CAPÍTULO 10.- Metalurgia de La Soldadura

7/25/2019 CAPTULO 10.- Metalurgia de La Soldadura

1/15

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA - FACULTAD DE INGENIERAEscuela de Ingeniera Metalrgica y Ciencia de los MaterialesDepartamento de Metalurgia Fsica - Soldadura

Resumen elaborado por: Profa. Ysis E. Plaza R.

1/15

CCAAPPTTUULLOO1100..

MMEETTAALLUURRGGIIAADDEELLAASSOOLLDDAADDUURRAA

Modificacin de la composicin qumica Calor aportado: Velocidad de enfriamiento (Ve):

1100..11..MMEETTAALLUURRGGIIAAGGEENNEERRAALL1100..11..11..EESSTTRRUUCCTTUURRAADDEELLOOSSMMEETTAALLEESS1100..11..11..11..EEssttrruuccttuurraaCCrriissttaalliinnaa

Estructura Red Cristalina:Arreglo de tomos segn un patrn geomtrico tridimensional especfico Propiedadesde los metales.

Cbico Romboedral

Ortorrmbico Triclnico

Tetragonal Monoclnico Hexagonal

ESTRUCTURA CBICA CENTRADA EN LAS CARAS(Face Centered Cubic, FCC)

4 tomos

Aluminio Cobaltoa Cobre Oro Hierrob Plomo Nquel Plata

a. FCC (elevada temperatura) y HCP (temperaturas inferiores).b. BCC (temperaturas altas y bajas) y FCC (temperaturas intermedias).


2/15



2/15

ESTRUCTURA CBICA CENTRADA EN EL CUERPO(Body Centered Cubic, BCC)

2 tomos

Cromo Hierrob Molibdeno Columbio Titanioc Tungsteno Vanadio Zirconioc

b. BCC (temperaturas altas y bajas) y FCC (temperaturas intermedias).c. BCC a elevada temperatura y HCP a temperaturas inferiores.

ESTRUCTURA HEXAGONAL COMPACTA(Hexagonal Close Packed, HCP)

2 tomos

Cobaltoa Magnesio Titanioc Zinc Zirconioc

a. FCC (elevada temperatura) y HCP (temperaturas inferiores).c. BCC a elevada temperatura y HCP a temperaturas inferiores.

1100..11..11..22..CCrriissttaalliizzaacciinn

Nucleacin Formacin de partculas slidas ensitios preferenciales.

Granos Crecimiento de ncleos con estructuracristalina igual pero orientacin diferente.

Lmites de granoArreglos atmicos irregulares(defectos cristalinos) Se favorece la ocurrencia defenmenos que afectan las propiedades mecnicas.


3/15



3/15

1100..11..11..!!..DD""##""cctt$$ssccrriissttaalliinn$$ss Definicin: Errores en el arreglo peridico regular de los tomos del cristal que alteran las propiedades del material. Defectos + comnes:

Vacancias: Defecto puntual en el cual un sitios atmicos normalmente ocupados en la red carecen de un tomofacilitando la difusin de los tomos.

Defectos intersticiales: Defecto puntual en el cual un tomo se sita en intersticios (espacios normalmente

vacos) de la red, distorsionndola.

Dislocaciones:Defecto lineal que consiste en una regin distorsionada por desalineamiento de grupos adyacentes de tomos.

1100..11..11..%%..AAll""aaccii$$nn""ss Aleantes Elementos metlicos y no metlicos (Soluto) disueltos en la matriz (Solvente). Clasi#icacin&

Substitucionales:El soluto ocupa sitios en la red reemplazando algunos tomos del solvente base (Au en Ag, Cu en Ni). Intersticiales:El soluto se ubica en espacios vacos de la red entre los tomos de solvente (C, N, H en Fe).


4/15



4/15

Al"aci$n"s 'ulti#(sicas Los tomos de soluto no pueden disolverse completamente en el solvente Fases: Grupos de tomos o

estructuras cristalinas diferentes presentes en una misma aleacin Aleacin multifsica.1100..11..11..))..MMiiccrr$$""ssttrruuccttuurraa Definicin:Arreglo de los granos, lmites de granos y fases presentes en la aleacin. Determina Propiedades mecnicas.

Depende de Composicin qumica y tratamientos trmicos y mecnicos. SoldaduraAfecta localmente la microestructura. IdentificacinEvaluacin metalogrfica Pulido, ataque y examen microscpico (50X y 2000X).

Acero de bajo carbono Ferrita + Perlita. Aleacin Al-Si1100..11..22..TTRRAANNSS**OORRMMAACCIIOONNEESSDDEE**AASSEE1100..11..22..11..TT""''++""rraattuurraaccrr,,ttiiccaa Cambios de fase:

Fusin o solidificacin: Metales puros (Temp.

especfica), Aleaciones (Intervalo de temp). Cambio de estructura cristalina en edo. slido

Transf. alotrpica.

Temperatura crtica: Temp. a la cual ocurre un cambio de fase. Depende de comp. qumica, velocidad de

enfriamiento.

1100..11..22..22..DDiiaa--rraa''aass""##aass"" Representacin grfica de cambios de fase de un sistema de aleacin segn comp. qumica (X) y temp. (Y):

Aplicaciones: Establecer fases presentes, su

proporcin y composicin de cadauna a temp. especficas.

Predecir los cambios de fase queocurrirn con cambios en comp. y/otemp.

Limitaciones: Sist. binarios. Cond. de equilibrio.

Sistema de aleacin Cu-Ni.


5/15



5/15

Sistema Pb-Sn


6/15



6/15

1100..11..22..!!..TTrraannss##$$rr''aaccii$$nn""ss""##aass""""nn//ii""rrrr$$aacc""rr$$

Reacciones isotrmicas:

1) Peritctica (1492 C):Lquido +

2) Eutctica (1130 C):Lquido + Fe3C (Ledeburita)

3) Eutectoide (723 C):+ Fe3C (Perlita)

Transformacin + importante. Control de la transformacin

Base para los tratamientos

trmicos de endurecimiento delacero.


7/15



7/15

Transformaciones en equilibrio (Fases a temp. amb.): Ferrita.Solucin slida %C < 0,0022 en Fe . Perlita.Ferrita + Cementita (lminas alternadas). Cementita.Carburo de hierro (Fe3C).


8/15



8/15

Transformaciones fuera de equilibrio(Fases a Temperatura ambiente): Velocidad de enfriamiento desde el intervalo de temperatura austentico:

o Muy baja Las fases y cantidades relativas slo dependen de la composicin qumica.o Elevada Se suprime la descomposicin de la austenita.

Microestructuras por aumento progresivo de la velocidad de enfriamiento:o Aumenta el volumen de Perlita.o

Lminas de Perlita ms finas.o Formacin de Bainita en lugar de Perlita.o Formacin de Martensita.

1100..11..22..%%..DDiiaa--rraa''aassTTTTTTTTrraannss##..IIss$$ttrr''iiccaa33

Determinacin de los microconstituyentes avelocidades de enfriamiento rpido.

Descripcin grfica de la transformacin Perlita, Bainita, Martensita en funcin deltiempo y la temperatura.

Usos: Seleccin y diseo de los trat.trmicos de aceros.

Metalografa de muestras de aceroaustenizadas y mantenidas a T < TA1durante tiempos de reaccin especficos yposteriormente enfriadas hasta Tambiente

1100..11..!!..AAUUMMEENNTTOODDEELLAARREESSIISSTTEENNCCIIAAEENNLLAASSAALLEEAACCIIOONNEESS Deformacin plstica bajo la aplicacin de un esfuerzo:

Deslizamiento de planos:

Movimiento de dislocaciones:


9/15



9/15

Ductilidad Facilidad de movimiento de las dislocaciones. Resistencia / Dureza Medida de la resistencia del material a deformarse plsticamente. Aumento de la Resistencia / DurezaRestriccin de la movilidad de las dislocaciones mediante distorsin de la red

cristalina (Esfuerzos mayores para iniciar la deformacin plstica). Mecanismos para aumentar la resistencia de los metales (Mecnicos, Trmicos):

Por modificacin del tamao del grano Aleacin por solucin slida Por transformacin Por envejecimiento (Age Hardening) Por deformacin

1100..11..!!..11..EEnnuurr""ccii''ii""nntt$$++$$rr''$$ii##iiccaacciinn""llttaa''aa44$$""--rraann$$ Disminucin del tamao de grano Aumento del rea total de los lmites de grano. Lmites de grano Interfieren con el deslizamiento de los planos durante la deformacin plstica.

Ecuacin de HallPetch:y= I+ ky* d

-1/2

Donde:y = Resistenciad = promedio de granoIy ky= Ctt de la aleacin

Modificacin del tamao de grano: Velocidad de enfriamiento. Presencia de impurezas insolubles. Agitacin durante el enfriamiento (fragmentacin de cristales).

Recristalizacin.1100..11..!!..22..EEnnuurr""ccii''ii""nntt$$++$$rrss$$lluucciinnsslliiaa Aleantes Distorsin de la red Interfieren el movimiento de las dislocaciones. tomos que forman soluciones slidas substitucionales o intersticiales.

1100..11..!!..!!..EEnnuurr""ccii''ii""nntt$$++$$rrttrraannss##$$rr''aacciinn Distorsin de la red por formacin de Martensita. Martensita Solucin slida sobresaturada de C atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (HCP). Revenido:

TT de ductilidad y moderada de la resistencia. Recalentamiento del acero hasta una temperatura inferior a A1durante corto tiempo. Martensita Revenida: Carbono precipitado en forma de partculas diminutas de carburo.

Sistemas de aleacin Fe-C, Cu-Zn, Cu-Al


10/15



10/15

1100..11..!!..%%..EEnnuurr""ccii''ii""nntt$$++$$rr""nn55""66""ccii''ii""nntt$$ Distorsin de redPrecipitados finos dentrode

los granos. Ejemplos:Al-Cu, Cu-Be, Cu-Sn, Mg-Al, algunas

aleaciones ferrosas.

Condiciones de la aleacin: El diagrama de fases debe presentar reduccin en la solubilidad en estado slido a medida que la temperatura

disminuye. La matriz debe ser relativamente blanda y dctil y el precipitado duro y frgil. Debe ser templable. El precipitado debe ser coherente.

Proceso:

Tratamiento de solucin:Calentamiento hasta unatemperatura elevada Disolucin de la segundafase.

Templado:Enfriamientorpido Retencin de la

segunda fase en solucin atemp. ambiente.

EnvejecimientoCalentamiento a baja temperatura para producir el precipitado fino dentro de los granos. Sobreenvejecimiento:Calentamiento a Tiempo y/o Temperatura excesiva Engrosamiento del precipitado.

1100..11..!!..))..EEnnuurr""ccii''ii""nntt$$++$$rr""##$$rr''aacciinn

Endurecimiento por trabajo o por trabajo en fro Incremento de resistencia mediante deformacin plstica a

baja temperatura. Disminucin de ductilidad. Aumento de dislocaciones.


11/15



11/15

Recocido: Recuperacin: Elimina esfuerzos internos por

disminucin de dislocaciones (Difusin) sin cambiosmicroestructurales. Recristalizacin:Nucleacin y reemplazo de los

granos deformados por un conjunto nuevo decristales sin deformacin.

Crecimiento de grano:Aumento del tamao degrano (Difusin).

1100..22..MMEETTAALLUURRGGIIAADDEELLAASSOOLLDDAADDUURRAA

Modificacin de la composicin qumica Calor aportado:

Amperaje:A mayor amperaje Mayor calor Voltaje:A mayor voltaje Mayor calor Velocidad de soldadura:A menor velocidad Mayor calor

Velocidad de enfriamiento (Ve): Aporte de calor:A mayor aporte de calor Menor Ve Temperatura inicial del metal base:A mayor temp. (Precalentamiento) Menor Ve Espesor del material:A mayor espesor Mayor Ve.

1100..22..11..MMEETTAALLDDEESSOOLLDDAADDUURRAA Regin compuesta por metal base y metal de aporte fundidos durante la soldadura (Excepcin: Autgena). Comp. qumica Comp. qumica metal base + material de aporte (Dilucin: relacin entre las cantidades de metal

base fundido y material de aporte). Contaminantes: O2, N2, H2Proteccin inadecuada. Velocidad de enfriamiento muy elevada Reacciones qumicas que se inician en el metal fundido y en la escoria no

tienen tiempo para completarse.1100..22..11..11..SS$$lliiii##iiccaacciinn Inicio Descenso de temperatura del depsito por conduccin, radiacin y conveccin. NucleacinAparecen primero en la lnea de fusin (Temperaturas relativamente bajas). Crecimiento EpitaxialLas dendritas crecen con la misma orientacin cristalina que poseen los granos del metal

base parcialmente fundidos.

Efecto de la geometra de la junta

AdecuadaLos granos columnares empujan lasinclusiones hacia la superficie de la soldadura.


12/15



12/15

Relacin ancho/profundidad:< 1: Metal fundido remanente en el centro de la seccin

transversal> 1: Metal fundido remanente es rechazado hacia la

superficie.

Efecto de la velocidad de soldadura en la geometra del cordn Forma del depsito Depende de la velocidad de avance: Alta VelocidadAlargada Baja VelocidadElptica.

1100..22..11..22..EEnnuurr""ccii''ii""nntt$$""ll''""ttaall""ss$$llaauurraa1) Estructura de solidificacin del grano:Dendritas finas ramificadas que interfieren el movimiento de las dislocaciones.2) Por solucin slida: Presencia de elementos aleantes substitucionales e intersticiales Distorsionan la red.3) Por transformacin: La elevada velocidad de enfriamiento impide la descomposicin de la austenita y producemicroestructuras de dureza superior a la de las fases en equilibrio.4) Por precipitacin: El metal de soldadura de aleaciones endurecibles por precipitacin puede someterse a un proceso de

envejecido sin requerir el tratamiento de solucin previo.1100..22..22..77OONNAAAA**EECCTTAADDAAPPOORREELLCCAALLOORR77AACC33 Zona del material base adyacente al metal fundido cuya microestructura y

propiedades mecnicas se modifican por el calor generado durante la soldadura. Evaluacin Metalografa, Dureza. Cambios de microestructura y propiedades Varan con la distancia desde la

lnea de fusin. Microestructura, propiedades dependen de:

Ciclos trmicos Calor aportado, Temp. inicial (Controlables), Espesor. Estado original del metal base

EE##""cctt$$""llaass$$llaauurraa""nnllaa77AACCss""--88nnllaacc$$nniicciinn$$rrii--iinnaall""ll''""ttaall99aass""&&1100..22..22..11..EEnnuurr""cciiaass++$$rrss$$lluucciinnsslliiaa..

Efecto reducido de ciclos trmicos Microestructura y propiedades mecnicas prcticamente no resultan afectadas. Consecuencias: Crecimiento del tamao de grano cerca de la lnea de fusin

por las elevadas temperaturas. Zona de crecimiento del grano Ancho reducido.

Ejemplos: aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, acerosde bajo carbono laminado en caliente, aceros inoxidablesferrticos y austenticos.

Sistema Cu-Ni


13/15



13/15

Sistema Pb-Sn

1100..22..22..22..EEnnuurr""cciiaass++$$rr""##$$rr''aacciinn Efecto de la soldadura en la ZAC:

Recristalizacin de parte de la ZAC al alcanzar una temperatura superior a la de recristalizacin. Disminucin considerable de resistencia no recuperable por trat. trmico.

(A): Granos elongados por deformacin mecnica en el metal base sin afectar.(B): Granos finos equiaxiales donde la temperatura excedi la de recristalizacin.(C): Crecimiento de grano a mayores temperaturas cerca de la lnea de fusin.

Acero AISI 304:

1100..22..22..!!..EEnnuurr""cciiaass++$$rr""nn55""66""ccii''ii""nntt$$ TT de envejecimiento Solucin, templado y envejecido. Efecto:

Zona de Solucin: Se alcanz la temp. de solucin Una sola fase relativamente dctil por crecimiento de granos. Zona Sobrenvejecida: Calentamiento sin alcanzar la temperatura de solucin Engrosamiento del precipitado

original.


14/15



14/15

Mtodos para recuperar la resistencia de la ZAC: Emplear procedimientos de soldadura de bajo aporte de calor para minimizar la ZAC La temperatura no supera

la de envejecimiento (Las propiedades mecnicas no sern afectadas significativamente). Aplicar TT de resolucin, templado y envejecimiento Muy costoso y poco prctico. Reenvejecer la soldadura para recuperar la resistencia de la zona de solucin (No se recupera la resistencia de la

zona sobreenvejecida). Soldar el metal en la condicin de solucin y despus proceder al envejecido total de la soldadura.

1100..22..22..%%..EEnnuurr""cciiaass++$$rrttrraannss##$$rr''aacciinn Se incluyen los aceros al carbono:

Templados y revenidos. Sin tratamiento trmico previo pero con suficiente contenido de carbono y/o aleantes para transformarse en

martensita durante el enfriamiento de la soldadura. Dureza de la ZAC:

Indicador de la cantidad de martensita presente y del riesgo de agrietamiento. El agrietamiento es poco comn cuando la dureza es menor a 250 HB pero es usual se aproxima a 450 HB.

Efecto (Relacin entre el diagrama Fe-C y temperaturas mximas alcanzadas en la ZAC a diferentes distancias desdela lnea de fusin):

(1) Zona adyacente a la lnea de fusin: Austenizacin + Crecimiento de los granos a temperaturasaustenticas cercanas a la temperatura de fusin Se facilita la transformacin en martensita duranteel enfriamiento.(2) Austenizacin sin crecimiento de grano Puede ocurrir la transformacin martenstica si lavelocidad de enfriamiento y/o el contenido de aleantes son lo suficientemente elevados.(3) Transformacin parcial en granos finos de austenita.(4) No ocurre transformacin austentica.

1100..22..!!..MMEETTAALL::AASSEE Soldabilidad:

Capacidad de un metal o combinacin de metales de unirse mediante soldadura empleando un determinadoprocedimiento de soldadura.

Desempeo satisfactorio bajo las condiciones de servicio requeridas. La soldabilidad de las aleaciones depende del procedimiento de soldadura. La mayora de los metales comerciales son soldables.

1100..!!..AAGGRRIIEETTAAMMIIEENNTTOOEENNSSOOLLDDAADDUURRAA1100..!!..11..AAGGRRIIEETTAAMMIIEENNTTOOEENNCCAALLIIEENNTTEE Dnde?Metal de soldadura.

Cundo?Se produce durante el enfriamiento antes de alcanzar la temperatura ambiente. Cmo? Presencia de fases o compuestos de bajo punto de fusin (S y P en aceros o Pb y Cu en aleaciones de Al). Esfuerzos internos por expansin y contraccin del metal.


15/15



15/15

Prevencin Evitar el empleo de materiales susceptibles (Ejemplo: aceros con alto contenido de S). Minimizar la rigidez excesiva de los componentes. Seleccionar apropiadamente el material de aporte considerando su dilucin con el metal base. Evitar la contaminacin del metal base y de aporte con grasa, pintura, etc.

1100..!!..22..AAGGRRIIEETTAAMMIIEENNTTOOEENN**RROO Dnde? ZAC. Cundo?Despus de alcanzar la Tamb.

Cmo? Presencia de hidrgeno. Microestructuras de frgiles. Esfuerzos en la soldadura.

Hidrgeno en la soldadura Grasa, aceite o humedad en la superficie del metal base o material de aporte. xidos superficiales porosos. Humedad en el revestimiento de los electrodos, fundentes para soldar, gases de proteccin o en la superficie de la

pieza a soldar.

Microestructuras susceptibles Mientras mayor sea la dureza del cordn y de la ZAC

mayor ser el riesgo de agrietamiento Martensita Estructura con mayor tendencia por su

elevada dureza.

Esfuerzos

Los esfuerzos en el material soldado ocurren siempre debido a la expansin y contraccin que atraviesa el acerocomo consecuencia de su calentamiento y enfriamiento no uniforme. Los esfuerzos se incrementan con la rigidez y el diseo de la junta.

Prevencin Evitar fuentes de contaminacin de hidrgeno en la junta a soldar y en los materiales de aporte. Utilizar electrodos y fundentes de bajo contenido de hidrgeno El almacenamiento y manejo de este tipo de

materiales requiere de cuidado para evitar que estos absorban humedad. Controlar las variables del procedimiento para evitar la formacin de microestructuras frgiles velocidad de

enfriamiento (aporte de calor, temperatura de precalentamiento, temperatura entre pases) y tratamiento trmicopostsoldadura.

Evitar la rigidez excesiva de las piezas a soldar y desaIineamiento que pudiese originar elevadas concentracionesde esfuerzos.

CAPÍTULO 10.- Metalurgia de La Soldadura

Documents

Transcript of CAPÍTULO 10.- Metalurgia de La Soldadura