CONCEPTOS GENERALES Soldar: es la unin de 2 o ms piezas de metal por aplicacin de calor presin o ambos, con o sin adicin de metal de aportacin, para producir una unin localizada por fusin, o recristalizacin, o a travs de la intercara. Clasificacin de las soldaduras, se pueden clasificar segn: - Los procesos fsicos de unin implicados - Clase y tipo de energa: trmica, mecnica, reaccin qumica, etc. - Medios de proteccin: segn la proteccin atmosfrica mientras se suelda o Vaco: muy difcil, se hace en soldadura por haces de electrones. o Gas inerte: se rodea con manguera de gas inerte la soldadura (N2, mezclas con H2 en ciertos casos), se pueden utilizar tambin gases activos que favorecen la qumica de la soldadura. o Proteger con flux: sustancias que forman escoria y protegen el metal. Segn AWS - Soldadura por fusin: energa elctrica, qumica o radiante (welding) - Soldadura fuerte y blanda: se funde el material de aporte y no el metal base (el material de aporte tiene menor punto de fusin que el metal base). o Brazing: soldadura fuerte > 450 C o Soldering: soldadura blanda < 450 C. Por ejemplo estao, el metal entra por capilaridad en un espacio estrecho - Soldadura en estado slido: se hace por recristalizacin.

Terminologa Borde de la cara (o acuerdo) Metal base Cordn de soldadura

Cara del cordn (parte ancha) Bao de fusin: cuando est fundido, y slido tambin se le llama as ZAC: zona afectada por el calor o ZAT (trmicamente), en ingls HAZ Bordes del chafln Raz del cordn (parte estrecha)

Lnea de fusin, hasta donde llega la fusin

Borde de la raz (o acuerdo)

Tipos de unin: A tope En esquina En T A solape

Tipos de soldadura:

Unin a tope con soldadura sin preparacin de bordes

Con preparacin de bordes

Soldadura en ngulo simple de una unin T

Soldadura en ngulo doble

Soldadura de penetracin total de una unin en T. (con refuerzo)

Soldadura en tapn: 2 chapas solapadas con un agujero donde se deposita la soldadura

Soldadura en ngulo en una unin a solape

Soldadura de bordes levantados, se utiliza en chapas muy finas donde hay que usar TIG. El propio metal base sirve de aporte.

1

Soldadura por puntos. Se hace con resistencia elctrica Segn la penetracin:

Soldadura por costura

Soldadura de recargue, el material se recarga para hacerlo ms resistente o para recuperar una capa protectora p.ej. acero inoxidable

Penetracin total Penetracin parcial Penetracin parcial a dos capas Existen aplicaciones que no hace falta preparacin de bordes. Ahorramos material porque hacemos menos pasadas. Pasada de respaldo o de soporte: evita problemas de descuelgue. El respaldo tiene la funcin de soportar el bao de fusin. Hay respaldos fijos que quedan en el material pero pueden dar problemas como formacin de entallas. Los hay temporales, por ejemplo cermicos, de flux, o de cobre refrigerado. Otra solucin es dar primero una pasada menos agresiva con otro mtodo de soldeo que despus servir de respaldo a las posteriores. sta es la pasada de respaldo. Soldadura por el reverso con resanado de la raz: Las races son zonas difciles de soldar, hay fugas de corriente, etc. Pueden darse defectos en la raz. Por eso se hace la pasada de raz, se sueldan todas las pasadas, despus eliminamos la zona de raz se limpia y se le da la vuelta y volvemos a soldar solo esa zona

Posiciones de soldeo (4 posiciones):

Sobremesa o plana

En cornisa u horizontal

Bajo techo (la ms difcil)

Descendente o ascendente180

Estas posiciones quedan definidas por la norma con 2 parmetros: - ngulo longitudinal de la soldadura con la horizontal - rotacin de la cara sobre el eje longitudinal0 360

90 0

270

Diseo de la junta: se preparan los bordes para poder penetrar todo el material Consideraciones: - de servicio: capacidad de soportar esfuerzos y medios a los que se han de someter - de ejecucin: ha de ser accesible ( para ejecutar e inspeccin) - coste: o lo que cuesta preparar los bordes (mano de obra) o lo que cuesta el material de aportacin (la ms importante) se utiliza la menor cantidad posible con diferentes espesores la unin se disea con respecto al elemento de menor espesor.

Los factores que influyen en el diseo son: - Proceso de soldadura o Penetracin, fundir en profundidad o Tasa de deposicin, material depositado por unidad de tiempo o Calidad - Tipo de material a soldar o Conductividad trmica o Temperatura de fusin - Espesor: geometra de los bordes - Geometra de la pieza: para hacer uniones en T, a tope, etc.

2

Preparacin de bordes: Sin preparacin de bordes (en espesores pequeos)

Apertura de raz (de 05 a 3 mm.)

Por un solo lado

Por los dos lados

A menor apertura de raz menor penetracin, y con mayor apertura mayor peligro de que se descuelgue el bao muy peligroso porque presenta Tambin tiene peligro de entalla (riesgo de fatiga) fatiga Con electrodo revestido SMAW se puede llegar por un solo lado a una profundidad de 4 mm. Con arco sumergido de 6 a 8 mm. Preparacin de bordes de V.

R

En canto vivo

T

Con taln, retiene el bao fundido

Parmetros: taln y apertura de raz Debe existir un compromiso entre los 2 que permita un acceso fcil a la raz de la soldadura, si se cierra hay que R = 3 15 mm abrir R.

= 20 70

Espesores pequeos Espesores grandes

R

Esta preparacin de bordes se suele realizar con oxicorte. No exige soldar por los dos lados, por los 2 si hacemos una limpieza de raz. Como inconveniente tiene que produce un cordn asimtrico. La soldadura produce o bien distorsiones o tensiones residuales (si no tiene libertad de movimientos)

Las contracciones son diferentes arriba y abajo

Como consecuencia se curva la chapa Para evitar esto se hace una presentacin falseada antes de soldar. Se empieza a soldar con un ngulo que compense luego la deformacin.

Preparacin de bordes en X. Canto vivo e -R-

Con taln (soporta el bao fundido)

2/3 e 1/3 e

Puede ser una X asimtrica (con o sin taln), se hace por varias razones: facilidad para hacer toma de raz y as podremos obtener con el resaneado una X simtrica. Existe el inconveniente de que hay que soldar por los dos lados.

En X el cordn es simtrico, en V no, entonces en X las tensiones estm ms compensadas y el riesgo de deformacin es menor. Otra ventaja es el menor consumo de material que tiene la preparacin en X frente a la preparacin en V.2 1 2 1 4 3

Preparacin de bordes en U. =10

Preparacin de bordes en doble U Con esta preparacin se disminuye el volumen de la entalla y se consume menos material. El problema es la preparacin, necesita realizarse por mecanizado.

rT pestaa

3

Preparacin en bisel. Se prepara un chaflan en uno solo de los lados. Puede tener o no taln. Se suele utilizar cuando se suelda en cornisa pues se funde fcilmente en la cara sin chaflan y se mantiene bien el fundido, sin caerse. Tambin se usa en uniones en T y uniones en esquina (penetracin total).

Preparacin en doble bisel. Tiene las mismas ventajas que X, cordn simtrico, menos material, etc.

Preparacin de biseles en J o doble J.

Soldaduras en ngulo. No tienen preparacin de bordes. En principio es ms econmica, se aplica a uniones en T, uniones a solape y uniones en esquina.

Se suele aplicar cuando va a haber esfuerzos en sentido longitudinal al cordn o esfuerzos transversales estticos. La geometra del cordn no est condicionada por el espesor de las chapas. Su resistencia va a depender de su geometra. Su resistencia va a depender de su geometra. No hace falta un metal con resistencia especial (mayor que el metal base). La unin viene definida geomtricamente por las siguientes dimensiones: lado lado Garganta Garganta efectiva efectiva lado lado

Se traza el tringulo recto que podemos inscribir en el cordn, se define entonces la garganta efectiva y el lado (nos da la seccin resistente del cordn. Los cordones que mejor se comportan son los simtricos (45) y con un lado Material igual a del espesor del elemento del menor espesor y con la cara ligeramente desperdiciado convexa. Demasiado convexa generamos una entalla adems de desperdiciar entalla material. Las uniones en ngulo pueden ser continuas o discontinuas. Puede ser soldadura en ngulo simple o doble ngulo. en ngulo simple estn totalmente prohibidas cuando la unin va a doble simple estar sometida a esfuerzos cclicos perpendiculares a la unin, o esfuerzos en sentido horario (producira desgarro), o impactos fuertes (efecto entalla). En doble ngulo se solucionan estos problemas. As si que valdra soldadura simple

4

SIMBOLIZACIN DE LA SOLDADURA en planos. (segn AWS A2.4-93 y con la UNE 22553-95) Lnea de referencia: lnea horizontal sobre y bajo la cual se coloca la informacin sobre la geometra de la unin y sus dimensiones. Flecha: indica la posicin de la soldadura en el plano. Nos dice donde est situada la soldadura

Taln o cola: la flecha puede llevar o no taln, el taln se pone si hay informacin (si se va a realizar toma de raz, etc.)

La informacin que va sobre y bajo la lnea de referencia se lee siempre de izquierda a derecha independientemente de donde est la flecha. Cuando la informacin est bajo la lnea de referencia la cara de la soldadura est del lado de la flecha. Y cuando la informacin est sobre la lnea de referencia la cara de la soldadura est del otro lado de la unin soldada del que se encuentra la flecha.L.F. L.F. O.L.F O.L.F L.F. O.L.F O.L.F L.F.

A: apertura de raz B: ngulo de la entalla C: informacin sobre la forma de mecanizar el terminal. F-G D - (E) D: profundidad de la entalla. H E: penetracin del cordn. (N) F: longitud del cordn o cordones G: paso del cordn. N: cuando es una soldadura por puntos, nmero de puntos Si estn los dos nmeros D y E no es necesario parntesis C B {A} 18 - (20) 18 18 20 18 (18) { } (18) { }

Si F G no estn presentes se supone que hay que soldar todo continuamente 10 10 100 150 10 150 H: informacin suplementaria. 100

Smbolos bsicos

En smbolos asimtricos la lnea recta se dibuja a la izquierda. Se trunca la flecha para indicar que se prepara el elemento de la derecha en este caso.

La flecha seala el lado que se prepara

5

Soldaduras en nguloDebajo, cordn del lado de la flecha encima, cordn del otro lado de la flecha

Cuando los cordones no son continuos podemos encontrarnos con 2 circunstancias

enfrentados

alternados

Soldadura de tapn

Soldadura por puntos

Soldadura por resistencia

Soldadura por costura

Puede tener 2 significadosSoldadura de respaldo Toma de raz

Primero damos una pasada que sirve de respaldo para el resto de la soldadura

Primero soldamos, despus saneamos y al final soldamos por abajo

Soldadura de recargue

Soldadura de bordes levantados

Smbolos suplementarios

Soldadura todo alrededor Las soldaduras deben realizarse en el montaje. No es para realizar en el taller, sino cuando se haga el montaje final.

Rellenamos todo el permetro de alrededor

6

El semicrculo significa que la soldadura es de penetracin total. Se suele poner cuando se exige un sobreespesor en la raz. En general no se pone pues ya se sobreentiende que es penetracin total Colocacin de un respaldo permanente.El respaldo de acero se funde parcialmente y queda permanente (mala solucin).

Signo ligeramente diferente, para chapas finas. El material de aporte es el resalte levantado, y como es de penetracin total al final queda la chapa sin el resalte

Soldadura con respaldo no permanente RTras soldar se elimina el respaldo

Colocacin de un separador

Para representar la forma del terminado de la caraR

Indica un rectificado para dejar plana la cara de la soldadura

Indica que la soldadura en ngulo debe quedarle la cara cncava

Smbolos combinados: en una misma lnea de referencia se pueden combinar varios smbolos, la informacin se lleva a varios puntos.3 3 en ngulo 1 en bisel 2 en ngulo 1 2

Tambin podemos tener una lnea de referencia con varias flechas: entonces la informacin de la lnea de referencia se lleva a varios puntos

Y podemos tener varias lneas de referencia: se empieza a soldar siempre por la lnea de referencia ms prxima a la punta de la flecha 3 1 2 2 1 3 Toma de raz

respaldo

Representacin con dimensiones.60 4 4 6 L/2 L/2

45

45 (4) 60 60 (4) 3 45 3 45

7

45 18 18 10 13 4 10-13 60 3 3 4 18 -(22) 45 45 3 45

60

24 15 24 2

15Toma raz

12 12 8 Cordn simtrico Cordn asimtrico

12

15Preparacin de bordes en J

24 2 24 12a8 b12

10 10

50 100 50 100 100 50 50

10 10

100 200 100 100 200 100

15 60 6 10 6 10 16 6 6 15 60 15 3 60 8 25 8 8 15 8 15

8 60

3 60 8

60

60

60

8

10 10 15 15

15 8

TIG 6 (9) Anchura del punto Nmero de puntos en el espacio 400 50

Soldadura por puntos

6

50 50 400

8

Diferencias entre normas UNE y AWS: En la UNE para indicar el lado de la flecha se utilizan 2 lneas de referencia: una continua y otra a trazos. Si el smbolo est sobre la lnea continua se refiere al lado de la flecha. Si est sobre la de trazos se refiere al otro lado de la flecha. La posicin de la lnea de trazos no tiene significado.

Si la soldadura es simtrica no se coloca lnea de trazos: Para soldaduras en ngulo: s15 z10 s a z Cuando los cordones son alternados: nx nx (e) (e) N = nmero de cordones = longitud de cordones e = distancia entre extremos de cordones n x (e)

9

METALURGIA DE LA SOLDADURA. Solidificacin del bao de fusin: es un proceso que transcurre en 2 etapas: Nucleacin. Crecimiento. Nucleacin, tendremos 3 tipos: - Homognea, se da donde hay unas barreras de energa que hay que superar. Para ello necesitamos unos grados de subenfriamiento elevados, T. Se da en metales puros. - Heterognea, se ayuda de una superficie slida ya existente. La energa de la interfase slido-lquido es menor, T. Se da en aleaciones. - Epitxica, es un tipo de nucleacin heterognea, se apoya en un sustrato pero este sustrato es de la misma naturaleza que el metal a solidificar. Los tomos se van depositando unos encima de otros sin necesidad de subenfriamiento. No hay barreras energticas que superar, T=0. Este tipo de nucleacin se da mucho en soldadura. En soldadura casi siempre se sigue una solidificacin epitxica, en esta nucleacin si el sustrato (material base) tiene un tamao de grano grande, el lquido cuando solidifique sobre l tendr un tamao de grano semejante. La solidificacin nos condiciona las propiedades del cordn. El tamao de grano est condicionado por la T y tiempo que permanece a gran T. Tenemos granos grandes si estamos aportando mucha energa, ya que permaneceremos con crecimiento. En ocasiones en las ltimas etapas de solidificacin dependiendo de las condiciones de enfriamiento y solidificacin se nos puede dar una nucleacin heterognea. Crecimiento del cristal: influido por factores intrnsecos y extrnsecos. - Intrnsecos: los cristales tienen direcciones preferenciales de crecimiento, que son las direcciones al plano de menor empaquetamiento. - Extrnsecos: el cristal crecer por donde haya el gradiente trmico mayor, donde enfre ms rpido: es el camino a las isotermas.. La velocidad de crecimiento est condicionada por la direccin preferente de crecimiento y por la a las isotermas. La mayor velocidad de crecimiento de grano se da por estos dos caminos. En la forma de crecer el grano tambin influye el grado de subenfriamiento constitucional. El G.S.C. est ligado a la concentracin de los solutos segregados del lquido que se encuentra en la interfase slido-lquido. Subenfriamiento constitucional: depende de - concentracin de solutos en el lquido de delante de la interfase slido-lquido - el gradiente de T en la misma zona. Supongamos una solidificacin unidireccional: El lquido alrededor de del slido se enriquece en Q antes de solidificar, delante de la interfase. A lo largo del proceso se va obteniendo un lquido cada vez ms rico en Q. concentrado lquido b c eExtraccin de calor

concentrado slido ........................ a solidificacin ........................ ........................ d b

LT

b, partimos deeste lquidoVariacin de composicin del lquido que an no solidific

S+Le

slido

Lquido de composicin P+Q

Q

c aQ Q

=a %P d

Sb c e %Q

Aleacin de composicin P+Q b es ms rico en Q que a ya que a segrega a Q en su entorno.%Q (Composicin)Lquido con composicin original b

Al ir avanzando el proceso de solidificacin llega un momento en que se alcanza un rgimen estacionario y se obtiene un slido con la composicin del lquido original b. Adems el lquido que est alejado de la interfase al no estar influenciado por las segregaciones tambin tiene una concentracin b. La temperatura real del lquido va aumentando al alejarse de la interfase. El lquido est a menor temperatura que el slido est subenfriado. Es un subenfriamiento afectado por la segregacin.

distancia

T

Regin de subenfriamiento constitucional

Temperatura del lquido Temperatura de solidificacin

S+L

L

distancia

1

T G1 G2 G3 G4

podemos tener distintos grados de subenfriamiento cuanto menor pendiente tengamos mayor grado de subenfriamiento

G=distancia

esto nos va a dar las diferentes formas de crecimiento del grano en la soldadura

T x

Crecimiento por frente plano G1: cualquier lquido por delante de la interfase tiene unas temperaturas mayores que la del slido no est subenfriado. Si por cualquier motivo se forma una protuberancia en el frente de solidificacin, se disolver ya que est a mayor temperatura que la de solidificacin. El frente de solidificacin se desplaza paralelo a si mismo. Es una solidificacin por frente plano y no tiene subenfriamiento.

Ts

Crecimiento celular: G2: zona estrecha subenfriada con grado de subenfriamiento pequeo. Se forma una protuberancia estable. Adems se forman segregaciones en la protuberancia. El lquido que le rodea es ms rico en Q la temperatura de solidificacin desciende, al final queda un lquido con segregaciones. Al final quedar un slido con una especie de dedos que no se unen debido al lquido segregadoTS TS

Crecimiento dendrtico columnar: G3: mayor subenfriamiento, zona de subenfriamiento amplia. T1 R2 > R3

entonces

G1 G2 G3 > > R1 R2 R3

Adems el % de soluto delante de la interfase slido-lquido nos determina el grado de subenfriamiento. La mayor concentracin ser en 3: S1 < S2 < S3 La direccin de crecimiento depende no solo del subenfriamiento constitucional sino tambin del gradiente trmico delante de la interfase y de la velocidad de crecimiento impuesta al cristal.% soluto (T constitucional) Crecimiento dendrtico equixico Crecimiento dendrtico columnar Crecimiento celular Crecimiento por frente plano

El % soluto nos sirve de medida del subenfriamiento constitucional. Entonces en la zona 1 estamos en una zona de frente plano. A medida que avanza la solidificacin (hacia el punto 3) nos movemos hacia una zona de crecimiento dendrtico equixico. Si las condiciones de enfriamiento lo permiten tendremos en el centro del bao un crecimiento dendrtico equixicoG R

Bao fundido

Adems vamos a tener un crecimiento competitivo condicionado por las direcciones de gradiente trmico mximo y por las direcciones de empaquetamiento. Los mejor orientados en el gradiente trmico mximo son los que ganan en el crecimiento y Metal ocupan el lugar a los peor orientados. base

Lnea fusin

Bao de fusin

microsegregacin intercelular Crecimiento por frente plano

foto El proceso de solidificacin del bao de fusin se inicia por nucleacin epitxica sobre los granos del metal base que limitan con la lnea de fusin. El comienzo del crecimiento de los cristales es relativamente lento, formando, en principio, una interfase plana y evolucionando a celular fina. La etapa intermedia del crecimiento es celular dendrtica, conduciendo por medio de un crecimiento competitivo a cristales columnares que se desarrolla en la direccin , en el caso de una estructura cbica. La etapa final est asociada con una velocidad de crecimiento elevada, dependiendo de las condiciones de soldadura puede llegar a desarrollarse una estructura equiaxial en el centro del bao.

Lnea de fusin

Diapositivas: Crecimiento a partir de granos ya existentes (crecimiento epitxico). En el bao de fusin tenemos microsegregacin. Cuando hay crecimiento por frente plano, cerca de la lnea de fusin no se distingue la microsegregacin. Cuando se da una segunda pasada hacemos desaparecer la microsegregacin pues ahora es la ZAC (no se funde) y el calor la homogeiniza, se distingue porque los granos son columnares. Si hay varias pasadas, como los granos crecieron en la primera, en la segunda sern mayores ya que tendremos un crecimiento columnar a partir de granos mayores. La primera pasada siempre tendr menos segegacin que la segunda ya que esta ltima homogeiniza a la primera. Cuanto ms pequeos son son los granos de la ZAC ms pequeos son los granos del bao fundido. Si se enfra muy rpido (velocidad de soldeo elevada) se forman en el centro del bao granos equixicos, pues se logran unas condiciones de subenfriamiento muy grandes.

Microsegregacin interdendrtica

3

CICLO TRMICO EN SOLDADURA POR FUSIN: Cuando se suelda un punto las isotermas tienen forma circular. Pero en soldadura la fuente trmica est en movimiento, por lo que se deforman las isotermas y se alargan. No se alcanza un rgimen estacionario pero s cuasiestacionario que se caracteriza porque todos los puntos que se encuentran a la misma distancia del cordn de soldadura sufren el mismo ciclo trmico (velocidad de calentamientoenfriamiento). Es decir las condiciones trmicas alrededor de la fuente viajan con ella. Existen diferencias entre el ciclo trmico convencional y el ciclo trmico en soldadura: - T mxima alcanzada: en soldadura se alcanzan temperaturas prximas a la de fusin, mayores que en las de tratamientos trmicos convencionales. - Velocidades de calentamiento y enfriamiento impuestas son muy elevadas y esto supone que se producir un retraso en las transformaciones en nucleacin y crecimiento tanto en el calentamiento como enfriamiento. Es como si se desplazasen las curvas TTT a la izquierda.T T Ciclos trmicos de la zona de soldadura 1 2 3 t 321 y Temperatura de transformacin (zona afectada)

TtRosenthal (ciclo trmico) T ( y, t ) = QJ m2

Q

[ ]; y[m]; [ ]; C[Kg m3

C 4 tJ

y2 exp 4 t Kg C

]; [ ]m2 s

Parmetros de inters: - Velocidad de calentamiento (poco inters) - Temperatura mxima que se alcanza en un punto determinado. - Velocidad de enfriamiento (mucho inters): es la pendiente de la curva del ciclo trmico (derivada). Disminuye a medida que transcurre el tiempo. - Tiempo que tarda en enfriar entre dos temperaturas determinadas. En los aceros se suele utilizar el t8-5. t8-5: tiempo que tarda en enfriar la aleacin desde los 800 hasta los 500 C (tiene que experimentar la transformacin en perlita proeutectoide y eutectoide, por debajo de un tiempo no se dara, p.ej: nos lo pueden acotar entre 2 temperaturas para que de la transformacin y no se ablande demasiado) Factores que influyen sobre las caractersticas del ciclo trmico - Conductividad trmica del material a mayor conductividad los puntos ms alejados alcanzan una myor temperatura y tambin se enfra ms rpido - Caractersitcas de la fuente trmica: la potencia calorfica la eficacia de la fuente, cuanta energa de la suministrada por electricidad se aprovecha para la soldadura focalizacin: vatios por unidad de rea que es capaz de suministrar. Es la densidad superficial de energa. Los mtodos de soldeo de alta energa tienen una mayor focalizacin, esto significa que se aportar a lo largo de todo el proceso menos energa. Cuanto mayor focalizacin mayor penetracin y velocidad de soldeo. El crecimiento de grano ser menor cuando la fuente sea de alta focalizacin pues se suelda ms rpido, se calienta ms rapido y enfra ms rpido por lo que no da tiempo a crecer los granos. La anchura de la ZAC ser menor - Condiciones de soldeo La temperatura de precalentamiento, que tendra la pieza antes de soldar El tipo de unin, considerando que la mayor parte del calor se evacua por el metal (mejor conductor). Cuanto ms direcciones de enfriamiento ms evacuacin (p.ej: unin en T enfra ms rpido) Espesor, a mayor espeso mayor extraccin de calor, velocidad de enfriamiento ms elevada. PARMETROS DEL CICLO TRMICO Energa aportada (heat input):

E=

V I v

V = voltage

I = intensidad

v = velocidad de soldeo

Trabajamos en sistema internacional pero en lugar de metros usamos milmetros. VI es la potencia. J C voltiosamperios C J = mm s = mm mm Unidades de E: energa que aportamos por unidad de longitud de cordn.s s

Energa neta:

En = f

V I v

f : factor de eficacia d el proceso =

energa transferid a a la pieza energa generada por la fuente de calor

4

SMAW (el. revestido) SAW (arco sumergido) ESW (electroescoria) TIG (tungsteno) MIG (consumible) EBW (haz electrones) LBW (lser)

f 0.65 0.85 0.8 0.99 0.55 0.82 0.2 0.8 0.65 0.85 0.8 0.95 0.005 0.7

En (KJ/cm) 5 30 10 100 50 100 3 15 5 30 15 15

Cuanto ms focalizacin, se calienta ms rpido y por lo tanto aportamos menor energa. El ms energtico es ESW y puede dar problemas de crecimiento de grano

Problema 1: calcular la energa neta aportada durante la soldadura de una chapa de acero por GMAW usando una corriente de 20 A de intensidad y 30V de voltaje, si la velocidad de soldeo es 5 mm/s y el rendimiento del proceso 0.8

I = 200 A V = 30V

v = 5 mm f = 0.8

s

En = f

V I 30 200 = 0.8 = 960 J mm v 5

Ecuaciones de Adams: ecuacin de la temperatura mxima (Tmx) que se alcanza en un punto de la ZAC que se encuentra a una distancia y de la lnea de fusin.T0 = temperatura precalentamiento Tmx y (mm)

e

4'13 C e y 1 1 = + Tmx T0 En T f T0

T f = temperatura fusin e = espesor

= densidadC = calor especfico

nos permite calcular la Tmx a una distancia y de la lnea de fusin yZAC para una determinada temperatura de transformacin. Influencia de T0 y En que podemos controlar.

Problema 2: determinar la temperatura mxima alcanzada a una distancia de 15 mm de la lnea de fusin y la anchura de la ZAC de un acero al carbono soldado en las siguientes condiciones: V I v T0 Tf e f V I 20 200 J 20 V 200 A 5 mm/s 25 C 1510 C 5 mm 09 En = f = 0'9 = 720 mm v 5para y = 1'5 mm 1 4'13 0'0044 5 1'5 1 = + Tmx 25 720 1510 25 para y = 3 mm Tmx = 976 Cpara un acero normalizado las transformaciones empiezan a una temperatura de 730 C

Tmx = 1194 C

4'13 0'0044 5 y ZAC 1 1 = + 730 25 720 1510 25

y ZAC = 14'2 mm

Problema 3: utilizando los datos del ejercicio anterior, determinar la anchura de la ZAC en un acero templado y revenido a 430 C1 4'13 0'0044 5 yZAC 1 = + 430 25 720 1510 25 yZAC = 14'2 mm

Problema 4: determinar la anchura de la ZAC en el problema 3: a) si la temperatura de precalentamiento fuera de 200 C b) si la Energa Neta aportada se incrementa en un 50%: 1 4'13 0'0044 5 yZAC 1 a) = + yZAC = 21'3 mm 430 200 720 1510 200 4'13 0'0044 5 y ZAC 1 1 b) 50% En = 1080J = + y ZAC = 29'4 mm mm 430 25 1080 1510 25

5

Clculo de la velocidad de enfriamiento R : - chapa fina: el flujo de calor es bidireccional

e 3 R = 2 k C (Tc T0 ) Tc = temperatura a la cual queremos En calular el calor especfico - chapa gruesa: el flujo es tridireccional 2 2 k (Tc T0 ) k = conductividad [J mm C ] R= En para definir si es chapa fina o gruesa se hace segn el valor del espesor relativo: r > 0'9 chapa gruesa r > 0'75 chapa gruesa C (Tc T0 ) r = e mejor (esto nos facilita la decisin) r < 0'6 chapa fina r < 0'75 chapa fina EnUsamos estas ecuaciones para calcular la velocidad crtica de enfriamiento en acero. Esta velocidad va a ser una propiedad del acero independiente de las condiciones de soldeo. Buscamos que sea menor de un valor determinado para que no temple (para que no se formen estructuras no deseadas), para no tener problemas de fisuracin en fro Adems nos permite calcular la temperatura de precalentamiento, o sea la temperatura mnima a la que hay que calentar la pieza antes de soldar para no superar la velocidad crtica de enfriamiento.

2

V I e T0 f Problema 5: para calcular la velocidad crtica de enfriamiento de un determinado acero se 20 V 300 A 6 mm 25 C 09 suelda con diferentes velocidades de soldeo, en las siguientes condiciones: Una vez realizada la experiencia se encontr que con velocidades de soldeo superiores a 8 mm/s la ZAC presenta valores de dureza superiores a los permitidos por las exigencias. Calcular la velocidad crtica de enfriamiento (K = 00028 J / mm.s.C)Con velocidad de soldeo >8, baja la energa neta aportada y aumenta la velocidad de enfriamiento, tenemos que vs=8 es la velocidad crtica de soldeo

En = f

V I 25 300 = 0'9 = 843'75 844 J mm v 82

hay que ver que tipo de chapa es: r = 6 0'0044 (550 25) = 0'31 < 0'75 chapa fina 844tendremos que soldar de manera que la velocidad de enfriamiento no supere esta velocidad crtica (independientemente de las condiciones de soldeo).

6 3 R = 2 0'0028 0'0044 (550 25) = 5'7 6 C s 844

y la temperatura de precalentamiento si soldamos el mismo acero en las siguientes condiciones:

V I e v f 25 V 250 A 9 mm 7 mm/s 09

hay que calcular la T0 que nos permite tener R=6 C/s. Si da una T0075 hiptesis incorrecta (chapa gruesa) R chapa gruesa T02 r2 si r2 < 075 hiptesis correcta si r2>075 hiptesis incorrecta. En este caso como lo que queremos es calcular la temperatura de precalentamiento cogemos la que tenga mayor valor para estar ms seguros. Para el ejercicio:

En = 0'9

25 240 = 804 J mm 7

9 3 R = 2 0'0028 0'0044 (550 T01 ) T01 = 162 C 804

2

T01 = 162

r = 0'41 < 0'75 correctoR

Tmxima Espesor En T0

Problema 6: se desea soldar una chapa de acero de 20 mm de espesor mediante SAW (rendimiento 085) con unos parmetros de soldeo de 30 V, 300 A y velocidad de soldeo de 1 cm/s. Para estudiar la soldabilidad de este material se fabricaron unas chapas testigo de 5 mm de espesor sin precalentamiento (temperatura ambiente 20 C) mediante SMAW (rendimiento 07) y con unos parmetros de soldeo de 20 V, 100 A y diferentes velocidades de soldeo. Se comprob que con velocidades superiores a 30 cm/min se obtuvieron valores de dureza en la ZAC no permitidos. Calclese la temperatura mnima de precalentamiento que es necesaria para soldarlo con garantas. Problema 7: se desea soldar dos chapas de 30 mm de espesor de un acero al Cr-Mo mediante SMAW (rendimiento 07) con un voltaje de 20 V y una velocidad de soldeo de 15 cm/min. Las especificacines del cdigo utilizado indican que la temperatura de precalentamiento debe de ser 250 C. Si la velocidad crtica de enfriamiento de este acero es 1200 C/min, calcular la intensidad de corriente que debe utilizarse. Problema 8: a) calcular la temperatura de recristalizacin de un hierro puro trabajado en fro si una vez soldada con TIG (rendimiento 05) una chapa de 3 mm de espesor con los siguientes parmetros: V= 30V, I= 50 y velocidad de soldeo 02 m/min, se comprueba que la anchura de la ZAC es 6 mm. Se suelda sin precalentamiento y la temperatura ambiente es 20 C b) razonar que diferencia habr entre el tamao de grano de un punto que se encuentra a 21 mm de la lnea de fusin y otro que est situado a 17 mm.

6

TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDO 1. Transformaciones en la ZAC. 2. Transformaciones en estado slido en el bao de fusin. 1. Transformaciones en la ZAC : en una soldadura por fusin sea cual sea la aleacin siempre hay el fenmeno del crecimiento de grano cerca de la lnea de fusin. La ZAC est sometida a un elevada temperatura, es donde se produce el crecimiento de grano. Tendremos una ZAC ms grande cuanto ms energa trmica se aporte. El tamao de grano va a depender adems del tiempo que permanece a determinada temperatura. Las transformaciones que sufra va a depender del ciclo trmico del material y del tipo de aleacin que se est soldando. Para estudiar todo esto veremos los siguientes casos: 1.1. Aleacin que no experimenta transformacin alguna desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin en estado de recocido: acero inoxidable ferrtico y austentico. 1.2. Aleacin que no experimenta transformacin alguna desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin trabajada en fro: aluminio o cobre. 1.3. Aleacin que experimenta transformacin alotrpica desde temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin en estado de recocido: hierro puro. 1.4. Aleacin que experimenta transformacin alotrpica desde temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin trabajado en fro: hierro puro trabajado en fro. 1.5. Aleacin que experimenta transformacin eutectoide desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin: acero hipoeutectoide 02 %C en estado normalizado. 1.6. Aleacin que experimenta transformacin eutectoide desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin: acero hipoeutectoide 04 %C en estado normalizado. 1.7. Acero templado y revenido.

1.1 Aleacin que no experimenta transformacin alguna desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin en estado de recocido: acero inoxidable ferrtico y austentico. El material entre la zona sin afectar y el bao de fusin sufre un aumento de tamao de grano. La nica forma para disminuir el tamao de grano sera trabajndolo en fro y luego recocer para que recristalice. El material no sufre niguna transformacin, solo aumenta el tamao de grano. Por ejemplo en un acero ferrtico seguira habiendo ferrita pero con un aumento de tamao de grano a medida que nos acercamos a la lnea de fusin. Los materiales HCP y FCC al trabajarlos en caliente sufren la aparicin de manchas. Maclas curvadas significa que ha sido trabajado en fro, si luego lo calentamos recristalizar. Tendremos un fenmeno de nucleacin y crecimiento donde la recristalizacin depende del grado de deformacin.Metal base

Figura 1. Material base. Granos equixicos de Ferrita. 150x.

Figura 2: ZAC. Zona de crecimiento de grano. Granos equixicos de Ferrita.150x.

Figura 3: Lnea de fusin. Izquierda, ZAC, zona de crecimiento de grano. Derecha, bao de fusin, granos columnares de Ferrita, microsegregacin interdendrtica.

Figura 4: Bao de fusin. Granos columnares de Ferrita

Metal base

1.2 Aleacin que no experimenta transformacin alguna desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin trabajada en fro: aluminio o cobre. En una primera zona como el ciclo trmico es muy rpido hay granos equxicos y alargados. Al acercarnos a la lnea de fusin hay cada vez ms equixicos hasta que solo hay equixicos que cada vez son ms grandes.2 3 4 Figura 1: Macrografa. A la izquierda material base, a la derecha bao de fusin.

Zona parcialmente recristalizada

Zona de Zona crecimiento totalmente recristalizada de grano

7

Cobre Puro Trabajado en fro

Figura 2: Material base. Granos fuertemente deformados en la direccin de trabajo. 150x.

Figura 3: ZAC. Zona de recristalizacin total. Granos equixicos maclados. 150x.

Figura 4: ZAC. Punto prximo a la lnea de fusin. Zona de crecimiento de grano. Granos equixicos maclados

1.3 Aleacin que experimenta transformacin alotrpica desde temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin en estado de recocido: hierro puro.912 Fe( ) C Fe( )

Nuclea y crece Fe() (austenita) en los bordes de grano que es donde hay ms energa. Al enfriar vuelve a nuclear y crecer ahora Fe() pero con granos nuevos ms pequeos y forma distinta. Al calentar y enfriar hubo dos recristalizaciones en las que al final lo que hicimos fue disminuir el tamao de grano. Este ser mas pequeo cuanto ms pequeo sea el grano de la primera transformacin.

calentamiento hasta 912C

enfriamiento

Metal base

A partir de 912C tenemos una recristalizacin en forma de granos Fe() (austenita) por detrs de esa temperatura no hay ningn crecimiento pues por ser una material recocido el metal ya haba alcanzado esas temperaturas912C enfriamiento

1.4 Aleacin que experimenta transformacin alotrpica desde temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin trabajado en fro: hierro puro trabajado en fro. Hay dos transformaciones una alotrpica y otra de recristalizacin debido a que est trabajado en fro.

Metal base

De los granos grandes de Fe() saldrn granos grandes de Fe() (menores que antes de la soldadura). Y de los pequeos por haber ms lmites de grano saldrn granos pequeos

400C

Al pasar la temperatura de recristalizacin de 400 C empiezan a recristalizar granos equixicos de Fe() que al seguir aumentando la temperatura van creciendo en tamao. Una vez que se superan los 912 C estos granos pasan a Fe(). Al enfriar se transforma el Fe(): los que parten de granos ms pequeos de Fe() generan granos ms pequeos de Fe(). Solo en la zona que super los 912C.

Metal base

Metal base

ZRP ZRT ZCG ZRP ZRT ZCG

8

2

3

4

5

6

7

Figura 1: Macrografa de la ZAC: existencia de dos regiones diferenciadas.

Figura 2: Material base. Granos alargados de Ferrita en la direccin del trabajado en fro. 150x.

Figura 3: Zona parcialmente recristalizada. Granos de Ferrita alargados y equixicos. 150x.

Figura 4: Zona totalmente recristalizada y crecimiento de grano. Granos equixicos de Ferrita. 150x.

Figura 5: Zona de refinamiento de grano por la recristalizacin por la transformacin . 150x.

Figura 6: Zona de crecimiento de grano. Granos equixicos de Ferrita. 150x.

Figura 7: Zona de crecimiento de grano. Granos equixicos de Ferrita. 150x.

1.5 Aleacin que experimenta transformacin eutectoide desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin: acero hipoeutectoide 02 %C en estado normalizado. El ciclo trmico de un punto va a servir de partida para el estudio de otro. Calentamos justo por encima de 727C, la perlita se transforma en austenita con 08% de C, y la ferrita sigue igual. A una temperatura intermedia entre 727 y la lnea solvus, la ferrita va disminuyendo en cantidad y aumenta el contenido de austenita. Crece entonces la austenita a costa de la ferrita. Justo por encima de la lnea solvus, ya en el campo de austenita, lo que ocurre es que todo es austenita. El carbono no tuvo tiempo a difundir a la zona de los ltimos granos de ferrita con lo que hay granos de austenitas con distintos % de C. Los granos de austenita exteriores tienen menos contenido en carbono. A una temperatura mucho mayor por encima de la lnea solvus ya le dio tiempo a difundir el carbono, hay una austenita con un contenido en carbono homogneo, en el caso de nuestro acero 02%C. A temperaturas muy elevadas, los granos de austenita son mayores. Desde el principio los granos de austenita han ido creciendo. A mayor temperatura alcanzada los granos de austenita sern mayores.F P F F F F F A1 F F F F A2 A2 A2 A2 F F A4 A3 A4 A4 A4 A5 A5 A5 A5 A5 A5 A5 A5 A6 A6 A6

A3 A4 A 3 A3 A4 A4

728 C 800 C 851 C 950 C >1000 C Enfriamos cada una de las estructuras formadas al calentarse. Con las dos primeras no ocurre nada si las enfriamos.FF F F

F

La que alcanz 800C: la ferrita no se transforma, hasta pasar la lnea solvus no pasa nada, al pasarla empieza a aparecer la ferrita proeutectoide. Al pasar los 727C la austenita que queda (con 08 %C) pasa a perlita. La zona con esta microestructura se llama zona de recristalizacin parcial.

F

F

La que alcanz 851 C: la austenita del exterior nos da ms ferrita que la del centro por su bajo contenido en carbono, ya que A3 tena mayor contenido en C y forma mayor cantidad de perlita. Es una zona de recristalizacin total no homogeneizada se distingue esta zona en la micrografa por tener partes ms oscuras que el resto (representa la zona del centro con gran contenido en cementita (por su elevado contenido en carbono).

9

La que alcanz 950 C: zona de recristalizacin total homogeneizada, el grano es mayor que en el caso anterior. Tambin empieza a aparecer ferrita widmanstatten debido a que al transformarse a partir de granos de austenita mayores, y por tener mayor temperatura enfra ms agresivamente y tiende a crecer en ciertos planos de la estructura madre de la que procede. Cuanto ms rpido solidifique mayor crecimiento widmanstatten. La austenita se transforma primero en ferrita proeutectoide primero en los lmites de grano y luego en perlita. Al enfriar rpido los granos de ferrita crecen con estructura widmanstaten pa partir de la formada en los lmites de grano. Tambin se forma en el seno del grano de austenita. El resto se transform despus en perlita. A esta zona se le llama zona de crecimiento de grano. Se tiene que a mayor tamao de grano mayor templabilidad, esto es debido a las elevadas velocidades de enfriamiento en soldadura. Al aumentar el %C del acero se desplazan las curvas de transformacin a la derecha y aumenta la probabilidad de temple.Figura 7 Figura 8 Figura 5 Detalle 2 Detalle 1 Figura 4 Figura 11 Figura 6

Detalle 2 Figura 2: macrografa de la unin soldada con varias pasadas Detalle 1

Figura 3: material base. Granos equixicos de ferrita y colonias de perlita fina. 500x

Figura 4: zona de recristalizacin parcial.500x

Figura 5: zona totalmente recristalizada y no homogeneizada. 500x

Figura 6: Zona totalmente recristalizada y homogeneizada. 500x

Figura 7: zona de crecimiento de grano. 500x

Figura 8: Metal depositado. 50x

Figura 9: detalle de la figura anterior. 500x

Figura 10: metal depositado con un contenido en carbono superior a los dos anteriores. 500x

Figura 11: metal depositado. Zona afectada por el calor por la pasada siguiente. 50x

Figura 12: detalle de la figura anterior. 500x

1.6 Aleacin que experimenta transformacin eutectoide desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin: acero hipoeutectoide 04 %C en estado normalizado. Aparece ferrita esfrica, pero muy poca y slo en lmites de grano. Debido a la alta velocidad de enfriamiento no dio tiempo a transformarse la austenita que pasar a 250 C a martensita. En las zonas alejadas del bao de fusin como los lmites de grano son muchos ms (grano ms pequeo) hay mucha ms ferrita que crece en el lmite de grano, hay menor austenita y por tanto menor riesgo de templabilidad del acero. El aumento del %C favorece el temple y se favorece tambin cuanto ms cerca del bao de fusin se est, como ya se ha explicado. Dando un gran riesgo de fisuracin debido a la formacin de estructuras duras.

10

1.7 Acero templado y revenido. Entre temperatura ambiente y temperatura de recristalizacin no pasa nada pues ya ha sufrido en su momento todas las transformaciones debido al tratamiento. Entre TRevenido 820 y 727C , sigue el revenido, es decir, el acero pierde dureza y resistencia a traccin. Entre 720 y 820 C, al volver a enfriar la austenita se volver martensita, habr un temple sin 727 revenido, con una gran dureza y resistencia a traccin. Se distinguen entonces en estos aceros dos zonas diferentes, una en la que pierde TRev dureza y resistencia a traccin y otra con propiedades opuestas. Estos aceros hay que soldarlos en condiciones muy especiales. Tienen soldabilidad mala, cuanto ms templable peor. Para que vuelva a recuperar las caractersticas del metal base, lo que tendremos que hacer es templar y luego revenir a TRevenido toda la pieza. Lo ms viable es soldar con mucho cuidado.

2.

Transformaciones en estado slido en el bao de fusin.

Lo que vamos a tener en el bao de fusin son granos columnares. El cordn suele tener un porcentaje en C menor que el acero que soldamos. Tendremos unos granos de austenita alargados y de gran tamao. A partir de esta austenita lo primero que aparece es en los lmites de grano una ferrita que se denomina ferrita alotriomrfica. A continuacin, al seguir enfriando, esta ferrita comienza a formar ferrita widmanstatten. La ferrita como tiene que seguir creciendo empieza a solidificar en el centro del grano, es la denominada ferrita acicular. El resto de austenita se transforma en fases de no equilibrio como perlita, bainita, martensita. Ferrita widmanstatten: son agujas de ferrita que crecen desde el lmite de grano hacia el interior en placas paralelas. Es muy perjudicial para las propiedades mecnicas. La ferrita acicular es beneficiosa. Es muy difcil que el bao de fusin temple; podra ser con velocidades de enfriamiento muy elevadas y con alto %C, pero muy difcil. Cuando se tiene como ZAC una zona de un bao de fusin (esto al hacer varias pasadas), partimos de una estructura columnar pero afectada por el calor. Esta ZAC aparece sin rastro de esta estructura columnar por la recristalizacin. Aparece una ferrita equixica. Para hacer desaparecer la estructura que aparece en las distintas pasadas de la soldadura en el bao de fusin lo que se hace es un tratamiento de normalizado. Pero la mayora de las veces las piezas no se normalizan pues aparecen deformaciones indeseables.

Tratamiento de normalizado : soldadura con tratamiento trmico possoldadura de normalizado a 900 C

Figura 14

Figura 15

Figura 13: Macrografa de soldadura tratada. 3x

Figura 14: Lnea de fusin. Derecha: bao de fusin. Izquierda: Material base (ZAC). Microestructura: granos equiaxiales de Ferrita y colonias de Perlita fina. 100x.

Figura 15: Bao de fusin. Granos equiaxiales de Ferrita y pequeas colonias de Perlita fina

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TENSIONES RESIDUALES Y DISTORSIN Son tensiones que existen en un cuerpo slido elstico si todas las cargas externas desaparecen. Son difciles de medir, de visualizar y de posicionar. Por rayos X no se pueden medir. No todas las tensiones residuales son perjudiciales, algunas son buenas. Hay procesos que las introducen a propsito. Pueden neutralizar otras tensiones. Por ejemplo en las cementaciones. Caractersticas: - se definen en trminos de tensin-compresin - estn compensadas - son triaxiales. En una de las dimensiones suele ser poco importante - pueden desarrollarse a escala macro, micro y reticular - son alteradas por tomos extraos. Por ejemplo la cementacin introduce tensiones residuales de traccin - pueden ser creadas o alteradas por el procesos de fabricacin Origen: - Mecnico: cuando se deforma a traccin queda sometido a tensin residual de compresin y viceversa - Metalrgico: por ejemplo transformacin martenstica que produce un aumento de volumen. La zona que se transforma en ltimo lugar queda sometida a traccin y la primera a compresin. - Trmico: si al calentar se someti a compresin al ser dilatado al volver a contraerse tiene un tamao distinto, menor, y aparecen tensiones residuales de traccin. Se calienta la barra del medio. De A a B, al aumentar la temperatura aumentan progresivamente los esfuerzos de compresin y a medida que calentamos desciende el lmite elstico. En B el esfuerzo de compresin se ksi 20 hace igual al lmite elstico. Durante todo el tramo AB la barra sedeforma a D compresin en rgimen elstico. De B a C aumenta la temperatura y 10 disminuye el lmite elstico, la barra se deforma a compresin y en todo momento el esfuerzo de compresin es igual al lmite elstico al 0 A C temperatura correspondiente, la barra se deforma a compresin en el tramo -10 BC. En C la barra est sometida esfuerzo de compresin igual al lmite elstico a esa temperatura. De C a C empieza aenfriarse y la barra se -20 C contrae, la tensin de compresin comienza disminuir progresivamente. En -30 C la barra tiene una longitud normal. De C a D la barra sigue acortndose, B empieza a estar sometida a un esfuerzo de traccin cada vez mayor. El B -40 lmite elstico va aumentando. En D a esa temperatura el esfuerzo es igual al lmite elstico. De D a E la barra sigue enfriando, el esfuerzo de traccin 0 400 800 1200 C y lmite elstico aumentan, la barra se deforma plsticamente a traccin. Nos queda una tensin residual de traccin igual al lmite elstico. Para que halla tensiones residuales debi existir antes deformacin plstica.E 30 40

Figura 6.8, figura 6.9. Efecto de las tensiones residuales (1) al soldar 2 piezas, tienden a solaparse en los extremos y a separarse en el medio. Al soldar las obligamos a estar juntas. Entonces las grietas en soldadura sern longitudinales o transversales segn la situacin. Cuando los elementos a soldar tengan libertad de movimientos entonces las tensiones provocan distorsin y se liberan. (2) Si los elementos a soldar estn embridados, es decir, que no tengan libertad de movimientos con lo que las tensiones residuales quedan implantadas. Efectos de las tensiones residuales sobre las condiciones de servicio de la pieza: (3) se somete a un esfuerzo progresivo esttico a una soldadura sin defectos (sin elementos concentradores de esfuerzos con efecto entalla). Si deformamos plsticamente vamos a eliminar las tensiones residuales. Cuando sometemos una soldadura (sin defectos) a un esfuerzo esttico creciente el material acta como si no existiesen tensiones residuales (va a romper cuando se supere la carga de rotura). (4) se somete a un esfuerzo esttico una soldadura con defectos. Para analizar este efecto veamos estos 3 ensayos: - sin tensiones residuales y sin entalla - sin tensiones residuales y con entalla - con entalla aguda y tensiones residuales Sin tensiones residuales y con entalla: por debajo de Tf rompe a esfuerzos ms bajos que el lmite elstico del material, dando una fractura frgil macroscpica. Con tensiones residuales y entalla aguda: el ensayo se hace cada vez a temperatura ms baja. Entre Tf y Ta se inicia una pequea grieta pero no contina. Por debajo de Ta si es sometida a esfuerzos inferiores (definidos por U-W) se forma una grieta pero no sigue avanzando. Pero si los esfuerzos son superiores (a U-W) se produce la fractura completa. Las tensiones residuales pueden provocar una rotura frgil a tensiones bastante menores para los que est diseada la pieza (esfuerzos en servicio).

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Comportamiento ante esfuerzo dinmico (fatiga):

R serviciot

Con tensiones residuales se pasa del sistema de esfuerzos de abajo al de arriba que resulta mucho ms agresivo. La fatiga se suele dar en puntos donde hay fenmenos concentradores de esfuerzos, como es el caso de las entallas que se producen en la soldadura.

Efecto de las tensiones residuales sobre la corrosin (corrosin bajo tensiones): Se produce el fenmeno de corrosin bajo tensin siempre que tengamos 2 circunstancias: - que haya tensiones (traccin) - que haya un medio agresivo El efecto de las tensiones residuales es despreciable en circunstancias de esfuerzos menores que el lmite elstico y en su ausencia. En estas condiciones a medida que aumenta el efecto de tensiones aplicadas disminuye el efecto de las tensiones residuales. El efecto de tensiones residuales tiende a descender con cargas repetitivas. Las tensiones residuales en servicio solo tienen efectos bajo esfuerzos aplicados bajos (debajo del lmite elstico) rotura frgil, fatiga, corrosin bajo tensiones. Eliminacin de tensiones residuales: (1) por tratamiento trmico a. elevando la temperatura por encima de aquella que suponga transformaciones que impliquen recristalizacin. Por ejemplo en acero un tratamiento trmico de normalizado. No es una prctica comn a causa de las temperaturas que hay que alcanzar y de las modificaciones estructurales que se hacen. b. por tratamiento trmico subcrtico: se le suele llamar de distensionado. No se llegan a hacer transformaciones. Se eleva la temperatura lo suficiente para que el lmite elstico del material descienda y fluya bajo los esfuerzos de tensiones residuales de traccin de forma que stos se eliminan, a mayor temperatura de tratamiento, menor lmite elstico y por tanto mayor porcentaje liberado de tensin residual. Se pueden trabajar hasta Re temperaturas menores de 550-650 C. Tambin es importante la curva de calentamiento y la de enfriamiento. Cada acero tiene una temperatura de distensionado diferente porque los lmites elsticos varan con la temperatura. Temperatura (2) por deformacin plstica (3) por vibraciones.

DISTORSIN: Son modificaciones de forma no deseadas que nos producen tensiones residuales. Tenemos 3 tipos de distorsiones: - longitudinal - transversal - debido a la asimetra del cordn, distorsin angular en uniones a tope.

Factores que influyen sobre la distorsin: - la energa aportada, cuanto mayor temperatura ms deformacin. - Embridamiento - Tensiones residuales presentes en el material base. - Espesor del material base, a menor espesor mayor deformacin - Propiedades del material base como el coeficiente de dilatacin (mayor distorsin) y conductividad trmica (menor distorsin). - Como se reduce el lmite elstico con la temperatura Formas de actuar sobre la distorsin: - Prevenirla disminuyendo el heat input, o haciendo un buen embridado. - Corregirla por deformacin plstica o con un tratamiento trmico.

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DEFECTOS DE SOLDADURA Fisuracin en Caliente Descripcin: Discontinuidad lineal producida por agrietamiento. Causas: Presencia de esfuerzos transversales excesivos en soldaduras embridadas. Pueden ser el resultado de soldaduras que tienen una relacin profundidad-anchura mayor que 2:1, situacin que puede ocurrir en aquellos procesos de soldadura que aportan altas densidades de corriente, como son arco-sumergido y MAG (CO2). La composicin del material base (fundamentalmente los contenidos en C, S y P), a mayor contenido de estos elementos, mayor es el riesgo de agrietamiento. Tambin pueden ser factores favorecedores una elevada dilucin del material base y el precalentamiento Sustancias contaminantes sobre el material base. Tales como los aceites de corte. Soldaduras en ngulo con elevada concavidad. Estas soldaduras pueden no llegar a resistir los esfuerzos normales de contraccin. Aperturas de raz demasiado grandes en las soldaduras en ngulo. Presencia de crteres en el final de la soldadura (agrietamientos inducidos por crteres).Figura 2: Metal depositado (inoxidable austentico). Estructura dendrtica bruta de solidificacin. Fisura de bordes redondeados que no casan, con tramos en que s lo hacen, producidos por fractura. 500x. Figura 1: Izquierda: unin a tope, grieta en el centro del cordn. Derecha: soldadura en ngulo, grieta interdendrtica en el centro del cordn.

Figura 3: Superficie de fractura correspondiente a la zona de bordes redondeados de la fisura de la micrografa anterior. Estructura dendrtica. 1000x.

Figura 4: Radiografa de una soldadura fisurada similar a la unin a tope de la fig. 1.

Fisuracin en Fro Inducida por Hidrgeno Descripcin: Discontinuidad lineal producida por una fractura espontnea a causa de los esfuerzos originados por el proceso de soldeo que se presenta a temperatura ambiente. A menudo se presenta en la ZAC aunque puede hacerlo en el metal depositado. Causas: La difusin de hidrgeno desde el metal depositado a la ZAC, unido a zonas de elevada dureza y fragilidad y a las tensiones de soldadura. El nivel de hidrgeno puede ser bajo cuando la ZAC es muy susceptible. La probabilidad de agrietamiento aumenta con el incremento en el espesor de los elementos a soldar y del carbono equivalente. Tambin son factores contribuyentes: aperturas de raz elevadas, la ausencia o insuficiente precalentamiento.Bao de fusin: granos columnares, ferrita y productos de descomposicin de la Austenita. Lnea de fusin ZAC: Martensita Fisura Figura 1: Soldadura en ngulo de un acero al carbono (0,41%). Fisuracin en fro. Grietas iniciadas en el entronque del cordn con el material base en la cara y raz. Figura 2: Soldadura de un acero al carbono. Fisuracin en fro, grieta localizada en la ZAC y paralela a la lnea de fusin. 150x.

Aleaciones susceptibles: aceros capaces de sufrir transformacin martenstica, cuanto mayor sea su templabilidad mayor riesgo. Puede aparecer en cualquier posicin de la ZAC o del cordn. Generalmente se dan ms en el cordn por tener mayor templabilidad. Pueden aparecer asociadas a factores geomtricos que acten como elementos concentradores de tensiones. Pueden aparecer longitudinal o transversalmente al cordn.

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Desgarro Laminar Descripcin: Grietas en el material base paralelas a la superficie localizadas en las proximidades de la soldadura. Generalmente, no se encuentran asociadas a la ZAC y presentan una forma escalonada caracterstica. Causas: Baja ductilidad en la direccin del espesor de las chapas, causada por la presencia de inclusiones no metlicas localizadas bajo su superficie y paralelas a ella. Diseo incorrecto de la unin. Esfuerzos inducidos trmicamente en juntas embridadas que originan tensiones en direccin del espesor de la chapa.

Figura 1: Grieta escalonada fuera de la ZAC y paralela a la lnea de fusin.

Figura 2: Superficie de fractura, aspecto fibroso.

Fisuracin por Recalentamiento Descripcin: Agrietamiento producido por la separacin de los lmites de granos de la Austenita precedente por creep a temperatura elevada. Generalmente se localiza en la ZAC, en la regin de crecimiento de grano, pero puede presentarse en el material base. Causas: Est asociado al recalentamiento de las soldaduras a temperaturas del orden de 500-650 C para su distensionado, o aquellas que estas sometidas en servicio a este intervalo de temperaturas. Pueden ser susceptibles de este tipo de agrietamiento los aceros austenticos y ferrticos resistentes al creep, e incluso los microaleados, particularmente aquellos que contienen Mo y V. Se cree que el fenmeno est relacionado con la rotura por creep. La microestructura en la zona de crecimiento de grano es probablemente la ms dura, concretamente en los aceros aleados y de alto carbono equivalente. Adems, durante el recalentamiento se produce, probablemente, la reprecipitacin de diferentes carburos que produce un endurecimiento de los granos precedentes de Austenita, de tal forma que la acumulacin de esfuerzos procedentes de la soldadura y servicio se transfieren a los lmites de grano. La presencia de impurezas tales como As, Sb y Sn, que difunden a los lmites de grano de la Austenita precedente los debilitan de tal forma que llegan a falla bajo las cargas aplicadas. El fallo es favorecido por la presencia de entallas tales como grietas preexistentes, desgarros en los bordes del cordn y faltas de fusin y penetracin en la raz.Bao de fusin Figura 1: Fisuracin intergranular en la ZAC, prxima ala lnea de fusin y paralela a ella. ZAC

Figura 2; Detalle de la figura anterior. Matriz formada por Martensita revenida. Agrietamiento de los lmites de grano de la Austenita precedente.

CAVIDADES Porosidad Uniforme Descripcin: Porosidad distribuida homogneamente a lo largo del cordn de soldadura. Los poros de gas son equiaxiales. Causas: Volmenes pequeos de gas atrapados en el bao de fusin solidificado. El gas puede proceder de fluxes hmedos, alambre del electrodo corrodo, aire en el gas de proteccin, contaminacin de grasa u otros hidrocarburos, prdidas de agua en el circuito de refrigeracin, adicin insuficiente de desoxidantes en el electrodo o metal base. La porosidad tambin puede ser originada por las pinturas de imprimacin del material base.

Figura 1: Macrografa de la seccin transversal . Porosidad.

Figura 2: Radiografa de la soldadura anterior

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Porosidad Localizada en el Reinicio Descripcin: Porosidad localizada en una pequea rea de la soldadura. Generalmente ocurre en inicio de un cordn de soldadura. Causas: Es inducida por el retraso en el establecimiento de la reacciones del proteccin del flux en el comienzo de un cordn por no haberse alcanzado las condiciones de equilibrio.

Figura 3: Radiografa de una unin a tope. A la izquierda, cordn nuevo.

Sopladuras Descripcin: Cavidades de formas alargadas o tubulares originadas por gas atrapado durante la solidificacin. Pueden aparecer aisladas o agrupadas. Causas: Las sopladuras son originadas por atrapamiento progresivo de gas entre los cristales del gas solidificando (dendritas) produciendo los poros alargados caractersticos de seccin circular (figura 3). Estos poros alargados a menudo aparecen distribuidos en la radiografa dando lugar a formas en espina de pescado (figura 4). El gas puede proceder de una gran contaminacin superficial, o de cavidades formadas por la geometra de la junta, tales como la apertura de raz en una unin en T soldada por ambos lados en ngulo.

Figura 3: Sopladuras. Seccin circular.

Figura 4: Sopladuras. Distribucin en forma de espina de pescado

Figura 5: Superficie de fractura de la soldadura en ngulo de la figura 1.

Inclusiones Slidas Descripcin: Escorias u otras sustancias atrapadas durante la soldadura. Las inclusiones son de forma lineal y estn situadas paralelas al eje de la soldadura. Causas: Prdida del control de la escoria a causa de una mala tcnica de ejecucin. Extraccin incompleta de la escoria solidificada de las pasadas anteriores en una soldadura multipasada. La forma inadecuada en el perfil del cordn a que dan lugar algunos electrodos puede producir el atrapamiento de escorias.Figura 2: Radiografa de escorias alineadas. Formas irregulares alargadas y de bordes redondeadas.

Figura 1: Escoria atrapada entre pasadas.

Faltas de Fusin Descripcin: Fusin incompleta del material base en un lateral, en la raz con penetracin completa o del material de la pasada anterior, entre pasadas. Causas: Condiciones de soldeo incorrectas. Energa aportada (heat-input) demasiado baja, velocidad de soldeo demasiado elevada, ngulo del electrodo incorrecto. En la falta de fusin en la raz, adems de las causas anteriores puede afectar un dimetro del electrodo demasiado grande, excesiva altura de la cara de la raz o demasiado apertura en ella.

Figura 1: Falta de fusin en el material base.

Figura 2: Falta de fusin entre pasadas.

Figura 3: Falta de fusin en la raz.

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Falta de penetracin Descripcin: El cordn o cordones no alcanza la profundidad total de la junta. Causas: Excesiva altura en la cara de la raz o insuficiente apertura. Uso de soldadura vertical descendente cuando ha sido especificado vertical ascendente para alcanzar la penetracin en la raz. Condiciones de soldeo incorrectas. Energa aportada (heat-input) demasiado baja, velocidad de soldeo demasiado elevada, ngulo del electrodo incorrecto. Desalineacin del segundo cordn. Fallo en el saneamiento durante la toma de raz.

Figura 4: Localizacin de las faltas de penetracin.

Figura 5: falta de penetracin entre dos cordones.

Figura 6: Radiografa de la soldadura de la figura 5.

OTROS DEFECTOS

Crteres Descripcin: Cavidad debida a la contraccin del metal fundido en el final de un cordn, en donde se elimin el aporte de energa.

Proyecciones Descripcin: Gotas pequeas del material del electrodo que han sido salpicadas y pueden llegar a fundir el material base. Causas: Condiciones incorrectas, p.ej. exceso de energa, excesiva longitud del arco, soplo magntico, Consumibles contaminados, p.ej. electrodos revestidos hmedos.

Puntos de cebado del arco reas distribuidas al azar de metal fundido en las que el electrodo, la pinza o la pinza de retorno de corriente toc accidentalmente al metal base produciendo un arco de corta duracin. El cebado del arco puede producir ZACs duras que pueden contener grietas.

DEFECTOS DE FORMA Desalineacin Causas: Sistemas de ensamblaje inseguros. Distorsin de otras soldaduras.

Exceso de sobreespesor Descripcin: Exceso de metal de aporte que produce convexidad excesiva en la soldadura en ngulo y sobreesspesor mayor que el material base en la soldadura a tope. El trmino refuerzo est mal empleado ya que el exceso de material normalmente no produce soldaduras ms resistentes en la uniones a tope. Este aspecto de la soldadura se considera defecto slo cuando su altura es mayor que el lmite especificado. Causas: Exceso de energa produciendo una aportacin excesiva. Preparacin de la junta demasiado cerrada. Manipulacin incorrecta del electrodo. Seleccin incorrecta del dimetro del electrodo.

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Descuelgues del Bao Descripcin: Una imperfeccin en el borde de la cara o en la raz causada por el deslizamiento del bao fundido. Causas: Soldadura en ngulo: Mala manipulacin del electrodo, excesiva oscilacin del electrodo. Aporte de energa demasiado bajo para fundir el material base. Velocidad de soldeo baja asociada a aportes energticos altos. Soldadura a tope: Ensamblaje o preparacin de bordes incorrecta: Taln demasiado fino para soportar el bao, excesiva separacin en la raz. Aporte de energa demasiado alto. Velocidad de soldeo lenta. Concavidad en la raz. Descripcin: entalla suave en la raz que puede presentarse en la soldadura a tope. Causas: Excesiva altura de taln, Insuficiente aporte de energa para producir la penetracin necesaria. Excesiva presin del gas de proteccin de raz. Mordeduras. Descripcin Entalla causada por la soldadura, irregular en el borde de la cara de un cordn en el material base o en una pasada depositada con anterioridad. Causas: Condiciones incorrectas de soldeo: ngulo del electrodo incorrecto, gas de proteccin incorrecto (MIG), velocidad de soldeo demasiado lenta. Excesiva oscilacin del electrodo Intensidad de corriente demasiado elevada.

SOLDABILIDAD Se define (segn AWS) como la facilidad con que pueden ser controlados los efectos del proceso de soldeo. Hay materiales con muy mala soldabilidad como las fundiciones. Otros como los aceros sueldan bien, mejor cuanto menor cantidad de aleantes. Propiedades requeridas a la unin soldada: - resistencia esttica - resistencia a la fatiga - resistencia a la corrosin - ductilidad - aspecto Tratamiento general de la soldabilidad de aceros al carbono y de baja aleacin. Los problemas que se pueden dar son: fisuracin en caliente desgarro laminar fisuracin por recalentamiento fisuracin en fro inducida por hidrgeno, es el principal problema (sobre todo en aceros que sufren la transformacin martenstica) Factores que provocan la fisuracin en fro: 1) presencia de hidrgeno: se mete en la soldadura a travs de la humedad, xidos hidratados, etc. Con proteccin gaseosa tenemos menor riesgo de aportar hidrgeno que con proteccin de flux. Con proteccin de flux ha de ser de tipo bsico, ya que ste no tiene ningn componente con hidrgeno, pero son muy higroscpicos lo que exige que estn cerrados en condiciones de temperatura y humedad controladas. Antes de su uso hay que deshidratarlos. Hay que utilizarlos en un periodo razonable (para que no vuelvan a hidratarse).

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2) estructura dura y frgil: se considera que empieza a haber riesgo de fisuracin en fro cuando la dureza Vickers supera los 350 (HV>350) y cuanto mayor ms riesgo. El mayor riesgo est generalmente en la ZAC, porque el metal de aportacin suele tener menos C y por lo tanto menor probabilidad de templar que la ZAC. La dureza depende de la templabilidad que a su vez depende de: - la composicin qumica, se evala con el carbono equivalente CE - la velocidad de enfriamiento

C E = %C +

% Mn %Cr + % Mo + %V % Ni + %Cu + + 5 6 15

si CE > 04 entonces hay riesgo de fisuracin en fro.

Ejemplo: acero 1Cr, Mo. La composicin del acero es: 012 %C, 05 %Mn, 0.025 %P, 002 %S, 090 %Cr, 055 %Mo. 0'5 0'4 + 0'55 es un acero con riesgo de fisuracin en fro, hay que cuidar las condiciones de C E = 0'12 + + = 0'49 5 6 soldeo como soldar con electrodo bsico, calefactar el flux, etc. La dureza va a depender adems de la velocidad de enfriamiento, la cual depende de: la temperatura de precalentamiento del espesor, a mayor espesor mayor velocidad de la geometra de la unin (caminos para evacuar el calor) del heat input (energa neta aportada). Sobre la composicin qumica poco podemos hacer, entonces actuamos sobre la velocidad de enfriamiento, se hace un precalentamiento. El precalentamiento reduce la velocidad de enfriamiento, facilita la difusin del hidrgeno, reduce las tensiones de la ZAC y disminuye el riesgo de formacin de poros (da ms tiempo a que se vayan los gases). El precalentado depende de los factores que inciden en la velocidad de enfriamiento (geometra, espesor...). Podemos hallar la temperatura de precalentamiento con mtodos como el de Seferian el cual valora la composicin qumica y el espesor del material. CT = Ce (1 + 0'005 e) e: espesor (mm) Tp = 350 CT 0'25 % Mn + %Cr % Ni 7 Ce = %C + + + % Mo 9 18 90 Para el ejemplo anterior soldando chapa de 50 mm de espesor 0'5 + 0'9 7 CT = 0'32 (1 + 0'005 50) = 0'40 Ce = 0'12 + + 0'55 = 0'32 9 90 usaremos temperaturas superiores a sta para asegurarnos Tp = 350 0'40 0'25 = 136 C La temperatura de precalentamiento es tanto ms elevada cuanto: - mayor sea la templabilidad del acero - menor sea En (energa neta aportada) durante el proceso de soldadura - mayor sea el espesor y el efecto de aquellos factores geomtricos de la unin que favorecen la disipacin de calor. Tensiones Siempre estn presentes en soldadura, entonces siempre que haya problemas de fisuracin en fro debe hacerse un tratamiento de distensionado. Suelen ser siempre subcrticos. Beneficios del distensionado postsoldadura: - elimina tensiones residuales - facilita la dilucin de hidrgeno - reviene la martensita - provoca descenso de las caractersticas mecnicas: disminuye el lmite elstico y la resistencia a la traccin y aumenta la temperatura de transicin dctil-frgil. Otras medidas preventivas Postcalentamiento: consiste en mantener la pieza a la temeratura de precalentamiento sin que enfre desde la finalizacin de la soldadura hasta el tratamiento trmico de distensionado para evitar que fisure en ese periodo de tiempo. Esto se hace cuando hay un alto riesgo de fisuracin. Favorecemos el que se marche el hidrgeno. Pasada de cierre: las pasadas posteriores favorecen la desaparicin de las estructuras duras de las anteriores y la difusin del hidrgeno. La ltima pasada es la que tiene ms problemas. Si esta pasada se da sobre el material base tenemos una situacin muy desfavorable. La pasada de cierre se suele dar en el medio del cordn de soldadura de modo que se favorece la difusin del hidrgeno y ablandamiento Mal bien

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SOLDABILIDAD DE ACEROS INOXIDABLES (10 20% Cr). Llevan principalmente Cromo (17 27%), tambin Nquel (8 30%), y despus segn para lo que sea Mo, Va, Ti. Hay 5 familias: inoxidables austenticos inoxidables ferrticos inoxidables martensticos inoxidables endurecidos por precipitacin inoxidables duplex Inoxidables Ferrticos: no sufren transformaciones, su principal problema es el del crecimiento de grano, lo que puede dar problemas de prdida de resitencia la impacto. Inoxidables Martensticos: tienen el problema de que templan, con el consecuente riesgo de agrietamiento. Soldabilidad de aceros inoxidables Austenticos: influye sobre su soldabilidad - sus caractersticas fsico mecnicas - su composicin qumica y estado de tratamiento Por sus propiedades fsicas: su coeficiente de expansin trmica es considerablemente ms elevado que el de un acero al C. La conductividad trmica es baja, conduce muy mal el calor, 1/3 de la de un acero al carbono. Esta mala disipacin hace que unas partes se calienten mucho y otras no. Su resistividad elctrica es mayor lo que hace que el paso de corriente libere mucho calor. Las consecuencias de todo esto son que el riesgo de distorsiones es mayor, y las tensiones residuales muy grandes. Esto provoca que hay que soldar con HEAT INPUT bajos (bajas intensidades y altas velocidades de soldeo, hay que controlar mucho la secuencia de soldadura y procurar que el embridamiento sea lo menor posible En cuanto a sus caractersticas metalrgica (composicin qumica y temperatura de transformacin). Tienen Cromo y Carbono, en estado de equilibrio, la fase estable es Cr26C6, entonces al enfriar lentamente obtenemos esta fase, el carbono empobrece zonas cercanas lo que nos da un problema de corrosin diferencial. Por eso los inoxidables austenticos se entregan en estado de hipertemple, recocido a 1100 C, as no tenemos carburos de Cromo, con un enfriamiento rpido se evita la formacin de Cr26C6. Esto hace que los inoxidables austenticos estn en estado metaestable, con temperatura y tiempo aparece la fase del carburo, y en soldadura se da temperatura y tiempo. Por otro lado los inoxidables austenticos son muy sensibles a las segregaciones en la solidificacin porque las lneas del diagrama de fases tienen poca pendiente y la baja solubilidad de casi todo (aleantes como Ni, V, S, P) en la fase austenita. La soldabilidad de un inoxidable austentico est dada por: 1. Sensibilizacin a la corrosin intergranular (sensitivacin) 2. Fisuracin en caliente. 2. Corrosin bajo tensiones. 1. Sensibilizacin a la corrosin intergranular: El rango de peligro de sensibilizacin est entre 550 y 850 C. Por debajo de 550 la cintica de precipitacin es muy lenta y no hay problemas. Y por encima de 850 se disuelven los carburos. Estas precipitaciones se producen en el lmite de grano y tambin de Zona macla (y si est muy favorecido en cualquier sitio) empobrecida Provoca un empobrecimiento de Cr en los lmites de grano. Esto hace que haya una banda empobrecida Cr23C6 La corrosin si se produce ser en los lmites de grano que estn empobrecidos (se comporta como una zona andica). La corrosin avanza por esa banda empobrecida -

En 4 no hay riesgo de sensibilizacin, ya que est por debajo de 500 C C 850 B - En 3 (F G) s entra, pero poco tiempo y no hay peligro - En el punto 1, calentamiento entre D 500 A A y B: tenemos peligro pero como est bastante tiempo a T >850 C G F 1 (de B a C) se nos redisuelve y al 1 2 3 4 2 enfriar lo hace rpido (entre C y D) 3 4 y no hay peligro de precipitaciones tiempo de carburos (cintica rpida y la precipitacin de carburos es lenta. - El punto 2 s que tiene peligro de formacin de carburos. Todo lo encontrado entre 2 y 3 tiene peligro de sensibilizacin. Temperatura

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Esto significa que la banda sensibilizada no es la que esta pegada a la lnea de fusin sino la alejada. No est asociada al cordn, est en la ZAC.

1

2

3

4

Hay 3 formas de evitar esta sensibilizacin: Hacer un tratamiento de redistribucin de carburos, recocer a 1000 C e hipertemplar. Este tratamiento es prohibitivo Temperatura Utilizar acero con contenido en C < 003% , con estos contenidos la cintica de precipitacin de carburos es muy lenta y no se produce la sensibilizacin. Se retrasa mucho el inicio de la precipitacin y no se produce. Hay inoxidables insensibles al fenmeno como los de la serie L (AISI 304L, AISI316L), los dems tienen mucho peligro.800 0052 0042 500 10s 1min 10min 1h 10h 100h 1000h tiempo 0030 0019

Utilizar aceros estabilizados con Ti Nb, es decir, aadir elementos que tengan mayor apetencia por el C que el Cr. Pero por otro lado, tienen el problema de la corrosin intergranular en hoja de cuchillo (situada inmediatamente junto al cordn de soldadura) en medios ntricos concentrados y calientes. Tambin disminuyen la ductilidad y la tenacidad del material, aunque se incrementa la resistencia a fluencia a alta temperatura. (AISI 321, AISI 347).

2. Fisuracin en caliente: Tpico en los inoxidables austenticos. Las grietas en los cordones son debidas a una acumulacin de impurezas debidas a segregaciones en el metal de aporte ltimo en solidificar. En tales zonas se forman superficies dbiles, que pueden romperse y generar grietas bajo la influencia de la propia tensin de contraccin de la soldadura. Como evitarla: evitando que la solidificacin sea totalmente austentica, que se forme cierta cantidad de ferrita, entre el 5 10% es idneo, ya que esta cantidad de ferrita acta como sumidero de las segregaciones (es capaz de disolver elementos tales como azufre y fsforo). Adems, la ferrita se distribuye a lo largo de los granos de austenita y forma una malla plstica que resiste al agrietamiento en caliente mediante una accin similar al grapado de los granos de austenita. El porcentaje ideal de ferrita se consigue seleccionando adecuadamente tanto el material de aportacin como los parmetros y mtodo de soldadura. La contaminacin con N2 puede hacer desaparecer la ferrita y aumentar el riesgo de fisuracin en caliente. El inconveniente de la presencia de ferrita es que favorece la formacin de la fase sigma (). Es una fase intermetlica dura y frgil que disminuye la resistencia a corrosin (sobre todo en medios ntricos concentrados y calientes) y la resistencia mecnica. Medida de la ferrita: - corte metalrgico y medirla cuantitativamente - ferritmetro: segn la fuerza de atraccin magntica tenemos mayor o menor cantidad de ferrita - por anlisis qumico del material depositado y mediante unos diagramas especiales (especficos para velocidades de enfriamiento que se dan en soldadura) - diagrama Schaeffler (pocos elementos) - diagrama Delong (incluye N) - diagrama WRC (llega a % de ferrita elevados) indica la forma de solidificacin (la que evita la fisuracin en caliente) 3. Corrosin bajo tensiones: Es una corrosin que produce un efecto no esperado que ocasiona un fenmeno de agrietamiento. Una grieta que suele estar ramificada y que en los inoxidables austenticos es transcristalina. Suele estar rellena de xidos. Caractersticas: especfico de material medio: no todos los materiales sufren igual con el mismo medio. Por ejemplo el inoxidable austentico lo sufre antes en presencia de Cl- y OH-. La concentracin de iones necesarios para producirlos est en funcin de la temperatura y el nivel de tensiones. A mayor temperatura ms probable. Condiciones de nucleacin de la fisura: por ejemplo a partir de una cavidad de corrosin Es un fenmeno lento. Para evitarlas: distensionando, a la menor temperatura posible, para eliminar las tensiones. En los austenticos esta temperatura decrece por la sensibilizacin, tendremos que calentar a temperaturas mayores de 850 C y luego enfriar rpido.

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PROCESOS de soldadura por ARCO ELCTRICOExperimento: dos electrodos de grafito. Uno lo conecto al ctodo (-) y el otro al nodo (+). Comenzamos a aumentar el potencial. Llega un momento en que salta una chispa elctrica Con un potencial elevado conseguimos que el medio sea conductor. ctodo Si calentamos el electrodo positivo T=4000 C no pasa nada necesita potencial elevado tambin. Pero si calentamos el ctodo T=4000 C se produce un arco elctrico con un potencial muy bajo. Con esta temperatura los electrones tienen suficiente energa para saltar. Cuando un e salta del nodo deja una carga en su lugar. Si no hay nada que lo + nodo favorezca regresa (es lo que ocurre en el nodo). Repetimos el proceso con hierro pero no somos capaces de alcanzar la temperatura de emisin. Ahora si lo sumergimos en cloruro sdico se estn aadiendo electrones de baja T de ionizacin y son los que establecen el arco Arco elctrico: descarga elctrica sostenida a travs de un medio gaseoso ionizada de alta intensidad y bajo potencial de ionizacin que generalmente opera entre 10 y 50 V e intensidad 1 a 2000 A. Ventajas y propiedades: - gran capacidad de focalizacin de la energa - fcilmente controlable (permanece estable en un amplio rango de voltajes e intensidades - favorece o colabora en el transporte del material de aporte del metal a la pieza - ejerce accin limpiadora de los xidos y sustancias extraas en superficie del bao de fusin alejndolos de sus bordes. Condiciones de operacin influenciados por los siguientes factores: - material del ctodo y del nodo (sobre todo del ctodo, es el que establece el arco) - tamao del ctodo y del nodo, esto hace que el arco adopte una forma de campana (pieza mucho ms grande que el arco) - de la naturaleza de la atmsfera conductora. Atmsferas fcilmente ionizables alcanzan menor temperatura - la distancia entre los electrodos, sobre todo de la intensidad que nos hace el arco ms energtico, ms penetrante - distancia entre electrodos Elementos implicados en un arco elctrico: - nodo - ctodo - atmsfera entre ambos Ctodo: cimiento del arco, tiene que suministrar los e que generan la ionizacin de la columna. Pieza fundamental en el arco. Suministro de e por: a) emisin termoinica: material con suficiente temperatura para que los e tengan energa para escapar del material, suele ser 4000-3000 C (problema metales con teb solo soportan Wolframio, Tungsteno, Molibdeno) b) emisin fra: emisin trmica por campo elctrico se cree que se genera una acumulacin de xido, los iones que impactan en el xido, generan un campo elctrico que hace circular los electrones Consecuencias de los dos fenmenos: 1. alta temperatura en el ctodo lo que da gran energa cintica a los electrones (no la suficiente para arrancarlos 2. gradiente de potencial en el arco hace que se generen campos elctricos muy intensos en las proximidades de la superficie capaces de arrancar los e . El ctodo recibe energa (se ve de color rojo): - por efecto Joule - porque contra l chocan los iones y ceden : su energa cintica y su energa de condensacin o neutralizacin esta energa la emplea en emitir los electrones y si tiene la misin de hacer de metal de aporte, en fundirse si es electrodo consumible. Hay ctodos donde la zona de emisin se reduce a un rea muy pequea que normalmente adquiere coloracin diferente del resto del ctodo se le denomina mancha catdica. En funcin de la mancha existen 3 tipos de ctodos: - Ctodo de mancha fija: emisin por efecto termoinico, la mancha permanece siempre en la misma posicin, a este tipo de electrodos permanecen los de tungsteno haciendo de ctodo (conectado al polo negativo de corriente). - Ctodo de mancha mvil: se produce por emisin fra, la mancha viaja a gran velocidad por la superficie del ctodo. Se provoca un campo fuerte por la formacin de xido, que hace salir un chorro de e que limpia ese xido con lo que deja de emitir; esto hace que no sea estable y vaya cambiando de posicin. Se da en Cu, Al. - Ctodo normal: emite toda la superficie del ctodo (no existe mancha catdica). Es una emisin fra. Se produce en electrodo revestido o con electrodos TIG conectados al y sin afilar.W nodo-

1

nodo: juega un papel pasivo, su misin es cerrar el circuito, recibir los e que le cedern su energa (cintica y de neutralizacin. Hay nodos en los que la zona de recepcin de e es muy reducida (mancha andica), esto no es recomendable porque se desestabiliza el arco. Mancha - ctodoandica

-

nodo

El arco acta segn lo que se denomina principio del mnimo: para una determinada I el arco adopta una distribucin de potencial y una forma geomtrica tal que su consumo de energa es mnimo. Cualquier modificacin (de temperatura, longitud, etc.) que se introduzca supone un aumento del voltaje. Se diferencian 3 zonas en la superficie entre nodo y ctodo: Columna Regin catdica Regin andica Las regiones andica y catdica son zonas de cada de potencial, y la columna es el espacio entre las dos. Las regiones andica y catdica se caracterizan por: Regin andica - son muy pequeas, centsimas de mm. - En ellas existen gradientes de potencial muy elevados lo que se columna traduce en campos elctricos muy intensos. - Los gradientes de temperatura tambin son muy elevados, a travs Regin catdica de ellos la temperatura vara desde la temperatura superficial del metal (1500 C) hasta la de la atmsfera del arco (5000-6000 C) superficie Regin catdica: zona de cada de potencial muy fuerte, esta cada es con alto consumo de energa y se consume en acelerar los e que desprende el ctodo hasta alcanzar la energa suficiente para que al llegar a la columna sea capaz de ionizar el arco. Columna: la columna se mantiene neutra. No debera consumir energa pero no es as, se enfra por conveccin y radiacin, esta energa hay que reponerla a costa de la cada de potencial a lo largo de la columna. Regin andica: tiene como funcin generar los iones , para ello disminuye la temperatura muy rpidamente (entre la columna y la superficie del nodo), han de ser acelerados para poder ionizarse Adems de flujo de e y hay otros flujos de masa: - flujos de proyecciones de material del nodo al ctodo (vaporizaciones reacciones qumicas localizadas, explosin, burbujas). - JET de plasma o chorro de plasma, consecuencia de la interaccin de cargas electromagnticas de iones en movimiento-

Supongamos una zona de gas cilndrica:

voltaje

d f = I dl B d F = dJ Bdl2 B0 df0 dl0 B1 B2 df0 dl1 B0

fuerza unidad longitud fuerza F= unidad volumen f =

J = densidad corriente B = campo magntico

La densidad de corriente J es diferente en el centro que en la periferia, mximo en el centro de la columna y decrece hacia el exterior. Las cargas son atradas hacia el centro de la columna por las fuerzas elecromagnticas. Habr una fuerza mayor en el centro de la columna.

P

La distribucin de presiones es radial, esto proporciona cierta rigidez a la columna (como la de un slido flexible)

-R

R

En la realidad la columna no es cilndrica sino que tiene forma de campana S1 < S2 < S3 J1 > J2> J3 P1 > P2 > P3 El gradiente de presiones hace que circule el gas, es lo que se denomina JET de plasma. El chorro de plasma se produce gracias a la reduccin de rea y a la presin. Esto da: - rigidez al arco - capacidad de penetracin - traslada el metal de aportacin

Electrodo -

I

1 2 3

P

Pieza

La capacidad de penetracin del arco depende del JET de plasma y este depende de la forma geomtrica del arco y de la intensidad de corriente. Cuanto ms acampanado mayor JET de plasma.

2

Temperatura del arco: la mayor temperatura se alcanza cuando se utilizan gases de alto potencial de ionizacin, pero son menos estables. En los gases moleculares hay que tener en cuenta la energa de disociacin. La zona ms caliente del arco es aquella que tenga que soportar mayor densidad de corriente y por tanto, mayor ionizacin, es decir la ms estrecha cerca del electrodo. El 80% de la energa va destinada al nodo, 10% prdidas, y el 10% restante se libera en el ctodo. Establecido el arco el electrodo que ms energa absorbe es el nodo. Se coloca el nodo donde interesa tener ms energa (puede no ser la pieza). Enfriamiento local de la columna: colocando una bobina de refrigeracin desionizamos el arco, enfriamos localmente el arco. Esto provoca que el arco sea ms energtico y adems aumente la intensidad del JET de plasma que por lo tanto se vuelve ms penetrante. Estrechamos el arco con lo que las secciones son ms estrechas y por lo tanto ms penetrante, y mayor temperatura del arco.. de esta manera soldando con los mismos parmetros permite soldaduras ms energticas y penetrantes. Esto se hace en el arco plasma que viene a ser un TIG con un sistema de enfriamiento. Soplado del arco: la corriente elctrica genera un campo electromagntico alrededor de la pieza. Campo que a su vez provoca una fuerza inducida en el arco que hace que se deforme. El arco se desplaza hacia la derecha. El soplado del arco depende de: - que soldemos con corriente continua, en corriente alterna no se produce I F - a mayor intensidad mayor riesgo de soplado pues se genera una fuerza inducida mayor B - de que el flujo de corriente a travs de la pieza sea unidireccional. Cuando se consigue que la corriente siga diferentes caminos se aminora el soplado - a mayor diamagnetismo del material mayor soplado POLARIDAD: Cuando se suelda con corriente continua se puede conectar en polaridad directa o inversa

- CTODO e-

+ NODO

e-

I

+ NODO

I

- CTODO

POLARIDAD DIRECTA

POLARIDAD INVERSA

Donde ms calor se libera es en el nodo. Puede interesar usar polaridad inversa ya que los iones pueden apartar los xidos en la zona de fusin.

Rendimiento del arco: en soldadura la corriente consumida no tiene importancia; pero si que la tiene sobre las condiciones de soldeo que se producen. En el SAW el electrodo est bajo la escoria con lo que hay una menor prdida Electrodo Proteccin Rendimiento de energa y adems lo que se funde acaba en parte en la soldadura (pierde algo de energa). En SMAW el arco no est SAW Consumible Escoria 90-99% totalmente sumergido (pierde ms energa). En TIG la proteccin es SMAW 60-85% gaseosa, tiene proteccin qumica, no trmica, adems el electrodo MIG-MAG Consumible Gaseosa 60-85% TIG No consumible Gaseosa 20-45% al no consumirse absorbe parte de la energa.

CARACTERSTICAS ESTTICAS DEL ARCO Son las relaciones que existen entre voltaje V, intensidad I y longitud (separacin entre ctodo y nodo)

VV = V0 + m

V

2 1I

V

He ( 0 )

Ar ( 0 )IPara una determinada longitud 0, como el He tiene mayor potencial de ionizacin, necesita un mayor voltaje con una intensidad dada

lEs una relacin lineal, a mayor longitud (separacin entre electrodos) mayor voltaje necesitamos pues tenemos ms perdidas.

2 > 1, cada punto de la curva define los parmetros en los que el arco funciona de una forma estable para una longitud fijada.

3

CARACTERSTICAS DE LAS MQUINAS DE SOLDAR: Es la relacin que existe entre V e I que puede suministrar la mquina de soldar. Depende del ti