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Escuela y Educador de Soldadura

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CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN

Homologación de procedimiento de soldadura inducción

 

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).

Calentamiento por inducción

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.

Debe tenerse en cuenta que 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.

Para la aplicación del proceso es preciso tener el conocimiento necesario de los efectos de las temperaturas en los materiales y  experiencia sobre la configuración más adecuada a cada aplicación, o de lo contrario, resultar en una práctica muy arriesgada.

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, o también refrigerados por aire, proporcionando el aislamiento adecuado a los cables
  • 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
Calentamiento tubo en carga

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.

Curvas calentamiento por inducción

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

Precalentamiento virola 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.

Ventajas del Calentamiento por Inducción

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.
  • 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.
    • Cuando se realiza una configuración adecuada y se escoge el equipo idóneo, el proceso es sumamente repetitivo y controlable.
    • Adaptabilidad: Se puede usar sobre elementos con multitud de geometrías.
  • Homogeneidad del mapa térmico: las diferencias de temperatura en todo el espesor de material y a lo largo de la superficie que se calienta es mínima desde el comienzo del tratamiento. Utilizando otras técnicas como llama, resistencia, horno, debe esperarse que el calor difumine a través del espesor del material, con lo que las áreas más superficiales están sometidas a altas temperaturas durante mucho más tiempo hasta lograr que el interior llegue también a la temperatura deseada.
  • Rapidez en lograr la temperatura deseada, escogiendo el equipo o combinación de equipos que proporcionen la energía necesaria según las dimensiones del componente a calentar y el aislamiento térmico del mismo.

Ejemplos de aplicaciones

Precalentamiento y postratamiento por inducción

Precalentamiento de junta a soldar en virola de reactor de gran diámetro (5 m) y espesor de pared (250 mm)

Precalentamiento soldadura de tubo

Precalentamiento de junta a soldar en fabricación de gasoductos/oleoductos en línea

Post tratamiento térmico local con inducción

Post-Tratamiento Térmico local y controlado, sin afectación de soldaduras que no precisan de re-tratamiento

Precalentamiento local con inducción

Calentamiento de componentes de geometrías difíciles de calentamiento de juntas a soldar sin afectar al soldador

Precalentamiento de soldadura fillet circunferencial y longitudinal de unión de tejas, way-tees o accesorios de conducciones de tubo a pleno servicio

Permanent full operation pipeline repair
Permanent pipeline repair during full operation
Permanent repair welding on pipeline

Tratamiento térmico local de soldaduras

 

Precalentamiento y Deshidrogenado de chapas de gran espesor de aceros al carbono y de baja aleación de alto límite elástico

Calentamiento por inducción para soldadura

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