Precalentamiento por inducción antes de soldar para aliviar tensiones

Precalentamiento por inducción antes de soldar para aliviar tensiones Calentador

¿Por qué utilizar el precalentamiento por inducción antes de soldar?El precalentamiento por inducción puede ralentizar la velocidad de enfriamiento tras la soldadura. Es beneficioso para escapar del hidrógeno difuso en el metal de soldadura y evitar las grietas inducidas por hidrógeno. Al mismo tiempo, también reduce el sellado de soldadura y el nivel de endurecimiento de la zona afectada por el calor, se mejora la resistencia a la fisuración de la unión soldada.
El precalentamiento por inducción puede reducir la tensión de soldadura. La diferencia de temperatura (también conocida como gradiente de temperatura) entre los soldadores de la zona de soldadura puede reducirse mediante un precalentamiento por inducción local o total uniforme. De este modo, por un lado, se reduce la tensión de soldadura y, por otro, se reduce la tasa de deformación de soldadura, lo que es beneficioso para evitar las grietas de soldadura.

El precalentamiento por inducción puede reducir el grado de restricción de las estructuras soldadas, es especialmente obvio para reducir la restricción de la junta angular. Con el aumento de la temperatura de precalentamiento por inducción, la incidencia de grietas disminuye.
Temperatura de precalentamiento por inducción y temperatura entre capas (Nota: cuando se realizan soldaduras de varias capas y varias pasadas en la pieza soldada, la temperatura más baja de la soldadura delantera se denomina temperatura entre capas cuando se suelda la soldadura posterior. Para los materiales que requieren soldadura con precalentamiento por inducción, cuando se requiere soldadura multicapa, la temperatura entre capas debe ser igual o ligeramente superior a la temperatura de precalentamiento por inducción. Si la temperatura entre capas es inferior a la temperatura de precalentamiento por inducción, deberá precalentarse de nuevo por inducción.
Además, la uniformidad de la temperatura de precalentamiento por inducción en la dirección del espesor de la chapa de acero y en la zona de soldadura tiene un efecto importante en la reducción de la tensión de soldadura. La anchura del precalentamiento local por inducción debe determinarse en función de las limitaciones del soldador, generalmente tres veces el grosor de la pared alrededor de la zona de soldadura, y no menos de 150-200 mm. Si el precalentamiento por inducción no es uniforme, no sólo no se reducirá la tensión de soldadura, sino que aumentará la tensión de soldadura.

¿Cómo encontrar la solución adecuada para el precalentamiento por inducción?

A la hora de elegir el equipo de precalentamiento por inducción adecuado, tenga en cuenta principalmente los siguientes aspectos:

La forma y el tamaño de la pieza calentada.: La pieza grande, material en barra, material sólido, se debe seleccionar el equipo de calentamiento por inducción de potencia relativa y baja frecuencia; Si la pieza es pequeña, tubo, placa, engranaje, etc., se debe seleccionar el equipo de precalentamiento por inducción de baja potencia relativa y alta frecuencia.
La profundidad y el área a calentar: Profundidad de calentamiento, área grande, calentamiento general, debe elegir equipos de calentamiento por inducción de baja frecuencia y gran potencia; Profundidad de calentamiento poco profunda, área pequeña, calentamiento local, selección de equipos de precalentamiento por inducción de alta frecuencia y potencia relativamente pequeña.
La velocidad de calentamiento requerida: Si la velocidad de calentamiento es rápida, debe seleccionarse un equipo de calentamiento por inducción con una potencia relativamente grande y una frecuencia relativamente alta.
Tiempo de trabajo continuo del equipo: El tiempo de trabajo continuo es largo, seleccione relativamente equipos de precalentamiento por inducción de potencia ligeramente mayor.
Distancia entre el cabezal de calentamiento por inducción y la máquina de inducción: Conexión larga, incluso el uso de una conexión de cable refrigerado por agua, debe ser una máquina de precalentamiento de inducción de potencia relativamente grande.

Calentamiento por inducción: ¿Cómo funciona?

Sistemas de calefacción por inducción utilizan el calentamiento sin contacto. Inducen calor electromagnéticamente en lugar de utilizar un elemento calefactor en contacto con una pieza para conducir el calor, como ocurre con el calentamiento por resistencia. El calentamiento por inducción es más parecido al de un horno microondas: el aparato permanece frío mientras los alimentos se cocinan desde dentro.

En un ejemplo industrial de calentamiento por inducciónEl calor se induce en la pieza colocándola en un campo magnético de alta frecuencia. El campo magnético crea corrientes de Foucault en el interior de la pieza, excitando sus moléculas y generando calor. Como el calentamiento se produce ligeramente por debajo de la superficie metálica, no se desperdicia calor.

El calentamiento por inducción se parece al calentamiento por resistencia en que se requiere conducción para calentar a través de la sección o pieza. La única diferencia es la fuente de calor y las temperaturas de la herramienta. El proceso de inducción calienta dentro de la pieza, y el proceso de resistencia calienta en la superficie de la pieza. La profundidad del calentamiento depende de la frecuencia. La alta frecuencia (por ejemplo, 50 kHz) calienta cerca de la superficie, mientras que la baja frecuencia (por ejemplo, 60 Hz) penetra más profundamente en la pieza, situando la fuente de calor hasta 3 mm de profundidad, lo que permite calentar piezas más gruesas. La bobina de inducción no se calienta porque el conductor es grande para la corriente transportada. En otras palabras, la bobina no necesita calentarse para calentar la pieza.

Componentes del sistema de calentamiento por inducción

Los sistemas de calentamiento por inducción pueden ser refrigerados por aire o por líquido, en función de los requisitos de la aplicación. Un componente clave común a ambos sistemas es la bobina de inducción utilizada para generar calor dentro de la pieza.

Sistema refrigerado por aire. Un sistema refrigerado por aire típico consta de una fuente de alimentación, una manta de inducción y los cables asociados. La manta de inducción consiste en una bobina de inducción rodeada de aislamiento y cosida a un manguito de Kevlar reemplazable de alta temperatura.

Este tipo de sistema de inducción puede incluir un controlador para supervisar y controlar automáticamente la temperatura. Un sistema no equipado con un controlador requiere el uso de un indicador de temperatura. El sistema también puede incluir un interruptor remoto de encendido y apagado. Los sistemas refrigerados por aire pueden utilizarse para aplicaciones de hasta 400 grados F, designándolo como un sistema de precalentamiento solamente.

Sistema refrigerado por líquido. Dado que el líquido se enfría más eficazmente que el aire, este tipo de sistema de calentamiento por inducción es adecuado para aplicaciones que requieren temperaturas más elevadas, como el precalentamiento a alta temperatura y el alivio de tensiones. Las principales diferencias con un sistema refrigerado por aire son la adición de un refrigerador de agua y el uso de una manguera flexible refrigerada por líquido que aloja la bobina de inducción. Los sistemas refrigerados por líquido también suelen utilizar un controlador de temperatura y un registrador de temperatura integrado, componentes especialmente importantes en las aplicaciones de alivio de tensiones.

El procedimiento típico de alivio de tensiones requiere un paso de 600 a 800 grados F, seguido de una rampa o aumento controlado de la temperatura hasta una temperatura de inmersión de aproximadamente 1.250 grados. Tras un tiempo de mantenimiento, la pieza se enfría de forma controlada a una temperatura de entre 600 y 800 grados. El registrador de temperatura recoge datos sobre el perfil de temperatura real de la pieza a partir de una entrada de termopar, un requisito de garantía de calidad para las aplicaciones de alivio de tensiones. El tipo de trabajo y el código aplicable determinan el procedimiento real.

Ventajas del calentamiento por inducción

El calentamiento por inducción ofrece numerosas ventajas, como una buena uniformidad y calidad del calor, un tiempo de ciclo reducido y consumibles de larga duración. Además, es seguro, fiable, fácil de usar, eficiente y versátil.

Uniformidad y calidad. El calentamiento por inducción no es especialmente sensible a la colocación o separación de las bobinas. En general, las bobinas deben estar espaciadas uniformemente y centradas en la junta de soldadura. En los sistemas así equipados, un controlador de temperatura puede establecer los requisitos de potencia de forma analógica, proporcionando la potencia justa para mantener el perfil de temperatura. La fuente de potencia suministra energía durante todo el proceso.

Duración del ciclo. El método de precalentamiento y distensión por inducción permite alcanzar la temperatura con relativa rapidez. En las aplicaciones más gruesas, como las líneas de vapor de alta presión, el calentamiento por inducción puede reducir el tiempo de ciclo en dos horas. Es posible reducir el tiempo de ciclo desde la temperatura de control hasta la temperatura de inmersión.

Consumibles. El aislamiento utilizado en el calentamiento por inducción es fácil de fijar a las piezas de trabajo y puede reutilizarse muchas veces. Además, las bobinas de inducción son robustas y no requieren alambres frágiles ni materiales cerámicos. Además, como las bobinas de inducción y los conectores no funcionan a altas temperaturas, no están sujetos a degradación.

Facilidad de uso. Una de las principales ventajas del precalentamiento por inducción y el alivio de tensiones es su sencillez. El aislamiento y los cables son fáciles de instalar, y normalmente se tarda menos de 15 minutos. En algunos casos, el manejo del equipo de inducción puede enseñarse en un solo día.

Eficiencia energética. La fuente de alimentación del inversor tiene una eficiencia del 92%, una ventaja fundamental en una época en la que los costes de la energía están por las nubes. Además, el proceso de calentamiento por inducción tiene una eficiencia superior al 80%. En cuanto a la potencia de entrada, el proceso de inducción sólo requiere una línea de 40 amperios para 25 kW de potencia.

Seguridad. El precalentamiento y el alivio de tensiones mediante el método de inducción son cómodos para el trabajador. El calentamiento por inducción no requiere elementos calefactores ni conectores calientes. Hay muy pocas partículas en suspensión en el aire asociadas a las mantas aislantes, y el propio aislamiento no se expone a temperaturas superiores a 1.800 grados, que pueden hacer que el aislamiento se descomponga en polvo que los trabajadores pueden inhalar.

Fiabilidad. Uno de los factores más importantes que afectan a la productividad en el alivio de tensiones es un ciclo ininterrumpido. En la mayoría de los casos, la interrupción del ciclo significa que habrá que repetir el tratamiento térmico, lo que es significativo cuando un ciclo térmico puede tardar un día en completarse. Los componentes del sistema de calentamiento por inducción hacen que las interrupciones del ciclo sean improbables. El cableado de la inducción es sencillo, por lo que es menos probable que falle. Además, no se utilizan contactores para controlar la entrada de calor en la pieza.

Versatilidad. Además de utilizar sistemas de calentamiento por inducción para precalentar y aliviar tensiones en tuberías, los usuarios han adaptado el proceso para soldaduras, codos, válvulas y otras piezas. Uno de los aspectos del calentamiento por inducción que lo hace atractivo para formas complejas es la posibilidad de ajustar las bobinas durante el proceso de calentamiento para adaptarse a piezas y disipadores de calor únicos. El operario puede iniciar el proceso, determinar los efectos del calentamiento en tiempo real y modificar la posición de la bobina para cambiar el resultado. Los cables de inducción pueden moverse sin esperar a que se enfríe el aire al final del ciclo.

Calentamiento por inducción antes de las aplicaciones de soldadura

Esta tecnología ha demostrado su eficacia en diversos proyectos, como oleoductos y gasoductos, construcción de maquinaria pesada y mantenimiento y reparación de equipos mineros.

Oleoducto. Una empresa norteamericana de mantenimiento de oleoductos necesitaba calentar la tubería antes de soldar los manguitos de reparación o los accesorios a la circunferencia de 48 pulgadas de la tubería. Aunque los trabajadores podían hacer muchas reparaciones sin tener que detener el flujo de petróleo o vaciarlo de la tubería, la presencia del propio crudo dificultaba la eficacia de la soldadura porque el petróleo que fluía absorbía el calor. Los sopletes de propano requerían una interrupción constante de la soldadura para mantener el calor, y el calentamiento por resistencia -aunque proporcionaba calor continuo- a menudo no podía alcanzar las temperaturas de soldadura requeridas.

Los trabajadores utilizaron dos sistemas de 25 kW con mantas paralelas para obtener una temperatura de precalentamiento de 125 grados en las reparaciones de manguitos envolventes. Como resultado, redujeron el tiempo de ciclo de ocho a 12 horas a cuatro horas por soldadura de circunferencia.

El precalentamiento para la reparación de un accesorio STOPPLE (una unión en T con válvula) fue aún más difícil debido al mayor grosor de las paredes del accesorio. Sin embargo, con el calentamiento por inducción, la empresa utilizó cuatro sistemas de 25 kW con una configuración de manta en paralelo. Utilizaron dos sistemas a cada lado de la T. Un sistema se utilizó en la línea principal para precalentar el aceite, y el segundo se utilizó para precalentar la T en la junta de soldadura circunferencial. La temperatura de precalentamiento era de 125 grados. Esto redujo el tiempo de soldadura de 12 a 18 horas a siete horas por soldadura circunferencial.

Gasoducto de gas natural. Un proyecto de construcción de un gasoducto de gas natural implicaba la construcción de una tubería de 36 pulgadas de diámetro y 0,633 pulgadas de espesor desde Alberta (Canadá) hasta Chicago. En un tramo de este gasoducto, el contratista de soldadura utilizó dos fuentes de potencia de 25 kW montadas en un tractor con las mantas de inducción sujetas a plumas para mayor rapidez y comodidad. Las fuentes de corriente precalentaron ambos lados de la junta de la tubería. La velocidad y el control fiable de la temperatura eran fundamentales para este proceso. A medida que aumenta el contenido de aleación en los materiales para reducir el peso y el tiempo de soldadura, y para aumentar la vida útil de las piezas, el control de las temperaturas de precalentamiento se hace más crítico. Esta aplicación de calentamiento por inducción necesitó menos de tres minutos para obtener la temperatura de precalentamiento de 250 grados.

Maquinaria pesada. Un fabricante de maquinaria pesada solía soldar dientes adaptadores en los bordes de la cuchara de sus cargadoras. El conjunto soldado por puntos se trasladaba una y otra vez a un gran horno, lo que obligaba al operario de soldadura a esperar mientras la pieza se recalentaba repetidamente. El fabricante optó por probar el calentamiento por inducción para precalentar el conjunto y evitar el movimiento del producto.

El material tenía un grosor de 4 pulgadas y, debido a su contenido en aleaciones, requería una temperatura de precalentamiento elevada. Se desarrollaron mantas de inducción a medida para cumplir los requisitos de la aplicación. El aislamiento y el diseño de la bobina ofrecían la ventaja añadida de proteger al operario del calor radiante de la pieza. En general, las operaciones fueron considerablemente más eficientes, reduciendo el tiempo de soldadura y manteniendo la temperatura durante todo el proceso de soldadura.

Equipos de minería. Una mina había estado experimentando problemas de agrietamiento por frío e ineficacia de precalentamiento utilizando calentadores de propano en sus operaciones de reparación de equipos mineros. Los operarios de soldadura tenían que retirar con frecuencia una manta aislante convencional de la pieza gruesa para aplicar calor y mantener la pieza a la temperatura correcta.

La manta de precalentamiento por inducción mantiene la temperatura del borde de la cuchara durante la colocación de los dientes.
La mina optó por probar el calentamiento por inducción utilizando mantas planas refrigeradas por aire para precalentar las piezas antes de soldarlas. El proceso de inducción aplicaba calor a la pieza rápidamente. Además, podía utilizarse de forma continua durante el proceso de soldadura. El tiempo de reparación de la soldadura se redujo en un 50%. Además, la fuente de energía estaba equipada con un controlador de temperatura para mantener la pieza a la temperatura deseada. Esto eliminaba casi por completo las rectificaciones causadas por el agrietamiento en frío.

Central eléctrica. Un constructor de centrales eléctricas estaba construyendo una central de gas natural en California. Los caldereros y los instaladores de tuberías habían sufrido retrasos en la construcción debido a los métodos de precalentamiento y alivio de tensiones que empleaban en las líneas de vapor de la planta. La empresa introdujo la tecnología de calentamiento por inducción para aumentar la eficacia, sobre todo en las líneas de vapor medianas y grandes, que son las que requieren más tiempo de tratamiento térmico en la obra.

La sencillez de envolver las mantas de inducción alrededor de formas complejas, como en esta central eléctrica de gas natural, puede reducir el tiempo de tratamiento térmico.
En un weldolet típico de 16 pulgadas y 2 pulgadas de grosor de pared, el calentamiento por inducción permitió reducir en dos horas el tiempo necesario para alcanzar la temperatura (600 grados) y en otra hora el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de inmersión (de 600 grados a 1.350 grados) para aliviar tensiones.