INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE LA

SOLDADURA

Zonas Metalúrgicas

La zona compuesta La zona no mezclada La intercara de la soldadura La zona parcialmente fundida La zona térmicamente afectada El metal base no afectado

M et a l f u n d i d o

Zona parcialmente fundida

Intercara de la soldadura

Zona témicamente afectada, ZAC

Metal base

Zonas Metalúrgicas

DESARROLLO DE LA ESTRUCTURA DE LA SOLDADURA Y SUS

PROPIEDADES SOLIDIFICACIÓN DEL POSO DE

SOLDADURA.PARAMETROS QUE DETERMINAN LA MICROESTRUCTURA DE

LA ZONA DE FUSIÓN

La tasa de crecimiento RS. El gradiente de temperatura G. El subenfriamiento T, y La composición de la aleación.

GRS 102 a 107 ºC/s.

Nucleación

2316

*v

SL

GG

donde G* es energía libre de formación, SL es la tensión superficial entre el sólido y el líquido y GV es la energía libre de solidificación por unidad de volumen

G*het = G* f()

CrecimientoSólido

LíquidoSólido

Líquido

Posibles morfologías estructurales durante la solidificación: (a) crecimiento de frente plano; (b) crecimiento celular; (c) crecimiento celular dendrítico; (d) crecimiento dendrítico equiaxial. (Jennings y lewis)

Morfología de los granos

Parámetro de solidificación G/ R

Equiaxial dendrítico Columnar dendrítico

Celular dendrítico

Celular

PlanarCon

teni

do d

e so

luto

, C

o

Dependencia del modo de solidificación como una función del parámetro G/√R para diferentes concentraciones de soluto

Morfología de las dendritas

Fotomicrografía electrónica de un cristal simple de una aleación de níquel en la que se muestra el desarrollo de dendritas primarias, secundarias y terciarias en una soldadura de haz de electrones

Formas de crecimiento granular en las soldadurasde las

RS TASA DE CRECIMIENTOGL GRADIENTE DE REMPERATURA

Estructura granular

5 mm

Geometría del poso de soldadura

n3 = qo v/ 4π α2 (Hm - Ho)

Donde qo es la potencia del arco, v es la velocidad de soldadura, α es la difusividad térmica del metal base y (Hm – Ho) es el contenido de calor por volumen unitario a la temperatura de fusión.

Cuando n3 tiene valores altos, el poso de soldadura adquiere la forma de gota

Valores bajos de n3 indican que el poso de soldadura tiene una forma más elíptica.

Geometría del poso de soldadura

Factores importantes Fuerzas de flotación

Fuerzas de tensión superficial dγ/dT

Geometría del poso de soldadura

Fuerzas electromagnéticas

Forma dominante de transferencia de calor Conducción Convección

Formas características del poso de soldadura

a) Baja velocidad

b) Velocidad intermedia

c) Velocidades rápidas de soldadura

Velocidades de solidificación y enfriamiento en la zona fundida

TL: Temperatura de líquidus

TS: Temperatura de sólidus

RH: velocidad de crecimiento

W: Ancho del pos d soldadura

W

RHSLs

T-T V

W

Microstructura del poso de soldadura en aceros de baja aleación.

Formaciones ferríticasFerrita ideomórfica (a)Ferrita alotriomórfica (a). “partícula de una fase que no tiene un forma externa regular” Ferrita acicular (aa) significa que tiene forma de agujas, 40 a 80 m

Ferrita de Widmanstaetten (aw): simetría que sigue 3 ó 4 direcciones privilegiadas Martensita (a’)Austenita retenida (g’)

Perlita degenerada (P)

Microstructura del poso de soldadura en aceros de baja aleación.

Ferrita en el límite de grano (ferrita alotriomórfica

ferrita de Widmanstaetten

Ferrita acicular

Ferrita poligonal

Metal soldado ZAT

martensita

bainita superior

bainita inferior

Formación de la estructura de Widmanstaetten

Estructura de Widmanstaetten en la soldadura oxiacetilénica de acero de

0.15% C

a) incompletamente formada b) completamente formada

Evolución de la microestructura en el metal soldado.

(a) formación de inclusiones

(b) solidificación del metal líquido para formar ferrita d

(c) región austenítica simple

(d) ferrita alotriomórfica

(e) placas laterales de ferrita de Widmanstatten

(f) ferrita/ bainita acicular

LA ZONA TÉRMICAMENTE AFECTADA

MJ/m q/vorFlujodecal

VIq

t

Tk

z

T

y

T

x

T

22

2

2

2

2

2

Proceso

SMAW 0.7 - 0.85

GTAW (argón) 0.22 - 0.48

GMAW (argón) 0.66 - 0.75

SAW 0.90 - 0.99

CICLO TÉRMICO DE LA ZAT

y

z

x

Dirección de la fuente de calor

Fuente de calor

Plano de simetría

vtx

t

Tk

Tkv

z

T

y

TT

222

2

2

2

2

2

Ciclo Térmico De La ZAT

T

kvz

T

y

TT2

2

2

2

2

2

2

(a) (b)

(a) flujo de calor tridimensional y (b) flujo de calor bidimensional

Ciclo Térmico De La ZAT

Placa gruesa

t

r

kt

vqTT

4exp

2

/ 2

0

t

r

tckd

vqTT

p 4exp

)4(

/ 2

2/10 Placa fina

158 2

/

kvq

t

22

2

2

584

)/(

dck

vqt

p

2/1

1073

1

773

1*

2´

oop TTvc

qd

Propiedades físicas de algunas aleaciones metálicas

Material Calor específico volumétrico

rcp(J m-3 K-1)

Difusividad térmica

a (m2 s-1)

Conductividad térmica

k (J m-1 s-1 K-1)

Temperatura de fusión

(K)

Aluminio 2.7 x 106 8.5–10 x 10-5 229.0 933

Acero al carbono 4.5x 106 9.1 x 10-6 41.0 1800

Acero 9 % Ni 3.2 x 106 1.1 x 10-5 35.2 1673

Acero austenítico 4.7 x 106 5.3 x 10-6 24.9 1773

Inconel 600 3.9 x 106 4.7 x 10-6 18.3 1673

Aleación de titanio 3.0 x 106 9.0 x 10-6 27.0 1923

Cobre 4.0 x 106 9.6 x 10-5 384.0 1336

Monel 400 4.4 x 106 8.0 x 10-6 35.2 1573

Ciclo Térmico De La ZAT

0 5 10 15 20 25

TIEMPO (S)

0

400

800

1200

1600

TE

MP

ER

AT

UR

A (

ºC)

4 mm

5 mm

6 mm

Efecto de la velocidad de enfriamiento sobre el desarrollo de la microestructura

en la ZAT

Diagramas CCT de soldadura para el acero AISI C1318 y para el metal de

soldadura

Crecimiento del tamaño de grano

Efecto combinado del tiempo y de la temperatura sobre el crecimiento del tamaño de grano en un acero de bajo

contenido de carbono

Granos gruesos (en %)

Tiempo (h)

100

80

60

40

20

1050 ºC1100 ºC

1150 ºC

1200 ºC1250 ºC1300 ºC

EFECTO DEL RECALENTAMIENTO EN SOLDADURAS DE CORDONES

MULTIPLES

Influencia de las pasadas sucesivas sobre la variación de la dureza de la zona

sobrecalentada