¿Qué son las líneas de bonos ERW?

Un dispositivo de difracción de rayos X es útil para analizar y medir la estructura de los materiales en las soldaduras de un tubo alrededor.

Cuando se seccionan secciones de soldadura representativas en soldadura por resistencia eléctrica (ERW) (también conocida como soldadura por resistencia de alta frecuencia), los ingenieros pueden encontrar una línea en el centro de la soldadura que varía en forma, ancho, orientación y sombra, según el tipo de acero y la técnica de grabado utilizada (ver Figura 1).

Los investigadores de Thermatool Corp. encontraron que esta línea de unión exhibe una mayor dureza que la soldadura circundante en el material SAE 4130 porque comprende una mezcla de ferrita, bainita y martensita sin templar. Por lo general, esta mayor dureza en la línea de unión puede estar asociada con la pérdida de tenacidad en la soldadura y puede mejorarse mediante un tratamiento térmico de recocido posterior a la soldadura, según los estudios de Battelle. En otros casos, la línea de unión puede ser más suave que la soldadura circundante, especialmente en grados de acero con bajo contenido de carbono como SAE 1010, así como soldaduras ERW de acero inoxidable.

Debido a que la línea de unión representa una falta de homogeneidad en la microestructura, se sospechaba que causaba fallas en la soldadura, especialmente porque las verdaderas discontinuidades, como las inclusiones de óxido, pueden quedar atrapadas en el mismo lugar en la línea central de la soldadura.

Determinar qué son realmente las líneas de unión y qué tan peligrosas pueden ser para la integridad de las soldaduras vale la pena profundizar en la investigación.

Comprender las líneas de unión de soldadura ERW requiere cierta discusión sobre el proceso en sí: una técnica de unión de estado sólido en la que se utiliza calentamiento por joule (resistivo) para producir una unión metalúrgica.

Durante la etapa final de forjado del proceso, todas las partículas e inclusiones no metálicas se expulsan de la interfaz junto con el metal plastificado. Este exceso de metal en el diámetro exterior y, en ocasiones, en el diámetro interior se puede eliminar desbastando inmediatamente después de la soldadura. El proceso ERW se utiliza principalmente en aplicaciones automatizadas continuas de soldaduras de costura longitudinal para productos tubulares. En la Figura 2a se muestra un esquema del proceso de soldadura por inducción, en soldadura de costura continua de un producto tubular. La figura 2b muestra la soldadura por contacto de alta frecuencia (HF), en la que la corriente se transfiere a la unión mediante contactos deslizantes.

En esencia, el proceso ERW se clasifica como una variante de la soldadura por resistencia, porque el calentamiento por joule (resistivo) de una sección transversal muy pequeña de los bordes que se van a unir proporciona la fuente de calor para la soldadura.

Las principales variables del proceso ERW incluyen potencia, frecuencia, velocidad de soldadura, ángulo V, posición del impeder, presión del rodillo de soldadura y la cantidad de alteración total durante la forja, según estudios de la Universidad LeTourneau. Tenga en cuenta que los bordes no deben derretirse durante el proceso y que, a veces, pueden producirse inestabilidades en el proceso y formación de arcos entre los bordes contiguos. Todos los productos de fusión localizados deben expulsarse en el flash para que la soldadura final siga siendo una unión de estado sólido.

Es importante tener en cuenta que el uso del efecto piel (la capacidad de las corrientes de alta frecuencia para fluir en la superficie de un conductor) es muy importante para la eficiencia del calentamiento en los bordes que se van a unir. A medida que aumenta la frecuencia, la profundidad de la piel conductora de electricidad disminuye a medida que aumenta la resistencia para la misma corriente de soldadura, lo que produce temperaturas más altas. Normalmente, se utilizan frecuencias de 100 a 900 kHz, siendo las más comunes de 100 a 300 kHz para soldar tuberías de acero.

El segundo efecto importante en ERW es el efecto de proximidad, que se relaciona con la concentración de corriente entre dos conductores paralelos en función del espacio entre ellos. En un espacio o proximidad óptimo entre los dos bordes del acero que se muestra en la Figura 2b, la generación de calor se optimiza en un ángulo V pequeño (posiblemente de 2 a 4 grados).

FIGURA 1. Esta sección transversal a través de una soldadura ERW de producción muestra una línea de unión típica (línea amarilla) y una zona procesada termomecánicamente (TMPZ) (línea azul). La soldadura ERW se realizó en acero SAE 4130 con espesor de pared de 9,5 mm y grabado Nital.

Thermatool Corp. hizo posible la revisión crítica de una extensa base de datos de soldaduras, donde se examinaron años de muestras de secciones transversales de soldaduras de producción en el contexto de los parámetros del molino de producción y la formación de fallas. El análisis comparativo con publicaciones de I+D disponibles públicamente completó esta etapa del trabajo, basándose principalmente en la microestructura, la geometría y la morfología de las líneas de enlace.

Investigadores de la Universidad LeTourneau observaron líneas de unión simuladas en situaciones en las que un sistema termomecánico Gleeble 1500 se combinó con un sistema de energía industrial de frecuencia variable de 100 kVA capaz de producir soldaduras en el rango de 100 a 900 kHz.

El propósito de esta combinación era desacoplar los efectos térmicos de los efectos mecánicos durante ERW y proporcionar una configuración realista en la que la brecha entre los bordes, la frecuencia y la potencia se pudiera ajustar independientemente de la forja. Se utilizaron niveles de potencia entre 15 y 75 kW, mientras que las frecuencias de soldadura se establecieron en 250, 300 y 400 kHz.

Se utilizaron pruebas metalográficas y de dureza para correlacionar la calidad de las soldaduras simuladas por Gleeble con las soldaduras ERW de producción. Los buenos parámetros de correlación se presentaron en una conferencia sobre investigación de soldadura en Calloway Gardens, donde se utilizó el método Taguchi para construir una matriz de diseño de experimento (DOE) y clasificar el peso de cada entrada térmica y mecánica en la geometría y la calidad de la soldadura simulada. Se estudiaron los efectos del trastorno total y la velocidad de deformación sobre la recristalización dinámica. Las pruebas de compresión se realizaron a diferentes velocidades de deformación por compresión entre 0,5 pulg./pulg./seg. a 40 pulg./pulg./seg. y diferentes temperaturas máximas constantes.

De la multitud de otros resultados encontrados en la serie de simulación física, los investigadores eligieron uno relacionado con el ancho de la zona procesada termomecánicamente (TMPZ) (ver Figura 3).

Se realizaron más de 30 soldaduras HF simuladas a diferentes niveles de potencia y frecuencias, y la línea de unión simulada permaneció recta y aproximadamente del mismo ancho de 20 a 40 micrones. Sin embargo, el ancho promedio de TMPZ sí cambió, especialmente con la frecuencia de soldadura (consulte la Figura 4).

Los DOE mostraron la clasificación relativa de los factores que afectan el ancho de TMPZ:

Curiosamente, las líneas de unión se reprodujeron calentando y comprimiendo barras sólidas usando los mismos ciclos térmicos en el Gleeble; en otras palabras, sin siquiera hacer soldaduras HF usando dos piezas contiguas (ver Figura 5).

Esta capacidad de producir microestructuras similares a una línea de unión en una barra sólida al someterla a gradientes de temperatura y velocidades de deformación altas demuestra que las líneas de unión no tienen que ser restos microestructurales de dos bordes contiguos durante ERW.

Se compararon al azar dos soldaduras HF reales diferentes para correlacionar las diferencias de dureza y tamaño de grano entre el metal base y la línea de unión. Como se muestra en la Figura 6, hubo un considerable engrosamiento del grano en las líneas de unión del acero SAE 1010 y 4130 en comparación con el metal base. En consecuencia, la dureza en la línea central de la soldadura fue menor (toda ferrita delta) en el acero 1010 y mayor (40 % bainita + 40 % martensita + 20 % ferrita delta) en el acero 4130. La mezcla se determinó usando análisis de difracción de rayos X (XRD).

FIGURA 2. El proceso ERW se ilustra aquí con un esquema (observe el impedimento en el lado ID y la V donde se genera calor [flecha roja]) y en una vista superior de soldadura de alta frecuencia usando zapatas de contacto deslizantes. (Dibujo basado en una imagen tomada del Manual de soldadura de AWS, 7.ª edición).

El tamaño medio de grano en la línea de unión se muestra en la Figura 7, determinado mediante metalografía óptica.

El análisis de difracción de espectro de retrodispersión de electrones (EBDS) se realizó en la línea de unión para las soldaduras SAE 1010 y 4130 (consulte la Figura 8). No se encontraron diferencias aparentes en la orientación del grano en la línea de unión en ninguno de los aceros, lo que demuestra nuevamente que las líneas de unión no son tan diferentes de su entorno.

Este análisis utiliza picos de energía de difracción de electrones retrodispersados ​​recopilados en el microscopio electrónico de barrido. Los resultados designan orientaciones de grano y límites de grano a gran aumento. Esto es diferente del grabado químico, que ataca los límites del grano y crea un contraste óptico. Por lo tanto, EBSD es más preciso que el grabado y no reveló grandes cambios en la orientación del grano en la línea de unión.

Las mediciones de dureza para ambos aceros en la línea de unión revelaron resultados bastante diferentes (ver Figura 9).

En los aceros al carbono, ambas soldaduras mostraron un aumento de dureza en las zonas afectadas por el calor. Para el grado 4130, la microestructura martensítica era de aproximadamente 750 HV 0,05 alrededor de la línea de unión, pero en el SAE 1010 había áreas de menor dureza. En los perfiles de dureza de las soldaduras de grado 1010 y 4130, la ligera caída confirmó la formación de ferrita delta en la microestructura. XRD también reveló solo ferrita en esta ubicación (ver Figura 10).

Cuando se graban correctamente, las líneas de unión pueden mostrar bordes afilados. Además, su ancho, posición y orientación pueden documentarse adecuadamente.

Por otro lado, la falta de paralelismo de los bordes de la línea de unión (especialmente el ensanchamiento) es indicativo de una compresión local insuficiente, dejando inclusiones atrapadas en la soldadura.

Este análisis apunta a la importancia de la forma y la orientación de la línea de unión como indicador de la calidad de la soldadura ERW. Si bien no se observaron fallas de soldadura que se originaran en líneas de unión sólidas, su geometría y orientación apuntaban a posibles defectos de soldadura en otras partes de la soldadura (que, a su vez, podrían originar la falla).

Los defectos geométricos también pueden desarrollarse en las soldaduras ERW debido a la presentación inadecuada de los bordes, y el adelgazamiento resultante de la soldadura en relación con el espesor inicial de la pared puede causar fallas prematuras.

FIGURA 3. Esta simulación de soldadura HF se realizó en la configuración de Gleeble utilizando dos de 10 mm de diámetro. Barras redondas SAE 4130, inicialmente distanciadas con un espacio de 1 mm. Tenga en cuenta la forma de reloj de arena de la TMPZ en oposición a la línea de unión recta.

El Dr. Leijun Li, profesor de la Universidad de Alberta, descubrió en los mismos aceros que las líneas de unión de soldadura HF simuladas por Gleeble no eran bordes descarburados, porque el análisis de espectroscopia dispersiva de longitud de onda no mostró un agotamiento significativo del carbono en la línea de unión. Encontró que la región de la línea central más suave está hecha de líneas de ferrita delta atrapadas en la línea central de la soldadura y propuso un escenario plausible para explicarlo. Su esquema muestra que el metal líquido es expulsado de la interfaz y la ferrita delta retenida en la soldadura final (la austenita se transforma en perlita al enfriarse). De hecho, las pruebas XRD revelaron solo ferrita delta en esta región (consulte "Mecanismo de formación de enlaces para soldadura por resistencia de aceros para tuberías X70", Welding Journal, agosto de 2020).

Con base en análisis ERW reales y simulaciones físicas mejoradas por técnicas analíticas avanzadas, los investigadores concluyeron: