio. Una sola falla por picadura en una planta química puede generar millones de dólares en pérdida de producción, limpieza ambiental y reemplazo de equipos. Invertir en un control adecuado del aporte de calor no es sólo una buena ingeniería: también es una buena economía.

Resumen

La siguiente tabla consolida las recomendaciones de este artículo en un formato de referencia rápida-. Los ingenieros y fabricantes pueden utilizar esta matriz para establecer límites de entrada de calor para sus aplicaciones específicas.

Tabla 8: Matriz de decisión sobre el aporte de calor por familia de acero inoxidable

Fuente: Compilado de AWS D1.6, ASME Sección VIII/IX, directrices técnicas de Outokumpu, Sandvik, Special Metals y JN Alloys

Conclusión

El aporte de calor es la variable más controlable que determina la calidad y el rendimiento del servicio de las soldaduras de acero inoxidable. Las consecuencias metalúrgicas del aporte de calor (sensibilización, formación de fase sigma, crecimiento de grano y desequilibrio de fases) se comprenden bien y son predecibles. Lo que a menudo falta es la disciplina para poner en práctica este conocimiento.

Las recomendaciones de este artículo se basan en décadas de investigación y experiencia de campo. No son límites arbitrarios -: reflejan la física y la metalurgia subyacentes de la soldadura. Al controlar la entrada de calor dentro del rango apropiado para cada familia de acero inoxidable, los fabricantes pueden producir soldaduras que conservan la resistencia a la corrosión, las propiedades mecánicas y la confiabilidad a largo plazo que esperan sus clientes.

Para obtener asistencia técnica sobre procedimientos de soldadura de acero inoxidable, selección de metal de aportación u optimización del aporte de calor, comuníquese con JN Alloys -, su socio en soluciones de aleaciones de alto rendimiento.

Sitio web:www.jnalloys.com