2º Congreso Internacional y 19ª Jornadas Técnicas de Soldadura

Resumen Trabajo: TRATAMIENTO TÉRMICO POR INDUCCIÓN

Autor: Ángela Lázaro Martín – Gerente – Solysol Paul Graham – Gerente – Rapid Heat Systems Introducción

Este trabajo no pretende desarrollar profundamente los principios que rigen el fenómeno de calentamiento al inducir a un material este tipo de corriente eléctrica, sino divulgar las aplicaciones que se están produciendo en el campo de la soldadura y que se derivan por un lado de la disponibilidad de equipos cada vez más eficaces y eficientes, y por otro lado de la propia experimentación en la práctica de lo que se puede lograr utilizando estos nuevos procesos de calentamiento. Algunas de las aplicaciones más comunes son: el pre y post tratamiento térmico de las uniones soldadas, los tratamientos de eliminación de tensiones y recocido, los tratamientos imprescindibles para los aceros Cr-Mo, en soldaduras de tubería, de acero estructural, de chapas y de virolas. Resulta también de enorme eficacia en la deformación por dilatación uniforme para ajuste y desajuste de piezas a presión, ejes, cojinetes y acoplamientos. Del uso cada vez más difundido del Calentamiento por Inducción y del conocimiento que de su aplicación estamos obteniendo, empiezan a debatirse algunas normativas que se basaron en su día en las limitaciones que suponían las técnicas que se podían emplear con los métodos tradicionales. En cada aplicación se supera una barrera que limitaba la ejecución eficiente de soldaduras y, con ello, aparece la necesidad de comunicar a cualquier empresa involucrada en los tratamientos necesarios para asegurar la calidad de las soldaduras, las ventajas de la utilización del Calentamiento por Inducción tal como hemos desarrollado durante los últimos meses. El presente trabajo expondrá cada uno de los retos superados y el desarrollo obtenido hasta el momento de esta tecnología y con ello, las aplicaciones potenciales que se derivan y las ventajas que supone su uso frente a las tecnologías más tradicionales.

Calentamiento por Inducción. Principios y Aplicación

El fenómeno de calentamiento de un material metálico mediante la aplicación de corrientes de Eddy de alta frecuencia no es algo novedoso y desde hace décadas se conocen los principios físicos y sus posibles aplicaciones. Existe documentación de aplicación práctica de este principio en los años 20 para endurecimiento de metales en la fabricación de motores. El Calentamiento por Inducción es un método Sin-Contacto que utiliza materiales eléctricos conductores que calientan a los materiales sensibles a este fenómeno que se encuentran dispuestos de forma que la corriente eléctrica inducida sea eficiente en la elevación de la temperatura hasta los niveles deseados. Utilizando alta frecuencia, la corriente alterna en las bobinas del material conductor crea un campo magnético alternado muy rápido. Este campo magnético atraviesa el material que se pretende calentar creando un flujo de corriente (Corrientes de Eddy) en dicho material; el calor se genera debido a la resistencia que opone el material al flujo de la corriente de Eddy (pérdida de I2R).

Figura 1. Representación gráfica del Principio de Generación

de Corrientes Inducidas en un componente.

Más recientemente, con la necesidad de mejorar productividad y costes a la vez que la calidad de los productos, la tecnología ha producido aparatos basados en estos principios redescubiertos para las aplicaciones industriales y domésticas que contribuyen al desarrollo que venimos experimentando hace tiempo. Lo que hace que este método de calentamiento resulte tan efectivo es que, en lugar de utilizar una fuente de energía que calienta el componente desde su superficie exterior, como los métodos más tradicionales, la llama o los elementos de resistencias incandescentes, es el propio componente el que queda en realidad “inducido” al circular por él la corriente electromagnética que se le aplica, con lo que dicho componente se “autocalienta”. Al exponer el funcionamiento de los equipos de calentamiento basados en el principio físico de la Inducción de Corrientes de Eddy, aún se piensa en los procesos más tradicionales que necesitan del contacto físico de los elementos calientes con los materiales que deben calentarse. Todo lo contrario, las diferencias intrínsecas de ambos procesos son las que suponen las grandes ventajas que en soldadura se obtienen al aplicar este principio de Calentamiento por Inducción.

Descripción del Equipo Necesario El equipo básico resulta, hoy, relativamente sencillo. Básicamente se requiere una fuente de corriente alterna de alta frecuencia y elementos de conducción de dicha corriente que puedan ser dispuestos sobre el componente que desee calentarse o tratarse de forma efectiva. Es en este punto donde este proceso, en realidad sencillo, resulta más complicado de usar en la práctica. Una configuración errónea o una elección no adecuada de los elementos que componen el equipo necesario, puede dar como resultado una distribución de temperaturas no deseada y, por lo tanto, un detrimento importante o incluso catastrófico de las propiedades mecánicas o dimensionales del componente que se trate. Resulta pues, un proceso muy sencillo de utilizar que, como otros, si se utiliza sin el conocimiento necesario de los efectos de las temperaturas en los materiales y sin la experiencia de la configuración más adecuada a cada aplicación, puede resultar en una práctica muy arriesgada. No obstante, llama la atención, a medida que se van conociendo las ventajas del control exacto de las temperaturas que se obtiene con el calentamiento por inducción, una vez se domina su uso, que, hasta el momento, el uso de técnicas más convencionales, como la llama o la resistencia, también a veces de forma incontrolada, no haya supuesto o al menos no se conozcan los graves efectos que se producen al calentar un material con los importantes gradientes de temperaturas que se obtienen en la sección de los componentes calentados. En la aplicación industrial, quizá debido a los medios disponibles en cada momento, los usuarios no se escandalizan de las prácticas que serían impensables en las aplicaciones domésticas, aunque los efectos resultan igualmente comparables. A nadie se le ocurriría asar un alimento poniéndolo directamente sobre una llama o bien sobre una resistencia al rojo: su superficie quedaría totalmente abrasada mientras el interior estaría completamente crudo. Si esto es tan obvio, ¿cómo calentamos materiales metálicos, conociendo los efectos que las temperaturas y tratamientos térmicos causan en sus estructuras metalográficas y por consiguiente en sus propiedades, usando técnicas que nunca usaríamos con un alimento?. Una posible forma de clasificación de los equipos para calentamiento por inducción es según la temperatura que desee alcanzarse en los componentes a calentar y, por tanto, en el tipo de tratamiento térmico que se realiza. Así, podemos tener: Equipos para Precalentamiento:

• Para temperaturas en los componentes a calentar de hasta 204°C (400°F) • Sistemas refrigerados por aire

Equipos para Tratamiento Térmico:

• Para temperaturas en los componentes a calentar de hasta 788°C (1450°F) • Sistemas refrigerados por agua • Pueden usarse también para Precalentamiento a menores temperaturas • Para tratamientos de deshidrogenado • Para tratamientos de Relajación de Tensiones y PWHT • Para Encajar/Desencajar components en montaje mediante dilatación homogénea • Y otras muchas aplicaciones

Un equipo completo puede programarse para hacer varios tipos de trabajos:

• Precalentamiento: Programar una temperatura objetivo y un tiempo de mantenimiento.

• Deshidrogenado: Programar la temperatura de deshidrogenado, el tiempo de mantenimiento, la temperatura y velocidad de enfriamiento en grados/hr.

• P.W.H.T: Programar la rampa de subida de temperatura en grados/hr

La temperatura de tratamiento y tiempo de mantenimiento (para el enfriamiento, si no se programa de otra forma, el equipo usará automáticamente la misma rampa)

• Programa Libre: Para programación de tratamientos diferentes de los anteriores: descongelación de tuberías, tratamientos experimentales, etc.

Fig. 2 – Disposición de un equipo para tratamiento a baja temperatura (Precalentamiento)

Fig. 3 – Disposición de un equipo para tratamiento a elevada temperatura (PWHT)

Fig. 4 – Selección de diferentes programas en el equipo.

Nota: el equipo puede programarse y controlarse bien en °C o en °F

Cables de calentamiento:

Fig. 5 – Imagen de un ciclo de PWHT controlado por el Termopar N. 1 a 604°C

Fig. 6 – Imagen de un ciclo de PWHT controlado por el Termopar N. 1 con una programación de rampa de subida desde temperatura de 300ºC a una velocidad de

200ºC/h, mantenimiento a la temperatura objetivo de 600ºC durante 1 h, y a falta de otra programación, rampa de bajada de temperatura idéntica a la de subida.

Fig. 7 – Cable refrigerado por agua. Para usar a temperatura de hasta 788ºC, protegido por una funda especial, que puede usarse en varias configuraciones y longitudes

Equipo de Grabación de Datos:

Fig. 8 –Manta refrigerada por aire. Para usar a temperatura de hasta 204ºC, protegida por una funda especial, ligera y flexible, que puede usarse en varias configuraciones y longitudes. Su uso principal es para Precalentamiento de uniones de tubería.

Fig. 10 –Equipo de Grabación de Trabajos: • Graba toda variación de temperatura

del equipo al que se conecta en relación a fecha y hora.

• Pantalla de alta resolución en color con display táctil.

• Puede grabar hasta 18 canales o equipos

• Con selección en múltiples idiomas • Puede marcarse cada trabajo o

proyecto con la información que se desee, para su perfecto seguimiento y control.

• Los datos pueden extraerse mediante conexión USB.

• Impresión local de gráficos

Fig. 9 –Equipo de pequeña potencia monofásico, ligero y portátil con cables refrigerados por aire, capaz de proporcionar temperaturas de hasta 700ºC en componentes de tamaños más pequeños

Fig. 11. Ejemplo de tratamiento mostrando las variaciones de temperatura indicadas por 4 termopares durante varias horas de trabajo. Resulta prácticamente imposible conseguir gráficos tan iguales de cada termopar en diferentes posiciones de un componente con técnicas tradicionales.

Clamp para componentes en rotación

El hecho de que el calentamiento por inducción no requiera contacto de los elementos calentadores con el componente que se calienta, permite diseñar configuraciones para que la transmisión de las corrientes de inducción se realice en componentes en movimiento. La aplicación más habitual y útil en la fabricación de componentes metálicos de naturaleza cilíndrica, como virolas o tubería, que pueden calentarse a medida que la soldadura de las juntas se realiza en las posiciones más favorables.

Fig. 12 –Clamp rotacional Patentado por RHS para precalentamiento por Inducción. • Dimensiones de virola: 1220 mm OD /

Espesor de pared: 25 mm • Calentamiento desde temperatura

ambiente a 120ºC en 7 minutos en la totalidad de la junta y con gradientes de temperatura interior y exterior inferiores a 0,5ºC.

Clamps de rápida configuración para juntas y aplicaciones repetitivas

Para optimizar la colocación de los elementos de transmisión de energía electromagnética, en casos en que los componentes que deben calentarse tengan geometrías repetitivas, la fabricación de clamps adaptados especialmente a dichas configuraciones supone grandes ventajas que resultan obvias. Los ejemplos típicos son los clamps preparados para un cierto diámetro de tubería, con mayor o menor número de vueltas para diferente concentración de campo electromagnético y por lo tanto, para variación de efectividad de calentamiento, según el caso.

Fig. 13 –Clamp rotacional Patentado por RHS para precalentamiento por Inducción. • Dimensiones de virola: 3500 mm OD /

Espesor de pared: 19 mm • Usando dos clamps rotacionales • Mantenimiento de temperatura de

precalentamiento a 150ºC en toda la longitud de junta con gradientes de temperatura interiores y exteriores inferiores a 0.5ºC.

Fig. 14 – Bobinas de inducción fabricadas según especificaciones concretas.

La colocación de estos clamps, de forma rápida y limpia permite en el primer ejemplo que se muestra en la figura anterior, calentar una junta de tubería de 1220 mm de diámetro y 25 mm de espesor de pared, a 120ºC en tan solo ocho minutos ¡!.

Ventajas Los beneficios clave que se obtienen de forma inmediata frente a los métodos de calentamiento tradicionales como Llama o Resistencia Eléctrica son:

• La energía apenas refleja sobre la superfice que se calienta. Esto supone una pérdida mínima de energía y calor y por tanto una efectividad máxima de la energía que se aplica en calentar

• Concentración de la energía en la zona inducida. Con ello, el calor se aplica de forma controlada y local exclusivamente a la zona que se desea. La zona afectada por dicho calor y por tanto, susceptible a transformaciones de estructuras metalográficas no deseadas es mínima. Otra ventaja asociada a este fenómeno es que pueden calentarse, incluso a temperaturas muy elevadas, componentes que contentan elementos inflamables o que no se desean calentar a dichas temperaturas si no son susceptibles de inducirse con la corriente aplicada.

Fig. 15 –PWHT a 700ºC de un intercambiador con tubos ya rellenos con material aislante con baja temperatura de ignición.

• Los soldadores y operarios pueden estar en contacto directo y tocar los cables refrigerados mediante los que se realiza el calentamiento lo cual se refleja inmediatamente en:

• Un aumento de la productividad, confort y seguridad de estas personas, • Se elimina el uso de gases combustibles y los efectos que ello conlleva, • Se reduce substancialmente el riesgo de electrocución y de incendio, y,

fundamentalmente, • Se logra un calentamiento uniforme, controlado y extremadamente rápido en todo el

espesor del material que se calienta. Ver Figura 17. • Cuando se realiza una configuración adecuada y se escoge el equipo idóneo, el proceso

es sumamente repetitivo y controlable. • Adaptabilidad. Ver figura 20.

Adicionalmente, los equipos desarrollados incorporan las tecnologías de comunicación más actuales que permiten el almacenamiento preciso de todos los datos relativos al tratamiento térmico que se realiza a largo del tiempo o en períodos determinados con dichos equipos. Mediante esta técnica, se realizan tratamientos en cualquier lugar y componente, independientemente de su tamaño, diseño o forma, desde precalentamientos y mantenimiento uniforme de la temperatura entrepasadas, hasta post-tratamientos térmicos de deshidrogenación o incluso de hasta 815ºC, con perfecto control de las rampas de subida y bajada o el mantenimiento de la temperaturas especificadas en los códigos y normas más estrictos. Las variaciones de temperatura son perfectas y rápidamente controladas, con lo que se puede alcanzar una temperatura diferente en un brevísimo espacio de tiempo o bien programar una variación de temperatura lenta y estable, según lo que se precise en cada momento. Homogeneidad de Mapa Térmico (Thermal Imaging)

Fig. 16 - La imágenes obtenidas en la elaboración de un mapa térmico muestran claramente la focalización del calor y su distribución homogénea y uniforme en el área de trabajo resultando en una mayor calidad de soldadura.

Fig. 17 –Imagen de un PWHT con termopares colocados en interior y exterior y en diferentes posiciones de la circunferencia, de una junta de virola de 3.5 m de diámetro y espesor de pared de 95 mm

Fig. 18 –Soldador manual soldando una pieza de 4 m de diámetro, 95 mm de espesor de pared, mientras su temperatura de precalentamiento se mantiene uniforme a 175ºC. El soldador puede incluso apoyarse en los cables de calentamiento para mantener su pulso: “¡Por fin, alguien piensa en nosotros!”

Fig. 19 –Calentamiento por resistencia comparado con Calentamiento por Inducción. El tiempo de colocación por el primer método es superior, pero sobre todo lo es el necesario para alcanzar la temperatura deseada. Ningún soldador puede trabajar mientras los elementos están incandescentes, con lo que se deben retirar las resistencias para continuar el trabajo. La limpieza y comodidad de soldador con el calentamiento por inducción, además del tiempo necesario para alcanzar la temperatura y la precisión en su mantenimiento en toda la junta son muy superiores, como se puede ver en las imágenes.

a) Calentamiento por Resistencia

b) Calentamiento por Inducción

Fig. 20 – La configuración puede adaptarse a diferentes geometrías de componentes: tubos, codos, válvulas, vigas, juntas variadas,…

Seguridad:

• Los soldadores pueden trabajar de forma más eficiente y segura durante el

precalentamiento.

Fig. 21 – Calentamiento de piezas de difícil geometría, mientras se suelda, evitando distorsión y fisuración en materiales templables.

APLICACIONES PRÁCTICAS RECIENTES La exposición de algunas de las aplicaciones más recientes pueden ayudar a imaginar el potencial de esta tecnología y a su desarrollo en el futuro. Aplicación en precalentamiento de fabricación de pipelines:

Fig. 22 –PWHT local en componente totalmente terminado, evitando nuevos tratamientos de partes internas y los riesgos asociados a ellos.

Aplicación en Precalentamiento y PWHT de diferentes configuraciones de juntas de aceros al carbono y de baja aleación resistentes a fluencia: en algunos casos, otros tipos de precalentamiento de las juntas simultáneamente hubieran sido impracticables con otras técnicas. La gran ventaja adicional en estas situaciones es el mínimo tamaño de las zonas tratadas.

Aplicación en encaje y desencaje de componentes mediante la dilatación a temperaturas relativamente bajas y controladas. El calentamiento uniforme en la longitud de la zona a dilatar hace que el desprendimiento de las piezas sea muy rápido a un calentamiento muy pequeño.

Aplicación submarina: el calentamiento mediante otras técnicas bajo el agua sigue suponiendo un reto para superar, que se ha conseguido gracias a la tecnología de Inducción.

CONCLUSIÓN La innovación supone en primer lugar el deseo de superar los retos y mejorar los resultados que se obtienen de forma “cómoda” y tradicional. Hay que realizar inversiones económicas, de esfuerzo y recursos y luchar contra el inmovilismo de empresas, clientes, normativas (que usualmente por otro lado ya dejan abiertas posibilidades de uso de tecnologías diferentes a las prescritas si previamente se demuestran los resultados que se obtienen y la experiencia en su uso). Afortunadamente, la visión de algunas personas y su resistencia a conformarse con lo ya establecido ha movido nuestro desarrollo desde el principio de los tiempos. Las ventajas de este proceso son incontestables y ya se usan en todo el mundo, gracias a la visión de Rapid Heat Systems. Hoy están disponibles también en España gracias a la visión de Solysol.

Fig. 23 – Muestra de uno de nuestros parques de maquinaria de calentamiento por inducción para alquiler.