Aço estrutural de alta resistência: limite de escoamento e soldabilidade
El acero estructural de alta resistencia puede reducir la sección transversal necesaria para resistir la fluencia, pero un límite elástico especificado más alto no significa automáticamente que la estructura sea más ligera o más fácil de fabricar. La soldabilidad depende de la composición real del acero, el espesor del producto, la restricción de la unión y el procedimiento de soldadura. Un grado que parezca atractivo en un cálculo de resistencia puede exigir una fabricación más controlada que una alternativa de menor resistencia.
Al evaluaracero estructural de alta resistencia para una viga soldada, un arriostramiento o un soporte de equipos, comience por la resistencia de diseño aplicable al espesor solicitado. Después, compare el análisis químico y la condición de suministro del material con el procedimiento de soldadura propuesto. La deflexión, el pandeo, la fatiga y el comportamiento de las uniones pueden ser determinantes antes de que sea posible aprovechar por completo el mayor límite elástico.
El límite elástico indica la tensión a la que el acero empieza a deformarse plásticamente según un criterio definido de ensayo de tracción. Las especificaciones estructurales suelen establecer un valor mínimo para un grado, un intervalo de espesores y una condición del producto determinados. El valor utilizado en el diseño debe proceder de la norma de producto y las reglas de diseño pertinentes; no debe deducirse únicamente del nombre del grado o de una descripción general del proveedor.
En muchos aceros estructurales, el límite elástico mínimo especificado disminuye al aumentar el espesor. Por tanto, un diseño basado en el valor correspondiente a una chapa delgada puede sobrestimar la capacidad de una ala, una placa o un elemento de fijación más gruesos. Consulte el intervalo de espesores de la norma para cada producto y compruebe si el espesor indicado corresponde al de la placa o al espesor determinante de un perfil laminado.
El límite elástico también es distinto de la resistencia a la tracción. Esta última describe la tensión máxima alcanzada en un ensayo de tracción; no sustituye al límite elástico en las verificaciones regidas por la fluencia. El alargamiento y las propiedades de impacto aportan información adicional sobre la deformación y la tenacidad, pero deben evaluarse según el método de ensayo, la orientación y la temperatura especificados.
Un grado de mayor resistencia puede reducir el área necesaria en un elemento cuyo diseño esté regido por la fluencia a tracción. La misma sustitución puede aportar menos ventajas en una viga cuya condición determinante sea la deflexión, porque los grados de acero tienen una rigidez elástica muy similar. La inestabilidad puede regir el diseño de elementos comprimidos esbeltos, mientras que la fatiga puede ser determinante en detalles soldados sometidos a cargas cíclicas. En esos casos, aumentar el límite elástico sin revisar la geometría o la conexión puede añadir requisitos de fabricación sin lograr el ahorro de peso esperado.
La soldadura calienta localmente el acero y luego este se enfría a una velocidad influida por el espesor, el aporte térmico y el material circundante. La zona afectada por el calor, o ZAC, puede adquirir propiedades distintas de las de la placa no afectada. La cuestión no es simplemente si el arco puede fundir el material: la unión terminada debe alcanzar la resistencia y la tenacidad requeridas, y estar libre de imperfecciones inaceptables.
Los aceros de mayor resistencia pueden obtener sus propiedades mediante distintas combinaciones de composición, laminación y tratamiento térmico. Por ello, dos productos con límites elásticos mínimos similares pueden reaccionar de manera diferente al mismo ciclo de soldadura. Entre las variables pertinentes se incluyen:
El agrietamiento en frío es motivo de preocupación cuando coinciden una microestructura susceptible, hidrógeno difusible y restricción a la tracción. Una ZAC dura por sí sola no demuestra que vaya a producirse una grieta, pero sí advierte que debe examinarse el conjunto de condiciones. A la inversa, un contenido nominal bajo de carbono no elimina la necesidad de controlar el hidrógeno y seguir el procedimiento cualificado.
El carbono equivalente combina determinados elementos químicos en un indicador de templabilidad. Una fórmula de uso extendido es la del International Institute of Welding:
CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
El contenido de los elementos se expresa en porcentajes en masa. En general, un CEV calculado más alto indica una mayor tendencia al endurecimiento en condiciones de soldadura comparables. Puede ayudar a identificar materiales que podrían requerir más atención en cuanto al precalentamiento, el aporte térmico o el control del hidrógeno.
No considere un único límite de CEV como una prueba universal de aceptación o rechazo. Se utilizan otras fórmulas, como Pcm, para determinados aceros de bajo carbono y aplicaciones; sus valores numéricos no son intercambiables con los del CEV. La norma aplicable, la especificación del material o las directrices de soldadura determinan qué fórmula y condiciones de aceptación son pertinentes.
Pregunte si el valor indicado es un máximo de la especificación del producto, un valor calculado a partir del análisis real de colada o un valor calculado a partir del análisis del producto. Esta distinción importa cuando un procedimiento de soldadura se cualificó para un intervalo de materiales definido. Conserve los valores de los elementos, además del equivalente calculado: un resumen redondeado por sí solo puede no permitir que el equipo de fabricación verifique el cálculo o evalúe el material con respecto al procedimiento.
Antes de liberar el material para la fabricación, vincule los requisitos de diseño con el producto realmente solicitado y los detalles soldados propuestos. La siguiente secuencia ayuda a detectar incompatibilidades mientras todavía es posible gestionarlas.
Un certificado de fábrica confirma las propiedades declaradas del material, pero no cualifica un procedimiento de soldadura. Del mismo modo, un procedimiento cualificado no demuestra que cada pieza suministrada cumpla la especificación de compra. Cuando los requisitos del proyecto exigen ambos tipos de evidencia, se necesitan los dos, y la trazabilidad debe mantenerse durante el corte y el montaje.
El precalentamiento ralentiza el enfriamiento y puede ayudar a que el hidrógeno se difunda fuera de la zona de la unión. La temperatura necesaria no se determina únicamente por el límite elástico. Las disposiciones del código aplicable y los procedimientos cualificados pueden tener en cuenta el carbono equivalente, el espesor combinado, el nivel de hidrógeno y la restricción. Mida la temperatura en los lugares y momentos especificados por el procedimiento, y controle tanto la temperatura entre pasadas como el precalentamiento inicial.
Los consumibles de bajo hidrógeno solo son útiles si su almacenamiento, acondicionamiento y exposición se controlan según las instrucciones del fabricante y el procedimiento aplicable. Elimine la humedad, el aceite, el óxido y otros contaminantes de la zona de soldadura según sea necesario. Un electrodo seco no puede compensar el agua atrapada en una unión ni un procedimiento inadecuado para el material.
La selección del consumible también implica decidir sobre la resistencia. Un metal de soldadura de resistencia equivalente puede ser adecuado para algunas uniones, pero, según el diseño, las cargas y las normas aplicables, puede permitirse o requerirse una resistencia inferior o superior a la del material base. Una mayor resistencia del metal de soldadura puede afectar a la tenacidad y a la restricción, por lo que la selección debe considerar la unión en su conjunto, en lugar de elegir simplemente la clasificación más alta disponible.
El aporte térmico debe establecerse como un intervalo, sin asumir que un mayor aporte siempre es más seguro. Un aporte térmico insuficiente puede provocar un enfriamiento rápido; un aporte térmico o una temperatura entre pasadas excesivos pueden reducir la tenacidad de la ZAC o ablandar determinados aceros de alta resistencia. Utilice el método de cálculo y los límites de parámetros especificados por el procedimiento de soldadura. Si se considera un tratamiento térmico posterior a la soldadura, confirme primero que esté permitido para la condición de suministro del acero y que sus efectos sobre las propiedades mecánicas sean aceptables.
La aceptación de una soldadura depende de la norma de diseño y fabricación aplicable, no solo de su aspecto. La inspección visual puede revelar problemas como un perfil incompleto, socavaduras o indicaciones que lleguen a la superficie, pero no puede demostrar la ausencia de imperfecciones internas. El plan de inspección debe especificar cuándo se requieren inspecciones visuales y ensayos no destructivos, qué métodos son adecuados para la unión y qué criterios de aceptación se aplican.
En trabajos sensibles al agrietamiento, el momento de la inspección importa. El agrietamiento asistido por hidrógeno puede no ser visible inmediatamente después de la soldadura, por lo que cualquier período de espera debe ajustarse al código aplicable o a la especificación del proyecto. Los procedimientos de reparación requieren la misma atención que la soldadura original: la excavación, el precalentamiento, los consumibles y la reinspección pueden afectar a la zona reparada.
Si se requieren ensayos de cualificación del procedimiento, su alcance puede incluir ensayos de tracción, plegado, impacto o dureza, según el código y la aplicación. Un resultado satisfactorio del ensayo de tracción, por sí solo, no demuestra una tenacidad adecuada de la ZAC ni confirma que todas las uniones de producción estén cubiertas. Compare el registro de cualificación con el intervalo de producción real, en lugar de confiar en una afirmación general de que el acero es «soldable».
Una chapa con relieve utilizada alrededor de equipos plantea una decisión distinta a la de una viga de alta resistencia. Su superficie elevada puede ayudar a proporcionar resistencia al deslizamiento, pero el bastidor de soporte, la luz, la carga y los detalles de fijación aún deben evaluarse. La geometría del relieve y el estado de la superficie también afectan al contacto con los soportes y a la preparación de las uniones soldadas.
La chapa de acero estampada S335JR indicada tiene una superficie con relieve y se ofrece en un intervalo de espesores declarado de 2–8 mm, con anchuras de 600–1.800 mm y longitudes de 2–12 m o según se requiera. Puede considerarse para suelos alrededor de equipos cuando se especifique una superficie con relieve. Esas dimensiones no establecen una capacidad estructural ni verifican un grado de alta resistencia: antes de utilizarla en el diseño o en la documentación de soldadura, confirme la designación exacta del material, la norma aplicable, el espesor base, las tolerancias y el certificado.
Los nombres de grado en las listas de productos pueden incluir designaciones de distintas normas o grafías ambiguas. No sustituya un material por otro basándose en la similitud de sus nombres. Aclare la designación con el proveedor y compruebe las propiedades certificadas con respecto a la especificación del proyecto antes de aprobar el material o su procedimiento de soldadura.