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METALURGIA DE LA SOLDADURA
S O L D A D U R A : D E F I N I C I Ó N .
C O N D I C I O N E S
P R O C E S O S D E D I S T R I B U C I Ó N D E C A L O R
C I C L O T E R M I C O
A P O R T E D E C A L O R
T R A N S F O R M A C I O N E S M I C R O E S T R U C T U R A L E S .
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Prof. Ing. Jorge Perozo
SOLDADURA Definiciones
Soldadura
esa
a
y
haciendo
enlace
la
La AWS (American Welding Society), define la Soldadura
como una coalescencia localizada de metal, en donde esa
conglutinación se produce por el calentamiento a
temperaturas adecuadas con o sin la aplicación de presión y
con o sin la utilización de metal de aporte.
Realización de una unión entre dos piezas de metal haciendo
uso de las fuerzas de cohesión que derivan de un enlace
metálico, utilizando las fuerzas interatómicas para lograr la
concreción de un empalme resistente.
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SOLDADURA CONDICIONES
• Calor: Unión. Energía:
• Superficies Limpieza:
• Costura, Cordón
Protección:
• Microestructuras • Propiedades
Control Metalúrgico:
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Tiene que existir una fuente de calor desde donde se obtiene la energía necesaria para elevar la temperatura del metal que se va a soldar, así como del metal que se funde como metal de aportación (en el caso que se requiera).
Ese calor necesario para la soldadura se obtiene a cuenta de la transformación en energía eléctrica, mecánica, química, radiante, etc.
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actualidad están relacionados con
La mayoría de los métodos y procesos de la soldadura en la
actualidad están relacionados con el calentamiento y el enfriamiento
local del material a soldar.
Los problemas que ocurren relacionados con los procesos
térmicos durante la soldadura son de gran importancia en la
producción soldadura moderna.
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ZONA TERMICAMENTE AFECTADA
TERMOGRAFIA DE SOLDADURA TERMOGRAFIA DE SOLDADURA
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Para el estudio de los procesos térmicos durante la
soldadura hay que tener en consideración el estado
térmico del metal para lograr explicar con profundidad
la mayoría de los fenómenos que se observan durante
la soldadura.
Según el grado de calentamiento que sufre la pieza
durante su recuperación por métodos de soldadura,
resulta de vital importancia conocer el dominio de las
transformaciones que se pueden generar en el metal
base, para el restablecimiento de las propiedades de
explotación de las piezas.
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COVERSION DE ENERGÍA PARA SOLDADURA COVERSION DE ENERGÍA PARA SOLDADURA
RESISTENCIA ELECTRICA
Paso de corriente aplicada a zona de unión.
TERMOQUIMICOS
Reacciones exotérmicas, llamas
MECANICOS
Por impacto o fricción, deformación plástica.
ENERGÍA RADIANTE
Haz de energía enfocado en zona de unión.
ARCO ELECTRICO
Arcos de corriente continua o alterna
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Proceso de Fusión
El calor suministrado provocará determinados
efectos sobre
La microestructura del metal que se suelda :
ZONA afectación térmica.
Esfuerzos térmicos,
Desplazamientos de metal
Deformaciones y Tensiones residuales.
• Fuente energía. • Gradiente de
temperatura
APLICACIÓN
DE CALOR
INTENSO
• Velocidad de soldadura.
• Velocidad de Unión.
TIEMPO DE
APLICACIÓN.
• Disipación. • Drenaje de
calor. • Latencia.
ENFRIAMIENTO
SOLIDIFICACIÓN
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EFECTOS TERMICOS 9
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CICLO TÉRMICO
Temperatura máxima
Velocidad de calentamiento
Velocidad de enfriamiento.
Permanencia por encima de T.
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EFECTOS TERMICOS
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TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO
GRADIENTE DE INICIO
SUBENFRIAMIENTO
TEMPLABILIDAD. VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
N| DE PASADA.
GEOMETRÍA O CONFIGURACIÓN .
TIPO DE JUNTA DIMENSIONES DE RANURA ESPESOR DE METAL BASE.
PROPIEDADES TERMO FÍSICAS DEL MATERIAL. FLUJO DE CALOR:
Entrada; DRENAJE DE CALOR.
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
DIFUSIVIDAD TÉRMICA. CALOR ESPECÍFICO,
CALOR LATENTE.
REGIMEN DE SOLDADURA
Tipo de Proceso Velocidad de soldadura (MM/S).
VELOCIDAD DE UNIÓN.
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EFECTOS TERMICOS
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Flujo de calor según geometria de la pieza Flujo de calor según
geometria de la pieza Difusividad térmica Difusividad térmica
Metal Valor c. gs
Plata 1,7
Cobre 1,1
Aluminio 0,9
Níquel 0,14
Acero 0,11
Titanio 0,06
Nimonic 0,035
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EFECTOS TERMICOS
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Velocidades de Unión Velocidades de Unión Calor específico Calor específico
Proceso mm2/s
Oxiacetilénica, acero 1,6-5,4
Arco Metálico Manual Acero. 17-27
Arco sumergido, Acero 43-86
Resistencia A.F. Acero 650-975
Resistencia por puntos, Acero 43-107
Haz de electrones Hasta 200
Arco Atm. Inerte, Aluminio 34-41
Resistencia A.F. Aluminio 650-1400
Sustancia Ce (cal/gr.ºC)
Agua 1.00
Hielo 0.55
Vapor de agua 0.50
Aluminio 0.22
Vidrio 0.20
Hierro o.11
Latón 0.094
Cobre 0.093
Plata 0.056
Mercurio 0.033
Plomo 0.031
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EFECTOS TERMICOS
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EL APORTE TÉRMICO DEPENDE DE Tensión e intensidad de
soldeo, siendo mayor el aporte térmico cuanto mayor son
estas variables
La velocidad de soldeo, cuanto menor es , mayor será
la energía aportada
APORTE TÉRMICO
es el calor aportado para realizar la soldadura
es una variable muy importante a efectos de la
calidad de la unión
(f) Rendimiento térmico.
Siendo (f) el
Rendimiento térmico.
Rendimiento térmico Rendimiento térmico por tipo de proceso
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EFECTOS TERMICOS
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Parámetros de soldeo Cordón recto (a) Cordón con oscilación
lateral (b)
Tensión (V)
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25
Intensidad (A)
150
150
Tiempo de fusión de un electrodo (seg.)
70
70
Longitud del cordón (mm)
220
110
Velocidad de soldeo (mm/seg) (220/70) =3,14
(110/70) = 1,57
Rendimiento térmico
1
1
Aporte térmico Julius/mm) (25x150) 3,14 = 1,19 (25x150)/1,57=2,38
Calculo del Aporte de Calor
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EFECTOS TERMICOS
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FLUJO TÉRMICO FLUJO TÉRMICO ANALISIS ANALISIS
ETAPA DE NIVELACIÓN
ESTADO CUASI ESTACIONARIO
PERIODO TERMOSATURACION
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DETERMINACION DE LA ZAC
Distribución de temperaturas .
Diagrama de Fe-C
Composición química.
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ZONA AFECTADA POR EL CALOR
(ZAC; HAZ, ZAT)
ZONA AFECTADA POR EL CALOR
(ZAC; HAZ, ZAT)
es el volumen de material en o cerca
soldado por resistencia es minimizar
Zona afectada por el calor es el volumen de material en o cerca
de la soldadura, cuyas propiedades han sido alteradas debido al calor de la soldadura.
Debido a que el proceso de soldado se basa en calentar dos piezas, es inevitable que haya una HAZ .
El material que se encuentra dentro de la HAZ sufre un cambio que puede o no resultar beneficioso para la unión soldada.
En general, el objetivo de un buen soldado por resistencia es minimizar la HAZ.
DEFINICION DEFINICION
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ZONAS ZAC - ALEACION FE C
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Zona 1: Fusión Incompleta.
Zona 2: Sobrecalentamiento
Zona 3: Normalización.
Zona 4: Recristalización incompleta.
ZONA 5. Recristalización completa.
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MICROESTRUCTURAS MICROESTRUCTURAS ZONA AFECTADA POR EL
CALOR (ZAC) ZONA AFECTADA POR EL
CALOR (ZAC)
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ZAC Y TEMPLABILIDAD ZAC Y TEMPLABILIDAD DIAGRAMA TTT DIAGRAMA TTT
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MICROESTRUCTURAS MICROESTRUCTURAS ZONAS DEL ZAC ZONAS DEL ZAC
• Metal de Soldadura MS
• Zona Recristalizada grano grueso. ZRG:
• Zona Recristalizada Grano Fino. ZRF
• Zona subcritica. ZSC:
• Metal base Revenida. MBR
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MICROESTRUCTURAS MICROESTRUCTURAS ZONA AFECTADA POR EL
CALOR (ZAC) ZONA AFECTADA POR EL
CALOR (ZAC)
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CURVA DE DUREZA ZAC CURVA DE DUREZA ZAC DUREZA EN ZAC DUREZA EN ZAC
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DILUCIÓN
Dilución es la proporción en la que el metal base, o de soldadura previamente depositada, participa, a través de su propia fusión, en la composición química de la zona fundida.
La dilución se expresa, convencionalmente, como el porcentaje de metal base fundido e incorporado a la soldadura
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SOLDABILIDAD METALURGIA DE LA SOLDADURA
SOLDABILIDAD 24
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SOLDABILIDAD METALURGIA DE LA SOLDADURA
SOLDABILIDAD
Según el Instituto Internacional de Soldadura (International Institute of Welding, IIW) dice que:
“un material metálico es considerado soldable, en un grado dado, para un proceso y para
una aplicación específica, cuando una continuidad metálica puede ser obtenida mediante el
uso de un proceso adecuado, tal que la junta cumpla completamente con los requerimientos
especificados tanto en las propiedades locales como en su influencia en la construcción de la
cual forma parte”
La Soldabilidad del acero mide la capacidad de este que tiene a ser soldado, y depende
mucho no solo del material base que va a ser soldado, sino que también depende mucho del
material de aportación que se utilice para soldarlo.
Un parámetro realmente útil para evaluar la soldabilidad de un acero blando, duro … es el
concepto de Carbono Equivalente que compara con las propiedades de un acero simple, con
las diferentes soldabilidades de cualquier aleación de acero.
El Carbono Equivalente o CEV) se utiliza en metales ferrosos como el acero al carbono, en
hierro fundido… determina las diversas propiedades de una aleación cuando se utiliza como
algo más que una aleación de carbono.
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Como regla general, un acero se considera soldable si el carbono equivalente, obtenido según la
fórmula anterior, es menor a 0,4%.
La AWS establece que para un contenido de carbono equivalente por encima de 0,40% hay un
potencial de agrietamiento en la zona afectada por el calor en los bordes de corte y soldaduras.
CARBONO EQUIVALENTE Parámetro útil para Evaluar la
soldabilidad comparando con las propiedades de un acero
simple, las diferentes soldabilidades de cualquier
aleación de acero.
Es un número dado como % de peso, que vincula al
carbono y otras elementos de aleación que inducen la templabilidad del acero.
Se han desarrollado una gran cantidad de fórmulas de CE, pero las más utilizadas o
tomadas como referencias son las siguientes:
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SOLDABILIDAD METALURGIA DE LA SOLDADURA
SOLDABILIDAD
Esta ecuación fue desarrollada para medir la tendencia a la fisuración por hidrógeno en acero también se utiliza para evaluar el endurecimiento o templabilidad del acero.
Fórmula de Ito y Bessyo, Japón.: caracteriza mejor el efecto de los elementos de aleación en los aceros al carbono de alta resistencia y baja aleación o aceros micro aleados
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Factores que influyen en la Soldabilidad.
Además del cálculo del Carbono
Equivalente, parámetro, hay que
tomar en cuenta otros factores para
evaluar la soldabilidad del acero en
cuestión, ya que ésta no solo
depende de la composición química
del mismo.
Estos factores van a condicionar las
elecciones de la temperaturas de
precalentamiento así como la
elección adecuada de un
tratamiento térmico post-soldadura.
Los otros factores a tener en cuenta, que
influyen también en la soldabilidad del
acero como pueden ser :
El espesor de las piezas a soldar,
El espesor de la junta,
La elección del material de aporte
El tipo de soldadura utilizada,
Las tensiones mecánicas
desarrolladas,
La historia térmica del material
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SOLDABILIDAD METALURGIA DE LA SOLDADURA
SOLDABILIDAD 27
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DIAGRAMA DE GRAVILLE: Permite
evaluar la necesidad de pre calentamiento o tratamiento
térmico post soldadura basada en conceptos de composición
química (no considera espesor), en el mismo se grafica la
relación entre Carbono y el Carbono Equivalente
La Figura muestra el diagrama de Graville,
considera 3 zonas.
Zona I: Aceros de bajo carbono y bajo
endurecimiento no susceptibles a fisuras.
Zona II: Aceros con mayor porcentaje de Carbono y bajo endurecimiento, el riesgo a fisuras en la ZAC
puede ser evitado mediante el control de la velocidad
de enfriamiento, por medio del aporte térmico o en menor extensión el pre
calentamiento.
Zona III: Aceros con elevado porcentaje de carbono y alto endurecimiento y en todas las condiciones de
soldadura pueden producir micro estructuras
susceptibles a fisuras.
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Pre Calentamiento:
Calidad final requerida a la
unión
Consiste en el calentamiento de la junta previo a la soldadura . Su Suprincipal efecto es reducir la velocidad de enfriamiento de la unión soldada.
VENTAJAS:
• Evitar el templado. • Aumentar la difusión de hidrógeno en la junta.
Disminuir las pérdidas de calor.
Eliminar la humedad
DESVENTAJAS:
Aumenta la extensión de la ZAC.
Es costoso Imprescindible, en aquellos materiales que presentan
problemas de soldabilidad
Post Calentamiento:
Mejorar alguna propiedad o característica de la soldadura
o de la ZAT
Reducir el nivel de tensiones residuales
PREVENIR
Fisuración por el Hidrógeno difusible en el metal de
soldadura o ZAC:
Aparece ante la concurrencia de los siguientes factores:
Hidrógeno difusible en el metal de soldadura o en
la zona afectada térmicamente del
material base
Microestrcturas susceptibles de fisurarse:
Martensita, Bainita.
PRECALENTAMIENTO Y TRATAMIENTO PRECALENTAMIENTO Y TRATAMIENTO
TÉRMICO POSTSOLDEO 29
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SOLDADURA DOBLE PASADA SOLDADURA DOBLE PASADA
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CONCLUSIONES
TEMPLABILIDAD.
ENERGÍA LINEAL APORTADA.
VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
LA MICROESTRUCTURA FINAL OBTENIDA EN CUALQUIER DEPÓSITO DE SOLDADURA DEPENDE
PRINCIPALMENTE DE:
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CONCLUSIONES
FORMACIÓN DE PATRONES DE ESFUERZO
SOBRE LA ZONA DE FUSIÓN (ZF) Y
LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR.
TRANSFORMACIONES DE FASE EN MATERIAL SOLDADO
DEFORMACIONES PLÁSTICAS
GRADIENTES DE TEMPERATURA GENERADOS
LA INTRODUCCIÓN DE UN ALTO CONTENIDO
DE CALOR DE ENTRADA
LOS PROCESOS DE SOLDADURA RESULTAN SER UNO DE LOS PRINCIPALES CAUSANTES DE DEFECTOS,
OCASIONADOS POR
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EVALUACION
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