Metalurgia de La Soldadura

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METALURGIA DE LA SOLDADURA

SISTEMAS CRISTALINOSLos metales al estado sólido presentan estructura cristalina, esto es, los átomos que lo constituyen están dispuestos de una manera organizada y periódica.Esta disposición típica se llama “celda unidad” o “celdilla”.


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SISTEMA CRISTALINO CÚBICO DE CUERPO CENTRADO.


SISTEMA CRISTALINO DE CARAS CENTRADAS.


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Estructura normal de un metal puro

ALEACIONES METÁLICAS.La estructura cristalina (red) de un metal puro es, teóricamente, uniforme en todas las direcciones.En la medida que existan impurezas o átomos de naturaleza diferente del metal puro, la estructura cristalina se va distorsionando.


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SOLUCIONES SÓLIDAS


Solución Sólida Intersticial Solución Sólida Sustitucional

La distorsión de la red hace más difícil el deslizamiento de los átomos, esto hace que el metal sea más resistente.

El adicionarle elementos de aleación a los metales puros es el principal mecanismo responsable por el aumento de la resistencia.


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DIFUSIÓN.El aumento de la temperatura de un cuerpo sólido trae como consecuencia una mayor vibración de los átomos en torno a sus posiciones de equilibrio.Esta vibración proporciona la posibilidad de un movimiento atómico al estado sólido, la que se llama difusión y ésta será mayor mientras mayor sea la temperatura.La difusión tiene particular importancia cuando los átomos de elementos de aleación son segregados en una cierta región del material que fue sometido, por ejemplo, a un enfriamiento rápido


NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE GRANO.

Cuando un metal al estado líquido, en un proceso de enfriamiento lento y continuo, alcanza la temperatura de solidificación, se comienzan a formar algunas partículas sólidas llamadas núcleos,.El crecimiento de cada núcleo individualmente genera partículas sólidas llamadas granos


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Nucleación y crecimiento de granos

El arreglo y tamaño de los granos y las fases presentes en una aleación constituyen lo que se llama microestructura, que es la responsable de las propiedades físicas y mecánicas de la aleación


Nucleación inicial de solidificación

Grano sólido Grano sólido

Borde de grano

Liquido Liquido

Uno de los efectos de los bordes de grano es influir en la resistencia de las aleaciones.A temperaturas bajas los bordes de grano aumentan la resistencia de las aleaciones y a altas temperaturas la disminuyen.De esto resulta que las aleaciones de grano fino se comportan mejor a bajas temperaturas y las aleaciones de granos más gruesos se comportan mejor a altas temperaturas.Por este motivo las estructuras de las aleaciones se clasifican, en algunas ocasiones, de acuerdo con el tamaño de grano.


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Líquido

Líquido +

AustenitaLíquido

+ Cementita

Austenita + Cementita

Austenita

Ferrita

Ferrita + Cementita

723 ºC

600

400

200

800

1.000

1.200

1.400

1.600

0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,7

Austenita +

Ferrita A1

ACM A3

6,0Carbono, porcentaje en peso

Tem

pera

tura

, ºC

1.141 ºC

DIAGRAMA DE FASES Fe−Fe3C.


Cuando ocurre un enfriamiento rápido se puede obtener una fase sobresaturada en carbono llamada martensita.La martensita es una fase metaestable formada de la austenita.Se llama temple al enfriamiento rápido que permite la transformación de la martensita.


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CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN (TTT).

El diagrama de fase Fe−Fe3C, a pesar de ser de gran utilidad, no ofrece informaciones acerca de la transformación de la austenita en condiciones diferentes de las condiciones de equilibrio.Una manera de obtener estos datos es la utilización de un diagrama de transformación isotérmica o diagrama TTT, que se obtiene por el enfriamiento de la austenita a temperaturas constantes y su transformación determinada a lo largo del tiempo.



723 ºC

MS

MF

X Y

Z

P

Austenita

Perlita fina

Perlita gruesa

Bainita

Martensita

I

Tiempo

500

600

400

300

200

100

700

Tem

pera

tura

ºC

Austenita

F

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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA POSICIÓN DE LAS CURVAS TTT.

• Contenido de carbono − Cuanto mayor es el contenido de carbono, hasta un porcentaje de 0,8%, la curva TTT quedará ubicada más a la derecha.

• Contenido de elementos de aleación − Cuanto mayor sean los contenidos de elementos de aleación, con la excepción del B, más a la derecha quedará ubicada la curva TTT.

• Tamaño de grano y homogeneización de la austenita− cuanto mayor sea el tamaño de grano de la austenita y cuanto más homogénea sea su forma, más a la derecha quedará ubicada la curva TTT.


ENERGÍA DE SOLDADURASe define Energía de Soldadura como la razón entre la cantidad de energía desprendida en el proceso de soldadura y la velocidad de avance de la poza de fusión.La velocidad de avance se expresa como el largo de la soldadura ejecutada en cada paso por unidad de tiempo.La energía de soldadura es característica del proceso de soldadura empleado. El proceso electro-escoria, por ejemplo, posee elevada energía de soldadura.


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Consideremos un punto de la unión soldada, definido por su distancia al centro del cordón de soldadura y por su posición en relación con el espesor.

El calor de la operación de soldeo provoca, en este punto, variaciones de temperatura


A •

A •

θm

θc

θ1

θ

θ2

tp tr TIEMPO (t)

TEM

PER

ATU

RA (θ

)

Vθ

METALURGIA DE LA SOLDADURAθm = temperatura máxima alcanzada tp = tiempo de permanencia sobre una cierta temperatura, por ejemplo: θCVθ = velocidad de enfriamiento a la temperatura θ tr = tiempo de enfriamiento entre las entre las temperaturas θ1 y θ2

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Se debe observar que cuanto mayor es la temperatura máxima alcanzada, mayor es la extensión de la zona afectada térmicamente y que cuanto menor es la velocidad de enfriamiento menor es la posibilidad de temple.

θ

Temperatura Máxima (θm)

Distancia (X)


Realizando un análisis para todos los puntos de una pieza, es posible obtener las temperaturas máximas alcanzadas en función de las distancias al centro de la soldadura, θm = f(x).Establecido el régimen de soldeo, la distribución térmica mantiene su forma a lo largo del cordón de soldadura.

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Teóricamente las velocidades de enfriamiento disminuyen a medida que la distancia X aumenta.


O A B X

X

θ1

θ2

θmO

θmA

θmB

t

La temperatura máxima y la velocidad de enfriamiento, calculadas por las fórmulas siguientes son los parámetros principales del ciclo térmico.


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛λα

−⋅

⋅π

=θEx1

EC2E2 2

Xem

( )E

2V 0θ−θπλ=θ

( )2

330

EtC2V θ−θ⋅πλ

=θ

Para piezas finas

Para piezas gruesas

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Del análisis de esas fórmulas se puede concluir que:• La temperatura máxima alcanzada y la velocidad de

enfriamiento dependen de las propiedades físicas del material que está siendo soldado;

• La temperatura máxima alcanzada varía directamente con la energía de soldadura, esto es, cuanto mayor la energía de soldadura mayor será la temperatura máxima alcanzada.

• La temperatura máxima alcanzada varía inversamente con la distancia al centro de la unión soldada, esto es, cuanto más alejado de la unión soldada esté el punto considerado, menor será la temperatura máxima alcanzada;


• La velocidad de enfriamiento varía inversamente con la temperatura inicial de la pieza que está siendo soldada, esto es, cuanto mayor es la temperatura de la pieza, menor será la velocidad de enfriamiento;

• La velocidad de enfriamiento varía directamente con el espesor de la pieza que está siendo soldada, esto es, cuanto mayor el espesor mayor la velocidad de enfriamiento. Sin embargo la variación tiene un límite, a partir de una determinada velocidad de enfriamiento, por más que se aumente el espesor, la velocidad de enfriamiento no se altera.


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• La velocidad de enfriamiento varía inversamente con la energía de soldadura, esto es, cuanto menor es la energía de soldadura mayor la velocidad de enfriamiento.La influencia de la energía de soldadura en la velocidad de enfriamiento es mayor en espesores finos.

• El procedimiento de soldeo define la energía de soldadura y, por lo tanto, influye tanto en la temperatura máxima como la velocidad de enfriamiento.


PRECALENTAMIENTO.Tiene como principal efecto reducir la velocidad de enfriamiento de la unión soldada, permitiendo de esta forma:– Evitar el temple, esto es, la formación de martensita.– Aumentar la velocidad de difusión del hidrógeno en

la unión.El precalentamiento hace que la unión soldada alcance temperaturas ligeramente más elevadas y que permanezca a esas temperaturas por más tiempo.Esto permite que el hidrógeno disuelto, en su mayor parte en la austenita, tenga posibilidades de difundir.


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El precalentamiento tiene como desventaja aumentar la extensión de la zona afectada térmicamente.En algunos materiales, en el caso que no se controle convenientemente la temperatura, el precalentamiento puede tener un efecto bastante perjudicial.Un ejemplo es el soldeo de aceros con 16% de cromo en los cuales un precalentamiento excesivo puede propiciar la formación de fases de baja tenacidad.En materiales de alta templabilidad como, por ejemplo los aceros aleados, es bastante usual la utilización de precalentamiento.


DESHIDROGENACIÓN.El deshidrogenado consiste en la mantención de la unión soldada a una temperatura por sobre la temperatura ambiente por un determinado tiempo, por ejemplo 2 Hrs a 250 ºC, con el objetivo principal de aumentar la difusión del hidrógeno en la soldadura.El deshidrogenado debe ser ejecutado tan pronto como se termine el proceso de soldadura, de manera de no permitir el enfriamiento de la unión soldada.La eficiencia del deshidrogenado depende de este hecho, pues el enfriamiento de la unión soldada permitiría la formación de hidrógeno molecular.


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FISURACIÓN POR EL HIDRÓGENO O FISURACIÓN EN FRÍO.La fisuración por el hidrógeno es consecuencia de la acción simultánea de cuatro factores: • hidrógeno disuelto en el metal fundido;• tensiones de tracción asociadas a la soldadura;• una estructura frágil y;• estar a baja temperatura (por debajo de los 150 ºC).

Ninguno de esos factores, aisladamente, provoca la fisuración en frío.


La acción simultánea de esos cuatro factores es responsable por la aparición de grietas que se manifiestan según los tipos presentados en la siguiente figura.

Los entalles, como por ejemplo las socavaciones, falta de penetración e inclusiones, promueven, por medio de la concentración de tensiones, deformaciones plásticas locales que pueden generar grietas.


1

3

2

1. Grieta bajo cordón 3. Grietas en el borde 2. Grietas en la raíz

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Los compuestos que contienen hidrógeno se descomponen en la atmósfera del arco liberando hidrógeno atómico o iónico (H+).Las principales fuentes de hidrógeno son:

• Revestimiento orgánico de los electrodos;• Humedad absorbida o adsorbida por el revestimiento

de los electrodos, particularmente los de bajo hidrógeno;

• Humedad del fundente, en el proceso de soldadura al arco sumergido.

• Compuestos hidratados existentes en la pieza, como por ejemplo la herrumbre.

• Humedad del aire.


La soldadura al estado líquido, disuelve cantidades apreciables de hidrógeno.La solubilidad disminuye con la temperatura y de forma discontinua en la solidificación y en las transformaciones alotrópicas.

Consecuentemente, en la fase final del enfriamiento, la soldadura estará sobresaturada en hidrógeno.


Temperatura de Fusión

Temperatura

Con

teni

do d

e H

di

suel

to

Ferrita α

Austenita γ

Ferrita δ

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METALURGIA DE LA SOLDADURAEvolución del Hidrógeno en las Soldaduras

Concentración de hidrógeno en ml/100 g

Proceso Soldadura

Líquida

Liberación en las

primeras 24 Hrs

Liberación en los 20 días siguientes Residual

Electrodo revestido E6010

28 10 3 15


15 6 2 7


8 2 1 5

TIG (Argón) 4 1 0 3


Por medio de estos datos, se ve que el riesgo de fisuración es temporal, existiendo mientras el hidrógeno se está desprendiendo de la unión soldada.Es evidente la ventaja del deshidrogenado de las uniones soldadas sensibles a la fisuración en frío, pues en esas condiciones –por ejemplo a 250 ºC durante 2 horas– el hidrógeno es eliminado mientras la temperatura de la unión soldada permanezca sobre la temperatura de peligro.


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CARBONO EQUIVALENTE (CE).La adición de elementos de aleación en el acero generalmente se utiliza para mejorar las propiedades mecánicas y las propiedades de resistencia a la corrosión.Sin embargo, esto está acompañado por el desplazamiento de las curvas TTT de los aceros hacia la derecha, esto significa que con menores velocidades de enfriamiento se puede alcanzar la estructura martensítica.El efecto de los elementos de aleación es consecuentemente muy importante en la tendencia de la formación de la estructura martensítica en la ZAT y, por lo tanto, en la tendencia a la fisuración por el hidrógeno.


Esa tendencia es conocida como carbono equivalente y se puede expresar de la siguiente forma:

Es importante mencionar que existen innumerables expresiones para el CE, la citada (desarrollada por el IIW), es una de las más comunes.El CE es utilizado para la evaluación de la soldabilidad relativa de los aceros templables, en lo referido a la fisuración por el hidrógeno. Por ejemplo aceros con CE > 0,40 necesitan de cuidados especiales para evitar la fisuración por el hidrógeno.


15CuNi

5MoCrV

6MnCCE +

+++

++=

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FISURACIÓN EN CALIENTE.La fisuración en caliente resulta de la segregación de fases de punto de fusión más bajo que el metal de la zona fundida o de la zona afectada térmicamente.

Los granos envueltos por una película líquida no disponen de resistencia mecánica y ductilidad suficiente para soportar los esfuerzos debidos la contracción de la soldadura.


1

2

1. Grieta longitudinal en la zona fundida 2. Grieta en el cráter

La fisuración en caliente es, en resumen, la incapacidad del metal de deformarse bajo la acción de los esfuerzos inherentes a los procesos de soldeo.Se pueden tomar algunas medidas preventivas para reducir los esfuerzos actuantes sobre la zona fundida en la fase inicial del enfriamiento.La disminución de la energía del proceso de soldadura usando electrodos de pequeño diámetro es un ejemplo.Otras disposiciones útiles son procesos de soldeo con el mínimo de restricción a la contracción o la transferencia de los esfuerzos de la zona fundida hacia dispositivos de montajes apropiados.


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El final de la unión soldada –el cráter– es una región susceptible a la fisuración debido a los esfuerzos de contracción resultantes de la solidificación rápida.Una buena solución es la extinción gradual del arco eléctrico; el esmerilado del cráter puede eliminar las grietas.Otra solución es añadir, siempre que sea posible, una extensión sacrificable donde se termine el proceso del soldeo de cada cordón.


TRATAMIENTO TÉRMICO DE ALIVIO DE TENSIONES.El tratamiento térmico de alivio de tensiones consiste, de un modo simplificado, en calentar uniformemente la pieza, de manera que el límite de fluencia del material quede reducido a valores inferiores a las tensiones residuales.En esta condición, las tensiones residuales provocan deformaciones plásticas locales disminuyendo de intensidad.El tratamiento térmico de alivio de tensiones es efectuado por medio del calentamiento de la pieza a la temperatura apropiada y por la mantención en esta temperatura por un determinado tiempo, seguido de un enfriamiento uniforme de modo de impedir la introducción de nuevas tensiones.


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Para impedir los cambios en la microestructura o dimensiones de la pieza, la temperatura se mantiene por debajo de la temperatura crítica.Para los aceros al carbono los tratamientos realizados a temperaturas superiores a 500 ºC son realmente eficaces. Para cada tipo de acero se recomiendan temperaturas específicas de tratamiento.El tratamiento térmico de alivio de tensiones puede reducir la tenacidad del metal base, esto se torna bastante relevante en ocasiones en que se hace necesaria la ejecución del tratamiento térmico por más de una vez.


CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS AL CARBONO.Aceros de Bajo Carbono.


Los aceros de bajo carbono son materiales fáciles de trabajar en frío y muy fáciles de soldar

– Aplicación

Aceros no calmados o semicalmados– Característica de fabricación

15 ≤ σf ≤ 22 Kgf/mm2 (21.300 psi ≤ σf ≤31.200 psi)

– Límite de fluencia σf

32 ≤ σr ≤38 Kgf/mm2 (45.500 psi ≤ σr ≤54.000 psi)

– Límite de Resistencia σr

C ≤ 0,18%Mn ≤ 0,90%Si < 0,1% (en algunos casos)

– Composición Química

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Aceros de Medio Carbono.


Los aceros de medio carbono son fáciles de soldar. Utilizados en la mayoría de los recipientes a presión y tubos de gran diámetro.

– Aplicación

Aceros calmados o semicalmados de grano grueso– Característica de fabricación

23 ≤ σr ≤ 27 Kgf/mm2 (32.700 psi ≤ σf ≤ 38.400 psi)

– Límite de fluencia σf

42 ≤ σr ≤ 49 Kgf/mm2 (59.700 psi ≤ σr ≤ 69.700 psi)


0,18% < C ≤ 0,28%Mn ≤ 1,00%Si < 0,1% (en algunos casos)


Aceros de Alta Resistencia.


Como el porcentaje de carbono es bajo, se pueden soldar fácilmente, sin embargo es bastante difícil mantener las propiedades de alta resistencia en la ZAT, lo que exige cuidados y tratamientos especiales. Se emplean para recipientes de alta presión o de grandes dimensiones.

– Aplicación

Los aceros al carbono de alta resistencia son sometidos a tratamientos térmicos de temple y revenido, después de la laminación.

– Característica de fabricación

Valores bastante elevados, pudiendo llegar a 65 Kg/mm2 (92.400 psi)


Semejante a la de los aceros de bajo carbono, con cantidades más altas de manganeso.


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SOLDEO DE ACEROS AL CARBONO.La gran mayoría de los aceros al carbono empleados como elementos soldados, tienen porcentajes de carbono inferiores a 0,29%.Generalmente los aceros con contenido de C ≤ 0,29% y de Mn ≤ 1,60% pueden ser soldados satisfactoriamente sin precalentamiento o deshidrogenado en espesores inferiores a 25 mm.Sin embargo, en aceros al carbono con contenidos de C > 0,20% y de Mn > 1,00% se debe especificar procedimientos de soldeo que generen depósitos con bajo contenido de hidrógeno disuelto en la soldadura.


Cuando el espesor de la pieza a ser soldada es mayor que 25 mm, es necesario tomar precauciones adicionales:

• precalentamiento• control de temperatura entre pasadas;• tratamiento térmico de alivio de tensiones.

Tales precauciones tratan de evitar la fisuración que puede ocurrir en la zona afectada térmicamente.También es deseable la utilización de procesos con alta energía de soldadura.


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CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS DE ALEACIÓN.Conforme al porcentaje total de elementos de aleación presentes, se distinguen tres clases de aceros de aleación:


Más de 10% de elementos de aleación• Aceros de alta aleación

Desde 5% a 10% de elementos de aleación

• Aceros de media aleación

Hasta 5% de elementos de aleación• Aceros de baja aleación

Aceros al Níquel.Los aceros al níquel más usuales son:

Los aceros con contenidos de níquel como elemento de aleación son los materiales utilizados para servicios a bajas temperaturas.Cuanto mayor es el contenido de níquel, más baja puede ser la temperatura de utilización del acero.


9 %3 ½ %2 ½ %

Composición Nominal

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Aceros Al Molibdeno y Cromo–Molibdeno.Los aceros al molibdeno y cromo – molibdeno son aceros con contenidos de hasta 1% de Mo y hasta 9% de Cr como elementos de aleación.Las aleaciones más utilizadas son:


Mo1 Cr9 Mo½Cr7 Mo½Cr5 Mo1 Cr2 ¼Mo½Cr1 ¼Mo½

Composición Nominal

Aceros con Contenido Hasta 2 ½ % de Cr.Estos aceros fueron desarrollados específicamente para servicios a altas temperaturas, donde los esfuerzos mecánicos fueran elevados y la corrosividad de media a moderada.La principal aplicación de estos aceros aleados es para tuberías de vapor cuya temperatura esté por encima del límite de temperatura admitida para aceros al carbono.Aceros con Contenido Mayor a 2 ½ % de Cr,El principal empleo de estos materiales es tubería de intercambiadores de calor y equipos de pequeño y medio tamaño en servicios con hidrocarburos a temperaturas sobre 250º C.


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SOLDEO DE LOS ACEROS Cr–Mo.Los aceros de aleación Cr–Mo son soldables por los procesos normales de soldeo.La característica de ser templables al aire de los aceros Cr–Mo requiere que los procedimientos de soldeo sean desarrollados con la precaución de evitar la fisuración por hidrógeno.Se recomienda que el metal de aporte tenga la misma composición nominal que el metal base.Las uniones soldadas de estos aceros requieren, normalmente, un tratamiento térmico por sobre la temperatura crítica superior, con el fin de disolver los carburos en la ZAT desarrollados durante el soldeo.


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