Control de la energía de soldadura en la soldadura de tuberías dúplex: prevención de la embrittlement por fase sigma en la zona afectada térmicamente (ZAT)

Si solda aceros inoxidables dúplex o súper dúplex (DSS/SDSS), está caminando sobre una cuerda floja. Si la temperatura es demasiado baja, obtendrá una cantidad excesiva de ferrita y una pérdida de tenacidad. Si es demasiado alta, invitará al asesino silencioso de las soldaduras dúplex: Embrittlement por fase sigma (σ) en la zona afectada térmicamente (ZAT).

La fase sigma es un compuesto intermetálico que vuelve frágiles las soldaduras y destruye la resistencia a la corrosión. Aunque se forma en el metal base durante un tratamiento térmico inadecuado, en la soldadura es una consecuencia directa de una mala control de entrada de calor .

Este artículo ofrece un análisis técnico detallado sobre cómo ajustar su aporte de calor para prevenir la formación de sigma en la soldadura de tuberías dúplex, garantizando así la integridad mecánica y la resistencia a la picadura.

El problema: ¿por qué se forma la fase sigma en la ZAC?

La precipitación de la fase sigma ocurre cuando la zona afectada por el calor (ZAC) de la soldadura se expone a temperaturas aproximadamente comprendidas entre 600 °C y 950 °C durante demasiado tiempo . En una microestructura dúplex, la fase sigma se nuclea principalmente en las interfaces ferrita/austenita. Creciente mediante la consumición de ferrita (δ), rica en cromo y molibdeno —precisamente los elementos que otorgan a los aceros dúplex su resistencia a la corrosión— .

El mecanismo es eutectoide: δ → σ + γ₂ (austenita secundaria) . A medida que se forma la fase sigma, extrae cromo y molibdeno de la matriz circundante. Una vez precipitada, su eliminación requiere un tratamiento completo de recocido en solución (1050-1100 °C), lo cual resulta poco práctico para tramos largos de tubería. en estado como soldado, la fase sigma constituye una fase dura y frágil que reduce drásticamente la tenacidad al impacto y la resistencia a la picadura.

La variable principal: aporte de calor y velocidad de enfriamiento (t12/8)

Aunque la composición química es fundamental, el ciclo térmico es el factor desencadenante. El estándar industrial para medirlo es el tiempo de enfriamiento desde 1200 °C hasta 800 °C (t12/8) . Este rango abarca la ventana crítica tanto para la formación de austenita como para la precipitación de sigma.

Para evitar la formación de sigma manteniendo al mismo tiempo el equilibrio de fases, generalmente se requiere un valor de t12/8 de 8 a 15 segundos . Si t12/8 supera aproximadamente los 15 segundos (lo que ocurre con un alto aporte de calor), existe riesgo de formación de sigma. .

Para un acero dúplex con 22 % Cr (como el 2205), el aporte de calor recomendado para la soldadura de tuberías suele oscilar entre 0,5 kJ/mm y 2,5 kJ/mm para espesores de pared de 10 a 15 mm sin embargo, estudios recientes sugieren que estos límites no son estáticos; varían según el espesor de la pared y la geometría de la junta.

Nuevas perspectivas: el espesor de la placa cambia las reglas

Una investigación reciente cuestiona la suposición de que «una alta aportación de calor siempre es perjudicial». Un estudio de 2025 sobre la soldadura de aceros dúplex en placas gruesas demostró que, para placas con un espesor superior a 10 mm, el límite superior de aportación de calor aumenta significativamente. .

• Para tuberías de pared delgada (< 10 mm): La disipación lenta del calor mantiene la zona afectada por el calor (ZAC) a alta temperatura. Es fundamental utilizar los cálculos estándar de aportación de calor para evitar perforaciones o sobrecalentamiento.

• Para tuberías de pared gruesa (> 14 mm): La masa de la tubería actúa como un sumidero térmico masivo, extrayendo el calor rápidamente. En estos casos, se requiere una mayor aportación de calor para lograr una fusión adecuada y la formación de austenita. El estudio confirmó que, con placas de 20 mm de espesor, se emplearon aportaciones de calor de 5 kJ/mm y 7 kJ/mm sin que se produjera ninguna precipitación de sigma en la zona afectada por el calor (ZAC) .

Conclusión: Debe calcular la entrada de calor en relación con el espesor del material. Cuanto más grueso sea el tubo, mayor podrá ser la entrada de calor "segura", ya que la velocidad de enfriamiento sigue siendo lo suficientemente rápida como para evitar la nariz sigma de la curva TTT.

El reto del acero dúplex super (grados 25Cr)

Al soldar aceros dúplex super (por ejemplo, 2507, Zeron 100), el margen de error se reduce. Estos materiales con mayor contenido de aleantes presentan una mayor fuerza impulsora para la precipitación de sigma.

• Sensibilidad del pase de raíz: En la soldadura de tuberías, el pase de raíz es particularmente vulnerable. Las investigaciones sugieren que los pases de raíz deben realizarse con una más alto entrada de calor (superior a 1,0 kJ/mm) en comparación con los primeros pases posteriores. ¿Por qué? Una baja entrada de calor en el pase de raíz puede provocar la precipitación de nitruros de cromo en la superficie interior debido a la falta de recalentamiento. .

• Adecuación para el uso: Aunque las especificaciones suelen exigir una ausencia total de fase sigma, la realidad industrial (especialmente en los proyectos del Mar del Norte del Reino Unido) muestra que, en ocasiones, se puede tolerar una cantidad limitada de fase sigma en la zona afectada térmicamente (ZAT) de baja temperatura (a 2-5 mm de la línea de fusión). Algunos estudios han aceptado hasta una fracción volumétrica del 2,5 % de fase sigma en la ZAT, siempre que se superen las pruebas de tenacidad a la fractura CTOD (desplazamiento de apertura de la punta de grieta) y las pruebas de corrosión ASTM G48 . Sin embargo, este límite corresponde a una calificación, no a un objetivo de producción.

Directrices prácticas para el ingeniero en soldadura

Para prevenir la formación de la fase sigma en soldaduras de tuberías dúplex, vaya más allá de las reglas genéricas de «bajo aporte de calor». Aplique los siguientes controles:

1. Controlar la temperatura entre pasadas

La fase sigma se acumula. Al añadir nuevas pasadas, la ZAT de las pasadas anteriores se recalienta dentro de la zona peligrosa (700-900 °C). Por tanto, limite estrictamente la temperatura entre pasadas. Para aceros dúplex súper dúplex (25 % Cr), la temperatura máxima entre pasadas suele ser 150°C  . Para aceros dúplex estándar con 22 % Cr, el límite habitual es de 200 °C .

2. Evitar la trampa de «muchas pasadas pequeñas»

Parece contraintuitivo, pero utilizar un gran número de pasadas con bajo aporte de calor puede ser más peligroso que realizar menos pasadas, pero de mayor tamaño. Cada pasada pequeña recalienta la ZAC previa, envejeciendo efectivamente el material y provocando la precipitación de las fases sigma y chi (χ). .

• Estrategia: Utilice una secuencia de soldadura que minimice el número de ciclos térmicos en cualquier área específica de la ZAC.

3. Equilibrar los números de ferrita

La fase sigma se forma más fácilmente en la ferrita. Si el contenido de ferrita en su ZAC supera el 70-75 %, el riesgo de precipitación de sigma aumenta drásticamente, ya que hay más ferrita inestable disponible para transformarse.

• Asegúrese de que sus gases de protección y metales de aportación favorezcan una reformación adecuada de austenita. Los aportes a base de níquel ayudan, pero tenga precaución: un mayor contenido de Ni amplía el rango de temperaturas en el que se forma la fase sigma. .

4. Calcular el aporte de calor efectivo

No confíe en la «sensación intuitiva». Utilice la fórmula:

$$\text{Entrada de calor (kJ/mm)}=\frac{\text{Voltaje (V)}\times \text{Corriente (A)}\times 60}{\text{Velocidad de avance (mm/min)}\times 1000}$$

Para los procesos GTAW (TIG), recuerde tener en cuenta el factor de eficiencia térmica (η), que suele ser aproximadamente 0,6 para TIG. .

Conclusión

La fragilización por fase sigma es un modo de fallo evitable. Es una señal de que la soldadura recibió demasiado calor durante demasiado tiempo, ya sea de forma global (alta aportación de calor en tuberías delgadas) o local (recalefacciones múltiples debidas a pasadas pequeñas).

La soldadura moderna de tuberías dúplex exige un cambio desde "seguir el procedimiento de soldadura calificado (WPS)" hasta comprender la historia térmica . Al controlar los tiempos de enfriamiento t12/8, respetar los límites de temperatura entre pasadas y ajustar la aportación de calor según el espesor real de la pared de la tubería, se pueden obtener microestructuras en la zona afectada térmicamente (ZAT) libres de fase sigma, tenaces y resistentes a la corrosión.