soldadura por produccion

| Estructura metálicas Oleoductos y gasoductos

ÁREA PETROLERA < Tanques ele almacenamiento Estructuras Tubulares Recipientes a presión

Centrales Térmicas AREA ELECTRICA -• centrales Hidroeléctricas

Minicentrales Hidroeléctricas

AREA INDUSTRIAL

Industria Wetalmecánica Industria de Fundición Otras industrias

AREA AERONAUTICA I Talleres Autorizados

inspección rutinaria

mm

AREA -MARITIMA

Astilleros Estructuras Metálicas Marítimas Esclusas-Compuertas Plataformas marinas

MANTENIMIENTO

i Se Establece un estudio de los PREVENTIVO J hechos para realizar inspecc iones

T per iód icas : detectar discont inuidades i y prevenir fallas

I Se predice la falla por: indicios, por PREDICTIVO J programación o por ambas: se

] anticipa al hecho de falla con la detecc ión prematura

¡ Al que no se debe llegar, pues REPARACIÓN i ocasiona pérdidas de producc ión

| Por paro de planta, por ejemplo en un i cuello de botella

TODA PLANTA DEBE TENER UNA PROGRAMA DE MANTENIMIENTO

EL CONCEPTO ES CALIDAD TOTAL

l i l i l í I 1 I 1 1 1 I 1 1 1 1 V

NORMAS EMPLEADAS EN END

N O R M A S J

ABS; American Bureau of Shipping AEC; US Atomic Energy Commission AIA: Aerospace Industries Assoclation of America AIS1; American Iron and Steel Institute AL-ASSOC: the Aluminum Association Inc. ANSI; American National Standards Institute APí: American Petroleum Institute ASME: American Societv of Mechanical Engineers AS NT; American Societv for Nondestructive Testing ASTM; American Societv for Testing Materials AWS: American VVeldinq Societv

PRINCIPIOS DE

SOLDADURA

MATERIALES s

MATERIALES-

METALES

CERAMICOS

Ferrosos Noferrosi

AL CARBONO

ALEADOS (BAJA ALEACION»

ALEADOS (ALTA ALEACION:

FERROSOS FUNDICION GRIS

FUNDICION NODULAR

FUNDICION MALEABLE

FUNDICIÓN BLANCA

PROCESOS DE CONFORMADO CHAPAS Y LAMINAS

Conformado en caliente

Conformado en caliente + deformación en frío

TUBERIAS

LAMINAS ROLADAS Y SOLDADAS LONGITUDINALMENTE. LAMINAS ROLADAS Y SOLDADAS HELICOIDALMENTE. Por resistencia v arco sumergido TUBERIA EXTRUIDA TUBERIA CENTRIFUGADA

CONFORMADO EN FRIO TREFILACION. EMBUTICION

i CORTE. PUNZONADO |̂ REPUJADO

FORJA ACEROS Y FUNDICION NODULAR-EN CALIENTE NO FERROSOS-EN FRÍO

A C E R O S A L

C A R B O N O

CLASIFICACION AISI-ASTM. ETC Conformados en caliente1/ enfrío para fines estructurales, tanques tullirías recipientes a presión. Tienen buena soldabiliclad.

A C E R O S A L E A D O S Alta a leac ión

ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS AUSTENITICOJ MARTENSÍTICOS

QTROSACEROS. ACERO HADFIELD 12-14% Mn

ACEROS ALEADOS A c e r o s comunes de baja aleación. A c e r o s H S L A relación costo resistencia

FUNDICIONES

Fund ic ión gris. Fund ic ión nodular Fund ic ión b lanca Fund ic ión maleable

CONTROL DE FRACTURA

• 1 .-El i ngen ie ro de mater ia les ana l iza la es t ruc tu ra desde el p u n t o de v is ta de la respues ta del ma te r i a l .

• 2 . - El I ngen ie ro Mecánico ve desde el p u n t o de v is ta del "D iseño" , de la concen t rac ión de es fue rzos .

• 3 . - El I ngen ie ro Est ructura l m i ra desde el rango de las conex iones de los e l emen tos so ldados y de la Respuesta g loba l de la Est ruc tura .

• No hay q u e m i r a r desde un p u n t o de v is ta en par t i cu la r

• ANALIZAR EL CONTROL DE FRACTURA DESDE TRES PUNTOS DE VISTA

OBRAS

CODIGO ASME 1

AWS

API

ANSI

I. Power Boller and prossuro vo»iol» II. Materiales ferrosos y no forroaoa. III. Nuclear Power Plant Componont». IV. Calderos de vapor saturado. V. Inspecciones No Destructivas. VI. Operación de Calderos a Vapor.

VII. Cuidados de Calderos a Vapor seco. VIII. Calderos y Recipientes a presión.

IX. Welding and brazing qualifications.

D 1.1 Structural Welding Code

D 1.3 Structural Welding Code

1104 St for weld pipelines

650 Welded Steel Tanks for oil store

B 31.4 Liquid Petroleum Transpiping Sis

PRINCIPALES USUARIOS DE LOS END

- Industria del petróleo - Industria de la Electricidad - Industria de procesos o que unen procesos - Industria nuclear - Empresa de se/vicios

- Agua potable - Alcantarillado - Eléctricos , • - Telefónicas 1

*LAS DISCONTINUIDADES EN ALGÚN MATERIAL SE PRODUCEN DURANTE EL PROCESO, EL SERVICIO O EL MONTAJE

En la Producción —* Industria

END \ En mantenimiento < Industria

Servicios

En el montaje —> Grandes obras

METODOLOGÍA DE APLICACIÓN DE LOS END

CAMPO DE EMERGIA !

INTERACCIÓN CON EL MEDIO

[ DETECCIÓN ]

PROCESAR LA INFORMACIÓN

| INTERPRETAR INFORMACIÓN

1 REGISTRO DE RESULTADOS

i l l l l l U l l u u u i u u u m m m i i v i v Habilidades

1 . - Conocer los m é t o d o s de so ldadu ra , sus ap l icac iones, venta jas y l im i tac iones .

2. - Plantear p r o c e d i m i e n t o s de so ldadu ra de acuerdo a r eque r im ien tos de no rmas de re ferenc ias .

3. - Exper imen ta r con la ca l i f i cac ión de WPS's.

4 . - Conocer los pr inc ipa les m é t o d o s de END.

5. - Exper imen ta r con estos m é t o d o s en el con t ro l de ca l idad de so ldaduras y p rocesos .

INTRODUCCION C O N T R O L D E C A L I D A D D E MATERIALES M E T A L I C O S El manejo de los metales como materia prima, supone el entendimiento de la relación de las propiedades físicas, mecánicas y tecnológicas con la estructura base de los metales, los cristales.

Desde el punto de vista submicroscópico (a nivel de átomos y cristales) los metales no son perfectos, es más, son las imperfecciones las que permiten una mayor facilidad de conformabilidad de los metales (dislocaciones).

Desde el punto de vista microscópico (8 niveles de observación con el microscopio óptico), la forma, naturaleza, tamaño, cantidad, distribución y orientación de las fases, controlan las propiedades físicas de los materiales metálicos, como también de materiales como los cerámicos, polímeros y compuestos.

Desde el punto de vista macroscópico (a nivel de observación vista sin ayuda), las propiedades de los materiales metálicos pueden ser variadas sencillamente por la presencia de discontinuidades macroscópicas. Muchas veces el proyectista establece un diseño tomando en cuenta materiales perfectos, pero en la realidad no existe tal material, la tendencia es obtener materiales que con el suficiente control nos den una seguridad de operabilidad, manteniendo a las discontinuidades bajo rangos aceptables de acuerdo a códigos, normas y especificaciones. El control de la calidad en los procesos de la transformación de los metates, da cierta garantía de la condición de uso o capacidad de servicio de los materiales metálicos. Un capítulo importante es la inspección destructiva y la inspección no destructiva. Las técnicas de ensayos no destructivos son aplicables hacia muchas especialidades, todas aquellas que tenga que ver con los materiales, entre ellas tenemos: Ingeniería Química, Ingeniería Eléctrica, Ingeniería en Geología, Ingeniería de Petróleos, Ingeniería Industrial, etc.; pero es en la Ingeniería Mecánica donde encuentra su mayor aplicación en especiaípor tenerse en ella el manejo, físico de transformación de materiales metálicos y algunas aplicaciones en cerámicas y polímeros. Cada proceso establece pruebas destructivas para ubicar el material dentro o fuera de una especificación. De igual forma los ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS establecen pruebas de calidad para determinar la condición de los materiales, piezas, componentes y equipos, sin necesidad de destruirlos o inutilizarlos parcialmente, para de esta forma garantizar que las propiedades dadas en un determinado elemento sean confiables en toda la vida útil de éste.

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

OBJETIVO Producir beneficios económicos a los usuarios. Asegurar calidad y conf iab i l idad. Prevenir accidentes. Contr ibu i r al desarrol lo cientí f ico y tecnológico

DEFINICION: Son métodos que permi ten detectar y evaluar d iscont inuidades, sin modi f icar la condic ión de uso o apt i tud de servicio.

END

En ia Producción

En mantenimiento

En ei montaje

Industria

industria

Servicios

Grandes obras

END PRINCIPIOS DE SOLDADURA

C O N C E P T O

La AWS. Define a la soldadura como.

Una coalescencia localizada de metales; la coalescencia se origina por la aplicación de

calor, con o sin fusión; con o sin adición de metal de aporte o la aplicación de presión.

Otra definición.

Son los procesos mediante los cuales se obtiene la unión permanente de dos a más

piezas con la ayuda de calor y/o presión en las cuales se puede utilizar o no metal de

aporte que puede ser de la misma o diferente composición química a la del metal base.

Los procesos con FUSION tienen mayor importancia y aplicación, y dentro de ellos uno

de los que más se utiliza es el proceso de soldadura por arco especialmente el de

electrodo revestido.

La unión soldada debe tener las cualidades necesarias para desempeñarse en servicio,

se requiere cierta micro estructura y composición química que nos garanticen

determinadas propiedades físicas y mecánicas. Son importantes: la forma y tamaño de

la soldadura, así como la integridad de la unión, los factores que influyen son:

• El material base

« El material de soldadura y

• La manera de soldar.

Por lo que es importante la selección de un soldador apto, así como el material que se

usará y el procedimiento a emplearse.

La importancia económica de la soldadura es una de las cuales dispone el ingeniero

para reducir los costos de producción y fabricación, además del factor económico y del

procedimiento a utilizarse.

La AWS. Define a la SOLDABILIDAD como:

La capacidad de un metal para ser saldado baja condiciones impuestas de fabricación

dentro de una estructura específica convenientemente diseñada y para funcionar

satisfactoriamente en el servicio propuesto.

Otra definición.

18

END

SOLDADURA DE PRODUCCIÓN Y

MANTENIMIENTO ( P r o c e s o s de fabricación)

OBJETIVO

Desarrollar de habilidades para:

a. - Establecer los lineamientos generales para seleccionar el procedimiento de

soldadura más adecuado de acuerdo a las necesidades establecidas, de manera de

mantener la calidad de la soldadura de acuerdo a los requerimientos de las normas y

códigos.

b. - Establecer los requerimientos de END de mayor aplicación en el control-de calidad

de los procesos de fabricación y montaje de partes y componentes de instalaciones

como: estructuras, tanques, líneas de flujo, recipientes de presión, etc.

HABILIDADES 1. - Conocer los métodos de soldadura, sus aplicaciones, ventajas y l imitaciones.

2. - Plantear procedimientos de soldadura de acuerdo a requerimientos de normas de

referencias.

3. - Experimentar con la calificación de WPS's .

4. - Conocer los principales métodos de END.

5. - Experimentar con estos métodos en el control de calidad de soldaduras y procesos.

i

Escuela Politécnica Nacional Laboratorio de Ensayos No Destructivos END La capacidad que tienen los materiales, de la misma o diferente naturaleza, para ser

unidos de forma: permanente mediante los procesos de soldadura, sin presentar

transformaciones estructurales perjudiciales, tensiones o deformaciones que puedan

ocasionar alabeos o fisuramiento en. el material en cuestión u otros problemas

concernientes al punto de fusión de éstos o de sus óxidos.

La definición de soldabilidad incorpora algunos puntos de vista diferentes por lo que

para su mejor entendimiento de esta propiedad se la divide en tres aspectos principales:

1. - Operativo.

2. - Metalúrgico.

3. - Constructivo.

SOLDABIL IDAD

Tipos de soldabilidad <

Soldabilidad Operativa

Soldabilidad Metalúrgica

Soldabilidad Constructiva

«PS.

Soldabilidad Operativa.

Responde en si, a la operación de soldadura en lo que tiene que ver con las

condiciones tecnológicas de ejecución de las uniones soldadas por cualquier proceso

de soldadura ya sea con fusión por calor y/o presión.

Existen condiciones que determinan esta soldabilidad y son:

Tipo de material.

Tamaño, espesor y forma de las partes soldadas.

Posición de las juntas.

Tipo de protección del arco y de la unión soldada.

Niveles de corriente.

Tipo de polaridad.

Voltaje.

v» Velocidad de la soldadura.

Mala soldabilidad operativa —> si el metal u óxido tienen altas temperaturas de fusión.

19

Escuela Politécnica Nacional f*»*\5Q Laboratorio de Ensayos No Destructivos -^aÉ^KU

Oxido de cromo dificulta una unión adecuada.

Se elimina el óxido con un flujo de calor dirigido para este fin.

La soldabilidad operativa se la puede definir como

La combinación de propiedades que controlan la capacidad de un metal a ser unido

correctamente por soldeo, bajo condiciones específicas, para formar un miembro

continúo.

Soldabilidad Metalúrgica.

Es la capacidad que tienen los materiales, de la misma o diferente naturaleza para ser

unidos en forma permanente mediante los procesos de soldadura sin presentar

transformaciones microestructurales o variaciones en las propiedades químicas de la

unión soldada, que ocasionen cambios en las propiedades mecánicas deseadas del

material.

No se debe producir el temple del metal base ni del de aporte, en aceros de bajo

carbono esta posibilidad es pequeña, pero en aceros aleados hay mayor posibilidad de

que se generen estructuras martensíticas que tornan frágil al material.

Zona de fusión (depende de las características del proceso y de la técnica utilizada para soldar)

UNION \a afectada por el calor (depende de las características del proceso y de la técnica utilizada para soldar)

Metal Base (la soldabilidad depende mucho de las propiedades mecánicas de este) .

Soldabilidad constructiva.

Se liga al Proyecto de Construcción, a las propiedades físicas del material como son la

dilatación y contracción que originan fisuramientos en la unión soldada.

Depende también de factores externo como son la temperatura y humedad ambiental,

estos dos aspectos son mucho más evidentes en países de cuatro estaciones severas,

en nuestro medio se puede encontrar ambientes húmedos

Se puede definir la soldabilidad constructiva como: una combinación de propiedades las

cuales controlan la facilidad de unir un metal por soldadura bajo una serie de

condiciones impuestas para formar una unión, siendo estas propiedades adecuadas

para el propósito intentado.

20

Escuela Politécnica Nacional Laboratorio de Ensayos No Destructivos ^^Év&Jr Un material tiene buena soldabilidad cuando se cumple los tres tipos de soldabilidad

analizados.

DISCONTINUIDAD EN LA S O L D A D U R A

Las discontinuidades pueden ser:

1.-Porosidad. f 6 s ^ | w ¿rsa»f

-í> Electrodo ijcJo' -> -fcvmU?«n TÚ>vve. » » r < - "

2. - Inclusiones de escoria.

3. - Fusión incompleta.

4. - Socavamiento o mordeduras.

5. - Grietas o fisuras

6. - Falta de penetración.

7. - Falta de fusión.

Porosidad.- son bolsas de gas o huecos en el metal de soldadura, es el resultado de la

formación de gases por reacciones químicas que ocurren durante la soldadura.

Si se emplea una corriente elevada o un arco largo, los desoxidantes que un electrodo

requiere se pierden fácilmente durante la deposición; la cantidad que queda no basta

para desoxidar el metal derretido de una forma correcta; se pueden generar poros si

existe humedad en el ambiente o en el electrodo.

Inclusiones de escoria. - se refiere a los óxidos Y sólidos no metálicos que a veces

quedan en el metal de soldadura entre franjas adyacentes o entre el metal de soldadura

y el metal base.

La agitación del arco puede hacer que la escoria que se forme a partir de la cobertura

de los electrodos de arco de metal protegido se meta debajo de la superficie del metal

derretido; si el soldador es descuidado, la escoria puede fluir hacia delante del arco.

Cuando se suelda sobre una grieta entre dos franjas paralelas convexas, entre una

franja convexa y una pared lateral ó cuando se suelda pendiente a bajo, el material

derretido puede fluir por encima de la escoria, atrapándola debajo de la franja. Los

factores que proporcionan esto son una escoria muy viscosa o que se solidifica con

rapidez o una corriente de soldadura insuficiente.

21

Escuela Politécnica Nacional Laboratorio de Ensayos No Destructivos

Fusión incompleta.- es la incapacidad para fusionar franjas adyacentes de metal de

soldadura, o el metal de soldadura con el metal base. Se puede tratar de una condición

localizada o generalizada y puede ocurrir en cualquier lugar del surco de soldadura,

incluso en la raíz misma de la unión. Esto puede deberse a que el metal base o la franja

de metal depositado no se elevó al punto de fusión, la carencia de fundente, no se

disolvieron los óxidos o demás materiales extraños que podrían estar presentes.

Falta de penetración.- El metal de soldadura no ingresa en las ranuras a causa de

insuficiente separación o un talón muy alto en lo que se refiere a la geometría, o una

corriente insuficiente que ocasiona temperaturas bajas de fusión.

Socavamiento.- Se tiene cuando se derriten las paredes laterales del surco de la

soldadura, cuando ocurre en pases interiores se suele asociar con la inclusión de

escoria en las oquedades producidas por el socavamiento. La aceptación del

socavamiento está dada por la norma y los códigos.

Un socavamiento excesivo puede ocasionar concentradores de esfuerzos y sitios donde

se puede producir corrosión con mayor facilidad, esto disminuye la resistencia del

elemento. El socavamiento se lo detecta con inspección visual, se lo corrige con

abrasión y con el depósito de cordones de relleno.

Grietas o f isuras.- Se producen por agrietamiento en frío o en caliente, pueden estar

en el metal base, el metal de soldadura o la zona afectada por el calor.

Si se observa fisuras durante la soldadura, se las debe eliminar antes de seguir

soldando, pues al depositar metal de soldadura sobre una grieta esta puede continuar

hacia la franja recién depositada.

El agrietamiento en caliente es función de la composición química y su causa principal

es la presencia de constituyentes en el metal base con bajo punto de fusión que se

sitúan en los límites de grano durante la solidificación.

22

Escuela Politécnica Nacional Laboratorio de Ensayos No Destructivos END

METALURGIA DE LA SOLDADURA

Zonas de la unión soldada.- en una unión soldada se consideran tres zonas para su

estudio metalúrgico: zona de fusión o del metal fundido, zona afectada por el calor y el

metal base.

La zona afectada por el calor es una zona muy pequeña donde se desarrollan procesos

térmicos y transformaciones de orden físico - químico, esto es función del ciclo térmico

desarrollado y de la naturaleza del metal o aleación.

Consideraciones de una operación de soldeo.- La operación de soldadura se

asemeja a tres procesos metalúrgicos: fundición, tratamiento térmico y cambios

metalúrgicos.

El proceso de fusión se asemeja al proceso de fundición, ya que el metal es llevado a la

fase líquida para luego solidificarse en una cavidad de forma determinada.

Se asemeja al proceso de tratamiento térmico, ya que las partes adyacentes a la zona

fundida están sometidas a un calentamiento en estado sólido seguido de un

enfriamiento rápido, la temperatura alcanzada durante el calentamiento y la velocidad

de enfriamiento varían dentro de amplios límites.

La semejanza a un proceso de cambios metalúrgicos, está dada como consecuencia de

las reacciones químicas que se desarrollan entré los diversos elementos de

ZONA AFECTADA POR CALOR ,

LIMITE APARENTE DE FUSION

METAL BASE

Figura 1.1. Zonas de una unión, soldada


composición de metal base, metal aportado y el medio circundante durante la

solidificación.

Fuentes de calor y ciclo térmico.- la aplicación de la fuente de calor puede ser de dos

formas: estacionaria y móvil.

Tres factores determinan el ciclo térmico: el procedimiento de soldeo, las propiedades

térmicas y las dimensiones y forma de la pieza.

La mayor parte de los metales y aleaciones de interés comercial al enfriarse después de

haber sido calentados (soldadura, fundición, tratamientos térmicos, fricción, etc.) sufren

transformaciones en su estructura. Como producto de estas transformaciones se puede

distinguir dos tipos de estructuras:

1. - Estructura primaria (sub estructura). Es la que resulta de la solidificación.

2. - Estructura secundaria. Producto de las transformaciones en estado sólido y

es la que se observa en los aceros cuando se ataca con nital 2 o 5.

En los procesos de soldadura durante la solidificación, se producen otros fenómenos

muy importantes, como son:

• Reacciones del metal líquido con los gases que se encuentran alrededor de la

pileta.

• Reacciones del metal líquido con las fases líquidas no-metálicas, como son

las escorias.

FORMACION DE LA E S T R U C T U R A PRIMARIA - SOLIDIFICACION

Se sabe que la transformación líquido-sólido (solidificación) esta controlada por dos

procesos sucesivos que son: N u d e a c i ó n y Crecimiento.

Estos procesos implican la formación de un pequeño cristal de sólido rodeado de líquido

que posteriormente debe crecer. La nudeación se favorece si sé produce en las

paredes del recipiente que contiene el líquido o sobre partículas extrañas que sirven de

sustrato (nudeación heterogénea). .

En general cuanto mejor es el "mojado" del líquido en el sustrato más efectivo será el

nucleante.

24

Escuela Politécnica Nacional END Laboratorio de Ensayos No Destructivos - * 3 " " *

Cuando se fabrican piezas coladas (fundición) se escoge el material del molde o se

trata la superficie de éste, de tal manera de prevenir el mojado con el metal líquido de

las paredes del molde.

En el caso de la soldadura por fusión, la pileta de líquido que se forma está contenida

en un molde que tiene más o menos la misma composición del metal líquido. De este

modo, el metal líquido moja completamente el sustrato (metal base) que estaría

formado por los granos fundidos parcialmente. El sólido caliente, en la internara sólido-

líquido se comporta como un perfecto sustrato nucleante, a partir del cual el metal

fundido puede cristalizar, produciéndose de esa manera un caso ideal de "nudeación

heterogénea: (Figura 1.2).

Los átomos de la fase líquida liberan calor latente y se unen a la estructura cristalina

existente manteniendo la misma orientación, por lo tanto, prolongado los granos

existentes dentro del líquido. Esta forma de crecimiento ha sido llamado p o r W . Savage

como "Crecimiento epitaxia!".

Una vez iniciado el crecimiento de los granos sólidos y consecuentemente el

movimiento de la intercara sólido-líquido tiende a ser paralelo al máximo gradiente de

temperatura, con el objeto de disipar mejor el calor latente de solidificación al metal

base de los alrededores. Además, es sabido que los diferentes cristales en los metales

METAL BASE

Fig.1.2 Crecimiento epitaxial en la soldadura por fusión.

25


tienen direcciones preferenciales de crecimiento y que los granos en los metales (metal

base) están orientados de diferentes maneras.

A nivel microscópico el crecimiento durante la solidificación se hará más fácilmente para

los granos cuya orientación preferencial está paralela al gradiente de temperatura. Los

metales cúbicos de cara centrada (A1, Acero inoxidable austenítico, Latón, etc.) y

cúbicos de cuerpo centrado (Hierro, etc.) tienen las direcciones < 100 > como

direcciones preferenciales. Ver Figura 1.3

Fig. 1.3 Crecimiento epitaxial y direcciones preferenciales en los metales fcc-y bcc

En resumen, los granos mejor orientados tienden a crecer a expensas de los peor

orientados, creándose de esta manera un "crecimiento competitivo", que da como

resultado una estructura columnar con una textura determinada.

La característica epitaxial de la solidificación aparece también entre cada pasada de

una soldadura de varias pasadas. Los granos del cordón existente sirven de sustrato

para el nuevo cordón.

F ig . 1.4 Estructura pr imar ia en un cordón de múl t ip les pasadas (a) El metal recristal iza al enfriarse, (b) El

metal no recristal iza al enfriarse.

26


E F E C T O DE LA GEOMETRIA DE LA P ILETA S O B R E LA E S T R U C T U R A PRIMARIA

La geometría de la pileta está controlada por la cantidad de Energía Entregada (Heat

Input) durante el proceso de soldadura. Esta energía, para el caso de un arco en

movimiento, puede calcularse de la siguiente manera:

E•I•60 HI =

S (D

Hl = Energía entregada (Joules por centímetro)

E = Diferencia de potencial (voltaje) en el arco (voltios)

I = Corriente de soldadura (Amperios)

S = Velocidad de avance o velocidad de soldadura (cm/minuto)

En esta fórmula (1) si se aumenta la velocidad de soldadura, manteniendo E e I

constantes la energía entregada (Hl) disminuye; así mismo, si la velocidad disminuye,

aumenta la energía entregada. De este modo, un cambio en la velocidad de soldadura

modifica la Energía Entregada y por lo mismo modifica ciertos fenómenos relacionados

con ésta:

• Forma y tamaño de la pileta

• Penetración del cordón

• Macroestructura del cordón de soldadura.

Si la velocidad de soldadura es lenta la pileta toma forma elíptica, mientras que si la

velocidad aumenta la forma de la pileta tiende a alargarse en forma como se ve en la

figura 1.5

(a) V e l o c i d a d de so ldadura lenta (b ) V e l o c i d a d de s o l d a d u r a a l ta

F ig . 1.5 Representación esquemática de la forma de la pi leta afectada por un cambio de velocidad de

soldadura.

27 He


Asimismo, si la velocidad de avance de soldadura es alta la, penetración del cordón es

menor, mientras que si la velocidad es lenta la penetración aumenta. Ver Figura 1.6.

Existe una relación entre la velocidad de la soldadura y la velocidad de solidificación

velocidad de crecimiento de los cristales sólidos que esta dada por

R = Velocidad de solidificación, cuando el sólido crece desde el límite de fusión hacia el

centro de la pileta.

S = Velocidad de soldadura.

a = Angulo entre la dirección de soldadura y una perpendicular a la intercara sólido -

líquido en el punto correspondiente al grano que crece.

En la figura 15, se observa que cuando el ángulo a = 90°, eos a = 0 y R = 0, pero

cuando a = 0, eos a = 1 y R = S , es decir que, la velocidad de solidificación es mínima

al comienzo de la solidificación pero llega a un máximo en el eje XX del cordón.

S = 10 cin/min S = 20 cm/min S = 23 cm/min

V e 1 cons tan te ; Gas A r . ; T r a n s f e r e n c i a t i p o S p r a y ; Proceso M I G F ig . 1.6 Relación de la velocidad de soldadura con la penetración.

R = S. eos a

VELOCIDAD x

DE SOLDADURA

S (R) VELOCIDAD DE

SOLIDIFICACIÓN

R = S . C O S «

F i g . 1.7.- Relación de la ve loc idad de so l id i f icac ión y la velocidad de soldadura

ICM. ole cr.tk ¿i/fería fe 6QIQ e 60 n 28

cleciroslag. Resistance welding oxyacetylene fíame, (oxyyen cut t ing)

thermite

Air i fuel gas fíame

I 10 2 103

Frici ion

Are weld ing Electron beam.

láser beam

io 6 10'

W / c m '

F I G . 2 SPECTRUM OF PRACTICAL HEAT INTENSITIES USED FOR FUSION WELDING

T A B L E 1 T H E R M A L D I F F U S I V I T I E S O F C O M M O N E L E W I E N T S F R O M 20 T O 100 ° C (68 T 0 2 1 2 " ° F )

E L E M E N T D E N S I T Y H E A T C A P A C I T Y

T H E R M A L C O N D U C T I V I T Y

mm 2 /s T H E R M A L D I F F U S I V I T Y cm 2 /s

E L E M E N T

g/cm íb/in.3 j/kg • k cal¡,/g-°e w/m • k cal¡,/cm • s • °c

mm 2 /s T H E R M A L D I F F U S I V I T Y cm 2 /s

A L U M I N U M 2.699 0.098 900 0.215 221 0.53 91 0.91 ANTIMONY 6.62 0.239 205 0.049 19 0.045 14 0.14 BERYLLIUM 1.848 0.067 1880 0.45 147 0.35 42 0.42 BISMUTH 9.80 0.354 123 0.0294 8 0.020 7 0.09 C A D M I U M 8.65 0.313 230 0.055 92 0.22 46 0.46 CARBON 2.25 0.081 691 0.165 24 0.057 15 0.15 COBALT 8.85 0.320 414 0.099 69 0.165 19 0.188 COPPER 8.96 0.324 385 0.092 394 0.941 114 1.14 GALLIUM 5.907 0.213 331 0.079 29-38 0.07-0.09 17 0.17 GERMANIUM 5.323 0.192 306 0.073 59 . 0.14 36 0.36 GOLD 19.32 0.698 131 0.0312 297 0.71 118 1.178 HAFNIUM 13.09 0.472 147 0.0351 22 0.053 12 0.12

INDIUM 7.31 0.264 239 0.057 24 0.057 14 0.137 IRIDIUM 22.5 0.813 129 0.0307 59 0.14 20 0.20 IRON 7.87 0.284 460 0.11 75 0.18 21 0.208 LEAD 11.36 0.410 129 0.0309 35 0.083 24 0.236

MAGNESIUM 1.74 0.063 1025 0.245 154 0.367 86 0.86

MOLYBDENUM 10.22 0.369 276 0.066 142 0.34 50 0.50

NICKEL 8.902 0.322 440 0.105 92 0.22 23.5 0.235 T

NMOBIUM 8.57 0.310 268 0.064 54 0.129 23.6 0.236 PALLADIUM 12.02 0.434 244 0.0584 70 0.168 24 0.24

PLATINUM 21.45 0.775 131 0.0314 69 0.165 24.5 0.245 PLUTONIUM 19.84 0.717 138 0.033 8 0.020 3.0 0.030 RHODIUM 12.44 0.449 247 0.059 88 0.21 29 0.286 SILICON 2.33 0.084 678 0.162 84 0.20 53 0.53

SILVER 10.49 0.379 234 0.0559 418 1.0 170 1.705 •

SODIUM 0.9712 0.035 1235 0.295 134 0.32 112 1.12

T A N T A L U M 16.6 0.600 142 0.034 54 i 0.1,30 23 0.23 '

TIN 7.2984 0.264 226 0.054 63 0.150 38 0.38

TITANIUM 4.507 0.163 519 0.124 22 0.052 9 0.092

TUNGSTEN 19.3 0.697 138 0.033 166 0.397 62 0.62 URANIUM 19.07 0.689 117 0.0279 30 0.071 13 0.13

V A N A D I U M 6.1 0.22 498 0.119 31 0.074 10 0.10

ZINC 7.133 0.258 383 0.0915 113 0.27 41 0.41

ZIRCONIUM 6.489 0.234 280 0.067 21 0.050 12 0.12 .

T A B L E 2 THERMAL DIFFUSIVIT IES OF COMMON A L L O Y S FROM 20 TO 100 "C (68 TO 212 °F)

A L L O Y S D E N S I T Y H E A T C A P A C I T Y

T H E R M A L C O N D U C T I V I T Y

T H E R M A L D I F F U S I V I T Y

A L L O Y S

g/cmJ | lb/¡n.J j/kg • k | cal¡,/g • °c w/m • k | cal̂ cm • s • °c mmVs 1 cm2/s A L U M I N U M A L L O ^ i r S l 100 2.71 0.098 963 0.23 222 0.53 85 0.85 2014 2.80 0.101 963 0.23 193 0.46 71 0.71 5052 2.68 0.097 963 0.23 138 0.33 54 0.54 606] 2.70 0.098 963 0.23 172 0.41 66 0.66 7075 2.80 0.101 963 0.23 121 0.29 45 0.45 C O P P E R A L L O Y S COMMíiRCIAL BRONZE

8.80 0.318 377 0.09 188 0.45 57 0.57

CARTRIDGE BRASS

8.53 0.308 377 0.09 121 0.29 38 0.38

N A V A L BRASS 8.41 0.303 377 0.09 117 0.28 37 0.37 BERYLLIUM COPPER

8.23 0.297 419 0.1 84 0.20 24 0.24

9% A L U M I N U M BRONZE

7.58 0.273 435 0.104 60 0.144 18 0.18

M A G N E S I T I M A L L O Y S AZ31 1.78 0.064 1050 0.25 84 0.20 45 0.45

AZ91 1.83 0.066 1005 0.24 84 0.20 46 0.46

ZW l 1.8 0.065 1005 0.24 134 0.32 74 0.74

RZ5 1.84 0.066 963 0.23 113 0.27 64 0.64

S T A I N L E S S S T E E L S

TYPE 301 7.9 0.285 502 0.12 16 0.039 4.1 0.041 TYPE 304 7.9 0.285 502 0.12 15.1 0.036 3.8 0.038 TYPE 316 8.0 0.289 502 0.12 15.5 0.037 3.9 0.039

TYPE 410 7.7 0.278 460 0.11 24 0.057 6.7 0.067

TYPE 430 7.7 0.278 460 0.11 26 0.062 7.3 0.073

TYPE 501 7.7 0.278 460 0.11 37 0.088 1 10 0.10 NTCKFT-RASE A L L O Y S NIMONIC 80A 8.19 0.296 460 0.11 11 0.027 3.0 • ' 0.030

INCONEL 600 8.42 0.304 460 0.11 15 0.035 3.8 0.038

MONEL 400 8.83 0.319 419 0.10 22 0.052 5.8 0.058

T I T A N I U M A L L O Y S T1-6AL-4V 4.43 0.160 611 0.146 5.9 0.014 2.1 0.021

T1-5AL-2.5SN 4.46 0.161 460 0.11 6.3 0.015 1 3.1 0.031

T h e r m o p h y s i c a i H r o p e r r i e s o t a e i m c u ti.y...<=<=• . , , a

For the sake o f convenience when using heat-flow equations, the thermal properties of selected engineering materials are provided in Table 2.

T A B L E 2 T H E R M A L P R O P E R T I E S O F S E L E C T E D ENGINEERING A L L O Y S

ALLOY DKNSITY (p), AT 20 °C (68 °F), G/CM 3

SPECIFIC HEAT (CP), AT 20 °C (68 °F), KJ/KG • K

THERMAL CONDUCTIVITY ( k ) AT 20 °C (68 °F, W/M •K)

COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION (a), AT 20 °C (68 °F), 10 "5/°C

C A R B O N S T E E L - 0 . 5 % C 7.833 0.465 54 1.474

- 1 . 0 % C 7.801 0.473 43 1.172 - 1 . 5 % C 7.753 0.486 36 0 .970

A L U M I N U M A L - C U ( 9 4 - 9 6 % A L , 3 - 5 % C U ) 2 .787 0.883 164 6 .676 A L - S I ( 8 6 . 5 % A L . 1 % C U ) 2 .659 0 .867 137 5 .933 A L - S I ( 7 8 - 8 0 % A L , 2 0 - 2 2 % S I ) 2 .627 0 .854 161 7 .172 A L - M G - S I ( 9 7 % A L , 1 % M G ,

1 % S I , 1 % M N ) 2 .707 0 .892 177 7 .311

T I T A N I U M 4 .500 0.52 16 0.84

A L L O Y DENS1TY (P), AT 100 °C (212 °F), G / C M 2

SPECIFIC HEAT (CP), A T 0-100 °C (32-212 °F), K J / K G • K

THERMAL CONDUCTIVITY ( K ) , A T I 00 °C (212 °F), W / M - K

C O E F F I C I E N T OF T H E R M A L EXPANSION (a) , A T 0-538 °C (32-1000 °F), 10 -5/°C

STAINLESS STEEL CHROMIUM-NICK.EL

AUSTENITIC 7.800-8.000 0.46-0.50 18.7-22.8 1.700-1.920

CHROMIUM FERRITIC 7.800 0.46-0.50 24.4-26.3 1.120-1.210

CHROMIUM MARTENSITIC

7.800 0.42-0.46 28.7 1.160-1.210

CARBON STEEL 7.800 0.48 60 1.17

TABLE 1 EFFECT OF TRACE ELEMENT IMPURITIES ON GTA WELD PENETRATION OF SELECTED ALLOYS

A L L O Y S Y S T E M T R A C E E L E M E N T I M P U R I T Y A L L O Y S Y S T E M

I N C R E A S E S W E L D P E N E T R A T I O N

D E C R E A S E S W E L D P E N E T R A T I O N

ZIRCALOY-2 CHLORINE . • .

IRON-BASE ALLOYS STAINLESS STEELS

304, 316,21-6-9 JBK-75 AISI 8630 2.5CR-

I M O

SULFUR, OXYGEN,

SELENIUM ( A ) ,

T E L L U R I U M ( A )

CALCIUM, A L U M I N U M , C E R I U M W ,

LANTHANÜM ( A ) , S IL ICO N ( B ) , '

T I T A N I U M ( B ) , .

NICKEL-BASE ALLOYS

INCONEL 600,718

SULFUR OXYGEN

(A) UNCOMMON IMPURITIES

(B) EFFECT NEGLIGIBLE OR UNCERTAIN


Por otra parte existe un sobrecalentamiento del líquido debido a la proximidad de la

fuente de calor. El gradiente térmico (c) es máximo en las regiones donde la distancia

del punto de solidificación la fuente de calor es mínima.

De esta manera la forma de la pileta líquida determina la dirección de crecimiento de los

granos columnares, así como la velocidad de crecimiento y el gradiente térmico en el

líquido.

La figura 1.8, muestra la dirección de crecimiento y forma de los granos columnares

según la forma de la pileta líquida.

VELOCIDAD LENTA

VELOCIDAD ALTA

F I G 1.8. Or ientación de los granos columnares (los cuales forman la macroestructura del cordón) con

•dación a la fo rma de la pi leta.

FENÓMENOS R E L A C I O N A D O S CON LA MORFOLOGIA D E L F R E N T E DE

SOLIDIFICACION

En condiciones normales de soldadura el soluto se segrega durante la solidificación.

Esta segregación está ampliamente afectada por la forma del solidus y del liquidus del

diagrama de equilibrio del metal y los elementos que se segregan. El proceso de

enfriamiento es tan rápido que la difusión no puede realizarse efectivamente dando

lugar a una acumulación de soluto en frente de la ¡ntercara sólido -líquido en

movimiento.

Cuando se alcanza el equilibrio dinámico, el resultado es un gradiente de soluto en el

líquido cerca de la ¡ntercara. La temperatura del liquidus (en equilibrio) aumenta con la

29


distancia de la intercara, debido a qué mientras menor es el contenido de soluto en el

líquido mayor es la temperatura del

liquidus. Esto se muestra en la figura 1.9, donde se ha superimpuesto el gradiente real

(C) de temperatura en el líquido.

END

F I G . 1.9. sobre-enfr iamiento const i tucional en la so l id i f icac ión de una aleación.

Las curvas de la figura 1.9(C), muestran el caso en el que la ¡ntercara (S - L) está

exactamente a la temperatura del liquidus y todos los puntos delante de la intercara

esta a una temperatura mayor que la del liquidus. En este caso la relación de

inestabilidad de la intercara es alta (G/R) por lo que la intercara S-L será plana. Este

fenómeno sucede solamente al comienzo del crecimiento epitaxial.

La figura 1.9 (d), muestra el caso en el que el líquido delante de a intercara está a una

temperatura real menor que la del liquidus (por lo tanto, el líquido estará sobre enfriado

dando lugar al fenómeno conocido como "Sobreenfriamiento Constitucional".

30

Di red ion oí Iravel

S^g^^^S^r* TO TEXT FOR - ^ ^ ^ ^ ^ ^ S i :


La extensión del "sobreenfriamiento constitucional" para una aleación dada depende de

dos factores:

1. El gradiente de temperatura (G) en el líquido (controlado por el tipo de proceso

de soldadura).

2. La velocidad de solidificación (R) (controlada por la velocidad de soldadura).

SOLIDO

3 9 O

UJ ni < < Z> D I- 1-< < O.' CL LU UJ O. Ü. ü> ^ LU UJ I- I-

•LIOUIDO-

ALTO GRADIENTE DE TEMPERATURA

ALTA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO

BAJO GRADIENTE DE TEMPERATURA

TEMPERATUA DE LIOUIDUS BAJA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO

F I G . 1.10. Efecto de la velocidad de crecimiento (R) y el gradiente de temperatura (G) sobre el

sobreenfr iamiento const i tucional.

Si la extensión del "Sobreenfriamiento. Constitucional" (S.C.) es pequeño la

subestructura será celular (figura 1.10).

METAL BASE

ZONA DE FUSION •

IMTERFASE _, S SOLIDO < § LIOUIDO c£ -J

X I.

LIOUIDUS

DISTANCIA DE LA INTERCARA S - L

F I G . 1.11 D ibu jo esquemático en el que se muestra la apariencia de la intercara só l ido- l íqu ido durante el

modo de so l id i f icac ión "celular".

31


Si la extensión del S. C. aumenta la subestructura tipo celular dendrítica se forma. Esta

es la típica subestructura para la soldadura de la mayor parte de aleaciones comerciales

(figura 1.12).

F I G 1.12; Apar ienc ia de la intercara sól ido - l íqu ido durante el modo de so l id i f icac ión Celular - Dendr í t ico.

Para mayores S. C. la subestructura resultante es la "Columnar Dendrítica" (figura 13).

F I G . 1.13. D i bu j o esquemático en el que se muestra la apariencia de la intercara só l ido- l íqu ido durante el

modo de so l id i f i cac ión "Co lumnar - Dendr í t ico" .

32

Fusión zone

Base metal ' Solidífied \ Liquld

Fusión zone Baso metBl

Successíve Grain | positions ol No. 1 j solíd-üquid H

¡nterface V < 1 0 0 >

/ Grain ( No. 2

Fusión zone

I 4Sol¡d ¡ Uquid Note the roughly 1 hexagonal shape

Subgra'ms /

\

(b)

Solid-liquid ¡nterfsce

Fusión * ° n e

1 W A V

Cross section at A - A

Base metal | S o l ¡ d ¡ r , e d

Typical cross section

F I G . 7 SCHEMATICS SHOWING MICROSTRUCTURE OF SOLID-LIQUID INTERFACE FOR DIFFERENT MODES OF SOLIDIFICATION AND THE TEMPERATURE GRADIENTE THAT GENERATE EACH OF DIFFERENT MOD6S. (A) PLANAR GROWTH. (B) CELLULAR GROWTH. (C) CELLULAR DENDRITIC GROWTH. (D) COLUMNAR DENDRITIC GROWTH. (E) EQUIAXED DENDRITE. (F) FIVE TEMPERATURE GRADIENTS VERSUS CONSTITUTIONAL SUPERCOOLING. SOURCE: REF 6

soldadura por produccion

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