Metalurgia Fisica de La Soldadura (1)

PARTE II: SOLDABILIDAD DE METALES Y NO METALICOS

CAPITULO I:

TECNOLOGIA DE LA SOLDADURA

CONTENIDO

1.1 Metalurgia física de la soldadura

1.2 Estudio de los metales y aleaciones

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos

1.4 Solidificación del acero en la soldadura

1.5 Soldabilidad de los diferentes aceros

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no

metálicos


Transformaciones del acero en estado sólido

A. En estado de equilibrio

Por enfriamiento muy LENTO

Con difusión

Estructuras Laminares (Perlíticas)

Propiedades Mecánicas bajas, dependen del % C

B. Fuera del estado de equilibrio

Por enfriamiento isotérmico

Con Difusión

Estructuras laminares (Perlíticas) y/o Estructuras

Acidulares (Bainíticas)

Propiedades Mecánicas de bajas a altas,

dependen del % C y dependen de la microestructura

Por enfriamiento continuo

Sin Difusión

Estructuras Acidulares (Martensíticas)

Propiedades Mecánicas altas durezas y

fragilidad, dependen del % C

Los microconstituyentes

Los estados de equilibrio se alcanzan durante enfriamientos muy lentos de los aceros en estado líquido, apareciendo sucesivamente diversos microconstituyentes como:

Ferrita delta (δ) Austenita (ϒ) Ferrita alfa (α)

Cementita Perlita

A. EL ACERO EN ESTADO DE EQUILIBRIO

Los microestructuras


Los microconstituyentes



De acuerdo al diagrama Fe-C (Enfriamientos muy lentos) observaremos como se presentan estos constituyentes en la microestructura de un acero en función del % C.

Sea cual fuere el % C del acero, las fases que son estables atemperatura ambiente son la ferrita y la cementita


Transformaciones del acero en estado sólido

A. En estado de equilibrio

Por enfriamiento muy LENTO

Con difusión

Estructuras Laminares (Perlíticas)

Propiedades Mecánicas bajas, dependen del % C

B. Fuera del estado de equilibrio

Por enfriamiento isotérmico

Con Difusión

Estructuras laminares (Perlíticas) y/o Estruturas

Acidulares (Bainíticas)

Propiedades Mecánicas de bajas a altas,

dependen del % C y dependen de la microestructura

Por enfriamiento continuo

Sin Difusión

Estruturas Acidulares (Martensíticas)

Propiedades Mecánicas altas durezas y

fragilidad, dependen del % C

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO

Sabemos que el acero esta en condiciones de equilibrio cuandoes calentado y enfriado muy lentamente de manera que las fesespresentes en la microestructura corresponden a la que seestablece en el diagrama Fe-C; pero si el acero es enfriadorápidamente, entonces la microestructura puede variar, en estascondiciones se dice que el acero ha sufrido trasformacionesfuera del equilibrio.

• Los aceros calentados y enfriados en condiciones de equilibrio-------- sufren transformaciones reversibles

• Los aceros enfriados rápidamente desde su temperatura deaustenizacion ---- sufren transformaciones irreversibles


EFECTO DE LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO SOBRE LATRANSFORMACION

Si se aumenta la velocidad de enfriamiento en un acero debidamente austenizado, se observan marcados cambios en la transformación.

• La transformación ocurre a menores temperaturas.

• La microestructura se altera drásticamente y aumentan la dureza y la resistencia a la tracción, produciéndose una disminución de la ductilidad.

Las principales microestructuras que se forman al aumentar la velocidad de enfriamiento, son las siguientes: Perlita fina, Bainita y Martensita


Microestructura de la martensita

Microestructura de la bainita, ferrita y perlita fina

Microestructura de la perlita 1500X

LA TRANSFORMACION ISOTERMICA O DIAGRAMAS TTT

El diagrama de equilibrio hierro-carbono tiene empleo limitado.No suministra información alguna respecto a la transformaciónde la austenita a cualquiera de las estructuras de no-equilibrio niprovee detalles sobre las velocidades o temperaturas a las cualesellas ocurren.

Los diagramas TTT (tiempo-temperatura-transformación )muestra gráficamente las velocidades, tiempos ytemperaturas a las cuales la austenita se transforma en perlita,bainita y martensita; Estos diagramas TTT son específico paracada composición y elementos aleantes del acero.


LA TRANSFORMACION ISOTERMICA O DIAGRAMAS TTT

El diagrama TTT de descomposición de la austenita en un acero al carbono eutectoide



LA TRANSFORMACION CONTINUA o diagramas CCT

La información que proporciona el diagrama TTT no es aplicablepara la mayoría de los tratamientos térmicos por cuanto ellos noemplean baños isotérmicos sino baños que se enfrían a medidaque se efectúa el tratamiento, ES DECIR TRASFORMACIONES PORENFRIAMIENTOS CONTINUOS.

Los diagramas CCT son similares a las curvas TTT, pero algodesplazadas ya que las lineas de comienzo y final se desplazanhacia la derecha y hacia abajo


LA TRANSFORMACION CONTINUA o diagramas CCT

El diagrama CCT de de un acero eutectoide (0.8 %C). Aquí se observa las que las curvas son similares pero la curva CCT estdesplazada a la derecha y abajo.

CONTENIDO







metálicos


Estructura de los metales

Los metales son sólidos cristalinos cuyos átomos estándispuestos de una manera específica. Si a un metal se lo pudieraobservar con un aumento de varios millones de veces, a losátomos individuales se los vería formar un patrón geométrico:esta disposición ordenada que presentan es responsable de la

estructura cristalina de un metal.


Estructura de los metales

Estructura Metales con esta estructura

Cùbica Centrada en el Cuerpo (BCC)

Fe ( a la temperatura ambiente y también cerca de su punto de fusión), Cr, Cb, W, V, Mo

Cùbica Centrada en las Caras (FCC)

Fe ( a la temperatura alta intermedia), Cu, Au Pb, Ni Ag Al

Hexagonal Compacta (HCP)

Co, Mg, Sn, Ti, Zn, Zr


Aleaciones

La mayoría de los metales para aplicaciones industriales que seutilizan en la actualidad son aleaciones, esto es, mezclas demetales, o de metales y otros elementos que, al combinarse,dan origen comúnmente a propiedades diferentes de las delmetal puro (sin alear).

Tanto la estructura atómica, como la pureza y los antecedentestérmicos y mecánicos de una aleación, ejercen influencia en ladeterminación de las propiedades industriales que posee.


AleacionesEn la elaboración de una aleación, a algunos de los átomos delmetal base se los reemplaza por otros nuevos que toman lasposiciones previamente ocupadas por los del metal base. Losátomos nuevos se incorporan a un metal por:

1. Sustitución Directa. Si el nuevo átomo es similar en tamaño yen comportamiento químico al del metal original puro.

2. Solución Sólida intersticial. Cuando el átomo nuevo espequeño en relación con el átomo base, se puede disolver enla estructura original, en los espacios que hay entre losátomos del metal base


Aleaciones

Casi todos los metales que se emplean en la industria sonaleaciones consistentes en un elemento principal y encantidades variables de uno, o de más, elementos aleantes.

Por lo común, las aleaciones consisten en muchos granosorientados al azar, cada uno de los cuales está dispuesto demanera específica, y que contienen una, o mas, de las fasescaracterísticas que existen en la aleación.

A la disposición total de los granos, de los límites de grano y delas fases presentes en una aleación metálica, se la denomina sumicro estructura, que es responsable en gran medida de laspropiedades de la aleación.


(A) Microestructura típica del acero perlitico con bajo contenido de C, que contiene más de una fase. Las zonas claras son de ferrita; las oscuras de perlita, X 100; (B) Una superaleacióncomercial a base de níquel, Udimet, X 700 a 1000, mostrando multitud de fases dentro de los granos y en los limites de grano (B)

(A)

1.2 Estudio de los metales y aleacionesTRANSFORMACIONES DE FASE

Las diferencias de temperatura hacen que los átomos de muchos metales varíen sus disposiciones cristalográficas.

A este cambio de estructura cristalina se lo denomina, transformación alotrópica o transformación de fase. Feδ ↔ FeϒFeϒ ↔Feα

Transformación alotrópica del Fe


TRANSFORMACIONES DE FASE

Las diferencias de temperatura hacen que los átomos de muchosmetales varíen sus disposiciones cristalográficas. A este cambiode estructura cristalina se lo denomina, formalmentetransformación alotrópica o transformación de fase. Entre otrosmetales que sufren transformaciones alotrópicas a diversastemperaturas, están el titanio, el circonio y el cobalto.

Muchos factores, incluyendo la composición química, lavelocidad de enfriamiento y la presencia de tensiones, infligensobre este tipo de transformación.

ACEROS

El acero es básicamente una aleación de hierro, carbono yotros elementos; el carbono es uno de sus principaleselementos químicos, que influye considerablemente sobresus propiedades y características.

La soldabilidad de los aceros depende en alto grado delporcentaje de carbono que contengan. A mayor cantidad decarbono presente en la aleación se dificulta la soldadura, ya menor carbono aumenta la soldabilidad delmaterial.


ACEROS

Clasificación:


Aceros

Aceros al carbono

Aceros de bajo carbono

Aceros de mediano carbono.

Aceros de alto carbono

Aceros de herramientas

Aceros aleados

Aceros de baja aleación

Aceros de alta aleación

Estos aceros obtienen suspropiedades específicamentede su contenido de carbono,no se especifican ni segarantizan otros elementosaleantes.

Tienen otros elementos quehacen que el acero adquierapropiedades y característicasque comúnmente no poseenlos aceros ordinarios alcarbono.

Aceros al carbono


• Aceros de bajo carbono.- (0,05 y 0,30% de carbono) En nuestromedio son conocidos como aceros dulces o simplemente comofierro dulce o fierro.

• Aceros de mediano carbono.- Contienen entre el 0,30 - 0,45%de carbono.

• Aceros de alto carbono.- Poseen entre 0,45 y 0,90% de carbono.• Aceros de herramientas.- (0,90 y el 1,50% de carbono);

generalmente ya contienen otros elementos de aleación, que lesproporcionan o mejoran sus propiedades.

Aceros aleados


Aceros de baja aleación.-Son todos los aceros, cuya sumatotal de elementos de aleación no sobrepasan el 10%,siendo hierro el restante. Algunos de estos aceros son:acero naval, Cor-Ten, T-1, C1320, 3120, E2517, etc.

Aceros de alta aleaciónSon todos los aceros, cuya sumatotal de elementos de aleación sobrepasa el 10%, llegandoen algunos casos hasta porcentajes superiores al 40%; tales el caso de los aceros inoxidables.

ACEROS


El aluminio y sus aleaciones El aluminio es un metal liviano, muy resistente a la corrosión, de alta conductibilidad calorífica y eléctrica, muy maquinable y moldeable; posee muchas otras propiedades de gran importancia en la civilización moderna.

1.2 Estudio de los metales y aleacionesTi

po

s d

e A

lum

inio Aluminio laminado, en forma de planchas, láminas, tubos, perfiles

diversos y ángulos, que fundamentalmente tienen las mismas características en cuanto a soldabilidad.

Aluminio fundido, que se presenta en forma de piezas moldeadas de diferente conformación y que son propiamente aleaciones de aluminio y cuya soldabilidad puede diferir de una pieza a otra.

El aluminio y sus aleaciones• Actualmente encontramos una gran variedad de aleaciones

de aluminio, aparte del aluminio de alta pureza y del aluminio comercial.


Ale

acio

ne

s Aleación aluminio-manganeso

Aleación aluminio-magnesio

Aleación aluminio-silicio-magnesio

Aleaciones aluminio-cobre-magnesio-manganeso

El cobre y sus aleaciones

• El cobre es un metal de un rojo característico, poseeresistencia y ductilidad, así como alta conductibilidad eléctricay calorífica, con excelentes condiciones para resistir lacorrosión.

• El cobre es uno de los metales que comercialmente se vendeen formamáspura.


El cobre y sus aleaciones

El cobre frecuentemente es aleado con otros metales, como elzinc, estaño, níquel, aluminio, manganeso, hierro, cadmio yplomo.

• Latones: Básicamente son aleaciones de cobre con zinc; enciertas ocasiones, para mejorar o alterar las propiedades, seadicionan pequeñas cantidades de otros metales.

• Bronces: Estas aleaciones están constituidas básicamente decobre y estaño. Sin embargo, la denominación bronce se da auna gran variedad de aleaciones de cobre con otroselementos.


CONTENIDO







metálicos


Diferencias entre el Tratamiento Térmico de Soldadura (TTS) con respecto a los Tratamientos Térmicos de elementos de máquinas:

La mayoría de los TTS son Subcríticos y no de Recristalizacion Alotrópica (Austenización).

El C está limitado a valores de alrededor de 0,2 % con el objeto de limitar la Templabilidad

Los hornos y calefactores deben adecuarse a las condiciones de trabajo y tamaño de las piezas


LA SOLDADURA, UN TRATAMIENTO TÉRMICO

Soldar, es llevar los bordes de las partes a ser unidas hasta elpunto de fusión adicionándole o no un metal de aporte y luegopermitir al conjunto enfriarse hasta Temperatura ambiente.

Las velocidades de calentamiento y enfriamiento son elevadas.

• En el calentamiento la velocidad máxima es 300ºC / seg.

• En el enfriamiento se reduce a razón de aprox. a 6ºC / seg


EFECTOS INDESEABLES DEL CICLO TÉRMICO DE SOLDADURA

Son esencialmente tres:

.- Generación de Tensiones Residuales y/o distorsión

.- Modificación de la Estructura Metalografica

.- Absorción de gases por el metal fundido.



A. TENSIONES RESIDUALES

La mayoría de los Metales al calentarse se dilatan. Si elcalentamiento es localizado como ocurre durante la soldadura, lafalta de uniformidad de la Temperatura produce dilatacionesdiferentes en distintos puntos de la pieza en un mismo instantegenerándose por esa razón Tensiones Térmicas.

Si estas Tensiones alcanzan el Límite de Fluencia algo que ocurrenormalmente en el cordón de soldadura, se producedeformación plástica localizada que luego en el enfriamientogenera Tensiones Residuales y / o distorsión



B. MODIFICACION DE LA ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

Cuando se efectúa la soldadura se le aplica el ciclo térmico seforman dos zonas perfectamente diferenciadas .

- Metal fundido con o sin presencia de metal de aporte.

- Zona afectada por el calor (ZAC).

Estas dos zonas ya no tienen la Estructura óptima original delMaterial Base y por lo tanto puede considerarse a este cambioestructural un efecto Indeseable del ciclo térmico de Soldadura



B. MODIFICACION DE LA ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

Los efectos indeseables pueden controlarse parcialmente por dos medios:

Modificando el Ciclo Térmico de la Soldadura

Actuando sobre las variables del proceso de Soldadura. El Calor

Aportado (Heat Input). Su aplicación tiene limitaciones.

Por medio del Precalentamiento del Material Base

TRATAMIENTO TÉRMICO POST SOLDADURA. (TTPS)

(PWHT) con Temperaturas y velocidades de calentamiento

/enfriamiento controlado



C. ABSORCIÓN DE GASES POR LA SOLDADURA

Cualquiera que sea el procedimiento de Fusión, en el acerolíquido se fijan cantidades mas o menos importantes de losgases del aire (Oxigeno y Nitrógeno) y de los productos dedescomposición del revestimiento, principalmente Hidrógenoprocedente de la humedad o del agua de cristalización deciertas substancias químicas.




La absorción de hidrógeno durante la soldadura es mucho másgrave ya que el hidrógeno es la causa de la formación deMicrofisuras o fisuras “Fisuración Inducida por Hidrógeno(HIC)”, sopladuras y es el formador de los Fish-eyes.

Las Soldaduras oxiacetilénicas contienen muy poco hidrógenoLa concentración de hidrógeno en las soldaduras por arco es,por el contrario mucho mas importante y puede llegar aalcanzar el límite de solubilidad de este gas en el metal líquido(28 cm3 por 100g de metal) según sea la naturaleza delrevestimiento.




La resistencia de un acero conteniendo hidrógeno comparado con un acero sin hidrógeno.




Falla por HIC (Under-BeadCracking) en la ZAC con estructura Martensítica de un acero al Carbono de un tanque de almacenamiento de Ácido Fluorhídrico (HF)

HIC en la ZAC en un acero al C-Mn


TRATAMIENTOS USUALES DE SOLDADURA


ANTES DE LA SOLDADURA

DESHIDROGENADO “HIDROGEN BAKE OUT”

DURANTE LA SOLDADURA

PRECALENTAMIENTO “PREHEAT”

DESPUES DE LA SOLDADURA.

TRATAMIENTO TERMICO POST – SOLDADURA (T.T.P.S.)

“POSTWELD HEAT TREATMENT” (P.W.H.T.)


Tiene como objetivo remover del material a ser soldado elhidrógeno que contiene ya que este gas en forma atómica,penetra en el acero causando Fisuración “Fisuración Inducida porHidrógeno (HIC)”, porosidad, empolladuras y pérdida deductilidad.




Hidrógeno difusibleLos procesos y consumibles de soldadura pueden ser clasificados en relación con su contenido de hidrógeno en: de muy bajo, bajo, medio y alto nivel.

• Muy bajo, menor que 5 ml /100 g.

• Bajo, entre 5 y 10 ml /100 g.

• Medio, entre 10 y 15 ml /100 g.

• Alto, mayor que 15 ml /100 g.






Distribución dehidrógeno en metalde soldadura porproceso y tipo deconsumible




Factores que influyen en el

DESHIDROGENADO

TEMPERATURAsuelen variar entre 200

ºC y 450ºC

TIEMPO

Depende de la T, el coeficiente de difusión

del Hidrógeno en el metal, aleantes, forma,

entre otros




La Velocidad de difusión del Hidrógeno en acero Ferritico.




Consiste en calentar el Material Base antes y durante la soldadura manteniendo la Temperatura del mismo entre un valor mínimo (Temperatura de Precalentamiento) y uno máximo (Temperatura entre pasadas).




PR

ECA

LEN

TAM

IEN

TO

Dis

min

uye

la v

elo

cid

ad d

e

enfr

iam

ien

to

Retrasa la posible

transformación martensítica y

permite además la salida del H, reduciendo el

nivel de tensiones residuales

Todo esto previene el

agrietamiento de la unión en

frío




PRECALENTAMIENTO

Mejor método para evitar los problemas de agrietamiento en frío o durante el enfriamiento

Presencia de microestructuras

frágiles

Altas velocidades de enfriamiento

Alto nivel de tensiones residuales

En virtud de su contracción y

de los cambios estructurales

Excesivo contenido de hidrógeno

Procede de la humedad de

los electrodos y de los fluxes




Efectos de un precalentamiento en el ciclo térmico y niveles de tensión e hidrógeno Discontinuo con precalentamiento



TRATAMIENTO TERMICO POST – SOLDADURA

Tratamientos térmicos postsoldadura

Calentamiento hasta una temperatura suficientemente elevada y un mantenimiento a dicha temperatura

Relajan en nivel de tensiones y/o producen el revenido de posibles estructuras frágiles que se hubiesen podido producir en

las operaciones de soldeo




Postcalentamento:Mantener la chapa a unadeterminada temperaturaun cierto tiempo tras lasoldadura. Sirve paraprevenir el agrietamientoen frío Discontinuo conpostcalentamiento




Los diferentes Tratamientos Térmicos (TT) a los que puede estar sometido un metal se dividen en dos grupos de acuerdo con la

temperatura alcanzada:

TT Subcriticos cuando la temperatura alcanzada es inferior a la temperatura

critica, (de Cambio Alotrópico, o de Recristalizacion)

TT Supercríticos o de Recristalizacion cuando la temperatura alcanzada es

superior a la temperatura critica, (de Cambio Alotrópico, o de

Recristalizacion)




Se tienen:

DISTENSIONADO:

REVENIDO




DISTENSIONADO:

Se lo realiza en aceros Ferríticos de baja aleación entre los595°C y los 675°C (1100°F a 1250°F), para aceros de altaaleación, puede llegar (sin generalizar, estudiando cadasituación particular) a los 1000°C aunque la mayoría de lasveces no supera los 760°C.

Si el TTPS tiene como función eliminar las Tensiones Residuales se usa el DISTENSIONADO




Si el objetivo es disminuir la dureza producidaesencialmente por estructuras Martensíticas en la ZACse usa el REVENIDO:

REVENIDO:

Tratamiento Térmico que siempre se realiza en aceros que se hantemplado (Total o parcialmente Martensíticos) con el objeto dedisminuir la dureza.

CONTENIDO







metálicos


La American Welding Society (AWS) en supublicación dice que la metalurgia de lasoldadura involucra varios pasos, como:solidificación, reacción gas-metal, fenómeno desuperficie, y reacciones en estado sólido queocurren rápidamente durante el proceso.


Cordón de soldadura:

Es la zona que a sido fundida durante el proceso desoldadura, y esta compuesta del material de aporte y elmaterial base.

La composición química del cordón dependerá de la composiciónquímica del material base y aporte, también dependerá de ladilución entre estos. Los elementos tales como el oxigeno, elnitrógeno y el hidrogeno pueden aparecer como contaminantes,cuando el metal fundido no es protegido correctamente de laatmósfera, según la AWS

UNION SOLDADA

Se distinguen 3 zonasen la unión soldada:

• Metal de soldadura

• Zona afectadaTérmicamente(ZAT)

• Metal base

Zona afectada Térmicamente (ZAT)

Es la zona adyacente a la soldadura que se calienta en granmedida y se ve afectada por el calor, pero que no funde. Estazona sufre cambios metalúrgicos y cambios en sus característicasmecánicas, pudiendo ser muy propensa a desarrollar grietas ocondiciones desfavorables. En general es deseable una ZATestrecha.

Sección transversal de una unión soldada

Los fenómenos metalúrgicos que ocurren en esta zona soncaracterizados por los ciclos térmicos que sufre el material, ydependen de:

• La cantidad de calor suministrado durante el proceso desoldadura

• La temperatura de material base antes de realizar la soldadura

• El espesor y la geometría de la junta soldada.

Mediante el control de los dos primeros factores se puedenmodifica, en cierta forma, la característica de la zona afectadapor el calor.



Representación de la zona afectada por el calor.

Relación entre el diagrama de equilibrio Fe-C

y las microestructuras de la HAZ

T ,ºF

CICLO TÉRMICOEl material sufre un calentamiento y

enfriamiento local

1.El calor de aporte neto2.El espesor de la pieza a soldar3.Tipo de junta4.Las propiedades térmicas del material5.La temperatura inicial de la pieza a soldar

MICROESTRUCTURA de la unión soldada

•Zona de fusión•ZACPROPIEDADES de

la unión soldada

Calor generado por la fuente (Qf)

Calor transferido

Depende de:

Afecta fuertemente a la..

Y esta a su vez a las ..

•Resistencias mecánicas•Comportamiento frágil•Resistencia a la corrosión

CICLO TÉRMICO

CICLO TÉRMICOEl ciclo térmico representa como varía la temperatura a lo largode todo el tiempo de un punto cualesquiera del metal durante lasoldadura. Es decir, la historia térmica de un punto cualquieradel metal y, por ello, tiene una influencia notable en lamicroestructura final de dicho metal y en sus propiedadesmecánicas.

Está representado básicamente por:

A. La distribución de la temperatura máxima en la ZAC

B. La velocidad de enfriamiento en el metal fundido y en la ZAC

C. La velocidad de solidificación de un metal fundido

CICLO TÉRMICO

Ciclos térmicos de soldadura de puntos situados a diferentes distancias del condón (entre 10 y 25 mm)

CICLO TÉRMICO

CICLO TÉRMICO DE SOLDEO

CICLO TÉRMICOEcuación de la temperatura máxima en cada punto de la ZAC

Donde:

• Tmax : Temperatura maxima a una distancia Y (mm) del extremo o contorno del metal fundido.

• To: Temperatura inicial de la chapa (ºC)

• Tfusion: temperatura de fusion del metal base (ºC)

• Hnet: Energía aportada neta (J/mm)

• ρ: Densidad del material (g/mm3)

• C: Calor específico del metl sólido (J/g.C)

• t: Espeso de la chapa a soldar

1

𝑇𝑚𝑎𝑥

−𝑇𝑜=

4.13 𝜌.𝐶.𝑡.𝑌

𝐻𝑛𝑒𝑡+

1

𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛

−𝑇𝑜

CICLO TÉRMICO

APLICACIONES de la Ecuación de la temperatura máxima

La determinación de la temperatura máxima en puntos determinados de la ZAC

La estimación del ancho de la ZAC

La demostración del efecto causado por el precalentamiento sobre el ancho de la ZAC

CICLO TÉRMICO

La Distribución de temperaturas Representa las temperaturasexistentes en un momento determinado, en varios puntos delmetal que ha sido o esta siendo soldado.

El ciclo térmico representa como varía la temperatura a lolargo de todo el tiempo de un punto cualesquiera del metaldurante la soldadura.

A. Distribución de temperaturas

CICLO TÉRMICO

Distribución detemperaturas deuna seccióncualquiera a lolargo del eje x. Lascurvas representanmomentosdiferentes durantela soldadura


CICLO TÉRMICO

Curvas isotérmicasen una planchasometida asoldadura a Tope


CICLO TÉRMICOB. Velocidad de Enfriamiento

Después que un punto en el metal fundido o en susproximidades ha alcanzado su máximo de temperatura, lavelocidad a la cual se enfría puede tener un significativo efectosobre la estructura metalúrgica y las propiedades mecánicas dela zona afectada por el calor (ZAC) veremos que no podemoshablar de una velocidad de enfriamiento sino de variasvelocidades de enfriamiento según sea la temperatura a la cualse encuentra el acero durante su enfriamiento

CICLO TÉRMICO

CURVA DE LAVELOCIDAD DEENFRIAMIENTODE UN ACERO

B. Velocidad de Enfriamiento

CICLO TÉRMICO

La transformación de líquido a sólido (SOLIDIFICACIÓN) estágobernada por un proceso combinado de nucleación ycrecimiento de cristales, y el tamaño, orientación y distribuciónde los granos producidos define las propiedades mecánicas y lasanidad de la estructura solidificada.

Cada grano se inicia en un núcleo a partir del cual se produce elcrecimiento. La nucleación puede iniciarse a partir de partículassólidas externas suspendidas en el líquido: NUCLEACIÓNHETEROGENEA (la gran mayoría de los casos).

C. La velocidad de solidificación de un metal fundido

SOLIDIFICACIÓN

El crecimiento de loscristales se da con lamisma orientacióncristalina que los granosde metal baseparcialmente fundidos.

ESTE FENÓMENORECIBE EL NOMBRE DECRECIMIENTOEPITAXIAL.

Direcciones de crecimiento de granos.

Esquema de dirección de crecimiento, epitaxial, de los cristales al solidificar.

SOLIDIFICACIÓNDirecciones de crecimiento de granos.

Crecimiento epitaxial puesto de manifiesto en una pasada

de fusión con el procesos GTAW sobre un lingote 99.9% Ni

SOLIDIFICACIÓNDirecciones de crecimiento de granos.

Factores que

controlan el modo de

crecimiento durante

la solidificación

SOLIDIFICACIÓN

Tipos de crecimiento de los cristales que normalmente seencuentran en las soldaduras:

• Crecimiento celular

• Crecimiento celular Dendrítico

• Crecimiento columnar Dendrítico


SOLIDIFICACIÓN

• Crecimiento celular


SOLIDIFICACIÓN

Crecimiento celular Dendrítico


SOLIDIFICACIÓN

• Crecimiento columnar Dendrítico


Crecimiento planar en una sección transversal de una soldadura GTAW de una aleación Fe – Ni (250X)

Crecimiento celular en unasección transversal de unasoldadura GTAW en acero HY-80 (250X)

Crecimiento celular dendrítico en la superficie de una soldadura GTAW de una aleación Fe – Si (300X)

Crecimiento columnardendrítico en la superficie de unasoldadura GTAW de una aleación Ti - Mn(15X)

SOLIDIFICACIÓN

La forma de la piletalíquida o pileta defusión quedadeterminada por lavelocidad de avance delcordón de soldadura asícomo por el balanceentre el calor aportadoy las condiciones deenfriamiento.

Efecto de la Geometría de la Pileta Líquida.

Si la velocidad es baja, la pileta tiende a tomar una forma elíptica

Si la velocidad aumenta, la pileta tiende a alargarse en forma de gota.

SOLIDIFICACIÓN

Cuando la pileta de fusión tiene forma de gota, el gradientetérmico máximo permanece casi invariable en su direcciónen todos los puntos del frente de solidificación, desde elborde hasta el eje del cordón. El resultado es que cualquiergrano favorablemente orientado es capaz de crecer a unavelocidad óptima y expandirse a expensas de los menosfavorablemente orientados, alcanzando el centro del cordónun número relativamente pequeño de granos


SOLIDIFICACIÓN

Cuando la pileta de fusión es elíptica, ladirección de gradiente máximo cambiacontinuamente desde el borde hacia el centrodel cordón. En consecuencia, la mayor parte delos granos se encuentra, aunque por pocotiempo, en condiciones favorables para crecer ysobreviven hasta la línea central del cordón.degranos


CONTENIDO







metálicos

SOLDABILIDAD

Soldabilidad operativa

Soldabilidad metalúrgica

ZAC

Carbono Equivalente

Máxima dureza bajo el cordón

ZONA FUNDIDA

Grado de dilución

Soldabilidad Constructiva

Evitar riesgo de figuración en frio o

comportamiento frágil de la unión soldada

Concepto de Soldabilidad

• Según la ISO 581:

Un acero se considera soldable en un grado pre-fijado,

por un procedimiento determinado y para unaaplicación específica, cuando mediante una técnicaadecuada se pueda conseguir la continuidad metálicade la unión, de tal manera que esta cumpla con lasexigencias prescritas con respecto a sus propiedadeslocales y a su influencia en la construcción de la cualforma parte integrante.

Existen niveles o grados de soldabilidad quepuede tener un acero.

SOLDABILIDAD

Soldabilidad operativa


Soldabilidad Constructiva

Estudia las dificultades de su

realización, es decir es la posibilidad

operatoria de unir los metales con el

fin de obtener continuidad

metálica en la unión.

Se ocupa de las modificaciones

micro estructurales que resultan de la

operación de soldeo. Supone

obtener las características

mecánicas deseadas en la

unión

Trata de definir y estudiar las

propiedades y condiciones que

debe reunir la soldadura para poder entrar en servicio en una

construcción determinada.

Soldabilidad

En general decimos que un metal o aleación es soldable(metalúrgicamente) si cumple con las siguientescondiciones:

• Que tenga una buena tenacidad después de efectuar lasoldadura.

• Que su composición química sea tal, que la zona fundidano se haga frágil por dilución con el metal base.

Soldabilidad

Los factores más importantes que influyen en lasoldabilidad de los metales y sus aleaciones son:

• Las transformaciones que se producen en la zonaafectada por el calor (ZAC o ZAT)

• Composición química de los metales a unir (metal base ymetal de aporte)

• Las tensiones residuales generadas durante la soldadura

• El procedimiento de soldadura empleado

CARBONO EQUIVALENTE (CE)

Un acero de buena templabilidad es un acero difícilmentesoldable.

El CE de un acero es una medida de su tendencia potencial a fisurarse durante o después de la soldadura.

Como el carbono es el elemento que mas influye en latemplabilidad y en la dureza final de un acero se ha consideradodenominar como “Carbono Equivalente” (CE) al índice quepermite correlacionar la composición de un acero con sutendencia a presentar estructuras frágiles cuando este essometido a un proceso de soldadura


Brinda información sobre:

• La templabilidad• La sensibilidad de los aceros a la fisuración en frio (a fin de

estimar la temperatura mínima de precalentamientorecomendada o la tolerancia a la fisuración debida alhidrógeno)

• La evaluación de las propiedades durante el servicio.


Fórmula del CE deducida por IIW (Instituto Internacional deSoldadura):

• Para aceros con contenidos de carbono superior al 0.18%.• Todos los elemento de aleación están expresados en % peso.

CE= %𝐶 +%𝑀𝑛

6+

%𝐶𝑟+%𝑀𝑜+%𝑉

5+

%𝑁𝑖+%𝐶𝑢

15


Fórmula del tipo PCM (Parámetro de composición)propuesto por Ito y Bessyo

Fórmula empleada por el código estructural AWS D1.1para determinar la temperatura mínima dePrecalentamiento

5B


El tipo CEMW propuesto por Düren

CEMW = 𝐶 +𝑆𝑖

25+

𝑀𝑛+𝐶𝑢

20+

𝐶𝑟

10+

𝑁𝑖

40+

𝑀𝑜

15+

𝑉

10


Podemos hacer una clasificación algo genérica de la soldabilidad de los aceros en función de su CE:

1. Aceros con un CE < 0.2 – 0.3 % tienen buena soldabilidad2. Aceros con un CE > 0.4 % tienen riesgo de fisuración en

frio en la ZAC


Soldabilidad, diagrama de Graville:

SOLDABILIDAD


•Tipo de acero •Espesor de pieza•Tipo de junta•Parámetros de soldadura•Proceso de soldadura

•Calor de aporte•Precalentamiento•Post Calentamiento•Material de aporte•Proceso de Soldadura•% de hidrógeno absorbido•Restricción de la junta

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

CALIFICACION DE PROCEDIMIENTO

Puede haber riesgo de fisuración en frio o

comportamiento frágil de la unión soldadaACEROS

CE

El CE es un criterio asociado

principalmente a la ZAC

SOLDABILIDAD BUENA

SOLDABILIDAD LIMITADA< 0.35 %C > 0.35 -0.4 % C

El CE es un criterio auxiliar para elaborar apropiadamente un

Procedimiento de Soldadura

SOLDABILIDAD


Se reducen los problemas en la zona fundida de la union soldada

•Aumento de la templabilidad en el cordón•Aumento de la fragilidad del cordón•Riesgo de fisuracion en caliente•Riesgo de corrosión

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

• Material de aporte• Proceso de soldadura• Tipo de Junta• Calor de aporte

Pueden formarse constituyentes frágiles

o que afecten la resistencia a la

corrosiónACEROS

GRADO DE DILUCIÓN

El grado de dilución es un criterio que permite evaluar la soldabilidad del deposito fundido

PROBLEMAD DE SOLDABILIDADALTO BAJO

Es importante controlar el G. D. a través de:

Determinación del grado de dilución

Determinación del grado de dilución

La dilución influye, naturalmente, en la composición químicadel cordón de soldadura y puede calcularse para predecir elcontenido de cualquier elemento en el mismo.

Soldabilidad de los diferentes aceros

Aceros

Aceros al carbono

Aceros de bajo carbono

Aceros de mediano carbono.

Aceros de alto carbono

Aceros de herramientas

Aceros aleados

Aceros de baja aleación

Aceros de alta aleación

Soldabilidad de los aceros de bajo contenido de carbono• Estos aceros pueden soldarse con cualquiera de los procesos

conocidos, cuya elección está determinada principalmentepor la clase de unión, posición de soldadura y costo.

• Todos los aceros de bajo carbono son soldables con arcoeléctrico; pero si el contenido de carbono es demasiado bajo,no resulta conveniente aplicar soldadura de alta velocidad,especialmente en aquellos aceros que tienen menos de 0,13%de carbono y 0,30% de manganeso, en virtud a los quetienden a desarrollar porosidad interna.


Soldabilidad de los aceros de mediano y alto contenido de carbono• Estos aceros, por el hecho de tener mayor contenido de

carbono, se endurecen fácilmente al enfriarse.

• Los aceros de alto carbono tienen de 0,45 a 1,70% C. Esmás difícil soldarlos que los de mediano contenido decarbono. En razón a su mayor contenido de carbono, susoldabilidad con electrodos comunes es pobre,necesitándose emplear electrodos especiales.

• Necesitan tratamientos térmicos de soldadura deprecalentamiento y post calentamiento.


Soldabilidad de los aceros de baja aleación

• Aceros al manganeso (menos de 2%Mn) Los aceros con el más bajo contenido de carbono en este grupo pueden ser soldados generalmente con los procedimientos standard, con bastante facilidad, pero es regla el precalentamiento, con precauciones especiales en aceros con más de 0,25%de carbono.



• Aceros al níquel: Si el carbono contenido en estosaceros, con 3 a 3,5% de níquel no excede 0,25%, noes necesario tratamiento térmico alguno. Si, por elcontrario, tienen más de 0,25% de carbono, espreciso precalentarlos de 150 a 315 C. Además, portener tendencia a templarse al aire, estos acerosdeben ser enfriados muy lentamente con el objetode conservar las propiedades físicas deseadas.



• Aceros al cromo-níquel: En estos tipos de acero, laproporción entre el contenido de níquel y el decromo es aproximadamente de 2,5 partes de níquelpor 1 parte de cromo. Los electrodos E 7010, 15, 16,18 y aquellos de mayor tracción pueden ser usadospara obtener una resistencia a la tracción que seaproxime a la de la plancha de los grados más bajosde carbono.


Aceros de baja aleación y alta resistencia a la TracciónLa soldadura de estos aceros de baja aleación con alta resistenciaa la tracción parece ser, a primera vista, un asunto muycomplicado. Sin embargo, a pesar del gran número de análisisquímicos diferentes, existen algunos procesos de soldadura porarco que se emplean comúnmente para soldar estos aceros.

El consejo común para la soldadura de estos aceros es el empleoadecuado de los electrodos de bajo hidrógeno. El depósito deestos electrodos tiene una mayor resistencia al impacto que eldepósito de los electrodos comunes


Soldabilidad de los Aceros InoxidablesLos aceros inoxidables presentan composiciones químicas diversas, lo que dificulta un poco su clasificación pero, podemos clasificar los aceros inoxidables, en base a su estructura, en tres grandes grupos:

• AUSTENÍTICO:

• FERRÍTICO

• MARTENSÍTICO


Soldabilidad de los Aceros Inoxidables

Como una ley fundamental, el metal de aporte para unasoldadura debe ser de igual o mayor aleación al metal base. Así,aceros al carbón pueden ser soldados con un metal de aporteinoxidable como por ejemplo tipo 316, mientras que, un aceroinoxidable no puede ser soldado con un metal de aporte deacero al carbón como el tipo E60XX. Por lo anterior, veremos quepara la soldadura entre un acero al carbón aleado o no aleado, yun acero inoxidable, se seleccionará siempre un metal de aportecuyo depósito es un acero inoxidable.


Soldabilidad de los Aceros Inoxidables


Soldabilidad de los Aceros Inoxidables AUSTENÍTICO:

• Muchos grados de acero inoxidable austenítico,especialmente los tipos 301, 302, 304, 308, 316 y 317, estánsujetos a precipitación de carburos, si el material semantieneentre 427 y 871°C. La precipitación de carburos y la resultantepérdida de resistencia a la corrosión pueden ocurrir en elmaterial base, en la zona afectada por el calor, en el depositode soldadura o en todas estas áreas, como consecuencia de laaparición de zonas empobrecidas en cromo por debajo delnivel crítico -menos de 12% de cromo- de resistencia a lacorrosión.


Soldabilidad de los Aceros Inoxidables FERRÍTICO

Los aceros inoxidables ferríticos deben soldarse con electrodoscon revestimiento básico calcáreo de tipo INOX AW, INOX AW +Cb. Para evitar cordones frágiles, en lo posible debe soldarse conmateriales de aporte austeníticos (electrodos de serie E 3XX-15 yE 3XX-16), siempre que no haya razones contrarias, como lacorrosión. Los aceros ferríticos son muy sensibles alasentalladuras. En la soldadura hay que fijarse, que la transicióndel cordón al material base sea libre de entalladuras. Lasentalladuras penetrantes o los cordones demasiado elevadosdeben ser esmerilados, si fuese necesario.


Soldabilidad de los Aceros Inoxidables MARTENSÍTICO

Todos tienden a endurecerse durante la soldadura, porque estosaceros poseen pronunciadas propiedades de endurecimiento alaire y, además, se encuentran generalmente en estadoendurecido; esto significa que tienen baja ductilidad. Al aplicarcalor repentinamente a un área localizada como sucede en lasoldadura por arco, y luego enfriar esta área rápidamente,pueden ocurrir rajaduras. El área calentada se contraedifícilmente por el enfriamiento y la falta de ductilidad en elmetal adyacente no puede soportar la tensión de contracción.Por lo tanto, los aceros martensíticos no son tan apropiados parasoldarlos, peso se usan electrodos especiales.


CONTENIDO







metálicos

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos

A. Soldabilidad del aluminio y sus aleacionesPara realizar soldaduras sanas en aluminio, hay que fijarse en los siguientes factores:

1. Temperatura de fusión.-el aluminio purofunde a 600ºC, pero al no cambiar de color esfácil perforarlo.

2. Conductividad Térmica.-tres veces másrápido que el acero, normalmente se necesitaprecalentamiento.


A. Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones

3. Dilatación Térmica.-dos veces más que elacero, problemas de tensiones internas ydeformaciones.

4. Óxido de Aluminio.-Alúmina, se forma alcontacto con el aire, funde unos 1500ºC porencima que el aluminio. Es imprescindibleeliminar la capa de oxido.


A. Soldabilidad del aluminio y sus aleacionesDentro de las aleaciones de uso más general, tenemos las siguientes:

A.1 Aleación aluminio-manganeso.-Empleada cuando se requiere una resistenciamecánica superior a la del aluminio puro comercial.Este aluminio es soldable con electrodos d aleaciónde aluminio y silicio. Noes tratable térmicamente.



A.2 Aleación aluminio-magnesio.-Este material posee características mecánicas muysuperiores a las de la aleación aluminio-manganeso. Esmás sensible a la aplicación del calor, y cuando lasoldadura se enfría, pueden producirse roturas debido ala contracción. No obstante, con los electrodos dealuminio-silicio y con una técnica apropiada se puedeeliminar este inconveniente. No es tratabletérmicamente.



A.3 Aleación aluminio-silicio-magnesio.-La resistencia de estas aleaciones está basada en el adecuadotratamiento térmico. Al soldarlas, el efecto del calentamientoy enfriamiento puede destruir sus características, debido aque altera el efecto del tratamiento térmico originalmenterecibido. La soldadura eléctrica con electrodo metálico es unprocedimiento, que se puede emplear bajo ciertasprecauciones para no calentar a pieza demasiado. Se utiliza unelectrodo de aleación aluminio-silicio.



A.4 Aleaciones aluminio-cobre-magnesio-manganeso.-

La resistencia mecánica de estas aleaciones esincrementada al máximo por el tratamiento térmico. Nose suele soldarlas, ya que esta operación reduce suresistencia mecánica y su resistencia a la corrosión. Sinembargo, cuando las tensiones de servicio son bajas, sepuede soldarlas por arco eléctrico.


A. Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones-ELECTRODOS• Para soldar aluminio y sus aleaciones soldables se

recomienda utilizar electrodos congrueso revestimientode fundente. Este revestimiento del electrodo debe sercapaz de disolver todo el óxido de aluminio que puedaformarse durante la operación de soldadura.

• El revestimiento deberá formar, asimismo, una escoriamuy fundible que, cubriendo el cordón de soldaduraejecutado, lo proteja contra la oxidación mientras seenfría.


B. El cobre - Su soldabilidadDesde el punto de vista de la soldabilidad, trataremos aquí sólo dos tipos de cobre: El cobre electrolítico y el cobre desoxidado.• Cobre electrolítico.- Podríamos decir que es un cobre puro

que contiene entre 0,01 a 0,08% de oxígeno, en forma deóxido cuproso. Esta pequeñísima cantidad de oxígenoejerce poca influencia sobre las propiedades eléctricas yfísicas del metal, pero la suficiente para ocasionarinconvenientes desde el punto de vista de soldabilidad. Elcobre electrolítico puede ser soldado por arco eléctrico conelectrodo metálico, siempre y cuando se use el tipoadecuado.


B. El cobre - Su soldabilidad

• Cobre desoxidado.- Para evitar los perniciososefectos del óxido cuproso, el cobre puede serdesoxidado mediante adición de fósforo,manganeso, silicio o boro. Este cobre se dejasoldar con mucha mayor facilidad que el cobreelectrolítico y, a la vez, sus juntas son muchomás resistentes y dúctiles, pero de menorconductibilidad eléctrica.


C. Latones y bronces

La SOLDABILIDAD de los latones y bronces noconstituye ningún problema serio. Los problemasque pueden presentarse son solucionados,observando las precauciones normales indicadaspara la soldadura del cobre. El empleo adecuado deelectrodos especialmente fabricados para estafinalidad permite obtener soldaduras de óptimascaracterísticasmecánicas.


C. Algunas reglas para soldadura del cobre y sus aleaciones

• Usar solamente máquina de corriente contínua, con polaridad invertida.

• En piezas de pequeño espesor usualmente no se requiere precalentamiento.

• En piezas de espesores mayores se requiere precalentamiento entre 300° y 316°C

• El precalentamiento de la pieza puede hacerse con soplete oxi-acetilénico.

• Para asegurar una buena junta es necesario una buena limpieza de la pieza

Metalurgia Fisica de La Soldadura (1)

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