SOLDADURA POR INDUCCIÓN EN TUBOS DE
PEQUEÑO DIÁMETRO – LÍNEA DE
PRODUCCIÓN
Objetivo:
La producción de tubos soldados de pequeño diámetro por la norma
ASTM A 513, y galvanizados según la norma UNI 5741-66 , aptos
para múltiples aplicaciones a baja presión y aplicaciones
estructurales, tales como:
Tubos de re frigeración
Diámetro externo
Espesor
Condensadores de evaporación Línea de compresores Tuberías de gasolina (nafta)
Circuitos servo de dirección
Líneas de enfriamiento de motores
Componentes de soporte estructural
Giorgio Mazzola Massimo Mosca mm mm 4.76 0.7 6.35 0.7 7.92 0.9 8.0 0.7 9.5 0.7 10.0 0.7 1.0 12.0 0.7 1.0 1.5
COMPOSICIÓN DE LA LÍNEA
1.1 Desenrolladora de doble cinta 1.2 Soldadora de unión para las cintas 1.3 Dispositivo de sujeción
1.4 Acumulador horizontal de cinta 1.5 Limpieza continua de la cinta 1.6 Perfiladora
1.7 Soldadora po r inducción de HF 1.8 Detector de corrientes parásitas 1-9 Enfriamiento del tubo
1.10 Compensador de tensión del tubo 1.11 Mesas de trefilado en frío
1.12 Limpieza continua del tubo
1.13 Unidad de recocido por inducción HF 1.14 Sección de enfriamiento del tubo
en atmósfera protegida 1.15 Ruta de retorno
1.16 Zona de aplicación
1.17 Unidad de galvanizado en caliente 1.18 Enfriamiento del tubo
1.19 Detector de corrientes parásitas 1.20 Devanado de bobinas
CICLO TECNOLÓGICO
1.1 El rollo de cinta proveniente del almacén llega enrollado sobre el carrete de doble entrega
1.2 Las diversas cintas se juntan punta a punta mediante soldadura
1.3 1.4
Mediante un acumulador horizontal se crea una reserva de cinta que evita tener que detener la línea para sustituir el rollo de cinta
1.5 La cinta se limpia con agua comprimida
1.7 El tubo se suelda longitudinalmente con la soldadora por alta frecuencia
1.8 El dispositivo de corrientes parásitas controla el cordón de soldadura
1.9 El tubo soldado se enfría
1.10 El dispositivo compensador de arrastre mantiene tenso il tubo 1.11 El diámetro del tubo soldado se reduce a la medida deseada
mediante trefilado a “Bull Block”
1.12 Limpieza del tubo
1.13 El tubo es recocido en
atmósfera inerte por medio de la unidad de calentamiento por inducción
1.14 El tubo se hace pasar por un túnel en el que se enfría en una atmósfera controlada sin oxidarse.
En el caso que se requiera el galvanizado el enfriamiento se limita a 420°C
1.15 A fin de mantener la longitud de la línea, se tiene instalada una ruta d e reenvío al final de la primera sección de enfriamiento que permite que el tubo regrese hacia el inicio de la línea a pesar de permanecer en
atmósfera protegida
1.16 El tubo se mantiene en atmósfera inerte hasta la unidad de galvanizado
1.17 Unidad de galvanizado en caliente: si se requiere galvanizar el tubo
1.18 El tubo enfriado se controla nuevamente con corrientes
parásitas.
1.20 El producto terminado se devana
1.21 El tubo se prueba con agua a presión
¿POR QUÉ UN TUBO DEBE SER RECOCIDO?
Alcance del tratamiento
Los tratamientos térmicos después de la soldadura longitudinal y la laminación de los tubos tienden a reducir las tensiones y a restablecer una estructura
cristalina regular a continuación de la recristali zación del acero. Son tres los procesos que se pueden utilizar para el tratamiento térmico de los productos de acero al bajo carbono.
recocido en horno cerrado
recocido en horno continuo (calentamiento con resistencia o gas) tratamiento por inducción.
Los resultados obtenibles mediante los hornos tradicionales son excelentes; los costos de producción, sin embargo, son altos comparados con los de los
procesos en línea. El recocido en horno continuo requiere de equipos grandes y costosos; tal tecnología no es aplicable a la producción de los tubos. El tratamiento por inducción permite a los fabricantes aumentar la velocidad de línea y producir un tubo de calidad aceptable.
TEORÍA DEL RECOCIDO
El recocido en horno cerrado o en continúo de las cintas de acero al bajo carbono implican un largo recocido (orden de magnitud: desde varias horas hasta un día) a causa de la notable masa. El recocido, de por sí, se realiza cerca del punto crítico inferior A1, a alrededor de 690 – 730 °C (1275 – 1350 °F). Durante su aplicación, sucede la recristalización y un crecimiento parcial del grano. Además, los carburos que se forman durante el enfriamiento del acero después de la laminación en
caliente (seguida después de la laminación en frío), pueden redisolverse. En
cualquier caso, el enfriamiento controlado en horno ((20 °C/hr) de las cintas tras la aplicación promueve la reprecipitación de estos carburos. Al ser recocido el acero a bajo carbono es relativamente blando y posee una dimensión del grano, siguiendo la escala ASTM, comprendida entre 6 y 8.
Puesto que el acero se ha enfriado desde la temperatura de recocido y todo el carbono se remueve de la solución, se evitan los problemas mayores presentes por el envejecimiento de los aceros dulces, el aumento de la dureza y la disminución de la ductilidad con el paso del tiempo tras el tratamiento.
El envejecimiento que se presenta a temperatura ambiente está ligado a la
precipitación de los carburos y son bien advertidos en la práctica del recocido de cintas en horno continuo.
Durante tal tratamiento térmico, la cinta desenrollada pasa por un horno con dos etapas: en la primera etapa el acero se lleva a 750 – 850 °C para efectuar la recristalización. La temperatura máxima se mantiene durante 40’’ – 1’.
La segunda etapa calienta la cinta a una temperatura inferior (350 – 400°C) para envejecer el acero y retirar todo el carbono de la solución. Sin tal paso, la delicada cinta se enfría más velozmente reteniendo el carbono en solución; el carbono
Contrariamente al recocido en horno, el tratamiento por inducción de los aceros al bajo carbono con propósitos de recristalización habitualmente consiste en el recocido rápido hasta la temperatura máxima, con sostenimiento mínimo o nulo y se enfría a temperatura ambiente.
Algunos estudios han demostrado que un sostenimiento comprendido entre 1’’ y 20’’ es necesario para completar la recristalización a temperatura poco arriba del punto A1. Otros estudios sostienen que el sostenimiento no es necesario, a condición de alcanzar una temperatura suficientemente alta al final del recocido. Si el acero contiene al menos 0.15% de carbono y se enfría rápidamente desde el intervalo crítico de temperatura (A1 < T < A3), la isla de austenita se transforma en martensita.
Si el acero se enfría lentamente (<10 °C/seg) desde la temperatura de recocido a A1, no existen razones de tipo metalúrgico para enfriar lentamente después de que se ha completado la transformación de la austenita; sin embargo, el enfriamiento controlado (5 – 8 °C/seg) e n el intervalo d e 510 – 420 °C es necesario para limitar las consecuencias del envejecimiento.
Figura 1: detalle de la zona a la izquierda del diagrama de fase hierro -carbono. Calentamiento de un acero al bajo carbono (aprox. 0.1% de C).
RESULTADOS OBTENIDOS DESPUÉS DEL
TRATAMIENTO POR INDUCCIÓN
El tratamiento siguiente reporta las principales propiedades mecánicas de los aceros para cintas y tubos utilizados por algunas exitosas empresas productoras. Los tubos son productos que utilizan cintas de Fe P04 (DIN St 14), SAE 1008 y DIN RSt 34-2 soldadas por inducción a alta frecuencia y después recocidos en un equipo en línea de Termomacchine.
TABLA 1: COMPOSICIÓN DE LOS ACEROS
Norma No. Símbolo DIN C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%)
1.0034 (*) RSt 34 – 2 = 0.17 - - = 0.045 = 0.045
1.0338 St 14 = 0.08 (**) (**) = 0.045 = 0.045
(*) grado SAE 1013
(**) E l Fe P04 e n Italia s e clasifica como un acero extra dulce al carbono, considerado en la especificación UNI N° 5866: “Productos planos acabados laminados en frío de acero sin aleación. C i n t a s y r o l l o s p a r a e l t r e f i l a d o y d o b l a d o e n f r í o . C a l i d a d , p r e s c r i p c i o n e s y p r u e b a s ” . Las propiedades mecánicas del Fe PO4 s e garantizan hasta por 8 días después de la entrega. La composición química no se precisa, excepto el porcentaje máximo de carbono y de impurezas (P, S).
TABLA 2: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS CINTAS DE ACERO Re (N/mm2) Rm (N/mm2) A (%) Dureza (HR 30T) Composición del acero St 14 ( Fe P04) <210 270 – 350 > 38 38 – 50 >300 > 28 RSt 34 – 2
TABLA 3: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS CINTAS DE FE P04 DE VARIOS PROVEEDORES Proveedor Re (N/mm2) Rm (N/mm2) A (%) Dureza (HR 30T) A 168 152 – 192 292 275 – 334 38 35 – 43 45 41 – 48 B 163 129 – 213 302 263 – 371 39 34 – 46 44 38 – 51 C 168 131 – 196 299 270 – 354 40 34 – 43 42 40 – 48 D 184 160 – 254 293 280 – 306 37 31 – 43 44 40 – 47 Condiciones generales < 210 270 – 350 >38 38 – 5 0
Los números indicados en la tabla de arriba (y en las siguientes) son los valores medidos en el intervalo en el que tales valores se colocan.
Figura 2: Equipo para el tratamiento por inducción de tubos de Fe P04. Tubo soldado
10.3 x 0.68 mm reducido a 4.76 x 0.7 mm a través d e t r e s p a s o s d e l a m i n a c i ó n e n f r í o .
TABLA 4: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS TUBOS DE FE P04 TRATADOS A 740 °C Ø (mm) Re (N/mm2) 4.76 225 178/283 8.00 194 158/250 Rm (N/mm2) 341 298/411 321 273/379 A (%), 0 días 33 26/38 39 30/44 A (%), 30 días 26 20/36 32 22/36 dureza(HR 30T), 0 días 51(*) 46/56 49 44/55 dureza (HR 30T), 30 días 56 (**) 51/62 54 49/62 Condiciones generales > 173 > 290 > 25 > 25 < 55 < 55
(*) 90 – 100 HV0.2; (**) 100 – 120 HV0.2 (conversión aproximada en la escala de Vickers)
• Las coladas e n Fe P04 p o s e e n , probablemente, un amplio campo de composiciones con referencia al % de C: las cintas producidas por diversos fabricantes no poseen propiedades mecánicas comparables, influyendo los resultados para el tratamiento por inducción.
• Los valores mínimos de dureza de los tubos tratados por inducción son más bien altos respecto a la cinta de partida.
• El material está sujeto a un proceso de envejecimiento a temperatura ambiente, con el consiguiente deterioro de la ductilidad; con referencia a tubos no envejecidos, el porcentaje de pruebas con valores que se hallan fuera de la tolerancia prescrita es respectivamente 12% y 2% para los diámetros 4.76 y 8 mm.
• Los datos de las pruebas mecánicas demuestran que la condición de máximo ablandamiento del acero es normalmente alcanzada tratando lo tubos de ? 8mm (con igualdad en los parámetros de tratamiento para ambos diámetros). Tal comportamiento se puede explicar considerando la estructura y las tensiones residuales después de el trabajo en frío: ? 8 mm es menos crudo respecto al ? de 4.76 mm, el sucesivo tratamiento por inducción es más eficaz sobre diámetros mayores.
• Para lograr la combinación óptima de propiedades (baja resistencia, elevado porcentaje de alargamiento, índice limitado de envejecimiento), el contenido ideal de carbono es de 0.015 a 0.02%. Algunas coladas de Fe P04 tienen composiciones que caen en tal intervalo, explicando así los mejores resultados obtenidos con el tratamiento por inducción.
Figura 3: Equipo para el tratamiento por inducción de tubos de RSt 34.
Tubo soldado d e 10.3 x 0.68 mm reducido a 8.0 x 0.7 mm a través de un paso de laminación en frío.
TABLA 5: PROPIEDADES MECÁNICAS ANTES DEL TRATAMIENTO POR INDUCCIÓN (ACERO EN CRUDO)
? tubo, (mm) Re (N/mm2) (*) Rm (N/mm2) (*) A (%), (*) Dureza HV0.2, zona de soldadura Dureza HV0.2, zona no alterada 4.76 714 724 0.7 261 ? 215 201 ? 177 8.00 - - - 170 ? 144 152 ? 130
Figura 5: ? 4.76 mm. Microestructura, ampliación del original x 1,000. Los granos originales de ferrita se deforman mucho por la reducción de
diámetro
Figura 6: ? 8 mm. Microestructura, x 1000. Tubo después de la soldadura y reducción de diámetro. Granos de ferrita con rastros de
TABLA 6: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS TUBOS DE RST 34-2 TRATADOS POR INDUCCIÓN A 900 – 930°C; DIÁMETRO 4.76 MM
Vel. (m/min) Potencia soplador (%) Re (N/mm2 ) (*) Rm (N/mm2 ) (*) A (%), 0 días (*) Dureza HV0.2, área soldada, (**) Dureza HV0.2, me-tal base,(**) 42 20 408 486 39 177 ? 156 163 ? 152 52 56 431 486 38 181 ? 158 188 ? 158 62.5 60 420 486 39 184 ? 160 175 ? 154
(*) Datos proporcionados por el fabricante, valores medidos a 0 días. (**) Microdureza sobre la sección transversal, de adentro hacía afuera, datos de Termomacchine.
Específicos para tubos recocidos (DIN EN 10002): 310 < Rm < 410; A% > 28
TABLA 7: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS TUBOS DE RST 34-2 TRATADOS POR INDUCCIÓN A DIVERSAS TEMPERATURAS; Ø 4.76 MM Temperatura, (°C) Velocidad, (m/min) Re (N/mm2) Rm (N/mm2) A (%) 730 65 458 475 38 860 65 424 465 42 910 65 440 469 41 950 65 451 474 41
Nota: al variar las temperaturas de tratamiento las propiedades mecánicas no varían de modo lineal o previsto.
TABLA 8: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS TUBOS RST 34-2 TRATADOS POR INDUCCIÓN; DIÁMETROS DIVERSOS
Temperatura (°C) ? , mm Re (N/mm2) Rm (N/mm2) A (%)
925 4.76 x 0.7 420 486 39
925 8.00 x 0.7 255 402 44
925 10.00 x 0.7 239 392 44
• El área de soldadura presenta una zona térmicamente alterada cuya estructura es diferente de la del entorno. El recocido reduce la heterogeneidad estructural y de dureza a lo largo de la sección transversal.
Figura 7: sección transversal; muestra englobada por microdureza • La sección de aplicación es muy corta como para influir apreciablemente en
las propiedades del acero tratado. Considerando un diámetro de 4.76 mm, los datos obtenidos a diversas velocidades son muy próximos. El parámetro crítico es el enfriamiento: si la velocidad aumenta, también el enfriamiento (el soplador) debe potenciarse para remover el calor y evitar la oxidación del tubo a la salida.
Figura 8: soplador
• Un enfriamiento muy veloz deteriora las propiedades mecánicas.
Si el acero se enfría rápidamente en el intervalo crítico de temperatura (de 780-800°C a 680°C), la resistencia mecánica se eleva y la ductilidad no es aceptable.
• Los datos que se refieren a los tubos de F 8 y 10 (mm) representan el mejor logro con el tratamiento por inducción. Las pruebas de doblez al tubo F 8
evidencian una buena ductilidad; la resistencia Rm se avecina a los 400 N/mm2
PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA EFICACIA
DEL TRATAMIENTO EN LÍNEA
Temperatura:
no hay referencias de tratamientos de recocido efectuados a temperaturas superiores a 850 °C, considerando el tratamiento por inducción del RSt 34 – 2, la temperatura máxima de proceso de 930 – 950 °C (una especificación prevé el calentamiento a 950 °C para obtener la certificación del producto) puede balancear la elevada velocidad de calentamiento y puede ser suficiente para alcanzar un buen grado de recristalización.
Sin embargo, su aplicación debe ser lo suficientemente prolongada para asegurar un enfriamiento lento (<10 °C/seg) en el intervalo de 780 a 680 °C.
Microestructura de partida:
Refiriéndose al mismo equipo y con parámetros de proceso comparables, el tubo de 0.8 mm tras el tratamiento térmico posee propiedades mecánicas aceptables
mientras que el tubo de 4.76 mm no. El estado de endurecimiento anterior al recocido es fundamental para prever la eficacia del tratamiento. La solución debe buscarse después del recocido:
- el diámetro máximo soldable debe ser de 10,35 x 0,7 m –
reducción a través de pocos pasos de laminación, posiblemente uno.
Enfriamiento
La temperatura del tubo en la salida es de 420 °C cuando sucede el galvanizado en línea inmediatamente después del recocido. Es posible calentar el tubo a 750 °C en vez de hacerlo a 930 °C, obteniendo buenos resultados gracias al sostenimiento (es necesario controlar la temperatura en el intervalo crítico).
Figura 12: F 4.76 mm: estructura en granos de ferrita (x100) de una muestra tratada por inducción, con un sostenimiento de 15’’ a 850 °C. Enfriamiento lento hasta cerca de 650 °C. Dimensión del grano = ASTM 8. Dureza = 130 – 145 HV0.2
1) La temperatura de salida inferior a 100°C, con control de la oxidación es requerida por otros fabricantes. Establecida una cierta longitud del equipo, como por ejemplo, 100 m, una temperatura de salida más alta será preferible pues el enfriamiento con gas de 400 a 100 °C compromete de 1/2 a 2/3 del túnel, por lo que no hay espacio disponible para la sección de aplicación. Este equipo permite, sin embargo, obtener buenos resultados en el diámetro de 8 mm: la resistencia del tubo tratado es cercana a los datos teóricos relativos al recocido en horno.
BIBLIOGRAFÍA
• Induction Heat Treatment of Steel, by S.L .Semiatin, D.E. Stutz, and I.L. Harry: American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1986
• Metals Handbook, Vol. 4, Heat Treating: American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1991
