aspectos metalúrgicos de la soldadura

Especialización en Soldadura Metalurgia de la Soldadura

INTRODUCCIÓN:

Los metales son indudablemente unos de los materiales de construcción más conocidos. Las naves espaciales, las estructuras de los edificios industriales y comerciales, los puentes, las computadoras y los artefactos del hogar están todos compuestos, hasta un alto grado, de una o más clases de metal. En vista de que los metales se unen frecuentemente mediante uno o más de los procesos de soldadura, es importante que las personas relacionadas con el campo de la soldadura sepan lo que es un metal, conozcan sus propiedades, y el efecto que produce el calor en algunas de dichas propiedades.

Por lo tanto en el desarrollo de esta asignatura examinaremos la estructura de los distintos metales y aleaciones; es decir: la metalurgia de la soldadura.

Concepto de Metalurgia de la Soldadura:

Estudia el comportamiento de un material metálico durante la soldadura y el efecto que ésta tiene sobre las propiedades del material.


NOCIONES FUNDAMENTALES:

Particularidades del Proceso:

Se originan a elevadas temperaturas.

Las reacciones se realizan a gran velocidad en un pequeño volumen de metal fundido.

Sobre el baño de metal fundido actúan intensamente las escorias y los gases.

Tiene una rápida transmisión del calor hacia el metal base.


GLOSARIO DE TÉRMINOS TÉCNICOS:

Unión Soldada

Metal Base

Metal de Aporte

Metal Depositado

Costuras de las Soldadura

Cordón de Soldadura


Zona Afectada

ZAT de

grano grueso

ZAT de grano fino

Metal Soldado

ZAT Ínter crítica

ZAT Subcrítica


HISTORIA:

1882, Soldadura con Electrodo de Grafito.

Se fragiliza el cordón de soldadura por el aumento del carbono en él.

El carbono pasa al baño de soldadura.

La atmósfera (N-O) penetra hacia el baño de soldadura empeorando las propiedades del cordón.


1888, Soldadura con Electrodo Metálico.

El electrodo formaba el arco eléctrico y aportaba el metal al cordón de soldadura; pero la atmósfera del arco penetraba en el cordón.

Sólo se logró mejorar un poco las propiedades de la unión soldada.


1908, Soldadura con Electrodo Revestidos.

Se forma el arco eléctrico que funde el metal base.

El revestimiento forma una escoria líquida que protege a la gota fundida, de la atmósfera circundante.

Luego el metal al caer, debido a su mayor densidad se va hacia el fondo y la escoria, de menor densidad queda en la superficie.

Esto produce uniones con propiedades mecánicas mucho mejores.


PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN:

Los mayores problemas en la soldadura se presentan con el contenido de:

Oxígeno (O)

Nitrógeno (N)

Hidrógeno (H)

Que pueden penetrar al charco de soldadura, durante el proceso.

En dependencia del tipo de revestimiento del electrodo se obtienen las composiciones químicas y propiedades mecánicas en el material depositado.


PROCESO DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN:

El oxígeno se encuentra en la zona del arco debido a:

Atmósfera que rodea el arco.

Descomposición de algunos componentes que se introducen en el revestimiento o fundente.

Como impureza en el metal base.

REACCIONES DE OXIDACIÓN:

O2 + Q 2 O

Fe + O FeO

2Fe +O2 2(FeO)

4Fe + 3 O2 2(Fe2O3)

3Fe+ 2 O2 Fe3O4

También se oxidan: Mn, Si y C; según: C + O = CO; Mn + O = MnO; Si + O = SiO2


INFLUENCIA DEL NITRÓGENO:

El nitrógeno atómico (N) se disuelve en el metal fundido formando compuestos llamados nitruros (Fe2N, Fe4N, MnN, SiN).

Los nitruros aumentan la resistencia a la fluencia (σb ) y la dureza, pero diminuyen el alargamiento (%) y la resistencia al impacto aK.

Para evitar el efecto perjudicial el nitrógeno se introducen: TiO2 y MnO, que forman compuestos que pasan a la escoria.

Según el revestimiento, se tiene:

Revestimiento básico: 0,012 %

Revestimiento ácido: 0,021 %

Revestimiento rutilo: 0,024 %


INFLUENCIA DEL AZÚFRE:

El azúfre es perjudicial para la soldadura, porque:

1. Disminuye las propiedades mecánicas.

2. Forma grietas en caliente.

3. Forma poros.

Fe + S FeS con Tf = 1193°C

Desulfuración con:

.- Manganeso: FeS + Mn Fe + MnS

FeS + MnO FeO + MnS

.- Carbonato de Calcio: CaCO3 + Q CaO + CO2

CaO + FeS CaS + FeO


INFLUENCIA DEL FÓSFORO:

El fósforo es perjudicial para la soldadura, porque:

1. Produce segregaciones.

2. Favorece el crecimiento del grano.

3. Causa la fragilidad en frío.

Se encuentra en el acero en forma de Fosfuros (Fe2P ; Fe3P)

Oxidación del Fósforo:

5FeO + 2Fe2P SFe + P2O5

FeS + 2Fe3P 11Fe + P2O5


TIPO DE ESCORIAS:

Escoria Básica:

Alto contenido de: CaO, MgO, K2O, Na2O, Al2O3, Fe2Ca

Bajo contenido de: SiO2, TiO2, FeO, MnO.

Electrodos Básicos = E7016, E7018

Escoria Ácida:

Alto contenido de: SiO2, TiO2, Fe2O3, MnxOy, Al2O3.

Bajo contenido de: CaO, MgO.

Electrodos Ácidos = E6010, E6013,E6020


Las Propiedades Mecánicas están determinadas por el número de inclusiones no metálicas y éstas dependen del tipo de escoria:

Electrodos Básicos, estructura de granos finos.

Las inclusiones son pequeñas y están bien distribuidas, tienen alto pto. de fusión.

Electrodos Ácidos, estructura de granos gruesos.

Las inclusiones son grandes y están mal distribuidas, tienen bajo pto. de fusión.


ASPECTOS METALÚRGICOS DE LA SOLDADURA:

Los aspectos metalúrgicos que tienen lugar en la zona de la soldadura, difieren en algo de los que se observan durante el calentamiento de una pieza fundida.

En la soldadura, el metal fundido se solidifica en cuestión de segundos. La cantidad de metal rara vez excede de una pulgada cúbica. La fuente de calor y el charco de metal fundido tienen una temperatura considerablemente más elevada que en los hornos de fusión.

Como resultado del enfriamiento rápido del charco de soldadura, las reacciones químicas que se inician en el metal fundido y en la escoria no tienen tiempo para completarse.

La solidificación del metal fundido de la soldadura se ilustra en forma de diagrama en la ilustración que sigue.


Al avanzar la formación del cordón, la temperatura desciende, debido a la abstracción de calor hacia el metal base y a la radiación hacia la atmósfera del ambiente, y el metal se solidifica.


Los granos aparecen primero, en la línea de fusión, en donde la temperatura s relativamente baja, y crecen con rapidez diferente, porque al aumentar de tamaño y al hacer presión los unos contra los otros, cada uno actúa de acuerdo con el grado de su crecimiento. Sin embargo, los granos en crecimiento pueden empujar hacia fuera las inclusiones no metálicas, hasta la superficie de la soldadura.

Esta es la razón por la que en la soldadura que se aplica hacia arriba, sobrecabeza, la escoria aparece sobre la superficie de la soldadura y no flotando hacia la raíz del cordón. No se trata de flotación en absoluto, sino de un estado en el que el metal no metálico es forzado hacia afuera del metal líquido al comenzar a formarse los cristales y a hacer presión unos contra otros.

La porción del metal madre que está inmediatamente adyacente a la soldadura recibe el nombre de zona cercana a la soldadura. Como la estructura de esta zona es alterada por el calor de la soldadura, recibe también el nombre de área o zona afectada por el calor (HAZ).


SECCIÓN TRANSVERSAL DE DOS CORDONES DE SOLDADURA EN LOS QUE SE APRECIAN INCLUSIONES DE ESCORIA.


SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN CORDÓN DE SOLDADURA EN EL QUE LA RELACIÓN DE ASPECTO ES MAYOR QUE LA UNIDAD Y HAN SIDO EXPULSADAS LAS INCLUSIONES.

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