El precalentamiento implica calentar el metal base, ya sea en su totalidad o solo en la región que rodea la unión, a una temperatura deseada específica, llamada temperatura de precalentamiento, antes de soldar. El calentamiento puede continuar durante el proceso de soldadura, pero con frecuencia el calor de la soldadura es suficiente para mantener la temperatura deseada sin que continúe la fuente de calor externa. La temperatura entre pasadas, definida como la temperatura del metal base entre la primera y la última pasada de soldadura, no puede caer por debajo de la temperatura de precalentamiento. La temperatura entre pasadas no se discutirá más aquí. El precalentamiento puede producir muchos efectos beneficiosos; sin embargo, sin un conocimiento práctico de los fundamentos involucrados, uno corre el riesgo de desperdiciar dinero o, peor aún, de degradar la integridad de la pieza soldada.

¿Por qué precalentar?
Hay cuatro razones principales para utilizar el precalentamiento: (1) reduce la velocidad de enfriamiento en el metal de soldadura y el metal base, produciendo una estructura metalúrgica más dúctil con mayor resistencia al agrietamiento (2) la velocidad de enfriamiento más lenta brinda una oportunidad para cualquier hidrógeno que puede estar presente para difundirse inofensivamente sin causar grietas (3) reduce las tensiones de contracción en la soldadura y el metal base adyacente, lo cual es especialmente importante en uniones muy restringidas y (4) eleva algunos aceros por encima de la temperatura a la que se produciría una fractura ocurren en la fabricación. Además, el precalentamiento se puede utilizar para ayudar a garantizar propiedades mecánicas específicas, como la tenacidad de las muescas.

¿Cuándo se debe utilizar el precalentamiento?
Para determinar si se debe precalentar o no, se debe considerar la siguiente serie de factores: requisitos del código, espesor de la sección, química del metal base, restricción, temperatura ambiente, contenido de hidrógeno del metal de aportación y problemas previos de agrietamiento. Si se debe seguir un código de soldadura, entonces el código generalmente especificará la temperatura mínima de precalentamiento para un metal base, proceso de soldadura y espesor de sección determinados. Este valor mínimo debe alcanzarse independientemente de la restricción o variación en la química del metal base; sin embargo, el valor mínimo puede aumentarse si es necesario. En la siguiente sección se ilustra un ejemplo.

Cuando no hay códigos que rijan la soldadura, se debe determinar si se requiere precalentamiento y, de ser así, qué temperatura de precalentamiento será la adecuada. En general, no se requiere precalentamiento en aceros con bajo contenido de carbono de menos de 1 pulgada (25 mm) de espesor. Sin embargo, a medida que aumenta la química, el nivel de hidrógeno difusible del metal de soldadura, la restricción o el espesor de la sección, también aumenta la demanda de precalentamiento. Existen varios métodos para determinar la temperatura de precalentamiento requerida para un metal base dado y un espesor de sección que se discutirá en la siguiente sección.

¿Qué temperatura de precalentamiento se requiere?
Los códigos de soldadura generalmente especifican valores mínimos para la temperatura de precalentamiento, que pueden ser adecuados o no para prohibir el agrietamiento en cada aplicación. Por ejemplo, si se va a fabricar una conexión de viga a columna con un electrodo de bajo contenido de hidrógeno hecho de secciones jumbo ASTM A572-Gr50 y A36 (espesor que varía de 4 a 5 pulgadas), entonces un precalentamiento mínimo precalificado de 225 ° Se requiere 107 ° C (F) (AWS D1.1-96, Tabla 3.2). Sin embargo, para hacer empalmes a tope en secciones jumbo, es aconsejable aumentar la temperatura de precalentamiento más allá del nivel mínimo precalificado al requerido por AISC para hacer empalmes a tope en secciones jumbo, es decir 350 ° F (175 ° C) (AISC LRFD J2. 8). Esta recomendación conservadora reconoce que los requisitos mínimos de precalentamiento prescritos por AWS D1.1 pueden no ser adecuados para estas conexiones altamente restringidas.

Cuando no se especifican códigos de soldadura y se ha establecido la necesidad de precalentamiento, ¿cómo se determina una temperatura de precalentamiento adecuada? Como base para el debate, considérese AWS D1.1-96, Anexo XI: "Directriz sobre métodos alternativos para determinar el precalentamiento", que presenta dos procedimientos para establecer una temperatura de precalentamiento desarrollados principalmente a partir de pruebas de laboratorio. Estas técnicas son beneficiosas cuando el riesgo de agrietamiento aumenta debido a la composición, restricción, nivel de hidrógeno o menor entrada de calor de soldadura.

Los dos métodos descritos en el Anexo XI de AWS D1.1-96 son: (1) control de dureza de la zona afectada por el calor (ZAT) y (2) control de hidrógeno. El método de control de dureza HAZ, que está restringido a las soldaduras en ángulo, se basa en la suposición de que no se producirán grietas si la dureza de la HAZ se mantiene por debajo de algún valor crítico. Esto se logra controlando la velocidad de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento crítica para una dureza determinada puede relacionarse con el carbono equivalente del acero, que se define como:

CE = C + ((Mn + Si) / 6) + ((Cr + Mo + V) / 5) + ((Ni + Cu) / 15)

A partir de la velocidad de enfriamiento crítica, se puede calcular una temperatura mínima de precalentamiento. (El artículo de Blodgett titulado "Cálculo de tasas de enfriamiento mediante programación por computadora" describe un procedimiento de cálculo basado en la tasa de enfriamiento, la entrada de calor, el espesor de la placa, la temperatura a la que la tasa de enfriamiento es crítica, la temperatura de precalentamiento, la conductividad térmica y el calor específico). Sin embargo, señala que "aunque el método puede usarse para determinar un nivel de precalentamiento, su valor principal es determinar la entrada de calor mínima (y por lo tanto el tamaño mínimo de la soldadura) que evita el endurecimiento excesivo" (anexo XI, párrafo 3.4, AWS D1 .1-96.)

El método de control de hidrógeno se basa en la suposición de que no se producirá agrietamiento si la cantidad de hidrógeno que permanece en la junta después de que se ha enfriado a aproximadamente 120 ° F (50 ° C) no excede un valor crítico que depende de la composición de la junta. acero y la moderación. Este procedimiento es extremadamente útil para aceros de alta resistencia y baja aleación que tienen una alta templabilidad. Sin embargo, el precalentamiento calculado puede ser demasiado conservador para los aceros al carbono.

Los tres pasos básicos del método de control de hidrógeno son: (1) Calcular un parámetro de composición similar al carbono equivalente; (2) Calcular un índice de susceptibilidad en función del parámetro de composición y el contenido de hidrógeno difusible del metal de aportación; y (3) Determine la temperatura mínima de precalentamiento a partir del nivel de restricción, el espesor del material y el índice de susceptibilidad.

¿Cómo se aplica el precalentamiento?
El grosor del material, el tamaño de la soldadura y el equipo de calefacción disponible se deben considerar al elegir un método para aplicar el precalentamiento. Por ejemplo, los conjuntos de producción pequeña se pueden calentar de manera más eficaz en un horno. Sin embargo, los componentes estructurales grandes a menudo requieren bancos de sopletes calefactores, calentadores de banda eléctrica o calentadores radiantes o de inducción.

Generalmente no se requiere un alto nivel de precisión para precalentar aceros al carbono. Aunque es importante que el trabajo se caliente a un mínimo de temperatura, es aceptable exceder esa temperatura en aproximadamente 100 ° F (40 ° C). Sin embargo, este no es el caso de los aceros templados y revenido (Q&T), ya que la soldadura de aceros Q&T sobrecalentados puede ser perjudicial en la zona afectada por el calor. Por lo tanto, los aceros Q&T requieren que se establezcan y se sigan de cerca las temperaturas de precalentamiento máxima y mínima.

Al calentar la junta que se va a soldar, el código AWS D1.1 requiere que la temperatura mínima de precalentamiento se establezca a una distancia que sea al menos igual al espesor del miembro más grueso, pero no menos de 3 pulg. (75 mm) pulg. todas las direcciones desde el punto de soldadura. Para asegurar que se caliente todo el volumen de material que rodea la junta, se recomienda calentar el lado opuesto al que se va a soldar y medir la temperatura de la superficie adyacente a la junta. Finalmente, se debe verificar la temperatura del acero para verificar que se haya establecido la temperatura mínima de precalentamiento justo antes de iniciar el arco para cada pasada.

Resumen
El precalentamiento puede prevenir el agrietamiento y / o asegurar propiedades mecánicas específicas como la tenacidad de las muescas.

El precalentamiento debe usarse siempre que los códigos aplicables así lo especifiquen; cuando no se aplican códigos a una situación determinada, el ingeniero de soldadura debe determinar si se necesita precalentamiento o no, y qué temperatura se requerirá para un metal base y un espesor de sección determinados.

El Anexo XI de AWS D1.1-96 proporciona pautas para métodos alternativos para determinar las cantidades adecuadas de precalentamiento: el método de control de dureza HAZ o el método de control de hidrógeno.

El precalentamiento se puede aplicar en un horno o mediante el uso de sopletes, calentadores de banda eléctrica o calentadores radiantes o de inducción. Los aceros al carbono no requieren una precisión de temperatura precisa, pero los calentadores de radio o de inducción y las temperaturas de precalentamiento máxima y mínima deben seguirse de cerca para los aceros templados y revenido.

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