Los aceros inoxidables son aleaciones complejas en las que intervienen un buen número de elementos químicos. Para conseguir una aceptable soldabilidad, el metal aportado y zonas adyacentes deben presentar unas propiedades lo más semejantes posible a las del material base, tanto desde el punto de vista mecánico como de resistencia a la corrosión.
Ciertos elementos como Cr, Ti y Nb, se combinan ávidamente con elementos intersticiales como C y N, situados entre los átomos metálicos de la malla cristalina. La combinación da lugar a precipitados de carburos, carbonitruros y nitruros, que se localizan preferentemente en los bordes de grano. La precipitación tiene lugar cuando el material inoxidable permanece durante cierto tiempo en la gama de temperatura comprendida entre 500°C - 700°C, a causa de la operación de soldadura.
El material base se seleccionó de acuerdo a solicitud expresa por parte de la empresa MASA STORK, la cual facilito el tipo de acero puesto que este proyecto nació a causa de los diferentes tipos de problemas que se estaban presentando en una planta de manejo de aguas residuales en dicha empresa, esta trabajaba con un acero inoxidable AISI 316 y después de la soldadura presentaba fallas la tubería por la zona de unión.
Se seleccionaron muestras a partir de tubería de 2 pulgadas de diámetro y 3.1 milímetros de espesor, guiándonos por norma ASTM D1587, se procedió al muestreo captando 13 muestras patrón para el desarrollo de este proyecto, las cuales se dividirían en los siguientes grupos:
1 muestra patrón, sin ningún tipo de precalentamiento
3 muestras patrón, las cuales se precalentaron a (400, 600, 800° C)
3 muestras patrón, las cuales se precalentaron a (400, 600, 800° C), posteriormente se les aplico un temple
3 muestras patrón, las cuales se precalentaron a (400, 600, 800° C), posteriormente se les aplico un temple-recocido
3 muestras patrón, las cuales se precalentaron a (400, 600, 800° C), posteriormente se les aplico un normalizado.
El principal objetivo del calentamiento es reducir la velocidad de enfriamiento durante la operación de soldadura, con el fin de: modificar la microestructura, modificar el nivel y distribución de las tensiones residuales. Desde un punto de vista general, el calentamiento incluye la temperatura entre pasadas cuando se trata de soldadura en multipasadas cuando el calor generado durante la soldadura no es suficiente para mantener la temperatura de precalentamiento entre pasadas sucesivas.
Se calentaron las muestras en muflas de calentamiento como se observa en la figura 1, calentando 12 probetas de las cuales 4 se calentaron a 400°C, otras 4 a 600°C y finalmente las últimas 4 a 800°C, para posteriormente ser soldadas con las mismas condiciones de soldeo, esto con el fin de observar la carburación que se presenta en cada rango de temperaturas que se sugieren en este proyecto
Posteriormente al calentamiento, se realizó metalografía a 3 probetas no soldadas pero que sí tuvieron un calentamiento de la siguiente manera: una probeta de 400°C otra de 600°C y una final de 800°C, para verificar la carburación que se presentó en cada nivel de calentamiento; seguidamente se ejecutó la soldadura bajo proceso TIG y se continuo con la aplicación de tres tipos de tratamientos térmicos, normalizado, temple y temple-normalizado, los cuales se llevaron a cabo a fin de verificar cuál de estos producía menos carburación en el metal soldado.
Para verificar que cambios físicos, produjo los tratamientos térmicos y soldadura, se verifico por medio de ensayos no destructivos (Inspección visual, líquidos penetrantes, radiografía industrial), y ensayos destructivos para medir la resistencia, velocidad de deformación de cada probeta.
A las muestra patrón se le realizaron ensayos no destructivos evaluados y aceptados bajo norma API 1104. En la tabla 1 se muestra un comparativo de los resultados obtenidos para cada probeta.
De igual manera se realizó comparación de resultados para los diferentes ensayos destructivos que se muestran en tabla 2 y tabla 3.
Para finalizar se realizaron pruebas y análisis de metalografías para cada probeta, obteniendo los siguientes resultados. (Tablas 4, 5, 6 y 7)
Con la aplicación de los distintos tratamientos térmicos (temple, normalizado, temple-recocido) a diferentes temperaturas de precalentamiento (400°C, 600°C y 800°C), se puede decir que las mejores propiedades mecánicas en cuanto a módulo de elasticidad y fuerza máxima de carga es el acero AISI 316 soldado con posterior tratamiento térmico de normalizado y precalentado a 600°C. Lo anterior lo confirmamos con el punto de rotura que es el más bajo, demostrándonos una máxima resistencia mecánica entre la carga máxima y punto de rotura, pero se observó que esta probeta fallo por la soldadura, obteniéndose un mejoramiento de las propiedades en el metal base y en la ZAC, mas no en la soldadura por formación carburos de cromo globulares dispersos homogéneamente en la matriz, transgranular e intergranularmente
Durante la aplicación de la soldadura se observó que si esta permanece durante un tiempo prolongado en un intervalo de temperaturas comprendidas entre 500 y 800°C se presentó precipitación de carburos que influyen en el comportamiento de los componentes en servicio, además por la formación de fases intermetálico, debido a elementos como cromo y titanio.
Aplicar tratamientos térmicos posteriores a la soldadura se presenta formación de fase sigma disminuyendo resistencia a la corrosión en la soldadura y en la ZAC principalmente, incrementando considerablemente la fragilidad por tratarse de una fase bastante dura y como consecuencia también la ductilidad del material.
En base a la forma de aplicación de soldadura, para el acero Austenítico AISI 316 estudiado en esta investigación se recomienda realizar el soldeo teniendo en cuenta una baja aportación de calor, distribuyendo el calor en forma equilibrada para que este sea repartido en la pieza de la forma más simétricamente posible. A demás se debe procurar que el nivel de embriamiento sea lo más bajo posible, así se consigue que la Zona Afectada por el calor sea más estrecha