UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICAPOSGRADO Y MAESTRÍA EN MANTENIMIENTO DE PLANTAS INDUSTRIALESDiseño y Metalurgia de la SoldaduraPor: Ing. Alexis Tejedor De León, PhDwww.alexistejedor.org

Soldadura de aceros martensíticos

La soldadura de los aceros martensíticos siempre es temida por el personal de la industria, que imagina que la microestructura martensítica necesariamente conducirá a la formación de grietas durante y después de la soldadura. Sin dudas los aceros martensíticos exigen algunos cuidados especiales, no solamente en la soldadura, sino que durante todo su procesamiento, ya que son siempre aceros aleados. Sin embargo, cuando se realiza un procedimiento de soldadura adecuado a la combinación entre el tipo de material y las dimensiones del componente, con todos los cuidados relativos al control de la humedad del ambiente y de los consumibles, se torna más fácil obtener una unión soldada íntegra y con óptimas propiedades mecánicas.

1.- ¿Qué son aceros martensíticos?

Son aleaciones ferrosas que presentan microestructura predominantemente martensítica, siempre con características de alto límite elástico, y casi siempre con alta dureza. Es fundamental aclarar que la microestructura en cualquier acero martensítico de aplicación estructural o mecánica no es simplemente la martensita, y sí la martensita revenida formado en el tratamiento de templado y revenido.

2.- ¿Cómo es el tratamiento de templado y revenido, y qué ocurre a nivel microestructural?

El templado es un tratamiento térmico que consiste en el enfriamiento del acero, a partir de una temperatura donde la microestructura es austenítica (CFC), de forma lo suficientemente rápida para que no haya tiempo de que ocurra la transformación difusional – austenita en ferrita (CCC) y cementita. Cuando la estructura austenítica (inestable) llega a temperaturas muy bajas ocurre un cizallamiento entre los planos cristalinos y una estructura tetragonal con elevado nivel de tensiones internas se forma. Es la martensita cuyos valores de dureza dependen directamente del contenido de carbono que se presentaba disuelto en la austenita antes de la transformación. Esto porque el carbono es un átomo intersticial que permanece “aprisionado” en el medio de la red cristalina, aumentando el tensionamiento de la red cuanto más átomos estuviesen presentes.

El revenido es un tratamiento térmico que consiste en el calentamiento de las estructura martensítica en temperaturas elevadas lo suficiente para que los átomos de carbono puedan salir de la red cristalina (precipitarse) y disminuir la tensión interna (alivia la tensión en el material). Mientras más alta la temperatura del revenido más baja será la dureza del acero después del tratamiento, ya que mayor cantidad de carbono habrá precipitado a partir de la martensita. En temperaturas muy elevadas (próximas a la austenitización) el carbono puede hasta salir del todo de la red y la estructura pasa a ser ferrítica, muy blanda.

3.- ¿Todos los aceros martensíticos son templados y revenidos?

Ni todos los aceros martensíticos presentan los tratamientos térmicos formalmente conocidos como “beneficio”, que son el templado y el revenido. Algunos aceros ya salen de la

siderúrgica en la forma tratada y pueden hasta sufrir ciclos que no son conocidos como templado y revenido, pero que cumplen el mismo papel.

4.- ¿Qué significa un material con alto límite elástico?

Debido a la transformación martensítica, este tipo de acero se endurece en tensiones elevadas, generalmente con una relación LE/LR (tensión límite de endurecimiento / tensión límite de resistencia) superior a 0.9. Eso significa que antes de endurecer4se el material alcanza tensiones muy alta (todavía en la región elástica), al contrario de los aceros ferríticos, que fácilmente llegan al límite plástico (se deforman) y cuya relación LE/LR, usual es del orden de 0.6.

5.- ¿Esta propiedad (elevada relación LE/LR) puede perjudicar durante la soldadura?

Claro, ya que el nivel de tensiones residuales de la soldadura es del orden del límite de endurecimiento del material. No obstante, si el límite de endurecimiento es muy próximo del límite de resistencia, eso significa que cualquier tensión externa (aplicada), rápidamente eleva el nivel de tensiones actuantes arriba del límite de resistencia y el material se agrieta. Por eso, cualquier acero martensítico debe sufrir alivio de tensiones después de la soldadura, y antes del alivio todo cuidado es poco en la manipulación del componente soldado, pues la ocurrencia de golpes o la realización de un maquinado pueden inducir a tensiones la cuales causan el agrietamiento.

6.- ¿Por qué, ni siempre, los aceros martensíticos presentan elevada dureza?

Porque existen un sin número de aceros martensíticos, con las composiciones más variadas, de bajo, medio o alto contenido de carbono, micro-aleados, baja aleación o alta aleación, cuyas características metalúrgicas y propiedades mecánicas son totalmente diferentes.

.- aceros martensíticos estructurales de bajo carbono(0.6), micro aleados o de baja aleación (tipo HY 80 o HY 1000), de dureza baja y cuya soldabilidad es excelente.

.- aceros martensíticos resistentes al calor: del tipo Cr-Mo, de bajo carbono y cuya soldabilidad es buena.

.- aceros martensíticos ultra resistentes; usualmente de bajo medio contenido de carbono (tipo AISI 4130, 4140, 4340), con dureza que puede variar mucho en función de la temperatura del revenido, y cuya soldabilidad no es tan buena.

.- aceros martensíticos resistentes a la corrosión: de la serie 400, de bajo, medio o alto contenido de carbono (dependiendo de la aplicación), cuya soldadura exige cuidados especiales.

.- aceros martensíticos resistentes al desgaste, del tipo herramienta (serie A, O y H entre otros), de medio a alto contenido de carbono, y cuya soldadura siempre es muy difícil.

.- Todavía existen los aceros martensíticos endurecibles por precipitación (tipo maraging o 17-4PH)

7.- ¿Es verdad que el contenido de carbono influye en la soldabilidad?

Si, tanto el carbono como los elementos de aleación influyen en la soldabilidad, sin embargo, el contenido de carbono es determinante, pues es el responsable por el nivel de endurecimiento.

8.- ¿Existe algún procedimiento estándar para la soldadura de los aceros martensíticos?

No, pues cada material es diferente uno del otro. Pero existen algunos cuidados que son comunes a todos los aceros martensíticos, que son:

.- evitar soldar un material que haya sufrido trabajo (mantenimiento) sin antes aliviar las tensiones, pues el material acumula tensiones internas y puede agrietarse durante la soldadura.

.- no soldar estos materiales en días de lluvia o con consumibles húmedos, ya que uno de los problemas de los aceros martensíticos es el agrietamiento a frío, causada por la entrada de hidrógeno proveniente de la disociación del agua en el arco eléctrico.

.- evite la soldadura con procesos / procedimientos de aporte de calor muy elevado, pues las uniones soldadas pueden sufrir una pérdida de resistencia mecánica (suavizado) debido al calor excesivo, además de permitir el crecimiento de granos en la ZAC, lo que favorece la pérdida de la resistencia al impacto.

.- determinar la temperatura de pre calentamiento en función del tipo de acero, siempre recordando que en este caso no se desea evitar la formación de martensita en el enfriamiento (lo que es imposible pues el acero es martensítico), y si evitar que la transformación ocurra con alta grado de tensión de contracción de la pieza, lo que provocaría el agrietamiento. Cabe recordar que temperaturas muy elevadas de pre calentamiento pueden, hasta incluso pueden que “borren” la dureza de estos aceros, favoreciendo su suavizado, o en todo caso retener la austenita en el pos calentamiento.

.- en el caso de que el alivio de tensiones no sea realizado luego después de ejecutada la soldadura, se debe pos calentar el componente en temperaturas en el orden de 50 ºC a 100 ºC, arriba de la temperatura de pre calentamiento, durante algunas horas, con la finalidad de que el hidrógeno, introducido en la soldadura, evolucione.

.- siempre proceda a aliviar las tensiones del material en temperaturas inferiores a las del revenido del acero, para evitar pérdida de resistencia mecánica en el resto del material.

En el caso de los aceros inoxidables martensíticos se debe garantizar el enfriamiento rápido, después del alivio para evitar la fragilización a 475 ºC

Pista para la soldadura disímil entre un acero martensítico y otro acero cualquiera:El Profesor Erich Lessmann ofrece una buena idea para la soldadura entre un acero

martensítico y otro acero cualquiera, cuando este otro acero no puede, o no debe sufrir alivio de tensiones, por ejemplo cuando se pretende soldar un acero martensítico ultra resistente (tipo AISI 4340) a un acero inoxidable austenítico (tipo AISI 316).

El alivio de tensiones usual para un AISI 4340 se sitúa en la región de los 600 ºC, en donde ocurre la máxima sensitización de los aceros inoxidables de la serie 300, de forma que, si el componente no puede perder la resistencia a la corrosión, se debe evitar soldarlos con pre-calentamiento y evitar el alivio. ¿Cómo hacer?:a.-) Soldar el canto del AISI 4340 con un consumible tipo AWS 309 (austenítico), con precalentamiento recomendado para el AISI 4340, formando una almohada – varios pases - , en una capa de espesor superior a 4 mm;b.-) realizar el alivio de este conjunto en la región recomendada para el AISI 4340;c.-) soldar a frío este conjunto al AISI 316, sin que el arco toque al acero de baja aleación.