SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS


Introducción

En un sentido amplio y generalizado, la soldadura puede definirse como la realización de una unión entre dos piezas de metal haciendo uso de las fuerzas de cohesión que derivan de un “enlace metálico”.
Todo proceso de soldadura debe esencialmente lograr el acercamiento de las superficies a unir a distancias del orden interatómico con el propósito de crear las condiciones propicias para que se desarrollen las fuerzas de cohesión inherentes a los enlaces metálicos. Para lo que normalmente se emplea alguna fuente de energía.
Si esta energía es el calor, se pueden llegar a fundir los bordes de los metales, los cuales se mezclaran en estado líquido acercándose los átomos lo suficiente para que durante la solidificación se atraigan formando una nueva red cristalina; si en vez de calor se aplica presión se produce, en primer término, la ruptura de la capa de óxido y luego se nivelan las crestas y valles por deformación plástica, permitiendo el contacto íntimo entre las dos superficies y, por lo tanto la unión metalúrgica. Nuestros análisis abarcaran la soldadura en fase líquida, esto es los materiales involucrados en la unión llegan a fundirse a través de una fuente de calor generada por un arco eléctrico.

Definición de Soldabilidad

Es la mayor o menor facilidad con que un metal permite que se obtengan soldaduras sanas y homogéneas, que respondan a las necesidad para las que fueron concebidas incluyendo códigos de fabricación.
Desde el punto de vista metalúrgico durante la soldadura en estado líquido en una región muy pequeña el material a ser soldado alcanza el estado líquido y luego solidifica. El aporte térmico suministrado se utiliza para fundir el metal de aporte (si existe), fundir parcialmente el metal base y el resto se transfiere a través del metal de soldadura modificando la micro estructura (y propiedades mecánicas) inicialmente presentes.

Regiones presentes en la soldadura

zona zac

 

 

La imagen representa las regiones que se generan en una soldadura, observadas en una macrografía, estas son:
La Región Fundida: es aquella adonde se produce la fusión y posterior solidificación
del metal de aporte (si existe), el cual se “mezcla” con el metal base y genera el “metal de soldadura”

La elección del metal de aporte tiene en cuenta:

  • *La composición química del electrodo.
  • *Dilución con el metal base.
  • *Sistemas de flux o gases de protección.
  • *Solidificación de la pileta soldada, enfriamientos y transformaciones posteriores.

La Línea de Fusión: es la interfaz entre la región fundida y la región en estado sólido, normalmente es la zona más propicia a inicio de fisuras, ya que existen áreas con fusión parcial.

La Zona Afectada por el Calor (ZAC,ZAT o HAZ) es la región del metal base que sufre ciclos de calentamiento y enfriamiento debido al aporte térmico de la soldadura.

En términos de selección de materiales las características de servicio de la ZAC deberán ser enfatizadas mucho más que aquellas vinculadas con el metal de aporte. Esto es debido a que las propiedades metalúrgicas y mecánicas de la ZAC son directamente vinculadas con los parámetros de soldadura y los tratamientos térmicos post soldadura (PWHT). Es también cierto que cualquier problema de soldabilidad asociado con las características de la ZAC es más difícil de manejar que los asociados con el metal de aporte. Los problemas de soldabilidad asociados con el consumible pueden solucionarse cambiando el mismo o los otros consumibles de soldadura. Mientras que los problemas asociados con la ZAC algunas veces pueden ser resueltos modificando el metal base (lo cual suele resultar costoso) y / o el aporte térmico.

La importancia de la zona afectada por calor la podemos apreciar en la figura 7 donde comparamos la temperatura máximas que se alcanzan en cada una de las regiones de la misma con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C (metaestable). Estas regiones son: la zona de grano crecido; zona de grano refinada; regiones intercríticas, subcríticas y parcialmente modificadas. Sin embargo la ZAC sufre procesos metalúrgicos que involucran calentamientos y enfriamientos muy rápidos, es por ello que resulta más cómodo asociarla con diagramas de enfriamientos continuos. Por lo que las curvas CCT (Continuous Cooling Transformation) son más apropiados para predecir las micro estructuras en la ZAC.

Ver figura Relación entre el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C y la ZAC de una soldadura.

slide_3

 

Concepto de Carbono Equivalente

Un parámetro útil para evaluar la soldabilidad de los aceros es el concepto de CARBONO EQUIVALENTE (CEQ).
Este consiste en una ecuación que relaciona la composición química del material. Hay distintas ecuaciones para calcular el CEQ, veremos solo dos de ellas.

El Código API 1104- A B presenta la ecuación desarrollada por el Instituto Internacional de Soldadura, y cuya expresión es la siguiente:

6a761247adf08c3d35dc1304e03f43e2

En Japón se utiliza un parámetro denominado PCM y que caracteriza mejor el efecto de los elementos de aleación en los aceros al carbono de alta resistencia y baja aleación (aceros HSLA – o aceros micro aleados), este es:

pcm

Aunque estas ecuaciones fueron inicialmente desarrolladas para caracterizar la tendencia a la fisuración por hidrógeno para aceros de chapas, estas se utilizan para evaluar el endurecimiento del acero basado en su composición química.

Como regla general, un acero se considera soldable si el carbono equivalente (CEIIW) según la fórmula del International Institute of Welding es menor a 0,4%. Este valor estaría indicando cómo los elementos de aleación presentes en el acero afectan las transformaciones características favoreciendo la formación de microestructuras susceptibles a fisuración por hidrógeno en la ZAC. El carbono equivalente provee una indicación del tipo de microestructura esperada en la ZAC en función de la velocidad de enfriamiento desde una temperatura máxima.

Si bien resulta un parámetro atractivo para evaluar la soldabilidad de distintos aceros, por si sólo no es suficiente. Primero debido a que la soldabilidad no es gobernada exclusivamente por la composición química del acero siendo el espesor de la junta (o espesor gobernante según algunos Códigos de construcción) un factor a considerar en el
momento de seleccionar temperaturas de pre calentamiento y/o tratamientos térmicos post soldadura. La soldabilidad también se ve afectada por la historia térmica del material y tensiones mecánicas desarrolladas antes, durante y después de realizada la unión. También, posee un rol importante la adecuada elección del consumible.

Utilización del diagrama de Graville para evaluar la soldabilidad de los aceros

31-12-2015 20-01-09

 

 

La Figura muestra el diagrama de Graville, el cuál resulta una herramienta útil para evaluar la necesidad de pre calentamiento o tratamiento térmico post soldadura basada en conceptos de composición química (no considera espesor), en el mismo se grafica la relación entre Carbono y el CEQ del metal base y considera 3 zonas.
Zona I: Aceros de bajo carbono y bajo endurecimiento no susceptibles a fisuras.
Zona II: Aceros con mayor porcentaje de Carbono y bajo endurecimiento, el riesgo a fisuras en la ZAC puede ser evitado mediante el control de la velocidad de enfriamiento, por medio del aporte térmico o en menor extensión el pre calentamiento.
Zona III: Aceros con elevado porcentaje de carbono y alto endurecimiento y en todas las
condiciones de soldadura pueden producir micro estructuras susceptibles a fisuras.
Desde el punto de vista de selección de parámetros de soldadura este diagrama indicaría
que si por su composición química un acero se ubica en la zona II su soldadura debe involucrar el uso de procesos de bajo hidrógeno y pre calentamiento, mientras que si un acero es ubicado en la Zona III se deben aplicar procesos de bajo hidrógeno, pre calentamiento y tratamientos térmicos post soldadura.

REFERENCIAS
ASM handbook. Welding, Brazing and Soldering, ASM International, 1994, vol. 6.
M. Zalazar. Introducción a los aceros HSLA. Cuaderno Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue,
1995, p. 1-30.
Welding Handbook. Materials and Applications, AWS, 1991, eighth ed., vol. 4.
Welding Metallurgy. S. Kou Ed. John Willey and Son

Por Ing. Mónica Zalazar, Universidad Nacional del Comahue. Argentina.

Articulo parcialmente extraído de: soldadura.com.ar

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