Tratamiento térmico posterior a la soldadura

La soldadura puede generar altos niveles de tensión residual que, al combinarse con las tensiones de carga, superan el límite elástico del material y provocan una mayor deformación del mismo. Para minimizar estos niveles de tensión y reducir los efectos negativos del tratamiento térmico posterior a la soldadura, este debe realizarse como parte del proceso de tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Los códigos y especificaciones de la industria suelen exigir el tratamiento de PWHT en materiales específicos cuando las condiciones de servicio lo requieren; esta práctica es frecuente en los sectores de petróleo y gas, petroquímico y nuclear.

Reducción de tensiones residuales

Las tensiones residuales derivadas de la soldadura pueden debilitar significativamente los equipos, aumentando su susceptibilidad a la corrosión por tensión. El proceso de PWHT reduce estas tensiones para ayudar a evitar dichos daños; esto se logra calentando todas las estructuras a una temperatura crítica de transformación más baja durante un período prolongado, calentando de manera efectiva todo el conjunto como una unidad integrada.

El Pwht no es comparable a los procesos de normalización o recocido que se utilizan para mejorar las propiedades mecánicas mediante la modificación de las características microestructurales; sin embargo, al igual que estos tratamientos térmicos, ayuda a reducir y redistribuir las tensiones residuales generadas durante los procesos de soldadura.

En general, una temperatura máxima más alta y un tiempo de mantenimiento más prolongado conducen a una mayor reducción de las tensiones residuales. Sin embargo, es importante recordar que las temperaturas máximas excesivamente altas pueden deformar los componentes; para proteger su forma durante el proceso de PWHT, es recomendable colocar soportes a intervalos regulares dentro del recipiente.

En este estudio, investigamos el efecto de la potencia de entrada de los diodos en el alivio de tensiones residuales en puentes de acero inoxidable 316L soldados con láser, utilizando la potencia de entrada de los diodos. Nuestros resultados demostraron que un proceso de tratamiento in situ de calentamiento de agua con plasma redujo significativamente las tensiones residuales en comparación con los puentes de control; este efecto pareció estar más estrechamente relacionado con la temperatura máxima alcanzada que con el tiempo de permanencia a esa temperatura, tal como se esperaría de los mecanismos de alivio de tensiones, como la aniquilación de dislocaciones y la fluencia.

Mayor resistencia

A altas temperaturas, la soldadura altera la microestructura del acero al aumentar su dureza y, al mismo tiempo, disminuir su tenacidad y ductilidad; esto puede causar problemas cuando se utiliza en aplicaciones con altos niveles de tensión cíclica, como recipientes a presión y tuberías. El PWHT puede ayudar a mitigar estos problemas al reducir la dureza de las soldaduras y, al mismo tiempo, devolver la tenacidad y la ductilidad a niveles más cercanos a las especificaciones de diseño; además, homogeneiza su microestructura para reducir las concentraciones de tensión y prevenir fracturas en las soldaduras.

Un método común para evaluar si las soldaduras requieren un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) consiste en realizar un análisis de mecánica de la fractura. Esto implica establecer relaciones entre los niveles de tensión aplicada y residual, el tamaño de los defectos que podrían pasar desapercibidos durante la inspección, las propiedades del material (tenacidad a la fractura y límite elástico) y los niveles de tensión, con el fin de calcular los niveles mínimos de tenacidad necesarios para evitar la falla bajo carga.

Sin embargo, este enfoque puede resultar ineficaz en algunas ocasiones; los resultados pueden depender en gran medida de las circunstancias exactas en las que se realiza la soldadura. Por lo tanto, para obtener resultados precisos y reproducibles, es fundamental utilizar una geometría de soldadura bien definida con un material de relleno adecuado, a fin de lograr soldaduras precisas.

El PWHT requiere que las soldaduras cuenten con un soporte adecuado durante los procesos de calentamiento y enfriamiento para minimizar la deformación; esto se puede lograr utilizando caballetes diseñados específicamente para adaptarse a los componentes y colocados a intervalos regulares a lo largo de su longitud. Para garantizar un soporte adecuado durante estos procesos, se deben utilizar soportes fabricados con un material que tenga un coeficiente de expansión térmica similar, a fin de que no se desplacen durante estos ciclos de calentamiento y enfriamiento.

Mayor ductilidad

El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un proceso esencial que reduce las tensiones residuales y modifica la microestructura del metal de soldadura para aumentar la tenacidad, la ductilidad y la resistencia frente a condiciones de carga dinámica. Sin embargo, cuando se realiza de manera inadecuada, el PWHT puede aumentar aún más los niveles de tensiones residuales y, al mismo tiempo, disminuir las propiedades mecánicas de la estructura que se está tratando.

Los procesos de PWHT pueden minimizar estos impactos negativos al garantizar que los materiales se calienten a sus temperaturas ideales durante un tiempo adecuado y luego se enfríen rápidamente, lo que elimina los gradientes térmicos excesivos que aumentan el riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión en un ambiente oxidante.

Existe un amplio debate entre los expertos sobre si sería posible producir de manera segura grandes volúmenes de biomasa como combustible para autos eléctricos en el futuro. Aún no se conoce con certeza la veracidad de tales afirmaciones. Aunque la mayor parte de la investigación sobre el PWHT de metales de soldadura HSS se ha centrado en el alambre sólido, aún se sabe poco sobre los efectos de las diferentes temperaturas y tiempos de mantenimiento del PWHT en las soldaduras realizadas con alambres con núcleo metálico. El objetivo de este estudio fue investigar cómo el PWHT a diferentes temperaturas y tiempos de mantenimiento afecta la microestructura y las propiedades mecánicas de las soldaduras producidas con electrodos de soldadura con núcleo metálico de NiTi. Para lograr este objetivo, se realizó un análisis SEM en muestras de soldadura expuestas a diferentes temperaturas de PWHT durante diversos tiempos, mientras que se empleó el análisis de la fracción de área de carburos en estas muestras para analizar cualquier cambio en la microestructura o la dureza causado por estos tiempos variables de PWHT.

Reducción de la fractura por fragilidad

El PWHT (tratamiento térmico por lavado a presión) garantiza que las uniones de las estructuras soldadas, como tuberías y recipientes a presión, puedan soportar altas presiones y entornos corrosivos, y ayuda a reducir el riesgo de fractura frágil. Por lo tanto, el PWHT se ha convertido en una práctica estándar dentro de la industria del petróleo y el gas, así como en las normas regulatorias para las centrales nucleares; además, protege a los reactores nucleares contra la fatiga térmica al proteger las uniones soldadas con el tratamiento PWHT.

Se utilizó Crackwise 3 para evaluar si el acero C-Mn y el acero de baja aleación pueden resistir la fractura frágil sin tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), mediante la realización de varios cálculos basados en defectos de ruptura superficiales semi-elípticos, calculando la tenacidad a la fractura requerida del material a partir de su valor máximo en relación con el espesor (K mat). La curva maestra se correlaciona con la resistencia al colapso plástico de los frentes de grieta; por lo tanto, los componentes más gruesos probablemente requerirían valores de tenacidad más altos, ya que habría una mayor probabilidad de que se presentaran regiones de la muestra con valores de tenacidad reducidos durante el inicio del colapso plástico.

Los cálculos han revelado que el uso del PWHT para reducir la fractura frágil en componentes de acero al carbono-manganeso y acero de baja aleación puede disminuir significativamente las tasas de fractura frágil gracias a menores niveles de tensión residual, una microestructura mejorada y el templado de las regiones potencialmente frágiles. Esta reducción puede darse incluso en componentes de gran espesor gracias a los menores niveles de tensión residual y a la mejora de la microestructura, junto con el templado de las regiones duras y potencialmente frágiles.