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Metalurgia de la Soldadura
Estructura de los metalesLos metales que empleamos en la construccin industrial, cuando estn en estado slido son policristalinos. Los granos o cristales pueden ser observados metalograficamente por medio del microscopio ptico (Escala microscopica hasta 1000x) y tienen un tamao medido en milimetros / micrones / (10-3 -10-6 m ) Cada grano tiene una estructura atmica ordenada en forma peridica. La separacin entre los tomos se mide en 10-10 m ( A) angstrom.
Estructura de los metalesLos tomos estn ordenados espacialmente formando diversos tipos de redes cristalinas, segn que elemento qumico representen y en algunos casos segn sea la temperatura. Granos vecinos estn separados por bordes de grano. Cada grano puede tener una orientacin cristalogrfica diferente. Cada grano puede tener una estructura cristalina imperfecta (vacancias, dislocaciones). Los defectos cristalinos denominados dislocaciones participan activamente durante la deformacin plstica de un metal.
Microestructura de un acero estructuralUn acero de uso estructural (A-36, A-285, A106, A-53, St 37, St 52, St 35.8, F 24, F 30) tiene una microestructura formada por: Granos de Ferrita (hierro alfa ()), con una estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo, BCC). Perlita (estructura laminar de Ferrita y Cementita (Carburo de Hierro, Fe3C)) Una dispersin de inclusiones no metlicas (xidos, sulfuros, nitruros, etc.)
Metalurgia de la soldadura
Transformaciones de Fase
Microestructura de un acero de muy bajo carbono : Ferrita Fe
Microestructura de un acero inoxidable Austentico (Fe (), Cristales Cbicos centrados en las caras (fcc)
Perlita Laminar (Agregado de Ferrita + Cementita Fe3C)
Acero F+P
Se observa una matriz ferrtica con perlitas orientada segn la deformacin producida durante el laminado en caliente
Perlita Globulizada
Cuando la perlita es calentada a temperaturas del orden de los 680 el carbono de hierro se globuliza C,
Acero 0,25% C
Laminado en Caliente
Normalizado
Tratamiento Trmico NormalizadoNormalizado
Temperatura
Temperatura: 900 C
900
Enfriamiento al aire calmo
Tamb Tiempo
Metalurgia de la soldadura
Metalurgia de la Soldadura
FIGURA 1 - Diagrama que ilustra la soldadura en una plancha de acero, mostrando el metal de soldadura (W) y la zona afectada por el calor (ZAC). El metal base no ha sido afectado
FIGURA 2: Ensamble soldado mostrando una pileta lquida de una soldadura en ejecucin. La seccin A-A' es la zona de la que se estudiar la distribucin de temperaturas
FIGURA 3: Los perfiles de temperatura en una chapa de acero dulce, en un instante dado, durante la soldadura. W: metal fundido (pileta lquida); la zona sombreada es el metal que est en estado pastoso entre los lmites que se registran las temperaturas del lquidus y del solidus a 1520C y 1490C respectivamente. La flecha indica la direccin de avance de la soldadura
FIGURA 13: Relacin entre las temperaturas picos experimentadas por diversas regiones en un cordn soldado y como se correlacionan con el diagrama de fase hierro-carburo de hierro
FIGURA 14: Variacin de las condiciones de enfriamiento en una soldadura en funcin del precalentamiento: el diagrama incluye algunos de los cambios de las propiedades que producen las condiciones de enfriamiento. Tambin se muestra un diagrama CCT de un acero, con el objeto de ilustrar por qu las condiciones de enfriamiento provocan los cambios de propiedades
Microestructuras de las soldaduras Caracterizacin de las microestructuras de una soldadura por fusin. Solidificacin de los aceros y microestructura del metal de soldadura. La Zona Afectada Trmicamente (ZAC).
Efecto de la soldadura sobre la microestructura Una soldadura por fusin produce un ciclo trmico heterogeneo sobre el metal base. Como resultados el metal base resulta afectado por el calor en una zona prxima a la soldadura (ZAC). Se producen transformaciones de fase y crecimiento de grano segn sea la composicin qumica del metal base, su homogeneidad qumica, y el ciclo trmico al que sea sometido localmente.
Macroestructura de la ZAC
Formacin de Martensita y Fisuracin
FISURAS
MARTENSITA
FISURAS
Debido a un enfriamiento rpido en la ZAC se puede originar una estructura dura y frgil denominada MARTENSITA. Esta estructura tiene tendencia a la fisuracin.
Bainita (Ferrita + Carburos)
Cuando la austenita se enfra con velocidad intermedias puede originar una estructura de placa de Ferrita mas carburos que es denominada BAINITA
Temperaturas en la ZAC
Soldadura de un material deformado el fro
A- Granos elongados por la deformacin en fro B- Granos equiaxiales recristalizados y zona de grano grueso C- Metal de soldadura, granos columnares solidificados
ZONAS DE UN CORDON DE SOLDADURA
Regin compuesta Zona fundida no mezclada Zona parcialmente fundida Interfaz de la soldadura Zona afectada trmicamente
Metal base no afectado
ZONA FUNDIDA NO MEZCLADA
Zona del metal base fundido y no mezclado con el aporte durante la soldadura
SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA
Metal fundido y solidificado Lnea de fusin Metal base
CRECIMIENTO EPITAXIALLINEA DE FUSION Avance de la solidificacin
METAL BASE CORDON DE SOLDADURA
SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA
CRECIMIENTO CELULAR DENDRITICO
Solidificacin del metal de soldadura
CRECIMIENTO EQUIAXIAL DENDRITICO: Se produce en el crater final de la soldadura al finalizar el cordn de soldadura, tiene tendencia a fisuras
Estructura del metal de soldadura Austenita + Ferrita Delta
Metal de Soldadura: Acero Inoxidable Austentico
Subsestructura de Solidificacin del Metal de Soldadura
La figura muestra una microsegregacin
TRANSFORMACIONES DE FASE EN ESTADO SOLIDO
FERRITA EN BORDE DE GRANO
FERRITA ACICULAR
METAL DE SOLDADURA
300X
Microestructuras del metal de soldadura
F
= Ferrita Primaria
GF = Ferrita en Borde de Grano PF = Ferrita Poligonal Intergranular AF = Ferrita Acicular AC = Ferrita con M-A-C alineados FC = Ferrita con agregados de Carburos (includa la Perlita) M = Martensita
Microestructuras del metal de soldadura F
= Ferrita PrimariaGF = Ferrita en Borde de Grano PF = Ferrita Poligonal Intergranular
AF = Ferrita Acicular AC = Ferrita con M-A-C alineados FC = Ferrita con agregados de Carburos (includa la Perlita) M = Martensita
Microestructuras del metal de soldadura F = Ferrita Primaria
AF = Ferrita AcicularGF = Ferrita en Borde de Grano
Microestructuras del metal de soldadura
AC = Ferrita con M-A-C alineados M = Martensita
Microestructuras del metal de soldadura AC = Ferrita con M-A-C alineados
PF = Ferrita Poligonal Intergranular
Microestructuras del metal de soldadura
AC = Ferrita con M-A-C alineados
AC = Ferrita con M-A-C alineados F = Ferrita Primaria
FC
= Ferrita con agregados de Carburos (includa la Perlita)
GRILLA PARA CUANTIFICAR LA MICROESTRUCTURA- IIW
SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO
ZONA 1
ZONA 2 ZONA 3
Zona Columnar del Metal de SoldaduraZONA 1
Detalle zona columnar -ZONA 1
Detalle zona transformada REFINADA
ZONA 2
Detalle zona transformada GRANO CRECIDO
ZONA 3
METAL BASE
Fisuracin Asistida por Hidrgeno o Fisuracin en Fro
La fisuracin en fro, mas correctamente denominada fisuracin asistida por hidrgeno, se manifiesta por la aparicin de fisuras inmediatamente, o transcurridos minutos y en algunos casos hasta horas despus de completada la soldadura. Estas fisuras pueden presentarse en el cordn de soldadura o en la zona afectada por el calor del material base. Requiere para su produccin la concurrencia de los siguientes factores: Hidrgeno difusible en el metal de soldadura o en la zona afectada trmicamente del material base. Una microestructura susceptible (Tpicamente martensita de dureza superior a los 350 Hv). Tensiones mecnicas (P.Ej. tensiones residuales o trmicas)
LOCALIZACION DE FISURAS ASISTIDAS POR HIDROGENO EN LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR DEL MATERIAL BASE EN SOLDADURAS
FISURA ASISTIDA POR HIDROGENO EN LA ZAC DE UN FILETE INICIADA EN EL TALON
FISURAS POR HIDROGENO EN METAL DE SOLDAURA
Fisuracin por Licuacin o Fisuracin en caliente
Fisuras por licuacin en metal de soldadura. Obsrvese la correlacin entre la posicin de la fisura y las zonas de mas probable segregacin. En el caso del filete, la fisuracin puede haberse asistido por la excesiva separacin entre piezas. La fisuracin se relaciona con la formacin de compuestos de S y eventualmente P de bajo punto de fusin, debido a fenmenos de segregacin ayudados por contaminacin.
Los aceros inoxidables austenticos pueden ser susceptibles a este tipo de fisuracin si no contienen ferrita delta en su microestructura o si slo contienen cantidades marginales.
Fisura central en filete con alta restriccin, soldado con alto aporte trmico y con contenido de ferrita delta marginal
Microfisuras en metal de soldadura austentico tipo AISI 310 con 0,5% Mn
Fisuras en caliente en la ZAC del material base de un acero inoxidable austentico 20 Cr - 25 Ni
TRATAMIENTOS TERMICOS
Tratamientos Trmicos previos a la soldaduraLos equipos que han estado en presencia de Hidrogeno atmico son susceptibles de fisurarse durante su reparacin por soldadura.La causa es la presencia de Hidrogeno atmico en el material base. Este gas, en forma atmica, penetra en el acero causando fisuracin, porosidad, ampolladuras y perdida de ductilidad. Con el paso del tiempo,el hidrgeno atmico difunde en el retculo cristalino del acero recombinandose a hidrogeno molecular en espacios vacos tales como exfoliaciones o inclusiones formando ampollas. Puede quedar algo de hidrogeno en forma atmica anclando dislocaciones y reduciendo la ductilidad. Peor aun, puede producir fisuras en zonas de alta dureza tales como metal de soldadura, ZAC y puntos duros. A este proceso se le denomina), Fisuracion Inducida por Hidrogeno. (HIC).
Tratamientos Trmicos previos a la soldaduraUn caso particular es la presencia de,acido sulfidrico (HS) , que acelera la entrada de hidrogeno y aumenta la actividad de hidrogeno atomico. El resultado es a veces mal llamado Corrosion Bajo Tension por acido sulfidrico porque en realidad es una forma de HIC. La Asociacin de Ingenieros de Corrosin (NACE), norma MR -01-75, Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials for oil field equipment, establece que la dureza no debe superar los RC 22. Las temperaturas corrientes de Deshidrogenado no estn tan acotadas como las de T.T.P.S. y suelen variar entre 150C y 450C.Este Tratamiento permite al Hidrgeno atmico difundir fuera del material.
Tratamientos Trmicos previos y durante la soldaduraEl precalentamiento es la principal defensa contra la Fisuracin Inducida por Hidrogeno (HIC) permitiendo a este difundir fuera del metal de soldadura. Disminuye la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura y de la ZAC, el resultado es una microestructura mas dctil y resistente a la fisuracin. Disminuye algo las Tensiones Residuales al reducir la diferencia de temperatura entre el Metal de Soldadura y el material base minimizando la contraccin.
Tratamientos Trmicos previos y durante la soldaduraMantiene al acero a una temperatura superior a aquella por debajo de la cual ocurre fractura frgil. Compensa las perdidas de calor en secciones gruesas de acero y especialmente en aleaciones de alta conductividad trmica como cobre o aluminio evitando fallas por falta de fusin del Material Base. Reduce la porosidad debida a la presencia de humedad
Tratamientos Trmicos posteriores a la soldaduraDisminuye la dureza de la ZAC, metal de soldadura y material base. El resultado es una microestructura mas dctil y resistente a la fisuracin. Aumenta la resistencia a la corrosin y a la fisuracin por Corrosin bajo Tensin (SCC). Al reducir las tensiones residuales aumenta la estabilidad dimensional de estructuras soldadas y mecanizadas.
Tratamientos Trmicos posteriores a la soldaduraAl Reducir las tensiones residuales aumenta la tenacidad del material por disminucion de la Triaxialidad. Al Reducir las tensiones residuales aumenta la Resistencia a la Fatiga
Post calentamientoEste tipo de T.T.P.S. es realmente una prolongacin del precalentamiento y esta dirigido a remover el hidrogeno que pudiese quedar luego de la soldadura. Se suele utilizar en reparaciones cuando el TTPS es imprctico o inseguro para la instalacin. Ver National Board I.C.
Tratamientos Trmicos previos a la soldadura