¿Por qué purgar el tubo de acero inoxidable?
Las uniones de alta calidad en aceros inoxidables entre secciones cilíndricas como tubos y tuberías solo se pueden realizar asegurando que los gases atmosféricos se eliminen durante el proceso de soldadura.
La presencia de gases, y en particular de oxígeno, alrededor de la soldadura fundida puede provocar defectos de gran alcance. La decoloración es antiestética y, en algunos casos, puede producir un desequilibrio metalúrgico.
La oxidación bruta da como resultado inevitablemente una reducción de las propiedades mecánicas y puede provocar una pérdida catastrófica de la resistencia a la corrosión. La contaminación por nitrógeno puede resultar en fragilidad. Los gases en la soldadura pueden provocar grietas durante o después del enfriamiento.
Para obtener más información sobre la soldadura de acero inoxidable en general, consulte nuestra guía detallada sobre el tema. Cubrimos soldadura MIG de acero inoxidable, soldadura TIG y diferentes aleaciones como acero inoxidable austenítico, martensítico y ferrítico.
Principio básico de la purga de acero inoxidable
La calidad de la raíz de la soldadura al realizar uniones tubulares puede garantizarse mediante la aplicación de protecciones adecuadas que se basan en la eliminación de aire de la zona de fusión y la provisión de gas inerte. Esto se logra mediante la ‘purga de gas’.
Gases de purga comunes
Los gases de purga más utilizados para la soldadura de acero inoxidable en los EE. UU. son el argón y el helio de calidad comercial. Es necesario establecer el caudal y la presión del gas de purga y, una vez seleccionados, deben incluirse en el procedimiento de soldadura formal.
Pueden surgir variaciones en la calidad del gas de purga durante el proceso de soldadura y puede ser deseable aplicar un monitoreo continuo del gas, especialmente para controlar el contenido de oxígeno y humedad. Para este propósito, se encuentran disponibles comercialmente monitores de purga de soldadura con oxígeno dedicados.
Para obtener más información sobre los diferentes tipos de gases de soldadura y cómo se utilizan, lea nuestra guía aquí. Cubrimos los gases de soldadura comunes y las mezclas que se usan con menos frecuencia para ayudarlo a hacer la selección perfecta del gas de protección.
Procedimiento de purga de tuberías de acero inoxidable
El primer requisito es proporcionar puntos de entrada y salida de gas. El gas se alimenta a través de un sello de extremo con un orificio de salida en el otro extremo para evitar una acumulación de presión no deseada.
El gas protector de argón tiene una densidad mayor que el aire y la entrada de gas debe estar a una altura más baja que el extremo de purga para que el aire se expulse de manera efectiva desde el orificio de la tubería. Lo contrario se aplica al helio, que es más ligero que el aire.
Purga Total
En tuberías y tubos pequeños, donde el volumen interno es pequeño, el costo de la purga total continua puede no ser significativo. Bajo estas circunstancias, los discos de madera o plástico simplemente adheridos a los extremos de los tubos serán adecuados.
Cuando la purga total no es práctica, quizás porque el volumen de la tubería es grande o porque el acceso es difícil, existen técnicas alternativas de contención.
Productos solubles en agua
Una solución efectiva y de bajo costo para proporcionar cobertura de gas de protección es hacer discos de material soluble en agua y sellar el interior de la sección que necesita protección.
En el caso de que no se disponga de película soluble en agua, se puede utilizar papel y cinta, aunque en general, esto es mucho menos adecuado.
No deben colocarse en posición hasta después de cualquier tratamiento térmico previo a la soldadura y deben estar lo suficientemente separados, normalmente 500 mm, para evitar daños térmicos durante la soldadura.
El gas de purga se introduce en el área entre los diques solubles por medio de un tubo hipodérmico a través de la línea de soldadura o penetrando uno de los diques de película con una manguera de purga.
Imagen de Papel Aquasol para purga de tuberías de acero inoxidable. Fuente: aquasolwelding.com
En tuberías de diámetro pequeño, se puede producir un dique eficaz simplemente arrugando papel y empujándolo hacia el interior de la tubería de acero inoxidable. Las pastas solubles también están disponibles y pueden ser convenientes para diámetros pequeños.
Una vez que se completa la soldadura del tubo de acero inoxidable, el material de la presa se puede eliminar pasando agua por el tubo y dando tiempo para que se disuelva el medio de barrera.
Barreras Térmicamente Desechables
Los productos solubles en agua no siempre son aceptables y un método alternativo es usar cartón o discos delgados de madera para soldar tubos de acero inoxidable. Estos simplemente se cortan para que se ajusten al diámetro interno de la tubería de acero inoxidable y, si es necesario, se fijan con cinta para proporcionar un sello de gas. La distancia entre los discos debe ser normalmente de 500 mm para evitar daños térmicos durante el proceso de soldadura.
La solución de disco desechable térmicamente es conveniente si la soldadura de aceros inoxidables va a ir seguida de un ciclo de tratamiento térmico posterior a la soldadura, ya que la tarjeta se elimina de manera efectiva mediante incineración. De lo contrario, el calentamiento general con el soplete es un buen método de eliminación.
Las barreras solubles en agua y térmicamente desechables son soluciones convenientes cuando el acceso al orificio del tubo o tubería no es práctico después del proceso de soldadura. Si se puede obtener acceso, se pueden considerar varias técnicas alternativas de retención de gas de purga, que incluyen discos plegables, discos de junta de goma y sistemas de purga de tubería inflable.
Estas presas normalmente se colocan en la tubería de acero inoxidable en el momento del montaje de la unión, un cordón de recuperación o una varilla que se proyecta por la ruta de acceso. Un espacio de 150 a 200 mm entre los diques generalmente evitará el daño térmico durante la soldadura, pero debe tenerse en cuenta que es prudente un espacio mayor si se va a aplicar un tratamiento térmico previo a la soldadura.
Sin embargo, ahora hay productos disponibles que tienen excelentes propiedades de resistencia térmica a altas temperaturas que son eminentemente adecuados para su uso con tuberías precalentadas.
Barreras de disco plegables
Los discos se pueden fabricar con cualquier material laminar rígido fácilmente disponible; la madera contrachapada es un buen medio si se planea la fabricación interna. Los discos están divididos a lo largo del diámetro y articulados y una almohadilla de sellado de espuma sintética adherida a la periferia.
Las cuerdas unidas a los discos se utilizan para colapsar la presa después de la soldadura y para quitar los discos de la tubería.
Presas de juntas de goma
Se puede intercalar un disco de goma entre un par de discos de madera o metal y se puede realizar algún ajuste al diámetro aplicando presión axial.
Esta técnica de junta no es colapsable y después de soldar tubos y tuberías de acero, los discos deben sacarse más allá de la raíz de soldadura, una operación que puede causar dificultades.
Sistemas inflables de gas inerte
Con mucho, el método de contención de gas de purga más eficiente es utilizar sistemas de purga de tuberías inflables especialmente diseñados.
Los sistemas están fabricados en caucho con una cubierta protectora de nailon.
Se coloca uno a cada lado de la junta y se infla mejor usando el propio gas de purga.
Dichos sistemas son mucho más preferidos ya que evitan cualquier dificultad que pueda surgir por la contaminación del agua de la zona de soldadura por materiales menos adecuados y por el aire que entra en la zona de soldadura desde los sistemas inflables de aire.
Imagen de sistemas inflables de purga de tuberías de HFT. Fuente: huntingdonfusion.com
Cómo purgar el tubo y la tubería de acero inoxidable
Después de completar la preparación de soldadura estándar, preparar su equipo de soldadura por arco de tungsteno con gas y ensamblar cualquiera de los sistemas de presa que no se usaron anteriormente, es hora de purgar la tubería de acero inoxidable y comenzar el proceso de soldadura.
El proceso previo a la purga
Se utiliza una purga previa para desplazar el aire presente en el sistema de tuberías o el volumen de la presa. Numerosos factores controlan el tiempo de purga previa, como el diámetro del tubo de acero inoxidable, el volumen de purga y el nivel de oxígeno máximo permitido.
Un concepto erróneo común es que aumentar el caudal de purga reducirá el tiempo de purga. Esto es falaz. Un aumento en la tasa de flujo aumenta la turbulencia y da como resultado una mezcla no deseada de gas de purga y aire y, de hecho, puede prolongar el tiempo de purga.
Como regla general, el caudal y el tiempo de prepurga deben permitir unos cinco cambios de volumen en el sistema de tuberías o el volumen de la presa, pero un caudal de gas típico será del orden de 20 l/min.
Las uniones soldadas que requieren un espacio de raíz o que exhiben una mala coincidencia de extremos, cuyas características proporcionan una ruta de fuga no deseada para el gas de purga, se pueden sellar con cinta.
Los niveles de oxígeno y humedad en el gas de purga deben verificarse utilizando el equipo adecuado y la verificación se realiza en el punto de salida. Cuando se utilizan insertos de presa, el punto de salida debe extenderse con un tubo flexible a una posición de acceso conveniente. Si esto no es práctico, se debe usar un sistema que tenga la entrada y la salida de purga en la misma unidad de presa.
Aunque el oxígeno residual del 0,01 % es un nivel de trabajo adecuado para materiales como el acero inoxidable, el nivel debe ser tan bajo como el 0,001 % cuando se sueldan aleaciones más sensibles basadas en titanio y otros metales reactivos.
El proceso de purga de soldadura
Una vez que la calidad del gas en el volumen embalsado ha alcanzado el nivel requerido, el flujo de gas puede reducirse a unos 5 l/min para la operación de soldadura.
En un nivel más práctico, debería ser posible sentir el flujo de gas desde el punto de salida. Un flujo excesivo puede hacer que aumente la presión interna en la tubería y crear una concavidad en la geometría de la raíz de la soldadura y, en casos más extremos, puede provocar la expulsión completa del baño de soldadura fundida.
Imagen del diagrama de purga de tuberías. Fuente: alphaweld.com.au
En las juntas que no estén completamente selladas para restringir las fugas, será necesario un caudal más alto para evitar la contaminación. Sin embargo, hacia el final de la corrida de soldadura, a medida que la junta se sella permanentemente, será necesario reducir la tasa de flujo de gas para evitar la presurización excesiva.
Purga de costos de acero inoxidable
Proporcionar datos precisos sobre las comparaciones de costos entre las diferentes técnicas de purga es difícil, sobre todo porque el diámetro de la tubería y el grosor de la pared tienen una gran influencia en el costo. Además, no es práctico utilizar insertos desmontables en tuberías selladas o en tuberías y tubos con diámetros muy por debajo de 100 mm.
Por lo tanto, no es práctico ser específico en todo el espectro de diámetros y procedimientos de soldadura, aparte de decir que los ahorros pueden ser significativos cuando se emplean sistemas de purga comerciales.
Como ejemplo, los usuarios informan que una tubería de 900 mm de diámetro se puede purgar por completo a menos del 0,1 % de oxígeno en menos de 10 minutos cuando se utilizan los sistemas comerciales ‘Argweld™ ilustrados. Hay ahorros informados de más del 80% en el tiempo de purga en comparación con los sistemas de purga alternativos, por lo que el uso de gas inerte se puede reducir drásticamente como resultado. (‘Argweld’ es un nombre comercial registrado de Huntingdon Fusion Techniques Ltd.)
A partir de este análisis básico, queda claro que cuando se deben realizar varias soldaduras en diámetros de tubería similares, puede haber un ahorro de costos genuino al usar sistemas de purga de soldadura inflables como medio de sellado. Agregue esto a las ventajas técnicas del sellado confiable y la facilidad de uso y se puede ver que el concepto de purga inflable ofrece atractivos significativos.