Soldadura sin costura frente a soldadura ERW: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción se enfrentan habitualmente a la decisión de elegir entre tubos y tuberías de acero sin soldadura y ERW (soldadura por resistencia eléctrica). Esta decisión suele sopesar los requisitos de rendimiento, como la resistencia, la tenacidad y la resistencia a la corrosión, frente al coste, la disponibilidad y las necesidades de fabricación posteriores, como la soldadura y el conformado. Para condiciones de servicio que impliquen alta presión interna, baja resistencia al impacto a bajas temperaturas o tolerancias dimensionales estrictas, puede preferirse una solución; para aplicaciones estructurales o de distribución de gran diámetro y menor coste, suele predominar la otra.

La comparación se basa en las diferencias de fabricación del tubo y en cómo este proceso afecta las propiedades del material y el comportamiento de la soldadura. Estas diferencias influyen en la microestructura, la respuesta al tratamiento térmico, la integridad de las soldaduras y los límites prácticos del postprocesamiento.

1. Normas y designaciones

Entre las normas y designaciones comunes que encontrará tanto para aceros sin soldadura como para aceros ERW se incluyen:

• ASTM / ASME (Estados Unidos): por ejemplo, especificaciones ASTM A106, A179, A192, API 5L para tuberías de línea; ASME SA-106, SA-179.
• EN (Europeo): EN 10216 (sin costura), EN 10217 (soldado), EN 10210/10219 para perfiles estructurales huecos.
• JIS (Japón): JIS G3452 (tuberías de acero sin costura para calderas), JIS G3461 (ERW).
• GB (China): GB/T 8162 (tubos de acero al carbono sin costura para estructuras generales), GB/T 3091 (ERW).

Clasificación por tipo de material: - Acero al carbono: común tanto para soldadura sin costura como para soldadura ERW. - Aleación y HSLA: disponibles en ambas formas; los grados HSLA y microaleados suelen ser sin costura, pero también se producen como ERW. - Acero inoxidable: producido tanto sin soldadura como soldado (incluidas las variedades soldadas con ERW y TIG). - Aceros para herramientas: raramente se producen en forma de tuberías; quedan excluidos de las especificaciones típicas de los tubos.

2. Composición química y estrategia de aleación

La composición de un tubo viene determinada por el grado (carbono, HSLA, aleación, acero inoxidable) y no por el método de fabricación. Sin embargo, las filosofías de control típicas difieren: los fabricantes de tubos sin soldadura suelen priorizar un control composicional más estricto para aplicaciones que requieren alta presión o bajas temperaturas, mientras que los fabricantes de tubos ERW pueden optimizar la química para lograr una mejor conformabilidad y soldabilidad a gran escala.

Elemento	Sin fisuras (control típico)	ERW (control típico)	Papel en las propiedades
C (Carbono)	Controlado para cumplir con los requisitos de resistencia/templado	Controlado en cuanto a resistencia y soldabilidad	Determinante principal de resistencia/templado
Mn (manganeso)	Presente en niveles de fortalecimiento y desoxidación	Presente; a menudo ligeramente superior para la desoxidación en productos soldados	Refuerzo por solución sólida; afecta la templabilidad
Si (silicio)	Desoxidante; limitado en grados para bajas temperaturas	Desoxidante; controlado para la calidad de la soldadura	Desoxidante; influye en la resistencia y la formación de incrustaciones.
P (Fósforo)	Se mantiene bajo para mayor resistencia	Limitada en cuanto a ductilidad y soldabilidad	Riesgo de fragilidad si es alto
S (Azufre)	Niveles bajos; MnS controlado	Controlado; puede ser mayor en grados de fácil mecanizado.	Afecta a la maquinabilidad y puede reducir la tenacidad.
Cr (Cromo)	Aleación para mejorar la resistencia/corrosión en aceros aleados	Se utiliza en aceros electroresistentes aleados para mayor resistencia.	Mejora la templabilidad y la resistencia a la corrosión
Ni (níquel)	Añadido para mayor resistencia y servicio a bajas temperaturas	Se utiliza selectivamente por su tenacidad/resistencia.	Mejora la tenacidad y la resistencia a la corrosión
Mo (molibdeno)	Se utiliza para mejorar la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas.	Función similar en grados ERW aleados	Mejora la resistencia a la fluencia y la resistencia mecánica.
V, Nb, Ti (Microaleación)	Común en HSLA/sin costuras para el refinamiento del grano	Se utiliza en grados ERW HSLA, pero puede optimizarse para el procesamiento en molino.	Refinamiento del grano, fortalecimiento por precipitación
B (Boro)	Adiciones traza para mejorar la templabilidad en grados templados	A veces se utiliza en grados tratados térmicamente.	Potente potenciador de la endurecimiento en niveles de ppm
N (Nitrógeno)	Controlado, especialmente en aceros inoxidables	Controlado para conformado/soldadura	Estabiliza la austenita en el acero inoxidable; afecta la corrosión

Explicación: Los elementos de aleación se seleccionan para lograr un equilibrio entre resistencia, tenacidad, templabilidad y comportamiento ante la corrosión. Los microelementos de aleación (V, Nb, Ti) refinan el tamaño de grano y permiten obtener mayores resistencias sin comprometer la ductilidad cuando se utilizan procesos termomecánicos o laminación controlada.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Los tubos sin soldadura y los tubos ERW pueden partir de aceros base similares, pero sus microestructuras resultantes difieren debido al proceso de conformado y al historial térmico.

• Tubos sin soldadura: Se fabrican mediante perforación y elongación de un tocho macizo o mediante perforación rotativa y laminación. El proceso somete el material a una deformación plástica significativa y a ciclos de recristalización a alta temperatura, lo que suele generar una microestructura relativamente uniforme en todo el espesor de la pared. Para los aceros al carbono y HSLA, la estructura laminada suele ser de ferrita-perlita en los aceros de menor resistencia; en los aceros templados y revenidos, se puede obtener martensita/martensita revenida tras un tratamiento térmico adecuado.
• Tubos ERW: Se fabrican formando una tira o placa plana y uniendo sus bordes mediante soldadura por resistencia eléctrica. La soldadura se somete a un calentamiento localizado y un enfriamiento rápido, lo que genera una zona afectada térmicamente (ZAT) bien definida y un metal de soldadura con microestructuras que dependen de la energía y la composición química de la soldadura. Se ajustan la composición química de la bobina y los parámetros de soldadura para minimizar las diferencias en las propiedades de la soldadura con respecto al metal base.

Respuesta al tratamiento térmico: Normalización/refinamiento: Tanto los tubos sin soldadura como los ERW se benefician de la normalización para homogeneizar la microestructura. Los tubos sin soldadura generalmente responden de manera uniforme; las soldaduras ERW requieren atención a la ZAT para evitar picos de dureza indeseables. Temple y revenido: Se utiliza para aceros de alta resistencia; los aceros sin soldadura microaleados con composición química controlada suelen presentar una excelente respuesta. En la soldadura ERW, la metalurgia de la soldadura debe ser compatible con los ciclos de temple y revenido (es decir, la composición química del metal de soldadura y la ZAT deben alcanzar las microestructuras objetivo sin sobreendurecimiento). - Procesamiento termomecánico: Más común y controlable en la producción sin costuras, lo que permite obtener aceros HSLA de grano fino, alta resistencia y buena tenacidad.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades dependen de la calidad, el tratamiento térmico y el control de fabricación. La tabla siguiente compara cualitativamente los atributos mecánicos típicos.

Propiedad	Sin costura	ERW	Notas
Resistencia a la tracción	Alto, uniforme a través de la pared	Similar en metal base; la costura puede variar	La integridad de la costura afecta al rendimiento de tracción local
Resistencia a la fluencia	Alto con buena uniformidad	Similar; posible ablandamiento o endurecimiento de algunas costuras	El rendimiento se controla mediante microaleación y tratamiento térmico.
Alargamiento (ductilidad)	Consistente a lo largo de la sección	Buen comportamiento en el metal base; la zona de la junta puede reducir la ductilidad local.	La calidad de las costuras y el control de la ZAT son críticos.
Dureza al impacto	A menudo superior, especialmente para grados de baja temperatura.	Es bueno cuando se especifica; la zona de peligro puede ser una preocupación.	Opción habitual e ideal para servicios críticos a baja temperatura
Dureza	Uniforme tras el tratamiento térmico	Posibles gradientes de dureza en la costura/ZAT	El tratamiento térmico debe tener en cuenta la metalurgia de la costura.

¿Cuál es más resistente/tenaz/dúctil? Ninguna de las dos formas es inherentemente más resistente; la resistencia la determinan la calidad del material y el tratamiento térmico. La fabricación sin costuras permite obtener propiedades más uniformes en todo el espesor y suele especificarse cuando se requiere máxima tenacidad, uniformidad y capacidad de alta presión. La soldadura ERW puede lograr propiedades equivalentes a las del metal base, pero exige un control estricto del proceso en la soldadura.

5. Soldabilidad

La soldabilidad es un factor clave y está determinada por el equivalente de carbono y la presencia de elementos de aleación o microaleación. Dos índices comunes útiles para la evaluación cualitativa son:

• Instituto Internacional de Equivalente de Carbono en Soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (para susceptibilidad al agrietamiento por frío): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación: Los valores más bajos de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ se correlacionan con una soldabilidad más sencilla y un menor riesgo de endurecimiento de la ZAT y fisuración en frío. Los tubos sin soldadura destinados a servicio de alta resistencia o templados y revenidos pueden tener una mayor templabilidad y, por lo tanto, requieren precalentamiento/postcalentamiento o procedimientos de soldadura controlados. Los productos ERW suelen optimizarse para su soldabilidad durante la producción de la banda (la composición química y las condiciones de laminación se eligen para minimizar la endurecimiento en la costura). Sin embargo, la costura y la ZAT son zonas localizadas donde la reparación mediante soldadura o la soldadura posterior deben tener en cuenta las posibles diferencias en la composición química y la microestructura. - Para los aceros inoxidables, las consideraciones sobre soldabilidad incluyen la sensibilización y el contenido de nitrógeno; para los aceros dúplex o superdúplex, el PREN y el equilibrio de fases rigen la práctica de soldadura.

6. Corrosión y protección de superficies

Aceros no inoxidables: Tanto los aceros al carbono/HSLA sin soldadura como los ERW requieren recubrimientos protectores para aplicaciones propensas a la corrosión: galvanizado en caliente, epoxi fusionado, sistemas de pintura o revestimientos internos. La estrategia de recubrimiento viene determinada por el entorno y la vida útil, más que por el método de fabricación del tubo, si bien la geometría de la soldadura puede afectar a la uniformidad y la adherencia del recubrimiento.

Aceros inoxidables: - En el caso de los aceros inoxidables, la resistencia a la corrosión depende de la composición de la aleación. El número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN) es útil para las aleaciones austeníticas/dúplex: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - El PREN no se aplica a los aceros al carbono. Al especificar acero inoxidable ERW o sin soldadura, el control del nitrógeno y el molibdeno es fundamental para alcanzar el PREN objetivo y el rendimiento en servicio.

Aclaración: Cuando existe una junta soldada, el acabado superficial y la limpieza posterior a la soldadura (pasivación para el acero inoxidable) son importantes para restaurar la resistencia a la corrosión en la unión.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Corte: Ambas formas se cortan mediante procesos estándar de serrado, oxicorte o plasma. Las juntas ERW pueden requerir un recorte adicional si presentan cordón de soldadura o rebabas internas.
• Conformado/doblado: Los tubos sin soldadura generalmente toleran el doblado y el conformado con menor distorsión local debido a la uniformidad de sus propiedades de pared. Los tubos ERW pueden presentar apertura de la costura o diferencias de rigidez local; la planificación del proceso debe considerar la orientación de la costura con respecto al doblez.
• Maquinabilidad: Los niveles controlados de azufre mejoran la maquinabilidad; esto es independiente de la producción del tubo. Los tubos sin soldadura microaleados de alta resistencia pueden ser menos maquinables debido a su mayor resistencia y endurecimiento por deformación.
• Acabado: Puede ser necesario rectificar o acondicionar las juntas ERW para aplicaciones que requieren superficies internas lisas (por ejemplo, líneas hidráulicas) o cuando las pruebas no destructivas revelan anomalías en las juntas.

8. Aplicaciones típicas

Sin costura	ERW
Calderas de alta presión, tuberías para centrales eléctricas, servicio de alta presión en la industria del petróleo y el gas, servicio a baja temperatura donde la uniformidad de la resistencia es fundamental.	Redes de distribución de agua y gas, tuberías estructurales, tuberías para chasis de automóviles, aplicaciones mecánicas generales
Tuberías para intercambiadores de calor y tuberías de proceso de alta integridad	Tubería de gran diámetro donde el coste y la velocidad de producción son prioritarios.
Componentes para agujeros profundos y aplicaciones hidráulicas que requieren propiedades direccionales	Aplicaciones en las que son importantes las series de ejecución largas y un menor coste unitario.

Justificación de la selección: Elija soldadura sin costura para aplicaciones que requieran uniformidad en todo el espesor, alta resistencia a la presión y tenacidad crítica (servicio a baja temperatura o en ambientes corrosivos). Elija soldadura ERW para aplicaciones de gran volumen, diámetros grandes y con restricciones de costos, donde se pueda controlar la integridad de la soldadura y las propiedades requeridas se encuentren dentro de las especificaciones del producto soldado.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: Los productos ERW suelen ser más económicos por tonelada y están disponibles en longitudes largas y continuas debido a que su producción se basa en bobinas y permite un alto rendimiento. Los productos sin soldadura generalmente tienen un precio superior debido a un procesamiento de palanquilla más complejo y un menor rendimiento.
• Disponibilidad: ERW tiene una amplia disponibilidad para tamaños y grados estándar; la disponibilidad sin costuras puede ser limitada para grados especiales, diámetros grandes o tamaños con tolerancias ajustadas y puede implicar plazos de entrega más largos.

Consideraciones sobre el formato del producto: Para tuberías de alta presión o certificadas, las tuberías sin costura se suelen tener en stock en grados específicos; para tuberías estructurales de gran volumen y tuberías de conducción, las tuberías ERW dominan los mercados debido a su rentabilidad.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	Sin costura	ERW
Soldabilidad	Buen metal base; sin costura, pero la soldadura será externa/intermitente.	Diseñado para soldadura por costura; la soldadura adicional requiere atención a la metalurgia de la ZAT/costura.
Resistencia-Tenacidad	Alta uniformidad; excelente resistencia a bajas temperaturas con la calidad adecuada.	Comparable en metal base; la zona afectada por el calor (ZAC) puede ser un factor limitante.
Costo	Más alto	Más bajo

Conclusiones: - Elija Seamless si necesita propiedades uniformes a través de la pared, contención de presión crítica, resistencia superior a bajas temperaturas o si la aplicación implica códigos estrictos donde la integridad de la junta es un factor descalificador. - Elija ERW si el costo, las longitudes continuas largas y la disponibilidad en tamaños estándar son los factores principales, y si el régimen de diseño e inspección tiene en cuenta la costura soldada (es decir, el grado y el control del proceso garantizan que la costura cumpla con los estándares mecánicos y de END requeridos).

Nota final: La mejor práctica es especificar los requisitos de rendimiento (tracción, impacto a temperatura, límites de dureza, criterios de aceptación de ensayos no destructivos y requisitos de tratamiento térmico) en lugar de simplemente denominar "sin costuras" o "ERW". Esto permite a los proveedores proponer la ruta de fabricación más económica que satisfaga las necesidades de ingeniería.