METALURGIA DE LA SOLDADURA

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CONTENIDO

PAGINA1.- Estructura y propiedades de los Metales ............................................................ 4

- Introducción ...................................................................................................... 4- Propiedades. .................................................................................................. 4- Estructura ....................................................................................................... 5- Defectos ......................................................................................................... 6

2.- Tratamientos Térmicos ....................................................................................... 8- Introducción .................................................................................................... 8- Diagramas de equilibrio. ................................................................................. 8- Diagrama fierro-carbono. ............................................................................... 12- Tratamientos térmicos; ................................................................................... 14- Templabilidad. ................................................................................................ 16- Tratamientos térmicos comunes en los aceros ............................................. 18

3.- Efectos de los Elementos de Aleación .............................................................. 25

4.- Estructuras de las Soldaduras, ......................................................................... 28- Introducción ................................................................................................... 28- Fusión ............................................................................................................ 28- Refinación ...................................................................................................... 28- Vaciado y colado ............................................................................................ 29- Solidificación .................................................................................................. 29- Influencia sobre el metal base ....................................................................... 32- Otras influencias sobre el metal base. ........................................................... 33

5.- Soldabilidad ........................................................................................................ 35- Introducción .................................................................................................... 35- Factores de la soldabilidad metalúrgica. ........................................................ 35

6.- Consideraciones Generales sobre la Soldadura de Arco .................................. 42- Clasificación de los métodos de soldadura …………………………………….. 42- La soldadura de Arco ...................................................................................... 43

7.- Soldadura de Aceros al Carbono y de Baja Aleación …………………………… 56- Composición química del metal base ............................................................ 57- Espesor del metal base ................................................................................. 58- Metal de aporte .............................................................................................. 61- Uso al que se destina el metal soldado ……………………………………...... 66- Forma de las partes por soldar y restricciones ………………………………. 66

8.- Soldadura de Metales de Alta Aleación …………………………………………… 67- Introducción ……………………………………………………………................ 67- Soldadura de aceros inoxidables ………………………………………............ 69- Soldadura de aleaciones refractarias ............................................................. 81- Soldadura de revestimientos ……………………………………………............ 86

9.- Normas y Códigos ............................................................................................... 93- Introducción .................................................................................................... 93- El metal de aporte ......................................................................................... 94- Código ASME ………………………………………………………................... 98

10. Pruebas no Destructivas ……….………………………………………………..... 109

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- Inspección visual ………..…………………………………………………........ 109- Líquidos penetrantes …..………………………………………………………. 109- Partículas magnéticas ….............................................................................. 111- Radiografía …………………………………………………………................. 112- Ultrasonido …………………………………………………………................. 115- Corrientes circulantes ................................................................................. 117- Réplicas metalográficas ……………………………………………………...... 117- Dureza ......................................................................................................... 118- Análisis químico ........................................................................................... 118- Pruebas en productos terminados ………………………………………........ 118

11. Pruebas Destructivas ...................................................................................... 120- Resistencia a la tracción ……….................................................................. 120- Pruebas de doblez- guiado .......................................................................... 125- Pruebas de sanidad ..................................................................................... 128- Resistencia al impacto ................................................................................. 128- Dureza ......................................................................................................... 130- Otras pruebas mecánicas ............................................................................ 131- Ataque y observación macroscópica ............................................................ 132- Ataque y observación microscópica ............................................................. 134- Análisis químico. ..,.,...................................................................................... 135

12. Alivio de esfuerzos ............................................................................................ 140- Origen de los esfuerzos residuales .............................................................. 140- Alivio de esfuerzos ........................................................................................ 144

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 146

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I. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS METALES.

1.1.- INTRODUCCIÓN.

Los materiales metálicos, a lo largo de la vida del hombre, han tenido una primerísima importancia. Al recorrer con la mirada nuestro alrededor para valorar la cantidad de artículos que se fabrican de metal encontraremos que, sin exagerar, el hombre actual está rodeado de metales. Es innumerable la cantidad de productos que son manufacturados con metales, desde las pequeñas esferas empleadas en los bolígrafos, hasta los cohetes con los cuales el hombre se ha trasladado a la luna, pasando por los confortables artículos de la era moderna o sus tradicionales usos dentro de la joyería.

1.2.- PROPIEDADES.

Este gran uso de los metales se ha debido a sus especiales características; así decimos: que son excelentes conductores de la electricidad y empleamos al cobre para fabricar miles de artículos eléctricos; que tienen buena resistencia a la oxidación y fabricamos kilómetros de tubería de aluminio para obras de riego; pero si los metales como elementos puros tienen muchas aplicaciones una propiedad de ellos los transforma en insustituibles: pueden unirse unos con otros o con elementos no metálicos Para formar las llamadas aleaciones, con propiedades muy diversas. Un ejemplo de esto, quizá el más representativo, es la unión del fierro con pequeñas cantidades de carbono, para producir la aleación conocida con el nombre de acero y que ha resultado ser el cimiento sobre el que se ha edificado gran parte de la tecnología existente.

Entre las propiedades más importantes de los metales y sus aleaciones, tenemos:

1 Son buenos conductores térmicos, se les emplea en la fabricación de resistencias.2 Su conductividad eléctrica es insuperable; el más empleado de los metales para explotar

esta propiedad es el cobre electrolítico (99.90 Cu mínimo), pero actualmente se ha incrementado el uso del aluminio en la fabricación de conductores eléctricos, por su menor peso.

3 Son opacos y brillantes pudiéndose lograr en ellos acabados superficiales muy agradables a la vista, como el aluminio anodizado que se emplea mucho en la arquitectura moderna.

4 Son deformables en frío y en caliente, ésta es una importante propiedad pues se hace uso de ella en forma frecuente durante la fabricación de muchas piezas; se pueden laminar hasta obtener hojas extremadamente delgadas o trefilar y producir alambre de muy pequeño diámetro.

Por medio de troquelado se pueden obtener formas diversas, ejemplo de esto son las líneas de los automóviles.

La resistencia mecánica de los metales y sus aleaciones se encuentra dentro de límites amplios, desde pocos kg/mm hasta 350kg/mm2 ó más, en algunas superaleaciones. Son dúctiles y maleables, esto quiere decir que se deforman plásticamente antes de romperse.

La resistencia, a la corrosión de algunos metales y aleaciones es. buena, Son resistentes a temperaturas elevadas y muy empleados en procesos criogénicos. En general, son maquinados con facilidad lo que permite hacer piezas de diversas formas y reducidas tolerancias.

Si se trata de fabricar piezas muy grandes o de forma complicada se recurre a otra propiedad: la de poder ser vaciados en estado líquido dentro de un molde y que al solidificar se obtenga la forma deseada.

Otra propiedad interesante y útil de algunos metales son los cambios que al estado sólido pueden realizarse en ellos, con el objeto de emplearlos en su mejor condición; ejemplo de esto lo

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encontramos en los tratamientos térmicos para el acero o en el endurecimiento por precipitación de ciertas aleaciones de aluminio.

Una propiedad más de los metales y de especial importancia para el presente texto es la de ser soldables, la soldadura es la unión de dos piezas metálicas; esta unión puede lograrse calentando las piezas a soldar hasta una temperatura cercana a la de fusión y posteriormente presionarlas o empleando un metal de aporte el que se funde entre las dos piezas y sirve de enlace entre una y otra.

Cabe hacer notar que es posible encontrar algún material que tenga una determinada adecuada un cierto número de estas propiedades como lo hacen éstos; ahora, es bien claro que no todos los metales y aleaciones tienen las mismas características ni en el mismo grado; por ejemplo, no todos resistirán en la misma forma a la abrasión, ni tampoco cualquier aleación soportará temperaturas criogénicas sin fragilizarse; así, también encontramos que muchos plásticos resisten de manera inmejorable a la corrosión pero su resistencia mecánica o térmica son tan bajas que no pueden competir con los metales cuando se requiere un buen balance de estas propiedades.

1.3.- ESTRUCTURA.

Hemos citado algunas de las propiedades más relevantes de los metales y aleaciones; ahora las relacionaremos en forma breve con la estructura de éstos.

Así como se encuentra un enlace de tipo iónico que es responsable de la unión del ión sodio (Na) con el ión cloro (Cl-) para formar el producto conocido como cloruro de sodio (NaCl), existe un enlace metálico en el que los electrones de valencia forman una nube que envuelve a los iones positivos del metal Fig. 1.1.

La nube de electrones es la responsable de las buenas conductividades de los metales, así como de su opacidad y brillo.

Los metales, a diferencia de muchos otros materiales, son cristalinos, es decir, sus átomos están dispuestos en una plantilla o modelo de tres dimensiones. Son dos las características que identifican a los cristales

1) Que sus átomos están arreglados según una razón dada.2) Que esta razón es repetitiva, lo que resulta en las llamadas redes cristalinas.

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Existen siete sistemas cristalinos, siendo desde nuestro particular punto de vista, los más importantes: el cúbico y el hexagonal, pues es en estos sistemas donde encontraremos incluidos a los metales más comunes (Fe, Ni, Cu, Al, Zn), (Fig. 1.2).

Dentro del sistema cúbico son importantes las redes espaciales: cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras y, dentro del sistema hexagonal, la red hexagonal compacta.

1.4. DEFECTOS.

Es conveniente hacer notar que para definir esta estructuración se recurrió a modelos perfectos y por lo tanto ideales: en la realidad, estas estructuras cristalinas poseen un buen número de defectos que se dividen en:

Defectos de Punto,- Que pueden ser de tres tipos:a) Vacancias, La falta de un átomo en la red. (Fig, 1.3).b) Átomos Intersticiales, La existencia de un átomo fuera de su lugar. (Fig. 1.4).c) Átomos de Impurezas. Que son átomos de material diferente al del original (Fig. 1.5).

Defectos de Línea. Se conocen como dislocaciones, éstas son planos incompletos dentro de la red cristalina; pueden ser de dos tipos: de borde (Fig. 1.6) o helicoidales (Fig. 1.7).

Curiosamente estos defectos son los responsables de una propiedad citada anteriormente, su capacidad para deformarse plásticamente, ya que permiten deslizamientos locales dentro de la estructura metálica con un esfuerzo menor que el necesario, si estos defectos no existieran.

Actualmente la ciencia metalúrgica estudia estos temas afanosamente, pues esto ayudaría a conocer mejor a los metales y con esto su aplicación será cada día mejor.

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Hay metales como el fierro, el que al variar la temperatura se modifica su red espacial; esta alotropía aunada a la influencia de los elementos de aleación. Los cuales pueden entrar en la estructura cristalina del metal base, dependiendo de su tamaño, en forma intersticial (C en Fe) o de manera sustitucional (Ni en Fe) permiten obtener una amplia variedad de propiedades; sólo se requerirá hacer uso de estas variables de manera adecuada.

Por lo que toca a la resistencia a la oxidación, esta se basa en la adherencia de la película de óxido a la superficie del metal en cuestión; así, si observamos la oxidación del aluminio encontraremos que al iniciarse se forma una película de óxido de aluminio que se adhiere con gran fuerza evitando la subsecuente oxidación; en cambio, esto no sucede con el fierro pues la película de óxido de fierro formada no se adhiere a la superficie sino que se cae fácilmente y es entonces como la oxidación continúa formando una nueva capa que repetirá el ciclo.

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2.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS,

2.1.- INTRODUCCIÓN.

Los tratamientos térmicos son procesos que se aplican a los materiales metálicos con el objeto de cambiar en cualquier momento sus propiedades; esto quiere decir que, de un mismo material se puede obtener una diversidad de propiedades que permiten trabajarlos en las mejores condiciones y luego acondicionarlos para el mejor desempeño del trabajo al que se destinen. Esto da razones más que suficientes para que revistan una gran importancia para la industria de fabricación de piezas metálicas.

Pero ese interés no sólo radica en las posibilidades de los metales para trabajarse, puesto que, si consideramos que como su nombre lo indica son procesos en que interviene el factor calor, habrán de tenerse en cuenta en cualquier otro proceso en donde aunque en forma accidental ocurran calentamientos como precisamente ocurre en las operaciones de soldadura.

El conocimiento que se tenga de los tratamientos térmicos por parte del personal relacionado con las soldaduras, le dará el criterio necesario para que en cierto momento pueda decidir la aplicabilidad o efecto de ese proceso sobre el material que se esté trabajando,

El estudio de este tema requiere de cierta teoría previa, razón por la cual se hará una ligera revisión de algunos conceptos como los diagramas de equilibrio, abundando en el caso particular del diagrama hierro-carbono, ya que se le dará importancia especial al acero por ser un material que es afectado por la mayoría de los tratamientos térmicos conocidos, además de ser muy común y que bien puede servir como un ejemplo general,

2.2.- DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO.

La posibilidad de cambiar las propiedades de los metales por medio de los tratamientos térmicos es factible sólo sobre ciertas aleaciones ya que los metales puros son afectados en forma mínima; es por ello que el estudio de los tratamientos térmicos requiere siempre del conocimiento del comportamiento de las aleaciones al estar sometidas a altas temperaturas y la forma de llevar a cabo esto es a través de los diagramas de equilibrio.

Estos diagramas también se les conocen con el nombre de diagramas de fase y representan las fases que pueden existir en equilibrio en una aleación a cualquier temperatura, desde su estado líquido hasta la temperatura ambiente.

Aquí solamente se hará referencia a los diagramas de las aleaciones de dos metales ya que para los fines de este capítulo resulta innecesaria una discusión mayor.

La forma en que reaccionan las aleaciones a las altas temperaturas da lugar a los siguientes tipos de diagramas:

a) Totalmente solubles al estado líquido,- Totalmente solubles al estado sólido,b) Totalmente solubles al esta-so líquido.- Totalmente insolubles al estado sólido.c) Totalmente solubles al estado líquido,- Parcialmente solubles al estado sólido,d) Parcialmente solubles al estado líquido.- Parcialmente solubles al estado sólido,e) Totalmente insolubles al estado líquido,- Totalmente insolubles al estado sólido.

A su vez, como el estudio de los cinco casos requerirá de un espacio bastante más grande que el que se dispone en este capítulo y además su interpretación es igual en todos ellos, se hará una generalización para todos con el estudio de los casos marcados con los incisos a y c; el primero como introducción y el segundo como antecedentes del diagrama hierro-carbono.

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2.2.1.- Diagrama de Equilibrio de Aleaciones Totalmente Solubles al estado Líquido-Totalmente solubles al estado sólido.

Si un metal puro se enfría lentamente desde su estado líquido se podrá observar que al principio, la disminución de temperatura es uniforme, pero llega un punto en que se detiene, indicando que se ha iniciado la solidificación, se mantiene constante la temperatura por un período de tiempo hasta que se ha completado el proceso y, en ese momento, vuelve a continuar la caída-de temperatura uniformemente hasta que se iguala con la del medio ambiente. Ahora bien, en el caso de las aleaciones el proceso es (diferente y para estudiarlo se pondrá como ejemplo la aleación oro-plata, considerando primero, una con pequeñas cantidades de plata y el resto de oro.

Al enfriarse tal aleación, se notará que al principió la temperatura desciende de la misma forma que en el metal puro, pero al llegar al punto donde comienza la solidificación, la velocidad de enfriamiento disminuye y continúa así hasta que finaliza el cambio de estado, donde vuelve a establecerse la velocidad original; intervalo de temperaturas en que se efectúa la solidificación principia a una temperatura inferior a los 1063°C que es la temperatura de solidificación del oro, y termina a una superior a la plata que es de 961°C.

Si se hicieran observaciones sobre aleaciones con porcentajes de oro cada vez menores, se tendría que la temperatura de inicio y término de la solidificación van siendo a más baja temperatura y que al principio el intervalo entre ellas crece para luego disminuir hasta que llega a confundirse en un punto cuando se tiene plata casi pura por lo que solidifica a temperatura constante, a los 961°C.

Pasando los puntos de principio y término de la solidificación a un sistema de coordenadas en las que las ordenadas representan temperaturas y las abscisas los porcentajes de los elementos, al unir todos los puntos de inicio de la solidificación y todos los puntos de término, se obtendrá una gráfica similar a la Fig. No. 2.1.

Esta forma de gráfica es la característica de las aleaciones que son totalmente solubles al estado sólido y al líquido.

En ella se puede ver que:Por arriba de la zona rayada las aleaciones están al estado líquido.La zona rayada es la región donde se lleva a cabo la solidificación, por lo que ahí coexiste la fase líquida y sólida.Abajo de la zona rayada las aleaciones están totalmente al estado sólido.

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La línea superior que limita la zona rayada se le llama líquidus y la inferior sólidus.

De esta gráfica se obtiene información inmediata acerca de: las temperaturas de solidificación de los metales puros que componen la aleación, las temperaturas de puros que componen la aleación, las temperaturas de inicio y término de la solidificación de las aleaciones con cualquier porcentaje de los elementos y las fases presentes a cualquier temperatura; pero además mediante algunas operaciones, que verán al estudiar el otro tipo de diagramas, se puede saber la cantidad de fase líquida o sólida que existe en un momento dado de la solidificación, además de sus composiciones .

2.2.2.- Diagrama de Equilibrio de Aleaciones totalmente solubles al estado líquido-parcialmente solubles al estado sólido.

De la misma manera en que se construyó la gráfica de la aleación oro-plata, se han construido gráficas para la mayoría de las aleaciones de dos y hasta tres metales, pero debido a su comportamiento diferente hace necesario estudiar cuando menos otro de los tipos que puede presentarse para un mejor entendimiento de estos diagramas y uno de los más importantes es el caso de total solubilidad al estado líquido parcial solubilidad al sólido; su importancia radica a que es el caso más común, quedando incluido dentro de este tipo el diagrama hierro-carbono,

Por ahora es conveniente estudiar un caso simple como es el de la aleación estaño-plomo ya que el diagrama hierro-carbono por tener algunas complicaciones y dada su importancia será visto con más detenimiento.

El diagrama de equilibrio de las aleaciones totalmente solubles al estado líquido-parcialmente solubles al estado sólido tiene la forma general mostrada en la Fig. No. 2.2.

En esta, la línea AED es la líquidus, la ABECD la sólidus y la zona rayada la zona de solidificación. Pero además presentados zonas que aparecen marcadas como Alfa y Beta; la primera corresponde a la región donde existe un sólido, fase alfa, consistente en una solución, de metal B en A, y la segunda, la región don4e existe una solución sólida, fase beta, de metal A en B.

También se observa un punto, marcado con la letra E, en donde se tocan la línea solidus y líquidus, este punto es de gran interés, ya que si se observa, en ese punto la aleación permanece totalmente líquida a una temperatura más baja, aun menor que la de cualquiera de los metales que la componen, y que al solidificar lo hace como si fuera un metal puro. Este punto se le llama eutéctico y la aleación, con esa composición definida de A y B, eutéctica. Aquellas aleaciones cuyas concentraciones quedan a la izquierda de la eutéctica se denominan hipoeutécticas y las que quedan a la derecha hipereutécticas.

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La interpretación de los diagramas de equilibrio, en general, puede ser visualizada del siguiente ejemplo:

Sea la aleación plomo-estaño, que tiene el diagrama de equilibrio mostrado en la Fig. No. 2.3.

Si se tiene una aleación con 60% de plomo y 40% de estaño y se calienta a 320°C, en este momento la aleación está representada por el punto T0 en donde está al estado líquido. Ahora si se empieza a enfriar, al llegar a una temperatura de aproximadamente 230°C se inicia su solidificación al tocar la línea de líquidus en el punto T1, La composición del primer sólido presente, llamado fase alfa, es la indicada por el punto S1, el que se determina al proyectar horizontalmente el punto T1 hasta tocar la línea sólidus, que en este caso es de 84.5% de plomo y 15.5%, de estaño, y la composición del líquido, cuyo volumen es casi la totalidad, corresponde a 50% de estaño y 50% de plomo. Si se continúa el enfriamiento al llegar a los 190°C, punto T2 , el sólido o fase alfa ha aumentado y su composición es de 81% de plomo y 19.0% de estaño y la del líquido remanente de 45% de plomo y 55.0% de estaño, dada por el punto L2 .

Como puede verse, debido a que se va solidificando el plomo en mayor cantidad que el estaño, la fase líquida se va enriqueciendo en este último elemento; este proceso continua hasta los 183°C en donde alcanza la composición de 61.9 de estaño y 38.1% de plomo que es la composición con la que finalmente solidifica en forma isotérmica el líquido remanente y que corresponde a la eutéctica, La estructura así formada continuará ya sin cambio aparente durante el resto del enfriamiento por lo que al observarse al microscopio tendrá un aspecto similar al

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mostrado en la Fig. 2.4. En ella las partes blancas son la fase alfa que fue solidificando en primer lugar y las rayadas el eutéctico solidificando al último y que está formado por placas alternadas de fase alfa compuesta de 20% de estaño y 80% de plomo y de fase beta de composición 2.5% de plomo y 97,5% de estaño.

Como ya se había mencionado también es posible calcular sobre la zona donde se efectúa la solidificación, las cantidades de liquido y sólido que están presentes a una temperatura determinada; esto se consigue mediante la relación de las longitudes entre los puntos T, S y L, y que se conoce como regla de la palanca, la forma de hacerlo es aplicando las fórmulas siguientes:

longitud Tx Sx _______________ x 100 = % pase líquida (2.1)longitud LX Sx

longitud Tx Lx .——-—————— x 100 = Fase sólida (2.2)longitud Lx Sx

Igual como es operado con este ejemplo se puede hacer en cualquier tipo de diagrama de equilibrio, o zona de él, por lo que no se tratará más sobre este tema.

2.3.- DIAGRAMA FIERRO CARBONO.

Si bien es cierto que el acero común es una aleación compuesta de varios elementos, también es cierto que debido a su efecto menor y dentro de ciertas cantidades, la mayoría de estos se consideran de menor importancia, con lo que se reduce a una aleación binaria de Fe y C, sin embargo, es conveniente aclarar que estos dos elementos adentro de su diagrama de equiibrio pueden ser considerados de dos formas:

a) Como diagrama fiero-carbono, en el cual ambos elementos tienen, una solubilidad parcial al estado sólido.

b) Como diagrama fierro-carburo de fierro, debido a que se toman como componentes al fierro y al carburo de fierro o cementita de fórmula Fe3C. Esta es la forma común usada para el estudio de la mayoría de los metales ferrosos.

El diagrama bajo esta última condición tiene la forma mostrada en la Fig. No. 2.5. En él quedan determinados:

La línea líquidus por las letras ABCD,La línea sólidus por las letras AHJECF.El punto eutéctico por la letra C.

Esto es en lo que respecta a sus partes como un diagrama de equilibrio normal, pero si se observa, presenta algunas particularidades en la región sólida de hasta 2.0 de carbono y que se encuentra marcada como la parte de los aceros. Desde el punto de vista de los tratamientos térmicos esta es la parte que interesa debido a que estos materiales reaccionan a la mayor parte de ellos.

Esta parte del diagrama, es similar a un diagrama de parcial solubilidad al estado sólido, sólo que hay que tener muy presente que las reacciones que se suceden, y que se tratarán más adelante, son al estado sólido aunque la interpretación es similar a la que se haría en un proceso de Solidificación.

Las fases sólidas que aparecen en el diagrama reciben nombres que recuerdan la forma empleada en mineralogía y que pueden ser definidas en la forma, siguiente:

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Fig. 2.5

Austenita.- Hierro gamma, que puede mantener en solución sólida un máximo de 2.0% de carbono, cuando está a 1135°C, Estable en, los aceros comunes sólo a temperaturas mayores a los 723°C, Muy dúctil.Ferrita.- Hierro alfa, con una capacidad muy limitada para disolver carbono pues su máxima capacidad, que se encuentra alrededor de los 723°C, es de 0.02%, a temperatura ambiente sólo disuelve 0.008%. Es muy dúctil.Cementita.- Carburo de fierro, de fórmula Fe3C. Muy duro y frágil.Perlita.- Es eutectoide (llamado así para diferenciarlo del eutéctico), formado por placas alternadas de ferrita y cementita. Tiene un contenido constante de carbono de aproximadamente 0.80%, dando así lugar a aceros hipoeutectoides, e hipereutectoides. Sus propiedades eutectoides son intermedias a los constituyentes que lo forman.

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La interpretación de esta parte del diagrama, como ya se dijo, es semejante a la del diagrama en su solidificación, pero debido a la importancia que representa para los tratamientos térmicos se dará un breve ejemplo.

Supóngase un acero hipoeutectoide, es decir, con un contenido menor a 0.8% de carbono, y que se calienta a una temperatura superior a la de la línea GS, conocida como A3 , en esa situación el acero se encontrará formado por austenita, luego si se enfría lentamente, al tocar la mencionada línea empezará a transformarse a ferrita que al no poder disolver carbono lo expulsa para concentrarse en la austenita remanente, proceso que se continuará hasta que la temperatura llega a los 723°C aproximadamente, línea A1, donde la austenita alcanza la concentración eutectoide de 0.80% de C y se transforma a perlita, De ahí que, la estructura quedará formada por ferrita y perlita, al ya no sufrir cambios durante el resto del enfriamiento.

Ahora bien, este diagrama fue construido con enfriamientos "relativamente lentos", según las condiciones normales de operación, y por ellos se consideran que los constituyentes formados son los estables pero esto es sólo convencional ya que se ha comprobado que con enfriamientos infinitamente lentos los resultados son diferentes, no obstante aquí se seguirá considerando a este diagrama como el de equilibrio y a los constituyentes resultantes como los estables. Bajo esta condición el diagrama representa las fases con sus concentraciones y proporciones que de él se derivan pero si por algún motivo la velocidad de enfriamiento es mayor, se obtienen resultados muy diferentes, debidos principalmente a efectos difusionales y estas diferencias son la base de los tratamientos térmicos.

2.4.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

De lo anterior se desprende que los tratamientos térmicos son procesos que mediante calentamiento y enfriamientos controlados, aplicados a ciertos materiales metálicos, se pueden obtener cambios estructurales que modifican las propiedades y estos cambios son morfológicos o de proporción entre las fases presentes.

Las cualidades principales de los tratamientos térmicos son:A) Se llevan a cabo en el estado sólido.B) No se cambia la composición del material.

Respecto a este último punto debe aclararse que existe un tipo de tratamiento que pueden alterar la composición *de las superficies y que se conoce como termo químico.

2.4.1.- Transformaciones de los aceros a las diferentes velocidades de enfriamiento.

Para comprende la mecánica de los tratamientos térmicos en el acero se requiere primero saber el comportamiento de ese material al ser sometido a diferentes velocidades de enfriamiento.

Si un acero desde el estado austenítico se enfría muy lentamente la perlita se descompone a una forma más estable que consiste en partículas cementita de forma esferoidal sobre una matriz ferrítica.

Una velocidad mayor que no permita la descomposición de la perlita hará que ésta se precipite en forma normal de placas alternadas de ferrita y cementita.

Si se sigue aumentando la velocidad se notará cómo paulatinamente la perlita se va haciendo más fina al disminuir el grueso de las placas, al mismo tiempo que aparentemente va aumentando la proporción de ésta a costa de ferrita o cementita según sea el acero hipoeutectoide o hipereutectoide, y se llegará a una velocidad en la que la perlita se hace tan fina

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que adquiere un aspecto granular, pero en donde los constituyentes siguen siendo los estables: ferrita y cementita,

De aquí en, adelante y cualquier aumento en la velocidad da lugar a. los constituyentes meta estables.

El primer constituyente de este tipo que aparece por aumento en, la velocidad de enfriamiento es la bainita y por último a las máximas velocidades el constituyente formado es la martensita.

La bainita se forma por transformación de la austenita a ferrita en partículas muy pequeñas con lo que hay desplazamiento de carburo de fierro contenido en la austenita transformada y el cual se deposita en los alrededores de la ferrita, para obtener al final una estructura de tipo acicular.

La martensita se forma por la transformación de la austenita, pero al hacerse esta en forma muy rápida no da tiempo a la difusión del carbono con lo que queda atrapado en la red de la ferrita o fierro alfa deformándola para dar así la apariencia de una estructura en forma acicular muy definida.

En cuanto a las propiedades, la resistencia o dureza va aumentando conforme el material se enfría más rápido, mientras que la ductilidad reacciona en forma inversa, de ahí que el acero en su forma más suave y dúctil se obtiene con un enfriamiento lento y con su dureza máxima si se enfría rápidamente.

2.4.2.- Variables de los tratamientos térmicos.

a) La composición, química.b) La temperatura de calentamiento.c) Tiempo de calentamiento.d) Tamaño de grano.

La composición química es la más importante ya que fija en forma general las propiedades del material y la respuesta a, los tratamientos térmicos.

La temperatura de calentamiento es otra de las variables importantes al determinar las condiciones estructurales a partir de las cuales se harán las transformaciones.

Aún siendo correctas las dos primeras variables, si el tiempo de calentamiento no es suficiente para homogeneizar la estructura inicial no se efectuarán las transformaciones totalmente, y si por el contrario, fuera excesivo se inducirán efectos negativos.

El tamaño de grano independientemente de su efecto sobre las propiedades mecánicas, es otra variable aunque ya de menor importancia. Su efecto consiste en aumentar la habilidad de un material a transformar a martensita entre mayor es el tamaño.

Cada una de estas variables actúan sobre los tratamientos térmicos en cierto sentido por lo que resulta muy importante el relacionarlas, si no todas cuando menos la mayor parte de ellas, en lo referente a la forma en que actúan y esto se a logrado en los aceros con los diagramas de transformación.

2.4.3.- Diagramas de transformación,

El diagrama Fierro-carburo de fierro es un diagrama en el que la variable velocidad de enfriamiento se mantiene constante, considerando que este es el necesario para que se

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alcancen las condiciones de equilibrio, pero en la práctica ésto sólo sucede en algunas ocasiones, de ahí que se requiere de diagramas que consideren los diferentes constituyentes que se obtienen al variar esa velocidad estos diagramas se conocen como curvas T.T.T. (tiempo, temperatura y transformación), curvas de la S (por su forma) o bien diagrama I.T. (diagrama isotérmico).

Cada acero tiene su propio diagrama, construido en forma experimental. En ellos se determina el tiempo necesario para el inicio y término de las transformaciones de la austenita a cada constituyente a una temperatura constante. Esto significa que el diagrama señala la transformación de la austenita como una función de la temperatura y del tiempo, permitiendo conocer la respuesta de un acero cuando éste es enfriado desde el estado austenítico, pero teniendo siempre muy presente que sólo son válidas durante la etapa de enfriamiento y siempre que se parta del estado austenítico.

El modelo general de los diagramas consiste de dos o tres curvas: la primera, de izquierda a derecha, que indica el inicio de la transformación de austenita y la última el término de ella, los constituyentes que se producen se marcan como regiones limitadas. Ejemplos de estos diagramas se dan en la Figs. 2.6 y 2.7.

Ahora bien, como los diagramas TTT sólo sirven para enfriamiento que incluyen un período a temperatura constante y esto sólo se lleva a cabo en muy raras ocasiones, se han desarrollado otro tipo de diagrama que funcionan para enfriamientos continuos, como normalmente ocurre en la práctica, y un ejemplo típico de este tipo de enfriamiento es precisamente durante el proceso de soldadura, estos se llaman diagramas CCT (continuous cooling transformation), los cuales tienen las mismas características que los anteriores y sólo la disposición de los campos es lo que varía.

Ejemplo de estos diagramas se muestran en la Fig. 2.8.

2.5 TEMPLABILIDAD.

Si se observan las Fig. 2.6 y 2.7 se podrá notar que el acero de la gráfica 2.6, por muy rápido que sea enfriado no podrá transformar a un estado martensítico total, puesto que antes de llegar a la zona de existencia de la martensita primero se cruza por la región ferrítica cuando menos; en cambio, el acero cuya gráfica se muestra en la Fig. 2.7 sí puede adquirir la estructura 100%

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martensítica; esto, en términos generales, indica que cada acero tiene una capacidad para adquirir esa estructura de elevada resistencia y fragilidad, esta propiedad es lo que se llama templabilidad.

La templabilidad se mide como el diámetro máximo que puede tener una barra del acero probado para que al ser enfriada bajo condiciones ideales se obtenga en el acero una estructura con un mínimo de 5% de martensita y que se llama diámetro crítico ideal (Di), esto quiere decir que no importa el grado de dureza alcanzado ya que esta propiedad depende del contenido de carbono y no de la cantidad de martensita presente, y así se puede tener un acero que desarrolle menor dureza que otro, pero con una templabilidad más alta.

La templabilidad se determina por métodos de laboratorio, ejemplo: el método Jominy; pero en la práctica existen métodos que por medio de factores numéricos para cada elemento de aleación que al ser multiplicado por sus contenidos respectivos dan el valor aproximado de esa propiedad, dado como diámetro crítico ideal.

Por la forma en que se puede calcular el valor de la templabilidad se desprende que los elementos de aleación son los que determinan esta propiedad y que, como se verá en el capítulo siguiente, en la mayor parte de las veces la influencia es positiva, es decir, aumenta la templabilidad, lo que también puede expresarse como un desplazamiento de las curvas de transformación hacia la derecha del eje de las temperaturas.

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Durante el proceso de soldadura debe tenerse siempre muy en cuenta esta propiedad y de hecho, es uno de los factores de la soldabilidad como se verá en el capítulo correspondiente a ese tema.Una vez explicados los conceptos anteriores ya se está en posibilidad de entender cada uno de los tratamientos térmicos.

2.6 TRATAMIENTOS TÉRMICOS COMUNES EN LOS ACEROS.

Desde el punto de vista de la soldadura, los tratamientos térmicos con enfriamiento continuo son los que revisten interés, de donde, estos se tratarán en cada caso en forma particular, mientras que sobre los tratamientos isotérmicos y los termoquímicos sólo se hará una breve referencia en conjunto.

2.6.1. Recocido.

La característica esencial de este tratamiento es su enfriamiento lento, razón por la cual siempre se obtienen estructuras de mayor estabilidad o equilibrio.

Es un tratamiento muy común, entre otras cosas, porque es aplicable tanto a metales puros como a aleaciones. Tiene diferentes modalidades según los fines que se persigan y en atención, a ello reciben su nombre, pero por lo mismo, en la bibliografía cada autor señala diferentes tipos de recocido, sin embargo su gran similitud ante algunos de ellos permite que se clasifiquen en únicamente tres modalidades: Recocido total, recocido de esferoidización y recocido de recristalización.

Recocido total.- Consiste en un calentamiento a una temperatura de 30 a 50°C mas elevada que la A3 para los hipoeutectoides y de, la A1 para los hipereutectoides; la razón para que sea más baja en estos últimos se debe a que con este calentamiento se forman partículas aisladas de cementita destruyéndose la red continua de cementita que rodea los granos y que hace frágiles a estos aceros.

El tiempo de calentamiento, a partir del momento en que el material alcanza tal temperatura, debe ser de aproximadamente de una hora por cada 25 mm, de espesor de la pieza, después de lo cual se procede a enfriar a una velocidad no mayor a los 15°C por hora. En forma esquemática este tratamiento está mostrado en la Fig. 2.9 en la que se ha puesto como referencia un diagrama de transformación.

Las estructuras que se obtienen con este tratamiento consisten de:

Para los aceros hipoeutectoides.- Perlita y ferrita con tamaño de grano igual o ligeramente más grande que el original.

Para los aceros hipereutectoides.- Red discontinua de cementita sobre los límites de grano y el resto perlita.

Estas estructuras tendrán la proporción entre fases que indica el diagrama de equilibrio fierro-

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carburo de fierro ya que por ser producto de un enfriamiento lento son los estables.

Bajo estas condiciones, los aceros de contenido medio de carbono (0,25% a 0,40%), son fácilmente maquinados.

Pero en los aceros de bajo carbono, (menos de 0,25%), son muy suaves con lo que se dificulta esta operación.

Uno de los principales fines para la aplicación de este tipo de recocido es la homogeneización de la estructura y de ahí que, en este caso se le conozca con este nombre.

En el proceso de soldadura rara vez se presenta o se aplica este tratamiento.

Recocido de esferoidización.- La aplicación de este tratamiento puede hacerse de dos formas.

A) Calentando a una temperatura ligeramente inferior a la A1 , o de la Acm en aceros hipereutectoides, por tiempo suficientemente largo, que puede ser hasta del doble del aplicado en el recocido anterior, para que la cementita tome la forma de partículas

esféricas distribuidas sobre una matriz ferrítica, después, para conservar esta estructura, se enfría lentamente.b) Empleando un ciclo oscilante del calentamiento y enfriamiento por arriba y abajo de la

temperatura A1 . El enfriamiento también es lento. La ventaja de esta forma es que requiere de menor tiempo de calentamiento y la desventaja consiste en que se requiere de quipo más preciso para controlar el ciclo de calentamiento-enfriamiento, la Fig. 2.10 representa gráficamente a las dos formas de este tratamiento.

Los materiales tratados por cualquiera de estos dos métodos adquieren su mínima resistencia y máxima ductilidad, propiedades que son muy apreciadas para la deformación en frío; o en el caso de los aceros hipereutectoides, para su maquinado.

La razón de este comportamiento se debe a que las partículas de cementita están aisladas dentro de la matriz terrífica con lo que las propiedades son influidas principalmente por esta última y cuando estas partículas son abundantes, como en el caso de los aceros hipereutectoides, al ser maquinados esas mismas partículas van fracturando el material de la rebaba impidiendo que esta sea muy larga con lo que se facilita el corte de la herramienta.

También este tratamiento se encuentra rara vez durante la soldadura.

Recocido de re-cristalización.- Los materiales metálicos en general, que han sufrido deformaciones en frío y por lo tanto que tienen su estructura deformada, ya sea por que son indeseables las propiedades debidas a esa deformación o porque se desee seguir deformando; se requiere que la estructura sea devuelta a su estado original y la forma de hacerlo es aplicando este tratamiento.

Consiste en calentar a una temperatura que depende del grado de deformación, aunque siempre

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inferior A1 , (a mayor deformación, menor temperatura) y el tiempo de calentamiento se fija con el mismo criterio. El enfriamiento como todos los recocidos es lento, pero no es muy importante.

Gráficamente este tratamiento está mostrado en la fig. 2.11.

En el proceso de soldadura se crean condiciones similares a las de este tratamiento pero la estructura del material no tiene las características anotadas y lógicamente, los resultados son otros.

2.6.2. Normalizado.

Es un tratamiento que se lleva a cabo calentando por arriba de la temperatura A3 ó Acm . El tiempo que se mantiene a esta temperatura es corto para no inducir efectos negativos.

Una vez que se ha completado al período de calentamiento se enfría el material "al aire"; que es la característica que distingue a este tratamiento del resto, pero como puede intuirse, este tipo de enfriamiento no es constante pues dependerá del volumen de la pieza, o de las piezas, sí es que se enfrían en conjunto, y de las condiciones atmosféricas.

La estructura que se obtiene, debido a esa variedad de la velocidad de enfriamiento, también puede ser variada, pero se considera que es la normal al material y de ahí el nombre del tratamiento; no obstante en términos generales se puede decir que tiene las siguientes características:

1 La cantidad de ferrita libre es menor que la del equilibrio ,entre más rápido sea enfriamiento,

2 La perlita tiene placas muy delgadas y llega hasta ser de tipo granular cuando el enfriamiento es algo rápido.

3 El tamaño de grano es menor que el obtenido por recocido.

Las características estructurales mencionadas imparten al material condiciones ideales para la operación de maquinado, sobre todo en aceros de bajo carbono, además por lo elevado del calentamiento hay transformación completa de la estructura. Por los motivos expuestos en muchas ocasiones el normalizado se prefiere al recocido.

La Fig. 2.12 representa el proceso del tratamiento de normalizado.

Las condiciones de este tratamiento sí se presentan durante el proceso de soldaduras sobrealgunas zonas del material base adyacente a la unión.

2.6.3.- Temple y Revenido.

El temple se aplica a los materiales con el propósito de endurecerlos, con lo que se amplía su campo de aplicación al dar propiedades muy convenientes para ciertas tareas, pero que resultán

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perjudiciales para otras dado que aunada a la dureza se presenta una elevada fragilidad, sobre todo si se desconoce que se ha inducido en forma accidental y no se aplica el tratamiento que normalmente acompaña al temple y que se conoce como revenido, tal situación es frecuente que ocurra en el caso de las soldaduras.

La forma en que se realiza, es calentando por arriba de la temperatura A3 ó Acm por un tiempo suficiente para que la estructura se convierta a austenita homogénea y luego se enfría a una velocidad que es fijada por la templabilidad del material para transforme a martensita. Inmediatamente después se aplica el revenido que consiste en un calentamiento a temperatura inferior a la A1 , por un tiempo relativamente corto, pero que puede prolongarse con resultado positivo. La temperatura exacta de aplicación de revenido se fija de acuerdo a la composición y del grado de dureza y tenacidad deseadas. El enfriamiento es mejor que sea rápido.

La Fig. 2.13 representa los dos tratamientos.

La estructura que se obtiene por el primer tratamiento debe consistir de martensita en la mayor proporción para que, por medio del revenido, sea paulatinamente transformada por un proceso básicamente de precipitación, obteniéndose así desde martensita ligera transformada a las bajas temperaturas, hasta perlita de tipo granular a las temperaturas elevadas.

Los dos tratamientos pueden ser aplicados exclusivamente a la superficie del material mediante calentamiento localizado.

2.6.4.- Alivio de Esfuerzos.

Es un tratamiento de extensa aplicación a piezas soldadas en las que por causa de las dilataciones, contracciones y estructuras producidas, se establece un estado de es

fuerzos que de no el miarse pueden provocar toda una serie de efectos negativos, como: fracturas, distorsión o susceptibilidad a la corrosión. Por estas razones es importante en algunos casos aplicar este tratamiento que como su nombre lo indica, elimina esos esfuerzos.

Su proceso es idéntico a un revenido y de hecho tiene la misma función y características sólo que en algunas ocasiones no existe una estructura martensítica como siempre acontece con el revenido.

Las consecuencias de la aplicación del alivio de esfuerzos no se manifiestan en la apariencia de la estructura ya que los esfuerzos no se detectan por la observación microscópica y de ahí que su eliminación no se notará.

La temperatura es fijada por el grado de esfuerzos que se desee eliminar y del material. En

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aceros sin aleaciones se logra un máximo de eficiencia alrededor de los 680°C.

2.6.5. Tratamientos Especiales.

Tratamientos isotérmicos,- Son tratamientos en los que se calienta por arriba de A3 o Acm y se enfrían en un líquido, plomo o sales fundidas, a temperaturas elevadas, pero menores a las iniciales y mantenidas ahí por un cierto tiempo, normalmente para que haya transformación a la temperatura del medio empleado,

Las estructuras que se obtiene depende de la temperatura a la que se haya hecho la transformación, pero con la característica de que está compuesta de un solo constituyente, por ejemplo bainrta o martensita puras, con lo que las propiedades son muy superiores que si fuera una mezcla de constituyentes.

Ejemplo de estos tratamientos son el martemple (Martempering) y el aus temple (Austempering) cuyo proceso se muestra en la Fig. 2.14. No se presentan durante el proceso de soldadura.

Tratamientos Termoquímicos.- Con estos tratamientos se introducen a la superficie elementos que mejoran sus propiedades.

La introducción de esos elementos se consigue por la exposición de la pieza a un medio sólido o gaseoso; rico en ese elemento para que por difusión sea absorbido, y es por ello que el factor calor es el de mayor importancia.

Ejemplos de tratamientos termoquímicos son:

Carburización.- Donde el carbono es el elemento agregado. Los medios carburantes usados pueden ser sólidos, (carbón o huesos calcinados), líquido (cianuro de sodio fundido), o gaseoso (gas natural).Nitruración.- El elemento adicionado es nitrógeno por medio de gases de amoniaco.Carbonitruración.- La adición de carbono y nitrógeno por un proceso híbrido de cementación gaseosa y nitruración.

Además de estos, existen otros más, pero por su aplicación restringida son de menor importancia y no serán tratados.

2.6.6. Otros Tratamientos.

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Los tratamientos hasta aquí vistos son los normal es para los aceros, aunque aplicables a otros materiales; por otra parte, hay otros tratamientos que no son aplicables al acero o sólo a ciertos tipos y dentro de ellos uno muy importante es la precipitación.

Este tratamiento se basa en la formación de compuestos a partir de la matriz existente los cuales al precipitarse pueden conferir propiedades muy variadas entre ellas: resistencia mecánica, estabilidad de la resistencia a la corrosión, etc.

El proceso es similar a la de un temple y revenido, con el primero se obtiene una matriz monofásica por disolución de todos los elementos y el segundo para precipitar las partículas deseadas.

En soldadura es muy importante este efecto en ciertos materiales ya que a veces es negativo y un ejemplo de ello se da en los aceros inoxidables en que la precipitación de carburos de cromo reduce drásticamente su resistencia a la corrosión.

Como estos tratamientos existen otros, pero desde el punto de vista de la soldadura, los aquí mencionados son los más importantes.

Diferentes micro-constituyentes formados por la transformación de la austenita a diferentes velocidades de enfriamiento.

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3.- EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN.

En los capítulos anteriores vimos cuales son las propiedades de los metales y cómo, por medio de los tratamientos térmicos, podemos modificar ciertas características de ellos. Hemos visto también que algunos metales se emplean puros, pero que esto restringe mucho sus aplicaciones y que los mayores usos de los metales se tienen cuando están formando aleaciones. Hay un buen número de estas aleaciones y las más empleadas son las que tienen como metal base al fierro y que se les conoce genéricamente como aceros.

Dada la importancia de las aleaciones ferrosas, sobre ellas enfocaremos principalmente nuestra atención, y en este capítulo haremos una revisión de cómo afectan, los distintos elementos que se adicionan al fierro a las propiedades de este.

Los elementos de aleación al unirse al elemento del metal base, pueden formar: soluciones substitucionales, soluciones intersticiales o formar fases intermedias. Las dos primeras dependerán del tamaño de los átomos. Si su tamaño es más o menos el mismo la solución podrá ser sustitucional (Fig. 3.1.), si es más pequeño el elemento de aleación formará soluciones intersticiales (Fig. 3.2.), pero si al unirse los dos elementos reaccionan y dan lugar a una estructura cristalina distinta, entonces se dice que formaron una fase intermedia. Es posible también que dos elementos de aleación formen entre sí una solución sin que intervenga el metal base.

Hay que tomar en cuenta que el tema de las soluciones metálicas es muy amplio y que se sale del objetivo de este capítulo, pero debe quedar claro que la influencia de los elementos de aleación dependerá en gran parte del tipo de solución formada.

Considerando que estas notas están enfocadas hacia la metalurgia de la soldadura y aceptando, que dichos procesos involucra ciclos térmicos parecidos a los ocurridos en los tratamientos térmicos, entenderemos que la influencia que los diferentes elementos de aleación tienen sobre los diagramas de transformación CCT, sobre la templabilidad, etc., está íntimamente ligada a los cambios estructurales que pueden ocurrir en la zona afectada por el calor de las uniones soldadas y que, a su vez, esto tiene gran relación con facilidad o dificultad para soldar un material desde el punto de vista metalúrgico.

Por lo tanto, es importante, cuando se desea soldar un material, conocer su composición química y el tratamiento térmico al que estará sometido, ya que con esto se podrá predecir qué cambios estructurales podrán ocurrir en el momento de soldar; así también, la composición química es uno de los factores que deben considerarse para averiguar si es necesario precalentar o post-calentar una soldadura, para evitar al máximo los problemas en ella.

Estos problemas, como se verá más adelante, pueden ser grietas producidas en caliente o en frío, ya sea en el metal base o en el cordón de soldadura. Estos agrietamientos pueden, ocurrir durante el proceso de soldadura o ya en servicio. En general, podemos decir que todos los elementos de aleación se agregan con el propósito de mejorar ciertas propiedades, pero existen

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elementos que en algunos casos se les considera indeseables, dadas las propiedades que imparten a la aleación, como sucede con el P y el S y decimos "en algunos casos" porque en otros, como en los aceros resulfurados, el S tiene una importancia definitiva en cuanto a la facilidad que presentan para maquinarse dichos aceros.

Ahora veamos como influyen en las propiedades los diferentes elementos.

Carbono. Es el elemento más importante en los aceros pues imparte dureza al fierro aún en cantidades tan pequeñas como 0.06%; aumenta la templabilidad y por tanto al aumentar el % de C en el acero las dificultades para soldarlos, también aumentan.

La razón de su considerable influencia puede atribuirse a su tamaño (forma soluciones intersticiales) ya que forma, también, un compuesto intermetálico con el Fe llamado cementita, con fórmula Fe3C.

Manganeso. Mejora la templabilidad, se combina con el S formando sulfuro de manganeso disminuyendo el efecto nocivo de este elemento,

Cromo. Con el C forma carburos lo que produce un aumento en la resistencia del acero; cantidades hasta 1% mejoran la templabilidad, en cantidades de 4-6% mejora la resistencia en caliente y es el principal constituyente de las aceros inoxidables, en cantidades superiores a 12%.Por su afinidad hacia el C debe tenerse mucho cuidado al soldar aceros inoxidables.

Níquel. Mejora la templabilidad, cantidades superiores a 8% abaten tanto la temperatura de transformación de la austenita, que es posible retener esta fase a temperatura ambiente.

Molibdeno. Mejora la templabilidad; evita la pérdida excesiva de dureza cuando el acero se somete a un tratamiento de revenido.

Silicio. Aumenta la templabilidad; mejora las propiedades magnéticas; endurece la ferrita y, en las fundiciones propicia la grafitización,

Aluminio. Es un fuerte reductor; evita el crecimiento del grano austenítico, lo que propicia un afino del grano.

Vanadio. Aumenta la templabilidad e induce el endurecimiento y como refinador de grano es muy efectivo, aumentando consecuentemente la tenacidad.

Titanio y Columbio. Son fuertes formadores de carburos; esta propiedad tiene gran importancia con respecto a la soldadura pues, generalmente cuando se suelda un acero inoxidable, se recurre a las aleaciones estabilizadas con estos elementos, ya que estos tienden a reaccionar primero con el C, con lo que se evita la formación de carburo de cromo y con esto la pérdida de inoxidabilidad del acero.

Fósforo. Excepto en los aceros re-fosforados este elemento es perjudicial pues crea fragilidad en el acero.

Azufre. Es otro de los elementos que produce fragilidad pues tiende a formar sulfures de fierro de bajo punto de fusión. Las segregaciones de azufre crean agrietamientos durante la soldadura.

Como podemos observar, casi todos los elementos de aleación aumentan la templabilidad del acero, es esta la razón por la que es más difícil soldar aceros aleados que aceros al carbono; así mismo será más fácil soldar aceros bajo carbono que aceros con mayores contenidos de este elemento. Es por esto que las precauciones que se deben tomar al soldar (precalentamientos, calentamientos entre pasos, etc.), aumentan considerablemente al aumentar el contenido de

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elementos de aleación.

A continuación en la figura 3.3 se muestra la influencia de los elementos aleantes sobre los diagramas de transformación.

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4.- ESTRUCTURAS DE LAS SOLDADURAS.

4.1.- INTRODUCCIÓN.

El estudio de las estructuras que se presentan en la masa de una soldadura, así como en la zona afectada por el proceso de aplicación de la misma en el metal base, es de particular interés cuando se trata de un proceso con metal de aporte.

El metal que se deposita en una ranura para unir dos fragmentos metálicos es aplicado allí en estado líquido por lo que es necesario, para mejor comprensión de las estructuras, iniciar el estudio desde la fusión del metal, la solidificación y el enfriamiento del mismo.Con base en la consideración anterior el proceso de soldar puede ser comparado con una operación de fundir una carga de metal, su refinación, colada y solidificación. Para establecer un símil entre la operación con una carga de acero y la soldadura del mismo metal se comparan la fabricación de un lingote con la aplicación de una soldadura.

La comparación mencionada establece una diferencia fundamental, En el caso del lingote de acero las operaciones se producen durante un tiempo que puede ser horas o minutos; en la soldadura las operaciones similares ocurren en segundos o fracciones de segundo.

4.2. FUSIÓN.

Para fundir una carga de acero ATSI-1030, por ejemplo: se debe elevar la temperatura del metal por arriba del líquidus del diagrama Fe-Fe3C (1600°C) aportando el calor necesario por medio de energía eléctrica, gas, combustóleos, coque, etc.

La soldadura se funde por la acción de la corriente eléctrica o por la aplicación de una flama(Fig, 4.1)

El acero es fundido dentro de un recipiente adecuado, llamado horno. La soldadura es fundida dentro de la ranura formada por las partes por unir. En ambos casos la cantidad de calor necesaria para la fusión está en relación con la cantidad de metal por fundir.

4.3.- REFINACIÓN.

El acero recién fundido en el horno no tiene en general, la composición química que se necesita por lo que es necesario retinarlo. Al retinarlo se abaten los contenidos de P y S, se ajusta la concentración de C, se añaden aleaciones y desoxidantes.

La soldadura está fabricada en tal forma que el análisis químico del metal depositado es el que

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se requiere. La varilla metálica, puede no corresponder al análisis químico del metal depositado y para que, al final, esté dentro de la composición, requerida, la composición de la varilla toma en cuenta las pérdidas ocasionadas por la fusión; además con frecuencia los metales de aleación están en el revestimiento en forma de ferro-aleaciones o de óxidos.

La escoria, en el acero fundido, tiene por objeto protegerlo de la atmósfera impidiendo que absorba O2 y N2 principalmente; además disuelve impurezas del acero líquido. En la soldadura la acción de la escoria es similar.

4.4.- VACIADO Y COLADO.

El acero, ya a punto en cuanto a temperatura y composición química, es vaciado del horno a un recipiente llamado olla y transportado para ser colado en moldes para lingotes o piezas. La soldadura no sufre estos procesos puesto que en el lugar que es depositada es donde se solidificará.

4.5.- SOLIDIFICACIÓN,

El acero, ya en el molde, inicia su enfriamiento.- La temperatura del molde es menor y por ello el flujo de calor se establece del metal al recipiente. La zona del metal fundido que inicia la solidificación es la que está en contacto con la superficie del moldee avanzando desde allí hacia el centro el crecimiento de los cristales.

Los cristales solidificados forman granos arborescentes o dendríticos (fig. 4.2). A medida que las dendritas se enfrían se contraen, dejando espacio que es ocupado por metal líquido solidificándose a su vez y repitiéndose el ciclo.

En una masa más o menos grande de metal que solidifica, en la región central del lingote se forma una zona de huecos producidos por la contracción final para la que no hubo metal líquido disponible. Por otro lado las impurezas de menor punto de fusión se van concentrando formando zonas de segregación.

Un lingote o una pieza colados, en general no recibirán nueva cantidad de metal líquido que solidifique. En cambio en la soldadura, después de solidificar un cordón, pueden aplicarse otras más y por ellos se establece, para ella la siguiente división,

4.5.1.- Un solo Cordón.

La solidificación de un solo cordón de soldadura ocurre en la forma descrita para el lingote de acero pero a velocidad mayor con una cantidad de metal menor. La estructura final de la soldadura también es dendrítica (Fig. 4.3) presentando, en ocasiones, una pequeña grieta central por la contracción de la masa metálica.

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4.5.2.- Dos Cordones.

La mayor parte de las soldaduras se realizan con más de un cordón. La aplicación de un segundo cordón afectará la estructura del primero debido al calor.

Cuando un lingote de estructura de colada (dendrítica), se le somete a un calentamiento en condiciones controladas de tiempo y temperatura, desaparecerá la estructura original transformándose a una formada por granos más o menos poligonales.

El comportamiento de un segundo cordón en cuanto a sí mismo es igual que el del primero pero el calor generado durante su aplicación afectará, como ya se dijo, la estructura del primer cordón,

Se considerará que el efecto del segundo cordón sobre el primero genera tres zonas ya que éstas se han calentado a 1200°C, 950°C y 600°C respectivamente. (Fig. 4.4). Además, se supondrá que el contenido de carbono de la soldadura es de 0.15% en cualquiera de los cordones que se aplican.

Zona 1.- Se calienta hasta 1200°C y a continuación se enfría al aire. La condición así descrita corresponde a un tratamiento térmico de normalizado. El calor que recibe esta zona se consume en romper la estructura dendrítica para formar, a continuación, la austenita. El normalizado produce una estructura con una cantidad menor de ferrita que sí se enfría lentamente, y una perlita más fina.

La Zona No, 2, que se calienta a 950°C posiblemente no modifica su estructura dendrítica porque aunque la temperatura es suficiente el tiempo de aplicación no lo es. Al enfriarse al aire la estructura dendrítica es menor angular y por ello menos agresiva.

La Zona No. 3, aún más alejada del segundo cordón, sólo se calienta a 600°C. que no es suficiente para alterar la estructura.

4.5.3.- Tres Cordones.

En la Fig. 4.5. se ilustra el caso de la influencia de un tercer cordón sobre los cordones anteriores. Se consideran las mismas tres zonas de influencia sobre la masa metálica formada por los dos primeros cordones. Ahora se produce una combinación de estructuras debido a que el calor va a afectar tanto la zona dendrítica del segundo cordón como la estructura parcialmente afectada del primer cordón.

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Zona I,- Se calienta a 1200°C y se enfría al aire. Ocurre en la estructura un tratamiento térmico de normal izado como ya se explicó para la zona No. 1 del primer cordón y la estructura que se forma es igual a la descrita para esa zona.

Zona II.- Se calienta a 950°C y se enfría al aire. La estructura dendrítica no se borra pero se hace menos agresiva.

Zona III,- Alcanza una temperatura de 60D°C y se enfría al aire. No se modifica: la estructura, dendrítica.

Zona 1-I.- Se calienta por segunda vez hasta 1200°C y se enfría, al aire la estructura dendrítica ya fue borrada con el calor del secundo cordón, en esta ocasión se vuelve a austenizar la zona y a crecer los granos. El enfriamiento al aire normaliza la zona produciendo nuevamente una estructura de ferrita y de perlita fina.

Zona 1-II.- Ya había sido normalizada, el nuevo calentamiento a 950°C sólo aumentará un poco la proporción de la ferrita.

Zona 1-III.- Zona que ya había sido normalizada; el calentamiento a 600°C hace que la cementita de la perlita tienda a globulizarse.

Zona 2-I.- Esta zona tenía, después de la aplicación del segundo cordón, una estructura dendrítica regularmente agresiva. Ahora se calienta a 1200°C y se enfría al aire, con lo cual se normaliza quedando una estructura de ferrita y perlita fina.

Zona 2-II.- Esta zona sufre por segunda vez un calentamiento a 950°C normalizándose ahora y adquiriendo la estructura correspondiente.

Zona 2-III.- La estructura dendrítica de esta zona se suaviza un poco debido al calentamiento a 600°C.

Zona 3-I.- La estructura de esra zona corresponde a un tratamiento térmico de normalizado puesto que se calienta a 1200°C y se enfría al aire.

Zona 3-II.- Presenta una estructura dendrítica similar a la de la zona 2-III.

Zona 3-III.- La estructura de esta zona no se modifica.

4.5.4.- Cuatro Cordones.

La aplicación de un cuarto cordón afecta la estructura de los tres cordones anteriores en la misma forma que ya se ha explicado.

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4.6.- INFLUENCIA SOBRE EL METAL BASE.

Se llama metal base a aquél que forma parte del artículo por soldar. El metal base es el recipiente del metal fundido.

Cuando se trata de la fusión y solidificación de un metal en una industria el recipiente cambia; es el horno durante la fusión y refinación, es la olla que transporta el metal del horno a los moldes y es la lingotera o molde durante la solidificación. En cada operación el metal afecta las paredes del recipiente pero, en la utilización del metal fundido y solidificado, no forma parte del sistema.

La soldadura funde, se refina y solidifica en el mismo recipiente que es el metal base y éste sí forma parte del sistema.

El metal de la soldadura afecta, por el calor, una zona del metal base a ambos lados del cordón. Esta zona afectada por el calor (ZAC) tiene unas dimensiones que dependen de la cantidad de calor transmitido.

Supóngase que se ha depositado un cordón de soldadura en un metal base que consiste de acero AISI-1030 (fig. 4.6); el calor producido por la operación afecta, la estructura del metal base produciendo transformaciones de acuerdo con la temperatura que se alcanza en cada zona y a la velocidad del enfriamiento mostrado la ZAC, en consecuencia, diversas regiones.

En la Fig, 4.6. se han supuesto cinco zonas de acuerdo con la temperatura que alcanzan.

Zona I.- Es la más cercana al cordón de soldadura. Alcanza una temperatura de 1350°C. La estructura original del metal base, que es de ferrita y perlita, a la temperatura indicada, forma granos grandes de austenita. El enfriamiento rápido produce una estructura de grandes masas de perlita y algo de ferrita.

Si es demasiado el crecimiento de los granos de austenita, con el enfriamiento al aire se produce una estructura llamada de Widmanstátten que se debe a la precipitación de la ferrita a lo largo de los planos de cristalización de la austenita. El aspecto de esta estructura es el de líneas de ferrita orientadas rodeadas de perlita más o menos fina. Esta estructura es de muy baja ductilidad; tiene una resistencia al impacto de la décima parte de la resistencia de la estructura original.

Zona 2 - Se calienta hasta 1050°C. La estructura del metal base se hace austenítica sin crecimiento de grano; al enfriarse al aire se normaliza produciéndose una estructura escasa, de ferrita y abundante de perlita de acuerdo al tratamiento térmico.

Zona 3..- Se calienta hasta 825°C o sea justamente por arriba del punto A3 del diagrama Fe-Fe3C. La austenita que se forma es heterogénea en cuanto a su contenido de C, esto es, habrá regiones de austenita con bajo C y regiones con alto C; estas regiones producen, al enfriarse, estructuras de ferrita perlita de diferentes proporciones así como la perlita en unas zonas es más gruesa y en otras más fina.

Zona 4.- Se calienta a 770°C; esta temperatura corresponde a un punto situado entre los puntos A1 y A3 del diagrama Fe-Fe3C lo que significa que la estructura original del metal base se

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transforma permaneciendo la ferrita y pasando la perlita a austenita. Al enfriarse la ferrita no se modifica y la austenita se transforma a ferrita y perlita en granos más pequeños. Esta perlita es fina.

Zona 5.- Sólo se alcanzan 650°C lo que significa que, por estar abajo del punto A1, no habrá modificaciones estructurales, solamente la cementita de la perlita tiende a globalizarse.

Más allá de la zona anterior las temperaturas no afectan la estructura.

La aplicación de otros cordones de metal de aporte actuarán sobre la ZAC modificando nuevamente las estructuras.

4.7.- OTRAS INFLUENCIAS SOBRE EL METAL BASE.

Si el metal base es un acero inoxidable de tipo austenítico sin estabilizar (AISI-310, AISI-316) el calentamiento de la soldadura produce una zona en la que se precipitan carburos principalmente de cromo. Esta precipitación hace que la zona puede ser atacada por corrosión intergranular.

Un acero inoxidable estabilizado (AISI-321, AISI-347) al soldarse puede sufrir una desestabilización en una zona en donde la alta temperatura disuelve los carburos de Cb o Ti presentes y al enfriarse se forman carburos de cromo antes que los de Ti o Cb. Esta zona muy delgada desestabilizada es conocida como "hoja de cuchillo".

Al soldar aceros con tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación (Tipo PH, AM), el calor produce una precipitación de la fase que estaba en solución inestable y la zona se hace poco dúctil.

Dependiendo del método de soldadura y de la cantidad de metal de aporte, la difusión de los elementos químicos entre éste y el metal base será en mayor o menor grado, produciéndose cambios químicos, físicos y metalúrgicos en los dos metales del sistema.

Metal de aporte con estructura dendrítica, ZACs (zonas afectadas por el calor) y metal base. Acero al carbono .

10 X

Metal de aporte con estructura dendrítica. Se aprecia la ZAC y la influencia de los cordones entre sí, inclusive una reparación de socavado.

2 X

33

Metal de aporte y ZAC (zona afectada por el calor). Acero al carbono.

200 X

Metal de aporte de estructura dendrítica y zona afectada por el calor en donde se generó una estructura de Widmanstatten.

100 X

La estructura de Widmanstatten anterior a mayores aumentos.

500 X

Soldadura a tope de acero inoxidable austenítico. Se observa la deformación al realizar la soldadura y metal de aporte posterior para asegurar la calidad de la junta.

50 X

Soldadura a tope de acero al carbono. Se observa la microestructura en bandas que se han deformado por la soldadura, la línea blanca da la unión y una grieta.

500 X

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5.- SOLDABILIDAD.

5.1.- INTRODUCCIÓN.

En este capítulo se pretende dar una idea acerca de la soldabilidad en juntas en donde existe fusión de los metales y para ello se requiere primero explicar el significado de este concepto.

Si se define la soldabilidad como la capacidad de un material para ser soldado, al profundizar un poco se hace evidente que resulta un término un tanto relativo, ya que dependerá del punto de vista desde el cual se considere; pongamos por caso que la soldadura de un material sea perfectamente factible metalúrgicamente hablando, sin embargo, pudiera ser poco menos que imposible desde el punto de vista del diseño. De ahí que, se deban considerar, cuando menos,dos tipos diferentes de soldabilidad: la soldabilidad metalúrgica y la soldabilidad constructiva.

Pero además, debe tenerse en cuenta el trabajo que la junta va desempeñar, pues habrá ocasiones, por ejemplo, en donde algún requisito mecánico sea primordial, en otras, alguna propiedad física, pero en otras solamente importará su apariencia, con lo cual en cada caso tendrá una soldabilidad relativa diferente. Con esos conceptos se está en posibilidad de definir a la soldabilidad de la forma siguiente: "La soldabilidad es la facilidad con la que un material puede ser unido, por alguno de los procesos comunes de soldadura, para producir una junta que tenga las mejores propiedades para el servicio al que se va a destinar".

De esta definición se desprende que es prácticamente imposible dar un índice absoluto de soldabilidad y por lo tanto, sólo se verán los factores que tienen influencia sobre la soldabilidad metalúrgica y sobre la soldabilidad metalúrgica y sobre la construcción, así como sus consecuencias.

5.2.- FACTORES SOBRE LA SOLDABILIDAD METALÚRGICA.

Los factores que actúan sobre la soldabilidad metalúrgica son; La composición química y la geometría de los elementos que intervienen en la junta.

Cada uno de ellos afecta en cierto sentido al comportamiento del material, pero las consecuencias no pueden ser sopesadas independientemente, sino que siempre existe una relación entre ambos y debido a ello se analizarán primero sus tendencias en particular y luego las consecuencias de su combinación.

5.2.1.- Composición Química.

Es bien conocido que la composición química determina las características de un material, por lo que no se va a insistir al respecto, lo que ahora se verá es la forma en que afecta en relación a la aplicación de la soldadura.

Puesto que en las soldaduras del tipo que aquí se trata el calor es un elemento importante habrá que tenerlo en cuenta para los efectos de la soldabilidad, si se trata de materiales tratables térmicamente, la templabilidad juega el papel principal, pero en otros materiales lo que cuenta son las reacciones que puede provocar, ejemplo de ellos son los aceros inoxidables en donde la soldabilidad está en función de la precipitación de carburos de cromo.

5.2.1.1.- En materiales templables.

El efecto de la templabilidad podrá ser entendido con un ejemplo y qué mejor que el de los aceros al carbono o mediana aleación. En estos materiales los calentamientos producen

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condiciones similares a diferentes tratamientos térmicos dependiendo de la cercanía a la zona fundida, dando así lugar a la "zona afectada por el calor" (ZAC) de esta zona la parte crítica es la que queda sometida a condiciones similares a las de temple debido a la estructura frágil y dura que se produce y que propicia a la formación de grietas.

El estudio de esas condiciones ha llevado a algunos autores a relacionar la templabilidad, en términos de la composición química, con las transformaciones estructurales; creando una expresión que se llama carbono equivalente, con el símbolo [C], y que sirve para calcular la temperatura de Ms y que éste a su vez, es un índice de templabilidad, o lo que es lo mismo, la soldabilidad metalúrgica por concepto de la composición química.

Se han propuesto varias formas para calcular el carbono equivalente que, aunque no dan valores iguales, al emplearse en operaciones de cálculo de diseño de operaciones de soldadura, siguiendo el método particular de cada caso dan resultados muy aproximados. Uno de estos métodos se verá posteriormente en el apéndice al final de este capítulo para calcular las temperaturas de precalentamiento de soldaduras.

El carbono equivalente, en forma inmediata indica la soldabilidad de los aceros al carbono de baja aleación, según el siguiente criterio:

hasta C = 0.25 Perfectamente soldablehasta C = 0.40 Medio soldablesmayores a C = 0.40 Difícilmente soldables

Ahora bien, las condiciones de soldabilidad de los dos últimos pueden ser mejoradas mediante la aplicación de técnicas adicionales, ya que como se recordará se define la soldabilidad únicamente para las condiciones normales. Las técnicas especiales consisten generalmente de calentamientos previos o posteriores a la operación de la soldadura: o también por el empleo de técnicas de soldadura muy particulares.

En materiales diferentes a los aceros las consideraciones son las mismas sólo que analizando las características metalúrgicas de cada elemento que interviene en la composición del material en particular.

5.2.1.2.-En materiales no templables.

Los materiales que no sufren transformaciones del tipo mar te sitie o también son afectados por el calor ya que las condiciones de aplicación de la soldadura provocan modificaciones de carácter metalúrgico que traen como consecuencia cambios de propiedades físicas o mecánicas con lo que la junta reacciona de modo diferente al resto del material.

Esas modificaciones pueden ser de variada índole que aquí generalizaremos en dos casos:- Modificación de las fases por cambios de solubilidad.- Modificación de la estructura sin cambio de fases.

Modificación de las fases por cambios de solubilidad.- Los calentamientos y enfriamientos producidos por la aplicación de la soldadura ocasiona cambios en la solubilidad de los elementos químicos, que en ciertos materiales se traduce en la formación o desaparición de precipitados, cambios de la composición del precipitado o cambio de las fases.

Ejemplos sobre estas reacciones;Formación de un precipitado,- Los aceros inoxidables en donde la precipitación de los carburos de cromo propicia la corrosión intercristalina.

Desaparición del precipitado.- Un número considerable de aleaciones de aluminio comerciales tienen una estructura que incluye un precipitado que les imparten propiedades mecánicas superiores a las de otras aleaciones, ahora bien, si esas aleaciones son sometidas a ciclos

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térmicos muy drásticos el precipitado puede, ser disuelto por la fase matriz y con ello las propiedades de la zona afectada por el calor sufrir cambios que resultan indeseables.

Cambio de la composición del precipitado.- Un ejemplo de este caso se da en los aceros inoxidables estabilizados en donde el carbono que contiene, forma carburos con los elementos estabilizadores bajo las condiciones normales, pero si por medio de un calentamiento y luego un enfriamiento rápido desaparecen al, quedar di sueltos en la matriz en forma inestable, otro calentamiento provocará nuevamente la precipitación aunque ahora puede ser de carburos de cromo y dar el mismo resultado que en el primer ejemplo. Este conjunto de condiciones no es raro que se produzca durante la operación de soldadura.

Cambios de fase.- Para esta reacción, los aceros inoxidables nuevamente brindan un buen ejemplo con la formación de la fase sigma.

Las condiciones de formación no ocurren durante la operación de soldado sino durante el servicio, no obstante su relación es muy estrecha con esa operación debido a que en la soldadura de los aceros inoxidables austeníticos es deseable que haya ferrita porque mejora las propiedades en caliente de la junta, pero cuando se somete a calentamientos entre los 500°C y 950°C la ferrita se transforma a una nueva fase que se llama sigma la cual disminuye la resistencia a la corrosión, la ductilidad y la resistencia. Esta fase también puede formarse en los aceros terríficos de más de de cromo.

En cualquiera de los tres ejemplos anteriores las condiciones negativas provocadas por los cambios de solubilidad, salvo raras excepciones, sólo pueden ser eliminadas mediante cuidadosos, largos o complejos tratamientos, por lo que se apartan de los métodos normales de soldadura y de ahí que se considere que la soldabilidad baja por causa de estos efectos.

Modificación de la estructura sin cambio de fases. Este es el caso más simple, supóngase cualquier material, bronce, aluminio, acero, etc., que tenga cierta deformación; cualquier calentamiento puede cambiar la disposición de los granos. Además se pueden tener otros efectos como refinación del grano, etc, pero todos ellos modificarán algunas propiedades que incluso son difíciles o imposibles de reintegrar y por lo tanto la junta tendrá un comportamiento muy diferente, al grado de considerar que tiene una soldabilidad nula para algunas aplicaciones,

5.2.2.- Geometría de la Junta.

Con respecto a la soldabilidad metalúrgica lo que interesa de la forma de la junta son los detalles que pueden influir sobre la velocidad de enfriamiento y ellos son: El espesor de las placas y el tipo de empalme.

Entre mayor es la masa de las piezas que se van a unir mayor es la cantidad de calor que hay que suministrar y la velocidad de enfriamiento se incrementa mucho debido a que el coeficiente de transmisión de calor de los metales es mayor que el del aire. En esas condiciones afectará el número de caminos por los que se pueda transmitir el calor, es decir, tratándose por ejemplo de placas, el número o disposición en que se encuentren en la junta.

5.3.- EFECTO COMBINADO DE LA COMPOSICIÓN QUIMICA Y DE LA GEOMETRÍA DE LA JUNTA.

La composición química y la velocidad de enfriamiento, como se recordará, son dos de las variables de los tratamientos térmicos, relacionadas íntimamente con la templabilidad y consecuentemente con la soldabilidad, especialmente en los materiales templables, durante el diseño de la operación de soldadura debe ser considerada la combinación de esas variables para determinar el índice de soldabilidad desde el punto de vista de la formación de grietas

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causadas por estructuras frágiles, de ahí que los factores sean: el espesor de las placas, afectando la velocidad de enfriamiento y la composición química, la templabilidad.

Ahora bien, como la composición química y el espesor de las piezas son productos de otros factores, resulta que no pueden ser cambiados fácilmente, con lo que la única posibilidad de modificar esa situación es bajando la velocidad de enfriamiento y éstos se consigue mediante precalentamientos del material base, a temperaturas que antes se fijaban empíricamente, pero que actualmente con la ayuda de fórmulas se pueden determinar teóricamente.

Se han desarrollado varios métodos de cálculo de esas temperaturas de calentamiento, algunos relacionando todos los factores que intervienen, como el método de la British Welding Research Association para soldaduras por arco, y otros solamente la composición química y las dimensiones de las piezas, como el método de Seferian.

Un ejemplo del cálculo de la temperatura de precalentamiento para la soldadura de dos placas de acero AISI-8920, se da en el apéndice de este capítulo.

5.4- FACTORES SOBRE LA SOLDABILIDAD CONSTRUCTTVA.

La soldabilidad constructiva, como su nombre lo indica, es aquélla que depende exclusivamente de las condiciones impuestas por la concepción mecánica de la junta.

Los factores que intervienen sobre esta soldabilidad son:La forma de las piezas en relación con la soldadura.La rigidez del conjunto donde se ejecuta la junta.Los materiales empleados en la junta.La concepción del diseño.La forma de la junta.

5.4.1.- La forma de las Piezas en Relación con la Soldadura.

La forma de las piezas que van a ser soldadas es un factor muy importante con respecto a la soldabilidad constructiva debido a los diferentes factores de tipo metalúrgico o mecánico que pueden inducirse.

Ejemplos sobre este punto pueden citarse en gran número, sin embargo mencionaremos sólo algunos:

Piezas de muy diferente espesor.Conjuntos que pueden distorsionarse.Localización de la junta que impide realizarla.

5.4.2.- La rigidez del conjunto donde se ejecuta la Junta.

Este factor es probablemente el más importante y el más difícil de considerar ya que sin ser aparente pueden ocasionar graves problemas después de un tiempo de servicio de la junta. Se produce por los cambios dimensionales debidos a los calentamientos y enfriamientos, mediante el mecanismo siguiente.

Por efecto del calentamiento durante la soldadura el material base sufre dilataciones, a veces antes de que se deposite el material de aporte, con lo que, el claro en las piezas resulta más pequeño de lo que es a temperatura ambiente o de servicio; al enfriarse las partes calentadas vuelven a contraerse, pero si el conjunto no lo permite que da un estado de esfuerzos muy

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elevado que con el paso del tiempo y el trabajo conducirá a fracturas o corrosión, dependiendo del material de que se trate.

Esta condición de esfuerzos, en ocasiones puede ser aliviado mediante un tratamiento de relevado de esfuerzos, ya ese térmico o algún otro sistema. Es muy importante hacer notar aquí, después de haber visto los fines del precalentamiento y del post-calentamiento, que debido a su carácter muy diferente, en ocasiones son imprescindibles los dos tratamientos.

5.4.3.- Los materiales empleados en la Junta.

Se dice que todos los materiales metálicos son soldables uno con otro y que el problema está en encontrar el método adecuado para hacerlo, esto implica que no es raro soldar dos materiales aparentemente muy dispares, sin embargo, al diseñar una Junta de tal tipo hay que tener muy en cuenta sus diferentes coeficientes de expansión, ya que de no hacerlo así podrían generarse problemas del mismo tipo que con el factor anterior.

Otra posibilidad que puede presentarse por la unión de dos materiales diferentes es la formación de pares galvánicos que induzcan corrosión.

5.4.4.- La Concepción del Diseño.

El diseñador de una Junta debe de buscar la mejor localización para obtener una mejor distribución de esfuerzos y desde luego mayor economía.

Como puede observarse los problemas son más de tipo mecánico que metalúrgico, razón por la cual se salen del presente trabajo y no serán tratados.

5.4.5.- La Forma de la Junta.

Está dentro del mismo caso del anterior, por lo que únicamente se mencionará que la forma del bisel y la disposición de los cordones son dos de los aspectos a considera.

De la consideración de todos estos factores de cada soldabilidad se llega a la soldabilidad total y en consecuencia la viabilidad de la soldadura bajo determinadas condiciones.

5.5.- Pruebas Sobre Soldabilidad.

En vista de que son muy numerosos los factores que influyen sobre la soldadura, ha sido imposible desarrollar una prueba que los considere a todos y ni siquiera a varios de ellos a la vez, por lo que para probar cada factor existen una o varias pruebas.

Las pruebas destructivas que serán tratadas aquí son algunas de ellas, pero como se verá hay algunas propiedades de las soldaduras que siendo muy importantes no han sido consideradas y entre ellas destaca la susceptibilidad a las grietas, aquí lo mismo que en casi todas las otras propiedades a medir existe algo de confusión debido a que muchos investigadores han tratado de medirla según métodos desarrollados por ellos mismos y aún no se ha estandarizado una, con lo que las pruebas para esta sola propiedad suman algunas decenas y hacen imposible en referirse a cada una de ellas, sin embargo en términos generales, la técnica consiste en hacer uniones con la soldadura y el material por probar, sobre una probeta determinada en donde se mantenga rígido el conjunto y al enfriar se ve si se ha desarrollado una grieta.

Un ejemplo de una probeta con esas condiciones se muestra en la Fig. 5.1. Aclarando nuevamente que hay una gran variedad de probetas diferentes para el mismo fin, que en el caso de tener interés sobre ellas podrán ser consultadas en la bibliografía al respecto.

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Otras propiedades también pueden ser probadas, como por ejemplo: la temperatura de transición, por medio de probetas de impacto normales o modificadas; o bien si se desea conocer las estructuras obtenidas por las diferentes velocidades de enfriamiento se puede hacer uso del Ensayo Jominy con probetas normales o modificadas, etc.

Esto da una idea de la cantidad de pruebas que existen y que aún pueden ser desarrolladas para cada caso en particular, pero como comentario final hay que aclarar que las pruebas mencionadas en este capítulo generalmente se aplican a nivel de investigación o trabajos extremadamente delicados.

APÉNDICE

Determinación de la Temperatura de Precalentamiento de las soldaduras por el método de Seferian.

El autor de este método propone que la temperatura de precalentamiento en grados centígrados está dada por la fórmula:

Tp = 350 ( [ C ]t - 0.25)1/2 (A.l)En donde: [ C ]t es el equivalente de carbono total entendiéndose como tal la suma del equivalente de carbono por concepto de la composición química [ C ]q , y del equivalente de carbono por el espesor de las piezas [ C ]e es decir:

[ C ]t = [ C ]q = [ C ]e (A.2)

A su vez el equivalente de carbono por el espesor está dado por:

[ C ]e = 0.005 x e x [ C ]q (A.3)

que al combinar (A.2) y (A.3) queda;

[ C ]t = [C]q (1 + 0.005 e) (A.4)

donde e, es el espesor de las placas en mm.

Ahora bien, para [ C ]q el método de la siguiente fórmula:

360 (%C) + (%Mn+%Cr) + 20 (%Ni) + 28 (%Mo)[ C ]q = ------------------------------------------------------------------------------------------------ (A.5)

360

Ejemplo de aplicación del método.

Se van a soldar a tope dos placas de acero AISI-8620, con un espesor de 10 mm, y se desea

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saber la temperatura de precalentamiento si es que se necesita, para ello se procede de la forma siguiente:

Composición del material, en %:C Mn Si P S Cr Ni Mo0.23 0.90 0.00 0.04 0.03 0.60 0.70 0.25

Según fórmula (A.5)

(360 x 0.23) + [40 (0.90 + 0.60] + (20 x 0.70) + (28 x 0.25)[ C ]q = ------------------------------------------------------------------------------------ = 0.455

360

Según fórmula (A. 4)

[ c ]t = 0.455 (1 + 0.005 x 10) = 0.478

De donde la temperatura de precalentamiento según la fórmula (A.1);Tp = 350 (0.478 - 0.25)1/2 Tp = 350 (0.228)1/2 Tp = 350 (0.478)Tp = 167°C

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6.- CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LA SOLDADURA DE ARCO

El avance continuo de los materiales para ingeniería ha extendido y subdividido el campo que se encarga de la unión de los materiales entre sí. Desde hace más de una década, las organizaciones especialistas en el estudio de la soldadura han incluido en sus conceptos la unión de los metales con otros materiales por medio de adhesiones, incluyendo también las juntas que se obtienen en los plásticos entre si.

Este texto se circunscribe a dar un esbozo de la unión de los metales entre sí y dentro de esta unión solo la parte que se refiere a algunos métodos de soldar.

La unión entre dos metales se clasifica principalmente por la temperatura a la que se ejecuta la operación (en inglés están establecidos los nombres de los tres grupos en los que se clasifica: Welding, Brazing y Soldering). En español no hay una equivalencia autorizada por lo que en la clasificación se denominará "Soldadura" a la palabra Welding, dejando los nombres en inglés para los dos grupos restantes). Esta clasificación es:

Soldadura (Welding)BrazingSoldering

La soldadura (Welding) se define como la operación de unir dos metales haciendo que coalescan por medio de un calentamiento que alcance el liquidus de los metales que unen. Puede aplicarse o no presión, así mismo puede o no haber metal de aporte.

Brazing es el proceso de unión en el que las partes se calientan para fundir sólo el metal de aporte, a una temperatura de más de 450°C (840°F) pero menor del sólidus del metal base. El metal de aporte se distribuye por capilaridad.

Soldering es el proceso de la unión en el que la coalescencia de los materiales se produce por calentamiento para fundir el metal de aporte, a una temperatura por abajo de 450°C (870°F) y del sólidus del metal base. El metal de aporte también se distribuye por capilaridad.

Sin dejar de reconocer la importancia que en cierto momento pueden tener el brazing y el soldering, es evidente que la soldadura (Welding) es el grupo de procesos de unión de mayor interés; por lo tanto sobre este grupo se extenderá el presente capítulo.

6.1.- CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SOLDADURA.

Los métodos de soldadura pueden clasificarse desde varios puntos de vista, de entre ellos pueden mencionarse:

Tipo de electrodosConsumibleNo consumibleRecubiertosDesnudosCon fundente interiorEn forma de varillasEn forma de alambre

Continuidad de la operaciónContinuaIntermitente

Tipo de equipoManualSemiautomáticoAutomático

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Gas de protecciónSe utilizaNo se utiliza

La clasificación principal puede hacerse por el origen de la energía. En la Tabla No. 6.1, se presenta una clasificación basada en los cuadros de la American Welding Society.

6.2.- LA SOLDADURA DE ARCO.

Como se observa en la Tabla No. 6.1, se tiene un gran número de procesos de soldadura y de estos, los de más amplio uso son aquellos cuya fuente de energía proviene de arco eléctrico. Por ello, sobre estos procesos se centrará aún más la atención de este capítulo.

Del arco eléctrico proviene el calor necesario para la fusión y la coalescencia con el metal base. El arco se forma entre un electrodo y el metal a través de una capa de gas ionizado (plasma), alcanzándose temperaturas superiores a 5000°C.

Para producir el arco puede utilizarse corriente al terna o continua con motores o con máquinas rectificadoras.

La corriente continua es de bajo voltaje y alto amperaje.- Generalmente se opera con máquinas hasta de 1000 amperes y 40 a 90 voltios:

La polaridad de la corriente continua es determinante para la penetración de la soldadura en el metal base, ya que establece la forma de distribución del calor. Es importante también porque influye en el consumo de electrodos. Cuando se utiliza polaridad directa el polo negativo está en el electrodo: Cuando la polaridad es inversa, éste es polo positivo.

Cuando se utiliza corriente alterna se tiene bajo amperaje y un alto voltaje. La corriente alterna puede proveerse con un motor o con un transformador que abate el voltaje desde la tensión de la línea de alto voltaje, hasta unos 80 voltios. En ciertos procesos se usa corriente alterna de alta frecuencia para encender y estabilizar el arco.

El arco eléctrico consta de dos partes: un plasma interior formado por gases ionizados y vapores provenientes de materiales sólidos volatilizados, y una flama exterior. Entre el electrodo y el metal base hay un intercambio de partículas positivas y negativas a través del plasma. La energía térmica desarrollada por el arco hace que algunos átomos sufran ionización, efecto que es aumentado por la energía de choque, volviéndose iones positivos al perder sus electrones exteriores. La presencia de las partículas positivas y negativas permite la conducción de la corriente eléctrica a bajos voltajes.

Las áreas en donde se genera el calor son el ánodo, el cátodo y el plasma. La energía por unidad de longitud introducida durante la soldadura es igual al producto del voltaje por el amperaje y por el tiempo en segundos, dividido entre la longitud soldada por minuto. El calor generado por el arco, expresado en joules, es igual al producto del voltaje por el amperaje y por el tiempo.

La ventaja principal del arco es que permite una alta concentración del calor.

La relación entre el voltaje y el amperaje con respecto al arco es factor muy importante en la eficiencia de la soldadura.

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El voltaje del arco puede ser creciente, decreciente o constante. El voltaje creciente mantiene un arco constante aunque varíe la cantidad del metal por fundir y puede controlar de manera que aumente según lo requiera el arco de acuerdo con el procedimiento de soldadura que vaya a utilizarse. El voltaje decreciente permite aplicar una alta tensión al iniciar la operación y, cuando el electrodo entra en corto circuito con el metal, cae el mínimo en tanto que el amperaje alcanza su valor máximo; una vez establecido el arco, el voltaje aumenta y el amperaje baja, y durante la operación, el control es automático al variar directa mente el voltaje e inversamente el amperaje con respecto a la distancia que el electrodo guarda del metal base (longitud del arco). Esto permite una operación segura, con distribución uniforme del calor y consumo económico y controlado de electrodos.

Cuando el voltaje es constante éste se mantiene independientemente del arco, y el amperaje es prácticamente ilimitado y es suficiente para fundir los electrodos en el momento mismo en que se produce el arco.

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6.2.1,- Soldadura de Arco con Electrodo Metálico Recubierto ( Shielded Metal-Arc Welding, SMAW).

Es un procedimiento llamado comúnmente soldadura manual en el cual el calor se produce por un arco eléctrico que se genera entre el extremo del electrodo y el metal que se va a soldar. (Fig. 6.1)

El electrodo es del tipo recubierto, esto es, está constituido por un centro metálico y un fundente como recubrimiento. El centro del electrodo es un redondo metálico sólido o fundido. El metal de aporte proviene principalmente de este centro metálico.

El recubrimiento es un fundente que está formado de sustancias diversas tales como: celulosa, carbonato de calcio, espatofluor, dolomita, rutilo, ferrosilicio, etc. y su composición varía de acuerdo con el tipo de electrodo. La combustión y la descomposición del recubrimiento genera una atmósfera que protege de la contaminación atmosférica al extremo del electrodo, al charco metálico y a las áreas adyacentes. Esta atmósfera protectora y el resto de componentes del recubrimiento controlan principalmente las propiedades mecánicas, la composición química y la estructura metalúrgica del metal depositado así como la estabilidad y las características del arco. El recubrimiento también forma una escoria que da protección adicional al metal depositado contra la oxidación cuando aún está caliente.

Las ventajas por lo que este método es el más difundido son:Equipo más sencillo, económico y portátil.Se puede aplicar en interiores y exteriores.Se puede aplicar en cualquier posiciónSe alcanzan lugares inaccesibles para otros métodos

Sus desventajas son:Poca velocidad de avance por tener que reponer constantemente los electrodos cuya longitud máxima es de 42 cm. (18"1).Eliminación de la escoria para poder aplicar el siguiente paso.Los metales que pueden ser soldados y el número de la norma AWS para cada uno de ellos se indica en la Tabla No. 6.2.

6.2.2.- Soldadura de Arco con Electrodo Tubular Continuo. ( Flux Cored-Arc Welding. FCAW)

Es un proceso automático o semiautomático de soldadura en el que el metal se funde por el calor que genera un arco eléctrico entre un electrodo de alambre hueco consumible y el metal por soldar. La cubierta gaseosa de protección proviene de la descomposición de un fundente

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contenido dentro del electrodo hueco y puede haber una fuente exterior de gas de protección. De acuerdo con esto, hay dos variedades del proceso.

TABLA No. 6.2

- Soldadura cuya cubierta gaseosa protectora proviene únicamente del fundente. (Fig. 6.2).- Soldadura que además de la cubierta gaseosa del fundente utiliza un gas exterior adicional. (Fig. 6.3).

El primer método es similar al de arco con electrodo metálico recubierto (SMAW), y el segundo al de arco con alambre continuo protegido con gas (GMAW).

El electrodo está formado por una cinta de acero de bajo carbono o de baja aleación con la que se fabrica el electrodo hueco continuo en cuyo interior con tiene al fundente. El fundente está formado por: polvos metálicos (aluminio, níquel, etc.), ferroaleaciones (fe-Mn, Fe-Si, Fe-Mo, etc.), minerales (carbonato de calcio, espatofluor, etc.).

El metal de aporte proviene de la parte metálica del electrodo.

Del fundente proviene la cubierta gaseosa protectora; además, el fundente controla: propiedades mecánicas, composición química, estructura metalúrgica, resistencia a la corrosión, sanidad del metal depositado, escoria superficial ligera y estabilidad del arco.

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El gas exterior de protección puede ser CO2, una mezcla 75 Ar-25 CO2 ó una de 98% Ar-2% O2.

Las ventajas de este proceso son:Alta producciónMejores aspectos metalúrgicos

Sus desventajas son:Equipo complejo y,Equipo extractor de humosEliminación de la escoria

Se puede soldar los siguientes metales base:Aceros al carbonoAceros de alta resistenciaAceros al cromo-molibdenoAceros inoxidablesAceros refractariosAceros al níquelAceros resistentes a la abrasión

En la norma AWS A 5.20 se clasifican los electrodos según su utilización.

6.2.3.- Soldadura de Arco Sumergido. (Submerged-Arc Welding - SAW).

Procedimiento de soldadura de arco eléctrico en el que el calor proviene de un arco ( o arcos ) entre un electrodo (o electrodos) metálico desnudo consumible y el metal por soldar. La zona de soldadura está protegida por una capa de fundente previamente depositado (Fig. 6.4).

El metal de aporte proviene del electrodo y a veces de varillas suplementarias u otras adiciones metálicas.

La punta del alambre se sumerge en el fundente que cubre el área en la que se va a iniciar la soldadura; se hace saltar el arco produciéndose la fusión del metal base, del electrodo y del fundente; éste protege la soldadura.

Se avanza y se va alimentando previamente el fundente. Al fundir el metal base y el de aporte funde también el fundente y flota formando una capa de escoria protectora que luego solidifica. El fundente no fundido se recupera.

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Las reacciones entre el fundente y el metal fundido influyen sobre la limpieza, las propiedades y la composición del metal depositado. La composición del fundente influye en la estabilidad, la temperatura y la distribución térmica del arco.

El fundente se clasifica sobre la base de las propiedades del metal depositado cuando se usa en combinación con electrodos específicos.

Los fundentes son materiales minerales granulados fusibles, constituidos por óxidos de manganeso, silicio, titanio, calcio, zirconio y magnesio. Se consideran: ácidos, neutros o básicos según la relación CaO o MnO con SiO2.

Las ventajas son:Por el diseño de la ranura se usa menos metal de aporte.Alta velocidad de depósito.No se requiere protección especial gaseosa para la soldadura.El fundente proporciona la protección necesaria contra la contaminación atmosférica y puede aportar elementos de aleación.Electrodos de costo económico cuando se une acero bajo carbono.El proceso puede usarse en el exterior aún con cierto viento, por la protección que dan el fundente granular y la escoria.

Las limitaciones son:Equipo complicado.Fundente que puede contaminarse.Metal base muy limpio.Eliminación de la escoria.No puede aplicarse a material menor de 3/16".Sólo puede aplicarse en posición plana en soldadura de ranura, y plana y horizontal en soldadura de filete.

Hay electrodos para soldar diversos tipos de metal base. Se suministran en forma de alambre sólido desnudo o como electrodo compuesto. Excepto en algunas aplicaciones especiales, los electrodos de acero están recubiertos de cobre para disminuir la abrasión en el tubo guía.

Las normas de los electrodos de acuerdo con los metales base por soldar se incluyen en la Tabla No. 6.3

TABLA No. 6.3

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6.2.4.- Soldadura de Arco con Alambre Continuo Protegido con Gas. (Gas Metal Arc Welding GMAW).

Procedimiento automático o semiautomático de soldadura de arco, llamado comúnmente MIG (Metal Inert Gas). En el cual se produce la fusión por el calor proveniente de un arco eléctrico entre un electrodo consumible y el metal por soldar. (Fig. 6.5).

El electrodo es un alambre desnudo que es alimentado continuamente para ser consumido y constituir el metal de aporte.

La contaminación atmosférica de la soldadura se previene por una cubierta de gas o mezcla de gases que llegan a través de la boquilla.

La composición del electrodo debe ser muy similar a la del metal por soldar aunque en casos especiales se obtienen las mejores soldaduras con metal de aporte con variaciones pequeñas o grandes según el metal base.

El gas protector puede ser puro o una mezcla de ellos. Los usuales son: argón, helio, nitrógeno y CO2 algunas veces con la adición de oxigeno.

La transferencia del metal del electrodo al metal base puede ser por corto circuito, por gotas metálicas que se mueven por la fuerza de gravedad o por fuerzas electro magnéticas.

Las ventajas de este procedimiento son:Mayor velocidad de soldadura por la alimentación ininterrumpida del electrodo y por no haber escoria que necesite ser removida. Por ello es más efectivo que la soldadura de arco manual.Puede soldarse en todas las posibilidades con lo cual se eliminan las limitaciones de la soldadura de arco sumergido.Mayor penetración que con la soldadura de arco manual lo que permite soldaduras de filete menores con la resistencia equivalente.

Las desventajas son:Equipo más complejo, costoso y menos portátil.No pueden alcanzarse todas las áreas porque la antorcha debe estar muy cerca del metal por soldar.Los metales endurecibles son más susceptibles a la fractura por no haber escoria que reduzca la velocidad de enfriamiento.No puede usarse a la intemperie porque debe cuidarse de las corrientes de aire la nube protectora de gas.

Las normas que se refieren a los electrodos que deben usarse para los diferentes metales base

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son:ACEROS A 5.18Al A 5.10Cu A 5.6Mg A 5.19

6.2.5.- Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno Protegido con Gas. (Gas Tungsten- Arc Welding (GTAW)

Proceso de soldadura de arco, llamado generalmente TIG (Tungsten Inert Gas), es en el que la coalescencia del metal se produce por el calentamiento proveniente de un arco entre un electrodo de tungsteno no consumible y el metal por soldar. La soldadura puede hacerse sin metal de aporte o puede usarse dependiendo de los requisitos de la junta. La zona de la soldadura está protegida de la atmósfera por una corriente de gas puro o una mezcla (Fig. 6.6).

Este proceso puede ser de tipo manual o automático y s e puede, soldar espesores tan delgados como 0.005".

Los electrodos no consumibles pueden ser de tungsteno o aleaciones tungsteno-torio o tungsteno-zirconio.

Como estos electrodos y el metal fundido puede oxidarse durante la soldadura, están protegidos por la atmósfera de gas. Esta consiste de helio o argón, o una mezcla de ellos.

Las ventajas de este proceso son:Adaptables a operación manual o automática.Puede producir soldaduras continuas, intermites o muy localizadas.Puede utilizarse a todas las posicionesAplicable a un amplio rango de espesor.Puede soldarse sin metal de aporteNo produce escoria

Las desventajas son:Su velocidad de depósito es menor que la de los procesos que utilizan electrodos consumibles.Los electrodos de tungsteno se contaminan con facilidad.

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La exposición de la varilla de metal de aporte caliente al aire usando técnicas inadecuadas.Contaminación del metal soldado.El costo de los gases es elevado.El equipo es costoso.

Se puede soldar una gran variedad de metales y aleaciones excepto las de muy bajo punto de fusión. En la Tabla No. 6.4. se indica las normas de los metales de aporte según el metal base por soldar.

6.2.6.- Soldadura de Arco Plasma. (Plasma Arc-WeIding - PAW).

Proceso de soldadura por arco en el que el calor se produce por un arco concentrado entre un electrodo de tungsteno no consumible y el metal por soldar (arco transferido) o entre el electrodo y un orificio restringido (arco no transferido). (Fig.6.7).

Este proceso es muy similar al proceso TIG. Pero tiene una mayor densidad de energía en el arco y más velocidad del plasma porque el arco lo fuerza a través de la boquilla.

TABLA No. 6.4

El plasma que es material ionizado consiste de electrones libres, iones positivos y átomos eléctricamente neutros. El plasma o conducto de la corriente, se mantiene caliente por el efecto de la resistencia de la corriente que pasa por él. El plasma se presenta en todos los arcos, pero aumenta si se coloca en un orificio; esto produce una temperatura del arco mayor, una concentración mayor de calor y mayor voltaje (Fig. No. 6.8).

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FIG. 6.8. COMPARACIÓN DE LAS TEMPERATURAS DESARROLLADAS POR LOS PROCESOS DE SOLDADURA DE ARCO CON ELECTRODO DE

TUNGSTENO PROTEGIDO CON GAS Y DE PLASMA.

El recubrimiento que protege al metal fundido se obtiene del gas caliente ionizado que se produce en el orificio de la boquilla. Puede requerirse una protección adicional para lo cual se utiliza gas auxiliar que puede ser inerte o una mezcla.

En este proceso puede utilizarse o no metal de aporte.

Los electrodos que se usan son similares a las del proceso TIG.

El metal de aporte, si se utiliza, se suministra en rollos o varillas.

Las ventajas de proceso son:Mayor concentración de energía.

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Arco con mayor estabilidad.Mayor calor.Menos sensibilidad a las variaciones del tamaño del arco.Se elimina la contaminación del electrodo.El soldador necesita menos destreza.No se requiere respaldo.Mayor velocidad que el TIG.Mayor control del proceso.Pueden soldarse espesores más pequeños.

Las desventajas son:Equipo muy costosoPoca vida útil de la herramienta del orificioEl soldador necesita más conocimientos que destrezaMayor consumo de gas.

En la Tabla 6.5 se indican las normas de las varillas que se pueden utilizar para soldar metales diversos según se indica.

TABLA No. 6.5

6.2.7.- Soldadura por Electrogas ( Electrogas Welding) (EGW).

Proceso automático de soldadura de arco que se considera como variación de los procesos con alambre continuo protegido con gas (GMAW) o con electrodo tubular continuo (FCAW) según sean los electrodos que se utilizan y como una derivación de electro-escoria (ESW) en el aspecto constructivo.

Utiliza chaquetas de cobre refrigeradas para mantener confinado el metal fundido. La protección de la soldadura proviene de una fuente externa si se usan electrodos GMAW o del fundente, en forma de escoria, que proviene del interior de los electrodos FCAW; en este último caso puede añadirse protección de gas adicional. El gas de protección puede ser CO2 o una mezcla Ar-CO2

(Fig. 6.9).

El electrodo se alimenta a la cavidad formada por las placas por soldar y las chaquetas. Se inicia el arco entre el electrodo y una placa en el fondo de la junta. El calor funde las caras del metal base y el electrodo y el metal fundido se va calentando y solidificando en la cavidad.

Los electrodos pueden ser alambres sólidos desnudos o huecos con fundente interior.

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Con este proceso es posible soldar placas gruesas (de 1 a 10 cm) en un solo paso. Se aplica a aceros de bajo y medio carbono.

6.2.8.- Soldadura de Arco con electrodos de Carbón (Carbón Are Welding) (CAW).

Este es un proceso en que se produce la coalescencia del metal por el calentamiento de un arco entre un electrodo de carbón y el metal por soldar. Este fue uno de los primeros procesos de soldadura y en la actualidad se emplea rara vez. Hay dos variedades, el proceso directo en el que el arco salta entre el electrodo de carbón y el metal por soldar, y el indirecto en el que el arco se establece entre dos electrodos de carbón. Actualmente se protege el arco con fundente aunque originalmente no se hacía. Su uso es en el proceso de arco-aire.

6.2.9.- Soldadura de Arco Abierto (Open-Arc Welding-OAW).

Proceso semiautomático de arco con electrodo consumible en el que no se utiliza ni fundente ni gas de protección. El electrodo se alimenta continuamente, es de sección tubular con elementos de aleación y desoxidantes en gránulos o polvo en su interior.

Su principal ventaja es el bajo costo del equipo.

Este proceso es el que produce más salpicaduras pero como su uso está casi restringido al depósito de recubrimientos duros, en esa actividad no objetables.

En los equipos de soldadura de arco de corrientes constantes sí varía la longitud del arco debido a influencia s externas y ocurren pequeños cambios de voltaje del arco, la corriente permanece sustancialmente constante. Dichos equipos se utilizan en procesos de soldaduras manuales debido a las variaciones en la longitud del arco por el factor humano.

Un sistema de arco con fuente de poder de voltaje constante que utiliza un electrodo consumible alimentado a velocidad constante es un sistema autorregulado; un equipo de voltaje constante se usa en procesos de este tipo.

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6.2.10 .- Soldadura de Arco con Hidrógeno Atómico (Atomic-Hidrogen Welding) (AHW)

En este proceso se emplea el arco como fuente indirecta de calor, con dos electrodos de tungsteno y corriente alterna. A través del arco se lanza un chorro de hidrógeno hasta el metal base, el intenso calor disocia al hidrógeno molecular y se forma hidrógeno atómico dentro del arco; al salir de éste, las moléculas vuelven a unirse liberando la enorme cantidad de energía que absorbieron durante la disociación. Este fenómeno hace que la cantidad de calor disponible sea mucho mayor que la obtenida con un arco común, y es del orden de más de 6000°C.

La nube de hidrógeno caliente protege a la soldadura del contacto con la atmósfera porque siendo el hidrógeno un agente reductor enérgico, cualquier oxígeno presente se combina con aquel, forma agua que se elimina en forma de vapor.

Es muy adecuado para operaciones manuales que requieren gran facilidad de maniobra y estricto control de temperatura. Permite trabajar con aleaciones que son difíciles de soldar por otros procedimientos. Da soldaduras libres de cualquier tipo de inclusiones.

6.2.11 .- Soldadura por Electroescoria (Electroslag Welding - ESW).

Proceso de soldadura aparentemente de arco pero que utiliza la resistividad eléctrica de una escoria líquida para fundir el metal de aporte. Se utilizan chaquetas refrigeradas para mantener confinado al metal y a la escoria fundidos.

El proceso se inicia mediante un arco que calienta al fundente y lo convierte en escoria líquida; se corta el arco y la escoria por resistividad produce el calor necesario para fundir el metal de aporte.

Es un proceso muy similar a la soldadura por electrogas (EGW) a la cual dio origen pero este proceso si es de arco y además utiliza corriente continua únicamente; mientras que el de electroescoria funde el metal por la resistividad de la escoria y puede aplicarse con corriente continua o alterna.

La escoria fundida protege del medio atmosférico al metal.

El proceso tiene dos variables:Convencional.- En el cual el electrodo se alimenta mediante una guía. El conjunto por soldar con las chaquetas se mueven verticalmente de acuerdo con la velocidad de fusión del metal de aporte. (Fig. 6.10).Guía consumible.- En este método el metal de aporte proviene del electrodo y del tubo guía (5 a 10%) . La guía con el electrodo se colocan hasta el fondo de la ranura que van a soldar y no se mueven ni tampoco el conjunto del metal base, sino que se van consumiendo. (Fig. 6.11).

Los electrodos pueden ser alambres sólidos desnudos o huecos con fundentes.

El fundente es de gran importancia porque determina las características de la soldadura. Cuando está líquido debe tener una resistencia eléctrica adecuada para generar el calor necesario, una viscosidad tal que asegura una buena distribución de calor; su punto de fusión debe ser menorque el del metal de aporte, y debe ser razonablemente inerte y poder retirarse con facilidad cuando solidifica.

La composición del tubo guía consumible, debe ser compatible con la composición deseada de la soldadura. La norma AWS A 5.25 clasifica los electrodos y los fundentes.

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FIG. 6.10. SOLDADURA POR ELECTROESCORIA (PROCEDIMIENTO CONVENCIONAL)

FIG.6.11.SOLDADURA POR ELECTROESCORIA (PROCEDIMIENTO DE GUIA CONSUMIBLE)

Las ventajas de este procedimiento son:- Por la simetría del metal depositado no hay distorsión.- La solidificación progresiva permite expulsar los gases y que floten las inclusiones no metálicas.- En el sistema convencional se pueden soldar placas hasta de 50 cm. En el sistema de guía consumible no hay limitaciones en el espesor.

7.- SOLDADURA DE ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN,

El propósito ideal de una soldadura es obtener una junta entre los metales base que tenga los mismas propiedades y características de éstos. Lo que significa que tenga la misma composición química, una micro estructura metalúrgica homogénea y propiedades físicas iguales.

La realidad es que siempre hay diferencias sobre todo si se utiliza metal de aporte.

Puede decirse que mientras más se pueda obtener la soldadura que se desea, el metal base tiene mejor soldabilidad.

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La soldabilidad, como ya se explicó en el capítulo anterior, depende de los siguientes factores:Composición química del metal base.Espesor del metal base.Cantidad de calor aportado y velocidad de enfriamiento.Proceso de soldadura.Uso al que se destina el metal soldado.Metal de aporte.Forma de las partes por soldar.Restricciones constructivas.

Cada uno de estos factores adquiere importancia en su momento y algunos de ellos están relacionados entre sí.

7.1.- COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL METAL BASE.

También se explicó en el capítulo anterior, la importancia que tiene el contenido de carbono en la soldabilidad, por lo que este se agrupa en tres categorías relacionando dicho contenido con la soldabilidad.

Hasta 0.30% C - Soldablesde 0.0 a 0.50% C - Medio soldablesmás de 0.50% C - Difícilmente soldables

Los primeros se consideran soldarles porque prácticamente puede soldarse sin problemas con cualquier método de soldadura de arco. No es necesario aplicar precalentamiento ni post calentamiento.

Los aceros medio soldables se denominan así porque aunque pueden soldarse satisfactoriamente con cualquier método de soldadura de arco, con frecuencia es necesario dar pre y post calentamiento para disminuir la posibilidad de áreas frágiles por la presencia de martensita.

Los aceros con más de 0.50% C se consideran no soldables desde el punto de vista de un método común, sin embargo pueden soldarse aplicando pre y post calentamientos y procedimientos especiales.

Además del carbono, otros elementos de aleación disminuyen la soldabilidad, aunque de un modo menor, por lo que se ha desarrollado el concepto de: carbono equivalente; la acción de los aleantes se añade a la del carbono y de esta forma se tiene una guía primaria que indica si son necesarios el pre y/o el post calentamiento.

Hay varias fórmulas para calcular el carbono equivalente:

Ceq = C + (%M/4) + (%Si/4)

Ceq = C + (%Mn/6) + (%Cr/5) + (%Mo/4)

Ceq = C + (%Mn/6) + (%Cr/5) + (%Mo/4) + (%Ni/15) + (%V/5)

Como se observa, estas fórmulas toman en cuenta diferentes elementos. El valor que se obtiene es una guía que debe combinarse con otros factores.

Si se toma como ejemplo un acero de composición:C – 0.18% Mn – 0.68% y S – 0.16%, al aplicar las dos primeras fórmulas se tiene:

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Ceq = 0.18 + (0.68/4) + (0.16/4) = 0.l8 + 0.17 + 0.04 = 0.39

En una de ellas y en la otra:

C = 0.18 + (0.68/6) = 0.18 + 0.11 = 0.29

En el caso de un arco de baja aleación, con una composición de:C - 0.15Mn - 0.80Si - 0.30C.r - 0.50Ni - 0.80Mo - 0.50V - 0.06

Al aplicar la tercera fórmula se tiene:

Ceq = 0.15 + (0.80.76) + (0.50/5) + (0.50/4) + (0.80/15) + (0.06/5) = 0.15 + 0.13 + 0.13 + 0.05 + 0.01 = 0.47

7.2.- ESPESOR DEL METAL BASE.

El efecto del espesor del metal base se debe a que a mayor grueso, y dada una cantidad de calor aportado que influye en zonas a ambos lados de la soldadura, la velocidad de enfriamiento es mayor por lo que puede originarse en alguna zona que haya alcanzado temperaturas críticas, microestructuras frágiles como martensita o Widmastatten.

Esta circunstancia es más aguda a mayor cantidad de carbono presente.

El precalentamiento tiene por objeto disminuir el gradiente de temperaturas a fin de que la velocidad de enfriamiento sea menor. En la aplicación del precalentamiento debe tomarse en cuenta, además de la composición química, el espesor del metal base, el aporte de calor y éste puede regularse por medio del tamaño del cordón o del número de pasos. Cuando se utilizan pasos múltiples, la temperatura entre los pasos no debe bajar de la que deberá ser de precalentamiento.

En la Fig. 7.1, se relaciona el espesor del metal base con su contenido de carbono para establecer si es necesario el pre y post-calentamiento. En las Fig. 7.2 y 7.3. se indican los límites de temperatura para el precalentamiento según el contenido de carbono y el espesor.

Después de soldar en algunos casos es aconsejable, y en otros obligatorio, dar un tratamiento térmico de alivio de esfuerzos o de revenido. El primero tiene por objeto reducir los esfuerzos generados durante la soldadura sobre todo si el conjunto tiene, restricciones y el segundo quitarle a las estructuras frágiles que se generaron. En la Fig. 7,4, se marca cuando es necesario dar el tratamiento térmico después de soldar, con base en el contenido de carbono y el espesor del metal base.

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ESPESOR MAYOR DEL METAL BASE, PULG.A.- No se necesita precalentamiento ni post-calentamiento después de la soldadura.B.- Generalmente se necesita precalentamiento pero no postcalentamiento después

de la soldadura.C.- Es necesario precalentamiento y post-calentamiento.

Fig. 7.1

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7.3. METAL DE APORTE.

Los aceros al carbono y de baja aleación pueden soldarse prácticamente con todos los procesos de soldadura aún más con soldadura eléctrica y de arco y en casi todos ellos, excepto en procesos especiales, se utiliza metal de aporte que puede ser con un electrodo consumible o una varilla, cinta, etc., adicional.

7.3.1.- Soldadura de Arco con Electrodo Metálico Recubierto. (SMAW).

Los electrodos para soldar con este método son varillas sólidas de acero bajo carbono con un recubrimiento constituido por un conjunto que determina el comportamiento del electrodo y la obtención de una soldadura sana.

En la Tabla 7.1, se indica la acción principal de los constituyentes del recubrimiento aunque casi todos ellos tienen una acción secundaria que puede ser: fundente, estabilizador, aleante, desoxidante, etc.

Espesor máximo del metal base, Pulg.A) Rara vez- se requiere tratamiento posterior a la soldadura.B) Sólo es necesario el tratamiento posterior a la soldadura para dar estabilidad dimensional o cuando deba maquinarse después de soldar.C) Es muy recomendable un tratamiento térmico después de la soldadura para estructuras sujetas a golpes o esfuerzos repetidos y para juntas restringidas con espesores mayores de I".D) Es necesario un tratamiento térmico después de la soldadura para todas las estructuras sujetas a golpes o esfuerzas repetidos y para todas las juntas restringidas con espesores mayores de 2". Es deseable para las estructuras cargadas estáticamente.E) Se recomienda el tratamiento térmico después de la soldadura para todas las aplicaciones en estructuras con el espesor mayor de 2"; en estructuras restringidas, no debe permitirse un enfriamiento intermedio.F) Igual que E , pero con más dificultades.

FIG. 7.4.

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TABLA No. 7.1

FUNCIONES PRINCIPALES DE LOS CONTITUYENTES DEL RECUBRIMIENTO DE LOS ELECTRODOS.

Los electrodos se clasifican fundamentalmente por los conceptos siguientes:1 Letra E .inicial para designar electrodo recubierto y letras ER para electrodo desnudo.2 Resistencia a la tracción mínima que se obtiene expresada en miles de libras por

pulgada cuadrada (dos o tres dígitos).3 La posición en que puede usarse adecuadamente el electrodo. Se usa un dígito que se

coloca en tercera posición: 1 para todas las posiciones y 2 sólo para plana y horizontal.4 Tipo de recubrimiento y características de la corriente utilizables. Se utiliza un último

dígito:5 0, l, 2 ó 3 para recubrimientos celulósicos, 6 y 8 para recubrimientos minerales.

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En la Tabla 7.2, se da una lista del tipo de recubrimiento y de la corriente eléctrica y el dígito con el que se clasifica el electrodo.

Como ejemplo las características de un electrodo E-7018 son:Electrodo recubiertoResistencia a la tracción mínima 70,000 lb/pulg2

Puede usarse en todas posicionesEl recubrimiento es bajo hidrógeno y fierro es polvo y se deposita con corriente alterna o corriente continua polaridad inversa.En aquellos casos en los que es necesario prevenir la presencia de grietas en. aceros al carbono con más de 0.50% es requisito usar electrodos de bajo hidrógeno como son: E7015, E7016, E7018, E8016, E8018, E10016 y E10018.

TABLA No. 7,2

RECUBRIMIENTO Y TIPO DE CORRIENTE ELÉCTRICA EN LA CLASIFICAIONDE ELECTRODOS (ÚLTIMO DÍGITO)

(1) Cuando el tercer dígito es 1(2) Cuando el tercer dígito es 2(3) Para soldadura plana cualquier polaridad, para soldadura de filete horizontal polaridad directa.

Para aceros aleados también se pueden usar estos electrodos en sus diferentes, variedades según el tipo de acero por soldar. En los casos en donde hay condiciones especiales de los aceros aleados, pueden aplicarse en metal de aporte de acero inoxidable en el que se obtiene una junta menos resistente pero más dúctil.

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Para aceros de bajo carbono en la Tabla 7.3, se da una guía de los electrodos que pueden usarse principalmente de acuerdo con los factores de selección que en ella se en listan.

7.3.2.- Soldadura de Arco con Electrodos Tubular Continuo. (FCAW).

En este proceso de soldadura se utiliza un electrodo continuo consumible constituido de un tubo de acero de bajo carbono que en su interior contiene fundentes y elementos de aleación.

Este método de soldadura puede utilizar una protección de gas (CO2, Argón con 2% O2 ó 75% Ar + 24% CO2), o protegerse la soldadura con gases provenientes de los fundentes.

TABLA No. 7.3GUIA EN LA SELECCIÓN DE ELECTRODOS

Los electrodos se clasifican según la resistencia mínima a la tracción que da el metal depositado, si de emplea gas externo y según el tipo de fundente interior.

La composición del fundente es:- Para electrodos que al soldar se emplea una corriente de gas.- Alto óxido de titanio.- Cal-óxido de titanio.- Cal.

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Para los electrodos que generan su propia atmósfera protectora,- Espatofluor - aluminio- Espatofluor - óxido de titanio- Espatofluor - cal - óxido de titanio- Espatofluor - cal

Estos electrodos se considera de bajo hidrógeno por lo que hay que tener los cuidados necesarios.

La ventaja de estos electrodos es que pueden prepararse aún en escala no muy grande, pequeños volúmenes para aplicaciones especiales.

7.3.3.- Soldadura de Arco Sumergido (SAW).

Los electrodos para este método de soldar son alambres sólidos en rollos. La composición la cubren las normas AWS A 5.17 y A 5.23. Se aplican en combinación con diez clases de fundentes.

El precalentamiento y el postcalentamiento que pudieran necesitarse son menores que en la soldadura de arco manual debido a que en este caso hay una mayor entrada de calor, se calienta una área mayor y por lo tanto la velocidad de enfriamiento es menor y además el fundente ayuda a retardar el enfriamiento.

7.3.4.- Soldadura de Arco con Alambre Continuo Protegido con Gas (GMAW).

Este proceso de soldar es muy utilizado en aceros al carbono y aceros aleados.

El metal de aporte consiste de un alambre desnudo continuo (micro alambre).

Pueden lograrse con este método cordones muy delgados utilizando alambre de poco calibre.

La selección en este caso debe hacerse basándose, además de los conceptos ya mencionados, en el tipo de transferencia de la gota metálica y con el gas de protección. La norma AWS A 5.18 marca las características del metal de aporte.

7.3.5.- Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno Protegido con Gas (GTAW)

En este proceso de soldadura el electrodo es no-consumible y por lo tanto se emplean varillas de aporte externas y por ello puede seleccionarse el del tipo que sea más aconsejable. Sin embargo, las limitaciones de composición del metal base se siguen aplicando, esto es, a mayor cantidad de carbono es menos fácil soldar necesitándose pre o postcalentamiento y en ciertos casos este método sólo se aplica para el paso de raíz.

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7.4- USO AL QUE SE DESTINA EL METAL SOLDADO.

La aplicación que se le dará a un conjunto soldado marca un aspecto importante que debe tomarse en cuenta al seleccionar el metal de aporte y el método de soldar. Si un acero al carbono va a trabajar en un medio criogénico, la soldadura debe resistir las bajas temperaturas. Lo mismo puede decirse si se desempeñara donde haya escuerzos repetidos.

7.5.- FORMA DE LAS PARTES POR SOLDAR Y RESTRICCIONES.

Estas variables pueden producir soldaduras que distorsionen el conjunto o que debido a esfuerzos residuales elevados modifiquen no sólo las dimensiones sino, también, su respuesta a los agentes corrosivos.

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8.- SOLDADURA DE METALES DE ALTA ALEACIÓN.

8.1.- INTRODUCCIÓN.

El acero al carbono es la aleación de más amplio consumo en las actividades industriales por sus características de resistencia y precio, por lo que constituye la columna vertebral de los materiales metálicos, sin embargo, cuando aparecen condiciones especiales en el medio en que deben actuar, es necesario recurrir a aleaciones diferentes a los aceros al carbono. Estas aleaciones, a veces aceros también, son altamente aleadas por lo que la operación de la soldadura requiere de cuidados estrictos.

Un aspecto muy importante en la soldadura, sobre todo donde están involucrados metales base de baja aleación con soldadura y recubrimiento depositados de alta aleación, es la dilución.

La dilución es el cambio de composición química de un metal de aporte debido a la incorporación de elementos provenientes del metal base que se ha fundido, por ello, la respuesta del metal soldado puede ser diferente a la esperada si no se toma en cuenta este fenómeno.

Desde el punto de vista metalúrgico la composición y las propiedades del recubrimiento están fuertemente influidas por la dilución; este fenómeno debe considerarse en la selección del metal de aporte y del proceso de soldar en cada aplicación en particular, por ejemplo: recubrir un acero de baja aleación con un acero inoxidable E308 (19% Cr 9% Ni).

Con un proceso de soldadura de arco con electrodo metálico recubierto (SMAW) que da generalmente una dilución de 15/50%; el primer depósito tendrá 12% Cr y 6% Ni, que poseeuna resistencia mecánica y a la corrosión mínimas. Si se aplica un electrodo E309 (25-12% Ni) se tendrá un depósito de 16% Cr-8% de Ni que tiene mejores propiedades.

La dilución (%) es igual a la cantidad de metal base fundido (B) dividida entre la suma del metal de aporte añadido (A) mas del metal base fundido (B).

Dilución % = (B / (A + B)) x 100

Un mismo tipo de metal de soldadura dará cambios de fases diferentes de acuerdo con el metal sobre el que se deposita.

Muchas de las variables de la soldadura de acero afectan la dilución, por ejemplo:

- Espesor del metal base - A menor espesor - mayor dilución.- Punto de fusión del metal base - A menor punto de fusión - mayor dilución.- Amperaje - Al aumentar el amperaje, aumenta la dilución.- Polaridad - La corriente continua de polaridad directa menor dilución.- Tamaño del electrodo - A menor tamaño de electrodo menor dilución.- Anchura del cordón - Los cordones angostos reducen la dilución.- Oscilación del electrodo - A mayor amplitud de las oscilaciones se reduce la dilución.

- Velocidad de avance - Al disminuir la velocidad de avance, disminuye la cantidad de metal base fundido y al aumentar la cantidad de metal base fundido y aumenta la cantidad de metal aporte por lo que disminuye la dilución.

- Posición de la soldadura e inclinación del trabajo.

En la posición en que se realice la soldadura y la inclinación de trabajo la fuerza de gravedad hará que el metal de aporte fundido corra hacia adelante, hacia atrás o permanezca bajo el arco. Mientras el metal fundido esté bajo el arco o corra hacia adelante la dilución será menor.

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En orden decreciente de dilución, las posiciones de soldadura son:- Vertical hacia arriba- Horizontal- Ascendente- Plana- Descendente

La posición ascendente o descendente puede lograrse inclinando la pieza que se va a soldar o descentrando el arco en las soldaduras cilíndricas.

Atmósfera protectora, también la atmósfera protectora de la soldadura ya sea que provenga de un gas o del fundente tiene un efecto significativo en la dilución ya que determina la zona que el metal de aporte "moja" el metal base. Además, el medio protector tiene un efecto sobre el tipo de corriente que se debe usar. La lista de los diferentes medios de protección se dan a continuación en orden descendente de dilución.- Helio- CO2

- Argón- Fundente granular sin aleación- Fundente granular con aleación

Metal de aporte auxiliar.- El agregado de metal de aporte de origen diferente al electrodo, reduce la dilución.

Al agregarse en forma de polvo, alambre, tira o mezclado con el fundente, aumenta la cantidad de metal base fundido por lo que se reduce la dilución.

La contaminación es parte de la dilución, algunos elementos de la aleación aún en pequeñas cantidades, influyen en el comportamiento de una soldadura o recubrimiento.

Estos elementos, considerados en conjunto, pueden causar fracturas, reducción de la resistencia a la corrosión o a los esfuerzos y disminución de la ductilidad y de la tenacidad. El carbono por ejemplo puede reducir la resistencia a la corrosión de un recubrimiento de acero inoxidable ya que proviniendo del metal base, por dilución llega al recubrimiento y lo hace susceptible a la corrosión intergranular. También la difusión del carbono de un metal base ferrítico a un recubrimiento austenítico puede generar carburos frágiles en el recubrimiento y en los componentes que deben tratarse térmicamente después del recubrimiento o al estar operando a temperaturas elevadas por largo tiempo. Dichos carburos pueden generar fallas mecánicas durante el servicio.

El plomo, el fósforo y el estañe deben ser controlados en las aleaciones de níquel y el cobre en los materiales terríficos, para prevenir agrietamientos.

El uso de técnicas de baja dilución puede ayudar a este respecto, a veces es necesario utilizar capas amortiguadoras de un material diferente para producir un componente útil.

Los valores promedios que se dan para la dilución de acuerdo con el proceso de soldadura.

Se indican en la Tabla 8.1.

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TABLA No. 8.1DILUCIÓN (%) SEGÚN DEL PROCESO DE SOLDADURA DE ARCO.

En este capítulo se tratarán tres grupos de metales de alta aleación procurando destacar los aspectos más importantes y generales aplicables a cada uno de ellos. Hay que recordar que en soldadura, cada caso debe analizarse para encontrar la mejor solución y en el caso de las aleaciones consideradas en este capítulo, es aún más importante, con base en los aspectos generales aquí expresados y abundar si es necesario, en los textos especializados.

Los grupos son:Aceros inoxidablesAleaciones resistentes al calorRecubrimientos

8.2.- SOLDADURA DE ACEROS INOXIDABLES.

Lo que se denomina en forma general por aceros inoxidables está formado por cuatro grupos de aceros cuya clasificación se basa principalmente en la microestructura formada por el balance de: cromo, níquel y carbono.

Los aceros inoxidables se clasifican como:- Aceros inoxidables ferríticos (serie 400)- Aceros inoxidables martensíticos (serie 400)- Aceros inoxidables austeníticos (serie 300)- Aceros inoxidables endurecibles por precipitación.

8.2.1.- Aceros Inoxidables Ferríticos.

Los aceros inoxidables ferríticos contienen 18% Cr y 0.12% de C mas algunas adiciones de elementos formadores de ferrita como titanio y aluminio. En la Tabla 8.2. se enlistan los aceros estándares.

Estos aceros son menos soldables que los aceros inoxidables austeníticos.

La condición microestructural de ferrita la da el balance cromo-carbono. Estos aceros normalmente se encuentran con tratamiento térmico de recocido. Cuando se les suelda se presentan dos aspectos que modifican su respuesta a los esfuerzos y a la corrosión.

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Al soldar se eleva la temperatura a 870°C (1600°F) a la cual puede formarse algo de austenita que, al enfriar se rápidamente, se transforma en martensita la cual reduce la tenacidad y la ductilidad de la junta y favorece la corrosión intergranular.

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Si la temperatura sobrepasa los 952°C (1750°F) los gramos de ferrita crecen, lo cual reduce también la ductilidad y la tenacidad, por lo que conviene limitar la temperatura entrepasos.

La presencia de la martensita se elimina mediante un recocido sólo que este tratamiento, además de elevar el costo puede provocar distorsión en la pieza soldada.

Si no se puede realizar el recocido después de la operación, deberá elegirse un electrodo que contenga fuertes formadores de ferrita como: aluminio, columbio o titanio para asegurar que no haya austenita que se transforme después en martensita.

El crecimiento del grano ferrítico puede evitarse disminuyendo el suministro de calor durante el depósito y evitando el enfriamiento lento.

Para evitar la concentración de esfuerzos durante la soldadura es conveniente realizar un precalentamiento ya que la tenacidad del acero inoxidable ferrítico aumenta sensiblemente con un pequeño aumento de la temperatura. Se recomienda precalentar entre 150 y 230°C (300-450°C).

Otros factores que deben tomarse en cuenta para el precalentamiento son; tipo de junta, localización de la junta, restricciones, composición, espesor del metal base, propiedades mecánicas y velocidad de enfriamiento desde la temperatura de depósito.

La temperatura de recocido después de soldar es de 790-840°C (1450-1550°F) en la que no habrá formación de austenita ni crecimiento de grano. El enfriamiento puede ser al aire o en agua. Para reducir la distorsión se deja en el horno hasta 590°C (1100°F), pero debe evitarse el enfriamiento lento entre 565°C y 400°C (1050-750°F) porque entre dichas temperaturas se produce fragilidad. Esta aumenta con el incremento del contenido de cromo.

Los metales de aporte pueden ser ferríticos o austeníticos. Los primeros ofrecen un coeficiente de expansión térmica y resistencia a la corrosión homogéneos con el metal base y los segundos dan una junta más dúctil sin tratamiento térmico. El uso de electrodos austeníticos en aceros inoxidables ferríticos que deban tratarse térmicamente darán problemas por diferentes respuestas de las microestructuras a la temperatura.

Bajo condiciones de servicio que deben estudiarse en particular, es posible soldar los aceros inoxidables ferríticos con electrodos de micro estructura mixta ferrítico-austenítica, los que presentan un excelente balance, resistencia mecánica/ resistencia a la corrosión.

En la Tabla 8.3 se da una lista de electrodos que pueden utilizarse para soldar los aceros inoxidables ferríticos.

TABLA No. 8.3METAL DE APORTE PARA ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS

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8.2.2.- Aceros Inoxidables Martensíticos.

Los aceros inoxidables martensíticos contienen 11.5/18% de Cr y 0.20% de C y otros elementos de aleación en cantidades menores. Los aceros típicos de esta clase están marcados como 403, 410, 414, 416Se, 420, 431, 440A, 440B y 440C, su composición aparece en la Tabla No. 8.2. Su resistencia a la corrosión depende de su contenido de cromo, éste y el carbono aseguran su estructura de martensita después de tratarse térmicamente.

El contenido de carbono depende del de cromo, así como de la presencia de los otros elementos de aleación como son:, níquel, molibdeno, vanadio y tungsteno.

Estos aceros pueden soldarse estando recocidos, endurecidos y endurecidos y revenidos.

La zona afectada por el calor endurecida depende del contenido de carbono del metal base, al aumentar la dureza disminuye la tenacidad, por lo cual es necesario realizar precalentamiento, calentamiento entre pasos y postcalentamiento para evitar el problema de las fracturas en dichaZona.

La temperatura usual de precalentamiento es de 200 a 315°C (400 a 600°F); además del contenido de carbono, que es el factor principal que indica si es necesario o no precalentar, debe tomarse en cuenta la masa de la junta, el grado de restricción, la presencia de efectos de entalla y la composición del metal de aporte.

Para el precalentamiento puede seguirse la regla que se indica en la Tabla No. 8.4.

TABLA No. 8.4.TEMPERATURAS DE PRECALENTAMIENTO PARA ACEROS

INOXIDABLES MARTENSÍTICOS.

Si la pieza unida o reparada tiene que endurecerse y revenir se después de soldar puede omitirse el recocido; de otro modo debe recocerse inmediatamente sin que se le permita enfriar hasta la temperatura ambiente.

Las temperaturas para recocido sub-críticos y totales se indican en la Tabla 8.5.

TABLA No. 8.5

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TEMPERATURA DE RECOCIDOS SUBCRÍTICOS Y TOTALES PARAACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS.

Los metales de aporte del tipo martensítico son de baja tenacidad recién depositados y rara vez son puestos en servicio sin haberlos tratado térmicamente para mejorar su tenacidad.

Frecuentemente se utilizan electrodos austeníticos para soldar los aceros inoxidables martensíticos ya que el depósito aunque es bajo de resistencia tiene una gran tenacidad. Asimismo, se utilizan electrodos austeníticos-ferríticos que tienen una mejor resistencia que los austeníticos.

Los metales apropiados para soldar se indican en la Tabla 8.6.

TABLA No.8.6METAL DE APORTE PARA ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS

8.2.3.- Aceros Inoxidables Ausreníticos.

Los aceros inoxidables austeníticos son los de más amplio uso. Su soldabilidad es la mejor de todos los aceros inoxidables porque las uniones tienen una gran tenacidad.

La composición general es de 18% de Cr, 8% de Ni y 0.08% máx. de C. La composición de los diferentes tipos se incluye en la Tabla 8.2.

Se logra que esté retenida hasta la temperatura ambiente la austenita que constituye la microestructura de estos aceros por el alto contenido de níquel.

La soldadura de los aceros inoxidables austeníticos enfrentan tres aspectos que deben tenerse

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en cuenta.Precipitación de carburosMicrofisuramiento o agrietamiento en calienteFragilidad por fase sigma.

8.2.3.1. Precipitación de Carburos.

Cuando el metal se calienta por un tiempo prolongado a temperatmas entre 425° y 650°C (algunos autores establecen entre 425 y 870°C), el carbono reacciona con el cromo precipitando carburos de cromo en forma intergranular, al precipitarse el carburo se empobrece de cromo la zona adyacente y por lo tanto la hace débil ante la corrosión.

Cuando se sólida el metal la zona afectada por el calor alcanza temperaturas que mantienen en solución los carburos. El enfriamiento rápido no permite la precipitación, pero hay una región donde la temperatura es más baja y el enfriamiento más lento, formándose los carburos, permaneciendo éstos así y quedando sensible esa zona. Hay tres métodos para solucionar el problema de la precipitación.

8.2.3.1.1.- Uso de Aceros Inoxidables de Bajo Carbono.

Los aceros inoxidables austeníticos de bajo carbono son los tipos 304L, 308L o 316L, que contienen 0.03% de C máximo. Debido a este bajísimo contenido no tienen facilidad para formar carburos durante la operación de la soldadura. Sin embargo, si están sometidos en servicio a temperaturas de sensibilización por largo tiempo, pueden presipitarse los carburos. Por ello, sólo se recomiendan para temperaturas menores de 425°C.

8.2.3.1.2.- Uso de Aceros Estabilizados.

Los aceros estabilizados son aceros inoxidables austeníticos con ciertas cantidades de columbio y tántalo (8 a 10 veces el contenido de C, mínimo) o titanio (9 veces el contenido de C, mínimo) elementos que tienen preferencia sobre el cromo para formar carburos. Los tipos estabilizados son: 318, 320, 521, 347, 348 y 349.

Estos aceros son más resistentes a la precipitación de carburos de cromo, por lo que se usan cuando la temperatura de servicio está entre 425°C y 870°C.

En ciertas condiciones aún estos aceros pueden presentar precipitación de carburos de cromo en zonas adyacentes a la soldadura a pesar de haber quedado en solución.

Estas zonas son muy delgadas y se les conoce como "de cuchillo" y se generan por calentamientos a 650°C.

8.2.3.1.3.- Tratamiento Térmico de Solubilización.

Si ya se ha desarrollado la precipitación de los carburos, la única solución es dar un tratamiento térmico de Solubilización que consiste en calentar el metal entre 1025° y 1125°C y enfriar rápidamente.

Este tratamiento presenta los problemas siguientes:La superficie forma una escama muy adherida por la temperatura tan elevada.Debido a que su coeficiente de expansión térmica es 50% mayor que el del acero al carbono y

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su conductividad térmica es de una tercera parte, durante el calentamiento elevado y el enfriamiento enérgico se producen distorsiones en el conjunto.

A veces no es posible contar con el equipo necesario para el tratamiento térmico debido altamaño de los elementos unidos.

8.2.3.2.- Microfisuramiento.

Las soldaduras de acero inoxidable austenítico pueden presentar microfisuramientos que provienen, entre otras causas, de las siguientes:

Microestructura de la soldaduraComposición del metal y contenido de elementos residuales.

8.2.3.2.1.- Microestructura de la Soldadura.

Si la estructura del metal de aporte es totalmente austenítica habrá una tendencia al agrietamiento en caliente debido, según hipótesis, a la formación de una película de silicato en los límites intergranulares; para evitar el silicato es necesario contar con la presencia de una fase que precipite en su lugar, esta fase es la ferrita delta.

El porcentaje de ferrita delta que debe estar presente es de 5 a 10%, (algunos autores marcan de 3 a 5% y otros 3 a 15%).

La proporción de las fases austenítica y ferrítica está dada por los elementos de aleación que influyen en su formación. Los elementos de mayor influencia son el cromo en el sentido de la ferrita y el níquel en el de la austenita. Maurer trazó un diagrama que da la proporción de las fases en función de estos elementos. No obstante, no solo el cromo y el níquel influyen sino también el carbono, manganeso, molibdeno, silicio y columbio. Shaeffier tomó en cuenta las influencias ferríticas y austeníticas de estos elementos y construyó el diagrama de su nombre (Fig.8.1).

En este diagrama en las ordenadas está el equivalente de níquel y en las abscisas el equivalente de cromo. Estos equivalentes se calculan por medio de las siguientes ecuaciones:

Eq. Ni = %Ni + 30 (%C) + 0.5 (%Mn)..... (8.1)Eq. Cr = %Cr + %Mo + 1.5 (%Si) + 0.5 (%Cb)…. (8.2).

La composición del metal depositado da los equivalentes y estos se llevan al diagrama.

Tomando como ejemplo un acero inoxidable de la siguiente composición:C - 0.07%Mn - l.1%Si - 0.50%Cr - 18.50%Ni - 11.70%Mo - 2.40%

Se tiene aplicando las ecuaciones 8.1 y 8.2.Eq. Ni = 11.70 + (30 x 0,07) + (0,5 x 1,10) = 12.27%Eq. Cr = 18.50 + 2.40 + (1.5 x 50) = 21.65%

Al llevar estos valores al diagrama (Fig. 8.1) se encuentra que la microestructura contiene 10% de ferrita.

Como muchos de los aceros inoxidables austeníticos contienen cantidades apreciables de

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nitrógeno, que es un fuerte formador de austenita, De Long modificó el diagrama anterior para el caso del nitrógeno. En la Fig. 8.2. se ilustra el diagrama de De Long.

Otra forma de establecer el contenido de ferrita es hacer un análisis magnético ya que la ferrita es magnética y la austenita no.

Este control debe hacerse en depósitos en donde es necesario evitar las microfisuras aunque se pierda algo de su condición de no magnéticas.

8.2.3.2.2.- Composición del Metal y Contenido de Elementos Residuales.

Cuando es necesario que el metal sea totalmente no magnético, la microestructura debe ser totalmente austenítica. En este caso el único camino es controlar especialmente la composición elevando los contenidos de carbono, manganeso y nitrógeno y manteniendo tan bajo como sea posjble los elementos que contribuyen a la microfisuración, como son en orden de importancia: boro, fósforo, azufre, selenio, silicio, columbio y tántalo.

Aún con la composición óptima y el procedimiento de soldadura más favorable, los depósitos totalmente austeníticos son mucho más sensibles a los fisuras que los formados por estructura dúplex.

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8.2.3.3.- Fragilidad por Fase Sigma.

La fase sigma es un constituyente microestructural de gran dureza y fragilidad que aparece en las aleaciones Fe-Cr que tienen 25/67% de éste. A la temperatura de 600°C su formación es muy lenta pero aumenta considerablemente cuando se eleva aquélla. A 800°C la transformación es muy lenta y desaparece a 820°C.

La fase sigma se forma a partir de la ferrita en aceros de estructura totalmente ferrítica o ferrítico-austenítica, y de la austenita cuando se encuentran regiones más ricas de cromo.

El problema de la fase sigma se caracteriza por presentarse en aquellos aceros que trabajan ininterrumpidamente a alta temperatura (alrededor de 750°C) y cuyo contenido de ferrita es mayor del 12%.

En una unión soldada con un contenido de 12% de ferrita o mayor se presentará la fase sigma si se trabaja a alta temperatura. Como la precipitación de la fase sigma es reversible es necesario para eliminarla, recocer a 1000°C aproximadamente.

8.2.3.4.- Selección de Metal de Aporte y Tratamiento Térmico.

La selección del metal de aporte debe hacerse tomando en cuenta las condiciones de servicio tanto mecánicas como térmicas y aún eléctricas. Si es alta la temperatura de servicio deben usarse aceros estabilizados y conformación de estructura dúplex.

Por el contrario, aquellos aceros de los que se requieran propiedades no magnéticas 100%

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deberán soldarse con electrodos que den microestructura totalmente austenítica. En este caso deberá vigilarse la inspección de los depósitos para asegurarse la ausencia de fisuras.

En la Tabla 8.7. se dan los metales de aporte adecuados según los metales base y las condiciones de servicio.

No se recomienda dar ningún tratamiento de precalentamiento y el tratamiento después de la soldadura podrá ser de Solubilización o de alivio de esfuerzos, dependiendo de las indicaciones de la soldadura y del tipo de metal de aporte.

Es práctica común soldar entre sí diferentes tipos de aceros inoxidables austeníticos y aún con aceros al carbono, de baja aleación o aleaciones de otros metales.

En la Tabla 8.8. se dan indicaciones de los metales de aporte para soldaduras entre aceros inoxidables austeníticos diferentes.

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TABLA No. 8.7METAL DE APORTE PARA ACEROS INOXIDABLES

AUSTENITICOS

(1) Para restaurar la resistencia a la corrosión dar un tratamiento térmico de recocido, calentar a 1065/1120°C y enfriar rápidamente.(2) Dar un tratamiento de alivio de esfuerzos a 870°C.(3) Dar un tratamiento de estabilización a 870/900°C.

8.2.4.- Aceros Inoxidables Endurecibles por Precipitación.

Estos aceros se dividen en tres grupos, basados en la microestructura que se obtiene del balance de los elementos de aleación. Su composición se indica en la Tabla 8.9.

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TABLA No. 8.9COMPOSICIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES ENDURECIBLES

POR PRECIPITACIÓN.

8.2.4.1.- Aceros Inoxidables Endurecibles por Precipitación Martensíticos.

Tienen, una estructura, austenítica cuando están a la temperatura de recocido de solubilización (1050°C) y al enfriar se transforma en martensítica. Cuando después ésta se calienta entre 485 y 595°C se promueve la precipitación sub-microscópica de molibdeno, cobre, titanio, columbio y aluminio, que endurece y eleva la resistencia.

La soldadura puede efectuarse con electrodos similares a los de la serie 300. La selección del aporte depende de la propiedad que se desee en la junta. Si no se requiere resistencia comparable, puede utilizarse el electrodo de la serie 300. Si se requiere igual resistencia se debe buscar un metal de aporte similar.

8.2.4.2.- Aceros Inoxidables Endurecibles por Precipitación Semi Austeníticos.

Son aceros suaves en condición de recocidos; cuando se les enfría rápidamente a la temperatura ambiente retienen la estructura austenítica ya que su temperatura de transformación está por abajo de la temperatura ambiente.

Para aumentar su dureza y su resistencia, debe transformarse la estructura a martensita lo cual puede lograr se en tres formas:

Calentar el acero a 650/870°C para precipitar los carburos y otros elementos que estabilizan la

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austenita para que al enfriar se precipite la martensita.

Refrigerar a -73°C para estar por abajo de la temperatura de transformación.

Trabajando en frío el acero para su endurecimiento por transformación de la austenita en martensita.

Después de haber realizado la transformación mencionada se promueve el endurecimiento entre 450 y 595°C en forma similar a los aceros de este tipo martensítico.

Se sueldan generalmente en condición recocido utilizando metal de aporte de acuerdo con las condiciones de la junta y aplicando los mismos principios que se indicaron para los aceros endurecibles por precipitación martensíticos.

8.2.4.3.- Aceros Inoxidables Endurecibles por Precipitación Austeníticos.

Son aceros que mantienen su estructura austenítica aún después de cualquier tratamiento de envejecimiento o endurecimiento por precipitación. La precipitación de la fase que endurece se logra calentando entre 650 y 760°C. Aumentan la dureza y la resistencia aunque en valores menores a los que se logran con los aceros martensíticos y semiausteníticos.

Su soldadura presenta ciertos problemas porque puede generar fractura en caliente.

8.3.- SOLDADURA DE ALEACIONES RESISTENTES AL CALOR.

Los metales resistentes al calor son aleaciones generalmente de base níquel, fierro o cobalto y su temperatura de servicio, dependiendo de cada uno de ellos está entre 600 y 1000°C. Su empleo en piezas que deban soportar dichas temperaturas es muy amplio y por lo tanto, es muy necesario que cuando se requiera soldarlos se consideren las variables más importantes. Junto a la resistencia al calor o propiedad refractaria va implícita cierta, resistencia a la corrosión.

Ya que el níquel es el metal base de una gran familia de aleaciones resistentes al calor, se han añadido, aunque no se consideran refractarias, otras aleaciones base níquel cuyas características son más bien de resistencia a la corrosión.

Las aleaciones a considerar son:- Aleaciones de níquel- Aleaciones de Ni - Cr y Fe - Cr - Ni- Aleaciones de cobalto

Estos metales pueden soldarse por cualquier proceso de soldadura de arco; aunque debe tomarse en cuenta para su selección la manera de endurecer las aleaciones.

En general, por su elevado contenido de elementos de aleación son muy susceptibles a fracturas durante la soldadura o en el tratamiento térmico posterior.

8.3.1.- Aleaciones de Níquel.

Se tratarán las aleaciones que se han considerado resistentes a la corrosión separadamente de los resistentes al calor.

8.3.1.1.- Aleaciones de Níquel Inoxidables.

Se pueden dividir en dos grupos las aleaciones que tienen una estructura metalográfica de solución sólida y las aleaciones endurecibles por precipitación. En la Tabla No. 8.10, se indica la

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composición de estas .aleaciones.

8.3.1.1.1. -Aleaciones de Solución Solida.

Estas aleaciones se soldán en condiciones similares a las del acero inoxidable austenítico.

Prácticamente puede utilizarse cualquier proceso de soldadura de arco. La selección del metal de aporte debe ser hecha de forma que sea similar en composición química al metal base,

Debe darse un especial cuidado a la limpieza de los biseles y zona por soldar porque el níquel y sus aleaciones son muy susceptibles a la fragilidad si la soldadura está contaminada con plomo, fósforo y/o azufre así como metales de bajo punto de fusión. Estos elementos contaminantes pueden provenir en grasas, aceites, pinturas, crayones, etc., por lo que ninguna precaución es excesiva. Deben utilizarse solventes como acetona, lavado con vapor o inclusive desbastando con piedras abrasivas seguido de lavado con ácido y agua.

Cuando se depositan varios cordones hay que eliminar perfectamente la escoria del primer depósito antes de hacer el segundo, etc.

Estas aleaciones de níquel no necesitan precalentamiento a menos que el metal base esté por debajo de 15°C, por lo que habrá que calentar una zona de 25 a 30 cm a cada lado de la junta hasta 20 °C para evitar la condensación, la cual puede causar porosidad. Las piezas fundidas deben calentarse entre 100 y 200°C dependiendo de la masa; no es necesario dar ningún tratamiento posterior a la soldadura, únicamente en piezas fundidas que es deseable sean, aliviadas de esfuerzas.

8.3.1.1.2.- Aleaciones Endurecibles por Precipitación.

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La soldadura de este grupo de aleaciones requiere de cuidados especiales por su tendencia a la fractura. Estas ocurren debido a esfuerzos térmicos generados por la soldadura o por precipitaciones.

Si el metal base ha sido trabajado en frío, doblado, torcido, estirando, etc.), debe recocerse antes de soldarse. También debe darse un alivio de esfuerzos después de soldarse y antes del tratamiento de precipitación.

Pueden soldarse estos metales ya endurecidos, pero si la temperatura de servicio está dentro de los límites del endurecimiento por precipitación, debe darse a la sólida dura un tratamiento de solubilización y volver a endurecer.

También en estas aleaciones es muy importante la limpieza de los biseles y zona por soldar, así como la eliminación de la escoria antes de realizar un nuevo depósito. El metal de aporte será similar al metal base.

Una guía del metal de aporte de acuerdo con el metal base en las aleaciones de níquel resistentes a la corrosión es la siguiente:Metal base Metal de aporteNíquel serie 200 Ni-1, Ni-3

serie 400 NiCu-1, NiCu-2, NiCu-7serie 500 NiCuAl-1

8.3.1.2.- Aleaciones de Níquel Resistentes al Calor.

También este grupo de aleaciones de níquel se divide en dos: aleaciones de solución sólida y aleaciones endurecibles por precipitación. Todas ellas tienen un nombre de fábrica que las identifica y cuyo uso se ha generalizado.

Para ambos grupos se aplican los cuidados mencionados referidos a las aleaciones de níquel resistentes a la corrosión en cuanto a la limpieza de la junta y de la zona adyacente antes de aplicar la soldadura. También la limpieza entre pasos y selección del metal de aporte y tratamiento térmico son de acuerdo con la composición del metal base y de las condiciones de servicio.

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8.3.1.2.1.- Aleaciones de Solución Sólida.

En la Tabla 8.11 está la composición nominal de las aleaciones de níquel consideradas en este grupo.

Su soldadura se hace en condición de recocido y no necesitan tratamiento térmico ni pre o post soldadura. No es necesario aumentar su resistencia a la corrosión porque no presentan sensibilización durante el servicio a temperaturas hasta de 815°C. Las juntas soldadas tienen una resistencia menor pero pueden usarse donde no se necesite la resistencia máxima,

La soldadura puede entrar a servicio sin ningún tratamiento térmico posterior, únicamente debe darse un alivio de esfuerzos cuando deban eliminarse estos, calentando entre 425 y 870°C. Un tratamiento calentando a baja temperatura (315-425°C), por tiempo prolongado, redistribuye los esfuerzos sin afectar las propiedades mecánicas producidas por trabajo mecánico en frío.

8.3.1.2.2.- Aleaciones Endurecibles por Precipitación.

Su composición nominal se indica en la Tabla 8.12. Su soldadura se hace generalmente con el metal en condición de solubilización. Si tiene una deformación excesiva podrá ser necesario un recocido antes de soldar; generalmente no se recomienda tratamientos previos pero despuésde la soldadura deberá darse un alivio de esfuerzos; si este tratamiento de endurecimiento por precipitación. Si se excede este último tratamiento en temperatura o tiempo, se pierde resistencia y aumenta la ductilidad.

8.3.2.- Aleaciones Fe-Ni-Cr y Fe-Cr-Ni.

De estas aleaciones se pueden considerar tres grupos; endurecibles por deformación, de solución sólida y endurecibles por precipitación. Su temperatura usual de servicio es de 650 a 760°C aunque en algunos casos puede ser de más de 900°C lo cual debe tomarse en cuenta para la selección del metal de aporte y los tratamientos térmicos antes y después de la soldadura. En la Tabla 8.13 se da la composición nominal de estas aleaciones.

De los tres tipos de aleaciones, la endurecible por deformación es la que presenta mayor facilidad para soldarse. Se une mediante electrodos de acero inoxidable austenítico, aleación de níquel o aleación similar al del metal base.

Estas aleaciones se sueldan con sus propiedades obtenidas por la deformación. La zona afectada por el calor se solubiliza con la soldadura presentando una resistencia mecánica y dureza menores. Cuando se precalientan antes de soldar. La temperatura debe ser tal que el metal base no quede recocido.

Las aleaciones de solución sólida también pueden soldarse con facilidad pero debe mantenerse baja la entrada de calor y enfriar rápidamente para mantener la ductilidad de junta.

No necesitan tratarse térmicamente ni antes ni después de la soldadura.

Las aleaciones endurecibles por precipitación requieren de mayor cuidado para soldarse porque son muy sensibles a fracturas intergranulares en caliente tanto en la soldaduras como en la zona afectada por el calor. Por ello debe efectuarse un tratamiento adecuado pre y post soldadura y seleccionarse el metal de aporte que responda al endurecimiento por precipitación.

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8.3.3.- Aleaciones de Cobalto.

En las aleaciones de cobalto reviste un aspecto muy importante la limpieza de la ranura y de la zona adyacente a la soldadura. Debe limpiarse o esmerilarse y maquinarse.

Pueden usarse cepillos de alambre de acero inoxidable o de cobre y evitarse las de acero al carbono; tampoco puede limpiarse con arena o granalla porque se contamina el metal base.

La soldadura se aplica cuando el metal base está con tratamiento térmico de solubilización.

El metal de aporte puede ser base níquel o de composición similar al metal base. En la Tabla 8.14. se da la composición nominal de las aleaciones de cobalto.

8.4.- SOLDADURA DE RECUBRIMIENTOS.

8.4.1.- Generalidades y Clasificación.

Recubrirse define como el depósito de un metal de aporte sobre una superficie metálica con el propósito de obtener determinadas propiedades y dimensiones. Se utiliza un recubrimiento generalmente para aumentar la vida útil de un equipo o parte de equipo que de otro modo debería reemplazar se en un tiempo menor por encontrarse corroído o gastado.

El recubrimiento puede aplicarse para dar resistencia a la corrosión, al desgaste, al calor, a la fricción, dar tenacidad, o modificar o ajustar dimensiones, etc.

Se consideran los siguientes tipos:Revestimiento (Cladding)Recubrimiento duro (Hardfacing)Reconstrucción (Buildup)Capa Amortiguadora (Buttering)

8.4.2. Revestimiento (Cladding).

El revestimiento es una capa relativamente gruesa de metal de aporte depositado sobre acero al carbono o de baja aleación para dar resistencia a la corrosión cuando la superficie está expuesta a un ambiente corrosivo. En el diseño, por regla general no se toma en cuenta la resistencia del revestimiento.

Se aplica por soldadura de arco con electrodo metálico recubierto (SMAW) o por arco sumergido (SAW), Los metales de aporte pueden ser electrodos recubiertos, alambre en rollos o en tiras. Las normas AWS, A 5.4 y A 5.7, A 5.9, A 5.11, A 5.14 y A 5.22 los clasifican.

El revestimiento debe resistir tanto la corrosión generalizada como la localizada (picadura, agrietamiento, intergranular, bajo esfuerzo, etc.). La corrosión generalizada se expresa en mm/año (mils/año) y se considera según sus valores como:

Excelente 0.13mm/año (5 mils/año)Bueno 0.13-0.51 mm/año (5-20 mils/año)Aceptable 0.51-1.27 mm/año (20-5O mils/año)Inaceptable más de 1.27 mm/año (5O mils/año)

La resistencia a la corrosión debe ser la primera razón en la selección del material de aporte, del proceso de soldadura y del procedimiento de aplicación.

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El revestimiento generalmente es de acero inoxidable o de alguna aleación de níquel y en casos muy especiales se deposita plata usando el proceso de soldadura de arco con electrodo de tungsteno protegido con el gas (GTAW) o plomo con oxiacetileno (OFGW).

8.4.3.- Recubrimiento duro (Hardfacing)

Es la forma de recubrimiento que se aplica con el propósito de reducir el desgaste o abrasión, el impacto, la erosión, el raspado y la cavitación. Su resistencia no se toma en cuenta con propósitos de diseño.

Se deposita con procesos manuales, semiautomáticos o automáticos de arco o de gas.

El metal de aporte se provee en forma de: varillas desnudas, electrodos recubiertos, alambre en rollo desnudo, alambre hueco, pasta o polvo.

La clasificación de las aleaciones para recubrimientos duros proviene de las normas AWS. En la Tabla 8.15 se presentan los grupos en las que se han dividido 31 aleaciones de acuerdo con AWS A 5.13 y A 5.14.

La Tabla 8.16 contiene la clasificación anterior que se consideraba en dichas normas. Esta clasificación se incluye porque se considera de utilidad la descripción de los grupos.

Por su parte el Metal Handbook en el Volumen 6 de la 8a. Edición, dedicado a la soldadura marca otra clasificación de acuerdo con el metal base y con el contenido de elementos aleantes. Dada la autoridad de dicha publicación y considerándola de utilidad, se incluye en la Tabla 8.17

Las propiedades más importantes de un recubrimiento duro son:DurezaResistencia a la abrasiónResistencia al impactoResistencia al calorResistencia a la corrosiónPropiedades de fricción

Las condiciones que originan el desgaste de una pieza son variadas y complejas por que hay que analizar los factores que lo producen. Los factores que deben tomarse en cuenta en la selección de un material de aporte para recubrimiento duro son:

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Abrasión - Clase de abrasivo (dureza, angulosidad y tenacidad).Impacto - Cantidad de ellos.Esfuerzos - Nivel y naturaleza (tracción, compresión, torsión).Temperatura de operación.

Cuando el impacto juega un papel importante en la selección del material se puede clasificar los impactos como:

Ligero (la energía cinética se absorbe elásticamente).Medio (la energía se absorbe elástica y plásticamente).Pesado (la superficie resulta deformada y fracturada).

Esta clasificación permite una selección lógica del metal de recubrimiento.

TABLA No. 8.15

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8.4.4.- Reconstrucción ( Buildup)

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Se utiliza como adición de metal de aporte a una superficie metálica para restaurar las dimensiones perdidas. Y a veces se utiliza para cambiar la forma de una pieza. En este caso sí es necesario considerar la resistencia del metal de soldadura en el diseño. En cualquier caso, la composición y las propiedades del metal de aporte deben ser similares a las del metal base.

8.4.5.- Capa Amortiguadora (Buttering).

Es el depósito de una capa de soldadura sobre una superficie a la que posteriormente se aplica otro aporte de diferentes características. Tiene propósitos metalúrgicos y se aplica en la unión de metales base diferentes e inclusive para unir acero al carbono con acero de baja aleación.

La capa amortiguadora se deposita antes del metal de aporte que verdaderamente une el conjunto. Puede aplicarse para establecer una transición entre materiales de coeficientes de expansión muy diferentes y también para formar una barrera en la difusión de elementos indeseables del metal base al metal depositado.

Resuelve problemas relacionados con el tratamiento térmico después de la soldadura. A veces debe soldarse un material que requiere un tratamiento térmico después de la soldadura con otro que se endurece con dicho tratamiento.

El problema tiene solución aplicando una capa amortiguadora en el caso de un material que requiere el tratamiento térmico con un material que puede resistir el tratamiento térmico y puede soldarse con el otro metal base sin el tratamiento.

Frecuentemente el componente con la capa amortiguadora se trata térmicamente antes de la soldadura final.

Cualquier proceso de soldadura puede aplicarse para depositar este recubrimiento; el requisito es que dé soldaduras sanas con las propiedades químicas y mecánicas necesarias. Dado que una alta velocidad de depósito produce una elevada dilución, debe ponerse especial atención para obtener la composición química deseada en la primera capa o aún en la primera o segunda pasada del depósito.

La resistencia de la capa amortiguadora es necesario tomarla en cuenta en el diseño.

8.4.6.- Aplicación General de los Recubrimientos Duros.

8.4.6.1.- Aceros de Alta Velocidad Fe5.

Se utilizan donde se requiere dureza en servicio hasta 595°C (1100°F) así como buena tenacidad y resistencia al desgaste. Los tipos Fe5A y Fe5B por su carbono elevado son más apropiados para corte y maquinado, y el Fe5C de menos carbono para aplicaciones en donde se necesita tenacidad en caliente. Con estos aceros se recubren: herramientas de corte, cizallas, escariadores, dados de estampado y de troquelado, tenazas para lengüetas, brocas, etc.

8.4.6.2.- Acero al Manganeso Austenítico Fe Mn.

Son apropiados en trabajos relacionados con la abrasión metal-metal y el impacto, y donde se necesite endurecimiento por el trabajo mismo. Se recubren molinos y quijadas de quebradoras de minerales, dientes de palas, equipo de movimiento de tierra, cruces y sapos de vías de ferrocarril, etc.

8.4.6.3.- Hierro al Cromo Austenítico FeCr-A.

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Su aplicación es muy amplia en el recubrimiento de maquinaria agrícola como las rejas de arado pero no se utiliza en tierras rocosas. Se usa, además, en: canales para coque, guías de molino para acero, equipo de limpieza con arena, maquinaria para fabricar ladrillo, etc.

8.4.6.4.- Aleaciones Cobalto-Cromo, Co-Cr.

El tipo Co-CrA se aplica en válvulas de escape en motores de aviones, camiones, autobuses y motores diesel en general por su buena combinación de resistencia al calor, a la corrosión y a la oxidación; también se usa en el ajuste de válvulas en maquinarias de vapor, ejes de bomba y partes similares sujetas a corrosión y erosión. Los Tipos Co-CrB y Co-CrC se usan donde la resistencia a la abrasión y la dureza son muy importantes pero no lo es la resistencia al impacto.

8.4.6.5.- Aleaciones de Cobre, Cu-Zn, Cu-Si, Cu-Al y Cu-Sn.

El uso principal de este grupo de aleaciones es dar depósitos con propósitos de antifricción y resistencia a ciertas condiciones de corrosión y desgaste. Pueden seleccionarse una gran variedad de aleaciones que producirá diferentes grados de dureza.

8.4.6.6.- Aleaciones de Níquel-Cromo.

Se tienen tres grupos de estas aleaciones Ni-CrA, B, y C cuya dureza se incrementa en ese sentido pero decrece su tenacidad y maquinabilidad. Los depósitos de estas aleaciones tienen buena resistencia al desgaste meta-metal o la abrasión por rayado y a la corrosión; tienen su dureza a altas temperaturas.

Se usa en anillos, transportadores sin fin, válvulas, etc.

8.4.6.7.- Carburo de Tungsteno.

Los electrodos de carburo de tungsteno son tubos de acero en cuyo interior está el carburo de tungsteno en proporción del 60%. Los carburos son una mezcla de WC y W2C.

Cuando la cubierta de acero se funde durante la soldadura, disuelve parte del carbono y del tugnsteno, y forma una matriz que retiene los granos de carburo de tungsteno. La matriz tiene características de acero al tungsteno endurecible al aire. En este grupo no se considera al carburo de tungsteno en matriz de cobalto.

8.4.6.8.- Procesos de Aplicación de los Recubrimientos Duros.

Los procesos para depositar recubrimientos duros obteniéndose la unión y las condiciones deseables son, en orden descendente:

Soldadura de arco con electrodo metálico recubierto (SMAW)Soldadura de arco sumergido (SAW)Soldadura de arco abiertoSoldadura de arco con alambre continuo protegido con gas (GMAW)Soldadura de arco con electrodo de tungsteno protegido con gas (GTAW)Soldadura de arco plasma (GAW)Soldadura por oxiacetileno, oxigas, etc. (OAGW)

9. NORMAS Y CÓDIGOS.

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9.1. INTRODUCCIÓN.

El éxito de una unión soldada depende de la conjugación adecuada de los tres factores que intervienen en el proceso de soldar:

El metal de aporteEl soldadorEl método

El control se efectúa precisamente sobre cada uno de los factores mencionados, esto es, sobre la calidad del electrodo, varilla o alambre con el que se produjo la unión soldada, la capacidad operativa del soldador u operador que la realizó y el método de soldar utilizado.

Para ejercer un control uniforme es necesario tener parámetros de comparación y directrices de operación y de procedimientos para que los resultados del control sean confiables. Por ello existen las normas y los códigos que son los instrumentos que marcan las pautas necesarias.

Cuando se aplica una norma se puede decir que a partir de ese momento, se ha echado a andar un proceso de control que no sólo reside en la norma que se aplica sino que se toma en consideración todo un conjunto de normas básicas y colaterales que se apoyan y complementan mutuamente.

En el caso de la calificación de un metal de aporte, además de aplicar la norma correspondiente que marca entre otras cosas las pruebas que deben hacerse y los valores que es necesario alcanzar, es necesario tomar en cuenta y cumplir con normas que cubren los siguientes campos:

Pruebas mecánicasAnálisis químicoMetales baseDefinicionesAplicación del Sistema Internacional de Medidas, etc.

Son cuatro las sociedades norteamericanas que marcan las pautas en el ámbito de la soldadura.American Society for Testing and Materials (ASTM).American Welding Society (AWS).The American Society of Mechanical Engeneers (ASME).The American Petroleum Institute (API).

Las normas y códigos y recomendaciones de estas sociedades están íntimamente ligadas entre sí y se hacen referencias mutuas.

El peso de ellas en la industria nacional es enorme debido a que la ingeniería es exterior y en los desarrollos de nuestra planta industrial se indica que deben cumplirse los requisitos de estas sociedades para la construcción de equipos y plantas. Por otro lado, los documentos provenientes de dichas sociedades son muy consultados por la autoridad que les confiere estar preparados por personal muy calificado y estar bajo un sistema de actualización constante.

Los esfuerzos nacionales para desarrollar normas y códigos propios no han fructificado ni aún en traducciones o adaptaciones porque cuando éstas se realizan, no son actualizadas oportunamente.

En este capítulo se tratarán los tres factores que intervienen en el proceso de soldar, destacando lo más importante de las normas y los códigos.

Únicamente se hará referencia a la soldadura del acero depositado por arco.

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9.2. EL METAL DE APORTE.

El metal de aporte para una unión soldada es suministrado por electrodos recubiertos o desnudos que se funden bajo el calor generado por la energía eléctrica. Esto significa que los electrodos son sometidos a procesos físicos y químicos y que, por lo tanto, las características del metal depositado ya no son las mismas que las de aquéllos.

De aquí que los requisitos de las normas que se aplican a los electrodos que producen un metal de aporte los consideran desde ambos puntos de vista; como electrodos y como metal depositado,

Hasta el año de 1969 el Annual ASTM Standards, contenía normas aplicables a electrodos, varillas y alambres desnudos para soldar. Desde entonces la ASTM ha dejado íntegramente en manos de la AWS, las normas de soldadura. Hasta el año mencionado las normas se denominaban como ASTM-AWS.

La Sección II, Parte C del Código ASME para calderas y recipientes a presión contiene las normas para el metal de aporte e indica que son idénticas a las normas AWS.

Los requisitos que deben cumplir cada electrodo, varilla o alambre no son los mismos en todos los casos y depende del tipo de metal de aporte y del método de soldar. Tampoco están los requisitos igualmente ordenados, sin embargo, se hace un resumen general.

Las normas están divididas fundamentalmente en seis partes:AlcanceRequisitos generalesPruebas requeridas y métodos de pruebaManufactura, empaque e identificaciónDetalle de las pruebasApéndice

9.2.1.- Alcance

En el alcance se establece claramente a qué material se refiere la norma y para que tipo de proceso de soldadura se aplica para no caer en confusiones.

9.2.2.- Requisitos generales.

En esta parte se indican en forma muy somera los requisitos que se deben cumplir en los aspectos que más adelante se mencionan.

En ciertas normas, cuando alguno o algunos de estos requisitos son muy importantes, se destacan en otra sección de la misma.

9.2.2.1.- Clasificación.

Los elementos que constituirán el metal de aporte (electrodos recubiertos, varillas desnudas, alambres, microalambres, electrodos huecos, etc.) se clasifican de acuerdo con el siguiente criterio.

Tipo de corrienteTipo de recubrimientoPosición para soldarComposición químicaPropiedades mecánicas del metal depositado

No todos estos criterios de clasificación se aplican todas las normas, en algunos llega a utilizarse únicamente la composición química.

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9.2.2.2.-Aceptación.

La aceptación del material estará de acuerdo con lo que marca la norma AWS A 5.01 Sección 3,

9.2.2.3.- Certificación.

Cuando se menciona que tal o cual material cumple con una norma AWS, significa que verdaderamente ha cubierto las pruebas requeridas.

9.2.2.4.- Repetición de pruebas.

Si al realizar alguna prueba el depósito falla, se puede repetir en dos probetas más, las cuales deben cumplir con los requisitos.

9.2.2.5.- Método de manufactura.

No establece ningún método en particular sino el método de producción debe ofrecer un producto que cumpla con la norma.

9.2.2.6.- Marcas.

Cada empaque debe tener en forma visible los datos:Especificación y clasificación AWS.Nombre del fabricante y marca.Tamaño estándar y peso neto.Número de control, lote o de colada.

Debe tener, además una etiqueta que ponga sobre aviso a los usuarios sobre los peligros de la soldadura.

9.2.2.7.- Empaque.

Dice que se empaque de tal manera que el material no se dañe. Recomendación especial se hace a aquéllos alambres que van enrollados en bobinas o carretes. También debe ponerse cuidado especial al material que debe estar libre de humedad.

9.2.2.8.- Redondeo de valores.

Para verificar que los valores encontrados están dentro de la norma o no, es necesario redondear los valores de la prueba para adecuarlas al número de posición marcadas en la norma. Por esa razón los valores deben redondearse a la cantidad de posiciones y dan como guía a la norma ASTM-E29 "Práctica Recomendada para Indicar Cuáles Posiciones Deben Considerarse Significativas en los Límites de los Valores de las Normas".

9.2.3.- Pruebas Requeridas y Métodos de Prueba.

Esta parte de la norma es únicamente -enunciativa, esto es, dice las pruebas que deban realizarse y los valores que deben cumplirse. No todas ellas son necesarias para todos los materiales; algunos necesitan que se realicen todas, en otras sólo una o dos y a veces alguna prueba de carácter especial.

9.2.3.1. Composición Química.

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Se dan los valores del contenido de los elementos.En algunas normas el análisis debe hacerse sobre el cordón normal depositado y en otras debe hacerse en depósito especial buscando que no haya dilución.

9.2.3.2. Pruebas Mecánicas.

9.2.3.2.1. Resistencia a la tracción.

Esta prueba se realiza sobre una probeta extraída del metal de aporte y a veces se requiere una prueba con la unión soldada transversal. Se indican los valores que deben cumplirse.

9.2.3.2.2. Resistencia al impacto.

Las probetas para esta prueba deben extraerse de tal forma que la unión soldada quede transversal y que coincida con la posición de la ranura. Se establece que la probeta debe ser Charpy con ranura en "V", Se indican los valores que deben cumplirse.

9.2.3.2.3. Prueba de doblez guiado.

Esta prueba se realiza con la soldadura transversal al eje de la probeta aunque en algunas normas se pide que sea longitudinal. El doblez puede ser tomando la cara o la raíz del cordón como la superficie exterior. No deben presentarse fracturas, grietas ni otros defectos en el área del doblez.

9.2.3.3. Prueba radiográfica (Sanidad).

Las radiografías tomadas de acuerdo con lo que marca cada norma en cuanto a condiciones técnicas, no deben mostrar más defectos (grietas, fusión incompleta, porosidad o inclusión de escoria) que los que permite para cada caso los patrones gráficos que se incluyen.

9.2.3.4. Prueba de usabilidad.

Esta prueba consiste en una prueba de filete. Esta se prepara soldando dos placas de acuerdo con lo explicado en la misma norma. Este conjunto soldado se corta para prueba de ataque macroscópico que revele la geometría del cordón, y el resto se fractura y se observan los posibles defectos contenidos en dicho depósito.

Esta prueba está estrechamente relacionada con la disposición del cordón en la posición requerida y utilizando las condiciones eléctricas específicas para el electrodo.

En algunas normas únicamente se piden que se haga un depósito o se tire un cordón y esto.s se califican de acuerdo con su aspecto.

9.2.3.5. Otras pruebas.

Con materiales que tengan características especiales por su composicón o por su presentación, se deben o pueden (según el caso) proceder a realizar otras pruebas.

9.2.3.5.1. Humedad.

En algunos electrodos (los de bajo hidrógeno), es de importancia que no tenga humedad el revestimiento por lo que debe realizarse una prueba sobre el contenido de humedad que pudiera tener.

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9.2.3.5.2. Fundente.

Cuando los electrodos correspondan a la norma para soldadura por electroescoria o por arco sumergido; las pruebas también se refieren al comportamiento del fundente.

9.2.3.5.3. Contenido de ferrita.

En el apéndice de las normas que se refieren a electrodos de acero inoxidable, se sugiere que se realice una prueba sobre el contenido de ferrita en el metal depositado.

9.2.4. Manufactura, Empaque e Identificación.

9.2.4.1. Manufactura.

En esta sección se establece .que el método de manufactura puede ser cualquiera que satisfaga los requisitos de la norma mínima los diámetros estándar y las longitudes si es en tramos rectos y pesos si se trata de alambre continuo; también establece el acabado de tal modo que no tenga defectos externos ni contaminaciones que afecten la operación.

Cuando se trata de alambre enrollado se dan las dimensiones de los carretes, rollos o bobinas.En el caso de electrodos recubiertos marca la concentricidad entre el recubrimiento y el alambre central así como la dimensión del extremo desnudo se tomará con el maneral eléctrico.

9.2.4.2. Empaque.

Los electrodos deben empacarse de tal manera que no se dañen durante su transporte y almacenamiento normal ya sea que se trate de tramos rectos o enrollados.

9.2.4.3. Identificación.

Todos y cada uno de los electrodos debe identificarse con la clasificación AWS que le corresponde con tamaño legible de letra. El material en rollo debe marcarse ya sea en el material de empaque o en una de paredes laterales si es en bobina; esta marca debe contener:

Clasificación AWSNombre de fábricaTamañoPeso netoNúmero de control

9.2.5. Detalles de las Pruebas.

Los párrafos de esta sección de la norma marcan las pruebas requeridas de acuerdo con el diámetro del electrodo y determinan el tipo de metal base que debe usarse para hacer los depósitos necesarios. El metal base siempre está referido a normas ASTM, De ser necesario, los electrodos deben acondicionarse antes de utilizarlos para la preparación de las probetas.

9.2.5.1. Análisis químico.

Este puede realizarse sobre metal depositado en un cordón normal o en un depósito especial o sobre la varilla original dependiendo de lo que establezca la norma correspondiente. Se indica la forma y medidas del depósito y si es necesario realizar alguna operación entre cordón y cordón. Así mismo se indica cuál norma ASTM debe seguirse para los métodos analíticos.

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9.2.5.2. Prueba de Sanidad, Resistencia a la Tracción y Resistencia al Impacto.

Se indica la preparación del conjunto de donde deben extraerse las probetas, marcando condiciones de dimensiones, tratamientos térmicos entre pasos, secuencia de pasos.

A continuación en diferentes párrafos explica las indicaciones de cada una de las .pruebas y establece cuales son las normas ASTM y AWS que rigen las pruebas.

9.2.5.3. Prueba de Resistencia a la Tracción Transversal y de Doblez.

Al igual que en el caso de las pruebas anteriores, indica la preparación del conjunto de donde saldrán las probetas siguiendo la misma metodología en cuanto a las condiciones de preparación del conjunto, extracción de las probetas y conducción de las pruebas.

9.2.5.4. Prueba de Usabilidad.

El conjunto que se prepara para la prueba de filete en sus dos aspectos de fractura y de observación macroscópica; debe prepararse siguiendo las indicaciones establecidas en cuanto a corriente, posición, preparación del metal base, etc. Se indica las dimensiones que deben tener la geometría de la sección transversal del cordón.

9.2.5.5. Otras Pruebas.

Estas se detallan especialmente en la norma que les corresponde, como en el caso de la humedad del revestimiento, del fundente, etc.

9.2.6. Apéndice.

Los apéndices no forman parte de la norma pero su lectura cuidadosa es muy importante porque aclara muchos aspectos de los electrodos, ya que se incluye aspectos como:

Procedimientos de soldaduraClasificación de electrodosAclaraciones a las pruebasAplicaciones de cada tipo de electrodoPruebas especialesProbetas de dimensiones diferentesComparación de clasificacionesTratamiento pre y post soldaduraAspectos técnicos de los procesos de soldar.

9.3.- CÓDIGO ASME.

El código reconocido internacionalmente que califica las características apropiadas de un método para soldar (llamado Procedimiento) y la habilidad del operario que realiza el cordón, ya sea manualmente Csoldador) o automáticamente (operador), es el Código ASME (The American Society of Mechanical Enginiers en su Sección IX.

La Sección IX del Código -(ASME Bolier and Pressure Vessel Code) es parte de un conjunto de reglas destinadas a producir calentadores y recipientes a presión que sean confiables técnicamente y desde el punto de vista de la seguridad, dentro de todas las reglas que deben cumplirse, es muy importante el aspecto de la soldadura.

La Sección IX del Código (Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures, Welders,

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Brazers and Welding and Brazing Operators), está dividida en dos capítulos; el primero corresponde á la soldadura (Welding)y el segundo a "Brazing", sólo se presentarán los diversos aspectos que trata el primero de ellos por considerarse que revísten la mayor importancia. Este capítulo está subdividido en las cuatro siguientes partes:

1. Requisitos generales2. Calificación de Procedimientos3. Calificación de Habilidades4. Datos de la soldadura

9.3.1.- Requisitos Generales.

En esta parte se destacan los siguientes puntos:

9.3.1.1.- Generalidades.

El objetivo de la Sección IX del Código ASME es que la soldadura realizada tenga las propiedades requeridas, por lo que el soldador, el operador y el sistema de soldar deben ser confiables y calificados. Considera que es aplicable a todos los sistemas de soldadura eléctrica, manuales y automáticos considerados en el resto de las secciones del Código. Hace hincapié en la obligación que tienen el fabricante y el contratista de realizar las pruebas prescritas y llevar un registro de ellas.

9.3.1.2.- Orientación y Posiciones del Cordón.

Define la orientación del cordón con respecto a plano horizontal y vertical.

9.3.1.3. Posiciones de Prueba para Soldadura de Ranura.

Se toma en cuenta la orientación del cordón de soldadura (plana, horizontal, vertical y sobre cabeza) y el tipo de material sobre el que se va a depositar (placa, tubo y perno). Ver Figura 9.1 y 9.2.

9.3.1.4.- Posiciones de Prueba para Soldadura de Filete.

Considera estos incisos la orientación del cordón que se deposita sobre placa y tubo, pero con este tipo de unión en ángulo.

9.3.1.5.- Tipos y Propósitos de las Pruebas y Exámenes.

Cinco son las pruebas mecánicas que se marcan: resistencia a la tracción, doblez guiado, prueba de filete, resistencia al impacto y prueba en pernos, así como examenes radiográficos para soldadores y operadores.

9.3.1.5.1.- Prueba de Resistencia a la Tracción.

Según esta parte, las probetas pueden ser planas, maquinadas, redondas, torneadas o de sección completa cuando sea posible. Se marcan las dimensiones para las mismas y se establece el procedimiento de prueba y criterio de aceptación de acuerdo con los resultados y el lugar de la rotura.

9.3.1.5.2.- Prueba de Doblez Guiado.

En este inciso se indican la preparación del metal base (Placa, tubo) y los tipos de probeta

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según el doblez que vaya a efectuarse. El doblez puede efectuarse en forma transversal o longitudinal al cordón de la soldadura: en el primer caso el doblez puede ser lateral, de cara y de raíz, y en el segundo caso sólo de cara y de raíz.

La prueba de doblez se debe correr de acuerdo con lo indicado en este inciso, tanto en la forma misma, como en el equipo.

9.3.1.5.3.- Prueba de Resistencia al Impacto.

Pueden realizarse, de acuerdo con lo que indique la norma respectiva, dos tipos de prueba de resistencia al impacto: La ranura en V. Charpy o la de desgarre por impacto.

Las pruebas deben realizarse según las normas ASTM A-370 y E-208 respectivamente. El criterio de aceptación dependerá de la norma del material correspondiente.

9.3.1.5.4.- Prueba de Filete.

La prueba se divide en dos aspectos: calificación del procedimiento y de la habilidad. Cada una de ellas tiene sus probetas especiales en las que se verifica la sanidad del cordón, sus dimensiones y se hace un examen del metal base, del metal de aporte y de la zona afectada por el calor.

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9.3.1.5.5.- Otras Pruebas y Exámenes.

Las otras pruebas y exámenes que pueden hacerse son: Radiografía para soldadores y operadores, pruebas sobre pernos soldados y pruebas sobre la soldadura Je metales diferentes en el que uno de ellos es ferrítico. También se incluye la prueba de líquidos penetrantes.

9.5.2.- Calificación del Procedimiento.

La calificación del procedimiento de la soldadura la establece la Sección IX del Código ASME en los incisos del 200 al 280.

9.3.2.1. Generalidades.

Cada fabricante o contratista debe preparar por escrito las especificaciones del procedimiento de soldadura (EPS, en inglés WPS) que utilice y en las cuales debe incluir las variables esenciales, las complementarias y las no esenciales y debe mantenerlas actualizadas.

Debe preparar también un control de calificación de procedimiento (C.C.P., en inglés P.Q.R.) en el que deben indicarse los datos de las pruebas, las variables a las que deben ajustarse y los resultados obtenidos sobre las muestras.

Los registros del C.C.P. (P.Q.R.) no deben cambiarse, a menos que ocurra uno de lo supuestos permisibles. El C.C.P. (P.Q.R) es una certificación de que es verdadera la información del fabricante o contratista sobre las variables y los resultados.

9.3.2.2.- Responsabilidades.

Es muy importante como se destaca las responsabilidades de los fabricantes o contratistas. Los soldadores y los operadores empleados para la calificación de los procedimientos deben estar bajo la total supervisión del fabricante contratista, ensamblador o instalador mientras se ejecutan las soldaduras de prueba y esta obligación no puede trasladarse a la habilidad de personal de otra organización.

Las pruebas mecánicas requeridas para la calificación de los procedimientos son: resistencia a la tracción, doblez guiado, resistencia al impacto cuando la norma del material o equipo lo requiera y prueba de penetración, estas pruebas se aplicarán a soldaduras de ranura a tope de filete, reparaciones, soldadura de metal base de espesores diferentes y pernos soldados.

9.3.2.3.- Limitaciones de las Posiciones para la Calificación de los Procedimientos,

A menos que específicamente se requiera otra cosa por las variables de la soldadura, la calificación en una cierta posición califica el procedimiento para todas las posiciones. El proceso de soldadura, los electrodos y el metal de aporte deben ser los apropiados para la posición específica del cordón. Debe emplearse un soldador o un operador calificados para la prueba.

9.3.2.4.- Preparación de las Probetas.

Los incisos de esta parte de la Sección IX del Código ASME indican para la preparación de las probetas, el tipo de metal base, el metal de aporte y las dimensiones de la ranura. Hay requisitos especiales para casos de procedimientos tales como:

Metal base del grupo ASME P-llRecubrimiento con metal resistente a la corrosión.Soldadura por haz de electrones.Recubrimiento con metal duro resistente al desgaste.

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Recubrimiento con "Clad"Aplicación de respaldos.

9.3.2.5.- Variables.

Las variaciones son divididas en:EsencialesNo esencialesSuplementarias

Se presentan Tablas para los diversos tipos de soldadura.

Las variables esenciales son las que afectan las propiedades mecánicas de la junta, por lo que debe recalificarse el EPS (WPS) si no cumplen. Las variaciones suplementarias se aplican cuando otra sección del código las indica como importantes. Las variables no esenciales son las que se pueden cambiar sin necesidad de recalificar el EPS (WPS).

Los procesos y sus tablas son los siguientes:

TABLA PROCESOQW252 Soldadura de gas-oxígeno (Oxyfuel gas Welding, OFW)QW253 Soldadura de arco con electrodo metálico recubierto (Shielded Metal Arc WeIdding,

SMAW).QW254 Soldadura con arco sumergido (Submerged Are Welding, SAW)QW255 Soldadura de arco con electrodo metálico y protección de gas (Gas Metal Arc -

Welding, GMAW; Flux Cored Are Welding-FCAW).QW256 Soldadura de arco con electrodo de tungsteno y protección de gas (Gas

Tungsten Are Welding, GTAW).QW257 Soldadura de Plasma (Plasma-Arc Welding PAW) .QW258 Soldadura con electro escoria (Electro Slag Welding, ESW).QW260 Soldadura con haz de electrones (Electrón Beam Welding, EBW),QW261 Soldadura de Pernos (Stud Welding)

Los efectos que se van agrupando en las variables son:JuntaMetal baseMetal de aportePosición del cordónPrecalentamientoGas de ProtecciónCaracterísticas eléctricasTécnica de soldadura

A continuación de las diez tablas mencionadas en los incisos 280 a 282 se marcan las variables a los diversos procesos de soldadura especiales utilizados para soldar recubrimientos resistentes a la corrosión y a la abrasión; y para cada caso indica cuando se debe proceder a una recalificación.

9.3.3.- Calificación de las Habilidades.

En los incisos 300 a 382 de esta Sección IX se dan las características de calificación de la habilidad de soldadores y operadores.

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9.3.3.1.- Generalidades.

Se enlistan separadamente los procesos de soldadura con sus variables que se emplean para calificar la habilidad de soldadores y operadores.

Es requisito que cada fabricante, contratista, ensamblador o instalador sea responsable de realizar las pruebas de habilidad de los soldadores y operadores que cada empresa utilice, de acuerdo con las especificaciones de procedimientos de Soldadura (EPS, en inglés WPS). El propósito es asegurar que los responsables han determinado que sus operarios son capaces de cumplir con el mínimo de requisitos marcados para una soldadura aceptable. Esta responsabilidad no puede delegarse en otra organización.

9.3.3.2.- Pruebas.

Estas pruebas pretenden determinar la habilidad de los soldadores y operadores para producir soldaduras sanas.

Todos los fabricantes y contratistas deben calificar a sus operarios para cada proceso que sea utilizado en la producción.

Cuando se modifiquen las variables esenciales, deben recalificarse los soldadores y operadores. Si es evidente que el soldador o el operador no producirán soldaduras sanas, no es necesario realizar todas las pruebas.

Cada soldador y operador debe tener un número, letra o símbolo que lo identifique como el autor de una soldadura. El fabricante o contratista debe llevar un record de los exámenes realizados, de los procedimientos y de los resultados.

9.3.3.3.- Límites de las Posiciones Calificables y de los Diámetros.

Estos párrafos establecen los alcances y limitaciones para los soldadores y operadores en lo que se refiere al tipo de soldadura para el que quedan o no calificados. Así, cuando pasan las pruebas de soldadura de ranura en las posiciones requeridas quedan calificados para soldaduras de filete en todas las dimensiones de espesor de metal base y de diámetro de tubo; pero con las pruebas en soldadura de filete, únicamente están calificados para soldar en ciertas medidas y condiciones de metal base para ese tipo de soldadura. Lo mismo ocurre con posiciones especiales en el que la calificación sólo comprende el tipo de orientación probado. La calificación sobre cabeza de la soldadura de un perno también abarca las otras posiciones.

9.3.3.4.- Soldadores.

Los depósitos de prueba realizados por los soldadores deben pasar las pruebas mecánicas aunque si se hace el depósito con ciertos procedimientos de soldadura, pueden con algunas excepciones, calificarse radiográficamente. Puede utilizarse para la calificación una soldadura de producción pero si ésta llegara a fallar, toda la producción del soldador que se está calificando debe radiografiarse y repararse por un soldador u operador calificado aunque en algunos casos se permite correr una nueva prueba.

9.3.3.5.- Operadores.

Los cordones depositados por el operador debe cumplir con las pruebas mecánicas o con la radiografía, Igualmente puede seleccionarse para prueba una soldadura de producción. Si falla se aplica lo ya indicado en 9.3.3.4.

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9.3.3.6.- Combinación de Procesos de Soldadura.

Este párrafo establece las condiciones en que un soldador u operador pueden calificarse haciendo muestras para cada procedimiento de soldadura o una combinación en una sola muestra. También indica que se puede preparar una muestra para dos o más soldadores u operadores utilizando el mismo o diferente procedimiento.

9.3.3.7.- Probetas.

Las probetas pueden prepararse de placa, tubo u otro producto. Se indican las dimensiones ya sea que la soldadura se realice con respaldo o sin él.

9.3.3.8.- Repetición de Pruebas y Renovación de la Calificación.

9.3.3.8.1.- Repetición de Pruebas.

Cuando algunas de las pruebas fallan se permite hacer una repetición de las mismas ya sea de inmediato, (tanto mecánica como radiográficamente), o después de que el operario que falló reciba entrenamiento.

9.3.3.8.2.- Renovación de la Calificación.

El soldador u operador deben recalificarse en caso de que:No haya soldado con el proceso para el que está calificado durante un periodo de 3 meses,que se extenderá a 6 si soldó con otro proceso .Haya dudas de su habilidad.La renovación puede hacerse en una única probeta en cualquier posición, material y espesor.

9.3.3.9.- Variables para los Soldadores.

Cuando haya un cambio en una o más variables esenciales, el soldador debe recalificarse.Las variables esenciales se indican en las Tablas QW352 a QW357 y están relacionados con el proceso de soldadura. Estas son; Tipo de junta, metal base, metal de aporte, posición gas,(como combustible o protección y aspectos eléctricos.

Las tablas son:

NUMERO PROCESOQW352 Soldadura de gas-oxígeno (Oxyfuel Gas-Welding, OFW).QW353 Soldadura de arco con electrodo Metálico, recubierto (Shielded Metal-Arc-WeTding,

SMAW)QW354 Soldadura semiautomática con arco sumergido (Semiautomátic Submerged-Arc -

Welding, SWA) .QW355 Soldadura semiautomática de arco con electrodo metálico y protección de gas

(Semiautomátic Gas Metal-Are Welding-GMAW) y soldadura de arco con electrodo Metálico Hueco con fundente, (Flux-Cored-Arc Welding, FCAW).QW356 Soldadura manual y semiautomática de arco con electrodo de tungsteno y protección

de Gas (Manual and Semiautomátic Gas Tungsten - Are Welding GTAW).QW357 Soldadura manual y semiautomática de Plasma (Manual and Semiautomátic Plasma –

Arc Welding PAW).

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9.3.3.10.- Variables para los operadores..

Las variables esenciales para los operadores son dos :Cambio en el proceso de soldaduraCambio en el tipo de equipo

9.3.3.11.- Procesos especiales.

Los procesos especiales para las que hay que preparar probetas también especiales son:Recubrimientos de metal resistente a la corrosión.Recubrimiento de metal resistente al desgaste.Clad y Lining

9.3.4.- Datos de la Soldadura

Los párrafos que contienen esta parte de la Sección IX están numeradas del 400 al 484 y sus principales aspectos son:

VariablesNumeración PNumeración FComposición Química del metal DepositadoProbetasIlustracionesProcedimientos y reactivos de ataqueDefinicionesFormatos

9.3.4.1. Variables.

Indica en forma general cuando es necesario proceder a una recalificación tanto del proceso como de las habilidades personales en relación a los cambios de las variables esenciales y a continuación se describen dichas variables.

JuntasMetal basePosicionesPrecalentamientoGas de ProtecciónCaracterísticas eléctricasTécnicas

9.3.4.2.- Numeración P.

En esta numeración se han agrupado los metales base que tienen características similares como: composición, soldabilidad y propiedades mecánicas hasta donde fue posible hacerlo.

Contiene los siguientes grupos:Aceros al carbono y aceros aleadosCobre y sus aleacionesNíquel y sus aleacionesTitanio y sus aleacionesZirconio y sus aleaciones

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9.3.4.3. Numeración F.

Esta numeración agrupa los electrodos basadas fundamentalmente por sus características. Los grupos en las que están divididos son correspondientes a los grupos que se mencionan en el párrafo 9.3.4.2. hay un grupo más que corresponde a Recubrimientos Duros. En estos grupos se menciona la clasificación AWS.

9.3.4.4.- Composición Química del Metal Depositado.

Únicamente considera aleaciones ferrosas a las que les asigna un número A, del 1 al 11 en los siguientes grupos:

Número A Metal Depositado1 Acero al carbono2 Acero al molibdeno3 Acero al cromo (0.4/2%) - Molibdeno4 Acero al cromo (2/6%) - Molibdeno5 Acero al cromo (6/10%) - Molibdeno6 Acero al cromo - Martensítico7 Acero al cromo - ferrítico8 Acero al cromo - /14.5/30%) – Níquel (7.5/15%)9 Acero al cromo (25/30%) – Níquel (15/37%)10 Acero al níquel (4%)11 Acero al manganeso - Molibdeno

9.3.4.5.- Probetas.

En diez tablas se relacionan el tipo de probeta de acuerdo con:Calificación de procedimiento o de habilidadEspesor del metal baseTipo del metal base (placa o tubo)Tipo de la junta (ranura o filete)Pruebas por realizar

9.3.4.6.- Ilustraciones.

Las ilustraciones de esta parte de la Sección IX se agrupan como sigue:PosiciónProbetas de pruebaDistribución de la obtención de las probetas de la muestraSoportes para las pruebas de doblezJuntas típicas

En cada uno de estos grupos se toman en cuenta si el cordón es de ranura o de filete, si se aplica en placa, tubo o perno, si la calificación va a hacerse sobre procedimiento o sobre habilidad, si el tamaño de la muestra permite probetas de dimensiones originales o deben ser maquinadas el tipo de prueba (tracción, doblez, análisis químico, etc.).

9.3.4.7.- Procedimientos y Reactivos de ataque.

Cuando las superficies deben estudiarse metalográficamente, es necesario prepararla desbastando y puliendo para luego atacarlas con un reactivo adecuado durante un cierto tiempo, lavarlas bien a continuación y secarlas; pueden laquearse para preservar la superficie.

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Se indican reactivos y procedimientos para metales y arco ferroso (aleaciones de aluminio, cobre, níquel, titanio y zirconio).

9.3.4.8.- Definiciones.

Se presentan las definiciones de los términos más comunes utilizados en la soldadura de acuerdo con lo establecido por la AWS. Desafortunadamente no hay una traducción autorizada y generalmente aceptada en español.

10.- PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS,

Considerando: La importancia y gran uso que tiene la soldadura dentro de la construcción y mantenimiento de plantas, equipos, líneas de tubería, etc.; por los problemas que presenta el soldeo, que a su vez pueden dar como resultado defectos en el cordón de soldadura o en el metal base, y, aunado esto a defectos por errores personales del soldador o a una mala aplicación de la tecnología, se ha hecho necesario contar con técnicas de prueba que garanticen que una determinada unión está libre de defectos o, por lo menos, que los defectos existentes sean aceptables, de acuerdo a lo establecido por una determinada norma.

Estas técnicas de prueba deben ser del tipo no destructivo, pues son muchas las ocasiones en que se recurre a un nivel de inspección de 10H, lo que no se podría realizar con pruebas destructivas; Las pruebas destructivas se aplican empleando otro tipo de punto de vista.

La característica principal de las pruebas no destructivas la marca su nombre: se pueden aplicar una pieza sin causarle ningún daño por lo que, será posible usarla después de la prueba.

Las técnicas no-destructivas son numerosas, en este capítulo se tratarán aquellas que tienen mayor relación con la soldadura; estas son:

Inspección visualLíquidos penetrantesPartícula magnéticaRadiografíaUltrasonidoCorrientes circulantesRéplicas metalográficasDurezaAnálisis QuímicoPruebas en productos terminados

10.1.- INSPECCIÓN VISUAL.

Esta es la actividad inicial que debe realizarse sobre una soldadura aunque, por norma, deba sujetarse a otras pruebas destructivas y no-destructivas, porque esta inspección dará valiosa información para la aceptación, rechazo o corrección del cordón.

Los aspectos principales por cubrir en una inspección visual son:Dimensiones, tamaño y contorno del cordónAparienciaDefectos superficiales tales como: grietas, poros, traslapes, socavados, etc.

Para determinar las dimensiones, el tamaño y el con torno de un cordón de soldadura se utiliza un escantillón preparado de acuerdo con el tipo de cordón (ranura o filete) el ángulo del metal base, así como todas las medidas especificadas.

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La apariencia, cuando sea un requisito fundamental, debo marcarse en las especificaciones del cordón y servirá de norma para la calificación.

Para observar el cordón y establecer la presencia o ausencia de defectos superficiales, se procede primero a una limpieza de la escoria y de los óxidos con un cepillo de alambre o con chorro de arena.

10.2.- LÍQUIDOS PENETRANTES.

La inspección con líquidos penetrantes permite, en materiales sólidos no porosos, magnéticos y no magnéticos la detección de discontinuidades superficiales aunque no son perceptibles a simple vista.

El procedimiento se basa en la penetración por capilaridad de un líquido en las fallas abiertas a la superficie; el líquido es retenido en dichas fallas después de haberse limpiado el exceso y luego es hecho visible por medio de una sustancia apropiada que lo extrae de donde estuvo retenido (Fig. 10.1).

Hay tres sistemas de líquidos penetrantes:Lavable con aguaUtilizando un emulsificanteUtilizando un solvente

Cada uno de estos tres en dos variedades: visible el líquido a la luz natural o fluorescente para verse con luz ultravioleta.

La secuencia de una inspección con líquidos penetrantes lavables con agua, es:LimpiezaAplicación del líquido penetranteLimpieza del exceso del líquido penetranteAplicación del líquido reveladorInspección

El éxito depende principalmente de la limpieza de la superficie la cual tiene que estar libre de grasa, aceite, polvo, escoria, cascarilla, pintura, recubrimiento, etc. Estas substancias pueden eliminarse usando cepillo de alambre si el área por inspeccionar no es muy grande y si es accesible, de lo contrario puede usarse limpieza con chorro de arena y en algunos casos

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limpieza química. El método de limpieza se escoge de acuerdo con el material que debe eliminarse y el material que debe quedar limpio.

La limpieza abarcará hasta 2.5 cm (1”) más allá de la zona por inspeccionar. Si la limpieza no es adecuada se tendrá indicaciones erróneas ya sea porque el líquido no puede penetrar en la falla, porque reaccione con otras substancias en la superficie perdiendo su efecto o que marque defectos que pertenecen a la capa superficial que no se eliminó.

Ya limpia la superficie por inspeccionar se aplica el líquido suficiente para que penetre en todas las fallas. Por las condiciones diferentes de las fallas en el tiempo de penetración no es igual en cada una de ellas por lo que debe dejarse para que actúe sobre todas las que pudieran estar presentes.

A continuación se elimina el exceso de líquido penetrante lavando uniformemente con agua.

Se aplica el líquido revelador que actúa sobre el líquido penetrante como un secante, extrayéndolo de la falla. Como el líquido revelador es blanco y el penetrante es rojo, se hacen evidentes los lugares en donde hay fallas. Si el líquido penetrante es fluorescente, la observación se hace con luz ultravioleta.

Este procedimiento es el más sencillo y el más barato pero el de menos sensibilidad. Son más sensibles y menos baratos los sistemas que usan un emulsificante para que el líquido pueda penetrar en las fallas o un solvente para eliminar el exceso de líquido penetrante.

Cualquiera que sea el sistema de líquido penetrante que se utilice es el más barato y rápido comparativamente con otros procedimientos de inspección no-destructivas y no requiere de personal con gran especialización, sin embargo, su gran limitación es que únicamente puede detectar fallas que afloran a la superficie.

Hay que ser cuidadosos cuando se aplica a aceros inoxidables y a aleaciones de níquel porque los compuestos de cloro y azufre afectan el metal.

10.3.- PARTICULAS MAGNETICAS.

El método de inspección no destructiva por partícula magnética localiza discontinuidades superficiales y sub-superficiales en materiales ferromagnéticos. En estos materiales ferromagnéticos se consideran los aceros al carbono, los aceros aleados y las aleaciones de níquel y cobalto. Los metales no ferromagnéticos que no pueden inspeccionarse por este método incluyen los siguientes metales y sus aleaciones: aluminio, cobre, magnesio, plomo, titanio y los aceros inoxidables austeníticos.

El fundamento del método consiste en que un material magnetizado presenta en sus extremos sus polos positivo y negativo; cualquier discontinuidad presente entre los extremos modificará la posición de los polos creando nuevas localizaciones (Fig. 10.2). Cuando un metal ferromagnético es magnetizado presentará polos donde haya discontinuidades y éstas pueden detectarse utilizando partículas magnéticas finas.

De este modo se detectan los defectos superficiales y sub-superficiales obteniéndose su localización, extensión y forma.

La corriente que se utiliza para magnetizar puede ser alterna o directa; ésta penetra en toda la sección transversal del material por inspeccionar y aquélla sólo permanece cerca de la superficie por lo que la corriente directa se obtiene rectificando la corriente alterna. La corriente alterna proviene de la línea comercial utilizando un transformador para reducir el voltaje.

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Previamente a la magnetización, el metal será limpiado para que esté libre de escoria, óxidos y humedad lo cual puede hacerse con cepillo de alambre, chorro de arena y, en ciertos casos, un desbaste.

Para magnetizar la zona por inspeccionar se emplea un electroimán o un campo magnético producido por una corriente eléctrica que fluye por un conductor; cuando se ha magnetizado el área por inspeccionar se aplican las partículas magnéticas a la superficie del metal y a continuación se examina evaluando la acumulación localizada de aquellas.

La Inspección puede hacerse utilizando el método de campo continuo o el de campo residual. En el primero se colocan las partículas magnéticas mientras fluye la corriente y en el segundo se coloca después de que se desconecta la corriente; este procedimiento es menos sensible.

Las limitaciones de este método de inspección son:

- Únicamente se aplica a metales ferromagnéticos- Las fallas deben estar a 90° del flujo magnético, o por lo menos a 45° para que sean detectadas.- Después de la prueba debe desmagnetizarse el metal inspeccionado.- Se tiene que eliminar las partículas magnetizadas de la superficie metálica.- Es necesario cierto grado de experiencia para evaluar los defectos y desechar las indicaciones cuyo origen no corresponde a fallas o defectos,

10.4.- RADIOGRAFÍA.

En la inspección y el control de calidad de las soldaduras, la radiografía es una de las pruebas no-destructivas que se aplica para verificar la confiabilidad de calentadores, recipientes a presión, componentes de turbinas y en general todo equipo soldado que estará sujeto a alta presión.

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Esta técnica de inspección se basa en la absorción de una radiación penetrante que cada material bajo prueba tiene en forma específica. Cuando la radiación atraviesa una placa sana de espesor uniforme se registra, generalmente en una placa fotográfica, una imagen homogénea. La presencia de cualquier alteración ya sea por la presencia de un defecto (poros, grietas, inclusiones, etc.) o por diferencias dimensionales, alterará la imagen homogénea porque la absorción ya no ha sido uniforme.

Para realizar una radiografía, son necesarios tres elementos (Fig. 10.3).

- La fuente de radiación.- El material bajo prueba.- El medio de registro .

La fuente de radiación puede ser de rayos X o de rayos gamma; ambos son radiaciones de una longitud de onda tan corta que pueden penetrar los cuerpos opacos a la luz visibles,

Los rayos X se producen por la acción de un flujo de electrones acelerados sobre los átomos de una rejilla. La capacidad de penetración de estos rayos depende del potencial de aceleración en volts; en la Tabla 10.1 se relacionan los potenciales de aceleración con la penetración en el acero.

TABLA No. 10.1

Los rayos gamma provienen de la desintegración de isótopos metaestables; los más usados son:

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iridio-192, cesio-137, cobalto-60, y radio. En la Tabla 10.2, se marcan algunas características de los isótopos.

TABLA No. 10.2

Es muy importante la localización del metal bajo inspección con respecto a la fuente de radiación y a la película de registro para obtener una imagen que capte las zonas de prueba.

El medio de registro generalmente es una película fotográfica aunque hay otros sistemas como el uso de papel fotográfico, la observación en una pantalla, etc.

Para obtener un registro confiable es necesario utilizar película especial para radiografía industrial de alta calidad, así como controlar estrechamente de su proceso de revelado, de otro modo pudieran aparecer indicios erróneos de defectos.

Los factores que deben tomarse en cuenta en la película son: Velocidad, grano y sensibilidad. El tiempo de exposición debe medirse cuidadosamente para no tener sobre exposición ni sub-exposición. El tiempo de exposición en el caso de los rayos X depende:

- Tipo de metal por inspeccionar- Espesor del metal por inspeccionar- Tipo de película- Distancia entre la fuente de radiación y la película,- Voltaje

En el caso de los rayos gamma, también se toman en cuenta los factores anteriores excepto el voltaje, en su lugar es la radiactividad de la celda porque no debe olvidarse que ésta decrece continuamente según su vida media.

En el proceso de revelado se cuida los detalles de tiempo de revelado, temperatura de las soluciones, actividad de las soluciones, manejo, etc.

En la radiografía de la soldadura es importante el uso del penetrámetro o de indicadores de calidad de imagen para estar seguros de obtener la sensibilidad deseada, la definición y el contraste, La forma y medidas del penetrámetro depende de la norma que se aplique en la radiografía.

Cuando ya se tienen las películas secas se determina la densidad radiográfica y se procede a evaluar las imágenes; esta actividad requiere de una gran experiencia por parte del observador para decidir los tipos de defectos que aparecen y relacionarlos con las limitantes de las normas. Generalmente se recurre al uso de películas patrones que muestran los defectos típicos.

La radiografía es un sistema de inspección no destructiva que requiere que el personal que la maneja esté conciente de que es un proceso de alto riesgo si no se toma en cuenta y se ejecutan todas las precauciones indicadas por las autoridades de la seguridad nuclear. De otra

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manera, no sólo los operadores sino gente alrededor del sistema pueden resultar afectadas por daños que pueden ser desde afecciones en la piel, en las células de la médula ósea, etc., hasta esterilidad, ceguera y muerte.

Las limitaciones de la radiografía son las siguientes:

- Costo elevado del equipo- Instalaciones y área de trabajo amplias- Algunos defectos no pueden ser observados como laminaciones y grietas perpendiculares al haz de radiación.- Aplicación y control de medidas estrictas de seguridad- Personal experimentado en todos los aspectos de la radiografía como son:

- Transporte- Toma de la radiografía- Revelado- Interpretación

- Preparación constante del personal tanto técnico come de seguridad

10.5.- ULTRASONIDO.

El ultrasonido es una técnica de inspección que se utiliza para detectar en piezas metálicas: grietas, laminaciones, fracturas, poros, cavidades, falta de fusión, falta de penetración, inclusiones no metálicas, líneas de escoria, etc. Se aplica también para medir espesores y determinar el avance de la corrosión. Con menos frecuencia se usa para determinar en metales propiedades físicas, estructuras, tamaño de grano y constantes elásticas.

Su empleo se basa en la aplicación de ondas de sonido de alta frecuencia (generalmente entre 1 a 25 Hz) a un material; estas ondas viajan por el material y son reflejadas por las superficies anterior y posterior registrándose en una pantalla dos picos que corresponden a estos reflejos. Si en el interior del material hay un defecto, aparece un reflejo extra que se registra en la pantalla como un pico entre los dos anteriores (Fig. 10.4).

Las ondas ultrasónicas son vibraciones mecánicas que consisten de oscilaciones de las partículas moleculares o atómicas. Las ondas ultrasónicas se propagan en un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso, pero no en el vacío), y su velocidad dependen del tipo de medio en el que se mueve, de ahí que, cuando entra a un medio distinto, por la diferencia de la impedancia acústica de ambos medios, ocurre una refracción y una reflexión parcial.

El sonido de alta frecuencia se genera en un cristal piezoeléctrico cuando recibe pulsos de voltaje alterno procedentes de un generador. El cristal piezoeléctrico está colocado en un palpador. Generalmente, éste emite y recibe el ultrasonido que retransmite a un registro que puede ser una pantalla de tubo de rayos catódicos (TRC), un graficador o una impresora.

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El palpador puede ser recto o angular (Fig. 10.5) siendo éste el más utilizado en la inspección de las soldaduras por inspeccionar, teniendo en cuenta que debe usarse un agente acoplante que permita una adherencia total entre la superficie del palpador y la del material. Este agente puede ser agua, aceite, vaselina, aceite o grasa de silicón, etc., aunque por código se usan sólo glicerina y goma celulósica .

El movimiento del palpador sobre la superficie donde se encuentra la soldadura tiene que realizarse de tal modo que el ultrasonido barra todo el cordón. (Fig. 10.6). Si la superficie del cordón está nivelada con el metal base y tiene un acabado adecuado, el palpador puede colocarse encima; si no es tal la condición, el palpador se moverá sobre el metal base de tal suerte que no quede soldadura sin probar (Fig. 10.7 y 10,8).

La inspección, ultrasónica utiliza patrones de referencia para asustar los instrumentos de control y establecer si las indicaciones de los registros se consideran como fallas significativas.

Las ventabas de la inspección ultrasónica son:

- Gran poder de penetración- Alta sensibilidad.- Gran facilidad para establecer la posición de los defectos- Puede realizarse sobre una superficie únicamente- Respuesta inmediata- Operación segura- Portátil

Las desventajas son:

- Operadores con mucha experiencia- Amplio conocimiento técnico para establecer el procedimiento de inspección- La superficie de prueba debe ser suficientemente tersa- No puede realizarse en piezas irregulares, pequeñas, delgadas o heterogéneas

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- No detecta defectos sub-superficiales- Es necesario un agente de acoplamiento- Es necesario tener patrones para calibrar el equipo y para caracterizar los defectos.- Imposible diferenciar falta de fusión y grietas- Falta mucho perfeccionamiento para distinguir defectos en tres dimensiones.

10.6.- CORRIENTES CIRCULANTES.

La inspección por corrientes circulantes es un procedimiento de prueba no destructiva que, en el caso de las soldaduras, se aplica a tubería soldada longitudinalmente.

Un bobina, al conducir un flujo de corriente alterna como resultado de una inducción electromagnética, origina que fluya una corriente circulante en el metal por probar. Esta corriente se compara con la de otra bobina y cuando son iguales significa que el metal bajo prueba no tiene defectos ni cambios dimensionales. Si estos están presentes, el equipo de prueba detecta la diferencia produciendo a marcar el lugar de defecto o a rechazar el material.

Este método puede determinar a bajo costo, por la rapidez del proceso, los defectos mayores como, poros, grietas, socavados, etc. Puede trabajar a velocidades de alrededor de 30 cm por minuto y el único límite para el diámetro de la tubería es la disposición de las bobinas adecuadas.

10.7.- REPLICAS METALOGRAFICAS.

Las réplicas metalográficas son un procedimiento de inspección no-destructivas tendiente a establecer en el lugar, las microestructuras presentes en el metal. En el caso de las soldaduras, se espera determinar los diferentes tipos de estructuras que se generan cuando se realiza una soldadura, tanto la que tiene la unión propiamente dicha, ya sea que se haya utilizado o no metal de aporte, como la zona afectada por el calor y el metal base. Durante una soldadura o después de haberse sometido una unión a los efectos de las condiciones de servicio, se presentan diferentes velocidades de enfriamiento que pueden generar microestructuras frágiles.

Para realizar una réplica metalográfica debe proceder a preparar la superficie por observar en forma igual a una observación metalúrgica de laboratorio. Esto es, debe limpiarse, desbaratarse y pulirse a espejo. Esta actividad no es fácil ya que es usual que el equipo que debe inspeccionarse esté localizado en una posición incomoda y que, los cordones están en lugares que son en un auténtico reto al equilibrio. Se utiliza un equipo de pulido eléctrico portátil de alta velocidad aplicando papeles lija de diferentes grados hasta desbastarse a una condición que quede lista la superficie para el pulido. Se pule utilizando pasta de diamante y cuando ya está en condición de espejo se ataca aplicando un reactivo cuya composición permite que el metal bajo observación revele su microestructura. Se lávala superficie para eliminar el resto de reactivo, se agrega un solvente y se presiona en el área una tira de material plástico la cual, por la acción del

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solvente, toma una condición reblandecida por lo que puede tomar el relieve de la microestructura. Se retira la tira y se observa al microscopio determinando las microestructuras presentes. Si es necesario se toma una fotografía. En la Fig. 10.9 se Muestra una fotomicrometría obtenida de una réplica metalográfica

10.8.- DUREZA.

La dureza es una prueba que se puede efectuar en el laboratorio generalmente cortando las probetas para realizarla por lo que se le califica como destructivas; también puede hacerse en una línea de producción con máquinas construidas para el efecto; y como en este caso la prueba no afecta el producto para su uso, se considera como no-destructiva. También es no-destructiva cuando se emplean aparatos portátiles que miden la dureza sobre equipos a los que no se les puede extraer las probetas necesarias; tal es el caso, con mucha frecuencia, de la soldadura.

Hay varios tipos de equipos. El más sencillo es el de golpe en el que se da un golpe con martillo a una esfera que está intermedia entre la superficie por probar y una barra metálica de dureza conocida. La relación entre las dimensiones de las huellas da el valor en números Brinell, Susdesventajas son: hace una huella muy grande, la dureza de la barra y del metal bajo prueba debe ser similares y puede haber error del operador al efectuar las mediciones de las huellas.

El escleroscópico Shore que hace rebotar un pequeño martillo de acero sobre la superficie bajo prueba y cuya altura se relaciona con la dureza; tiene la desventaja de que la superficie de prueba debe estar horizontal y el equipo perpendicular, cosa que no siempre sucede.

Hay equipos diversos que dan lectura Rockwell, accionados ya sea por un resorte o por empuje manual.

Pueden obtenerse dureza Rockwell, Vickers o Brinell convirtiendo una lectura LD que da un equipo que por medio de un resorte hace que un pequeño martillo golpee la superficie metálica. El equipo mide y compara las velocidades electrónicamente y da una lectura digital.

10.9.- ANÁLISIS QUÍMICO.

Esta es otra de las pruebas consideradas sistemáticamente como destructiva, sin embargo, y debido a la necesidad de conocer la composición de un metal sin afectarlo o por lo menos afectarlo mínimamente se aplican técnicas que van desde las más económicas y cualitativas hasta las más sofisticadas y cuantitativas, y cuyos instrumentos por el avance tecnológico, son muy costosos pero de manejo sencillo y de resultados rápidos y exactos.

En el caso de las técnicas económicas y cualitativas están, desde la simple observación por el color, el magnetismo, la prueba de chispa (con ciertas reservas) y la prueba de gota.

La prueba de gota consiste en identificar una aleación por medio de la respuesta que se tiene a una serie de gotas de reactivos. En este método analítico se puede saber a que grupo de aceros pertenece una aleación pero no conocer su composición cuantitativa.

En la actualidad ya se pueden tener resultados cuantitativos por medio de aparatos de fluorescencia de rayos X. El adelanto ha llegado al grado de que, como tiene un procesador, almacena información previa que sirve para comparar los resultados de la aleación problema con lo que tiene la memoria y dando resultados en un tiempo máximo de 25 segundos .

10.10.- PRUEBAS EN PRODUCTOS TERMINADOS.

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Estas pruebas se aplican a productos terminados como último paso de inspección antes de entregarse al cliente. Si no pasan la prueba se regresa para ser reparados o son rechazados totalmente. Se considera tres tipos de prueba en relación con el comportamiento de una soldadura.

10.10.1.- Prueba de Carga.

En elementos estructurales soldados, se aplica esta prueba sometiéndolas a las cargas establecidas en el diseño. Se utiliza sacos de arena o de otros materiales pesados.

10.10.2.- Prueba Hidrostática,

Aunque una tubería soldada o un tanque, o una esfera hayan pasado las pruebas de la norma es necesario someterlas a la prueba hidrostática para lo cual se llenan de agua y se les somete a presión. Es muy importante que no quede aire dentro de la tubería o del recipiente bajo prueba porque al comprimirse, si ocurre una falla, puede ser explosiva.

10.10.3.- Prueba de Fuga.

La prueba de fuga se aplica a recipientes; la más común consiste en llenar el recipiente de aire a cierta presión baja e introducirlo en otro recipiente abierto con agua la presencia de burbujas indica que hay un defecto.

Otros tipos de prueba utilizan otros medios tales como:

- Gases- Líquidos- Vacío

Su detección puede depender desde el simple olor hasta el uso de instrumentos especializados como los trazadores radiactivos para indicar la fuga de la sustancia dentro del recipiente, pérdida de peso, etc. El ambiente en que se realizan estas pruebas debe estar muy controlado para evitar errores de apreciación.

11. PRUEBAS DESTRUCTIVAS.

No obstante que las pruebas no destructivas permiten la inspección de las juntas soldadas hasta

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en un 100% y que las destructivas en la mayor parte de los casos no son aplicables a juntas por usarse, puesto que cuando menos requieren de la mutilación de ellas; estas últimas pruebas resultan de gran utilidad al ser aplicadas con otros fines y así, mientras que las pruebas no-destructivas sirven principalmente para detectar las fallas, las destructivas ayudan a determinar las causas que las originan, pero no sólo eso, sino que, también pueden ser empleadas para calificar el comportamiento que tendrá la junta, el material, la operación o los operarios.

Las pruebas destructivas más importantes bajo el aspecto de la soldadura son:

- Resistencia a la tracción- Doblez guiado- Sanidad- Resistencia al impacto- Dureza- Otras pruebas mecánicas- Ataque y observación macroscópica- Ataque y observación microscópica- Análisis químico

11.1. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN.

11.1.1. Aspectos Generales.

Desde el punto de vista del diseño, las uniones deben tener las mismas cualidades, o mejores, que las del resto del conjunto de que forman parte; lógicamente, la resistencia es una de las más importantes y para saber o comprobar que llena este requisito se aplica la prueba de tracción.

La prueba consiste en aplicar al material esfuerzos axiales en forma paulatina, hasta lograr la fractura. Para ejecutarla se emplean máquinas apropiadas como la mostrada en la Fig. 11.1

Tales máquinas tienen un dispositivo que va midiendo y graficando la carga que está siendo aplicada, contra la deformación provocada sobre el material por efecto de dichas cargas. Ejemplo típico de estas gráficas se muestra en la Fig. 11.2.

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Durante el transcurso de la prueba se determina el esfuerzo de cedencia; este valor desde el punto de vista ingenieril es el más importante ya que los cálculos se hacen en base a él y significa el valor de la carga arriba del cual se obtienen una deformación permanente del material

En algunos materiales el esfuerzo de cedencia queda perfectamente definido por el punto de donde cambia la pendiente de la gráfica esfuerzo-deformación, como en el caso de la Fig. 11.2, pero en otros no es así y entonces se recurre al método convencional de medir la carga que produce una deformación determinada, (normalmente de 0.02%), conocido como método "Offset" (de desplazamiento). Este método se indica en la Fig. 11.3.

Los resultados se reportan en forma de valores unitarios que se calculan dividiendo las cargas entre las áreas transversales de prueba con lo que se obtiene la resistencia a la tracción y el esfuerzo de cedencia.

Otros datos además de los anteriores pueden obtenerse a partir de la prueba de tracción y son: El por ciento de reducción de áreas y el de alargamiento.

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11.1.2. La Probeta.

La prueba se realiza utilizando probetas de dimensiones estándar que pueden variar según el tipo de metal base (placa, tubo o perno), y de acuerdo con su espesor pueden prepararse probetas planas, redondas torneadas o de sección total en el caso de tubos pequeños. Cada una de las probetas se ilustran en las Figs. 11.4, 11.5 y 11.6.

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Desde el punto de vista de la soldadura, en ocasiones se requiere saber los valores de las propiedades descritas anteriormente sobre el material depositado y en otras de la unión en sí; en cuyo caso las pruebas son efectuadas en la misma forma, cambiando únicamente la localización de las probetas con respecto a la unión; la probeta se extrae según se indica en la Fig. 11.7.

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11.2.- PRUEBA DE DOBLEZ GUIADO

11.2.1.- Aspectos Generales.

Esta prueba se aplica para determinar el grado de ductilidad de uniones. La soldadura se prueba en distintas posiciones ya sea a lo largo o a través de ella y en este último caso la prueba puede ser de raíz, de cara o de canto, maquinando para cada posición un tipo de probeta, según el código de construcción aplicable.

La prueba se hace aplicando transversalmente una fuerza sobre la probeta en la porción que se va a doblar, en este caso, con la soldadura al centro, las fuerzas de doblado se aplican por medio de una máquina de compresión que cuenta con el dispositivo para tal fin. Los resultados son de tipo cualitativo, calificando en base a las grietas que se pueden formar sobre la superficie convexa de la probeta después de doblar normalmente a un ángulo de 160°.

El doblez puede guiarse de tres formas distintas según los soportes y guías con los que se cuente. Los tres se ven en la Fig. 11.8.

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11.2,2.- La Probeta.

Las probetas para la prueba de doblez guiado deben ser maquinadas. Las caras que deben maquinarse así como sus dimensiones se ilustran en la Fig. 11.9.

El tipo de metal base (placa, tubo o perno), la superficie que debe quedar en el lado exterior del doblez (cara, raíz, lateral) y la posición de la soldadura en la probeta, son las variables que se tomarán en cuenta para indicar la (s) superficie (s) que deben maquinarse.

En la Fig. 11.10, se muestra una probeta de soldadura en perno para prueba de doblez así como el adaptador para doblar.

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11.3.- PRUEBA DE SANIDAD.

11.3.1.- Aspectos Generales.

Bajo este rubro se han agrupado las pruebas que buscan los defectos que puede haber en un cordón de soldadura, mediante la aplicación de una fuerza lateral a uno de los elementos soldados que conforman la probeta.

Para efectuar estas pruebas se aplica un cordón de soldadura en un juego de placas, en dos tubos o en un tubo sobre placas. Del conjunto soldado se extraen las probetas. Esta probeta se aplica a la calificación de la habilidad de soldadores y operadores.

11.3.2.- La Probeta.

De acuerdo con el tipo de metal base -placa o tubo- varían las probetas. En la Fig. 11.11, se ilustra la disposición de los conjuntos y la localización de donde deben cortarse las probetas ya sea que se trate de placa o tubo.

11.4.- RESISTENCIA AL IMPACTO.

11.4.1.- Aspectos Generales.

El objeto de la prueba de impacto es la de verificar la tenacidad del metal de aporte, del metal base y de la zona afectada por el calor, de ahí que deban extraerse, generalmente, en conjunto de probetas localizadas adecuadamente.

Tratándose de materiales que se van, a utilizar en procesos criogénicos, es aún de más importancia debido a que la transición dúctil-frágil puede estar a temperaturas superiores que las de trabajo lo cual indicaría que el metal trabaja en condición frágil.

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El equipo de prueba, que se ilustra en la Fig. 11.12, consiste fundamentalmente de un péndulo en cuyo extremo tiene una cabeza para golpear la probeta. Cuando el péndulo oscila y no hay probeta, no consume energía por lo que marca cero. Si se coloca la probeta con sumirá parte de su energía cinética en romper la probeta, registrando el valor en una carátula.

11.4.2.- La Probeta.

La probeta para la prueba de resistencia al impacto es una barra generalmente cuadrada con una ranura que es donde se generará la fractura. Hay dos tipos de probeta:

- Charpy- Izod

Que se distinguen fundamentalmente en la posición de la ranura y por lo tanto del lugar de aplicación del impacto. En la Fig. 11.13 se observan los dos tipos de probeta; la tipo Charpy es la más utilizada en el ámbito nacional seguramente por la influencia estadounidense ya que la Izod se usa principalmente en Europa. En la Fig. 11.14, se ilustra el punto donde se aplica el impacto en cada tipo de probeta.

A su vez, la ranura en la probeta Charpy puede ser de tres formas: en "V", en “U” o en “Ojo de llave”; lo cual se indica en la 'Fig. 11.15.

En el caso de calificación de material depositado, la colocación de la probeta con respecto al cordón puede ser en sentido del eje, en cuyo caso, la probeta es toda de metal de aporte o

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transversal y en este caso el metal de aporte queda en el centro. Además, la posición de la ranura es importante. En la Fig. 11.16, Se puede observar las diferentes posiciones de la probeta y de la ranura.

Cuando se trata no sólo de calificar al cordón sino de tener un panorama completo del conjunto metal base -zona afectada por el calor –metal aporte- zona afectada por el calor- metal base, se deben extraer un conjunto de probetas que abarquen todas las zonas de estudio, tal como se muestra en la Fig. 11.17.

En esta forma se podrá verificar la tenacidad del conjunto y tomar providencias si se encuentra una zona frágil.

11.5.- DUREZA.

11.5.1.- Aspectos Generales.

Las propiedades de una soldadura dependerán en gran parte de los materiales que intervienen y del régimen térmico que impera durante su aplicación; esto se refleja en la dureza de las diferentes zonas que la componen, por lo cual resulta de gran utilidad hacer la determinación de esta propiedad y compararlas contra el material base, ya que las durezas excesivas llevan aparejada una elevada fragilidad y por el contrario, las zonas suaves disminuyen la efectividad de la junta. Este tipo de prueba se conoce como: perfil de dureza.

Antes de explicar en qué consiste la prueba de perfil de dureza será necesario explicar la interpretación metalúrgica del término dureza, debido a que es una propiedad difícil de ser definida.

Fig 11.18

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Normalmente se define en función del sistema empleado para medirla, pero en metalurgia el sistema más común es hacer marcas con un penetrador con cargas determinadas y medir, según las características de la prueba, la huella producida, de ahí que, según esto se defina como la resistencia del material a ser penetrado. Con este sistema existen varios métodos que tienen como únicas diferencias la cantidad de la carga y la forma del penetrador y aún cuando son relacionables los valores de uno con otro, resulta evidente que no es un valor absoluto. Entre los métodos más usados que emplean este principio esta el Rockwell y el Brinell. Cada uno de ellos tienen ventajas y desventajas con respecto a los otros. Existe otro método muy conocido, pero que está basado en un principio totalmente distinto, este método es el Shore, aquí se mide la altura a la que rebota un pequeño martillo que se deja caer de determinada altura.

En la Fig. 11.18, se ilustra una máquina Rockwell con la que generalmente se realizan las pruebas de dureza.

11.5.2.- La Probeta

Se corta una tira con caras paralelas y superficie uniforme donde se van a hacer las pruebas y con una longitud que incluya, al centro la sección transversal de la soldadura, las zonas afectadas por el calor y el metal base a ambos lados. Una vez que se tiene la probeta en esas condiciones se revela la estructura con un ataque como el descrito posteriormente en el examen macroscópico y se hacen determinaciones de dureza a intervalos regulares, empezando por uno de los extremos y terminando en el otro. Los resultados así obtenidos se grafican en la forma señalada por la Fig. 11.19 y en la que debe aparecer la posición de cada determinación con respecto a la soldadura.

La forma de la gráfica mostrada es la típica de una junta en buenas condiciones, si se observaran cambios radicales a esa forma habrá que considerar los efectos que pueden traer, para decidir si implican un serio impedimento para su buen desempeño.

11.6.- OTRAS PRUEBAS MECÁNICAS.

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11.6.1.- Prueba de Torsión.

Esta prueba está considerada en el Código ASME para aplicarse a soldaduras de pernos. En la Fig. 11.20 se muestra la probeta de perno y el arreglo para efectuar la prueba.

11.6.2.- Prueba de "Nick Breack".

La técnica de la soldadura es muy compleja al depender de un número elevado de factores de tipo metalúrgico; sin embargo, no sólo éstos intervienen ya que la habilidad y conocimiento del operario encargado de realizarla resulta determinante para lograr una junta lo mejor posible; esto hace que en ciertos casos sea necesario hacer una calificación previa de los soldadores y para ello, la prueba de "Nick Breack, es una forma práctica para hacerlo, debido a que reúne las cualidades de facilidad, rapidez y economía.

La probeta consiste de dos secciones del material unidas transversalmente por la soldadura aplicada por el operario a prueba y para forzar una fractura sobre esta parte se le practican ranuras con segueta a cada lado y sobre el eje de la soldadura, quedando finalmente con la forma y dimensiones indicadas en la Fig. 11.21.

A la probeta así construida se le aplica un golpe sobre el centro de uno de sus extremos para provocar la fractura a partir de las ranuras. El juicio acerca de la calidad de la soldadura se hace observando la superficie expuesta de la fractura y midiendo las fallas que puedan encontrarse; las especificaciones marcan la cantidad y dimensiones de esos defectos para que pueda ser considerada como aceptable.

11.7.- ATAQUE Y OBSERVACIÓN: MACROSCÓPICA.

11.7.1.- Aspectos Generales.

Esta prueba tiene por objeto revelar la estructura presente en la soldadura, la magnitud de la zona afectada por el calor la presencia de grietas y otros defectos, así como las dimensiones del

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metal depositado.

Cuando se va a realizar un perfil de durezas, es necesario primero preparar la probeta con un ataque macroscópico.

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La forma de conseguirlo es pasando sobre la superficie que se desea observar, y que previamente se ha desbastado y pulido, un algodón impregnado con una solución adecuada.

Esta operación se repetirá hasta que sean perfectamente visibles los detalles sin necesidad de recurrir al microscopio. Esta prueba puede hacerse sobre toda la junta o sobre una probeta, los reactivos empleados son diferentes para cada material por lo que hay que consultar la bibliografía al respecto para saber cual es el más apropiado en cada caso.

11.7.2.- La Probeta.

En la Fig.11.22, se ilustra la posición para la extracción de las probetas para califica el procedimiento y la habilidad en placa y en la Fig. 11.23, para calificar el procedimiento en tubo, en ambos casos para soldaduras de filete.

Independientemente de las probetas para calificar procedimiento y habilidad, puede necesitarse alguna observación macroscópica. La probeta en este caso debe extraerse cuidando de que no se caliente para no afectar las microestructuras.

11.8.-ATAQUE Y OBSERVACIÓN MICROSCÓPICA.

Esta prueba es una de las más importantes debido a que a través de ellas se puede recabar información muy completa a cerca de la forma de solidificación, de los constituyentes microestructurales formados, fallas a nivel microscópico, etc., es decir, se pueden sacar conclusiones sobre el estado general de la soldadura. No obstante estas cualidades tienen la gran desventaja de que se requiere de experiencia tanto, para la preparación de las probetas como para la observación y conclusiones que se hagan; aquí sólo se explicará en forma breve los pasos que se siguen hasta la observación.

La probeta, cuya localización debe escogerse cuidadosamente, se extrae de tal manera que se evite cualquier calentamiento que pueda afectar la estructura, el siguiente paso es el pulido, que se hace por medio de lijas cada vez más finas hasta llegar a la del grado 600, cuidando en cada uno de los pasos, antes de pasar al grado siguiente, borrar las marcas de la lija previa. La última fase del pulido consiste en frotar con un paño al que se le ha agregado como elemento abrasivo una suspensión de polvos especiales como alúmina, óxido de magnesio o diamante; este tratamiento se da por terminado cuando la superficie queda exenta de rayas.

La preparación termina con un ataque que revela estructura dejándola lista para su observación. El ataque puede realizarse por inmersión en algún reactivo o por medios electrolíticos usando electrolitos especiales. La composición de dichos reactivos o electrolitos depende del materialque se trate; para el acero común se emplea la inmersión en nital que es una solución de ácido

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nítrico del 2 al 5 en alcohol.

Estas pruebas destructivas son de uso normal, pero es indudable que para cada caso en particular puedan desarrollarse pruebas especiales.

11.9.- ANÁLISIS QUÍMICO.

11.9.1.- Aspectos Generales.

11.9.1.1.- Composición de la Varilla y del Metal Depositado.

Para obtener una unión soldada que responda a las condiciones a las que va a estar sometida tanto a los esfuerzos mecánicos como a los procesos corrosivos, es necesario aplicar una soldadura cuyas características, aparte del operador y del método de aplicación, asegure el éxito.

La soldadura que se elija deberá corresponder, como se ha mencionado a las condiciones en las que va a trabajar y uno de los factores, muy importantes que influyen es su composición química.

Esta composición proviene de la interacción entre los constituyentes básicos de la varilla de soldadura que son:

Una parte metálica y,Un recubrimiento de carácter no-metálico.

La parte metálica es un alambre cilíndrico de acero, de diferentes diámetros cuya composición no es exactamente la misma del metal depositado.

El recubrimiento es una pasta dura formada de varias substancias orgánicas e inorgánicas y adheridas al alambre.

En consecuencia se hará un breve esbozo de la composición química, desde el punto de vista de la varilla y metal depositado.

11.9.1.1.1.- La varilla.

La varilla para soldar es propiamente un electrodo, en cuyo extremo se hace saltar un arco eléctrico hacia el metal base; el calor producido funde la varilla depositándose el metal para hacer la unión.

En este paso es donde se efectúa la interacción de las dos partes de la varilla para dar la composición química del metal depositado, efectuándose una serie de cambios químicos por la acción de los efectos físicos, eléctricos y metalúrgicos que ocurren en el proceso.

11.9.1.1.1.1.- El Alambre.

La función del alambre es aportar a la junta una cantidad de metal cuya composición va a ser modificada como ya se mencionó, de ahí que el alambre corresponde generalmente a un acero de bajo carbono.

En el caso de los aceros inoxidables también se trata de un carbono bajo y contenidos de Cr y/o Ni que toman en cuenta las reacciones de la fusión de la soldadura.

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11.9.1.1.1.2.- El recubrimiento.

El recubrimiento juega un papel muy importante en el éxito de una unión soldada. El uso de electrodos desnudos produce soldaduras con características pobres (uniones duras y frágiles), ya que durante el proceso el metal de aporte queda expuesto a la acción del oxígeno y nitrógeno atmosférico; por otro lado, el arco no tiene estabilidad, por la falta de un medio ionizado. Estos y otros problemas se eliminan en gran parte con el empleo de los electrodos recubiertos.

Las funciones que tiene el recubrimiento en la varilla se puede clasificar de la siguiente forma:Efectos eléctricosEfectos físicosEfectos químicosEfectos metalúrgicos

a) Efectos eléctricos. Se sabe que el arco producido entre dos partes metálicas es inestable porque la resistencia disminuye cuando aumenta la intensidad del arco, de aquí la necesidad deproporcionar estabilizadores del arco, esto es, substancias que al ionizarse favorezcan su estabilización. Estas substancias están en el revestimiento.

b) Efectos Físicos. La función física del revestimiento es muy importante y consiste en:El arrastre mecánico de la gota fundida por medio de los gases desprendidos por el revestimiento.

Protección de la gota por medio de la escoria formada durante su transporte.

La escoria mantiene la gota depositada en su sitio y protege el metal de aporte durante el enfriamiento.

Facilita la ejecución de soldaduras en distintas posiciones, así como la obtención de cordones cóncavos o convexos.

c) Efectos Químicos. Los compuestos orgánicos y minerales que forman el revestimiento reaccionarán químicamente y actuarán como oxidantes, reductores, desulfurantes y proporcionan los elementos de aleación necesarios.

d) Efectos Metalúrgicos. Los efectos metalúrgicos están relacionados íntimamente con los efectos anteriores. Si ellos se cumplen en forma adecuada se obtendrá una unión con características metalúrgicas óptimas en cuanto a propiedades mecánicas, porosidades, segregaciones e inclusiones, etc.

La escoria protege al metal depositado, le transfiere elementos de aleación y retiene impurezas.

Para lograr los efectos balanceados en forma apropiada. En general los componentes que entran en la formulación de un recubrimiento, así como su proporción, son secretos de fábrica.

Los especialistas en la materia clasifican los revestimientos en diversas formas. Por brevedad se evitan estas clasificaciones y sólo se menciona, a continuación, el efecto que tienen algunos de los componentes principales de los revestimientos.

La celulosa C6H10O5) se descompone por el calor produciendo gases voluminosos, sobre todo hidrógeno y monóxido de carbono, formando una atmósfera reductora y protectora a la vez.

C6H10O5 + ½ O2 = 6 CO + H2

La sílice (SiO2) es uno de los componentes que van a formar las escorias y a controlar su fluidez. Ayuda a estabilizar el arco.

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El rutilo ((TiO2) y la alúmina (Al2O3) son formadores de escoria, así como también son elementos estabilizadores de arco.El carbonato de calcio (CaCO3) es una substancia que al descomponerse suministra material para escoria a la vez que gases de protección.

CaCO3 = CaO + CO2

El fierro y el manganeso son elementos de adición. El manganeso es un desoxidante en el charco fundido:

Mn + FeO = MnO + Fe

Se combina también con el azufre formando sulfuros que son menos dañinos.

El fluoruro de calcio (CaF2) es un fuerte formador de escoria junto con el SiO2, se emplea en electrodos de "bajo hidrógeno" ya que produce una mínima cantidad de este gas.

El óxido de fierro (FeO) actúa como reductor y formador de escoria.

11.9.1.2.- Metal Depositado.

Como ya se ha mencionado la composición química del metal depositado en una unión soldada es función del alambre y su recubrimiento, los cuales deben reaccionar entre sí para llenar los requisitos pedidos.

Deben considerarse también las condiciones de aplicación para evitar la absorción de gases dañinos como el oxígeno y el nitrógeno del aire y el hidrógeno de la humedad.

Si se efectúa un análisis químico de un metal depositado en forma conveniente mostrará si se encuentra dentro de norma. Si el análisis se efectúa sobre una unión soldada realizada con el mismo material que el anterior y no se encuentra con la misma composición, esto se debe a la dilución de los elementos que ocurre entre el metal base. Esta dilución está afectada por el número de pasos, por la energía, por el proceso y por las diferencias entre el metal base y el metal de aporte.

Para un efectivo control de calidad de un metal de aporte en cuanto a sus características químicas es necesario contar con metal depositado a propósito y no a partir de una unión de tipo industrial o del alambre del electrodo.

El metal depositado debe hacerse con electrodos que se hayan muestreado en forma adecuada.Una vez muestreados los electrodos se depositará la soldadura para extraer la rebanada y proceder el análisis químico.

La soldadura se deposita una placa de acero, aplicándose en posición plana y en forma de cojín (Fig. 11.24), con dimensiones de temperatura y corriente normalizadas para cada tipo de electrodo.

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En algunos tipos dé soldadura de acero inoxidable, como el E 308 L y el E 316 L, se depositan sobre placas de acero con contenido bajo de carbono (0.03% máx.).

El cojín debe ser depositado en capas y en determinadas dimensiones (Tabla 11.1); después de que una capa ha sido depositada, el cojín se enfría en agua y seca antes de depositar la siguiente.

La parte superior de la superficie del cojín debe ser removida y descartada antes de tomar la rebaba para el análisis. La toma de la rebaba se hace por maquinado o con broca, teniendo mucho cuidado de no llegar muy cerca de la placa base (Fig. 11.25), las distancias a las que se puede llegar, están especificadas en las normas de prueba para los diferentes electrodos, (Tabla 11.1).

Durante la toma de la rebaba se debe tener mucho cuidado de no contaminarla; las herramientas y brocas empleadas deben estar perfectamente limpias, y no se empleará agua, aceite u otros lubricantes para extraerla.

En el caso del metal depositado de recubrimiento resistente a la corrosión y a la abrasión, la rebaba debe extraerse según la Sección IX del Código ASME según lo marca la Fig. 11.26.

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11.9.2.- El Análisis.

El análisis químico es de suma importancia pues va a indicar la composición de la soldadura y consecuentemente su calidad.

El análisis debe ser hecho con precisión y exactitud para lo cual se debe seleccionar los métodos más apropiados, así como el empleo de patrones de composición similar a las del acero por analizar, a fin de verificar la marcha y los resultados del análisis.

Comúnmente los términos precisión y exactitud se consideran como sinónimos, sin embargo lo que significan en realidad es:

Precisión es el grado de mutuo acuerdo entre mediciones individuales.

Exactitud es el grado de mutuo acuerdo de dichas mediciones en relación con el nivel de referencia aceptado de la propiedad que se mide.

Si se corre un análisis químico de níquel en acero inoxidable que tiene un contenido de 18.00% y se obtienen dos resultados de 17.25%, 17.30% se puede decir que son muy precisos porque están muy cerca entre sí, pero no son exactos porque están lejos del resultado correcto. Si el resultado fuera 17.75% y 18.25% son resultados más exactos, pero poco precisos.

Los métodos de análisis deben seleccionarse entre los que estén normalizados, y deberán estar aprobados por el fabricante y el consumidor.

Por lo general los métodos más empleados son los de las normas ASTM.

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12.- ALIVIO DE ESFUERZOS.

12.1.- ORIGEN DE LOS ESFUERZOS RESIDUALES.

La Subsección C "Requisitos Relativos a las Clases de Materiales" de la Sección VIII División I del Código ASME para Calderas y Recipientes a la Presión, establece los casos en los cuales se juzga necesario ejecutar el alivio térmico de esfuerzos y de qué manera debe efectuarse. La práctica permite manejar con alguna facilidad esta información y sin embargo, ocasionalmente se presentan situaciones específicas que el código no considera, o que deja a criterio del usuario y entonces es necesario saber que son los esfuerzos residuales y cómo pueden controlarse para que no causen problemas en los materiales.

Tradicionalmente se definen los esfuerzos residuales como aquellos que permanecen en él material aún cuando haya desaparecido la causa que les dio origen. No obstante, es difícil imaginar estos esfuerzos dentro del material, aunque su presencia siempre se manifiesta por una deformación elástica.

Un trampolín que soporta el peso de un clavadista está sometido a una condición similar y que se puede observar y se pueden discernir porque es un ejemplo macroscópico. En el caso de una porción de metal de soldadura, por ejemplo de 1 cm3 de volumen, la deformación elástica puede ser de tal dimensión que afecte sólo a unas cuantas celdas atómicas, en cuyo caso no es perceptible al ojo humano. Recordando que la teoría de la deformación se refiere al deslizamiento de planos cristalinos, se debe considerar la existencia de deformaciones previas al deslizamiento mismo. Aun más, cuando se efectúa el temple de acero, las durezas alcanzadas en el tratamiento son resultantes de una red cristalina cúbica altamente distorsionada, al grado de considerarse mas bien tetragonal; esto es, los átomos de carbono ocupan lugares intersticiales de tal manera que no permiten a los de fierro ubicarse en sus posiciones de equilibrio.

Estos pueden considerarse también esfuerzos residuales, los que no son visibles ni con el microscopio electrónico más sofisticado.

Por otra parte, cuando se plantea la pregunta ¿por qué se deben eliminar estos esfuerzos?: generalmente la respuesta no es muy clara, por lo que se tratará de explicar esto en los siguientes párrafos. Los esfuerzos residuales pueden ser perjudiciales porque: Participan con un papel principal en el mecanismo de corrosión denominado corrosión bajo esfuerzo, el que contra lo que suponen muchos técnicos no se presenta en cualquier sistema metal-agente-medio, sino que es privativo sólo de ciertas combinaciones; algunos ejemplos se anotan a continuación.

Latón - soluciones de amoniaco.Acero al carbono - fluidos amargos (H.-,S).Acero inoxidable - soluciones con haluros.Titanio - agua de mar.

Inducen un comportamiento frágil a las vigas, tuberías y recipientes, elementos estructurales queadoptan esta condición aún cuando su servicio no se desarrolla a bajas temperaturas y a pesar de que en el laboratorio de pruebas mecánicas los especimenes de impacto hayan tenido un comportamiento satisfactorio.

Pero ¿cómo se originan estos esfuerzos? por definición cualquier deformación plástica heterogénea o cualquier calentamiento por arriba de una cierta temperatura y aplicado sin uniformidad, generan esfuerzos residuales. Las operaciones de embutido cuando se realizan a temperatura ambiente, por ejemplo, dejan en el material esfuerzos residuales que pueden no afectar la vida útil del elemento, como sucede con los utensilios de cocina, y que en otras circunstancias tienen resultados fatales como ha ocurrido con casquillos de bala, los que fallan por este mecanismo en ambientes amoniacales. Cuando la forja se realiza a altas temperaturas,

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estas temperaturas permiten la liberación de los esfuerzos provocados por la heterogeneidad de la deformación y sin embargo, es frecuente que las especificaciones ordenen el tratamiento de alivio por considerarlo necesario.

El alivio térmico de esfuerzos, cuya función es reducir el límite elástico del material de manera transitoria para que los esfuerzos residuales se transformen en de formación plástica, es si se mira con ojos de metalúrgico, casi siempre un revenido a muy alta temperatura, lo que mejora sustancialmente microestructuras agresivas producidas por enfriamientos no controlados en las operaciones de fabricación, o por procedimientos de soldadura mal seleccionados. Restablecer la microestructura trae consigo un incremento benéfico tanto en la tenacidad como en la ductilidad de los aceros u otras aleaciones de uso industrial.

Por lo que toca a las soldaduras, los esfuerzos residuales, que también se denominan internos, inherentes, de reacción, etc,, han sido estudiados ampliamente por investigadores japoneses entre los que se destacan los ingenieros KOHICHI MASUBUCHI, M. WATANABE y H. KIHARA, Quizá el camino de más fácil acceso para abordar sus investigaciones es analizar un ensayo llamado soldadura de punto. El cual Consiste en depositar un "punto" de soldadura sobre un disco de acero y determinar la distribución de los esfuerzos residuales una vez que se han enfriado. La Figura 12.1 muestra la distribución de los esfuerzos residuales en la placa prueba.

Puede afirmarse que dentro del depósito de soldadura los esfuerzos residuales son de tensión sin importar la orientación espacial.

Resultan de la concentración continua de las redes cristalinas desde el momento mismo de la solidificación. En el metal base, ahora unido al metal de soldadura, esa concentración provoca esfuerzos de tensión en el sentido radial y éstos, a su vez, generan esfuerzos tangenciales porun efecto de cuña. Para entenderlo mejor supóngase el disco cortado en rebanadas "de pastel" y que más que un disco es un anillo plano: al jalar las rebanadas hacia el centro se apretarán entre sí, por lo que el esfuerzo tangencial se debe considerar de compresión.

Ahora se debe imaginar que se depositan puntos de soldadura sucesivos sobre una placa rectangular y que cada una guarda la distribución de esfuerzos antes indicada; el resultado será la adición de aquellos componentes cuya orientación permanece alineada con el eje sobre el que se depositan esos puntos.

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Por el contrario, los que no están en línea, aunque aislados, permanecen presentes en el sentido transversal a dicho eje, (ver Figura 12.2).

Los esfuerzos térmicos que dan origen a los esfuerzos residuales en soldadura son también los causantes del "acinturamiento" de tuberías, la distorsión en láminas y el pandeamiento de estructuras de puentes y edificios.

Para aceptar lo antes expuesto conviene analizar la manera como ocurren estos esfuerzos con un calentamiento heterogéneo, puesto que no sólo el metal de aporte sino también el metal base interviene y se ve afectado en el proceso.

Suponga el lector un sistema de barras como el mostrado en la Figura 12.3, libre de esfuerzos residuales. El experimento consiste en generar éstos calentando exclusivamente la barra central y llevando un registro continuo de los esfuerzos medidos indirectamente a través de las barras laterales. Cada una de estas soportará en cada momento un esfuerzo igual a la mitad de intensidad del que incide en la barra central y de sentido opuesto, se supone que los tres son del mismo material e idénticas dimensiones.

La gráfica de la Fig. 12.3, describe el comportamiento de la barra central durante un ciclo de calentamiento hasta 595°C y su enfriamiento a temperatura ambiente, los trazos AB, BC, CD, DE y EF señalan los eventos que se enuncian a continuación:

- Trazo AB: Cualquier calentamiento inferior a 170° C induce esfuerzos de compresión elásticos por la dilatación de la barra al incrementarse su temperatura. Si se suspende el calentamiento y se permite el enfriamiento, no queda evidencia de ningún cambio geométrico (o de deformación plástica) en la barra central.

- Punto B; A partir de esta temperatura (170°C) el esfuerzo generado por la incesante dilatación de la barra es superior al límite elástico del material, por lo que se inicia su deformación plástica.

- Trazo BC; El esfuerzo resultante de la dilatación del material desde 170 hasta 595° C se compone de: Un esfuerzo elástico igual al límite elástico del material dado como función de la

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temperatura (la pendiente del trazo implica la disminución de dicho límite cuando aumenta la temperatura) y otro que deja de existir como tal para lograr la deformación plástica de la barra central, si se realiza un análisis dimensional se encontrará que toma la forma de barril por la restricción que oponen las barras laterales a su deformación.

- Punto C; Se suspende el calentamiento, no hay modificación dimensional ni cambia la magnitud de los esfuerzos, los que se mantienen tan altos como el límite elástico del material a 595° C.

- Trazo CDE; Al iniciarse el enfriamiento rápidamente disminuye el esfuerzo elástico de compresión hasta hacerse nulo (a 525° C) y posteriormente dar lugar a esfuerzos de tensión en la barra que nos interesa.

De la misma gráfica puede concluirse que cualquier calentamiento heterogéneo por encima de 215° C provocará en el material un esfuerzo residual igual en intensidad a su límite elástico.

A diferencia de los procesos de soldadura blanda realizada en horno y de otros modernos como el de haz electrónico, el calentamiento necesario para unir los metales base y de aporte es heterogéneo como ocurre en particular con el proceso de arco eléctrico. La Figura 12.4 presenta de manera esquemática los estados térmicos y de esfuerzos durante una operación regular de depósito: en ella se supone que el arco se desplaza a una velocidad “V” sobre el eje X y que el electrodo se localiza al momento en el punto 0.

La franja sombreada es la región de la junta en la que ocurre la deformación plástica originada por el ciclo térmico de la operación de depósito: en el resto del material sólo suceden deformaciones elásticas. En la columna de estados térmicos se observan las distribuciones de los incrementos en temperatura que se suceden antes y después de aplicarse el depósito .de soldadura y, finalmente, la columna de la derecha presenta las distribuciones de los esfuerzos térmicos que afectan al material en sentido perpendicular al eje del depósito. Experimentos similares al anterior permitieron proponer a los investigadores modelos como los que se presentan en la Figura 12.5, la que muestra la distribución de los esfuerzos residuales en la dirección de depósito y en forma perpendicular a esta.

Simultáneamente, han estudiado el problema de la distorsión provocada por las operaciones de depósito, con resultados interesantes y de aplicación práctica inmediata: la geometría de los

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biseles, las secuencia de depósito, el diámetro de los electrodos y tanto la rigidez como el espesor y la geometría de los elementos que se sueldan modifican la distorsión resultante. Por su parte, estas variables no modifican sustancialmente la presencia de los esfuerzos residuales, la que mas bien puede controlar se y distribuirse con la aplicación de pre y post calentamiento.

Otra variable que si puede controlar estos esfuerzos es el proceso seleccionado, pues en la actualidad la soldadura con haz electrónico o con plasma, por ejemplo, permite uniones muy angostas con altas energías de arco y un suministro de energía bastante bajo. En cambio casi no se ha encontrado diferencia entre los procesos de arco sumergido y arco manual aun cuando se consideran bastante diferentes en diversos aspectos: la Figura 12.6, presenta la distribución de los esfuerzos residuales que aparecieron al soldar placas de similares condiciones con los procesos referidos y puede notarse bastante similitud en ambos casos.

12.2.- ALIVIO DE ESFUERZOS.

Diferentes laboratorios de investigación han propuesto métodos de alivio distintos al térmico, unos aseguran que el alivio se puede alcanzar con movimiento vibratorio y otros alegan haber encontrado la respuesta correcta al seguir procedimientos de deformación. Empresas como la Boeing de E.U.A, ha sometido diferentes piezas aeronáuticas al alivio vibracional mientras que Kawasaki Heavy Industries Co. de Japón aplica una presión elevada a tanques esféricos de almacenamiento de gas y ambas consideran haber logrado el alivio.

Respecto al primero existen dudas muy fuertes y en cambio el segundo parece tener mayor crédito: imagínese el conjunto de barras de la Figura 12.3, colocado en una máquina universal de tracción y que se aplica una carga tal que se obtenga un alargamiento permanente de las tres barras. Parece que el estado anterior de tensión-compresión de las barras es borrado por el

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efecto de la deformación. En la Figura 12.7, está plasmada la distribución de esfuerzos de una placa de acero con soldadura que es sometida a una carga de tracción: al aplicar esfuerzos menores al límite elástico del metal el efecto es de reducción y redistribución de los esfuerzos residuales, y cuando se supera dicho límite estos desaparecen.

Los metales de aporte generalmente tienen una resistencia mecánica mas alta que las correspondientes al metal base que será unido y que esta condición complica, junto con la geometría del elemento y su distribución de espesores, el alivio de equipos, tuberías y accesorios que con frecuencia lo requieren.

Una alternativa a la que con frecuencia se recurre para evitar el alivio de esfuerzos es emplear electrodos austeníticos cuya plasticidad a temperaturas, altas, y ocasionalmente a bajas, permite absorber los esfuerzos térmicos y los traduce a deformación permanente. La falla más común al usar electrodos austeníticos (E308, E309, E310, por ejemplo) en sustitución de otros de acero al carbono o de baja aleación, es la selección inadecuada dado que los que antes se mencionaron pueden producir depósitos con fisuras en caliente o de microestructuras frágiles y de alta dureza. En dado caso, pueden usarse electrodos de los tipos E312 ó E329 cuyos altos contenidos de cromo y níquel (30 y 20%) proporcionan micro estructuras austenítico ferríticas libres de grietas y mejor balanceadas para la dilución con los metales base ferríticos.

Algo que parece olvidarse es la aplicación de martilleo en los pasos de relleno como técnica para reducir los esfuerzos residuales de tensión concentrados en la soldadura depositada (la corrosión bajo esfuerzos sólo se desarrollo en estados de tensión y nunca de compresión), considerando que no se deben martillar los cordones de fondeo ni los de vista para evitar riesgos innecesarios de provocar fisuras y estados complejos de esfuerzos. Siempre se tomará en cuenta que el pre y post calentamiento junto con el martilleo pueden ser una solución correcta en la consecución de este objetivo: el alivio de esfuerzos.

BIBLIOGRAFÍA

145

American Society for Metal; Metáis Handbook; Vol. 1; 8th. Ed.; Metáis Park; 1961.American Society for Metáis; Metáis Handbook; Vol. 6; 8th. Ed.; Metáis Park; 1971.American Society for Metáis, Metáis Handbook; Vol. 11; 8th. Ed; Metáis Park; 1978.American Society for Testing and Materials; 1988 Annual Book of ASTM Standards, Vol.01.01;

Philadelphia; -1988.American Society for Testing and Materials. 1970 Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01;

Philadelphia; 1988.American Society for Testing and Materials; 1988 Annual Book of ASTM Standards Vol. 03.05;

Philadelphia- 1988.American Welding Society; Welding Handbook; Vol. 2; 7a.Ed. Miami; 1978.American Welding Society; Welding Handbook; Vol. 3, Part A; 6a, Ed., Miami; 1970.Apraiz Barreiro, José; Tratamiento Térmico de los Aceros; Dossat Plaza de Santa Ana; 7a. Ed.;

Madrid 1971.Arthut L. Phillips, Editor; Introductory Welding Metallurgy; American Welding Society; New York;

1968.Bakker, F. J. y Hovestreijdt, A.S.W.: Soldadura por Arco; Biblioteca Técnica Philips; Madrid 1968.Begeman. L.M. y Amstead. B. H.: Procesos de Fabricación; 3a, Ed.; C.E.C.S.A.; México; 1971.Cabelka, J.; Aspectos Físicos y Metalúrgicos de la Sóidadura REvista Metalúrgica CENIM; Vol. 6,

Núm. 5 Madrid.David, A. C.; The Science and Practice of Welding ; Cambridge University Press; Camcridge;

1972.Groosman, M.A.: Principales of Heat Treatmen; 3 rd. Ed.; American Society for Metáis;

Claveland; 1940.Instituto Mexicano de Petróleo; Primer Curso de Metalurgia Aplicada, México; 1971.Instituto Mexicano del Petróleo; Segundo Curso de Metalurgia Aplicada; México; 1972.Instituto Mexicano del Petróleo; Curso Especializado de Metalurgia; México; 1972.Instituto Mexicano del Petróleo; Metalografía; México, 1978.Linnert. George E.; Welding Metallurgy, Vol. 1; American Welding Society; New York; 1965.Romans, D. and Simons, Eric N.; Welding, Processes and Technology; Sir Isaac Pitman and

Sons Ltd; London; 1968.Rossi, B,C,. Welding Engineering. Me. Graw-Hill; New York; 1954.Schraeder, Angélica y Rose, Adolf; De Ferri Metallographia; Vol. II; Verlag Stahieisen M.B.H.;

Dusseldorf; 1966.Seferian, Daniel; Las soldaduras, Tecnica-Control; Edictones Urmo; Bilbao; 1965.Seferian, Daniel; Metalurgia de las Soldaduras; Editorial Tecnos; Madrid; 1972.Sejnoha, Román; Notas al Curso de Soldadura en el I.M.P. Abril; 1972.The American Society for Non-Destructive Testing; Radiography Method; NDT Training Program;

Columbus; 1980.The American Society Mechanical Engineers; ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section

2, Part C; New York;- 1986.The American Society of Mechanical Engineers; ASME-Boiler and Pressure Vessel Code,

Section IX New York;1986.Yañez Jurado, Eduardo; Ultrasonido; IMP, México, 1982.

146