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SOLDABILIDADDEL ACERO
SOLDADURA II
INTRODUCCIN A LA
METALURGIA DE LA
SOLDADURA
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ELABORACIN DE METALES
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Vistazo de los tomosen el lmite de grano.
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Las tres estructuras cristalinas mas comunes en metales y sus
aleaciones.Izquierda: Cbica centrada en las caras (FCC)
Centro: Cbica centrada en el cuerpo (BCC)
Derecha: Tetragonal compacta (HC)
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Ensamble soldado mostrando una pileta lquida de una soldadura
en ejecucin. La seccin A-A' es la zona de la que ser
observada la distribucin de temperaturas.
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A- FORMACION INICIAL DE CRISTALES
B- CONTINUACION DE LA SOLIDIFICACION
C- SOLIDIFICACION COMPLETA
Etapas de la solidificacin de un metal en la soldadura.
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Crecimiento de los granos columnares en un cordn de soldadura
con pileta de geometra elptica.
Obsrvese el curvado de los granos para mantener una direccinde crecimiento lo mas alineada posible con el gradiente de
temperatura cuya orientacin va cambiando a medida que la pileta
avanza, lo que da origen a un crecimiento competitivo.
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Crecimiento de los granos columnares en un cordn de
soldadura con pileta con geometra de gota.
Obsrvese la ausencia de curvado de los granos lo que
origina un crecimiento no competitivo ya que la forma de la
pileta no produce un cambio en la direccin del gradiente de
temperatura en la parte posterior de aquella cuando la misma
avanza.
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Perfiles de temperatura en
una chapa de acero dulce,
W: metal fundido
(pileta lquida). Zona sombreada es el
metal que est en estado
pastoso entre los lmites
que se registran las
temperaturas del
lquidus y del solidus a
1520C y 1490Crespectivamente.
C = 5/9 x (F-32)
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Ciclos trmicos experimentados por las cinco ubicaciones que se
muestran en la figura anterior, descriptos sobre una escala
arbitraria para mostrar solamente los efectos relativos
(Tpf: punto de fusin del metal que se est soldando).
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Transformaciones alotrpicas del hierro puro
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Soldadura en una plancha de
acero, mostrando
El metal de soldadura (W)
La zona afectada por el
calor (ZAC). El metal base
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MACROGRAFIA DE UNA SOLDADURA
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ZONA AFECTADATERMICAMENTE
ZONA DE FUSION COMPLETA
ZONA SOBRECALENTADA (ZAT)
ZONA DE TEMPLADO (ZAT)
ZONA DE RELEVO DE TENSIONES (ZAT)
ZONA DE METAL SIN CAMBIO
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COMO SE PUEDE VER, EN UNA SOLDADURAEXISTEN ZONAS DE ENFRIAMIENTOSIMILARES A LA DE LA PRUEBA DE
JOMINNY.
ESTA ZONA SE CONOCE COMO
ZONA AFECTADA TERMICAMENTE (H.A.Z.)
EN ESTA ZONA LA SOLDADURA PUEDE
PRESENTAR PERDIDA DE PROPIEDADESMECANICAS Y FISICAS.
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Efecto de los parmetros de soldadura sobre el tamao de
los cordones de soldadura; ancho de la ZAC y
comportamiento trmico.
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AB
1 2
3
4 5
EFECTO DELPRECALENTAMIENTO
A Sin precalentamientoB Con precalentamiento
Medicin de dureza.
1. Metal de aporte
2. Interfase
3. Zona templada
4. Zona relevada
5. Metal de base
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Metalurgia bsica de los aceros
Los metales se clasifican en ferrosos (cuyo metal base es el
fierro) y no ferrosos.
La familia ms importante de los metales ferrosos son los
aceros.
Un acero es la aleacin de hierro con carbono y otros elementos
de aleacin e impurezas.
Los aceros se clasifican en aceros al carbono y aceros de baja,
media y alta aleacin.
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Tabla Aceros simples (al carbono)
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Continuacin
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Aceros aleadosSon aquellos en los que el lmite especificado de
elementos de aleacin excede de 1.65% Mn, 0.60% Si
o 0.60% Cu, o tienen un intervalo o una cantidadmnima definido de algn o algunos elementos de
aleacin.
-Aceros de baja aleacin
-Aceros de media aleacin
-Aceros de alta aleacin
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Figura 4.19 - Diagrama de equilibrio Fe-C
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L + Fe3C
2.14 4.30
6.70
M
N
C
PE
O
GF
H
Cementite Fe3C
x
x
0.022
0.76
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Evolucin microestructural
Concentracin eutectoide
S.
PaciornikCMMP
UC-Rio
Perlita
( + Fe3C)
+ Fe3C
0.77 wt% C
727C
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+ Fe3C
727C
Fe3C
proeutetoide
perlita
C0
Evolucin microestructural
Concentracin hipoeutectoide
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+ Fe3C
727C
Fe3C
Fe3Cpro-eutetide
perlita
C1
Fe3C
Evolucin microestructural
Concentracin hipereutectoide
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Solucin slida de carbono en hierro alfa. Su solubilidad a la temperatura ambiente
es del orden de 0.008% de carbono, se considera como hierro puro. La mxima
solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 C.
La Ferrita es la fase ms blanda y dctil de los aceros, es magntica, cristaliza enuna red cbica centrada en el cuerpo (BCC), tiene una dureza aproximada de 90
Brinell, una resistencia a la traccin de unos 28 (kg/mm2) y un alargamiento del
orden de 35%. El contorno de los granos es ligeramente curvilneo. Se encuentra
libre en los aceros de menos de 0.89% de carbono. En conjunto con la Cementita
forma Perlita
FERRITA
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Es el carburo de hierro de frmula Fe3C. Contiene 6.67%C y93.33% de Fe. Es el microconstituyente ms duro y frgil de los
aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68
HRC). En los aceros con ms de 0.9%C forma una red queenvuelve los granos de Perlita. Forma parte de la Perlita como
lminas paralelas separadas por otras lminas de Ferrita.
Tambin aparece en los aceros hipoeutectoides que no han sido
bien templados.
CEMENTITA
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Es el microconstituyente eutectoide que contiene el 0.8 %C, formado por capas
alternadas de Ferrita y Cementita, esta posee un 88 % de Ferrita y 12 % deCementita. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la traccin de 80 kg/mm2
y un alargamiento del 15%. Su nombre se debe al aspecto que adquiere al
iluminarla. La Perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la Austenita y
especificamente por la transformacin isotrmica de la Austenita en el rango de
650 a 723C.
PERLITA
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Ejemplos de microestruturas
Acero hipoeutetoide con 0.38 wt% C,
compuesto por ferrita proeutetide (fase clara) e
perlita [fase con lamelas claras (ferrita) yoscuras (cementita)]. 635x.
Acero hipereutetoide con 1.40 wt% C,
compuesto por cementita pro-utetide (fase
clara) y perlita. 1000x.
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CURVAS T T T
(Transformacin-Tiempo-Temperatura)
inciofinal
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TTT Diagram for a Eutectoid Fe-C Alloy
CURVAS TTT
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CURVAS TTT
ESFRIAMIENTO CONTINUOMICROESTRUCTURAS /EUTETIDE
A (HORNO)= Perlita grossa
B (AIRE)= Perlita + fina (+ duraque a anterior)
C(AIRE SOPLADO)= Perlita +fina que a anterior
D (ACEITE)= Perlita +martensita
E (AGUA)= Martensita
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CURVAS TTT
Temperatura de
austenitizao
+Fe3CPerlita
-Como en la martensita no hay difusin, sua formacin ocurre instantaneamente
(independiente del tiempo, por eso en la curva TTT se corresponde a una recta).
Martensita
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ENFRIAMIENTO A LATEMPERATURA CONSTANTE
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Martensita templada que muestra una estructura acicular.
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MARTENSITA (DUREZA: 63-67 HRC)
Martensita en acero
Martensita en el titanio
La transf.
martenstica ocurre c/
aumento de volumen 37
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CARBN:
El carbn es el ms importante elemento aleante en el acero y puede estarpresente hasta en un 2% (aunque ia mayora de los aceros soldados tienen
menos de 0.5%). El carbn puede estar disuelto en el Hierro en una forma
combinada como Carburo de Hierro (Fe3C).
Un contenido alto de carbn implica alta dureza y alta resistencia a la tensin,
as como una mayor respuesta al tratamiento trmico (Endurecibilidad). Por
otro lado, un mayor contenido de carbn reduce la soldabilidad.
AZUFRE:Es una impureza indeseable en el acero, ms que un elemento aleante.
Durante la fabricacin del acero se hace un especial esfuerzo para eliminarlo.
Cuando existe en cantidades mayores de 0.05% tiende a causar fragilidad y
reduce la soldabilidad.
Porcentajes del azufre entre 0.10 y 0.30% ayudan a mejorar la maquinabilidad
del acero. Estos aceros se conocen como "sulfurizados" "de "fcil
maquinado".
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FOSFORO:
El fsforo tambin se considera una impureza indeseable en el acero. Seencuentra normalmente en cantidades de hasta 0.04% en la mayora de los
aceros al carbn. En aceros endurecidos, tiende a causar fragilidad. En aceros
de baja aleacin de alta resistencia, se puede agregar fsforo en cantidades
de hasta 0.10% para mejorar resistencia y aguante a la corrosin.
SILICIO:Usualmente se encuentra slo en pequeas cantidades (0.20%) en aceros
rolados donde se utiliza como un desoxidante. Sin embargo, en las
fundiciones de acero es comn encontrarlo de 0.34 a 1.00%. El silicio se
disuelve en el acero y tiende a aumentar su resistencia. El metal de soldadura
usualmente contiene aproximadamente 0.50% de silicio como desoxidante.
Algunos metales de aporte pueden contener hasta 1% para ayudar a una
mejor limpieza y desoxidacin de la soldadura en superficies contaminadas.Cuando estos metales de aporte son utilizados para soldar sobre superficies
limpias, la resistencia del metal de soldadura resultante ser marcadamente
ms alta. La disminucin que resulta en la ductilidad podra presentar
problemas de agrietamientos en algunos casos.
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NQUEL:Se agrega para aumentar la endurecibilidad de los aceros. Hace muy bien estafuncin porque con frecuencia aumenta tenacidad y ductilidad, an con los
aumentos de resistencia y dureza. El nquel se usa frecuentemente para
mejorar la tenacidad del acero a bajas temperaturas.
ALUMINIO:Este elemento se agrega a! acero en cantidades muy pequeas como
desoxidante. Es adems un refinador del grano que ayuda a una mayor
tenacidad.
VANADIO:La adicin de vanadio proporciona un aumento en la endurecibilidad del
acero, es muy efectivo, por lo que se usa en pequeas cantidades. Enporcentajes mayores del 0.05% puede haber una tendencia a fragilidad en el
acero durante los tratamientos trmicos para relevado de esfuerzos.
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COLOMBIO:El colombio, como el vanadio, se utiliza generalmente para
aumentar la endurecibilidad del acero. Sin embargo, debido a su
alta afinidad por el carbn, se puede combinar con ste para
causar una disminucin general en endurecibilidad.
GASES DISUELTOS:
El hidrgeno (H2), oxgeno (02) y el nitrgeno (N2), se disuelvenen el metal fundido y tienden a fragilizarlo si no son removidos.
Los procesos para refinacin del acero estn diseados para
eliminar todo lo que se pueda de estos gases. Se utilizan
fundentes y gases aislantes especiales para impedir su inclusinen el metal fundido.
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Tratamientos Trmicos
Recocido
Total ou PlenoRecocido
IsotrmicoNormalizacin
Tmpera y
Revenido
EnfriamientoLento
(dentro del horno)Enfriamiento
al aire
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FIGURA 5: Velocidades de enfriamiento de un material tal comoel acero, enfriado en diversos medios.
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El diagrama TTT de descomposicin de la austenita en un acero
eutectoide.
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FIGURA 7: Correlacin delos diagramas de transforma-
cin isotrmica y de los de
enfriamiento continuo con
datos de un ensayo de
templabilidad Jominy, paraun acero del tipo 8630.
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FIGURA 9: Diagramade transformacin isotr-
mica de un acero quecontiene 0,33% de
carbono, 0,45% de
manganeso y 1,97% de
cromo. Tamao del
grano de austenita: 6 a
7. Austenizado a 870C.
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FIGURA 10: Dureza de
martensita en funcin del% de C.
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FIGURA 12: Efecto del revenido en un acero de aleacin con
12% de Cr templado desde 1020C.
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FIGURA 13: Relacin entre las temperaturas picos experimentadas pordiversas regiones en un cordn soldado y como se correlacionan con el
diagrama de fase hierro-carburo de hierro
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Variacin de las condiciones de enfriamiento en una soldadura en funcin del
precalentamiento: el diagrama incluye algunos de los cambios de las propiedades que
producen las condiciones de enfriamiento. Tambin se muestra un diagrama TTT de un
acero, con el objeto de ilustrar por qu las condiciones de enfriamiento provocan los
cambios de propiedades.
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Soldabilidad y carbono equivalente
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Soldabilidad y carbono equivalente
La soldabilidad est definida como la capacidad de un material para
ser soldado, bajo las condiciones de fabricacin impuestas, dentro de
una estructura especfica adecuadamente diseada, y de tener uncomportamiento satisfactorio en el servicio intentado.
La soldabilidad de los aceros al carbono y de baja aleacin depende
de algunos factores, principalmente la composicin qumica (entrminos del contenido de carbono y del carbono equivalente Ceq-),
espesor de las partes a ser soldadas, el grado de restriccin (restraint)
y el nivel de hidrgeno presente durante las operaciones de
soldadura.
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La presencia de hidrgeno durante las operaciones de soldaduraafecta grande y adversamente a la calidad de las juntas soldadas,en particular a las de los aceros con propiedades mecnicas
(dureza y resistencia a la tensin) relativamente elevadas.
La hidrgeno presente durante la soldadura puede proceder de lahumedad del revestimiento de los electrodos o de los fundentes dearco sumergido, y de humedad y otros contaminantes de los
metales base.
Aceros con estructuras (martensita y bainita) susceptibles a
absorber hidrgeno y mantenerlo en solucin en el estado slido
generan agrietamiento en fro, mismo que puede desarrollarse
despus de soldar, al enfriar las partes soldadas, o de unas 24 a 72
horas despus de la soldadura, o an despus, cuando las
estructuras estn en servicio.
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Recursos y variables para el control de laspropiedades de las juntas soldadas de los aceros
-Precalentamiento
-Temperatura entre pasos-Calor aportado por paso
-Uso de procesos y consumibles de bajo hidrgeno
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CARBONO EQUIVALENTE DE ACEROS ALCARBONO
Ceq = %C + Mn/4 + Si/4
Ceq = %C + Mn/4 + Si/6
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13
%
18
%
9
%%%
MoNiMnCrCCeq
Ceq < 0,4 no se requiere tratamiento trmico.
Ceq 0,4 - 0,6 se requiere pre - calentamiento (entre 200 - 400 C)Ceq > 0,6 se requiere pre - calentamiento (entre 400 - 600 C)
y adems post calentamiento (PWHT)
CARBONO EQUIVALENTE ACEROS DE BAJAALEACIN
Ceq = %C + %Mn/6 + (%Cr + % Mo + %V)/5 + (%Ni + % Cu)/15
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DIAGRAMA DE COE
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DIAGRAMA DE COE
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Forma adecuada de
aplicar y controlar el
precalentamiento.
Debe calentarse demanera uniforme
una zona de
aproximadamente75 mm a cada lado
de la soldadura.
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