SOLDABILIDAD DE LOS MATERIALES
DEFINICIÓN La
Soldabilidad es la capacidad que tienen los materiales, de la misma o diferente naturaleza para ser unidos de manera permanente mediante procesos de soldadura, sin presentar transformaciones estructurales perjudiciales, tensiones o deformaciones que puedan ocasionar alabeos,
La Soldabilidad de un material constituye una propiedad del mismo muy compleja y en muchas ocasiones queda condicionada a variaciones metalúrgicas y sus propiedades. Esto significa que un material puede tener buena soldabilidad, cuando se puede lograr una unión soldada con propiedades mecánicas y físicoquímicas adecuadas, por cualquiera de los procesos de soldadura y sin necesidad de utilizar técnicas
TIPOS DE SOLDABILIDAD La
Soldabilidad de una material encierra tres aspectos esenciales, esto son:
1.
Soldabilidad Metalúrgica 2. Soldabilidad Operatoria 3. Soldabilidad Constructiva
1. SOLDABILIDAD METALÚRGICA
Es la capacidad de los materiales de no presentar transformaciones estructurales en la unión soldada o variaciones en las propiedades físicoquímicas, como si se presenta en los aceros aleados donde existe la posibilidad de formar estructuras de martensita y en los aceros inoxidables austeníticos, que al precipitarse los carburos de Cr, disminuye su resistencia a la corrosión,
2. SOLDABILIDAD OPERATORIA Responde a la operación de soldadura, en lo que respecta a cuestiones tecnológicas y de ejecución de las uniones soldadas por cualquier proceso de soldadura. Ejemplo: El caso del Aluminio, Aceros Aleados al Cr, en donde los óxidos que forman dificultan la soldadura y se debe por ello recurrir al uso de limpieza, fundentes y técnicas auxiliares.
3. SOLDABILIDAD CONSTRUCTIVA
Concierne a las propiedades físicas del material base, tales como dilatación y contracción que provocan deformaciones y tensiones, las cuales pueden generar agrietamientos de la unión soldada, como ocurre en el caso del Hierro Fundido que por su poca plasticidad no tiene capacidad de absorber deformaciones y hay que recurrir a recursos tecnológicos de pre y postcalentamiento para evitar esta soldabilidad condicionada
En conclusión se considera que un metal tiene: 1) Buena soldabilidad cuando cumple con los 3 aspectos anteriores, 2) Soldabilidad Regular o condicionada cuando no cumple con alguno de ellos, pero que por medio de soluciones tecnológicas se puede obtener una unión soldada de calidad, 3) Mala Soldabilidad cuando no cumple con dos o más de los aspectos citados y no se puede resolver para la obtención de buenas propiedades mecánicas y químicas en la soldadura.
FACTORES QUE AFECTAN O INFLUYEN EN LA SOLDABILIDAD El
concepto de Soldabilidad analizado anteriormente, se enfoca hacia la obtención de una soldadura que pueda cumplir los requisitos técnicos para lo cual ella está diseñada y sobre este concepto influyen una serie de factores que deben ser tomados muy en cuenta cuando se realiza
FACTORES QUE AFECTAN O INFLUYEN EN LA SOLDABILIDAD
1. TIPO DEL MATERIAL BASE, SU ESPESOR 2. INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS ALEANTES 3. TIPO DE JUNTA Y PROCESOS DE SOLDADURA 4. VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO 5. ENERGIA SUMINISTRADA 6. TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO 7. SECUENCIA DE LA SOLDADURA
TIPO DE MATERIAL BASE El
tipo de material base antes de la ejecución del proceso de soldadura tiene una influencia marcada en la soldabilidad. No todos los materiales pueden ser soldados, por ello se debe determinar de manera particular el tipo de soldabilidad que posee cada material base.
SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS En
los aceros, el principal elemento que influye en la soldabilidad es el carbono y luego los otros elementos aleantes.
Existen
aceros de Bajo, Medio y de Alto contenido de carbono, Aceros Aleados, Aceros para Herramientas, Aceros Inoxidables, Aceros HSLA, Aceros Estructurales, Aceros para
ACEROS AL CARBONO 1) ACEROS DE BAJO CARBONO: a. %C < 0.25, %Mn: 0.25-1.5 b. SAE 1005-1025 c. Tienen buena y excelente soldabilidad,
d.
e.
y pueden soldarse por cualquiera de los procesos de soldadura al arco, de gas, de resistencia, Soldadura Indirecta, etc. SMAW, GMAW, GTAW, FCAW, SAW, OAW, RSW, FW, FRW, FB, TB, FS, INS,TS, etc. Con SMAW se recomiendan los electrodos tipo: EXX11, EXX10,
2) ACEROS DE MEDIO CARBONO a. % C = 0.25 – 0,50, %Mn = 0.6-1.65 b. SAE 1026-1050 c. Tienen soldabilidad regular y requieren Precalentamiento que oscila entre 149 – 260oC para liberar las tensiones y reducir la dureza. Se pueden soldar con todos los procesos de soldadura d. Con SMAW se recomiendan electrodos de bajo hidrógeno EXX18,
3) ACEROS DE ALTO CARBONO a. % C = 0.5 – 1.03, %Mn = 0.3 -1 b. SAE 1056-1095 c. Tienen entre mala y regular soldabilidad
y se debe tomar precauciones especiales cuando se sueldan. Requieren de precalentamiento que oscila entre 204 a 316oC y luego de soldar se especifica un postcalentamiento. Se sueldan con todos los procesos al arco. d. Con SMAW se recomiendan electrodos de bajo Hidrógeno EXX18, EXX28
PROCESO SMAW PARA SOLDAR ACEROS AL CARBONO Norma AWS A5.1 EXXYZ E = Electrodo XX = Sut (Kpsi o miles de psi) Y = Posición de soldadura a. 1= Todas las posiciones b. 2 = Sólo Plana u Horizontal c. 3 = Sólo Plana d. 4 = Vertical Descendente Z = Características Operacionales
de los Electrodos, toma valores del 0-8
Clasificación AWS de los Electrodos Revestidos (AWS A5.1)
Clasificación de Electrodos AWS A5.1 Tabla
PROCESO GMAW Clasificación del Electrodo para Aceros al Carbono: AWS A 5.18 ER – XX – S – Z E Electrodo metálico consumible y continuo R Varilla (rod) XX Los dos o tres dígitos siguientes indican la resistencia a la tracción en el cordón de soldadura en miles de libras/pulg2 S Alambre sólido Z Dígito o letra y dígito indican la composición química del electrodo y composición química. Ejemplos: ER70S-4, ER70S-6, etc
PROCESO FCAW: Especificación según la ANSI/AWS A5.20 para electrodo tubular.
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PROCESO FCAW: Especificación según la AWS A5.20 para Electrodo Tubular. EXXT-1 (Usa CO2, Aspersión, DC+) EXXT-2 (No CO2, DC+) EXXT-3 (No CO2, Aspersión, DC+) EXXT-4 (No CO2, Globular, DC+) EXXT-5 (Usa CO2, Globular, DC+) EXXT-6 (No CO2, Aspersión, DC+) EXXT-7 (No CO2, Globular, DC-) EXXT-8 (No CO2, DC-) EXXT-10 (No CO2, DC-), etc.
PROCESO GTAW: EWXN E: electrodo no consumible W: tungsteno (wolframio) X: elemento aleante
N: Composición del elemento aleante.
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PROCESO SAW: ELECTRODOS
EJEMPLO: EL8K, EM13, EH14K
PROCESO SAW: FUNDENTE Es una mezcla de materiales minerales. Están regulados conjuntamente con el electrodo y bajo la misma norma. Las principales funciones del fundente son: •Proteger la soldadura de la influencia atmosférica. •Contribuir elementos que mejoran las propiedades mecánicas F – X- Y- Z Temperatura a la cual se realiza el ensayo de tenacidad (Por -10°C aprox.) A: As welded: sin tratamiento térmico P: Post welded: con tratamiento térmico Resistencia a la tracción en el cordón de soldadura por 10000 Psi Flux: fundente EJEMPLO: F7A2
TABLA DE LA SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS SUMA DE LOS ELEMENTOS ALEANTES (%)
CONTENIDO
ΣELEMENTOS ALEANTES
DE CARBONO
(%C)
TIPO DE SOLDABILIDAD EXCELENTE (%C)
BUENA (%C)
REGULAR (%C)
MALA (%C)
<1
0.25
0.25 – 0,35
0.35-0.45
> 0.45
1-3
0.20
0.20 – 0.30
0.35 -0.45
> 0.40
>3
0.18
0.18 – 0.28
0.28 – 0.38
> 0.38
ACEROS ALEADOS
Las Normas AISI-SAE elaboraron un excelente sistema de nomenclaturas para identificar las diversas composiciones químicas de los aceros a través de designaciones numéricas que generalmente emplean 4 dígitos: XXXX donde los dos últimos nos indican el contenido de carbono, el primero lo clasifica según su principal aleante, y el segundo el % aproximado del principal aleante.
CLASIFICACIÓN AISI-SAE SERIE
CARACTERISTICAS PRINCIPALES
10XX
ACEROS AL CARBONO
11XX
ACEROS AL CARBONO RESULFURADO-FACIL DE MECANIZAR
13XX
ACEROS AL MANGANESO (1.6-1.9%)
20XX
ACEROS AL NIQUEL (3.5-5%)
30XX
ACEROS AL CROMO-NIQUEL (Ni: 1.25-3.5%; Cr: 0.6-1.6%)
40XX
ACEROS AL MOLIBDENO (0.2-0.25%)
50XX
ACEROS AL CROMO
60XX
ACEROS AL CROMO-VANADIO
80XX
ACEROS AL CROMO-NIQUEL-MOLIBDENO
90XX
ACEROS AL NIQUEL-CROMO MOLIBEDENO
PROCESO SMAW PARA SOLDAR ACEROS ALEADOS La especificación AWS A5.5. que trae los requisitos de los electrodos para soldadura de aceros de baja aleación utiliza la misma designación de la AWS A5.1. Además utiliza sufijos que constan de una letra o de una letra y un número, (por ejemplo A1, B1, B2, C1, C2, C3, D1, D2, G,M, etc.) los cuales indican la composición química.
CLASIFICACIÓN AWS A5.5
Símbolo Composición química del depósito
A1 0.5% Molibdeno B1 0.5% Molibdeno – 0.5% Cromo B2 0.5% Molibdeno – 1.25% Cromo B3 1.0% Molibdeno – 2.25% Cromo B4 0.5% Molibdeno – 2.0% Cromo
C1 2.5% Níquel C2 3.5% Níquel C3 1.0% Níquel D1 0.3% Molibdeno – 1.5% Manganeso D2 0.3% Molibdeno – 1.75% Manganeso M, G* 0.2% Molibdeno, 0.3% Cromo, 0.5% Níquel; 1.0% Manganeso; 0.1% Vanadio L Carbono inferior a 0.05%
PROCESO FCAW PARA SOLDAR ACEROS ALEADOS Los
electrodos utilizados para soldar aceros de baja aleación con el proceso FCAW (Inner Shield) están clasificados según la norma: AWS A5.29.
Especificación AWS A5.29 para Soldar Aceros de Baja Aleación.
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Especificación AWS A5.29 para Soldar Aceros de Baja Aleación.
La AWS A5.29 da 5 clasificaciones diferentes de electrodos de baja aleación para FCAW.
EXXT1-X (Usa CO2, Aspersión, DC+) EXXT4-X (No CO2, Globular, DC+) EXXT5-X (Usa CO2, Globular, DC+) EXXT8-X (No CO2, DC-) EXXTX-G (No CO2, DC+)
SOLDABILIDAD DE ACEROS AL MANGANESO: AISI 1320, 1330, 1335, 1340 En estos aceros, el carbono varía de 0.18 a 0.48%, el manganeso de 1.6 a 1.9%. El precalentamiento no es necesario cuando la aleación es baja en carbono y en manganeso. Se sugiere precalentamiento de 121 a 149oC a medida que el el carbono es mayor a 0.25% Se deben usar electrodos E80XX o
SOLDABILIDAD DE ACEROS AL NIQUEL: AISI 2315, 2515, 2517 El carbono varía de 0.12 a 0.30%, el manganeso de 0.4 a 0.6% y el níquel de 3.25 a 5.25%. Si el carbono no excede de 0.15% no se necesita precalentamiento. Si excede el carbono el 0.15% se requiere precalentamiento hasta 260oC. Se sugiere después de la soldadura liberar las tensiones. Se usan electrodos E80XX con sufijo C1, o C2
SOLDABILIDAD DE ACEROS AL CROMONÍQUEL: AISI 3120, 3135, 3140, 3310, 3316
El carbono varía de 0.14 a 0.35%, el manganeso de 0.40 a 0.9%, el níquel de 1.10 a 3.75% y el cromo de 0.55 a 0.75% Si pasa del 0.20% de carbono se debe dar precalentamiento entre 90 y 316oC dependiendo del % de los elementos aleantes. Se debe liberar las tensiones Se usan electrodos E80XX, E90XX
SOLDABILIDAD DE ACEROS AL CROMO: AISI 5015, 5110, 5210 El carbono varía de 0.12 a 0.16%, el manganeso de 0.3 a 1.00%, el cromo de 0.2 a 1.6% A medida que aumenta el % de carbono y cromo se necesita dar precalentamiento hasta los 399oC Se debe usar siempre electrodos de bajo hidrógeno, E8018, E9018 con el sufijo B que tenga el contenido de cromo apropiado
SOLDABILIDAD DE ACEROS AL CROMO-MOLIBDENO: AISI 4130, 4140, 4150, 4340 El carbono está entre 0.10 a 0.45%, el manganeso de 0.30 a 0.60%, el cromo entre 0.50 a 2.60%, el molibdeno de 0.44 a 1.13% Las temperaturas de precalentamiento oscilan entre 40 a 370oC cuyos valores dependen del % de carbono, cromo y molibdeno Se debe usar electrodos E80XX, E90XX con el sufijo B1, B2, B3, B4.
SOLDABILIDAD DE ACEROS HSLA: ASTM A588, A472, A710 Son aceros de microaleación con Niobio, Vanadio, Columbio, Cromo y Molibdeno que aumentan la resistencia mecánica. Tienen bajo % de carbono (máximo 0.08%), y son fáciles de soldar. Se utilizan electrodos E70XX, E80XX, E90XX, E100XX con los sufijos C1, C2, C3, M. Ej: E8018-C1, E10018-M
ACEROS INOXIDABLES Los Aceros Inoxidables son una familia de aleaciones que tienen una excelente resistencia a la corrosión, que les permite tolerar fuertemente el ataque de una gran cantidad de líquidos, gases y compuestos químicos. Son bastante dúctiles, duros y resisten altas temperaturas. Poseen altos porcentajes de Cromo y
CLASIFICACION AISI PARA ACEROS INOXIDABLES DESIGNACION AISI
2XX 3XX 4XX
TIPO
PRINCIPALES ELEMENTOS
Austenítico Cr – Ni Mn Austenítico Cr – Ni Martensític o Cr
4XX Ferrítico
TRATAMIENTOS
No endurecible
MAGNETICOS
No No
No endurecible
Si
Endurecible
Si
No endurecible
Si
Cr
5XX Martensític Cr - Mo o
Endurecible
SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS Todos los aceros inoxidables austeníticos se pueden soldar con la mayoría de procesos de soldadura y ligeramente más difíciles de soldar que los aceros al carbono. El cromo está entre 16-24%, y el níquel entre 8 al 19% AISI 201, 202, 301, 302, 304, 304L, 308, 309, 310, 312, 314, 314L, 316, 316L, 317, 321.
SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS-AWS A5.4 AISI
ELECTRODO RECOMENDADO 1ª opc. 2da opc.
201 202 301 302 303 304 304L 305 308 309 310 314 316 316L 317 321
E308 E308 E308 E308 --E308 E308L E308 E308 E309 E310 E310 E316 E316L E317 E347
E308L E308L E308L E308L --E308L E347
NOMBRE POPULAR
18/8 18/8
19/9 25/12 25/20 E309 E309 E309 E308L
18/12 18/12 19/14 19/9
SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS
No son endurecibles por medio de tratamientos térmicos y son magnéticos. Todos los tipos ferríticos se consideran soldables con la mayoría de procesos de soldadura excepto el AISI 430F. No se recomiendan procesos de soldadura que tiendan a incrementar la capatación de carbono como OAW, GMAW Se da precalentamiento hasta 200oC El cromo va del 11 al 23% AISI 405, 430, 430F, 446
SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS
AISI
ELECTRODO RECOMENDADO 1ª opc. 2da opc.
405 430 430F 446
E410 E430 ---E309
E405 E309 ---E310
NOMBRE POPULAR
16Cr
SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS Son endurecibles por medio de tratamientos térmicos y son magnéticos Se recomienda que la temperatura de precalentamiento sea entre 232 a 288oC Se debe dar poscalentamiento después de la soldadura entre 469 a 760oC, seguido por enfriamiento lento Son difíciles de soldar, y no se debe
SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS AISI
403 410 414 416 416 Se 420 431 440
ELECTRODO RECOMENDADO 1ª opc. 2da opc. E410 E410 E410 E410 ---E410 E430 -----
E430 ----------
NOMBRE POPULAR
12Cr
12 Cr Hc ----
OTROS PROCESOS DE SOLDADURA PARA ACEROS INOXIDABLES
GMAW: MIG: ER308L, ER312
GTAW: TIG: VARILLAS ER308L, ER312
Los procesos metalúrgicos en la soldadura tienen las siguientes particularidades: a altas temperaturas de calentamiento (>300 oC) •Se efectúan a una gran velocidad. •Los volúmenes de metales calentado y fundidos son pequeños. •La conducción del calor de la zona fundida hacia el metal base en estado sólido es muy rápida. •En la zona fundida actúan gases y las escorias que lo rodean durante la ejecución del proceso. •El metal de aporte utilizado en la formación de la costura puede poseer una composición química diferente al metal base. •Ocurren
Zonas de una unión soldada. La unión soldada está compuesta por la zona del depósito y la zona afectada térmicamente
Zona del depósito (zona fundida) •
• • • •
Modificaciones químicas – Pérdidas por oxidación de los elementos → modificación de las características mecánicas – Fijación de elementos deseados y no deseados. Absorción de gas. Precipitación de compuestos definidos de la solución sólida. Transformaciones eutécticas. Modificaciones estructurales.
Zonas afectada térmicamente (ZAT o HAZ) Fenómenos que pueden tener lugar: El metal base sufre un tratamiento térmico variable en cada punto según el ciclo térmico impuesto por el procedimiento de soldadura -Transformaciones de tipo estructural. (Ej. agrandamiento exagerado de los granos) -Transformaciones físico-químico (formación de estructuras de temple).
- Precipitación de compuestos (Ej. carburos de Cr en los aceros inoxidables; Mg2Si, CuAl en las aleaciones de aluminio).
Subzonas que componen la ZAT
ENSAYOS DE SOLDABILIDAD Ensayos que buscan modelar las condiciones de soldadura en los diferentes conjuntos soldados y estudiar la soldabilidad de los metales y aleaciones con la aplicación de determinados procedimientos de soldadura. - Método de Tekken para ensayo de agrietamiento en frío y sensibilidad a la entalla. Norma JIS (japonesa): ofrece propiedades de susceptibilidad al agrietamiento en frío de aceros al carbono y baja aleación.
Ensayo VARESTRAINT Permite provocar fisuras en caliente por aplicación de tensiones variables longitudinales al cordón. El ensayo suministra, para cada material y cada conjunto de parámetros de soldadura, los siguientes valores: • rango de temperatura de fisuración • umbral de tensión de fisuración • longitud total de fisura • longitud máxima de fisura
