Metalurgia Fisica de La Soldadura (1)

PARTE II: SOLDABILIDAD DE METALES Y NO METALICOS CAPITULO I: TECNOLOGIA DE LA SOLDADURA

CONTENIDO 1.1 Metalurgia física de la soldadura 1.2 Estudio Estudio de los metales metales y aleaciones aleaciones 1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos 1.4 Solidificación del acero en la soldadura 1.5 Soldabilidad de los diferentes diferentes aceros 1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos

1.1 Metalurgia física de la soldadura Transformaciones del acero en estado sólido A. En estado de equilibrio

B. Fuera del estado de equilibrio

Por enfriamiento muy LENTO

Por enfriamiento isotérmico

Por enfriamiento continuo

Con difusión

Con Difusión

Sin Difusión

Estructuras Estructuras Laminares (Perlíticas)

Estructuras laminares (Perlíticas) y/o Estructuras Estructuras Acidulares (Bainíticas)

Estructuras Acidulares (Martensíticas)

Propiedades Mecánicas bajas, dependen del % C

Propiedades Mecánicas de bajas a altas, dependen del % C y dependen de la microestructura

Propiedades Mecánicas altas durezas y fragilidad, dependen del %C

A. EL ACERO EN ESTADO DE EQUILIBRIO Los microconstituyentes Los estados de equilibrio se alcanzan durante enfriamientos muy lentos de los aceros en estado líquido, apareciendo sucesivamente diversos microconstituyentes como:

Ferrita delta (δ)

Austenita (ϒ)

Cementita

Ferrita alfa (α)

Perlita

A. EL ACERO EN ESTADO DE EQUILIBRIO Los microestructuras

A. EL ACERO EN ESTADO DE EQUILIBRIO Los microconstituyentes

A. EL ACERO EN ESTADO DE EQUILIBRIO De acuerdo al diagrama Fe-C (Enfriamientos muy lentos) observaremos como se presentan estos constituyentes en la microestructura de un acero en función del % C.

Sea cual fuere el % C del acero, las fases que son estables a temperatura ambiente son la ferrita y la cementita

A. EL ACERO EN ESTADO DE EQUILIBRIO

1.1 Metalurgia física de la soldadura Transformaciones del acero en estado sólido A. En estado de equilibrio

B. Fuera del estado de equilibrio

Por enfriamiento muy LENTO

Por enfriamiento isotérmico

Por enfriamiento continuo

Con difusión

Con Difusión

Sin Difusión

Estructuras Laminares (Perlíticas)

Estructuras laminares (Perlíticas) y/o Estruturas Acidulares (Bainíticas)

Estruturas Acidulares (Martensíticas)

Propiedades Mecánicas bajas, dependen del % C

Propiedades Mecánicas de bajas a altas, dependen del % C y dependen de la microestructura

Propiedades Mecánicas altas durezas y fragilidad, dependen del %C

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO Sabemos que el acero esta en condiciones de equilibrio cuando es calentado y enfriado muy lentamente de manera que las feses presentes en la microestructura corresponden a la que se establece en el diagrama Fe-C; pero si el acero es enfriado rápidamente, entonces la microestructura puede variar, en estas condiciones se dice que el acero ha sufrido trasformaciones fuera del equilibrio. Los aceros calentados y enfriados en condiciones de equilibrio -------- sufren transformaciones reversibles Los aceros enfriados rápidamente desde su temperatura de austenizacion ---- sufren transformaciones irreversibles •

•

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO EFECTO DE LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO SOBRE LA TRANSFORMACION Si se aumenta la velocidad de enfriamiento en un acero debidamente austenizado, se observan marcados cambios en la transformación. La transformación ocurre a menores temperaturas. La microestructura se altera drásticamente y aumentan la dureza y la resistencia a la tracción, produciéndose una disminución de la ductilidad. Las principales microestructuras que se forman al aumentar la velocidad de enfriamiento, son las siguientes: Perlita fina, Bainita y Martensita •

•

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO

Microestructura de la martensita

Microestructura de la bainita, ferrita y perlita fina

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO LA TRANSFORMACION ISOTERMICA O DIAGRAMAS TTT El diagrama de equilibrio hierro-carbono tiene empleo limitado. No suministra información alguna respecto a la transformación de la austenita a cualquiera de las estructuras de no-equilibrio ni provee detalles sobre las velocidades o temperaturas a las cuales ellas ocurren. Los diagramas TTT (tiempo-temperaturatransformación )muestra gráficamente las velocidades, tiempos y temperaturas a las cuales la austenita se transforma en perlita, bainita y martensita; Estos diagramas TTT son específico para cada composición y elementos aleantes del acero.

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO LA TRANSFORMACION ISOTERMICA O DIAGRAMAS TTT

El diagrama TTT de descomposición de la austenita en un acero al carbono eutectoide

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO LA TRANSFORMACION ISOTERMICA O DIAGRAMAS TTT

El diagrama TTT de descomposición de la austenita en un acero al carbono eutectoide

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO LA TRANSFORMACION CONTINUA o diagramas CCT La información que proporciona el diagrama TTT no es aplicable para la mayoría de los tratamientos térmicos por cuanto ellos no emplean baños isotérmicos sino baños que se enfrían a medida que se efectúa el tratamiento, ES DECIR TRASFORMACIONES POR ENFRIAMIENTOS CONTINUOS. Los diagramas CCT son similares a las curvas TTT, pero algo desplazadas ya que las lineas de comienzo y final se desplazan hacia la derecha y hacia abajo

B. EL ACERO FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO LA TRANSFORMACION CONTINUA o diagramas CCT

El diagrama CCT de de un acero eutectoide (0.8 %C). Aquí se observa las que las curvas son similares pero la curva CCT est desplazada a la derecha y abajo.

CONTENIDO 1.1 Metalurgia física de la soldadura 1.2 Estudio de los metales y aleaciones 1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos 1.4 Solidificación del acero en la soldadura 1.5 Soldabilidad de los diferentes aceros 1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos

1.2 Estudio de los metales y aleaciones Estructura de los metales Los metales son sólidos cristalinos cuyos átomos están dispuestos de una manera específica. Si a un metal se lo pudiera observar con un aumento de varios millones de veces, a los átomos individuales se los vería formar un patrón geométrico: esta disposición ordenada que presentan es responsable de la estructura cristalina de un metal.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones Estructura de los metales Estructura

Metales con esta estructura

Cùbica Centrada en el Cuerpo (BCC)

Fe ( a la temperatura ambiente y también cerca de su punto de fusión), Cr, Cb, W, V, Mo Cùbica Centrada en las Fe ( a la temperatura alta intermedia), Caras (FCC) Cu, Au Pb, Ni Ag Al Hexagonal Compacta (HCP)

Co, Mg, Sn, Ti, Zn, Zr

1.2 Estudio de los metales y aleaciones Aleaciones La mayoría de los metales para aplicaciones industriales que se utilizan en la actualidad son aleaciones, esto es, mezclas de metales, o de metales y otros elementos que, al combinarse, dan origen comúnmente a propiedades diferentes de las del metal puro (sin alear). Tanto la estructura atómica, como la pureza y los antecedentes térmicos y mecánicos de una aleación, ejercen influencia en la determinación de las propiedades industriales que posee.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones Aleaciones En la elaboración de una aleación, a algunos de los átomos del metal base se los reemplaza por otros nuevos que toman las posiciones previamente ocupadas por los del metal base. Los átomos nuevos se incorporan a un metal por: 1. Sustitución Directa. Si el nuevo átomo es similar en tamaño y

en comportamiento químico al del metal original puro. 2. Solución Sólida intersticial . Cuando el átomo nuevo es pequeño en relación con el átomo base, se puede disolver en la estructura original, en los espacios que hay entre los átomos del metal base

1.2 Estudio de los metales y aleaciones Aleaciones Casi todos los metales que se emplean en la industria son aleaciones consistentes en un elemento principal y en cantidades variables de uno, o de más, elementos aleantes. Por lo común, las aleaciones consisten en muchos granos orientados al azar, cada uno de los cuales está dispuesto de manera específica, y que contienen una, o mas, de las fases características que existen en la aleación. A la disposición total de los granos, de los límites de grano y de las fases presentes en una aleación metálica, se la denomina su micro estructura, que es responsable en gran medida de las propiedades de la aleación.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones

(A) (A) Microestructura típica del acero perlitico con bajo contenido de C, que contiene más de una fase. Las zonas claras son de ferrita; las oscuras de perlita, X 100; (B) Una superaleación comercial a base de níquel, Udimet, X 700 a 1000, mostrando multitud de fases dentro de los granos y en los limites de grano

(B)

1.2 Estudio de los metales y aleaciones TRANSFORMACIONES DE FASE Las diferencias de temperatura hacen que los átomos de muchos metales varíen sus disposiciones cristalográficas. Transformación alotrópica del Fe

A este cambio de estructura cristalina se lo denomina, transformación alotrópica o transformación de fase. Feδ ↔ Feϒ Feϒ ↔Feα

1.2 Estudio de los metales y aleaciones TRANSFORMACIONES DE FASE Las diferencias de temperatura hacen que los átomos de muchos metales varíen sus disposiciones cristalográficas. A este cambio de estructura cristalina se lo denomina, formalmente transformación alotrópica o transformación de fase. Entre otros metales que sufren transformaciones alotrópicas a diversas temperaturas, están el titanio, el circonio y el cobalto. Muchos factores, incluyendo la composición química, la velocidad de enfriamiento y la presencia de tensiones, infligen sobre este tipo de transformación.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones ACEROS

El acero es básicamente una aleación de hierro, carbono y otros elementos; el carbono es uno de sus principales elementos químicos, que influye considerablemente sobre sus propiedades y características. La soldabilidad de los aceros depende en alto grado del porcentaje de carbono que contengan. A mayor cantidad de carbono presente en la aleación se dificulta la soldadura, y a menor carbono aumenta la soldabilidad delmaterial.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones ACEROS Clasificación: Aceros al carbono

Aceros de bajo carbono Estos aceros obtienen sus propiedades específicamente de su contenido de carbono, no se especifican ni se garantizan otros elementos aleantes.

Aceros

Aceros aleados

Tienen otros elementos que hacen que el acero adquiera propiedades y características que comúnmente no poseen los aceros ordinarios al carbono.

Aceros de mediano carbono. Aceros de alto carbono

Aceros de herramientas Aceros de baja aleación

Aceros de alta aleación

1.2 Estudio de los metales y aleaciones Aceros al carbono •

•

• •

Aceros de bajo carbono.- (0,05 y 0,30% de carbono) En nuestro medio son conocidos como aceros dulces o simplemente como fierro dulce o fierro. Aceros de mediano carbono.- Contienen entre el 0,30 - 0,45% de carbono. Aceros de alto carbono.- Poseen entre 0,45 y 0,90% de carbono. Aceros de herramientas.- (0,90 y el 1,50% de carbono); generalmente ya contienen otros elementos de aleación, que les proporcionan o mejoran sus propiedades.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones Aceros aleados 



Aceros de baja aleación.-Son todos los aceros, cuya suma total de elementos de aleación no sobrepasan el 10%, siendo hierro el restante. Algunos de estos aceros son: acero naval, Cor-Ten, T-1, C1320, 3120, E2517, etc. Aceros de alta aleaciónSon todos los aceros, cuya suma total de elementos de aleación sobrepasa el 10%, llegando en algunos casos hasta porcentajes superiores al 40%; tal es el caso de los aceros inoxidables.



1.2 Estudio de los metales y aleaciones El aluminio y sus aleaciones El aluminio es un metal liviano, muy resistente a la corrosión, de alta conductibilidad calorífica y eléctrica, muy maquinable y moldeable; posee muchas otras propiedades de gran importancia en la civilización moderna. o i n i m u l A e d s o p i T

Aluminio laminado, en forma de planchas, láminas, tubos, perfiles diversos y ángulos, que fundamentalmente tienen las mismas características en cuanto a soldabilidad.

Aluminio fundido, que se presenta en forma de piezas moldeadas de diferente conformación y que son propiamente aleaciones de aluminio y cuya soldabilidad puede diferir de una pieza a otra.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones El aluminio y sus aleaciones •

Actualmente encontramos una gran variedad de aleaciones de aluminio, aparte del aluminio de alta pureza y del aluminio comercial.

s e n o i c a e l A

Aleación aluminio-manganeso Aleación aluminio-magnesio Aleación aluminio-silicio-magnesio Aleaciones aluminio-cobre-magnesio-manganeso

1.2 Estudio de los metales y aleaciones El cobre y sus aleaciones •

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El cobre es un metal de un rojo característico, posee resistencia y ductilidad, así como alta conductibilidad eléctrica y calorífica, con excelentes condiciones para resistir la corrosión. El cobre es uno de los metales que comercialmente se vende en formamáspura.

1.2 Estudio de los metales y aleaciones El cobre y sus aleaciones El cobre frecuentemente es aleado con otros metales, como el zinc, estaño, níquel, aluminio, manganeso, hierro, cadmio y plomo. Latones: Básicamente son aleaciones de cobre con zinc; en ciertas ocasiones, para mejorar o alterar las propiedades, se adicionan pequeñas cantidades de otros metales. •

•

Bronces: Estas aleaciones están constituidas básicamente de cobre y estaño. Sin embargo, la denominación bronce se da a una gran variedad de aleaciones de cobre con otros elementos.


1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos Diferencias entre el Tratamiento Térmico de Soldadura (TTS) con respecto a los Tratamientos Térmicos de elementos de máquinas: La mayoría de los TTS son Subcríticos y no de Recristalizacion Alotrópica (Austenización). El C está limitado a valores de alrededor de 0,2 % con el objeto de limitar la Templabilidad Los hornos y calefactores deben adecuarse a las condiciones de trabajo y tamaño de las piezas

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos LA SOLDADURA, UN TRATAMIENTO TÉRMICO Soldar, es llevar los bordes de las partes a ser unidas hasta el punto de fusión adicionándole o no un metal de aporte y luego permitir al conjunto enfriarse hasta Temperatura ambiente.

Las velocidades de calentamiento y enfriamiento son elevadas. En el calentamiento la velocidad máxima es 300ºC / seg. En el enfriamiento se reduce a razón de aprox. a 6ºC / seg •

•

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos EFECTOS INDESEABLES DEL CICLO TÉRMICO DE SOLDADURA

Son esencialmente tres: .- Generación de Tensiones Residuales y/o distorsión .- Modificación de la Estructura Metalografica .- Absorción de gases por el metal fundido.


A. TENSIONES RESIDUALES

La mayoría de los Metales al calentarse se dilatan. Si el calentamiento es localizado como ocurre durante la soldadura, la falta de uniformidad de la Temperatura produce dilataciones diferentes en distintos puntos de la pieza en un mismo instante generándose por esa razón Tensiones Térmicas. Si estas Tensiones alcanzan el Límite de Fluencia algo que ocurre normalmente en el cordón de soldadura, se produce deformación plástica localizada que luego en el enfriamiento genera Tensiones Residuales y / o distorsión


B. MODIFICACION DE LA ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

Cuando se efectúa la soldadura se le aplica el ciclo térmico se forman dos zonas perfectamente diferenciadas . - Metal fundido con o sin presencia de metal de aporte. - Zona afectada por el calor (ZAC). Estas dos zonas ya no tienen la Estructura óptima original del Material Base y por lo tanto puede considerarse a este cambio estructural un efecto Indeseable del ciclo térmico de Soldadura


B. MODIFICACION DE LA ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

Los efectos indeseables pueden controlarse parcialmente por dos medios: TRATAMIENTO TÉRMICO POST SOLDADURA. (TTPS) (PWHT) con Temperaturas y velocidades de calentamiento /enfriamiento controlado

Modificando el Ciclo Térmico de la Soldadura Actuando sobre las variables del proceso de Soldadura. El Calor Aportado (Heat Input). Su aplicación tiene limitaciones.

Por medio del Precalentamiento del Material Base


C. ABSORCIÓN DE GASES POR LA SOLDADURA

Cualquiera que sea el procedimiento de Fusión, en el acero líquido se fijan cantidades mas o menos importantes de los gases del aire (Oxigeno y Nitrógeno) y de los productos de descomposición del revestimiento, principalmente Hidrógeno procedente de la humedad o del agua de cristalización de ciertas substancias químicas.



La absorción de hidrógeno durante la soldadura es mucho más grave ya que el hidrógeno es la causa de la formación de Microfisuras o fisuras “Fisuración Inducida por Hidrógeno (HIC)”, sopladuras y es el formador de los Fish-eyes. Las Soldaduras oxiacetilénicas contienen muy poco hidrógeno La concentración de hidrógeno en las soldaduras por arco es, por el contrario mucho mas importante y puede llegar a alcanzar el límite de solubilidad de este gas en el metal líquido (28 cm3 por 100g de metal) según sea la naturaleza del revestimiento.



La resistencia de un acero conteniendo hidrógeno comparado con un acero sin hidrógeno.



Falla por HIC (Under-Bead Cracking) en la ZAC con estructura Martensítica de HIC en laalZAC en un un acero Carbono de un acero tanqueal deC-Mn almacenamiento de Ácido Fluorhídrico (HF)

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos TRATAMIENTOS USUALES DE SOLDADURA ANTES DE LA SOLDADURA

TRATAMIENTOS USUALES DE SOLDADURA

DURANTE LA SOLDADURA

DESPUES DE LA SOLDADURA.

DESHIDROGENADO “HIDROGEN BAKE OUT”

PRECALENTAMIENTO “PREHEAT”

TRATAMIENTO TERMICO POST – SOLDADURA (T.T.P.S.) “POSTWELD HEAT TREATMENT” (P.W.H.T.)

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos TRATAMIENTOS USUALES DE SOLDADURA DESHIDROGENADO “HIDROGEN BAKE OUT”

Tiene como objetivo remover del material a ser soldado el hidrógeno que contiene ya que este gas en forma atómica, penetra en el acero causando Fisuración “Fisuración Inducida por Hidrógeno (HIC)”, porosidad, empolladuras y pérdida de ductilidad.


Hidrógeno difusible Los procesos y consumibles de soldadura pueden ser clasificados en relación con su contenido de hidrógeno en: de muy bajo, bajo, medio y alto nivel. Muy bajo, menor que 5 ml /100 g. Bajo, entre 5 y 10 ml /100 g. Medio, entre 10 y 15 ml /100 g. Alto, mayor que 15 ml /100 g. •

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Distribución de hidrógeno en metal de soldadura por proceso y tipo de consumible


TEMPERATURA

suelen variar entre 200 ºC y 450ºC

TIEMPO

Depende de la T, el coeficiente de difusión del Hidrógeno en el metal, aleantes, forma, entre otros

Factores que influyen en el DESHIDROGENADO


La Velocidad de difusión del Hidrógeno en acero Ferritico.

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos TRATAMIENTOS USUALES DE SOLDADURA PRECALENTAMIENTO “PREHEAT”

Consiste en calentar el Material Base antes y durante la soldadura manteniendo la Temperatura del mismo entre un valor mínimo (Temperatura de Precalentamiento) y uno máximo (Temperatura entre pasadas).


O T N E I M A T N E L A C E R P

e d d a d i o c t o n l e e i v a m a l i r e f y n u e n i m s i D

Retrasa la posible transformación martensítica y permite además la salida del H, reduciendo el nivel de tensiones residuales

Todo esto previene el agrietamiento de la unión en frío

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos TRATAMIENTOS USUALES DE SOLDADURA PRECALENTAMIENTO “PREHEAT” PRECALENTAMIENTO

Mejor método para evitar los problemas de agrietamiento en frío o durante el enfriamiento Presencia de microestructuras frágiles Altas velocidades de enfriamiento

Alto nivel de tensiones residuales

Excesivo contenido de hidrógeno

En virtud de su contracción y de los cambios estructurales

Procede de la humedad de los electrodos y de los fluxes


Efectos de un precalentamiento en el ciclo térmico y niveles de tensión e hidrógeno Discontinuo con precalentamiento

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos TRATAMIENTOS USUALES DE SOLDADURA

TRATAMIENTO TERMICO POST – SOLDADURA Tratamientos térmicos postsoldadura Calentamiento hasta una temperatura suficientemente elevada y un mantenimiento a dicha temperatura Relajan en nivel de tensiones y/o producen el revenido de posibles estructuras frágiles que se hubiesen podido producir en las operaciones de soldeo


TRATAMIENTO TERMICO POST – SOLDADURA

Postcalentamento: Mantener la chapa a una determinada temperatura un cierto tiempo tras la soldadura. Sirve para prevenir el agrietamiento en frío Discontinuo con postcalentamiento


TRATAMIENTO TERMICO POST – SOLDADURA Los diferentes Tratamientos Térmicos (TT) a los que puede estar sometido un metal se dividen en dos grupos de acuerdo con la temperatura alcanzada:

TT Subcriticos cuando la temperatura alcanzada es inferior a la temperatura critica, (de Cambio Alotrópico, o de Recristalizacion)

TT Supercríticos o de Recristalizacion cuando la temperatura alcanzada es superior a la temperatura critica, (de Cambio Alotrópico, o de Recristalizacion)

1.3 Tratamiento térmico y sus procedimientos TRATTAMIEN TRA AMIENTOS TOS USUALES DE D E SOLDADURA SO LDADURA

TRAT TRATAMIENTO AMIENTO TERMICO TERMICO POST – SOLDADURA

DISTENSIONADO: Se tienen: REVENIDO


TRAT TRATAMIENTO AMIENTO TERMICO TERMICO POST – SOLDADURA Si el TTPS T TPS tiene como función eliminar las Tensiones Residuales se usa el DISTENSIONADO

DISTENSIONADO: DISTENSIONADO : Se lo realiza en aceros Ferríticos de baja aleación entre los 595° 595°C C y los los 675°C 75°C (11 (1100°F 00°F a 1250° 250°F) F),, par para acer aceros os de alt alta alea aleaci ción ón,, pued uede lleg llegar ar (sin sin gener eneral aliizar, estu estudi dian ando do cada ada situación particular) a los 1000°C aunque la mayoría de las veces no supera los 760°C.


TRAT TRATAMIENTO AMIENTO TERMICO TERMICO POST – SOLDADURA Si el objetivo es disminuir la dureza producida esencialmente por estructuras Martensíticas en la ZAC se usa el REVENIDO:

REVENIDO: Tratamiento Térmico que siempre se realiza en aceros que se han templado (Total o parcialmente Martensíticos) con el objeto de disminuir la dureza.


1.4 Solidificación del acero en la soldadura La American Welding Society (AWS) en su publicación dice que la metalurgia de la soldadura involucra varios pasos, como: solidificación, reacción gas-metal, fenómeno de superficie, y reacciones en estado sólido que ocurren rápidamente durante el proceso.

1.4 Solidificación del acero en la soldadura Cordón de soldadura: Es la zona que a sido fundida durante el proceso de soldadura, y esta compuesta del material de aporte y el material base. La composición química del cordón dependerá de la composición química del material base y aporte, también dependerá de la dilución entre estos. Los elementos tales como el oxigeno, el nitrógeno y el hidrogeno pueden aparecer como contaminantes, cuando el metal fundido no es protegido correctamente de la atmósfera, según la AWS

UNION SOLDADA Se distinguen 3 zonas en la unión soldada: •

•

•

Metal de soldadura Zona afectada Térmicamente (ZAT) Metal base

Zona afectada Térmicamente (ZAT) Es la zona adyacente a la soldadura que se calienta en gran medida y se ve afectada por el calor, pero que no funde. Esta zona sufre cambios metalúrgicos y cambios en sus características mecánicas, pudiendo ser muy propensa a desarrollar grietas o condiciones desfavorables. En general es deseable una ZAT estrecha.

Sección transversal de una unión soldada

Zona afectada Térmicamente (ZAT) Los fenómenos metalúrgicos que ocurren en esta zona son caracterizados por los ciclos térmicos que sufre el material, y dependen de: La cantidad de calor suministrado durante el proceso de soldadura La temperatura de material base antes de realizar la soldadura El espesor y la geometría de la junta soldada. •

•

•

Mediante el control de los dos primeros factores se pueden modifica, en cierta forma, la característica de la zona afectada por el calor.

Zona afectada Térmicamente (ZAT)

Representación de la zona afectada por el calor.

Relación entre el diagrama de equilibrio Fe-C y las microestructuras de la HAZ T, F

CICLO TÉRMICO

El material sufre un calentamiento y enfriamiento local

Calor generado por la fuente (Qf)

Calor transferido Afecta fuertemente a la.. Depende de:

1.El calor de aporte neto 2.El espesor de la pieza a soldar 3.Tipo de junta 4.Las propiedades térmicas del material 5.La temperatura inicial de la pieza a soldar

MICROESTRUCTURA de la unión soldada

Y esta a su vez a las ..

PROPIEDADES de la unión soldada Resistencias mecánicas Comportamiento frágil Resistencia a la corrosión

• • •

Zona de fusión ZAC •

•

CICLO TÉRMICO

CICLO TÉRMICO El ciclo térmico representa como varía la temperatura a lo largo de todo el tiempo de un punto cualesquiera del metal durante la soldadura. Es decir, la historia térmica de un punto cualquiera del metal y, por ello, tiene una influencia notable en la microestructura final de dicho metal y en sus propiedades mecánicas. A. La distribución de la temperatura máxima en la ZAC

Está representado básicamente por:

B. La velocidad de enfriamiento en el metal fundido y en la ZAC C. La velocidad de solidificación de un metal fundido

CICLO TÉRMICO

Ciclos térmicos de soldadura de puntos situados a diferentes distancias del condón (entre 10 y 25 mm)

CICLO TÉRMICO

CICLO TÉRMICO DE SOLDEO

CICLO TÉRMICO Ecuación de la temperatura máxima en cada punto de la ZAC 1  −

=

4.13 ... 

+

1



−

Donde: Tmax : Temperatura maxima a una distancia Y (mm) del extremo o contorno del metal fundido. To: Temperatura inicial de la chapa (ºC) Tfusion: temperatura de fusion del metal base (ºC) Hnet: Energía aportada neta (J/mm) ρ: Densidad del material (g/mm3) C: Calor específico del metl sólido (J/g.C) t: Espeso de la chapa a soldar •

•

•

•

•

•

•

CICLO TÉRMICO APLICACIONES de la Ecuación de la temperatura máxima La determinación de la temperatura máxima en puntos determinados de la ZAC La estimación del ancho de la ZAC La demostración del efecto causado por el precalentamiento sobre el ancho de la ZAC

CICLO TÉRMICO A. Distribución de temperaturas La Distribución de temperaturas Representa las temperaturas existentes en un momento determinado, en varios puntos del metal que ha sido o esta siendo soldado. El ciclo térmico representa como varía la temperatura a lo largo de todo el tiempo de un punto cualesquiera del metal durante la soldadura.

CICLO TÉRMICO A. Distribución de temperaturas

Distribución de temperaturas de una sección cualquiera a lo largo del eje x. Las curvas representan momentos diferentes durante la soldadura

CICLO TÉRMICO A. Distribución de temperaturas Curvas isotérmicas en una plancha sometida a soldadura a Tope

CICLO TÉRMICO B. Velocidad de Enfriamiento Después que un punto en el metal fundido o en sus proximidades ha alcanzado su máximo de temperatura, la velocidad a la cual se enfría puede tener un significativo efecto sobre la estructura metalúrgica y las propiedades mecánicas de la zona afectada por el calor (ZAC) veremos que no podemos hablar de una velocidad de enfriamiento sino de varias velocidades de enfriamiento según sea la temperatura a la cual se encuentra el acero durante su enfriamiento

CICLO TÉRMICO B. Velocidad de Enfriamiento

CURVA DE LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO DE UN ACERO

CICLO TÉRMICO C. La velocidad de solidificación de un metal fundido

La tran transf sfor orma maci ción ón de líqui líquido do a sólid sólido o (SOL (SOLID IDIF IFICA ICACI CIÓN ÓN)) está está gobernada por un proceso combinado de nucleación y crecimiento de cristales, y el tamaño, orientación y distribución de los granos producidos define las propiedades mecánicas y la sanidad de la estructura solidificada.

Cada grano se inicia en un núcleo a partir del cual se produce el crecimiento. La nucleación puede iniciarse a partir de partículas sól sólidas idas exter xterna nass suspe uspend ndid idas as en el líqui íquido do:: NUCL NUCLEEACIÓN CIÓN HETEROGENEA (la gran mayoría de los casos).

SOLIDIFICACIÓN Direcciones de crecimiento de granos.

El crecimiento de los cristales se da con la misma orientación cristalina que los granos de metal base parcialmente fundidos. ESTE FENÓMENO RECIBE EL NOMBRE DE CRECIMIENTO EPITAXIAL.

Esquema de dirección d irección de crecimiento, crecimiento, epitaxial, de los cristales al solidificar.




Tipos de crecimiento de los cristales que normalmente se encuentran en las soldaduras: •

•

•

Crecimiento celular Crecimiento celular Dendrítico Crecimiento columnar Dendrítico

SOLIDIFICACIÓN Direcciones de crecimiento de granos. •

Crecimiento celular

SOLIDIFICACIÓN Direcciones de crecimiento de granos. Crecimiento celular Dendrítico

SOLIDIFICACIÓN Direcciones de crecimiento de granos. •

Crecimiento columnar Dendrítico

Crecimiento planar en una sección transversal de una soldadura GTAW de una aleación Fe – Ni (250X)

Crecimiento celular en una sección transversal de una soldadura GTAW en acero HY80 (250X)

Crecimiento celular dendrítico en la superficie de una soldadura GTAW de una aleación Fe – Si (300X)

Crecimiento columnar dendrítico en la superficie de una soldadura GTAW de una aleación Ti - Mn (15X)

SOLIDIFICACIÓN Efecto de la Geometría de la Pileta Líquida. La forma de la pileta líquida o pileta de fusión queda determinada por la velocidad de avance del cordón de soldadura así como por el balance entre el calor aportado y las condiciones de enfriamiento.

Si la velocidad es baja, la pileta tiende a tomar una forma elíptica

Si la velocidad aumenta, la pileta tiende a alargarse en forma de gota.

SOLIDIFICACIÓN Efecto de la Geometría de la Pileta Líquida.

Cuando la pileta de fusión tiene forma de gota, el gradiente térmico máximo permanece casi invariable en su dirección en todos los puntos del frente de solidificación, desde el borde hasta el eje del cordón. El resultado es que cualquier grano favorablemente orientado es capaz de crecer a una velocidad óptima y expandirse a expensas de los menos favorablemente orientados, alcanzando el centro del cordón un número relativamente pequeño de granos

SOLIDIFICACIÓN Efecto de la Geometría de la Pileta Líquida.

Cuando la pileta de fusión es elíptica, la dirección de gradiente máximo cambia continuamente desde el borde hacia el centro del cordón. En consecuencia, la mayor parte de los granos se encuentra, aunque por poco tiempo, en condiciones favorables para crecer y sobreviven hasta la línea central del cordón.de granos


SOLDABILIDAD Soldabilidad operativa

Soldabilidad metalúrgica

Soldabilidad Constructiva Evitar riesgo de figuración en frio o comportamiento frágil de la unión soldada

ZAC

ZONA FUNDIDA

Carbono Equivalente Grado de dilución Máxima dureza bajo el cordón

Concepto de Soldabilidad Existen niveles o grados de soldabilidad que puede tener un acero. Según la ISO 581: Un acero se considera soldable en un grado pre-fijado, por un procedimiento determinado y para una aplicación específica, cuando mediante una técnica adecuada se pueda conseguir la continuidad metálica de la unión, de tal manera que esta cumpla con las exigencias prescritas con respecto a sus propiedades locales y a su influencia en la construcción de la cual forma parte integrante. •

SOLDABILIDAD Soldabilidad operativa Estudia las dificultades de su realización, es decir es la posibilidad operatoria de unir los metales con el fin de obtener continuidad metálica en la unión.

Soldabilidad metalúrgica

Soldabilidad Constructiva

Se ocupa de las modificaciones micro estructurales que resultan de la operación de soldeo. Supone obtener las características mecánicas deseadas en la unión

Trata de definir y estudiar las propiedades y condiciones que debe reunir la soldadura para poder entrar en servicio en una construcción determinada.

Soldabilidad En general decimos que un metal o aleación es soldable (metalúrgicamente) si cumple con las siguientes condiciones: •

•

Que tenga una buena tenacidad después de efectuar la soldadura. Que su composición química sea tal, que la zona fundida no se haga frágil por dilución con el metal base.

Soldabilidad Los factores más importantes que influyen en la soldabilidad de los metales y sus aleaciones son: •

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•

•

Las transformaciones que se producen en la zona afectada por el calor (ZAC o ZAT) Composición química de los metales a unir (metal base y metal de aporte) Las tensiones residuales generadas durante la soldadura El procedimiento de soldadura empleado

CARBONO EQUIVALENTE (CE) Un acero de buena templabilidad es un acero difícilmente soldable. Como el carbono es el elemento que mas influye en la templabilidad y en la dureza final de un acero se ha considerado denominar como “Carbono Equivalente” (CE) al índice que permite correlacionar la composición de un acero con su tendencia a presentar estructuras frágiles cuando este es sometido a un proceso de soldadura El CE de un acero es una medida de su tendencia potencial a fisurarse durante o después de la soldadura.

CARBONO EQUIVALENTE (CE) Brinda información sobre:

• •

•

La templabilidad La sensibilidad de los aceros a la fisuración en frio (a fin de estimar la temperatura mínima de precalentamiento recomendada o la tolerancia a la fisuración debida al hidrógeno) La evaluación de las propiedades durante el servicio.

CARBONO EQUIVALENTE (CE) Fórmula del CE deducida por IIW (Instituto Internacional de Soldadura):

CE = % 

• •

% 6



%+%+% 5



%+% 15

Para aceros con contenidos de carbono superior al 0.18%. Todos los elemento de aleación están expresados en % peso.

CARBONO EQUIVALENTE (CE) Fórmula del tipo PCM (Par (Paráme ámetr tro o de composi composició ción) n) propuesto por Ito y Bessyo

5B

Fórmula empleada por el código estructural AWS D1.1 para determinar la temperatura mínima de Precalentamiento

CARBONO EQUIVALENTE (CE) El tipo CEMW propuesto por Düren 

CEMW =   25 

+ 20



 10



 40

+

 15

+

 10

CARBONO EQUIVALENTE (CE) Podemos hacer una clasificación algo al go genérica de la soldabilidad de los aceros en función de su CE: 1. Aceros co con un CE < 0.2 – 0.3 % tienen buena soldabilidad 2. Acer Aceros os con con un CE > 0.4 0.4 % tie tiene nen n rie riesg sgo o de fis fisur urac ació ión n en frio en la ZAC

CARBONO EQUIVALENTE (CE) Soldabilidad, diagrama de Graville:

SOLDABILIDAD El CE es un criterio asociado principalmente a la ZAC

SOLDABILIDAD BUENA

Soldabilidad metalúrgica ACEROS < 0.35 %C

CE

Puede haber riesgo de fisuración en frio o comportamiento frágil de la unión soldada

> 0.35 -0.4 % C

Calor de aporte Precalentamiento Post Calentamiento Material de aporte Proceso de Soldadura % de hidrógeno absorbido Restricción de la junta

•

Tipo de acero Espesor de pieza Tipo de junta Parámetros de soldadura Proceso de soldadura

•

•

•

•

•

•

• •

• • •

El CE es un criterio auxiliar para elaborar apropiadamente un Procedimiento de Soldadura

SOLDABILIDAD LIMITADA

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA CALIFICACION DE PROCEDIMIENTO

SOLDABILIDAD El grado de dilución es un criterio que permite evaluar la soldabilidad del deposito fundido ALTO

Soldabilidad metalúrgica ACEROS BAJO

GRADO DE DILUCIÓN

Pueden formarse constituyentes frágiles o que afecten la resistencia a la corrosión

PROBLEMAD DE SOLDABILIDAD

Aumento de la templabilidad en el cordón Aumento de la fragilidad del cordón Riesgo de fisuracion en caliente Riesgo de corrosión •

Se reducen los problemas en la zona fundida de la union soldada • • • •

• • •

Material de aporte Proceso de soldadura Tipo de Junta Calor de aporte

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

Es importante controlar el G. D. a través de:

Determinación del grado de dilución

Determinación del grado de dilución La dilución influye, naturalmente, en la composición química del cordón de soldadura y puede calcularse para predecir el contenido de cualquier elemento en el mismo.

Soldabilidad de los diferentes aceros Aceros de bajo carbono Aceros al carbono Aceros

Aceros de mediano carbono. Aceros de alto carbono Aceros de herramientas Aceros de baja aleación

Aceros aleados

Aceros de alta aleación

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los aceros de bajo contenido de carbono •

•

Estos aceros pueden soldarse con cualquiera de los procesos conocidos, cuya elección está determinada principalmente por la clase de unión, posición de soldadura y costo. Todos los aceros de bajo carbono son soldables con arco eléctrico; pero si el contenido de carbono es demasiado bajo, no resulta conveniente aplicar soldadura de alta velocidad, especialmente en aquellos aceros que tienen menos de 0,13% de carbono y 0,30% de manganeso, en virtud a los que tienden a desarrollar porosidad interna.

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los aceros de mediano y alto contenido de carbono •

•

•

Estos aceros, por el hecho de tener mayor contenido de carbono, se endurecen fácilmente al enfriarse. Los aceros de alto carbono tienen de 0,45 a 1,70% C. Es más difícil soldarlos que los de mediano contenido de carbono. En razón a su mayor contenido de carbono, su soldabilidad con electrodos comunes es pobre, necesitándose emplear electrodos especiales. Necesitan tratamientos térmicos de soldadura de precalentamiento y post calentamiento.

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los aceros de baja aleación •

Aceros al manganeso (menos de 2%Mn) Los aceros con el más bajo contenido de carbono en este grupo pueden ser soldados generalmente con los procedimientos standard, con bastante facilidad, pero es regla el precalentamiento, con precauciones especiales en aceros con más de 0,25%de carbono.


Aceros al níquel: Si el carbono contenido en estos aceros, con 3 a 3,5% de níquel no excede 0,25%, no es necesario tratamiento térmico alguno. Si, por el contrario, tienen más de 0,25% de carbono, es preciso precalentarlos de 150 a 315 C. Además, por tener tendencia a templarse al aire, estos aceros deben ser enfriados muy lentamente con el objeto de conservar las propiedades físicas deseadas.


Aceros al cromo-níquel: En estos tipos de acero, la proporción entre el contenido de níquel y el de cromo es aproximadamente de 2,5 partes de níquel por 1 parte de cromo. Los electrodos E 7010, 15, 16, 18 y aquellos de mayor tracción pueden ser usados para obtener una resistencia a la tracción que se aproxime a la de la plancha de los grados más bajos de carbono.

Soldabilidad de los diferentes aceros Aceros de baja aleación y alta resistencia a la Tracción La soldadura de estos aceros de baja aleación con alta resistencia a la tracción parece ser, a primera vista, un asunto muy complicado. Sin embargo, a pesar del gran número de análisis químicos diferentes, existen algunos procesos de soldadura por arco que se emplean comúnmente para soldar estos aceros. El consejo común para la soldadura de estos aceros es el empleo adecuado de los electrodos de bajo hidrógeno. El depósito de estos electrodos tiene una mayor resistencia al impacto que el depósito de los electrodos comunes

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los Aceros Inoxidables Los aceros inoxidables presentan composiciones químicas diversas, lo que dificulta un poco su clasificación pero, podemos clasificar los aceros inoxidables, en base a su estructura, en tres grandes grupos: AUSTENÍTICO: FERRÍTICO MARTENSÍTICO •

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•

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los Aceros Inoxidables Como una ley fundamental, el metal de aporte para una soldadura debe ser de igual o mayor aleación al metal base. Así, aceros al carbón pueden ser soldados con un metal de aporte inoxidable como por ejemplo tipo 316, mientras que, un acero inoxidable no puede ser soldado con un metal de aporte de acero al carbón como el tipo E60XX. Por lo anterior, veremos que para la soldadura entre un acero al carbón aleado o no aleado, y un acero inoxidable, se seleccionará siempre un metal de aporte cuyo depósito es un acero inoxidable.

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los Aceros Inoxidables

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los Aceros Inoxidables AUSTENÍTICO: Muchos grados de acero inoxidable austenítico, especialmente los tipos 301, 302, 304, 308, 316 y 317, están sujetos a precipitación de carburos, si el material semantiene entre 427 y 871°C. La precipitación de carburos y la resultante pérdida de resistencia a la corrosión pueden ocurrir en el material base, en la zona afectada por el calor, en el deposito de soldadura o en todas estas áreas, como consecuencia de la aparición de zonas empobrecidas en cromo por debajo del nivel crítico -menos de 12% de cromo- de resistencia a la corrosión. •

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los Aceros Inoxidables FERRÍTICO Los aceros inoxidables ferríticos deben soldarse con electrodos con revestimiento básico calcáreo de tipo INOX AW, INOX AW + Cb. Para evitar cordones frágiles, en lo posible debe soldarse con materiales de aporte austeníticos (electrodos de serie E 3XX-15 y E 3XX-16), siempre que no haya razones contrarias, como la corrosión. Los aceros ferríticos son muy sensibles alas entalladuras. En la soldadura hay que fijarse, que la transición del cordón al material base sea libre de entalladuras. Las entalladuras penetrantes o los cordones demasiado elevados deben ser esmerilados, si fuese necesario.

Soldabilidad de los diferentes aceros Soldabilidad de los Aceros Inoxidables MARTENSÍTICO Todos tienden a endurecerse durante la soldadura, porque estos aceros poseen pronunciadas propiedades de endurecimiento al aire y, además, se encuentran generalmente en estado endurecido; esto significa que tienen baja ductilidad. Al aplicar calor repentinamente a un área localizada como sucede en la soldadura por arco, y luego enfriar esta área rápidamente, pueden ocurrir rajaduras. El área calentada se contrae difícilmente por el enfriamiento y la falta de ductilidad en el metal adyacente no puede soportar la tensión de contracción. Por lo tanto, los aceros martensíticos no son tan apropiados para soldarlos, peso se usan electrodos especiales.


1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos A. Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones Para realizar soldaduras sanas en aluminio, hay que fijarse en los siguientes factores: 1. 2.

Temperatura de fusión.-el aluminio puro funde a 600ºC, pero al no cambiar de color es fácil perforarlo. Conductividad Térmica.-tres veces más rápido que el acero, normalmente se necesita precalentamiento.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos A.

Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones

3.

Dilatación Térmica.-dos veces más que el acero, problemas de tensiones internas y deformaciones. Óxido de Aluminio.-Alúmina, se forma al contacto con el aire, funde unos 1500ºC por encima que el aluminio. Es imprescindible eliminar la capa de oxido.

4.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos A. Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones Dentro de las aleaciones de uso más general, tenemos las siguientes: A.1 Aleación aluminio-manganeso.Empleada cuando se requiere una resistencia mecánica superior a la del aluminio puro comercial. Este aluminio es soldable con electrodos d aleación de aluminio y silicio. Noes tratable térmicamente.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos A. Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones A.2 Aleación aluminio-magnesio.Este material posee características mecánicas muy superiores a las de la aleación aluminio-manganeso. Es más sensible a la aplicación del calor, y cuando la soldadura se enfría, pueden producirse roturas debido a la contracción. No obstante, con los electrodos de aluminio-silicio y con una técnica apropiada se puede eliminar este inconveniente. No es tratable térmicamente.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos A. Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones A.3 Aleación aluminio-silicio-magnesio.La resistencia de estas aleaciones está basada en el adecuado tratamiento térmico. Al soldarlas, el efecto del calentamiento y enfriamiento puede destruir sus características, debido a que altera el efecto del tratamiento térmico originalmente recibido. La soldadura eléctrica con electrodo metálico es un procedimiento, que se puede emplear bajo ciertas precauciones para no calentar a pieza demasiado. Se utiliza un electrodo de aleación aluminio-silicio.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos A. Soldabilidad del aluminio y sus aleaciones A.4 Aleaciones aluminio-cobre-magnesio-manganeso.La resistencia mecánica de estas aleaciones es incrementada al máximo por el tratamiento térmico. No se suele soldarlas, ya que esta operación reduce su resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión. Sin embargo, cuando las tensiones de servicio son bajas, se puede soldarlas por arco eléctrico.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos A. Soldabilidad del aluminio y sus aleacionesELECTRODOS •

•

Para soldar aluminio y sus aleaciones soldables se recomienda utilizar electrodos congrueso revestimiento de fundente. Este revestimiento del electrodo debe ser capaz de disolver todo el óxido de aluminio que pueda formarse durante la operación de soldadura. El revestimiento deberá formar, asimismo, una escoria muy fundible que, cubriendo el cordón de soldadura ejecutado, lo proteja contra la oxidación mientras se enfría.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos B. El cobre - Su soldabilidad Desde el punto de vista de la soldabilidad, trataremos aquí sólo dos tipos de cobre: El cobre electrolítico y el cobre desoxidado. Cobre electrolítico.- Podríamos decir que es un cobre puro que contiene entre 0,01 a 0,08% de oxígeno, en forma de óxido cuproso. Esta pequeñísima cantidad de oxígeno ejerce poca influencia sobre las propiedades eléctricas y físicas del metal, pero la suficiente para ocasionar inconvenientes desde el punto de vista de soldabilidad. El cobre electrolítico puede ser soldado por arco eléctrico con electrodo metálico, siempre y cuando se use el tipo adecuado. •

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos B. El cobre - Su soldabilidad •

Cobre desoxidado.- Para evitar los perniciosos efectos del óxido cuproso, el cobre puede ser desoxidado mediante adición de fósforo, manganeso, silicio o boro. Este cobre se deja soldar con mucha mayor facilidad que el cobre electrolítico y, a la vez, sus juntas son mucho más resistentes y dúctiles, pero de menor conductibilidad eléctrica.

1.6 Soldabilidad de los no ferrosos y los no metálicos C. Latones y bronces La SOLDABILIDAD de los latones y bronces no constituye ningún problema serio. Los problemas que pueden presentarse son solucionados, observando las precauciones normales indicadas para la soldadura del cobre. El empleo adecuado de electrodos especialmente fabricados para esta finalidad permite obtener soldaduras de óptimas característicasmecánicas.

Metalurgia Fisica de La Soldadura (1)

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