Effect of heat input and cooling speed on metallurgy of weld

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria, Ciencia y Tecnología
•Universidad Nacional Experimental del Transporte
Programa Nacional de Formación. Ingeniería de Materiales Industriales
Departamento de Tecnología de Materiales
PROYECTO SOCIO-TECNOLOGICO TRAYECTO IV
•ESTUDIO DEL EFECTO DEL APORTE DE CALOR Y VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
DE UNA SOLDADURA SMAW EN LAS PROPIEDADES METALURGICAS DEL ACERO
SA516 Gr 70
Proyecto Socio-Tecnológico de Trayecto IV, presentado como
requisito parcial para optar al Título de Ingeniero (a) de Materiales
Industriales.
Tutor: Prof. Miguel Marín Autor: T.S.U Raúl Mora
Octubre del 2020

2. • ESTUDIO DEL EFECTO DEL APORTE DE
CALOR Y VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
DE UNA SOLDADURA SMAW EN LAS
PROPIEDADES METALURGICAS DEL ACERO
SA516 Gr 70

3. INTRODUCCIÓN
Metalurgia
de la
soldadura
La calidad de una soldadura industrial es
proporcionada por su metalurgia:
Propiedades mecánicas finales.
El aporte de calor (HI) y la velocidad de
enfriamiento ejercen la mayor influencia en
las características finales de la junta, al
menos en el rango ∆800-500.
El HIC es el modo de fallo de mayor
preocupación en soldaduras críticas.
Depende de tres variables: Martensita,
hidrógeno y esfuerzos residuales. Bajos
valores de HI = mayores sub-
enfriamientos.
La distribución de las temperaturas
alcanzadas en la región soldada se obtuvo al
trazar los ciclos térmicos de la soldadura.

4. EL PROBLEMA
Antecedentes:
•Colapso del espesor
(quemón)
•HIC (martensita)
•Altos HI: Riego de colapso,
disminución de P.M.
•Bajos HI: Mayor dureza,
aumenta riesgo de HIC.
Recipientes con e > 5 mm
mayor preocupación resulta
el HIC:
•Disminución de Esfuerzos
•Control en la
Microestructura
•Ausencia de Hidrógeno
No hay facilidad de aplicar
Post-tratamiento ni
precalentamiento.
Resulta muy difícil eliminar
el hidrógeno de la
soldadura, incluso con
electrodos bajo hidrógeno
Control de la metalurgia:
•Aporte de calor: Evitar sub-
enfriamientos rápidos en el
rango de transformación
(∆800-500).
•Velocidades de
enfriamiento que resulten
en fases de alta
temperatura,
•Los ciclos térmicos
permiten predecir que tipo
de microestructura se
obtendrá en base a la
velocidad de enfriamiento.
Cual es la influencia del aporte de calor y la velocidad de
enfriamiento en los ciclos térmicos de la soldadura y en general,
en su metalurgia en el proceso SMAW para planchas de acero
ASME SA 516 Gr.70.

5. OBJETIVO GENERAL
Estudiar el efecto del aporte de calor y la velocidad de
enfriamiento en las propiedades metalúrgicas de una
soldadura a tope ejecutada mediante el proceso SMAW
sobre plancchas de acero con especificaciones ASME SA
516 Gr. 70 y evaluar su aplicación en soldaduras críticas,
tales como reparaciones en servicio de recipientes a
presión.

6. OBJETIVO ESPECÍFICO
• Determinar los valores de aporte de calor a ser usados en la soldadura
sobre planchas de acero SA 516 Gr. 70. El primer aporte de calor se
obtuvo mediante la ecuación convencional establecida en la literatura, que
involucra las características eléctricas del electrodo y la velocidad de
recorrido. El segundo valor se calculó experimentalmente, mediante la
relación entre el aporte de calor a ser estimado y la velocidad de
enfriamiento del acero SA 516 Gr. 70 en el rango de temperaturas ∆800-500.
• Evaluar la influencia que la aplicación de los valores de aporte de calor
obtenidos tiene sobre los ciclos térmicos de la soldadura , por medio de la
medición de temperaturas en un instante de tiempo durante el recorrido
del electrodo sobre el charco de soldadura.
• Estimar la influencia de las velocidades de enfriamiento resultantes y la
distribución de temperaturas en la microestructura, dureza y tenacidad al
impacto. Los resultados obtenidos variando la energía introducida durante
la soldadura (aporte de calor) serán comparados con el propósito de
establecer que valores de energía producen soldaduras de mayor calidad
en las propiedades estudiadas.
• Evaluar la aplicabilidad de las variables de soldadura usadas en el diseño
de soldaduras críticas, tales como reparaciones en servicio de recipientes
a presión, en función de los resultados obtenidos.

7. MARCO TEÓRICO
Principios de
solidificación
en
soldaduras
por fusión
Adición constante de temperatura:
heterogeneidad térmica resulta en
gradientes térmicos (subenfriamientos).
Surgen 4 zonas microestructuralmente
diferenciadas:
• Zona de fusión
• Interface
• ZAC
• Metal Base
Evolución
Microestructural
Ciclos
térmicos de la
soldadura

8. MARCO TEÓRICO
Agrietamiento por HIC (Agrietamiento en frío)
Curva CCT para el acero AISI 1045

9. MARCO TEÓRICO
Soldaduras
de
reparación
en servicio
A evitar:
1. Quemón
2. Altas durezas:
Transformaciones
de baja temperatura
en el rango ∆800-
500
Acero
ASME SA
516 Gr70
Tenacidad
al
impacto.
Tenacidad
-HI-CR

10. MARCO METODOLÓGICO
Estudio del efecto del aporte de calor y velocidad de enfriamiento de
una soldadura SMAW en las propiedades metalúrgicas del acero SA
516 Gr. 70
Caracterización del Material
Caracterización
microstructural del acero
recibido
Ensayos de Tensión Composición química
Calculo del aporte de calor y
determinación de variables de
soldadura
Elaboración de soldadura en
dos probetas
Determinación de las curvas
de ciclos térmicos
Caracterización
microestructural de las
muestras soldadas y ensayos
de microdureza
Ensayos de Impacto Charpy

11. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Caracterización del acero
Ferrita equiaxial y colonias de perlita
C * Mn Si Al P S
0,13 1,05 0,32 0,04 0,015 0,008
Fluorescencia de rayos X
Grado C
(máx.)
Mn
(máx.)
Si Al P S
70 0,22 1,18 0,32 0,04 0,015 0,008
Composición Nominal
Resistencia máxima a la
tracción o UTS (MPa)
Límite elástico (MPa)
496 260
501 262
Propiedades mecánicas obtenidas

12. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Cálculo de los valores de aporte de calor
Primer valor de aporte de calor:
HE= A*V*60/travel speed = 2,7 Kj/mm
Donde: t8/5 = Tiempo crítico a la temperatura crítica de
transformación (800-500); CR = Velocidad de
enfriamiento, Tc = temperatura crítica (570 ºC), T0 =
Temperatuta inicial (30 ºC); k = conductividad térmica
del acero (0,000028 Kj/mm).

13. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Determinación de los Ciclos Térmicos
2,7 Kj/mm 4,22 Kj/mm

14. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Aproximación lineal a la VE
Velocidad de enfriamiento a 2,7 Kj/mm Velocidad de enfriamiento a 4,22 Kj/mm
y = -15.858x + 1112.9
R² = 0.9717
y = -13x + 893.37
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
0 10 20 30 40 50
Zona de
Fusion
y = -15x + 1212.9
R² = 1
y = -10.48x + 931.29
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
15 20 25 30 35 40 45 50
Zona
de
Fusio
n
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
Metal de
Soldadura
ZAC Metal Base Metal Base
4,22 Kj/mm
2,77 Kj/mm
Temperaturas máximas alcanzadas
en los diferentes puntos de
medición.

15. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis Microestructural
ZAC. 2,7 Kj/mm, 400X
ZAC. 2,7 Kj/mm, 400X
ZAC. 4,22 Kj/mm, 400X
ZAC. 4,22 Kj/mm, 400X
ZAC-Metal base. 2,7 Kj/mm, 400X
ZAC-Metal base. 4,22 Kj/mm, 400X

16. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Microdureza y Tenacidad al impacto
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
600
gr
Indentacion
2,77 Kj/mm
4,22 Kj/mm
0
20
40
60
80
100
120
140
-140-120-100-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100120140160180200
ft/lbf
Temperatura (F)
0
20
40
60
80
100
120
140
-140-120-100-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100120140160180200
ft/lbf
Temperatura (F)
2,7 Kj/mm
4,22 Kj/mm
Comparación de los valores de microdureza
HV

17. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Superficies de fractura
Aporte de calor: 2,7 Kj/mm Aporte de calor: 4,22 Kj/mm
82 ºC
-21 ºC
-80 ºC

18. CONCLUSIONES
• Los valores de aporte de calor estudiados son 4,22 y 2, 7 Kj/mm. El primero
se obtuvo relacionándolo a la velocidad de enfriamiento del acero SA 516 Gr
70, calculada en el rango de enfriamiento ∆800-500 . El segundo valor de
aporte de calor se obtuvo considerando los parámetros eléctricos del
electrodo y la velocidad de recorrido del soldador.
• El diagrama de los ciclos térmicos evidencia que las temperaturas alcanzadas
en la zona de fusión y zona afectada térmicamente, a 4,22 Kj/mm son
considerablemente mayores que las obtenidas a 2,7 Kj/mm. Para el primer
caso, se obtuvieron valores en la zona de fusión y térmicamente afectada de
1307,9 y 828,3 °C respectivamente; mientras que 2,77 Kj/mm se obtuvieron
temperaturas de 1178,9 oC en la línea de fusión y 753,7 oC en la zona ZAC.
• En base a estas temperaturas alcanzadas se calculó la velocidad de
enfriamiento. Para 4,22 Kj/mm se tienen velocidades de enfriamiento
aproximadas de 15 oC/s en la zona de fusión y 10 oC/s en la zona afectada.
Utilizando un valor de 2,7 Kj/mm las tasas de enfriamiento son ligeramente
mayores, obteniéndose 16 °C/s en la zona de fusión y 13 °C/s en la zona
afectada. La mayor variación en los subenfriamientos se encuentra en la ZAC.

19. CONCLUSIONES
• El uso de un menor valor de aporte de calor (2,7 Kj/mm) parece tener un
efecto de refinamiento de grano en la microestructura de la región soldada, a
la vez que promueve la formación de ferrita Widmasttaten en la interfase
zona de fusión-ZAC. Los efectos de estos aportes de calor y velocidades de
enfriamiento en la microestructura son las siguientes: Se observó mayor
refinamiento de grano y presencia de ferrita Windmastatten en la interfase
zona de fusión-ZAC de la soldadura hecha a 2,7 Kj/mm. Para un valor de 4,22
Kj/mm se observó ferrita acicular y colonias perlíticas en la interfase zona de
fusión-ZAC y contrario al primer caso, no se observó ferrita Windmastatten.
Estas observaciones concuerdan con un mayor subenfriamiento de la muestra
soldada con 2,7 Kj/mm, para las zonas estudiadas. No se descarta la
presencia de Bainita en ambos casos.
• A su vez, Las variaciones de la Microdureza Vickers concuerdan con los ciclos
térmicos obtenidos y la microestructura, obteniéndose los mayores valores de
dureza en la muestra que presentó la velocidad de enfriamiento más alta,
utilizando un aporte de calor de 2,7 Kj/mm. Sin embargo, se puede decir que
no existe una marcada diferencia en los valores de dureza para ambos
valores de aporte de calor.

20. CONCLUSIONES
• Los valores de Microdureza Vickers en la zona de soldadura, así como las
evidencias microestructurales, pudieran indicar que no hubo transformación
martensítica en esta región, que pudiera sensibilizarlo con respecto al
mecanismo de HIC.
• No se observaron variaciones importantes en las propiedades de tenacidad al
impacto para los valores de aporte de calor evaluados. En ambos casos, la
temperatura de transición es -6 F (-21 Celsius). Sin embargo, la muestra
soldada a un valor más bajo de aporte de calor presenta una ligera mejoría en
las propiedades de tenacidad con respecto a la muestra soldada al valor más
alto de 4,22 KJ/mm.
• De acuerdo a los resultados obtenidos, se concluye que ambos valores de
aporte de calor son adecuados para soldar reparaciones en servicio sobre
recipientes a presión, ya que incluso el menor valor de aporte de calor
ensayado, no produjo tasas de enfriamiento suficientes para originar
microestructuras de alta dureza tipo martensita.

21. RECOMENDACIONES
• Soldar reparaciones en un rango de aporte de calor comprendido entre 2,7 y
4,22 Kj/mm. Esta ventana de valores pareciera ser suficientemente alta para
evitar rápidos subenfriamientos en la zona de soldadura.
• Una adecuada práctica de inspección de soldadura antes, durante y después
del proceso garantizará que se cumplan las variables de soldadura
propuestas en un WPS.
• Calificar los WPS haciendo uso de las variables de soldadura propuestas en
este trabajo, bajo los criterios establecidos en el código ASME Sección IX