Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para acero al carbono

El tratamiento térmico posterior a la soldadura, o PWHT, es un componente integral del proceso de soldadura, que sirve para aliviar las tensiones residuales causadas por la soldadura al tiempo que templa las regiones microestructurales duras o potencialmente frágiles.

La PWHT puede realizarse en hornos alimentados con electricidad, gas natural o petróleo; sin embargo, en este artículo nos centraremos en la temperatura que debe alcanzarse para lograr resultados óptimos con la PWHT del acero al carbono.

Termodinámica

La soldadura es uno de los procesos de fabricación de ingeniería más extendidos. Sin embargo, tras la soldadura pueden formarse tensiones residuales que provocan dificultades operativas. Para aliviar estas tensiones internas, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) puede ayudar a aliviar las tensiones residuales ablandando las zonas endurecidas, mejorando la microestructura y las características químicas, reduciendo el contenido de hidrógeno en la zona soldada y aliviando las tensiones residuales; sin embargo, una temperatura excesiva o inadecuada o los tiempos de mantenimiento afectan negativamente a las propiedades mecánicas [1].

Los aceros al carbono y de baja aleación requieren PWHT para reducir las tensiones residuales, controlar la dureza del material y mejorar la resistencia mecánica. Los requisitos de cada material específico para las temperaturas de PWHT dependen de su código de uso; las temperaturas de PWHT para determinadas composiciones químicas o rangos de espesor, como en el caso de los aceros para tuberías y recipientes a presión con un contenido de cromo inferior a 1,5%, suelen requerir temperaturas superiores a 1050degC, según los requisitos del código. Por ejemplo, cuando se utiliza para tuberías y recipientes a presión con tales requisitos como por ejemplo con acero con contenido de cromo de 1,5% requiere temperaturas de PWHT superiores a 1050degC para mejorar la resistencia mecánica según lo establecido por los requisitos de los códigos impuestos por los códigos que regulan cómo funcionará el PWHT y cumplir estos objetivos con eficacia.

Sin embargo, las calidades estructurales generales, como la BS 5400 para puentes, la BS 5958 para edificios y la EEMUA 158 para estructuras marinas, admiten límites de espesor como soldado significativamente más gruesos, asociados a mayores requisitos de energía Charpy. Estas diferencias parecen estar relacionadas con factores como la temperatura de precalentamiento, el contenido de aleación y la formación de martensita; el objetivo de este artículo es ayudar a los lectores a comprender mejor estas influencias a la hora de determinar una temperatura PWHT para su acero.

Microestructura

Algunos materiales requieren un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para conseguir la resistencia y ductilidad deseadas. El PWHT consiste en calentar las piezas soldadas entre 580 ºC y 620 ºC durante 1 hora por cada 25 mm de espesor para relajar las tensiones residuales creadas durante la soldadura; esto ayuda a garantizar una resistencia a la tracción y al impacto Charpy suficientes, así como a reducir el riesgo de fractura.

Se empleó microscopía STEM para examinar la estructura de dislocación y la alteración de los carbonitruros MX a distintos tiempos de PWHT. Una muestra soldada presentaba una alta densidad de dislocaciones muy enmarañadas dentro de su matriz bainítica; en esta fase no podían distinguirse estructuras ordenadas como redes de dislocaciones o límites de subgranos. Al aumentar el tiempo de PWHT, la densidad de dislocaciones disminuyó sustancialmente; se hicieron evidentes nuevas estructuras ordenadas, como redes de dislocaciones o límites de subgrano, así como carbonitruros MX engrosados que redujeron su efecto de fijación sobre las dislocaciones; en última instancia, los límites de subgrano volvieron a hacerse visibles.

Con tiempos de PWHT de 8 y 16 h, la morfología del metal de soldadura mejora con menores densidades de dislocación; sin embargo, la densidad de dislocación sigue siendo muy superior a la del acero templado. Además, los precipitados en los límites de grano y subgrano se han engrosado significativamente debido a la maduración Ostwald de los carbonitruros MX, dando lugar a partículas más grandes en los límites de grano/subgrano que dentro de los propios granos.

Alivio del estrés

La PWHT de los aceros al carbono y al carbono-manganeso es un paso esencial después de la soldadura para minimizar la fractura frágil. Este proceso implica calentar la zona soldada a altas temperaturas durante un periodo prolongado y, a continuación, enfriarla. A temperaturas más elevadas, la distribución de las tensiones se hace más uniforme, disminuyendo así las tensiones residuales, mientras que el revenido ablanda las regiones microestructurales duras del material base que, de otro modo, podrían provocar grietas.

La soldadura introduce altos niveles de tensiones residuales en los metales, especialmente en las soldaduras más gruesas. Cuando se combinan con tensiones de carga de servicio, estas tensiones residuales pueden reducir la tenacidad a la fractura y la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). La PWHT sirve para aliviar estas tensiones residuales y mejorar las propiedades mecánicas de la unión que se está soldando.

La PWHT requiere someter las estructuras a altas temperaturas durante largos tiempos de mantenimiento, lo que puede resultar difícil y costoso en el caso de fabricaciones estructurales de gran tamaño. Para garantizar un aislamiento y un calentamiento adecuados en la zona de soldadura, con una lectura de temperatura precisa de un registrador/controlador digital.

Un PWHT inadecuado puede reducir la resistencia del material. Además, una velocidad de enfriamiento ineficaz durante el PWHT puede provocar distorsiones y reducir su resistencia final a la tracción.

Fuerza

Como ya se ha indicado, la resistencia a la tracción y el límite elástico del acero al carbono tienden a disminuir con el aumento de la temperatura; sin embargo, su ductilidad (KJc) aumenta debido a que el revenido produce constituyentes de martensita-austenita más grandes que mejoran la tenacidad al impacto.

Por ello, es fundamental que las condiciones de PWHT se adapten no sólo a las propiedades del acero suministrado, sino también a las condiciones de servicio previstas del componente soldado. Por lo tanto, los fabricantes de acero deben tener esto en cuenta a la hora de determinar una temperatura de revenido para sus productos laminados.

Los códigos y normas de construcción (como BS 1113 y ASME VIII ) suelen estipular un límite inferior para el espesor PWHT. Estos límites se determinan basándose en la suposición de que tanto la resistencia a la tracción como el límite elástico permanecen dentro de unos parámetros aceptables tras la PWHT.

Por supuesto, esto no siempre es posible y por eso cualquier tubo o recipiente diseñado para el servicio de hidrógeno debe someterse a un tratamiento térmico postsoldadura (PWHT). Tanto la temperatura como la duración deben elegirse cuidadosamente para producir los cambios metalúrgicos deseados, cumpliendo al mismo tiempo todas las especificaciones pertinentes del código/norma/contrato; también debe solicitarse el asesoramiento de expertos en relación con los tiempos y temperaturas específicos de los tipos de acero al carbono.