Los aceros que se emplean en los diversos procesos o tecnologías de la soldadura
como los aceros inoxidables, martensiticos inoxidables, ferriticos,
austeniticos, tienen características y exigencias en la soldabilidad,
componentes o aleaciones
que poseen los mismos, propiedades mecánicas y exigencias
constructivas y procesos termoquímicos que se originan en las soldadura, para los cuales hay que tener en cuenta los componentes de los distintos tipos de aceros, según las exigencias tecnológicas de las piezas a soldar.
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS POR SU SOLDABILIDAD.
- Soldables: su contenido en carbono no excede del 0,25%.
- medianamente soldables: su contenido en carbono varía entre 0,25% y 0,4%.
- Poco soldables: contienen carbono en porcentaje que va de 0,4% a 0,6%.
- No soldables: son aquellos que tienen porcentajes de carbono superiores al 6%.
Al igual que el carbono, los elementos para la aleación y
las impurezas juegan un papel muy importante en la soldabilidad
del acero, así como en la formación de grietas en el cordón de
soldadura.
Para evitar que la soldadura se agriete, se realiza un precalentamiento, esta temperatura se determina con el uso de varias fórmulas una de ellas es la
realizada por Seferian, la cual tiene en cuenta no solamente la composición
del material sino también el espesor. Para este cálculo, se debe obtener primeramente el Carbono Equivalente (la suma del porcentaje de carbono
y de la influencia, expresada en porcentajes, de los demás elementos
aleantes), de la siguiente manera:
Siendo:
E: espesor de la chapa
El carbono equivalente total será la suma de los dos:
El cálculo de la temperatura de calentamiento se realiza mediante la siguiente fórmula:
ACEROS DE ALTA ALEACIÓN: EL ACERO INOXIDABLE.
El acero inoxidable es un acero con contenido de Cromo suficiente de al menos 11%, para que la aleación sea resistente a la corrosión. El cromo forma una película impermeable de óxido de cromo, lo que impide que el metal continúe oxidándose por la acción del medio ambiente sobre él.
La aleaciones más comunes con el acero inoxidable son con el níquel, el manganeso, el silicio, el molibdeno, el titanio y el niobio (además
del carbono y el cromo).
Las principales influencias que estos elementos sobre el acero, son:
Las principales influencias que estos elementos sobre el acero, son:
- Níquel: es antimagnético, no se endurece y es maleable.
- Molibdeno: aumenta la resistencia a ciertos medios corrosivos y mejora la resistencia a la tracción.
- Titanio y niobio: impiden la formación de ciertos compuestos perjudiciales para los aceros inoxidables.
ACEROS INOXIDABLES MARTENSITICOS.
Los aceros inoxidables martensíticos tienen un contenido en cromo entre el 11 y el 18%, y entre 0,1 y 1,4% de carbono.
Se utiliza en plantas químicas que poseen condiciones corrosivas. Si deben soldarse, se necesita calentarlos a temperaturas entre 200 y 400 °C para, después de la soldadura, pasar a enfriarlos lentamente para reducir la dureza y el peligro de grietas. Se endurecen cuando se enfrían desde la temperatura de soldadura
(temple), produciendo fragilidad y tendencia al agrietamiento (por lo
cual no se recomienda su soldadura). Son magnéticos y tienen menor
coeficiente de expansión y menor conductividad térmica que un acero al
carbono.
Es recomendable un calentarlo luego de soldarlo a 650-700 °C. El tipo de
electrodo a utilizar debe ser lo más parecido al metal base.
ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS.
Los aceros inoxidables ferriticos tienen un contenido en cromo entre el 16 y el 28% y entre 0,01 y 0,35% en carbono.
Por su bajo contenido en cromo, su estructura
es casi completamente ferrifica. Son magnéticos y más fáciles de soldar
que los martensíticos porque no son endurecibles en modo alguno por
tratamiento térmico; solo un poco por deformación en frió o en caliente.
Para su soldadura es preciso calentarlos a 200 °C. Después de ésta, debe realizarse un post- tratamiento a 750 °C para ayudarles a recuperar su ductilidad.
ACEROS INOXIDABLES AUSTENITICOS.
Su contenido en cromo oscila entre 17 y 27%, en carbono es inferior
al 0,1% y contiene además un 8% de níquel aproximadamente. El níquel
aporta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión y controla
el crecimiento de grano debido a la presencia de cromo. El cromo tiende a
formar carburos, mientras que el níquel tiende a descomponerlos.
La adición de molibdeno a estos aceros mejora aún más la resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas.
Son amagnéticos y presentan excelentes propiedades de tenacidad y ductilidad, y tienen una gran estabilidad estructural.
Son los más ampliamente conocidos y utilizados.
EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES.
ESTADO NATURAL.
El aluminio, al igual que el hierro, se encuentra en la naturaleza en forma de óxidos de aluminio, formando parte de diversos minerales. Uno de estos minerales más importantes es la bauxita y el aluminio se encuentra en ella en forma de óxido de aluminio o alúmina.
ALEACIONES DE ALUMINIO.
Las principales aleaciones del aluminio son:
-
Aluminio-Cobre: posee grandes propiedades mecánicas
-
Aluminio-Silicio: mejora la ductilidad y la resistencia al choque.
-
Aluminio-Zinc: mejora las propiedades mecánicas, disminuye la resistencia a la corrosión y se convierte en más pesada.
-
Aluminio-Magnesio: son más ligeras que el propio
aluminio, con buenas propiedades mecánicas, mecanizado fácil y buena
resistencia a la corrosión.
-
Aluminio-Manganeso: aumenta la dureza, la resistencia mecánica y a la corrosión.
Debido a su ligereza, el aluminio es un metal muy útil para la
fabricación de aleaciones ligeras empleadas en construcciones
aeronáuticas y, en general, cada vez más, en los vehículos de transporte.
Su elevada conductividad eléctrica lo hace útil para la fabricación de conductores eléctricos.
Su elevada conductividad calorífica es aprovechada para la
fabricación de utensilios de cocina y, en general, para aparatos
intercambiadores de calor.
Su maleabilidad se utiliza para la fabricación de papel de aluminio.
Su resistencia a la corrosión hace que sea idóneo para la fabricación de depósitos que han de contener líquidos corrosivos.
EL COBRE.
ESTADO NATURAL.
El cobre fue uno de los primeros metales utilizados por el hombre,
ya que debió existir con relativa abundancia en la naturaleza en estado
nativo. Sin embargo, actualmente, la casi totalidad de la producción de cobre se obtiene de minerales, en forma de sulfures, óxidos y carbonates.
El cobre es un metal de color rojo más o menos oscuro que funde a los 1083 °C. Es muy dúctil y maleable, pero aumenta mucho su resistencia y dureza al deformarlo en frío. Los agentes atmosféricos forman en su superficie una delgada película de color verde grisácea que reduce la posterior oxidación.
- Por su conductividad eléctrica, es muy útil para la fabricación de conductores.
- Por su conductividad calorífica, es idóneo para la fabricación de serpentines de refrigeración.
- Por su resistencia a la corrosión, se emplea en la fabricación de tuberías para la industria química.
- Por su ductilidad y color, se emplea para trabajos artísticos.
Las aleaciones del cobre que cabe destacar son:
LATONES: contienen un 50% de zinc como máximo. Esta adición de zinc aumenta simultáneamente la resistencia mecánica y la ductilidad de la aleación, cosa extraña en metalurgia ya que lo habitual es que cuando aumenta la resistencia mecánica disminuya la ductilidad y viceversa.
El zinc es un metal de bajo punto de ebullición, por lo que
para evitar pérdidas de zinc en los latones durante la soldadura, ésta
debe ser oxiacetilénica.
LATONES ESPECIALES: además de zinc, contienen otros elementos tales como plomo, manganeso, estaño, entre otros
BRONCES: son aleaciones de cobre y estaño (últimamente, se
vienen llamando bronces a las aleaciones de cobre con cualquier otro
metal, a excepción del zinc). El estaño en los bronces tiene una
influencia parecida al zinc en los latones, aunque más enérgica.
SOLDABILIDAD.
Un acero se considera soldable en un grado prefijado, por un procedimiento
determinado y para una aplicación especifica, cuando mediante una
técnica adecuada se pueda conseguir la continuidad metálica de la unión,
de tal manera que ésta cumpla con las exigencias prescritas con
respecto a sus propiedades locales y a su influencia en la construcción de que forma parte integrante.
ENERGÍA DE APORTACIÓN.
Se denomina energía de aportación o Heat Input al calor puesto en juego en el proceso de soldeo.
Esta energía, también llamada Energía Bruta Aportada EBA, se expresa en función de los parámetros del arco en joules por unidad de longitud de soldadura:
En donde:
U.- tensión del arco en voltios
I: intensidad de la corriente en amperios
T: tiempo de fusión del electrodo durante el cual se aporta calor a la pieza, en segundos
v.- velocidad de avance de la soldadura en cm/min
Como puede observarse, la EBA es independiente del
diámetro del electrodo. En realidad, esta influencia va implícita en la
intensidad de la corriente y el tiempo necesario para su fusión.
El calor puesto en juego en el proceso de soldadura se transmite a la pieza:
- por los procesos iónicos o electrónicos que tienen lugar en la zona de contacto de la columna del arco con la pieza;
-
por el choque del chorro caliente de plasma;
-
por la recombinación de todos los gases disociados en la columna del arco. El calor se pierde en el arco:
- por conducción en flujo de retroceso a través del propio electrodo, con mayor razón si no es consumible y está refrigerado;
- por radiación;
- por convección, a través de los gases que se separan de la columna del arco.
- El calor se pierde en el baño de fusión:
- por la formación de cualquier tipo de escoria originada por fundentes presentes en el arco;
- por convección;
- por conducción, a través de la pieza.
Se denomina Energía Neta Aportada ENA a la energía real que recibe la pieza durante la operación de soldadura. Por tanto:
Siendo p1 el rendimiento del proceso de soldeo.
Se consideran normales los siguientes rendimientos
-
Arco sumergido : 0,9-1
-
Electrodo recubierto : 0,75 - 0,80
- MIG: 0,70
- MAG: 0,85
- TIG: 0,65
En cuanto a procesos de soldadura MIG/MAG, el gas
de protección produce un efecto refrigerante sobre el baño de fusión,
que resulta mayor en el inerte porque, como su nombre indica, al no
descomponerse en el arco no aporta calor a la pieza.
La influencia de la posición de soldadura es muchísimo
menor y aunque globalmente resulta insignificante, es fácil deducir que
en cuanto a pérdidas de calor por convección se pueden clasificar por
este orden: bajo techo, vertical descendente, vertical ascendente,
horizontal y sobremesa.
En la siguiente figura se muestra la sección de un cordón de soldadura:
El área del cordón de soldadura es: As = Aa + Am
La cantidad teórica de calor necesaria Q para fundir un material es igual
a la suma de los calores parciales requeridos para elevar la
temperatura desde la inicial a la temperatura de fusión (q1) y el
necesario para transformarlo de sólido a líquido a esa temperatura (q2).
Este último se denomina calor latente de fusión.
El rendimiento térmico p2, que caracteriza el depósito
de un cordón de soldadura, se determina por la relación entre la sección
del metal As y la ENA:
El rendimiento térmico depende principalmente del proceso de soldeo y del material y, en menor escala, del espesor y diseño de junta.
La soldadura por arco sumergido es, dentro de los procesos de soldadura al arco, el de mejor rendimiento térmico.
De la anterior ecuación se obtiene:
Es decir, la sección transversal de un cordón es directamente
proporcional a la EBA con que ha sido depositado.
ZONAS EN UNA JUNTA SOLDADA.
La composición química del material de base, del aportado y las
temperaturas a que han estado sometidos durante la soldadura tienen una
influencia decisiva sobre la estructura metalúrgica y, como
consecuencia, en el comportamiento
del conjunto soldado, tanto desde el punto de vista mecánico como
frente a la corrosión. A continuación se indican las zonas
características del depósito de soldadura:
Metal Base es el material de la construcción no afectado
por la operación de soldadura, cuya composición química y estructura
corresponden completamente a las de partida.
METAL DE SOLDADURA: es el metal fundido por la operación de
soldadura y cuya composición química y estructura corresponden a las
proporcionadas por la fusión del material de aportación (electrodo
revestido, alambre, varilla, alambre + flux) y del material de base.
ZONA AFECTADA TÉRMICAMENTE (ZAT): es la zona del metal de base
que ha permanecido durante cierto tiempo en una gama de temperaturas en
la que pueden producirse transformaciones o modificaciones
estructurales, ya sea por formación de otras fases en aceros al carbono o
poco aleados, ya sea por precipitación de compuestos de elementos
intersticiales como carburos o nitruros o por formación de fases
intermetálicas en los aceros inoxidables.
Los gases que afectan principal y desfavorablemente a la unión soldada son el oxigeno, nitrógeno e hidrógeno. Los dos primeros proceden del aire y el último de la humedad ambiental o del agua absorbida por los materiales de aporte.
El oxigeno es un elemento muy activo. Su acción puede evitarse
utilizando desoxidantes adecuados. En los aceros, el manganeso y el
silicio, que tienen gran afinidad por el oxigeno lo captan formando
óxido de manganeso y óxido de silicio que pasan a la escoria.
El oxígeno
libre forma monóxido de carbono con el carbono del acero a la
temperatura de soldadura. Este gas, si no dispone de tiempo para
desprenderse, queda ocluido dentro del metal fundido formando
porosidades esféricas o vermiculares originadas por la tendencia de
escape del gas.
NITRÓGENO.
El acero fundido puede disolver grandes cantidades de nitrógeno. A temperatura ambiente, la solubilidad es menor. El exceso de nitrógeno precipita en forma de nitruros o permanece como nitrógeno libre.
Los nitruros aumentan la carga de rotura, el límite elástico y la
dureza, pero disminuyen la ductilidad, lo que provoca fracturas en el
cordón o en la zona térmicamente afectada. El nitrógeno libre provoca
porosidad.
HIDRÓGENO.
El acero fundido, además, también puede disolver grandes cantidades
de hidrógeno. En ensayos
estáticos, un acero cargado de hidrógeno muestra el fenómeno denominado
"ojos de pez", especie de copos de color blanco que suelen aparecer en
la superficie de rotura de las probetas.
DEFECTOS DE SOLDADURA.
FISURAS.
La fisuración en frío o retardada ocurre desde temperatura ambiente
hasta 250 °C y puede tardar meses en producirse. Ocurre en el metal
depositado y en la zona de transición (HAZ: Heat Affected Zone) debido
a:
- Área de soldadura de sección insuficiente.
- Entallas.
- Hidrógeno en el metal depositado (MIG y TIG no presentan).
- Presencia de impurezas (principalmente fósforo).
- Altas velocidades de soldaduras a bajas intesidades.
La fisuración en caliente o de solidificación está causada por
impurezas de bajo punto de fusión en el baño de fusión que permanecen
liquidas cuando el metal restante se está solidificando y, por lo tanto,
contrayendo. Depende de:
- Alta densidad de corriente.
- Distribución de calor y tensiones.
- Embridamiento y severidad térmica.
- Dilución.
- Impurezas (azufre, níquel, carbono).
- Precalentamiento.
- Alta velocidad soldeo y arco largo.
ROTURA FRÁGIL
Por debajo de cierta temperatura llamada de transición, el comportamiento dúctil-elástico de los metales se convierte en plástico frágil. Para que se de rotura frágil, deben coincidir tres factores:
- Temperaturas bajas.
- Entallas.
- Tensiones residuales.
En el caso de aceros inoxidables, para que se produzca la precipitación de carburos de cromo es necesario que haya un mantenimiento prolongado a temperaturas entre 600 y 850 °C.
En ese caso, ocurre una decromización y el material se hace sensible a
la corrosión electrolítica (las zonas empobrecidas en cromo actúan de
cátodos y el cromo de ánodo). Se acostumbra a producir no en el cordón
de soldadura, sino en la zona de transición que es la que está mayor
tiempo a temperaturas de 600-850 °C.
- Material base con carbono inferior a 0,03%.
- Adición de titanio (atención: cantidades superiores al 0,06% pueden producir corrosión en hoja de cuchillo).
- Adición de niobio (en contrapartida, aumenta el riesgo de fisuración en caliente).
- Adición de molibdeno.
- Tratamiento térmico de solubilización de carburos (calentar a 1000-1100 °C y enfriar rápidamente).
Los aceros inoxidables austeníticos con elevada cantidad de ferrita
en el intervalo de temperaturas de 450-900 °C, pueden perder ductilidad y
resilencia debido a la transformación de la ferrita en la fase sigma
frágil (compuesto intermetálico hierro-cromo). La ferrita proporciona
resistencia a la fisuración en caliente pero no debe exceder de ciertos límites.
DESGARRE LAMINAR.
Ocurre en estructuras
grandes con muchas tensiones, y son grietas que aparecen generalmente
en metal base o zona de transición paralelamente a la superficie de la
chapa. Es consecuencia de tensiones elevadas y pobre ductilidad, debido a
la presencia de inclusiones no metálicas paralelas a la superficie de
la chapa. Algunas uniones como en T, rincón o en cruz son las más
susceptibles.
