Metalurgia+de+La+Soldadura

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Metalurgia de la Soldadura

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Estructura de los metales 

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Los metales que empleamos en la construcción industrial, cuando están en estado sólido son policristalinos. Los granos o cristales pueden ser observados metalograficamente por medio del microscopio óptico (Escala microscopica hasta 1000x) y tienen un tamaño medido en milimetros / micrones / (10-3 -10-6 m ) Cada grano tiene una estructura atómica ordenada en forma periódica. La separación entre los átomos se mide en 10-10 m (°A) angstrom.


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Estructura de los metales 

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Los átomos están ordenados espacialmente formando diversos tipos de redes cristalinas, según que elemento químico representen y en algunos casos según sea la temperatura. Granos vecinos están separados por orientación bordes de grano. Cada grano puede tener una cristalográfica diferente. Cada grano puede tener una estructura cristalina imperfecta (vacancias, dislocaciones). Los defectos cristalinos denominados dislocaciones participan activamente durante la deformación plástica de un metal.


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Microestructura de un acero estructural 

Un acero de uso estructural (A-36, A-285, A106, A-53, St 37, St 52, St 35.8, F 24, F 30) tiene una microestructura formada por: α

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Granos decristalina ( )), con una Ferrita (hierro estructura cúbicaalfa centrada en el cuerpo, BCC). Perlita (estructura laminar de Ferrita y Cementita (Carburo de Hierro, Fe3C)) Una dispersión de inclusiones no metálicas (óxidos, sulfuros, nitruros, etc.)


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Metalurgia de la soldadura

Transformaciones de Fase


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Microestructura de un acero de muy bajo carbono : Ferrita Fe


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Microestructura de un acero inoxidable Austenítico (Fe (δ), Cristales Cúbicos centrados en las caras (fcc)


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Perlita Laminar (Agregado de Ferrita + Cementita Fe3C)


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Acero F+P

Se observa una matriz ferrítica con perlitas orientada según la deformación producida durante el laminado en caliente


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Perlita Globulizada

Cuando la perlita es calentada a temperaturas del orden de los 680°C, el carbono de hierro se globuliza http://slidepdf.com/reader/full/metalurgiadelasoldadura

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Acero 0,25% C

Laminado en Caliente


Normalizado

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Tratamiento Térmico Normalizado Normalizado a 900 r u t a r e p m e T

Temperatura: 900 C Enfriamiento al aire calmo

Tamb Tiempo


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Metalurgia de la soldadura

Metalurgia de la Soldadura


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FIGURA 1

- Diagrama que ilustra la soldadura en una plancha de acero, mostrando el metal de soldadura (W) y la zona afectada por el calor (ZAC). El metal base no ha sido afectado


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FIGURA 2:

Ensamble soldado mostrando una pileta líquida de una soldadura en ejecución. La sección A-A' es la zona de la que se estudiará la distribución de temperaturas


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FIGURA 3:

Los perfiles de temperatura en una chapa de acero dulce, en un instante dado, durante la soldadura. metal fundido (piletaW: líquida); la zona sombreada es el metal que está en estado pastoso entre los límites que se registran las temperaturas del líquidus y del solidus a 1520°C y 1490°C respectivamente. La flecha indica la dirección de avance de la soldadura


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FIGURA 13:

Relación entre las temperaturas picos experimentadas por diversas regiones en un cordón soldado y como se correlacionan con el diagrama de fase hierro-carburo de hierro


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FIGURA 14:

Variación de las condiciones de enfriamiento en una soldadura en función del precalentamiento: el diagrama incluye algunos de los cambios de las propiedades que producen las condiciones de enfriamiento. También se muestra un diagrama CCT de un acero, con el objeto de ilustrar por qué las condiciones de enfriamiento provocan los cambios de propiedades


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Microestructuras de las soldaduras

Caracterización de las microestructuras de una soldadura por fusión. de los aceros y  Solidificación microestructura del metal de soldadura.  La Zona Afectada Térmicamente (ZAC). 


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Efecto de la soldadura sobre la microestructura 

Una soldadura por fusión produce un ciclo

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térmico heterogeneo sobre el metal base. Como resultados el metal base resulta afectado por el calor en una zona próxima a la soldadura

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(ZAC). Se producen transformaciones de fase y crecimiento de grano según sea la composición química del metal base, su homogeneidad química, y el ciclo térmico al que sea sometido localmente.


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Macroestructura de la ZAC


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Formación de Martensita y Fisuración

FISURAS

MARTENSITA

FISURAS

Debido a un enfriamiento rápido en la ZAC se puede originar una estructura dura y frágil denominada MARTENSITA. Esta estructura tiene tendencia a la fisuración.


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Bainita (Ferrita + Carburos)

Cuando la austenita se enfría con velocidad intermedias puede originar una estructura de placa de Ferrita mas carburos que es denominada BAINITA


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Temperaturas en la ZAC


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Soldadura de un material deformado el frío

A- Granos elongados por la deformación en frío B- Granos equiaxiales recristalizados y zona de grano grueso C- Metal de soldadura, granos columnares solidificados


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ZONAS DE UN CORDON DE SOLDADURA

Región compuesta Zona fundida no mezclada

Interfaz de la soldadura

Zona parcialmente fundida

Zona afectada térmicamente

Metal base no afectado


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ZONA FUNDIDA NO MEZCLADA

Zona del metal base fundido y no mezclado con el aporte durante la soldadura


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SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA

Metal fundido y solidificado Línea de fusión Metal base


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CRECIMIENTO EPITAXIAL LINEA DE FUSION

Avance de la solidificación

METAL BASE CORDON DE SOLDADURA


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SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA

CRECIMIENTO CELULAR DENDRITICO


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Solidificación del metal de soldadura

CRECIMIENTO EQUIAXIAL DENDRITICO: Se produce en el crater final de la soldadura al finalizar el cordón de soldadura, tiene tendencia a fisuras


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Estructura del metal de soldadura Austenita + Ferrita Delta

Metal de Soldadura: Acero Inoxidable Austenítico


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Subsestructura de Solidificación del Metal de Soldadura

La figura muestra una microsegregación


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TRANSFORMACIONES DE FASE EN ESTADO SOLIDO


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FERRITA EN BORDE DE GRANO

FERRITA ACICULAR

METAL DE SOLDADURA


300X

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Microestructuras del metal de soldadura

F

= Ferrita Primaria

GF = Ferrita en Borde de Grano PF = Ferrita Poligonal Intergranular AF = Ferrita Acicular AC = Ferrita con M-A-C alineados FC = Ferrita con agregados de Carburos (incluída la Perlita) M


= Martensita

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Microestructuras del metal de soldadura • F

= Ferrita Primaria

•

GF = Ferrita en Borde de Grano

•

PF = Ferrita Poligonal Intergranular

• AF = Ferrita Acicular • AC = Ferrita con M-A-C alineados • FC = Ferrita con agregados de Carburos (incluída la Perlita) •M

= Martensita


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Microestructuras del metal de soldadura F

= Ferrita Primaria

AF = Ferrita Acicular GF = Ferrita en Borde de Grano


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AC = Ferrita con M-A-C alineados M


= Martensita

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Microestructuras del metal de soldadura AC = Ferrita con M-A-C alineados

PF = Ferrita Poligonal Intergranular


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AC = Ferrita con M-A-C alineados


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AC = Ferrita con M-A-C alineados F

= Ferrita Primaria

FC

= Ferrita con agregados de Carburos (incluída la Perlita)


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GRILLA PARA CUANTIFICAR LA MICROESTRUCTURAIIW


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SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO

ZONA 1

ZONA 2 ZONA 3


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Zona Columnar del Metal de Soldadura ZONA 1


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Detalle zona columnar -ZONA 1


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Detalle zona transformada REFINADA

ZONA 2


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Detalle zona transformada GRANO CRECIDO

ZONA 3


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METAL BASE


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Fisuració Fisuración Asistida por Hidrógeno o Fisuració Fisuración en Frí Frí o


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La fisuración en frío, mas correctamente denominada fisuración asistida por hidrógeno, se manifiesta por la aparición de fisuras inmediatamente, o transcurridos minutos y en algunos casos hasta horas después de Metalurgia+de+La+Soldadura-slidepdf.com

completada la el soldadura. Estas fisuras pueden presentarse en cordón de soldadura o en la zona afectada por el calor del material base. Requiere para su producción la concurrencia de los siguientes factores: • Hidrógeno

difusible en el metal de soldadura o en la zona afectada térmicamente del material base. • Una microestructura susceptible (Típicamente martensita de dureza superior a los 350 Hv). • Tensiones mecánicas (P.Ej. tensiones residuales o térmicas)


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LOCALIZACION DE FISURAS ASISTIDAS POR HIDROGENO Metalurgia+de+La+Soldadura-slidepdf.com

EN LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR DEL MATERIAL BASE EN SOLDADURAS


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FISURA ASISTIDA HIDROGENO EN LA ZAC DE UN FILETEPOR INICIADA EN EL TALON


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FISURAS POR HIDROGENO EN METAL DE SOLDAURA Metalurgia+de+La+Soldadura-slidepdf.com


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Fisuració Fisuraci ó n por Licuación o Fisuració Fisuraci ó n en caliente


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Fisuras

por

licuación

en


metal de soldadura. Obsérvese la correlación entre la posición de la fisura y las zonas de mas probable segregación. En el caso del filete, la fisuración puede haberse asistido por la excesiva separación entre piezas. La fisuración se relaciona con la formación de compuestos de S y eventualmente P de bajo punto de fusión, debido a fenómenos de segregación ayudados por contaminación.


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Los aceros inoxidables austeníticos pueden ser susceptibles a este tipo de fisuración si no contienen ferrita delta en su microestructura o si sólo contienen cantidades marginales. Metalurgia+de+La+Soldadura-slidepdf.com

Fisura central en filete con alta restricción, soldado con alto aporte térmico y con contenido de ferrita delta marginal


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Microfisuras en metal deMetalurgia+de+La+Soldadura soldadura austenítico tipo AISI 310 con -slidepdf.com 0,5% Mn


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Fisuras en caliente en la ZAC del material base inoxidable austenítico 20 Cr - 25 Ni de un acero


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TRATAMIENTOS TERMICOS


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Tratamientos Térmicos previos a la soldadura 

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Los equipos que han estado en presencia de Hidrogeno atómico sonpor susceptibles de causa fisurarse su de reparación soldadura.La es durante la presencia Hidrogeno atómico en el material base. Este gas, en forma atómica, penetra en el acero causando fisuración, porosidad, ampolladuras y perdida de ductilidad. Con el paso del tiempo,el hidrógeno atómico difunde en el retículo cristalino del acero recombinandose a hidrogeno molecular en espacios vacíos tales como exfoliaciones o inclusiones formando ampollas. Puede quedar algo de hidrogeno en forma atómica anclando dislocaciones y reduciendo la ductilidad. Peor aun, puede producir fisuras en zonas de alta dureza tales como metal de soldadura, ZAC y puntos duros. A este proceso se le denomina), Fisuracion Inducida por Hidrogeno. (HIC).


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Tratamientos Térmicos previos a la soldadura 

Un caso particular es la presencia de,acido sulfidrico (H²S) , que de acelera la entrada de hidrogeno y aumenta la actividad hidrogeno atomico. El resultado es a veces mal llamado Corrosion Bajo Tension por acido sulfidrico porque en realidad es una forma de HIC.

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La Asociación de Ingenieros de Corrosión norma MR -01-75, Sulfide Stress Cracking (NACE), Resistant Metallic Materials for oil field equipment, establece que la dureza no debe superar los RC 22. Las temperaturas corrientes de Deshidrogenado no están tan acotadas como las de T.T.P.S. y suelen variar entre 150ºC y 450ºC.Este Tratamiento permite al Hidrógeno atómico difundir fuera del material.


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Tratamientos Térmicos previos y durante la soldadura 

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El precalentamiento es la principal defensa contra la Fisuración Inducida por Hidrogeno (HIC) permitiendo a este difundir fuera del metal de soldadura. Disminuye la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura y de la ZAC, el resultado es una microestructura mas dúctil y resistente a la fisuración. Disminuye algo las Tensiones Residuales al reducir la diferencia de temperatura entre el Metal de Soldadura y el material base minimizando la contracción.


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Tratamientos Térmicos previos y durante la soldadura 

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Mantiene al acero a una temperatura superior a aquella por debajo de la cual ocurre fractura frágil. Compensa las perdidas de calor en secciones gruesas de acero y especialmente en aleaciones de alta conductividad térmica como cobre o aluminio evitando fallas por falta de fusión del Material Base. Reduce la porosidad debida a la presencia de humedad


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Tratamientos a la soldaduraTérmicos posteriores 

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Disminuye la dureza de la ZAC, metal de soldadura y material base. El resultado es una microestructura mas dúctil y resistente a la fisuración. Aumenta la resistencia a la corrosión y a la fisuración por Corrosión bajo Tensión (SCC).

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Al reducirlalas tensionesdimensional residuales de aumenta estabilidad estructuras soldadas y mecanizadas.


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Tratamientos a la soldaduraTérmicos posteriores 

Al Reducir las tensiones residuales aumenta la tenacidad del material por disminucion de la Triaxialidad. 

Al Reducir las tensiones residuales aumenta la Resistencia a la Fatiga


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Post calentamiento 

Esteprolongación tipo de T.T.P.S. es realmente una del precalentamiento y esta dirigido a remover el hidrogeno que pudiese quedar luego de la soldadura. Se suele utilizar en reparaciones cuando el TTPS es impráctico o inseguro para la instalación. Ver National Board I.C.


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