¿Puedo soldar chapa de acero ASTM A387 Gr22 y 304?

La soldadura de aceros diferentes tiene una amplia aplicación en la industria aeroespacial, petroquímica y de maquinaria. El acero disímil es realmente diferente en composición química, compatibilidad metalúrgica y propiedades físicas y etc., que aparecerá de la migración de elementos de aleación, composición química desigual y organizaciones metalográficas en el proceso de soldadura, también puede producir estrés térmico y la deformación de soldadura o grietas, esto reducirá las propiedades mecánicas de las juntas soldadas. En este trabajo, se analizó la soldabilidad de las uniones soldadas de acero disímil de la placa de acero ASTM A387 GR22 Chromoly y la placa de acero inoxidable S30408, y se seleccionaron los métodos de soldadura, los materiales de soldadura y los parámetros del proceso de soldadura adecuados, así como el tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Grados	C	Si	Mn	Cr	Mo	Cu	Ni	N	P	S
A387 GR22	0.11	0.35	0.46	2.21	1.06	0.12	0.22	/	0.01	0.006
304	0.05	0.62	1.83	19.16	/	/	8.97	0.06	0.027	0.015

S30408 es un acero inoxidable austenítico de uso común, ASTM A387 GR22 es un acero resistente al calor de baja aleación con buena resistencia a altas temperaturas y resistencia al hidrógeno, utilizado principalmente en reactores de plantas de hidrogenación e intercambiadores de calor y otros equipos. El cromo y el molibdeno pueden mejorar significativamente la templabilidad del acero, y , el metal de soldadura y la zona afectada por el calor pueden formar una microestructura sensible a la fisuración en frío a una velocidad de enfriamiento específica. La fragilización progresiva se produce cuando el contenido total de metales residuales peligrosos supera el límite admisible de 350-550℃ durante largos periodos de funcionamiento. Las principales dificultades a las que nos enfrentamos son:

• Dilución de la soldadura

El metal de soldadura se diluye con el metal depositado durante el proceso de soldadura. Se forma una capa de transición en el metal de soldadura cerca de la zona de fusión en un lado de la chapa de acero ASTM A387 GR22. La composición de la capa de transición es diferente de la del metal de soldadura. Cuanto mayor es el contenido de aleación del metal base, mayor es la relación de fusión y mayor es la tasa de dilución. La capa de transición en el lado ASTM A387 GR22 puede producir una estructura de martensita quebradiza debido a la dilución.

• Migración del carbono

Cromo y átomos de carbono bajo alta temperatura es fácil de formar compuestos de carburo de cromo, ASTM A387 Gr22 placa de acero lado forma átomos de carbono de la zona de descarburación debido a la escasez de cromo en el proceso de soldadura, a su vez, el ablandamiento, granos gruesos, aumentar la fragilidad, resistencia a la corrosión, y S30408 lado para enriquecer cromo y átomos de carbono para formar la capa de carburación migración, y el endurecimiento, tamaño de grano y el rendimiento mejor.

• Tensión de soldadura

Debido a la diferente conductividad térmica y coeficiente de expansión lineal de los dos materiales, se generará tensión térmica en la zona de alta temperatura durante el proceso de soldadura, que no puede ser eliminada, resultando en tensión adicional cerca de la zona de soldadura y fusión, y tensión residual de soldadura generada en el proceso de enfriamiento debido a la contracción inconsistente, resultando en grietas en el lateral de la chapa de acero ASTM A387GR22.

Tras conocer los posibles problemas, los materiales para este experimento son placas de acero inoxidable ASTM A387GR22 y S30408, con unas especificaciones de 400mm×150mm×10mm. La composición química de los dos materiales se muestra en la tabla:

• Método de soldadura

Con el fin de reducir la dilución de las juntas de soldadura y evitar la fisuración en frío y la fisuración por recalentamiento, el material de soldadura de aleación con base de níquel se recubre primero por el lado de ASTM A387GR22 durante la soldadura. Se seleccionan métodos de soldadura con una relación de fusión pequeña y una tasa de dilución baja, como la soldadura por arco de tungsteno con argón y la soldadura por arco con electrodo. En este experimento, la soldadura por arco de argón se utiliza como el respaldo y el método de soldadura de la cubierta de soldadura por arco.

• Materiales de soldadura

Electrodos a base de níquel y alambres ERNiCr-3/ENiCr-3 se utilizan para bloquear la formación de carburo por la grafitización del níquel, reducir la capa de transición y evitar la generación de una estructura de martensita frágil, además de inhibir la migración de carbono en la chapa de acero ASTM A387GR22.

• Ranura de soldadura

El tipo de ranura de soldadura debe tener en cuenta el número de capas de soldadura, la cantidad de metal de relleno y la relación de fusión y la tensión residual de soldadura. A continuación se muestran el tipo y el tamaño de la ranura diseñada:

• Precalentamiento y control de la temperatura entre capas

La microestructura de ASTM A387 GR22 es bainita revenida y la de S30408 es austenita. La primera tiene templabilidad, tendencia a la fisuración por recalentamiento y fragilidad por revenido, mientras que la segunda tiene buena soldabilidad. De acuerdo con la composición química, la forma de la unión, el método de soldadura y el material de soldadura de los materiales, determinamos que la temperatura de precalentamiento era de unos 200℃, y la temperatura entre las pasadas de soldadura estaba dentro de los 100℃. Después de la soldadura, el tratamiento térmico se llevó a cabo a 350℃×2h inmediatamente.

• Parámetro del proceso de soldadura

Capa de soldadura	Métodos de soldadura	Alambres de soldadura	Electrodo de soldadura	Corriente de soldadura I/A	Presión de soldadura U/V	Velocidad de soldadura v/cm
Superficies	SMAW	ERNiCr-3, 4.0mm	DCEP	140-160	23-26	16-20
Soldadura por puntos/1	GTAW	ERNiCr-3, 2,4 mm	DCSP	120-150	13-15	8-10
2-fin	SMAW	ERNiCr-3, 4,0 mm	DCEP	140-160	23-26	16-20

Antes de soldar, limpie la capa de óxido, aceite, humedad, óxido, etc. en un radio de 200 mm de la ranura y a ambos lados de la chapa de acero. Los parámetros específicos del proceso de soldadura se muestran en la tabla.

• Tratamiento térmico de alivio de tensiones posterior a la soldadura

El tratamiento térmico de alivio de tensión posterior a la soldadura es un proceso importante para evitar las grietas de soldadura. Durante la soldadura se generará una gran tensión residual de soldadura, por lo que se requiere un tratamiento térmico de 690±10℃×2h después de la soldadura para eliminar la tensión residual de soldadura y evitar la generación de grietas.

• Resultados y análisis

Realizamos una inspección del aspecto de la chapa de acero de acuerdo con la norma de evaluación de la soldadura para equipos que soportan presión, y comprobamos que no había defectos como poros, inclusión de escoria y grietas en la superficie. A continuación, realizamos una inspección radiográfica 100% y pruebas de propiedades mecánicas como tracción, flexión e impacto. Los resultados de las pruebas se muestran en la tabla.

Artículo	Anchura/mm	Espesor/mm	CSA/mm²	Carga máxima	Resistencia a la tracción
I1	20.30	39.72	806.3	507.12	625 Mpa
I2	20.28	39.78	806.7	482.83	600 Mpa

Nº de muestra	Tipo de curva	Espesor/mm	Diámetro de la curva	Ángulo de flexión	Resultados
C1	Flexión lateral	10	D=40 mm	180°	Cualificado
C2	Flexión lateral	10	D=40 mm	180°	Cualificado
C3	Flexión lateral	10	D=40 mm	180°	Cualificado

Nº de muestra	Tamaño de la muestra mm	Posición	Temperatura de ensayo	Energía de absorción de impactos/Akv
R1	10*10*55	A387 GR22 lado	0℃	152
R2	10*10*55	A387 GR22 lado	0℃	176
R3	10*10*55	A387 GR22 lado	0℃	122

A partir de los datos anteriores, se puede ver que las pruebas de tracción, flexión e impacto son todos calificados, lo que indica que nuestro plan de proceso de soldadura está calificado, la soldadura de placas de acero de material disímil entre ASTM A387 Grado 22 y 304 son perfectamente factibles.