Tratamientos TérmicosSoldadura

Tratamientos Térmicos

� Definición genérica: es el calentamiento de un metal (parte o pieza) a una temperatura T ad hoc, con un objetivo determinado, por un tiempo definido t.

� El calentamiento puede tener los siguientes propósitos genéricos:� Homogenización

� Solubilización

� Transformaciones a T cte.

� Alivio de tensiones

� Otros…..

� Después del calentamiento a {T; t}, se podrá seguir diversos modos de enfriamiento en aceros, para dar lugar a:

� Recocido: calentamiento a T = A3 + 15-40ºC para < 0,8%C, o T = A1 + 15-40ºC para > 0,8%C, seguido de un enfriamiento muy lento en horno: perlita gruesa.

� Normalizado: solubilización en fase γ, a T = A3 + 55-85ºC, seguido de un enfriamiento en aire: perlita fina.

� Esferoidización: homogenización bajo A1, hasta 700ºC, por ~ 24 hrs: estructura globular (α + Fe3C).

� Temple: solubilización en fase γ, seguido de un enfriamiento rápido: martensita.

� Revenido: homogenización bajo A1, (200-650ºC), por tiempos variables: martensita revenida (Complemento obligado del temple).

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Templabilidad : Ensayo Jominy(ASTM A255)

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soporte

probeta

Chorro de agua a 24ºC

Superficie plana por

mecanizado

Dureza HRc

Callister

probeta

agua

Efectos sobre la templabilidad (Callister)

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De los EA en un ZZ40 Del %C en un 86xx

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Temple en agua Temple en aceite

Dureza de temple en redondos

SAE-1045 SAE-6140

Relaciones φ de barra – posición - distancia Jominy

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agua

aceite

Ejemplo de uso: dureza en el φ en 5140 (agua)

7Callister

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Revenido

• Tratamiento obligatorio post-temple, en el rango 200-600ºC.

•Condición final de aceros es Q&T (quenched & tempered)

• Martensita se descompone gradualmente en las fases de equilibrio (α+ Fe3C)

• Martensita pierde tetragonalidad (elimina C disuelto en la estructura BCT), disminuye su dureza, y recupera tenacidad.

• La evolución de propiedades depende del par (T, t)

• Otros constituyentes (α, P) no sufren cambios de propiedades bajo condiciones de revenido

• Calentamiento posterior a T≥Trev, continúa el proceso de revenido y sus efectos en las propiedades.

Evolución del Revenido

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Endurecimiento secundario

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• Consecuencia del revenido

• Causada por precipitación fina de carburos aleados desde martensita

• EA fuertes formadores de carburos, en vez de Fe (Fe3C)

• EA: Mo, W, Cr, Ti

• Estos carburos producen una combinación de alta dureza y alta tenacidad, vigentes hasta temperaturas sobre 500ºC

• Aplicación en el campo de aceros de herramientas

Aceros de Herramientas

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Composición (% peso)

AISI UNS C W Mo Cr V Comentarios

W1 T72301 0.6-1.4 Water Q

S1 T41901 0.5 2.5 1.5 Shock

O1 T31501 0.9 0.5 0.5 Oil Q

A2 T30102 1.0 1.0 5.0 Air Q

D2 T30402 1.5 1.0 12.0 1.0 High Cr

M1 T11301 0.85 1.5 8.5 4.0 1.0 High speed

Cambios de propiedades en el

revenido

AISI O1

AISI 4340

Soldadura = unión

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Soldadura por procesos de arco

� Soldadura por arco: es la unión de materiales mediante un plasma de alta temperatura (T > 5000 K), que implica fusión localizada de las partes a unir.

� En aceros, esto genera temperaturas elevadas en el sólido, dando lugar a transformaciones de fases.

� En un depósito, se generan zonas de interés, producto del ciclo térmico:

� ZF, zona fundida, es aquella porción de materia que fue líquida, y solidificó

� ZAT, zona afectada térmicamente, es aquella zona expuesta a temperaturas entre el líquidus y A1. Nunca fue líquida.

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Zona fundida (ZF)

Zona afectada térmicamente (ZAT)

Metal base (MB)

La pileta líquida, y la distribución de T’s

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Núcleo del electrodo

Revestimiento Nube gaseosa

Escoria

Altura de metal depositado

Metal base (MB)

Pileta líquida

Penetración

Sobremonta

ZAT

El proceso SMAW

Efectos térmicos en soldadura

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Sólo referencial

Calor de aporte, H

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To, Tm = Temperaturas, inicial y máxima (ºC)Tf = Temperatura de fusión (aceros, Tf = 1540ºC)B = espesor del material base (mm)ρ = densidad, C = Calor específico,

(ρ*C aceros = 0,0044 (J /mm3 ºC))y = distancia desde borde de fusión (mm)k = conductividad térmica (aceros k=0,028 (J/mm s ºC)

H=η(V*I /v), [J/mm]

η = eficiencia térmica del proceso de soldaduraV = tensión, VI = corriente de soldadura, Av = velocidad de pasada, mm/s

Temperatura máxima en relación a la ZAT 1/(Tm-To)=1/(Tf-To) + (4,13 BρC/Hn)* y

Efectos Térmicos en Soldadura

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T

y

Tf

A1A3

1/(Tm-To)=1/(Tf-To) + (4,13 BρC/Hn)* y

Flujo Térmico en Soldadura: velocidades de enfriamiento

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Velocidad de enfriamiento en la ZAT

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(A) Condición de plancha gruesa (3d)

dT/dt = (2\k / H ) ( T – To)2 [ºC / s]

(B) Condición de plancha delgada (2d)

dT/dt = 2\k ρC (B / H)2 (T – To)3 [ºC/s]

Discriminación entre condiciones 2d y 3d:τ = B [ρC(T – To)/Hn] ½

τ < 0,75 � Plancha delgadaτ > 0,75 � Plancha gruesa

Agrietamiento en frío

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Aparece en el lapso de 24-72 hrs. después de soldar

1 bajo-cordón

2 de raíz

3 de borde

4 transversal1

2

3

4

Agrietamiento en frío

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CAUSAS :

1. Elevada dureza en la ZAT. La dureza es función del contenido de carbono y templabilidad (Ceq) del acero base y de la velocidad de enfriamiento impuesta.

2. Presencia de Hidrógeno. Proviene fundamentalmente de revestimientos de electrodo, y de contaminantes orgánicos (aceite, grasa, pinturas)

3. Tensiones residuales. Inevitables, pero eliminables. Se debe realizar PWHT (post-welding heat treatment)

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

Dureza de la ZAT

� Velocidad de enfriamiento en soldadura: dT/dt, la que depende de las variables del proceso

� dT/dt = A(Bp / Hq) (T – To)r

� De las variables B, H, y To, la más “manejable” es la última, conocida como precalentamiento.

� Razones para el precalentamiento: (ver AWS D1.1)

� Disminuye dT/dt

� Contribuye a reducir esfuerzos por contracción

� Contribuye a eliminar H de la unión

� C equivalente: predictor del endurecimiento de la ZAT, vía relación con la templabilidad.

� Fórmula más usada: la del IIW, o ASTM A6,

� Ceq = C + Mn/6 +(Cu+Ni)/15+ (Cr+V+Mo)/5

� Ceq ≤ 0,30, To = 20ºC; Ceq = 0,30-0,45; To = 100-200ºC; Ceq > 0,45, To > 200ºC.

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Dureza de la ZAT

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Acero HT 52, 20mm

0.2 C, 1.38 Mn, 0.23Si

Ceq = 0,44

Templabilidad media

Depósito realizado con:

170A, 25V, 150mm/min.

El Hidrógeno en la soldadura de aceros

� H es transportado a la atmósfera del arco y de allí a la poza líquida por el fundente, contaminación superficial, o por el gas de protección.

� En la medida que ZF se enfría, se supersatura en H, el que difunde hacia la ZAT (en su fase austenítica)

� Al enfriar rápidamente, H es retenido en γ, la que se convierte en M (o en M+B), en la cual es insoluble.

� H atrapado en M está en un nivel de alta energía (si se le “ayuda”, escapará)

� Tensiones presentes actuarán con el H para convertir defectos de tamaño nano, en microgrietas.

� La idea fundamental es generar un procedimiento de soldadura, en lo posible, exento de H.

� Una forma de minimizar el problema es usar el Nomograma de Bailey

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Condiciones para evitar fisuración por Hidrógeno

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soldadas con cordones

simultáneos

Nomograma de Bailey

Tensiones residuales (TR)

� Esfuerzos autoequilibrantes dejados en el sólido después de procesamiento mecánico o térmico (soldadura).

� Las TR causan:� Aumento en la velocidad del deterioro por fatiga o creep

� Disminuyen la capacidad de carga en cálculos de fractura

� Se pueden medir por métodos:� No destructivos: difracción de R-X o de neutrones

� Destructivos: seccionamiento, o método del agujero ciego

� Se pueden eliminar por métodos� Mecánicos (shot peening y otros)

� Térmicos: PWHT (ver Código ASME)

� Para aceros: PWHT ~ 500 – 650ºC

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Curvas típicas de PWHT

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650

540

430

315

205

760