2.- metalurgia de la soldadura.
2.1.- Definición de Metalurgia.
Es el conjunto de procedimientos y técnicas de extracción, elaboración y tratamiento de los metales y sus aleaciones.
2.2.- Micro estructura de los Metales.
Cada metal tiene una estructura cristalina definida, y las propiedades de este, depende; de la forma de los cristales, del número de átomos que comprende cada estructura espacial de cristales, de la distancia de los átomos de la estructura espacial, y de la interrelación de estas estructuras.
Las estructuras cristalinas más comunes son:
- (BCC). Cúbico de Cuerpo Centrado
- (FCC). Cúbico de Caras Centrales
- (HCP). Hexagonal Compacto
Algunos metales como el hierro, presentan alguna estructura cristalina o fase solida a temperatura ambiente y otras fases solidas a elevadas temperaturas. Estos cambios de estructura cristalina es lo que se conoce como alotropía.
Estructura cristalina HPC. La celda HPC es un prisma exagonal, y se puede visualizar como 2 planos exagonales cada uno formando la tapa y la base del prisma respectivamente. En esta celda, un átomo se localiza en el centro y en cada punto del hexágono y tres átomos mas localizados uno en cada arista de un triangulo localizado en la tapa y la base del hexágono. |
2.3.- Mecanismos de Aleación.
La mayoría de los metales de uso común son aleaciones. Esto quiere decir que contiene mas de un metal.
Si los cristales son esencialmente del mismo tamaño que el metal de menor proporción se considerara disuelto en el metal de mayor proporción de la aleación Esta condición recibe el nombre de solución sólida substitucional.
Si los átomos del metal de menor proporción en la aleación son mucho más pequeños que los del reticulado mayor, no hay reemplazo, sino más bien se localizarán en puntos entre espacios conocidos como intersticios en el reticulado. Este tipo de estructura se denomina solución sólida intersticial.
2.4.- Transformación de Fase.
El hierro tiene una estructura cristalina de BBC a temperatura ambiente de 910°C, a partir de ese punto hasta 1388°C es FCC. Por arriba de este punto hasta el punto de fusión de 1538°C nuevamente es BCC. Este cambio en la estructura cristalina de un metal y se conoce como transformación de fase o alotropía.
2.5.- Constituyentes Microestructurales de los Aceros.
La distribución y arreglo de los granos, los límites de grano y las fases presentes en una aleaciónmetálica se conoce como micro estructura. La micro estructura es responsable de las propiedades de la aleación. Durante el proceso de soldadura la micro estructura es generalmente afectada por efectos térmicos.
2.6.- Diagrama Hierro - Carbono.
El hierro es un metal alotrópico, lo que significa que puede existir en más de una estructura reticular, dependiendo de la temperatura. Existen también cambios de volumen asociados con los cambios de fase en función de la temperatura para el hierro puro. El sistema de equilibrio hierro-carbono está comprendida en la región de 0.0% a 6.7% de carbono en peso. Dicha región se conoce como el diagrama de equilibrio meta - estable y es la región donde ocurren las reacciones de interés en metalurgia.
El diagrama de equilibrio Hierro - Carbono proporciona datos acerca del comportamiento de los aceros en conexión con los cicles térmicos de soldadura sobre la forma de utilizar el calor. La mayoria de los metales tiene la capacidad de disolver otros elementos en estado sólido y se forman soluciones sólidas.
En la soldadura el incremento y la disminución de la temperatura o la forma en que ésta se modifica son tan rápidos que no hay equilibrio.
2.7.- Soldaduras.
Cuando se hace una soldadura ocurren cambios de temperatura, dimensiones, crecimiento de cristales y granos, transformación de fases y otras. El tipo de proceso de soldadura determina la forma en la que estos sucederán. La velocidad de enfriamiento o templado es de importancia fundamental y está controlada por el proceso, procedimiento, metal y masa. El ritmo de cambio disminuye a medida que es mayor la distancia desde el centro de la soldadura.
A medida que el metal de la soldadura se congela los cristales forman granos, los cuales se enfrían rápidamente hasta que ya no haya metal líquido. la velocidad de enfriamiento es mucho más rápida de lo que sucede en una pieza fundida o lingote, y por consiguiente, el equilibrio.
A medida que el metal de la soldadura se deposita sobre el metal base parte de este se funde y se mezcla con el metal de la soldadura, produciendo la dilución de este último. Los metales más puros tienen el punto de fusión más bajo y por consiguiente se solidifican primero. Los metales o elementos con puntos de fusión mas alto se solidifican al último.
2.8.- Soldabilidad de los Metales.
La American Welding Society define a la soldabilidad como “la capacidad de un material para ser soldado bajo las condiciones de fabricación impuestas dentro de una estructura específica y convenientemente diseñada y para tener un rendimiento satisfactorio en el servicio que se pretende”.
Se ha afirmado que todos los metales se pueden soldar, pero algunos son mucho más difíciles de soldar que otros. En el metal base que se va a soldar deben de considerarse todos los puntos de vista. Esto incluye sus propiedades físicas, mecánicas, la composición y la estructura química.
Para determinar mejor la soldabilidad, es necesario efectuar varias suposiciones:
La unión de la soldadura que se requiere tiene que tener fuerza uniforme, ductilidad, resistencia a los esfuerzos continuos, resistencia a la corrosion en la soldadura y la zona afectada por el calor y del material adyacente.
La mayoría de las soldaduras implican el uso de calor y el agregar una estructura metalúrgica diferente respecto del metal base no afectado.
Las soldaduras también pueden incluir defectos como porosidad, grietas e inclusiones de escoria. Los cuatro principales factores que afectan a la fractura de la zona afectada por el calor son:
Los efectos de estos cuatro factores están interrelacionados.
Los dos factores más importantes para la soldabilidad son la capacidad de endurecimiento y la susceptibilidad a las fracturas de la estructura endurecida. Ambas se incrementaran usando un contenido de carbono más alto y de aleacion incrementan la capacidad de endurecimiento sin un incremento significativo en la susceptibilidad a las fracturas.
La capacidad de endurecimiento esta relacionada con la velocidad de enfriamiento de los metales. La velocidad de enfriamiento mas rapida tiende a producir una mayor dureza.
2.9.- Generalidades Sobre los Tratamientos de los Aceros.
Algunos tratamientos térmicos son aplicables a los metales, y también son aplicados al conjunto soldado después de terminado el trabajo de soldadura para conferirle propiedades mecánicas especificas.Los tratamientos térmicos básicos que el inspector de soldaduras debe conocer y manejar son: recocido, normalizado, templado, revenido, precalentamiento, postcalentameinto y revelado de esfuerzos térmicamente.
La mayoría de los metales de uso común son aleaciones. Esto quiere decir que contiene mas de un metal.
Si los cristales son esencialmente del mismo tamaño que el metal de menor proporción se considerara disuelto en el metal de mayor proporción de la aleación Esta condición recibe el nombre de solución sólida substitucional.
Si los átomos del metal de menor proporción en la aleación son mucho más pequeños que los del reticulado mayor, no hay reemplazo, sino más bien se localizarán en puntos entre espacios conocidos como intersticios en el reticulado. Este tipo de estructura se denomina solución sólida intersticial.
2.4.- Transformación de Fase.
El hierro tiene una estructura cristalina de BBC a temperatura ambiente de 910°C, a partir de ese punto hasta 1388°C es FCC. Por arriba de este punto hasta el punto de fusión de 1538°C nuevamente es BCC. Este cambio en la estructura cristalina de un metal y se conoce como transformación de fase o alotropía.
2.5.- Constituyentes Microestructurales de los Aceros.
La distribución y arreglo de los granos, los límites de grano y las fases presentes en una aleaciónmetálica se conoce como micro estructura. La micro estructura es responsable de las propiedades de la aleación. Durante el proceso de soldadura la micro estructura es generalmente afectada por efectos térmicos.
2.6.- Diagrama Hierro - Carbono.
El hierro es un metal alotrópico, lo que significa que puede existir en más de una estructura reticular, dependiendo de la temperatura. Existen también cambios de volumen asociados con los cambios de fase en función de la temperatura para el hierro puro. El sistema de equilibrio hierro-carbono está comprendida en la región de 0.0% a 6.7% de carbono en peso. Dicha región se conoce como el diagrama de equilibrio meta - estable y es la región donde ocurren las reacciones de interés en metalurgia.
El diagrama de equilibrio Hierro - Carbono proporciona datos acerca del comportamiento de los aceros en conexión con los cicles térmicos de soldadura sobre la forma de utilizar el calor. La mayoria de los metales tiene la capacidad de disolver otros elementos en estado sólido y se forman soluciones sólidas.
En la soldadura el incremento y la disminución de la temperatura o la forma en que ésta se modifica son tan rápidos que no hay equilibrio.
2.7.- Soldaduras.
Cuando se hace una soldadura ocurren cambios de temperatura, dimensiones, crecimiento de cristales y granos, transformación de fases y otras. El tipo de proceso de soldadura determina la forma en la que estos sucederán. La velocidad de enfriamiento o templado es de importancia fundamental y está controlada por el proceso, procedimiento, metal y masa. El ritmo de cambio disminuye a medida que es mayor la distancia desde el centro de la soldadura.
A medida que el metal de la soldadura se congela los cristales forman granos, los cuales se enfrían rápidamente hasta que ya no haya metal líquido. la velocidad de enfriamiento es mucho más rápida de lo que sucede en una pieza fundida o lingote, y por consiguiente, el equilibrio.
A medida que el metal de la soldadura se deposita sobre el metal base parte de este se funde y se mezcla con el metal de la soldadura, produciendo la dilución de este último. Los metales más puros tienen el punto de fusión más bajo y por consiguiente se solidifican primero. Los metales o elementos con puntos de fusión mas alto se solidifican al último.
2.8.- Soldabilidad de los Metales.
La American Welding Society define a la soldabilidad como “la capacidad de un material para ser soldado bajo las condiciones de fabricación impuestas dentro de una estructura específica y convenientemente diseñada y para tener un rendimiento satisfactorio en el servicio que se pretende”.
Se ha afirmado que todos los metales se pueden soldar, pero algunos son mucho más difíciles de soldar que otros. En el metal base que se va a soldar deben de considerarse todos los puntos de vista. Esto incluye sus propiedades físicas, mecánicas, la composición y la estructura química.
Para determinar mejor la soldabilidad, es necesario efectuar varias suposiciones:
- El material para soldar es satisfactorio para el uso que se pretende.
- El diseño de la soldadura es adecuado para el uso que se pretende.
La unión de la soldadura que se requiere tiene que tener fuerza uniforme, ductilidad, resistencia a los esfuerzos continuos, resistencia a la corrosion en la soldadura y la zona afectada por el calor y del material adyacente.
La mayoría de las soldaduras implican el uso de calor y el agregar una estructura metalúrgica diferente respecto del metal base no afectado.
Las soldaduras también pueden incluir defectos como porosidad, grietas e inclusiones de escoria. Los cuatro principales factores que afectan a la fractura de la zona afectada por el calor son:
- El espesor del metal base y el tipo de soldadura.
- La composición del metal base.
- El proceso de soldadura y el tipo de metal de aporte.
- El calor de entrada y las temperaturas de calentamiento previo.
Los efectos de estos cuatro factores están interrelacionados.
Los dos factores más importantes para la soldabilidad son la capacidad de endurecimiento y la susceptibilidad a las fracturas de la estructura endurecida. Ambas se incrementaran usando un contenido de carbono más alto y de aleacion incrementan la capacidad de endurecimiento sin un incremento significativo en la susceptibilidad a las fracturas.
La capacidad de endurecimiento esta relacionada con la velocidad de enfriamiento de los metales. La velocidad de enfriamiento mas rapida tiende a producir una mayor dureza.
2.9.- Generalidades Sobre los Tratamientos de los Aceros.
Algunos tratamientos térmicos son aplicables a los metales, y también son aplicados al conjunto soldado después de terminado el trabajo de soldadura para conferirle propiedades mecánicas especificas.Los tratamientos térmicos básicos que el inspector de soldaduras debe conocer y manejar son: recocido, normalizado, templado, revenido, precalentamiento, postcalentameinto y revelado de esfuerzos térmicamente.
- Recocido: Su aplicación tiene por objeto incrementar la ductilidad de los aceros a expensas de la resistencia.
- Normalizado: Consisten en calentar un acero a una temperatura de 38°C arriba del límite crítico, aplicando después un enfriamiento con aire calmado.
- Templado: Se produce por calentamiento de un acero entre 10 y 38°C arriba del límite crítico y un enfriamiento rápido cuya velocidad exceda la crítica de enfriamiento del acero.
- Revenido: Se calienta el acero a una temperatura inferior a la crítica de transformación con la finalidad de relevar algunos esfuerzos internos del material.
- Precalentamiento antes de soldar: Es necesario un precalentamiento, ya que su efecto es el de reducir esfuerzos de contracción y térmicos, así como humedad en la superficie de la pieza, que facilitan el trabajo de la soldadura.
- Postcalentamiento o Revelado de esfuerzos: Consiste en un calentamiento uniforme de la soldadura a una temperatura abajo del límite crítico del material, seguido de un enfriamiento controlado.