Técnica Destacada Vol.16

Materiales consumibles para soldadura TIG para aceros de alta resistencia a la tracción de 490 MPa

1. Prefacio

Tabla 1: Lista de barras TIG para aceros HT de 490 Mpa

Nombre del producto	AWS A5.18	ASME F-No.	ASME A-No.
TG-S50	ER70S-G	6	1
TG-S51T	ER70S-6	6	1
NO65G	ER70S-2	6	1
TG-S70S2*	ER70S-2	6	1
TG-S70S3*	ER70S-3	6	1
Nota: *= New Product

Los aceros de alta resistencia a la tracción (HT) de 490 MPa son comunes en un amplio rango de campos industriales. Para eficiencia y facilidad de soldado, la soldadura por arco de gas metal (GMAW) o soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW) es generalmente usado, pero para soldadura de pase de raíz (un lado) de juntas de tubería a tubería donde los ya mencionados métodos de alta deposición son problemáticos, la soldadura por arco de gas tungsteno (GTAW) es aplicada en la soldadura de toda posición. GTAW también es adecuada para la soldadura de tales miembros críticos como tuberías, bridas de plantas químicas porque hace rendir los metales de soldadura extremadamente bajos en oxígeno que ofrecen alta pureza, así como alta calidad.

Tabla 2: Especificaciones AWS A5.18 en composición química de barras TIG (masa%)

Clasificación	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Cu	Ti	Zr	Al
ER70S-2	0.07	0.40-0.70	0.90-1.40	0.025	0.035	0.15	0.15	0.15	0.03	0.50	0.05-0.15	0.02-0.12	0.05-0.15
ER70S-3	0.06-0.15	0.45-0.75									-	-	-
ER70S-6		0.80-1.15	1.40-1.85								-	-	-
ER70S-G	(not specified)
Nota: Valores individuales son máximos

Tabla 3: Especificaciones AWS A5.18 para propiedades mecánicas de metales de soldadura

Clasificación	Tension test			Prueba de impacto
	TS (MPa)	YS (MPa)	EI (%)	Temperatura de la prueba (°C)	Energía absorbida (J)
ER70S-2	490min	400min	22min	-30	27min
ER70S-3				-20
ER70S-6				-30
ER70S-G				Según lo acordado entre el proveedor y el comprador

Kobe Steel manufactura barras TIG para aceros HT de 490 MPa (Ver Tabla 1). Las barras FAMILIARCTM TG-S70S2 y FAMILARCTM TG-S70S3 esta barras han sido recientemente desarrolladas para satisfacer la demanda del mercado. La tabla 2 enlista las composiciones químicas de las barras TIG (de relleno) y la Tabla 3 detalla las propiedades mecánicas del metal de soldadura de las especificaciones AWS A5.18. Este artículo discutirá las propiedades de las barras TIG en la Tabla 1 de Kobe Steel y sugerirá algunas recomendaciones para mejores resultados de soldadura con GTAW.

2. Propiedades de FAMILIARCTM TG-S50

TG-S50 está clasificado como ER70S-G en AWS A5.18. Es, sin embargo, un tipo de barra C-Si-Mn que exhibe excelentes propiedades de resistencia a la tracción e impacto para soldadura GTAW de aceros HT de 490 MPa. Eso proporciona superior usabilidad a través de la fluidez del metal fundido y humectación de superficie del cordón, y puede ser aplicada no solo a la soldadura de pase de raíz de juntas de tubería sino también a casi todas las juntas como posiciones de soldadura. Ha sido la barra GTAW de mayor reputación de Kobe Steel y ha sido adoptada en un amplio rango de aplicaciones.

El TG-S50 se adecúa bien al tratamiento de calor post soldado (PWHT), y como cuestión de hecho, ha sometido PHTW cuando se aplica a miembros estructurales de gran escala tales como reactores químicos. Sin embargo, los usuarios deberían notar que la condición PWHT recomendada es alrededor de 625°Cx5 horas (hr) porque el YS disminuye durante la PWHT.

Tabla 4: Composición química típica del metal de soldadura (masa%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.17	0.76	1.43	0.011	0.015	0.20	0.01	0.02	<0.01	<0.01

Tabla 5: Propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura

	Prueba de tracción a RT*			Energía absorbida (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C	0°C
As-welded	485	586	36	163 168 142	192 198 198	216 238 218	244 256 230
Nota: *RT = Temperatura ambiente

La Tabla 4 muestra la composición química típica del metal de soldadura TG-S50; y la Tabla 5, las propiedades mecánicas típicas en condiciones de soldado como quedó y condiciones PWHT (625°C × 5hr).La Figura 1 muestra las propiedades de tensión en relación las temperaturas de las pruebas. El TS incrementa en un rango de temperatura de 200 – 350°C en condición de soldado como quedó; esto se conoce como el fenómeno de fragilidad azul.

La Figura 2 muestra apariencia de cordón trasera después de soldadura de pase de raíz en posición 1G por TG-S50 (2.4mm dia.). La configuración de ranura fue de solamente 60°V, con una brecha de raíz de 3.0-3.5mm. Las condiciones de soldadura fueron 110A-12V y sin blindaje trasero.

3. Propiedades de FAMILIARCTM TG-S51T

Como TG-S50, TG-S51T es un tipo de barra C-Si-Mn pero equivalente a AWS A5.18 ER70S-6. Con cantidades de contenido más altas de C, Si y Mn, rinde niveles de TS y YS mayores que el TG-S50; sin embargo, las propiedades de impacto del metal de soldadura TG-S51T son cercanamente las mismas que las del TG-S50.

Similar al TG-S50 en usabilidad, apariencia de cordón y facilidad de uso, TG-S51T también es usado en una amplio rango de aplicaciones.

Debido a que el metal de soldadura TG-S51T retiene suficientes propiedades de tracción de aceros HT de 490 MPa, incluso durante periodos más largos de PWHT, puede ser aplicado a juntas de miembros estructurales de gran escala que requieran recocido de alivio de tensiones.

Tabla 6: Composición química típica del metal de soldadura (masa%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.11	0.82	1.55	0.011	0.012	0.20	0.01	0.01	<0.01	<0.01

Tabla 7: Propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura

PWHT	L.M.P.*1 (×103)	Prueba de tracción a RT			Energía absorbida (J)
		YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-30°C
As-welded	-	523	621	35	168, 174, 160
625°C × 8hr	18.77	422	562	37	194, 176, 176
625°C × 14hr	18.99	414	550	37	188, 172, 191
625°C × 30hr	19.29	396	535	37	160, 178, 172
625°C × 45hr	19.44	382	524	38	184, 156, 158
Nota: *1 L.M.P. = Larson-Miller Parameter

Las Tablas 6 y 7, y la Figura 3 muestra la composición química del metal de soldadura TG-S51T, las propiedades mecánicas típicas en condición de soldado como quedó y varias condiciones de PWHT y las propiedades de tracción en relación a los parámetros Larson-Miller, respectivamente.

La Figura 4 muestra apariencia de cordón trasera en la posición 1G. La configuración de ranura fue de solamente 60°V, con una brecha de raíz de 3.0-3.5mm. Las condiciones de soldadura fueron 110A-12V y sin blindaje trasero.

4. Propiedades de FAMILIARCTM No.65G

La barra TIG NO65G, equivalente al AWS A5.18 ER70S-2, tiene menor contenido de C, Si y Mn que TG-S50 o TG-S51T; en su lugar, Al, Ti y Zr son especialmente añadidos. Estos elementos ayudan a disminuir la cantidad de oxigeno en la piscina de fundido, permitiendo al NO65G proporcionar metal fundido de relativamente alta pureza. Por el otro lado, es un poco inferior al TG-S50 o TG-S51T en términos de fluidez del metal fundido, debido a que su tensión superficial incrementa mientras el contenido de oxígeno en el metal fundido se reduce.

Debido a que el Al, Ti o Zr son elementos con alta afinidad de oxígeno, la escoria puede ser generada en la superficie de cordón después que una parte del elemento se combina con oxígeno en el metal fundido durante el soldado. Los usuarios están por tanto aconsejados a tener cuidado con los defectos de soldadura, tales como pobre apariencia de cordón o inclusión de escoria, causada por la escoria en sí.

Cada elemento químico en la barra NO65G es estrictamente controlado para mantener un rango estrecho dentro de la especificación AWS A5.18 ER70S-2 y así pueda satisfacer los duros requerimientos fijados por clientes japoneses para propiedades mecánicas en proyectos estructurales críticos.

Tabla 8: Composición química típica del metal de soldadura (masa%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Al	Ti	Zr
0.04	0.50	1.20	0.007	0.012	0.22	0.06	0.05	0.02

Tabla 9: Propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura

	Prueba de tracción a RT			Energía absorbida (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C
As-welded	584	635	29	Av 165	Av 200	Av 215
625°C × 8hr	545	615	30	Av 138	Av 160	Av 175

Las Tablas 8 y 9, y la Figura 5 muestran la composición química típica del metal de soldadura NO65G, las propiedades mecánicas típicas en condición de soldado como quedó y condiciones de PWHT (625 °C×8 hr) y las energías absorbidas en relación a las temperaturas de prueba, respectivamente.

Las Figuras 6 y 7 muestran apariencia de cordón por el lado frontal después de las pasadas raíz y segunda y apariencia de cordón trasera después soldadura de pase de raíz en las posiciones 1G y 3G (ascendente) por NO65G (2.4mm dia.), respectivamente. Las Figuras 8 y 9 exhiben macro-estructuras de soldadura de pase de raíz y segunda pasada en las posiciones 1G y 3G (ascendente), respectivamente. La configuración de ranura fue de solamente 60°V, con una brecha de raíz de 3.0-3.5mm. Las condiciones de soldadura fueron de 110A-12V para la pasada de raíz sin blindaje trasero y de 160A-13V para la soldadura de segunda pasada, respectivamente.

5. Propiedades de FAMILIARCTM TG-S70S2

Como NO65G, TG-S70S2 está diseñado para cumplir las especificaciones AWS A5.18 ER70S-2 a pesar de que tiene algunas diferencias clave. TG-S70S2 está dirigido a un conjunto de estructuras comparativamente más versátil que corresponden a los requerimientos de AWS A5.18 ER70S-2, y sus composiciones químicas son más amplias que las de NO65G dentro de las especificaciones ER70S-2.

Al, Ti y Zr, incrementaron la generación de escoria y pueden presentarse propiedades de impacto ligeramente inferiores en comparación con NO65G, en el cual estos elementos son más estrechamente controlados. Cantidades más altas de Al, Ti y Zr causan que las propiedades de impacto comiencen a fluctuar.

Tabla 10: Composición química típica del metal de soldadura (masa%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Al	Ti	Zr
0.05	0.42	1.05	0.010	0.009	0.11	0.09	0.06	0.04

Tabla 11: Propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura

	Prueba de tracción a RT			Energía absorbida (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-30°C	-20°C
As-welded	563	622	28	Av 125	Av 205	Av 247
625°C × 8hr	526	604	30	Av 107	Av 156	Av 180

Las Tablas 10 y 11, y la Figura 10 muestran la composición química típica del metal de soldadura TG-S70S2, las propiedades mecánicas típicas en condición de soldado en sí y condiciones de PWHT (625 °C×8 hr) y las energías absorbidas en relación a las temperaturas probadas, respectivamente.

La Figura 11 muestra apariencia de cordón trasero en posiciones 1G y 3G (ascendente) por TG-S70S2 (2.4mm dia.)

6. Propiedades de FAMILIARCTM TG-S70S3

TG-S70S3 es un tipo de barra C-Si-Mn, como TG-S50 o TG-S51T, pero está diseñado para satisfacer las especificaciones AWS A5.18 ER70S-3 . Es, sin embargo, diseñado para contener bajas cantidades de C-Si-Mn que el TG-S50, resultando en las propiedades de tracción bajas del metal de soldadura. Por lo tanto, PWHT no es recomendada, excepto para la condición de soldado en sí.

Tabla 12: Composición química típica del metal de soldadura (masa%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
0.10	0.53	1.11	0.010	0.015	0.13	0.01	0.02	<0.01	<0.01

Tabla 13: Propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura

	Prueba de tracción a RT			Energía absorbida (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-40°C	-20°C	0°C
As-welded	460	553	36	200 170 190	240 240 245	255 260 286

Las Tablas 12 y 13 muestra la composición química y propiedades mecánicas típicas del acero de soldadura TG-S70S3 en la condición ya soldada respectivamente.

7. Comparación de las propiedades de tracción

La Figura 12 compara las propiedades de tracción de metales de soldadura por 5 barras TIG que satisfacen las especificaciones AWS A5.18.

Se puede observar que la barra con la resistencia a la tracción y límite elástico más alto es NO65G, mientras que estas propiedades son las más bajas en TG-S70S3. Estas barras son secuenciadas en términos de propiedades de tracción como sigue:

NO65G>TG-S70S2>TG-S51T>TG-S50>TG-S70S3

8. Recomendaciones para mejores resultados de soldadura en GTAW

Una ventaja de utilizar el proceso de soldadura TIG para aceros HT de 190 MPa es la capacidad de obtener metal de soldadura con alta pureza debido al bajo contenido de oxígeno en el metal de soldadura cuando se utiliza gas protector de Argón 100% puro. Por otro lado, la dureza puede incrementar en zonas de soldado en sí y en las zonas no recalentadas, como la soldadura de último pase en capa múltiple o la soldadura de corte de una sola pasada.

Cuando el metal de soldadura de último pase de una junta de tubería con dureza incrementada es expuesta, por ejemplo, a un ambiente lleno de hidrosulfuro (H2S), el hidrógeno, al tener un radio atómico pequeño, se difunde en el metal de soldadura y puede aumentar el riesgo de grietas retardadas.

Cuando la soldadura TIG se aplica a estructuras que estarán expuestas a una atmósfera que contenga H2S, se recomiendan las siguientes sugerencias para evitar la dureza incrementada y prevenir el agrietamiento retardado:

(1)Prevenir el exceso de endurecimiento mediante el mantenimiento de una velocidad de enfriamiento baja del metal de soldadura mientras se aplica alta entrada de calor.
 (2)Prevenir el exceso de endurecimiento mediante el mantenimiento de una velocidad de enfriamiento baja del metal de soldadura mientras se aplica alta temperatura de interface o precalentamiento.
 (3)Proporciona un metal de soldadura con recalentamiento por PWHT. (Este proceso no deberá ser utilizado en miembros estructurales que deban ser dejados en una condición de soldado como quedó.)
 (4)También es efectivo aplicar FAMILIARCTM TG-S35.

Tabla 14: Clasificaciones AWS y JIS del TG-S35

AWS A5.18	ASME F-No.	ASME A-No.	JIS Z3316
-	6	1	W35A0U 10

TG-S35 está diseñado para ser utilizado para aceros suaves con TS bajo y limitado solo a soldadura de último pase. No está clasificado en AWS A5.18 pero sí en el Estándar Industrial Japonés (JIS) Z3316 W35A0U 10 (Tabla 14)

Tabla 15: Composición química típica del metal de soldadura TG-S35 y especificación JIS

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	V
TG-S35	0.01	0.02	0.44	0.012	0.008	0.17	0.01	0.01	<0.01	<0.01
JIS Z3316 W35A0U 10	0.02 max	0.20 max	0.70 max	0.025 max	0.025 max	0.50 max	0.15 max	0.15 max	0.10 max	0.05 max

La composición química típica del metal de soldadura TG-S35 y la especificación JIS de la composición química de la barra se muestran en la Tabla 15

Tabla 16: Propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura TG-S35

	Prueba de tracción a RT			Energía absorbida (J)
	YS (MPa)	TS (MPa)	EI (%)	-30°C	-20°C	0°C
TG-S35	335	405	37	36 46 32	154 132 136	212 226 228
JIS Z3316 W35A0U 10	250 min	350-450	22 min	0°C
				47J min

Las propiedades mecánicas típicas del metal de soldadura TG-S35 y especificación JIS de propiedades mecánicas, ambas en condición de soldado como quedó se muestran en la Tabla 16.

Para referencia, el resultado de la prueba de dureza del metal de soldadura TG-S35 en comparación con el metal de soldadura TG-S50 se muestra en la Figura 13. La dureza se midió como se muestra en el dibujo de abajo.

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