Metalurgia de la Soldadura

Introducción a la metalurgia de la soldadura.

• Los metales como sólidos policristalinos. • Escalas de observación. • El rol de los defectos cristalinos en la deformación

plástica. Mecanismos de endurecimiento. • El diagrama de equilibrio Fe – C. • Microestructura de la Ferrita, Austenita, Cementita,

Perlita. • Conceptos de transformaciones de fases en

equilibrio y durante el enfriamiento continuo de una soldadura. Microestructura de la Bainita y Martensita.

Estructura de los metales• Los metales que empleamos en la construcción

industrial, cuando están en estado sólido son policristalinos.

• Los granos o cristales pueden ser observados metalograficamente por medio del microscopio óptico (Escala microscopica hasta 1000x) y tienen un tamaño medido en milimetros / micrones / (10-3

-10-6 m )• Cada grano tiene una estructura atómica

ordenada en forma periódica. La separación entre los átomos se mide en 10-10 m (°A) angstrom.

Estructura de los metales• Los átomos están ordenados espacialmente

formando diversos tipos de redes cristalinas, según que elemento químico representen y en algunos casos según sea la temperatura.

• Granos vecinos están separados por bordes de grano. Cada grano puede tener una orientación cristalográfica diferente.

• Cada grano puede tener una estructura cristalina imperfecta (vacancias, dislocaciones).

• Los defectos cristalinos denominados dislocaciones participan activamente durante la deformación plástica de un metal.

Fe , Cristales Cúbicos centrados en el cuerpo (bcc) FERRITA

Fe, Cristales Cúbicos centrados en las caras (fcc) AUSTENITA

FCC (Cúbico centrado en las caras)

Al, Cu, Au, Fe (austenita), Ni, Pt, Ag

BCC (Cúbico centrado en el cuerpo)

Cr, Nb, Fe (ferrita), Mo, Ta, W, V

HCP (Hexagonal compacto)

Cd, Co, Mg, Sn, Ti, Zn,

Zr

Microestructura de un acero estructural

• Un acero de uso estructural (A-36, A-285, A-106, A-53, St 37, St 52, St 35.8, F 24, F 30) tiene una microestructura formada por:

• Granos de Ferrita (hierro alfa (α)), con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, BCC).

• Perlita (estructura laminar de Ferrita y Cementita (Carburo de Hierro, Fe3C))

• Una dispersión de inclusiones no metálicas (óxidos, sulfuros, nitruros, etc.)

Solución sólida intersticial del C en Ferrita

Fe - Atomo

C - Atomo

Solución sólida intersticial del C en Austenita

Fe - Atomo

C - Atomo

Metalurgia de la soldadura

Transformaciones de FaseTransformaciones de Fase

Microestructura de un acero de muy bajo carbono : Ferrita Fe

Microestructura de un acero inoxidable Austenítico (Fe (), Cristales Cúbicos centrados

en las caras (fcc)

Perlita Laminar (Agregado de Ferrita + Cementita Fe3C)

Acero F+P

Se observa una matriz ferrítica con perlitas orientada según la deformación producida durante el laminado en caliente

Perlita Globulizada

Cuando la perlita es calentada a temperaturas del orden de los 680°C, el carbono de hierro se globuliza

Acero 0,25% C

Laminado en Caliente Normalizado

Tratamiento Térmico Normalizado

Tiempo

Tem

pera

tura

NormalizadoTemperatura: 900 C

Enfriamiento al aire calmo

Tamb

900

Metalurgia de la soldadura

Metalurgia de la SoldaduraMetalurgia de la Soldadura

Microestructuras de las soldaduras

• Caracterización de las microestructuras de una soldadura por fusión.

• Solidificación de los aceros y microestructura del metal de soldadura.

• La Zona Afectada Térmicamente (ZAC).

Efecto de la soldadura sobre la microestructura

• Una soldadura por fusión produce un ciclo térmico heterogeneo sobre el metal base.

• Como resultados el metal base resulta afectado por el calor en una zona próxima a la soldadura (ZAC).

• Se producen transformaciones de fase y crecimiento de grano según sea la composición química del metal base, su homogeneidad química, y el ciclo térmico al que sea sometido localmente.

Macroestructura de la ZAC

Formación de Martensita y Fisuración

MARTENSITAFISURAS

FISURAS

Debido a un enfriamiento rápido en la ZAC se puede originar una estructura dura y frágil denominada MARTENSITA. Esta estructura tiene tendencia a la fisuración.

Bainita (Ferrita + Carburos)

Cuando la austenita se enfría con velocidad intermedias puede originar una estructura de placa de Ferrita mas carburos que es denominada BAINITA

Temperaturas en la ZAC

Soldadura de un material deformado el frío

A- Granos elongados por la deformación en frío

B- Granos equiaxiales recristalizados y zona de grano grueso

C- Metal de soldadura, granos columnares solidificados

ZONAS DE UN CORDON DE SOLDADURA

Región compuesta

Zona parcialmente fundida

Zona afectada térmicamente

Interfaz de la soldadura

Zona fundida no mezclada

Metal base no afectado

ZONA FUNDIDA NO MEZCLADA

Zona del metal base fundido y no mezclado con el aporte durante la soldadura

SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA

Línea de fusión

Metal fundido y solidificado

Metal base

CRECIMIENTO EPITAXIAL

METAL BASE CORDON DE SOLDADURA

LINEA DE FUSION Avance de la solidificación

SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA

CRECIMIENTO CELULAR DENDRITICO

Solidificación del metal de soldadura

CRECIMIENTO EQUIAXIAL DENDRITICO: Se produce en el crater final de la soldadura al finalizar el cordón de soldadura, tiene tendencia a fisuras

Estructura del metal de soldadura Austenita + Ferrita Delta

Metal de Soldadura:

Acero Inoxidable Austenítico

Subsestructura de Solidificación del Metal de Soldadura

La figura muestra una microsegregación

TRANSFORMACIONES DE FASE EN ESTADO SOLIDO

METAL DE SOLDADURA 300X

FERRITA ACICULAR

FERRITA EN BORDE DE GRANO

F = Ferrita Primaria

GF = Ferrita en Borde de Grano

PF = Ferrita Poligonal Intergranular

AF = Ferrita Acicular

AC = Ferrita con M-A-C alineados

FC = Ferrita con agregados de

Carburos (incluída la Perlita)

M = Martensita

Microestructuras del metal de soldadura

Microestructuras del metal de soldadura

• F = Ferrita Primaria• GF = Ferrita en Borde de Grano

• PF = Ferrita Poligonal Intergranular

• AF = Ferrita Acicular

• AC = Ferrita con M-A-C alineados

• FC = Ferrita con agregados de

Carburos (incluída la Perlita)

• M = Martensita

F = Ferrita Primaria

AF = Ferrita AcicularGF = Ferrita en Borde de Grano

Microestructuras del metal de soldadura

AC = Ferrita con M-A-C alineados

M = Martensita

Microestructuras del metal de soldadura

AC = Ferrita con M-A-C alineados

PF = Ferrita Poligonal Intergranular

Microestructuras del metal de soldadura

AC = Ferrita con M-A-C alineados

Microestructuras del metal de soldadura

AC = Ferrita con M-A-C alineados

F = Ferrita Primaria

FC = Ferrita con agregados de Carburos (incluída la Perlita)

GRILLA PARA CUANTIFICAR LA MICROESTRUCTURA- IIW

SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO

ZONA 1

ZONA 2

ZONA 3

Zona Columnar del Metal de Soldadura

ZONA 1

Detalle zona columnar -ZONA 1

Detalle zona transformada REFINADA

ZONA 2

Detalle zona transformada GRANO CRECIDO

ZONA 3

METAL BASE

Probeta M.Aporte Puro AWS 5.1

Probeta M.Aporte Puro ISO 2560

Comparación ISO 2560 y AWS 5.1

• Se diferencian en la manera de construir los depósitos (ISO sin oscilación)

• En AWS se produce oxidación de C, Mn, Si • ISO tiene mayor resistencia a la rotura y fluencia

(diferencia 25 a 50 MPa)• Idéntica tenacidad si la entalla (Charpy) está en el centro • El grado de recristalización es el principal factor que

afecta la tenacidad• En ISO un desplazamiento lateral de la entalla en 3 mm

produce un corrimiento hacia la izquierda de la curva de Charpy -V del orden de 20 °C

CUANTIFICACION DE LA MACROESTRUCTURA