analisis metalografico de las uniones soldadas

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL – Facultad Regional Santa Fe

Carrera de Ingeniería Mecánica

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Introducción

La soldadura es un proceso metalúrgico y debe considerarse como tal. La mayoría de los métodos de

soldadura requieren calentamiento de los metales a temperaturas elevadas, y algunos exigen comprimir los

metales uno contra otro, provocando deformaciones. Por estas razones se deben aplicar a los productos

soldados y a las soldaduras acabadas los principios relativos al tratamiento térmico y a la deformación plástica.

En una soldadura por fusión se funde el metal y luego solidifica. Todos los defectos que cabe encontrar en las

piezas coladas, como sopladuras, dentritas columnares grandes, segregación de los componentes, desgarres

en caliente, etc., pueden presentarse en el cordón de soldadura. El metal adyacente ha sufrido un tratamiento

térmico por efecto del calor aplicado y puede resultar endurecido y fragilizado por el calentamiento y

enfriamiento consecutivo o no sufrir perjuicios.

Cuando el metal a soldar haya sufrido un endurecimiento previo por deformación en frio, se ablandara al

soldarlo, porque el calentamiento provocara recristalizacion y crecimiento del grano

En todo procedimiento de soldadura el metal base sufre un tratamiento térmico variable según el punto que

se considere y, por ello, es asiento de transformaciones de tipo físico-químico.

La importancia de estas transformaciones es función, por una parte, del ciclo térmico y, por otra, de la misma

naturaleza de la aleación. Como resultado de una unión soldada ideal se debe obtener: continuidad en el

material, y fundamentalmente, homogeneidad de las propiedades mecánicas. Si bien la condición de

continuidad (ausencia de defectos físicos) puede conseguirse perfectamente en una soldadura ejecutada

correctamente, la de homogeneidad es imposible de lograr en todos sus aspectos.

2-Influencia de los diversos elementos que contienen los aceros.

Soldabilidad de los aceros al carbono

Los aceros con bajo contenido de carbono y sin elementos de aleación son relativamente fáciles de soldar,

siempre que los espesores no sean muy grandes. A medida que se aumenta el contenido de carbono pueden

producirse perturbaciones al soldar, debido a la formación de zonas templadas o endurecidas en el metal base

adyacente a la soldadura con el consiguiente peligro de aparición de grietas o fisuras originadas durante el

enfriamiento, por su escasa ductilidad. Se habla entonces de una mala soldabilidad.

Se entiende por soldabilidad la aptitud de los metales a ser unidos por fusión, es decir, la mayor o menor

facilidad con que pueden ser soldados para lograr una unión satisfactoria, cumpliendo con las condiciones

impuestas por la soldabilidad operativa, la soldabilidad metalúrgica y la soldabilidad constructiva o global.

La soldabilidad de los aceros al carbono depende del contenido de este elemento y de las impurezas en



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estado disuelto (sulfuros, fosfuros y nitruros), o bajo la forma de inclusiones.

Para contenidos de azufre y fosforo poco elevados (menos del 0.04%) se puede admitir que la soldabilidad

varia en sentido inverso a la proporción de carbono. Se puede afectar cada tipo de acero de un coeficiente de

soldabilidad que varía de 0 a 10, permitiendo clasificarlo en función del contenido de carbono en

perfectamente soldable, medianamente soldable, poco soldable y no soldable. Con contenidos de carbono

inferiores a 0.25%, los aceros son perfectamente soldables, siempre que los espesores no sean muy elevados

(coef. de soldabilidad entre 9 y 10)

Los aceros cuyo contenido de carbono

varían entre 0.25 y 0.35% son

medianamente soldables (coef. de

soldabilidad entre 7 y 9). Tanto en estos

aceros como en los que contienen de 0.35

a 0.50% de carbono, que se consideran ya

poco soldables (coef. de soldabilidad 5),

es necesario adoptar precauciones para

su soldadura (precalentamiento,

electrodos adecuados, secuencia de

soldadura, etc.).

Por encima de 0.5% de carbono los aceros

se consideran como no soldables por los

procedimientos normales de soldadura.

La influencia del carbono sobre la soldabilidad se pone de manifiesto comparando las curvas que dan los

valores de dureza en función del contenido de carbono para acero recocido y para el mismo acero soldado por

arco. La diferencia de durezas entre ambos estados aumenta muy rápidamente como consecuencia de las

transformaciones físico-químicas que sufre el metal, a elevarse la proporción de carbono, especialmente a

partir de 0.25%

El diagrama muestra igualmente la

importancia del precalentamiento a 1200 y

3000 para los aceros con contenido elevado

de carbono, operación que reduce

notablemente las diferencias de dureza del

acero en estado recocido y soldado lo que

conduce a una mejora de la soldabilidad.

En cuanto a la influencia del resto de los

elementos que contienen los aceros, el

manganeso favorece el temple, sin embargo,

tiene una influencia sobre el acero seis veces

menor que el carbono.

El silicio en proporción elevada tiene influencia sobre la fragilidad de la unión, por lo que debe limitarse su

contenido.

El azufre y el fosforo también afectan a la soldabilidad. El fosforo se transforma durante la solidificación en

fosfuro de hierro que vuelve frágil al metal y aumenta el tamaño de grano. El azufre puede producir grietas si

su contenido sobrepasa cierto límite, formándose sulfuro de hierro que se distribuye en los límites de los

granos y vuelve al metal frágil en caliente.

Se puede decir que el carbono es el elemento que tiene más influencia sobre la soldabilidad de los aceros. Su

efecto radica cuando los enfriamientos son rápidos dan lugar a la formación de zonas de gran dureza y



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fragilidad en el metal base próximo a la soldadura, zonas que suelen contener muchas veces grietas o fisuras

originadas durante el enfriamiento.

3-Soldadura por fusión

Para examinar los efectos del calor consideraremos primero una soldadura con arco de electrodo metálico de

un solo paso.

La figura expone una sección transversal atacada de una soldadura de este tipo en acero; Las diferencias de

ataque y de estructura dejan ver que el proceso de la soldadura ha afectado diversamente al metal a distintas

distancias del cordón, lo que a su vez indica las diferentes temperaturas que se han alcanzado. Una vez

establecida la distribución de temperaturas, cabe predecir su efecto en el metal soldado y en el metal del

cordón de la soldadura.

4-Distribución del calor durante la soldadura

El calor del arco de soldar se desarrolla en una zona muy localizada y

crea un gradiente elevado de temperatura. Parte del metal del

electrodo y parte del metal a soldar se mezclan entre sí y originan el

metal líquido que formara el cordón.

Si el electrodo se mantuviera fijo, sin moverse a lo largo de la junta,

el calor se dispersaría uniformemente, calentando una región

circular. Como se desplaza continuamente a lo largo de la junta, la

distribución circular se altera. Delante del electrodo las curvas de

igual temperatura se aproximaran al mismo, mientras que por

detrás se alejaran más que lo que correspondería en reposo.

Es evidente que la soldadura por fusión crea ciclos de calentamiento

y enfriamiento en el metal adyacente al cordón, y los efectos

dependerán de la naturaleza del metal soldado y de las condiciones

de la operación. El metal del cordón se sobrecalienta siempre algo

en todos los procesos de arco; la cantidad de calor que cede al metal adyacente dependerá del proceso,

velocidad de calentamiento y conductividad térmica del metal soldado. El esquema de la figura presenta una

distribución de temperaturas en el cordón y metal adyacente. En la

soldadura con arco de electrodo metálico realizada con una

velocidad menor de producción de calor, se puede alcanzar la

misma temperatura en el metal del cordón, pero calentándose

menos el metal adyacente. Al soldar con arco un metal de buena

conductividad térmica, como el cobre, no se producirá un

gradiente tan grande de temperatura como en el acero, que es

menos conductor.

Los efectos son distintos en otros procesos. La soldadura

oxiacetilénica no sobrecalienta y como la llama no es un foco

calorífico tan localizado como el arco, se calienta más ampliamente

el metal adyacente, pero con gradientes pequeños de



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temperatura.

Muchos de los problemas a resolver para obtener soldaduras sanas proceden de los efectos de calor sobre el

metal adyacente al cordón y de la necesidad de controlar la velocidad de enfriamiento.

5- Metal del cordón de soldadura

Cuando el metal liquido se enfría, empieza a solidificar en la superficie de contacto con el metal solido

adyacente, que está más frio y nuclea los primeros cristales. El calor fluye continuamente hacia el metal

adyacente, y las dentritas columnares crecen hacia el interior. El proceso de solidificación está representado

esquemáticamente en la figura.

El metal del cordón de soldadura puede ajustarse casi siempre a una composición determinada por elección

del electrodo y las técnicas de fusión, y siempre es posible evitar muchos defectos metalúrgicos. Lo que ya no

es tan fácil es controlar el metal que se suelda, puesto que se forma parte de una estructura y se selecciona

para que tenga las propiedades mecánicas adecuadas y no para que sea idealmente adecuado para la

soldadura. Por esto, las mayores limitaciones en soldadura suelen resultar del metal a soldar y no del cordón.

Mientras esta líquido, el metal del cordón disuelve gases en cantidad mayor de los que puede mantener

cuando solidifica, por lo que se produce un desprendimiento gaseoso. Si la solidificación es rápida, algunas

burbujas no tienen tiempo para salir a la superficie y quedan atrapadas en el cordón formando sopladuras. El

caso es muy parecido a la formación de sopladuras en las piezas coladas, pero se diferencia de el en dos

aspectos importantes. En primer lugar el calentamiento y enfriamiento son mucho más rápidos que en la

fabricación de piezas coladas. El metal permanece fundido mucho menos tiempo, con lo que disminuye la

cantidad de gas disuelto y no se formara grandes sopladuras. En segundo lugar, se pueden controlar bastante

bien, la atmosfera de la región de la soldadura y la escoria que se forma sobre el cordón ajustando la

naturaleza del revestimiento del electrodo, evitando así que se disuelva una cantidad muy grande de gases.

La segregación es causa de la presencia de planos débiles en los lingotes donde las dendritas se ponen en

contacto formando ángulos casi rectos, y pueden provocar igual debilidad en el cordón de soldadura. Sin

embargo, este peligro no es importante, porque las dendritas del cordón crecen desde los lados y no hay

facilidades para que queden atrapadas impurezas de punto de fusión más bajo en el plano central de la

soldadura.

Cuando las aleaciones solidifican con relativa lentitud se puede producir una segregación intragranular

excesiva. No es peligrosa en los aceros al carbono, pero se manifiesta claramente en los aceros inoxidables y

en los metales no férreos. Un ejemplo de segregación intragranular en un cordón de soldadura es de la figura

que se encuentra abajo. La segregación intragranular se puede hacer mínima enfriando rápidamente, y cabe

eliminarla en gran medida por tratamiento térmico posterior.



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En el cordón de soldadura la solidificación es

casi ideal, pues como el espacio de

solidificación suele tener forma de V, más

ancha arriba que en el fondo, y el enfriamiento

se produce esencialmente a través del metal

adyacente, siempre solidifica en último lugar el

metal de la parte superior. Por estas razones no

son corrientes los defectos de contracción. Sin

embargo, puede presentarse algo parecido al

rechupe de un lingote en la porción central del

cordón. Esto suele ser más notable en el cráter

del final de la soldadura, donde son frecuentes

rechupes y agrietamientos.

Los desgarres en caliente o grietas en caliente de las piezas coladas se producen por una excesiva contracción

cuando quedan los últimos restos del metal líquido en los espacios interdentriticos. Este defecto también se

encuentra en los cordones de soldadura. Un ejemplo típico es el de la figura anterior en una soldadura de

acero inoxidable. Los agrietamientos de este tipo requieren la presencia de tensiones de contracción.

6- Efectos metalúrgicos de las escorias de soldadura

En las operaciones de fabricación del acero las escorias están encargadas de una importante misión de afino y

remoción de impurezas. Lo mismo ocurre en la soldadura de arco eléctrico de electrodo metálico revestido o

con arco sumergido en fundente granulado. Las escorias formadas afinan el cordón de soldadura, porque

aunque el tiempo de contacto es muy corto, la temperatura es muy elevada y las reacciones muy rápidas.

Cuando se emplean electrodos revestidos, que producen mucha escoria, hay peligro de que alguna quede

atrapada por el metal que solidifica. La escoria tiende a salir a la superficie por razones de densidad y tensión

superficial, pero si se trabaja inadecuadamente pueden resultar inclusiones que debilitan mecánicamente la

soldadura. Estas inclusiones de escoria no suelen perturbar cuando la soldadura se hace con una sola pasada,

pero cuando se lleva a cabo en varios pasos es muy fácil que si no se ha eliminado completamente la escoria

superficial del paso anterior quedan inclusiones perjudiciales.

7- Efectos térmicos de la soldadura en el metal adyacente

El metal adyacente puede quedar afectado beneficiosa o perjudicialmente por la operación de soldadura.

Durante ella se calienta y se enfría: sufre un tratamiento térmico. En unos casos puede templarse y fragilizarse,

y agrietarse en el enfriamiento, mientras que en otros casos puede recocer y ablandar. Tales efectos del

tratamiento térmico son deseables o no, según los casos. El metal adyacente a la soldadura puede ser

deteriorado por la soldadura, o mejorado en sus propiedades mecánicas, o bien quedar prácticamente

inalterado.

Para comprender los efectos que el calor de la soldadura produce en el metal adyacente, no es necesario

recurrir a principios nuevos de tratamiento térmico. Basta con las leyes fundamentales. Efectuando bien la

soldadura, la que suele incluir un precalentamiento, un enfriamiento lento y quizás un pos calentamiento,

cabe evitar, o por lo menos disminuir notablemente, los efectos perjudiciales sobre el metal soldado. Uno de

los problemas metalúrgicos de la soldadura es predecir el efecto de la operación sobre el metal adyacente y

especificar los procedimientos de soldadura que pueden evitar dificultades y permitir soldaduras correctas.

En todas soldaduras por fusión y en algunas donde no hay fusión, pero se calienta a temperatura elevada, se

produce algún embastamiento de grano. El metal cercano al cordón, que se calienta a temperatura superior,

está más sujeto a crecimiento de grano que el más alejado. El metal de grano grueso tiene peores

características que el de grano fino y, cuando se trata de un acero templable, posee mayor templabilidad. Es

muy fácil que se produzca martensita dura y son más probables las grietas después de la soldadura. En la

soldadura lo que se pretende es que no se forme martensita y quede una estructura de ferrita y perlita. Se

deduce que los aceros más fáciles de tratar térmicamente, por tener mucha templabilidad, suelen ser



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difícilmente soldables, porque la martensita se forma aun con enfriamientos lentos. Hay que tomar

precauciones especiales para evitar que el agrietamiento y otros efectos perjudiciales en la soldadura. El

problema se presentara cuando se suelden aceros capaces de endurecerse por temple, y nos indica un camino

para encontrar técnicas y precauciones que eviten dificultades. Si el metal del cordón y el de sus alrededores

enfrían lentamente, puede evitarse la formación de martensita y el agrietamiento, siendo posible obtener una

soldadura satisfactoria.

La velocidad de enfriamiento de la junta está determinada por varios factores, algunos de los cuales pueden

controlarse durante la soldadura. La velocidad de enfriamiento disminuye con el aumento de la velocidad de

aportación de calor, el espesor de la chapa, con la menor conductividad térmica del material, en las juntas

sencillas a tope y la temperatura alcanzada por el material. Los diseños de juntas que rodean la región del

cordón con más superficie de metal adyacente permiten una mayor extracción de calor y hacen más rápido el

enfriamiento.

8-Absorción de los gases por el metal fundido

8.1- Absorción de oxigeno

El aumento en oxígeno disminuye todas las propiedades mecánicas excepto el alargamiento. En una unión

soldada, el metal base no absorbe prácticamente oxigeno (≈0,10% en las proximidades de la zona fundida a

1400ºC). En la zona fundida, las concentraciones en oxigeno pueden ser mayores dependiendo de:

• Procedimiento de soldadura. Soldadura oxiacetilénica casi no fija (<0,05% O) con llama reductora; sin

embargo, en soldadura por arco puede llegar a 0,30% O presentándose como óxido de hierro.

• Naturaleza de la varilla de aportación. La varilla o bien el revestimiento pueden contener elementos

reductores que eliminan los óxidos en forma de escoria.

• Atmosfera protectora. Los gases que rodean la unión ya sean inertes inyectados (Ar, He) o reductores

generados por el revestimiento (CO, H2), disminuyen el contenido de oxigeno por expulsión o reducción del

mismo respectivamente.

8.2- Absorción de nitrógeno

El aumento en nitrógeno conlleva una mejora de las propiedades de resistencia a la deformación

incrementando su dureza. El nitrógeno forma con el hierro el compuesto Fe4N, que se presenta bajo la forma

de cristales aplastados en forma de agujas en la matriz.

8.2.1- Los factores más importantes que influyen sobre la absorción

Son los siguientes:

• Procedimiento de soldadura. Soldadura oxiacetilénica casi no fija (<0,02% N); por el contrario, en soldadura

por arco la absorción puede llegar del 0,15 al 0,20% N, disminuyendo la cantidad con la naturaleza y espesor

del revestimiento.

• Naturaleza de la varilla de aportación. La adición de elementos aleantes como carbono, manganeso y silicio,

tienden a disminuir la absorción; y entre los especiales el titanio juega un rol especial. En contrapartida,

elementos especiales como aluminio, vanadio y uranio, aumentan ligeramente la absorción; y el cromo,

molibdeno y circonio lo hacen de una manera realmente significativa.

• Atmosfera protectora. El empleo de atmosferas de amoniaco o nitrógeno tienden a aumentar el contenido

de nitrógeno; mientras que el empleo de atmosferas reductoras (CO, H2) disminuyen el grado de absorción.

8.3- Absorción de hidrogeno

La absorción de hidrogeno tiende a disminuir las propiedades mecánicas, principalmente la resiliencia. Este se



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presenta en los aceros, bajo ciertas condiciones, como manchas claras en las roturas, presentando una

estructura de granos gruesos, mientras que la rotura en la parte de metal es fibrosa y de color gris oscuro.

En la soldadura por soplete al igual que la por electrodo desnudo introduce muy poca cantidad, siendo el

principal responsable de este fenómeno el revestimiento del electrodo.

9- Agrietamientos en la soldadura

Solo los constituyentes frágiles producen grietas al

soldar. Los blandos pueden deformarse plásticamente

y originan una mejor distribución de tensiones. Las

estructuras dúctiles solo se agrietan con velocidades

muy grandes de aplicación de las cargas, cuando la

temperatura es muy baja y altera completamente las

propiedades normales o cuando se producen

concentraciones locales de tensiones excesivas. Se

deduce que son muy improbables las grietas cuando

el metal del cordón y el adyacente se mantienen

dúctiles en todo el proceso de soldadura. Si se forma

martensita, es de esperar el agrietamiento; si se evita

su formación, no es probable que haya grietas.

Las tensiones producidas por la formación de

martensita pueden originar con frecuencia grietas

microscópicas, aunque no las haya grandes. Son

microgrietas típicas de la martensita las de la figura.

10- Distorsiones durante la soldadura

Los metales se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. Cuando la pieza entera se calienta

uniformemente, también es uniforme la dilatación y, al enfriar, el cambio es completamente reversible y se

vuelve al volumen inicial. No queda distorsión residual. Al hacer una soldadura el metal se dilata, pero no de

modo uniforme en todas direcciones. El metal más caliente está unido al más frio (por ello más resistente) y se

produce una restricción para la dilatación en algunas direcciones, apareciendo algún flujo plástico y distorsión

después de la soldadura.

Una barra de acero se coloca entre las mordazas de un tornillo y se sujeta ligeramente. Si se calienta en el

centro se origina la dilatación; pero como no puede producirse un alargamiento longitudinal por la restricción

impuesta por las mordazas, lo que ocurre es un ensanchamiento central. Al enfriarse se produce una

contracción y la barra se cae del tornillo si el ensanchamiento central ha sido grande y no reversible (flujo

plástico); el calentamiento y el enfriamiento han distorsionado la barra. Si la sujeción de la barra a las

mordazas fuera de tal naturaleza que no fuese posible tampoco la contracción longitudinal durante el

enfriamiento, la distorsión final sería menor que en el caso anterior, pero podría haber sufrido estirado y

presentar tensiones internas. En la soldadura se dan condiciones parecidas y es corriente la distorsión.

La extensión en que penetra el calor en el metal adyacente a la soldadura es factor de importancia en la

distorsión, porque como es lógico, no solo se deforma el metal del cordón, sino todo el metal que se ha



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calentado y deformado. Los metales de mayor conductividad térmica se distorsionan más.

Para evitar estas deformaciones indeseables cabe tomar ciertas precauciones. Soldando con poca aportación

de calor y haciendo las soldaduras lo más pequeñas posible se logran menores distorsiones. Técnicas

especiales como la soldadura intermitente y otras, son también favorables. La sujeción firme de las piezas a

soldar, restringiendo su posibilidad de deformación, permite conseguir también menores distorsiones, pero se

crean grandes tensiones en la estructura soldada y puede producirse grietas en el cordón o en el metal

adyacente.

11- Tensiones resultantes de la soldadura

El metal siempre sufre restricciones para la deformación en la soldadura, aunque no esté rígidamente sujeto.

Las soldaduras más sencillas ofrecen siempre dificultades para la libre

dilatación y contracción. Consideremos una simple soldadura de dos chapas

relativamente delgadas. Las variaciones de longitud de la soldadura están

restringidas por las chapas produciéndose una tensión longitudinal elevada.

Cuando la soldadura está realizada en parte, el metal depositado

anteriormente restringe la contracción transversal y produce tensiones

residuales transversales. Si las chapas son gruesas se producen tensiones

adicionales perpendiculares a la superficie.

Aun en un caso sencillo como este, es complicada la distribución de las

tensiones resultantes, como se ve en la figura. La magnitud de estas

tensiones se aproxima mucho al límite elástico y podría pensarse que darían

lugar a roturas prematuras. Esto solo ocurre en casos especiales. Si se aplica

una carga estática a un metal con tensiones residuales elevadas, se produce

flujo plástico cuando la suma de las tensiones residuales y las aplicada

excede el limite elástico del metal. El peligro mayor se presenta cuando el

metal se ha fragilizado por los efectos térmicos de la soldadura, y la carga

de rotura es aproximada al límite elástico. Entonces se produce la rotura

antes que el flujo plástico haya aliviado las tensiones. Esto se presenta

esquemáticamente

Las tensiones residuales de la soldadura se pueden alivianar por flujo plástico bajo las condiciones de trabajo,

pero es más seguro eliminarlas por tratamientos térmicos. Al calentar el metal, se reduce su resistencia al flujo

plástico y aumenta su ductilidad.

En cuanto al límite elástico sea

inferior a las tensiones residuales

se produce el flujo y

desaparecen las tensiones. El

enfriamiento uniforme desde la

temperatura del tratamiento

impide que se produzcan nuevas

tensiones.

En general, las soldaduras de

aceros templables deben

tratarse para alivianar las

tensiones. La mayoría de los

aceros suaves bajos en carbono

se sueldan sin necesidad de este

tratamiento.



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12- Soldadura de varios pasos

Es muy corriente que una soldadura debe realizarse con varias pasadas porque no basta con una para

depositar la cantidad suficiente de metal de aportación. Los varios pasos se necesitan para tener un cordón de

espesor suficiente. Cada paso produce un tratamiento térmico del

metal previamente depositado, por lo que las dentritas columnares

gruesas del acero pueden afinarse al calentarse por encima de Ae. El

metal calentado por bajo de Ae sufre simultáneamente un revenido.

La extensión de la región afectada por el calor en cada paso es

limitada, por lo que cada capa debe ser del tamaño y posición

adecuados para conseguir los mejores efectos por recalentamiento.

En la figura se observa una soldadura típica de varias pasadas.

13- Principales factores que condicionan a la unión soldada

13.1- Composición y estado inicial del metal base

Generalmente se debe tratar de seleccionar materiales de aportes de similar composición química que el

metal base a soldar, haciéndose excepción a aquellos que contengan elementos aleantes que pretendan

mejorar las propiedades de la soldadura (reductores de óxido, estabilizadores, etc.).

13.2- Relación de calentamiento

Debido a que el aumento de la temperatura durante la soldadura es tan rápido las reacciones metalúrgicas no

pueden efectuarse totalmente, por lo cual la estructura cristalina final efectiva es igual a la correspondiente a

una temperatura inferior a la máxima obtenida. Por otra parte, la velocidad de calentamiento afecta además

las tensiones internas que se generaron durante la soldadura.

13.3- Temperatura y tiempo

Como se ha mencionado antes, la temperatura afecta principalmente en el tamaño de grano para

temperaturas correspondientes a las zonas III & IV. Por otro lado, el factor temporal repercute directamente

en el grado de difusión del carbono en la matriz, y además cumple un rol fundamental en el proceso de

globulización de la cementita cuando se encuentra a temperaturas inferiores a la de transformación inferior.

13.4- Velocidad de enfriamiento

La velocidad de enfriamiento repercute directamente sobre la magnitud y distribución de las tensiones

internas en la soldadura. Esto se debe a que el metal no se enfría con la misma velocidad en todas las zonas ya

que a causa de la variación del gradiente térmico en cada una se genera una diferencia de contracción del

material punto a punto. Entre los defectos más comunes se encuentran las cavidades o sopladuras

consecuencia de la cristalización del metal durante el enfriamiento, y las fisuras generadas como cambios del

volumen específico entre la austenita y la ferrita.

14- Comparación de los efectos de los diferentes procedimientos de

soldadura

Los distintos métodos de soldadura se diferencian por sus efectos sobre el metal adyacente, aunque mas por

la intensidad que por la naturaleza. Para realizar una comparación hay que considerar la magnitud del

calentamiento en cada proceso. Cuando la velocidad de calentamiento, la temperatura máxima y la velocidad



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de enfriamiento son conocidas se puede estimar el efecto producido en el metal adyacente.

La soldadura por resistencia, con un calentamiento rápido y localizado y un enfriamiento también rápido,

afecta mucho más al metal adyacente a la junta que la soldadura por gas. La última tiende a calentar regiones

más amplias, sobrecalienta menos el metal del cordón y el enfriamiento es más lento. Los gradientes de

temperatura son menores que en la soldadura por arco o por resistencia, y es menor el efecto de temple

después de soldar. La tendencia a la formación de martensita y, por lo tanto, a la fragilidad y agrietamiento es

mínima en la soldadura por gas.

En los distintos procesos se producen diferentes atmosferas alrededor de la zona de soldadura, que pueden

simplificar o complicar los problemas metalúrgicos. La presencia de vapor de agua en la soldadura por gas

dificulta la soldadura en algunos metales, por ejemplo del aluminio. Inversamente se produce una atmosfera

reductora de hidrogeno en la soldadura en la soldadura por arco con hidrogeno atómico que hace innecesario

el empleo de fundentes. La soldadura por arco en atmosfera de gases inertes se realiza en una atmosfera que

no contamina, y permite soldar sin fundente la mayoría de los metales.

15- Obtención y preparación de la muestra.

El proceso de obtención y confección de la muestra no es diferente del al de los demás casos de estudio de

metales. Una forma de generar la muestra es realizando un corte que contenga ambas partes a unir y la unión

soldada en sí. Puede ser que se trate de una unión soldada de grandes dimensiones, esto tiene solución

seccionando la probeta nuevamente según las partes de estudio en forma puntual (“zona metal base”, “zona

afectada por calor”, “zona de metal fundido”) y especificando correctamente que todas las partes

corresponden a un mismo estudio. También puede darse el caso contrario, una muestra muy pequeña, a la

cual se le hace un agregado correspondiente de baquelita o algún agente tipo epoxi, transformando el

espécimen ahora en algo mucho más manejable.

Otra forma es hacer probetas normalizadas. Las especificaciones serán dirigidas a si se tratará de una unión a

180º, a 90º.Muchas veces a la unión se le propone la aplicación de algún tipo de esfuerzo mecánico antes del

preparado para el análisis, usualmente se trata de “doblado”.

Una vez definida la muestra, se procede a emparejar superficie (de ser necesario), lijar en etapas sucesivas

hasta prácticamente lograr un estado pulido, se termina la superficie por medio de lijadora metalográfica y

agregado de alúmina, y luego se procede al ataque químico el cual tiene como objetivo revelar las estructuras

a observar.

16-Soldadura de metales distintos de los aceros al carbono

16.1- Generalidades

Los métodos y prácticas adecuados para soldar aleaciones que no sean los aceros al carbono dependen

fundamentalmente de las propiedades físicas, mecánicas y metalúrgicas de cada aleación. No podemos

ocuparnos de todos los problemas que se encuentran para todas y para cada una de las aleaciones y nos

limitaremos a considerar brevemente algunas de estas, familiarizándonos con las propiedades características

de cada metal o aleación que ha de soldarse, preferentemente comparándolas con las de los metales más

conocidos.

16.2- Aceros inoxidables

Los aceros inoxidables se diferencian fundamentalmente de los ordinarios al carbono por un coeficiente mayor

de dilatación térmica, menos conductividad calorífica, más resistencia eléctrica, menor temperatura de fusión

y mayor resistencia a la corrosión. La resistencia a la corrosión no debe perjudicarse en el proceso de

soldadura.

Hay tres clases principales de aceros inoxidables: ferriticos, martensiticos y austeniticos. Los primeros son

aleaciones de hierro y cromo que no pueden tratarse térmicamente. Los segundos son aleaciones de hierro y



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cromo que pueden templarse, y los últimos son aleaciones de hierro, níquel y cromo, con alguna otra adición.

La composición más común en los austeniticos es la aleación con 18% de Cr y 8% de Ni (aceros 18:8); no

endurecen por el tratamiento térmico usual. Cada uno de estas clases de acero presenta sus problemas

particulares.

Los aceros inoxidables ferriticos tienden a un crecimiento de grano grande en las inmediaciones de la

soldadura, pudiendo fragilizarse estas regiones embastadas. Martillando la soldadura y practicando después

un recocido disminuye esta dificultad.

Los aceros inoxidables martensiticos pueden endurecerse y

fragilizarse por la formación de martensita. El

precalentamiento antes de la soldadura y un tratamiento

térmico adecuado después de realizada suelen bastar para

salvar las dificultades de este grupo de aceros.

Los aceros austeniticos se pueden soldar con bastante

facilidad sin endurecimiento ni perdida de ductilidad, pero

el problema estriba en mantener su resistencia a la

corrosión. Cuando estos aceros se calientan entre 400 y

800oC, aproximadamente, durante algún tiempo, se

produce una precipitación de pequeñas partículas de

carburo de cromo en los bordes de grano, disminuyendo la

cantidad de cromo disuelto en el hierro en tales regiones,

que pierden la resistencia a la corrosión. El acero se

sensibiliza a la corrosión intercristalina; La figura es un

esquema de este fenómeno.

La sensibilización de los aceros inoxidables puede evitarse por tres procedimientos. El primero consiste en

redisolver los carburos de cromo por un recocido a unos 1100oC, y enfriar rápidamente para que no se

produzca reprecipitacion al atravesar el intervalo de los 800 a 400oC. El segundo método se basa en disminuir

extraordinariamente el contenido de carbono del acero para que no puedan precipitarse carburos. En el

tercero se adicionan al acero elementos como el niobio y el titanio, que tienen mucha mas afinidad que el

cromo para el carbono. Existiendo estos elementos en las chapas y en el electrodo no se produce

sensibilización a la corrosión intergranular, porque el carbono existente se combina con ellos y ya no hay

precipitación de cromo.

Además de la precipitación de carburos, que es el problema principal, complica la soldadura la poca

conductividad térmica de los aceros inoxidables, lo que origina fácilmente sobrecalentamientos. También el

alto coeficiente de dilatación aumenta la distorsión y la posibilidad de que queden tensiones residuales

después de la soldadura. Todos estos factores no impiden el logro de excelentes soldaduras si se toman las

precauciones adecuadas.

16.3- Fundición gris

La fundición de hierro es una aleación de hierro carbono con 2.0% a 4.0%, aproximadamente, de carbono y

bastante silicio. La estructura de la aleación en este intervalo de composiciones depende de la velocidad de

enfriamiento durante la solidificación. Al fundir se disuelve el carbono en el hierro líquido y si el enfriamiento

es lento se separan láminas de grafito en una matriz que equivale a un acero. Se obtiene así la fundición gris.

Cuando el enfriamiento es muy rápido no se forma grafito, sino que se precipita cementita, carburo de hierro

muy duro muy duro y frágil (fundición blanca). En el primer caso el material puede ser de gran valor, mientras

que el segundo es demasiado frágil y rompe fácilmente.

La unión de la fundición gris se puede realizar con soldadura dura o con soldadura por fusión que permita un

enfriamiento lento del metal. Las soldaduras por gas o por arco con electrodo metálico son las que más se

emplean, usando en la primera una varilla de aportación de fundición y en la segunda un electrodo de



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fundición o no férreo.

Como el enfriamiento debe ser lento, se hace necesario en general recurrir en general recurrir aun

precalentamiento. Cuando no es posible, hay que realizar la soldadura poco a poco para evitar elevaciones

excesivas de temperatura y hacer mínimas las tensiones internas. La fundición gris no es capaz de fluir

plásticamente, y los esfuerzos originados en el enfriamiento pueden agrietar el metal adyacente a la

soldadura.

16.4- Aluminio y sus aleaciones

El aluminio y sus aleaciones tienen un gran empleo por su ligereza, elevadas conductividades térmicas y

eléctricas, y buena resistencia a muchas atmosferas corrosivas. Es muy común que se unan por soldadura,

cuya realización correcta exige el conocimiento de las propiedades de las aleaciones de aluminio laminadas y

forjadas, de sus tratamientos térmicos, estructuras metalográficas y propiedades mecánicas típicas.

Desde el punto de vista de la soldadura conviene clasificar las aleaciones de aluminio en no tratables

térmicamente y térmicamente tratables. Las primeras solo pueden endurecerse por deformación en frio,

mientras que las segundas también se pueden endurecer por precipitación.

Los problemas que se presentan al soldar aluminio se relacionan de alguna manera con las siguientes

características:

1- Temperatura de fusión y peso especifico

2- Conductividades eléctrica y térmica.

3- Coeficiente de dilatación térmica y contracción.

4- Formación de oxido

5- Desarrollo de porosidad debido a gases.

6- Tendencia al desgarre en caliente.

7- Efecto de la soldadura sobre la resistencia mecánica y el tratamiento térmico anterior.

El punto de fusión del aluminio puro es de 658oC; sus aleaciones funden a temperaturas aún más bajas. Se

produce la fusión antes que pueda anunciarlas cualquier cambio de aspecto o de color y resulta difícil estimar

la temperatura a la que se está soldando. La conductividad térmica es alta, por lo que se necesita mucha

aportación de calor. Una temperatura excesiva de soldadura agrava otros problemas debido al

sobrecalentamiento.

La gran conductividad térmica del metal adyacente hace perder calor rápidamente al metal del cordón, y si la

aportación de calor es lenta no es posible soldar. Cuando el metal a soldar es grueso puede necesitarse un

precalentamiento de la soldadura. También es elevada la conductividad eléctrica, por lo que la soldadura por

resistencia exige corrientes muy intensas. La elevada conductividad eléctrica hace que se desarrolle poco calor,

y la buena conductividad térmica lo disipa rápidamente en la masa de material.

El aluminio se dilata y contrae más que otros metales en el calentamiento y enfriamiento, fenómeno que

afecta mucho a la acción mecánica de una unión soldada. La tendencia a variaciones grandes de volumen

aumenta las distorsiones; estas pueden hacerse menores fijando bien las piezas, pero a costa de un peligro

mayor de agrietamiento.

Son frecuentes los desgarres en caliente – muy parecidos a los que se producen en las piezas coladas –en el

metal del cordón o en el adyacente. Los formados en el cordón ocurren mientras solidifica el metal y la región

de soldadura se contrae rápidamente. Entre las dentritas existen en ese momento películas de metal líquido

con muy escasa resistencia mecánica. Los desgarres en caliente del metal adyacente son debidos a fusión

incipiente de los bordes de grano, precisamente cuando el metal empieza a contraerse. Las aleaciones de poca



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resistencia mecánica son menos sensibles al agrietamiento.

Se suelen añadir fundentes para la soldadura por fusión del aluminio, con el fin de eliminar el óxido y dejar

superficies aptas para la unión. Si se limpia el aluminio química o mecánicamente, se recubre inmediatamente

de una película de óxido cuyo espesor aumenta con el tiempo y más rápidamente a mayores temperaturas. Si

existen estas películas no es posible la soldadura por falta de buen contacto.

Cuando el aluminio y sus aleaciones están liquidas disuelven mucho hidrogeno, pero puede quedar poco en el

metal sólido. La mayor parte precipita en sopladuras durante la solidificación, con la posibilidad de producir

porosidad en el cordón. Es lo mismo que ocurre en la colada. El hidrogeno puede proceder de la llama de

soldar, de la humedad del revestimiento de los electrodos o de la de los fundentes, y de otras causas. Esto no

significa que sea imposible hacer soldaduras exentas de porosidad. Ajustando bien la llama, cuidando bien los

fundentes y usando electrodos con revestimiento bien seco, se pueden obtener soldaduras sanas. Con buen

control no es problema la porosidad.

El aluminio y sus aleaciones se emplean frecuentemente endurecidos por deformación en frio o por

tratamiento térmico. La soldadura perjudicara estas propiedades. La acritud es eliminada por el

calentamiento, y la dureza de precipitación es destruida porque el calentamiento provoca un sobre-

envejecimiento y una coalescencia del precipitado.

16.5- Cobre

Como sucede con otros metales, hay que estimar bien el efecto de las características del cobre y sus

aleaciones para lograr buenas soldaduras.

Tienen importancia:

1- Las elevadas conductividades eléctricas y térmicas

2- El elevado coeficiente de dilatación

3- La tendencia a la porosidad por desprendimiento de gases.

La conductividad térmica del cobre puro es, aproximadamente, ocho veces la del acero, por lo que el calor se

pierde rápidamente por la región de la soldadura y se necesitan técnicas especiales para soldar. El cobre, por

ejemplo, se precalienta normalmente y se suelda con arco de carbón en condiciones de gran velocidad de

aportación de calor.

Los procesos de soldadura del cobre por resistencia exigen intensidades muy elevadas de corriente; rara vez se

suelda por este procedimiento.

La dilatación térmica del cobre es mayor que la del acero, agravando los problemas por distorsión y tensiones

residuales. Hay que dejar huelgos para que pueda dilatarse, y es necesario que se opongan las menores

restricciones a la contracción en el enfriamiento si se quieren evitar grietas o tensiones.

Quizás lo que más perturba en la soldadura del cobre es la tendencia a las reacciones internas que desprenden

gas y hacen porosas las soldaduras. El cobre líquido disuelve mucho más gas del que puede mantener disuelto

el cobre sólido. El exceso es expulsado durante la solidificación del cordón y produce sopladuras. Este tipo de

porosidad no es de desear, pero aun peor es la causada por reacciones entre hidrogeno y oxígeno en el metal

que está solidificando. Se forma vapor de agua que produce porosidad e incluso fracturas intergranulares del

cobre sólido. El remedio consiste en evitar la presencia de hidrogeno en la región de soldadura o en utilizar

cobre sin oxido. El cobre exento de óxido y el desoxidado se sueldan bien.

La mucha tendencia al embastamiento que presenta el cobre inmediato a la soldadura puede eliminarse por

martillado mientras aún está caliente. Así se produce recristalizacion y los granos gruesos se sustituyen por

otros más finos.



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Glosario

Dentritas: Es una estructura con ramificaciones repetitivas características de procesos de crecimiento

de cristales. Los mismos pueden formarse durante el enfriamiento de metal fundido, la forma se produce por

acción de un proceso de crecimiento rápido a lo largo de direcciones cristalográficas energéticamente

favorables.

Martensita: Es el nombre que recibe la fase cristalina, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera a partir de

una transformación de fases sin difusión, a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el

material.

Perlita: Se denomina perlita a la microestructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (α y

cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque

tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos

Resiliencia: La resiliencia; en ingeniería, energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser

recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación.

Bibliografía

- Metalurgia aplicada de Malcon Burton

- Soldadura y técnicas afines de Oleh Zabara Czorna

- www. Wikipedia.org

- http://blog.utp.edu.co/metalografia/2012/07/23/10-soldadura-10-1-procesos-de-soldadura

- http://blog.utp.edu.co/metalografia/2012/07/26/7-aceros-inoxidables

- http://www.rlmm.org/ojs/index.php/rlmm

analisis metalografico de las uniones soldadas

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