Soldadura

Guía de soldadura de la empresa Rayun Ingeniería Ltda.

Diciembre 2010

3.1 Soldabilidad

La Norma ISO define la soldabilidad de la siguiente manera “Un acero se considera soldable en un grado prefijado, por un procedimiento determinado y para una aplicación específica, cuando mediante una técnica adecuada se pueda conseguir la continuidad metálica de la unión, de tal manera que ésta cumpla con las exigencias prescritas con respecto a sus propiedades locales y su influencia en la construcción de que forma parte integrante”.

3.2 Energía del proceso.

3.2.1 Energía de aportación.

Se denomina energía de aportación al calor entregado en el proceso de soldadura y está dada por la siguiente relación

(Ec.1)

EBA: Energía Bruta de aportación, en Joule

U: Tensión de corriente en el soldeo, en Voltios

I: Intensidad de corriente en el soldeo, en Amperes

t: Tiempo de fusión del electrodo durante el cual se aporta calor a la pieza, en

segundos.

Expresando la energía por unidad de longitud de soldadura joule/cm, se tiene:

(Ec.2)

Donde v: es la velocidad de avance de la soldadura en cm./min.

Observaciones: La energía de aporte es independiente del diámetro del electrodo, pero el diámetro está implícito en la intensidad de corriente y en el tiempo.

3.2.2 Medida de la energía bruta de aportación (EBA).

En soldadura es difícil medir la energía bruta de aportación (EBA) directamente en Joules, sin embargo tanto las variables de intensidad como de tensión del arco utilizadas son parámetros conocidos y medibles dentro del proceso.

(Ec. 3)

Donde: P= Potencia

I=Corriente

U= Voltaje

3.2.3 Balance térmico de los procesos de soldeo.

El calor que se aporta a la pieza se trasmite por:

- Por procesos iónicos o electrónicos que tienen lugar en la zona de la pieza en contacto con el arco eléctrico.

- Por el choque del chorro caliente del plasma.

- Por la recombinación de todos los gases disociados en la columna del arco.

El calor que se pierde del arco:

- Por conducción en flujo de retroceso a través del propio electrodo.

- Por radiación.

- Por convección, a través de los gases que se desprenden del arco.

El calor se pierde del baño de fusión:

- Por la formación de cualquier tipo de escoria originada por el fundente presente en el arco.

- Por convección.

- Por conducción a través de la pieza.

Se aprecia en este análisis del balance térmico que no toda la energía generada en el arco no llega a la pieza, porque parte de ella se disipa en pérdidas.

3.2.4 Rendimiento del proceso

Las pérdidas de energía en el proceso son producto mayormente del proceso de soldadura y en menor medida de la posición de soldadura entre otros factores.

Se llama energía neta aportada o ENA a la energía real que recibe la pieza durante el proceso de soldadura. Por lo tanto:

(Ec. 4)

Se puede decir:

- El calor empleado para fundir el material depende también del calor específico del material y de la temperatura inicial a que se encuentra la pieza a soldar.

- Las pérdidas por convección y radiación dependen del proceso de soldadura y de la posición de soldeo.

- Las pérdidas térmicas por conducción dependen del espesor del material, diseño de la junta, conductividad del material y temperatura inicial.

- El rendimiento del proceso está en función de la eficiencia con que se tramite el calor neto a la pieza esta eficiencia se denomina ρ1.

Rendimientos de los distintos procesos de soldadura

Proceso ρ1 (%)

SAW 0,9 - 1

SMAW 0,75 - 0,8

GMAW 0,70 - 0,85

GTAW 0,65

El mayor rendimiento del proceso SAW es debido a la protección térmica sobre el baño fundido producida por la escoria y el fundente no utilizado. Esto se diferencia del proceso GMAW o GTAW, donde el gas de protección inerte o activo produce un efecto refrigerante sobre el baño de fusión.

3.3 Zonas características en una unión soldada

El material base, el material de aporte y las temperaturas a que son sometidas durante el proceso de soldadura tienen una gran influencia en la microestructura metalúrgica y en consecuencia en las propiedades mecánicas de la unión soldada. Para la caracterización de la soldadura ésta se divide en diferentes zonas, que se definen:

Metal base: Es el material que se une y no es afectado en su composición, microestructura, propiedades mecánicas (locales) por el proceso de soldadura. Las características físico-químicas de este material permanecen constantes durante el proceso de soldadura.

Metal aportado: Es el metal fundido por la operación de soldadura y cuya composición química y microestructura corresponde a la de la aleación generada en el baño de soldadura producto de la fusión del material base, material de aporte y fundente. Esta zona, a su vez, se puede dividir en sobremonta, que es la parte superior a la cota de los materiales base y la depositación que corresponde a la zona de fusión que está bajo la cota de los materiales base. Estas dos regiones son muy importantes para la buena operación de soldadura debido a que la depositación se caracteriza entre otras variables por la penetración del cordón de soldadura, que es la variable mas importante en el proceso de soldadura de raíz de un cordón de varias pasadas. Así mismo la sobremonta es de mucha importancia tanto para generar un cordón de buena geometría (cóncavo o convexo) y para un proceso de soldadura de multipasadas está relacionada con el relleno del bisel.

Zona afectada térmicamente (ZAT): Corresponde a la zona del metal base que ha sido afectada por cierto tiempo a temperaturas que han hecho variar su microestructura y por lo tanto sus propiedades mecánicas. Estos cambios pueden ser crecimiento de granos, precipitación de fases intermetálicas y/o generación de fases metaestables.

Sobremonta

Penetración

ZAT

Metal Base

Ilustración 11: Zonas características de un cordón de soldadura

3.4 Consecuencias metalúrgicas y mecánicas del proceso de soldadura

Las temperaturas alcanzadas por la ZAT son de gran importancia en las propiedades mecánicas finales que tiene el cordón de soldadura. En las propiedades mecánicas también influyen el tipo acero y tratamiento térmico a que fue sometido el material base, por ejemplo, si el material base es templado y revenido, normalizado o recocido.

De acuerdo a la naturaleza del material base, la ZAT puede llegar a representar un concentrador de esfuerzos metalúrgico. Es por esto que se busca, en los procesos de soldadura, minimizar la ZAT, porque ésta puede provocar una futura falla del cordón.

Ilustración 12: Esquema de las diferentes zonas de la ZAT

3.4.1. Velocidad de enfriamiento de la soldadura

La velocidad de enfriamiento es una variable muy importante durante el proceso de soldadura debido a que influye directamente en la microestructura resultante y por lo tanto en las propiedades mecánicas del cordón y la ZAT.

Ilustración 13: Diagrama de enfriamiento continuo (CCT) de un acero SAE 4140

3.5 Riesgos de absorción de gases en el metal fundido

La absorción de gases es uno de los problemas más importantes que afectan a la unión soldada y debe tenerse presente en todos los procesos de soldadura y materiales que se unen por este proceso.

Los gases que afectan desfavorablemente la unión soldada son el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Los dos primeros vienen del aire que respiramos y el hidrógeno es provisto por el agua absorbida por el metal base, los materiales de aporte o fundentes a través de la humedad ambiental.

Oxígeno

El oxígeno es un elemento muy activo, su acción puede evitarse utilizando oxidantes adecuados. El manganeso y silicio tienen gran afinidad con el oxígeno, se asocian a él formando MnO y SiO2 que pasa a la escoria desde el material fundido.

El O2 forma CO con el carbono presente en el acero a la temperatura de fusión, cuando el CO no dispone de tiempo para salir del baño de fusión éste queda ocluido dentro del metal fundido formando porosidades esféricas o vermiculares.

Nitrógeno

El acero puede disolver grandes cantidades de nitrógeno en forma gaseosa de N2, a temperatura ambiente la solubilidad del nitrógeno en el acero es menor. El exceso de N2 precipita en forma de nitruros o permanece como N2 libre.

Los nitruros aumentan

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