Soldadura de aleaciones resistentes al calor: desafíos y mejores prácticas

Soldar aleaciones resistentes al calor es más difícil que soldar acero estándar, ya que pequeños errores pueden provocar fallos prematuros. Si la junta está sucia, el material de aporte es incorrecto o falla el control de la temperatura, una soldadura que inicialmente parece aceptable puede no durar mucho tiempo en servicio a altas temperaturas.

En esta guía, le mostraremos dónde suelen fallar estas soldaduras, cómo varían los riesgos según el tipo de aleación y qué debe comprobar antes, durante y después de soldar.

¿Por qué las aleaciones resistentes al calor son más difíciles de soldar que los aceros estándar?

Las aleaciones resistentes al calor son más difíciles de soldar porque ofrecen menos margen de error bajo calor prolongado. El acero estándar suele ofrecer cierto margen, pero estas aleaciones generalmente no.

El servicio a altas temperaturas reduce la posibilidad de defectos.

Las piezas resistentes al calor suelen funcionar durante largos periodos en tubos de hornos, sistemas de escape, componentes de reformadores y tuberías calientes. En este tipo de servicio, incluso los pequeños defectos de soldadura se vuelven más graves.

Estas aleaciones son menos tolerantes a los errores por tres razones principales:

• La deformación plástica puede agravar pequeños defectos con el tiempo: una exposición prolongada al calor y a la carga puede convertir un defecto menor en una grieta más grande.
• Los ciclos térmicos aumentan la tensión en la articulación: el calentamiento y enfriamiento repetidos pueden abrir zonas débiles que al principio parecían inofensivas.
• La oxidación acelera el daño en las zonas débiles: una vez que la zona de soldadura se ve comprometida, la oxidación puede acelerar la falla.

La falta de fusión, que puede permanecer oculta durante años en el acero dulce, puede convertirse mucho antes en un problema real de funcionamiento en una aleación sometida a altas temperaturas.

Fusión de bloques de incrustaciones de óxido y contaminación

Las superficies sucias causan más problemas en las aleaciones resistentes al calor, ya que la contaminación puede bloquear la fusión y contaminar prematuramente el baño de soldadura. Incluso pequeñas cantidades de suciedad del taller pueden arruinar una pasada de raíz.

Antes de soldar, tenga en cuenta lo siguiente:

• Escala de óxido
• Aceite y grasa
• Residuo que contiene azufre
• Tinta de rotulador y suciedad de taller

Si la pasada de raíz comienza en una junta sucia, el resto de la soldadura generalmente no mejora a partir de ahí.

La expansión térmica y la solidificación aumentan el riesgo de agrietamiento.

Algunas aleaciones resistentes al calor se agrietan con mayor facilidad porque la soldadura se expande, se contrae y se solidifica bajo mayor tensión. Las aleaciones de níquel son un ejemplo común.

El riesgo de agrietamiento aumenta cuando se presentan las siguientes situaciones:

• Restricción articular alta
• Mal ajuste
• Cuentas estrechas y profundas
• Demasiado calor en una zona

Esa es una de las razones por las que la forma y el ajuste del cordón son tan importantes en estos trabajos.

Los cambios en la zona afectada por el peligro pueden reducir la estabilidad a largo plazo.

La zona afectada por el calor (ZAC) puede perder parte de la estructura que confiere al metal base su resistencia a largo plazo. En los aceros ferríticos resistentes a la fluencia, esta zona débil puede formarse junto a la soldadura y agrietarse posteriormente durante su uso.

Por eso necesitas un control más estricto sobre:

• Precalentar
• Temperatura entre pasadas
• PWHT
• Límites del procedimiento para el grado específico

Si está soldando acero ferrítico sometido a altas temperaturas, el trabajo no termina cuando el cordón tiene buen aspecto. El historial térmico posterior sigue siendo importante.

¿Cómo influyen las aleaciones a base de níquel y los aceros ferríticos con alto contenido de cromo en los diferentes riesgos de soldadura?

Las aleaciones a base de níquel y los aceros ferríticos con alto contenido de cromo no fallan de la misma manera, por lo que no se deben soldar con la misma mentalidad. Ambos se utilizan en aplicaciones de alta temperatura, pero sus riesgos de soldadura comienzan en puntos diferentes.

Las aleaciones a base de níquel tienden a presentar agrietamiento en caliente y baños de soldadura lentos.

Las aleaciones a base de níquel son más propensas a agrietarse en caliente, y el baño de soldadura suele ser más lento y denso. Esto puede llevar a los soldadores a adquirir malos hábitos si no tienen cuidado.

Los problemas más comunes incluyen:

• Pausa demasiado larga
• Ensanchar demasiado la cuenta
• Permitir que la contaminación entre en la piscina.
• Pérdida de consistencia en las perlas

En secciones delgadas o trabajos de raíz, la soldadura TIG suele proporcionar un mejor control del charco de agua.

Los aceros ferríticos con alto contenido de cromo son más sensibles al endurecimiento de la zona afectada por el calor y al agrietamiento retardado.

Los aceros ferríticos con alto contenido de cromo son más propensos a la formación de zonas afectadas por el calor (ZAC) duras y al agrietamiento retardado tras la soldadura. Esto puede resultar engañoso, ya que la soldadura puede parecer aceptable a primera vista.

El riesgo aumenta cuando se dan estas tres condiciones simultáneamente:

• Hay hidrógeno presente
• El enfriamiento se produce demasiado rápido.
• La articulación tiene una alta restricción.

Por eso, algunas soldaduras ferríticas necesitan tiempo de espera y una posterior reinspección, en lugar de una rápida revisión visual y un simple visto bueno.

Las reglas sobre el metal de aportación no son las mismas para ambas familias de aleaciones.

La selección del material de relleno debe basarse en la familia de aleaciones, las condiciones de servicio y el procedimiento de homologación, no en la costumbre del taller. Un material de relleno que funciona con una familia de aleaciones puede causar problemas a largo plazo con otra.

Una forma sencilla de pensarlo:

• Aleaciones a base de níquel: El material de relleno a menudo debe garantizar la compatibilidad química y la resistencia al agrietamiento.
• Aceros ferríticos con alto contenido de cromo: El material de relleno a menudo debe contribuir a la resistencia, la respuesta al tratamiento térmico y la vida útil.
• Ambas familias: La clasificación WPS y el grado del metal base deben determinar el material de relleno, no la varilla que esté más cerca de su banco de trabajo.

Eso parece obvio, pero los errores al rellenar los medicamentos siguen ocurriendo con más frecuencia de la que deberían.

El estado del metal base y la exposición previa al servicio pueden aumentar el riesgo de soldadura.

Las piezas usadas que han estado en servicio caliente pueden presentar daños que alteran el comportamiento de la soldadura. Si está reparando un colector, un tubo de caldera o un cabezal de caldera antiguo, no lo trate como si fuera una pieza nueva.

Verifique condiciones tales como:

• Acumulación de escala
• Carburación
• descarburación
• Daño por deslizamiento
• Historial de reparaciones antiguas

Cuando se realizan soldaduras de reparación, el historial del metal importa. A veces, importa muchísimo.

¿Qué debes comprobar antes de soldar aleaciones resistentes al calor?

Antes de soldar aleaciones resistentes al calor, verifique la limpieza, las herramientas, el ajuste, los consumibles y los límites del procedimiento de soldadura (WPS). La mayoría de los problemas evitables comienzan antes del tiempo de arco, por lo que una buena disciplina previa a la soldadura resulta muy beneficiosa.

Eliminar óxidos, grasa, azufre y contaminación del taller.

Limpie la junta y el material de relleno antes de soldar, ya que la contaminación es una de las maneras más rápidas de arruinar la calidad de la soldadura. No espere que el arco lo atraviese.

Antes de soldar, retire:

• Escala de óxido
• Grasa y aceite
• Pintura y humedad
• Residuo que contiene azufre
• Líneas de marcador sucias
• Tierra suelta de taller

Limpie tanto las superficies de unión como el alambre de relleno. Comience con un disolvente adecuado y, a continuación, utilice el método de limpieza mecánica apropiado para la aleación.

Utilice herramientas específicas para evitar la contaminación cruzada.

Utilice cepillos, discos y superficies de trabajo específicos para evitar la contaminación de la soldadura. Compartir herramientas es un atajo común que causa serios problemas al trabajar con aleaciones.

Sus herramientas de preparación de aleación deben incluir:

• Cepillos específicos de acero inoxidable o aleación.
• Discos de amolar limpios
• Superficies de trabajo separadas
• Herramientas claramente etiquetadas para uso exclusivo con aleaciones.

Un cepillo de acero al carbono utilizado en la reparación de una aleación de níquel puede arrastrar la contaminación justo donde no se desea.

Revise el diseño de la junta, el ajuste y la sujeción antes de soldar.

Antes de soldar, compruebe la geometría de la junta, ya que un ajuste deficiente aumenta el riesgo de agrietamiento y dificulta el control de la fusión. Esto es aún más importante en piezas gruesas o con restricciones de movimiento.

Revisar elementos como:

• Ángulo de articulación
• Apertura de la raíz
• País de origen
• Plan de respaldo
• Calidad de adherencia
• Configuración de la abrazadera
• Nivel general de restricción

Si la forma de la ranura te obliga a realizar un tejido amplio y caliente solo para alcanzar la pared lateral, es necesario ajustar la configuración antes de comenzar a soldar.

Confirme los límites de relleno, blindaje y WPS antes de comenzar.

Confirme el material de relleno, el plan de blindaje y los límites del procedimiento antes de iniciar un arco eléctrico. Una revisión rápida en el banco de trabajo es más económica que una reparación fallida o una parada imprevista.

Verifique primero estos elementos:

• Clasificación de rellenos
• Condición del lote de relleno
• Gas protector
• Plan de purga
• Rango de precalentamiento
• Límite entre pasos
• Requisito de tratamiento térmico posterior a la soldadura

Este es el paso que muchos talleres realizan con prisas. También es el paso que evita mucho trabajo extra.

¿Qué controles de proceso son los más importantes durante la soldadura?

Durante la soldadura, controle el aporte térmico, la temperatura entre pasadas, la penetración, la dilución, la forma del cordón, la cobertura de la protección y la velocidad de avance. Estos controles determinan si la soldadura tiene buen aspecto ahora y si resistirá una exposición posterior al calor.

Si pierdes el control de incluso uno o dos de ellos, puedes acabar con el peor tipo de reparación: una soldadura que parece decente en la superficie pero que falla por dentro.

i) Mantenga la entrada de calor y la temperatura entre pasadas dentro del rango calificado.

El control del calor afecta tanto a la fusión como a la estabilidad a largo plazo. Un calor excesivo puede ampliar las zonas débiles en la zona afectada por el calor (ZAC). Un calor insuficiente puede provocar una falta de fusión.

Durante la soldadura, preste atención a tres aspectos básicos:

• Mida la temperatura real entre pasadas: No se fíe únicamente del valor previsto, especialmente en juntas gruesas o muy restringidas.
• Evite la acumulación de calor durante varias pasadas: la pieza de trabajo puede retener más calor del esperado a medida que avanza la soldadura.
• Manténgase dentro del rango de WPS: Este es uno de esos casos en los que "lo suficientemente cerca" generalmente no es suficiente. 

ii) Controlar la penetración, la dilución y la forma de las perlas mediante la configuración.

Tu configuración debería proporcionarte una fusión sólida sin generar un cordón inestable. En aleaciones resistentes al calor, los cordones estrechos y profundos, junto con una dilución excesiva, causan problemas más rápidamente de lo que muchos soldadores esperan.

Configura la soldadura para evitar:

• Cuentas estrechas y profundas
• Fusión deficiente de la pared lateral
• Dilución excesiva

Si el perfil del cordón ya se ve mal en las primeras pasadas, no dé por sentado que se corregirá solo después. Normalmente no será así.

iii) Mantener una cobertura de blindaje estable durante el paso raíz y el paso caliente.

Una protección estable evita que el aire y la contaminación entren en el baño de soldadura. Esto es aún más importante en las pasadas de raíz, las pasadas en caliente y las aleaciones sensibles a la oxidación.

Pon mucha atención a:

• Estabilidad del flujo de gas
• Ángulo de la antorcha
• Posición de la copa
• Corrientes de aire alrededor de la junta
• Purga de raíces de calidad donde sea necesario

Un sistema de protección deficiente puede arruinar muy rápidamente una buena técnica de soldadura.

iv) Ajustar la velocidad de desplazamiento y la estrategia de deposición en juntas gruesas o restringidas.

La velocidad de desplazamiento afecta tanto a la acumulación de calor como a la calidad de la fusión. Si se desplaza demasiado despacio, la junta se sobrecalienta. Si se desplaza demasiado rápido, puede que no se produzca la fusión de la pared lateral.

Para uniones gruesas o muy rígidas, utilice un plan en lugar de improvisar:

• Utilice una secuencia de cuentas que controle la acumulación de calor.
• Evite patrones de relleno aleatorios
• Observa cómo responde la articulación después de cada pase.

Cuando el surco es profundo y la contención es alta, "simplemente seguir rellenándolo" no es una estrategia real.

¿Qué procesos de soldadura, métodos de protección y consumibles funcionan mejor?

Seleccione el proceso de soldadura y los consumibles según el espesor de la sección, el acceso a la junta, la familia de aleaciones y la temperatura de servicio. En muchos casos, la soldadura TIG ofrece el mejor control en raíces y secciones delgadas, mientras que los procesos con mayor deposición son más adecuados para pasadas de relleno o soldaduras de mayor tamaño.

• GTAW ofrece el mejor control en secciones delgadas y pasadas de raíz: La soldadura TIG ofrece un arco estable y un control preciso del baño de fusión, lo que resulta útil en tuberías de pared delgada, raíces abiertas e inicios de reparación. Esto la convierte en una excelente opción para raíces de aleación de níquel y trabajos de precisión.
• GMAW or SMAW Puede aumentar la productividad, pero requiere un control de procedimientos más estricto: La soldadura MIG y la soldadura con electrodo revestido pueden acelerar las pasadas de relleno, las reparaciones en campo y las fabricaciones de mayor tamaño, pero requieren una cobertura de gas adecuada, consumibles correctos y un control preciso de los parámetros. Sí Soldador Establece la posición de los equipos TIG y MIG para compradores mayoristas y para uso en talleres, lo que resulta adecuado para trabajos que requieren tanto control de raíces como eficiencia de relleno.
• La elección del metal de aportación debe ajustarse a la temperatura de servicio y a la composición química: Seleccione el material de aporte adecuado a la familia de aleaciones, las condiciones de servicio y las propiedades de soldadura requeridas. No elija el material de aporte basándose únicamente en lo que ya tiene en el gabinete.
• Algunas juntas necesitan purga de raíz, gas de respaldo o protectores posteriores: Las juntas de tubería de raíz abierta, de pared delgada y sensibles a la oxidación pueden requerir gas de purga o protección adicional detrás de la soldadura. Planifique la purga antes del montaje, no cuando la raíz esté a medio soldar.

¿Cuándo son realmente necesarios el precalentamiento, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y otros tratamientos térmicos?

El precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) son necesarios cuando el grado de aleación, el espesor, el nivel de restricción o la normativa así lo especifican. En aceros ferríticos resistentes a la fluencia, suelen ser fundamentales para la calidad de la soldadura. En aleaciones a base de níquel, un tratamiento térmico incorrecto puede ser contraproducente.

• El precalentamiento ayuda principalmente a endurecer aceros ferríticos y resistentes a la fluencia: El precalentamiento ralentiza el enfriamiento y reduce el riesgo de agrietamiento por hidrógeno en aceros ferríticos susceptibles. Es mucho menos importante para muchas aleaciones de níquel.
• El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) debe cumplir con los requisitos de grado, espesor y código del material: El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) puede templar las zonas duras y mejorar el rendimiento en servicio de los aceros ferríticos cuando el procedimiento lo requiere. Utilice únicamente el rango homologado.
• Un tratamiento térmico incorrecto puede reducir las propiedades o crear nuevas grietas: El trabajo de TWI sobre el agrietamiento de tipo IV señala que un tratamiento térmico deficiente puede contribuir a fallos posteriores en las soldaduras ferríticas.
• Las ventanas de tiempo y temperatura calificadas superan las reglas generales de la tienda: “Siempre lo hacemos así” no es un procedimiento. Utilice el WPS, el PQR, los datos de grado del material y los límites del código.

¿Qué fallos pueden aparecer después de la soldadura y posteriormente durante el uso?

Entre las fallas que pueden presentarse después de la soldadura se incluyen el agrietamiento en frío, el agrietamiento por recalentamiento, el daño de tipo IV, la falta de fusión y los defectos relacionados con la oxidación. Algunos aparecen en cuestión de horas; otros tardan años en manifestarse bajo altas temperaturas.

Agrietamiento por frío en la zona afectada por el calor.

El agrietamiento en frío en la zona afectada por el calor (ZAC) está relacionado con el hidrógeno, las microestructuras duras y la restricción. Vuelva a inspeccionar las soldaduras ferríticas susceptibles después de un período de espera cuando el procedimiento lo requiera. Esta revisión adicional permite detectar grietas que no eran visibles inmediatamente después de la soldadura.

Agrietamiento por recalentamiento durante el tratamiento térmico posterior a la soldadura o reparación

Las grietas por recalentamiento pueden aparecer durante el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) o durante el calentamiento posterior a la reparación. Por esta razón, las soldaduras de reparación en piezas antiguas sometidas a altas temperaturas merecen una revisión minuciosa antes de volver a calentarlas.

Daños de tipo IV en aceros ferríticos resistentes a la fluencia

El daño de tipo IV se produce en la zona afectada por el calor (ZAC) de las soldaduras de acero ferrítico resistente a la fluencia durante un servicio prolongado a altas temperaturas. TWI lo describe como agrietamiento por fluencia en la interfaz entre el metal base y la ZAC, a menudo en la ZAC de grano fino o intercrítica.

Falta de fusión, atrapamiento de óxido y sus consecuencias en el servicio.

La falta de fusión y el atrapamiento de óxido reducen la trayectoria de carga efectiva de la junta. En servicio a altas temperaturas, estos defectos pueden convertirse en iniciadores de grietas bajo tensión térmica y fluencia.

Utilice esta tabla de riesgos de campo para la soldadura de aleaciones resistentes al calor antes de realizar trabajos de reparación.

Utilice prácticas de bajo hidrógeno, aplique precalentamiento donde sea necesario y vuelva a inspeccionar posteriormente.	¿Qué suele causarlo?	Qué hacer
Cracking en caliente	Junta sucia, forma deficiente de la cuenta, alta restricción	Mejora la limpieza, controla el perfil de las perlas y reduce la restricción.
Agrietamiento por frío HAZ	Hidrógeno, zona afectada por el calor (ZAC) dura, enfriamiento rápido	Utilice prácticas de bajo hidrógeno, aplique precalentamiento donde sea necesario y vuelva a inspeccionar posteriormente.
Atrapamiento de óxido	Mala preparación, mal blindaje, relleno sucio.	Limpie el metal base y el material de aporte, y proteja bien el baño de soldadura.
Daño de tipo IV	Zona afectada por el calor débil en acero ferrítico resistente a la fluencia	Siga el procedimiento de tratamiento térmico y de grado de servicio calificado.
Falta de fusión	Calor bajo, mal ángulo, viaje rápido	Ajustar parámetros, ángulo de la antorcha y preparación de la junta.

¿Cómo se inspecciona y mejora la fiabilidad de las soldaduras en aplicaciones reales?

La inspección y la mejora de la fiabilidad de las soldaduras se logran combinando comprobaciones visuales, reinspecciones diferidas cuando sea necesario, el método de ensayos no destructivos adecuado y un mejor diseño de las juntas. La inspección no es un proceso aislado, sino una cadena de pasos.

La inspección visual es solo la primera pantalla.

La inspección visual detecta problemas en la forma del cordón, socavaduras, superposiciones, marcas de arco y oxidación visible. No demuestra una fusión sólida dentro de la junta.

Reinspeccionar soldaduras sensibles al agrietamiento retardado

Vuelva a inspeccionar las soldaduras ferríticas sensibles al agrietamiento retardado después del tiempo de mantenimiento requerido por su procedimiento o la norma del cliente. Esto es importante en secciones gruesas, aceros templables y reparaciones restringidas.

Seleccione el método de END adecuado para la familia de aleaciones y el tipo de defecto previsto.

Seleccione el método de END adecuado para el defecto probable. Las grietas superficiales pueden requerir PT o MT, según lo permitido. Los defectos internos pueden requerir RT o UT. La porosidad y los defectos relacionados con la oxidación suelen ser bien visibles en la radiografía, como señala ESAB en su guía sobre la evaluación de la porosidad de las soldaduras.

Reduzca la restricción, las muescas y la concentración de tensión donde sea posible.

Reduzca la restricción, las transiciones bruscas, la geometría deficiente de la reparación y los puntos de concentración de tensiones siempre que sea posible. Un ligero rebaje en la raíz de la soldadura puede ser útil en lugar de una pasada de reparación adicional.

Conclusión

La soldadura de aleaciones resistentes al calor requiere un control riguroso en cada etapa: preparación impecable, material de aporte adecuado, protección estable, ajuste preciso y tratamiento térmico cualificado cuando sea necesario. Estas soldaduras son menos tolerantes que las del acero estándar, por lo que pequeños descuidos pueden provocar fallos prematuros.

En la práctica, los mejores resultados suelen obtenerse adaptando el proceso al trabajo. La soldadura TIG es adecuada cuando se necesita un mejor control de la raíz, arranques más limpios o mayor precisión en secciones delgadas. Los procesos de mayor deposición son más apropiados cuando el procedimiento los permite y la productividad es importante en soldaduras de mayor tamaño.

Si su taller trabaja con aleaciones con regularidad, conviene revisar si su equipo de soldadura actual se ajusta a los trabajos que realiza con mayor frecuencia. Un proveedor de equipos de soldadura confiable puede ayudarle a comparar el equipo adecuado. Soldador TIG or Soldador MIG Para trabajos de reparación, fabricación y uso en grandes cantidades en talleres.

Preguntas Frecuentes