Otros Metales de Interes

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

TEM A 2 2.24

OTROS M MET A L ES D DE IINTERÉS TECNOL ÓGICO Y Y S SUS A L E A CIONES

A c t u al i zad o p p o r : JJ o s é R Ram ó n IIb ar s A l m o n ac i l

Jul io 2004 2004

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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ÍNDICE 1.- MAGNESIO Y SUS ALEACIONES 2.- TITANIO Y SUS ALEACIONES. 3.- TÁNTALO Y ALEACIONES DE TÁNTALO. 4.- CIRCONIO Y ALEACIONES DE CIRCONIO 5.- REFERENCIAS

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ÍNDICE 1.- MAGNESIO Y SUS ALEACIONES 2.- TITANIO Y SUS ALEACIONES. 3.- TÁNTALO Y ALEACIONES DE TÁNTALO. 4.- CIRCONIO Y ALEACIONES DE CIRCONIO 5.- REFERENCIAS


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1. MAGNESIO Y SUS ALEACIONES

1.1. 1.1. Introducci ón. Las aleaciones de magnesio se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones donde sea importante la ligereza de peso. Las aplicaciones estructurales incluyen equipos industriales, de manejo de materiales, comerciales y aeroespaciales. En maquinaria industrial, tal como maquinaria de impresión y textil, las aleaciones de magnesio se utilizan para piezas que trabajan a alta velocidad y debe ser ligeras para minimizar las inercias. 1.1.1. 1.1.1. Propiedades qu ímicas.

El magnesio y sus aleaciones tienen una estructura hexagonal compacta. La capacidad de deformación a temperatura ambiente es limitada en comparación con las aleaciones de aluminio. Sin embargo, la forma habilidad aumenta rápidamente con la temperatura y estos metales pueden ser deformados intensamente en a temperaturas entre 200 y 315º C. Las operaciones de conformado y enderezado generalmente se hacen a alta temperatura. temperatura. Cuando se calienta en aire, el magnesio se oxida rápidamente formando un óxido que inhibe el mojado y flujo del metal líquido durante el soldeo por fusión, soldeo fuerte o soldeo blando. Por este motivo, deben utilizarse durante la exposición a temperaturas temperaturas elevadas gases inertes o fundentes para evitar la oxidación. En condiciones normales de operación, la resistencia la corrosión de la mayoría de las aleaciones de aluminio en atmósferas no industriales es mejor que la del acero y igual a algunas aleaciones de aluminio. El ataque generalmente se limita a la formación de una capa gris de óxido en la superficie. Para obtener la mejor resistencia a la corrosión, pueden utilizarse tratamientos tratamientos superficiales químicos, acabados con pintura y recubrimientos. Cuando el magnesio está en contacto directo con otros metales en presencia de un electrolito puede producirse corrosión galvánica intensa. 1.1.2. 1.1.2. Propiedades f ísicas.

El magnesio tres con metal que se caracteriza por su extrema ligereza, Martín habilidad, soldabilidad y alta relación resistencia-peso en sus aleaciones. Tiene una densidad de alrededor de 1,6 gr/cm 3, lo que hace que a igualdad de volumen pese una cuarta parte que el acero o dos tercios del aluminio. El magnesio puro fundé a 649º C, aproximadamente la misma temperatura que el aluminio. Sin embargo, el magnesio hierve a 1107º C, lo cual es bajo comparado con otros metales estructurales. El coeficiente de expansión térmica para las aleaciones de aluminio a temperaturas entre 18 y 400º C es aproximadamente 27x106 por º C, lo cual es aproximadamente similar al aluminio y el doble que el acero. El aporte térmico requerido para la fusión del aluminio es relativamente bajo debido a su bajo calor latente de fusión y calor específico por unidad de volumen. A igualdad de volumen, el calor total de fusión es aproximadamente aproximadamente dos tercios del requerido por el aluminio y un quinto del acero. El alto coeficiente térmico de expansión tiende a causar fuertes distorsiones durante el soldeo. A este respecto, la sujeción requerida para la soldadura de magnesio es muy similar a la que se requiere para el aluminio.


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 1.1.3. 1.1.3. Propiedades mecánic as

El módulo de elasticidad del magnesio es aproximadamente 44.800 MPa, que es inferior al del aluminio (68.950 MPa) y al del acero (206.800 MPa). Esto supone que el magnesio presenta mayor desplazamiento que el aluminio y el acero bajo cargas similares. El límite elástico en compresión es inferior al que presenta en tracción. El motivo de esto es que es más fácil la deformación dentro del grano de magnesio bajo compresión. La aleación incrementa significativamente las propiedades mecánicas del magnesio. En comparación con el aluminio, el magnesio tiende baja ductilidad. El alargamiento en tracción varía del 2 al 15% a temperatura ambiente. Sin embargo, la ductilidad aumenta rápidamente temperaturas elevadas. El magnesio y sus aleaciones son muy sensibles a las entallas, especialmente en fatiga, debido a su baja ductilidad. Las propiedades mecánicas aumentan y la ductilidad desciende cuando bajan las temperaturas de ensayo.

1.2. Aleaciones de magnesio La mayoría de las aleaciones de magnesio son de tipo ternario. Pueden considerarse en cuatro grupos basado en el principal elemento de aleación: aluminio, cinc, torio, o tierras raras. También hay dos sistemas de aleaciones binarias empleando manganeso y circonio. Tabla 1. 1. Código de letras del s istema de designaci ón de aleaciones de magnesio.

1.2.1. Designación.

Las aleaciones de magnesio se designan por una combinación alfanumérica compuesta por cuatro partes. La primera parte indica los dos principales elementos de aleación por códigos de letras ordenadas en orden decreciente de porcentaje. Los códigos de las letras están en la tabla 1. La parte segunda indica los porcentajes de los dos principales elementos de aleación en el mismo orden que los códigos de letras. Los porcentajes se redondearan al número entero más próximo. La tercera parte es una letra asignada para distinguir las diferentes aleaciones con el mismo porcentaje de los dos elementos de aleación principales. La cuarta parte indica la condición de tratamiento térmico del producto. Consiste en una letra y un número similar a los que se utilizan para el aluminio como se muestra en la tabla 2. Como ejemplo, en la aleación AZ63A-T6, AZ indica que los dos principales elementos de aleación son aluminio y cinc. El 63 indica que la aleación contiene 6% nominal de aluminio y 3% de cinc. La letra A siguiente muestra que ésta fue la primera aleación normalizada de esta composición. La cuarta parte, T6, indica que el producto ha sido solubilizado y envejecido artificialmente. Las aleaciones de magnesio se producen en forma de piezas moldeadas, y productos forjados y laminados en forma de Chapa, banda y explosión. La mayoría de las aleaciones producidas en estas formas


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pueden soldarse. Las aleaciones de magnesio comerciales diseñadas para servicio temperatura ambiente o elevada están listadas en las tablas 3 y 4. Tabla 2. Designaci ón de estados de tr atamiento térmic o para aleaciones de magnesio.

Tabla 3. Aleaciones com erciales de magnesio p ara servicio a temperatura ambiente.


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1.2.2. Princ ipales elementos de aleació n.

En la mayoría de los sistemas de aleaciones de magnesio, los rangos de solidificación aumentan con el incremento de elemento de aleación. Esto contribuye a aumentar la tendencia al agrietamiento durante el soldeo. Al mismo tiempo, la temperatura de fusión y las conductividad es térmica y eléctrica desciende. Como consecuencia, se requiere menos aporte térmico para la he soldeo por fusión cuando aumenta el contenido de elementos de aleación. Tabla 4. Aleaciones com erciales de magnesio p ara servicio a temperatura elevada.

El aluminio y el cinc presentan solubilidad decreciente en estado sólido en el magnesio cuando baja la temperatura. Estos elementos forman compuestos con el magnesio. Por consiguiente, las aleaciones que contienen cantidades suficientes de estos elementos pueden endurecerse por tratamiento de precipitación. Otros elementos de aleación también tienen un comportamiento similar en los sistemas de aleaciones ternarias. Aluminio. Cuando se añade al magnesio, el aluminio da el conjunto más adecuado de propiedades de entre los elementos de aleación principales. Aumenta la resistencia y la dureza. Las aleaciones que contienen más de 6% de aluminio son tratables térmicamente. El contenido en aluminio de una aleación no tiene efectos adversos sobre la soldabilidad. Las soldaduras de aleaciones que contienen más de 1,5% de aluminio requieren un tratamiento térmico de alivio de tensiones post soldadura para evitar la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión. Berilio. La tendencia al quemado de las aleaciones de magnesio durante la fusión y el moldeo se reduce con adiciones de berilio de hasta 0,001%. El berilio se añade al metal de aporte de magnesio para reducir la oxidación y el peligro de ignición a temperaturas elevadas durante las operaciones de soldeo. Manganeso. Este elemento tiene poco efectos sobre la resistencia a la rotura, pero aumenta ligeramente el límite elástico. Su función más importante es mejorar la resistencia a la corrosión en agua salada de las aleaciones magnesio-aluminio y magnesio-aluminio-cinc. Las aleaciones magnesio-manganeso tienen relativamente alta temperatura de fusión y conductividad térmica. Por tanto, requieren un aporte térmico ligeramente superior en el soldeo que otras aleaciones. La eficiencia de junta en estas aleaciones es baja debido al crecimiento del grano en la zona afectada térmicamente. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Tierras raras. Las adiciones de tierras raras son beneficiosas para reducir la fisuración en la soldadura y la porosidad en piezas moldeadas debido a que estrechan el rango de solidificación de las aleaciones. Torio. Las adiciones de torio aumentan fuertemente la resistencia de las aleaciones de magnesio a temperaturas hasta 371° C. Las aleaciones más habituales contienen del 2 a 3% de torio en combinación con cinc, circonio o manganeso. El torio mejora la soldabilidad de las aleaciones que contienen cinc. Circonio. Este elemento es un potente afinador de grano en las aleaciones de magnesio. Se añade a las aleaciones que contienen cinc, torio, tierras raras o combinaciones de estos elementos. Se cree que el circonio mejora ligeramente la soldabilidad de las aleaciones magnesio-cinc aumentando la temperatura de solidus. 1.2.3. Tratamientos t érmicos .

Las aleaciones de magnesio son tratables térmicamente para mejorar sus propiedades mecánicas. El tipo de tratamiento térmico depende de la composición del aleación, la forma de producto y los requisitos de servicio. El tratamiento de solubilización mejora la resistencia mecánica, la tenacidad y la resistencia al impacto. Un tratamiento de precipitación a continuación del tratamiento de solubilización aumenta el límite elástico y la dureza, empeorando la tenacidad. Si se hace sólo el tratamiento de precipitación a componentes moldeados, se aumentan simultáneamente las propiedades mecánicas y se hace un alivio de tensiones. Las combinaciones de tratamientos térmicos de solubilización, endurecimiento por deformación y endurecimiento por precipitación frecuentemente se emplean en productos forjados. Las mejores propiedades mecánicas se suelen obtener con deformaciones intermedias en conjunto con tratamientos térmicos.


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 1.2.4. Soldabilidad.

La soldabilidad relativa de las aleaciones de magnesio en procesos de soldeo por arco con gas de protección y soldeo por resistencia se muestra en la tabla 5. Las piezas moldeadas generalmente no se sueldan por resistencia. La mejor soldabilidad la tienen las aleaciones magnesio-aluminio-cinc y las aleaciones que contienen tierras raras o Torio como principal elemento de aleación. Las aleaciones que tienen cinc como principal elemento de aleación son las más difíciles de soldar. Tienen un rango de temperaturas de fusión más amplio lo cual les hace más sensibles a la fisuración en caliente. Con un diseño adecuado de la junta y condiciones de soldeo idóneas, las deficiencias de junta varían entre el 60 y 100%, dependiendo de la aleación y el estado de tratamiento térmico. La mayoría de las aleaciones de forja pueden ser fácilmente soldadas por resistencia. Debido a los ciclos de soldeo cortos y las características de transferencia de calor, las zonas de fusión tienen grano fino y las zonas afectadas térmicamente experimentan sólo una ligera degradación por crecimiento de grano.

1.3. Limpieza superficial. Como en otros metales, la limpieza de los componentes de aleaciones de magnesio y los metales de aporte es importante para obtener uniones sanas de calidad aceptable. Cualquier contaminación superficial inhibirá el mojado y la fusión. Las aleaciones de magnesio se suministran con un recubrimiento de aceite, un decapado superficial, o un recubrimiento de conversión de cromo alto para proteger superficialmente durante el almacenamiento. Las superficies y bordes a unir deben limpiarse poco antes de la unión para eliminar la protección superficial así como la suciedad y óxidos presentes. El aceite, grasa y cera se eliminan lavando con disolventes orgánicos o desengrasando con un disolvente de hidrocarburos clorados. Se recomienda una limpieza en medio alcalino para asegurar que las superficies están completamente libres de aceite o grasa. El limpiador alcalino (cáustico) también eliminará lodos tratamientos superficiales químicos aplicados previamente. Los limpiadores de este t ipo que son adecuados para el acero generalmente también son satisfactorios para el magnesio. La limpieza puede realizarse por inmersión o por vía electrolítica. Después de la limpieza alcalina es necesaria una limpieza cuidadosa con agua, preferentemente en forma de rociado para evitar la degradación de los baños de productos químicos ácidos usados para tratar las piezas. Después de haber eliminado lodos recubrimientos orgánicos, la pieza está lista para la limpieza química o mecánica. Un decapado metálico producirá superficies limpias adecuadas para el soldeo. Para asegurar una limpieza superficial uniforme necesaria en muchas aplicaciones críticas se prefiere sin embargo una limpieza final mecánica. En éste caso se recomienda cepillos o lana de acero inoxidable. El cepillado mecánico no debe arañar la superficie. Para soldar por resistencia, es preferible la limpieza química para suministrar una superficie con baja resistencia eléctrica. Si se desea realizar una neutralización después de la limpieza química y previa al lavado, puede utilizarse una solución acuosa (50 gr/L) de metasilicato de sodio a 80° C. Después de limpieza, debe tenerse un cuidado especial para proteger los componentes de la contaminación durante todas las operaciones de manipulación posteriores. Las capas de óxido depositadas en la superficie de las soldaduras pueden eliminarse por cepillado o tratamiento químico con una solución acuosa (120 gr/L) de pirofosfato tetrasódico y metaborato sódico (90 gr/L) a 80° C.


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1.4. Soldeo por arc o. Para la soldadura de las aleaciones de magnesio se utilizaron comúnmente los procesos de soldeo TIG y MIG. Se requiere protección con gas inerte con éstos procesos para evitar la oxidación excesiva y que quede atrapado óxido en el metal depositado. Los procesos que usan recubrimiento de fundentes no proporcionan la protección contra la oxidación adecuada para el metal fundido y la zona adyacente de metal base. 1.4.1. Diseños de jun ta

Los diseños de unión para los procesos de soldeo por arco con gas de protección se muestran en la figura 1. Debido a la alta velocidad de reposición en el proceso MIG, debe utilizarse apertura de raíz o unión biselada para proporcionar ésta sí o al metal depositado. El aumento de la velocidad de avance para mantener un tamaño convencional del cordón no es aceptable debido a la aparición de mordeduras, falta de fusión o penetración incompleta.


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Figura 1. Diseños de jun ta típicos p ara el sol deo por arco de aleaciones de magnesio.


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Para ayudar a controlar la penetración, el contorno superficial en la pasada de raíz y limitar el aporte térmico, se puede emplear una chapa de respaldo. Para la chapa de respaldo se utiliza magnesio, aluminio, cobre, acero al carbono o acero inoxidable. Si se utiliza respaldo temporal, la zona de la raíz de la unión debe protegerse con gas inerte para evitar la oxidación de la superficie de la raíz. El gas se aplica a través de agujeros en la chapa de respaldo. En ocasiones, cuando no puede utilizarse la chapa de respaldo debido limitaciones de espacio, se aplica un fundente químico del tipo utilizado en soldadura a oxigás para qué la superficie de la pasada de raíz sea más lisa y controlar la penetración de la unión. Estos fundentes químicos deben eliminarse completamente después del soldeo para evitar problemas de corrosión. 1.4.2. Metales de aporte

La soldabilidad de la mayoría de las aleaciones de magnesio es buena cuando se emplea el metal de aporte adecuado. Un metal de aporte con un punto de fusión más bajo y un rango de solidificación más amplio que el metal base, dará buena soldabilidad minimizando la tendencia a la fisuración de la soldadura. La tabla 6 muestra los metales de aporte adecuados para diversas aleaciones de magnesio. Tabla 6. Metales de aporte recom endados para el soldeo po r arco d e aleaciones d e magnesio.

1.4.3. Precalentamiento

La necesidad de precalentar los elementos que se van a soldar, está determinada fundamentalmente por la forma de producto, espesor y grado de embridamiento de la unión. Las secciones gruesas generalmente no requieren precalentamiento salvo que la unión tenga un embridamiento severo. Las secciones delgadas y las altamente embridadas requieren precalentamiento para evitar la fisuración de la soldadura. Esto es especialmente importante en el caso de las aleaciones altas en cinc. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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La tabla 7 muestra las recomendaciones de rangos de temperatura de precalentamiento para aleaciones de magnesio de moldeo. La temperatura máxima de precalentamiento no debe exceder a la de tratamiento térmico de solubilización de la aleación. De otro modo, las propiedades mecánicas de la soldadura podrían alterarse significativamente. Tabla7. Tratamientos térmicos

recalentamientos recomendados ara el sondeo de aleaciones de ma nesio.


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El método de precalentamiento dependerá del tamaño de la pieza a soldar. Generalmente se prefiere el calentamiento del horno, pero puede que componentes de gran tamaño tengan que ser precalentados localmente. Las piezas auxiliares de sujeción para el soldeo también deben ser alentadas para mantener una temperatura entre pasadas aceptable. 1.4.4. Sol deo TIG

El soldeo TIG se utiliza para unir componentes de magnesio y reparar piezas fundidas de este material. Es especialmente adecuado para el soldeo de espesores delgados. El control del aporte térmico y del baño de metal fundido es mejor que cuando se realiza el soldeo MIG. Tipo de corriente. Las aleaciones de magnesio se sueltan por este proceso utilizando técnicas y equipos similares a los utilizados para el aluminio. Puede utilizarse para el soldeo la corriente alterna o la corriente continua. La corriente alterna se prefiere debido a la buena acción de limpieza del arco. Se utiliza corriente alterna convencional con estabilización de arco o corriente alterna con onda cuadrada. Con corriente alterna de onda cuadrada, los períodos positivos y negativos del electrodo son ajustables dentro de ciertos límites. Este tipo de corriente puede dar buena acción de limpieza y buena penetrabilidad en la unión junto con estabilidad del arco. La corriente continua con polaridad inversa da un arco con excelente acción de limpieza. Sin embargo, sólo puede utilizarse para soldar espesores bajos, debido a que la intensidad está limitada por el calentamiento del electrodo de volframio. Generalmente, no se utiliza para el soldeo de las aleaciones de magnesio la corriente continua con polaridad directa debido a la ausencia de acción de limpieza del arco. Sin embargo este tipo de corriente a veces se utiliza en soldeo mecanizado de uniones a topes sin preparación de bordes para espesores inferiores a 6,4 mm. En este caso se requiere limpieza cuidadosa y buen ajuste para realizar soldaduras sanas. Gases de protección. Puede utilizarse argón, helio y mezclas de estos gases. Los factores para la selección del gas de protección para aleaciones de magnesio son los mismos que para otros metales, y específicamente el aluminio. Electrodos. Para el soldeo de las aleaciones de magnesio pueden utilizarse electrodos de volframio puro, volframio con óxido de Torio y volframio con óxido de circonio. La selección depende principalmente del tipo de corriente y la intensidad utilizada para soldar. Los electrodos de volframio con óxido de Torio deben restringirse al uso con corriente continua. Condiciones de soldeo. La tabla 8 muestra las condiciones típicas para el soldeo mediante TIG manual de soldaduras a tope de aleaciones de magnesio.


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Tab la 8. Co nd ic io nes t í i cas ar a el s ol deo TIG m an ual d e a l eac io nes d e m a n es io .

Figura 2. Rangos de fusión para electrodos d e aleaciones de magnesio con argón como g as de protección.


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 1.4.5. Sol deo MIG.

Los principios fundamentales para el soldeo MIG de aleaciones de magnesio son los mismos que para otros metales. El soldeo puede realizarse mediante este proceso a velocidades que son de dos a tres veces superiores que los utilizables en el soldeo MIG. La mayor velocidad de soldeo reduce el aporte térmico que, por otra parte, resulta en menor distorsión y produce un ligero incremento en el límite elástico de la unión. Las altas velocidades de deposición de metal de aporte reducen el tiempo de soldadura y los costes de fabricación. Gases de pro tección. Para el soldeo MIG se utiliza gas de protección argón. En ocasiones se utilizan mezclas de argón y helio para ayudar al flujo de metal de aporte y alterar las características del arco para obtener una penetración superior. El helio puro es indeseable como protección debido a que eleva la intensidad requerida para establecer el arco-spray y aumenta las salpicaduras. Modos de transferencia. La figura 2 muestra las velocidades de fusión típicas para los tamaños estándar de alambre de aleación de magnesio utilizando corriente continua con polaridad inversa. Esta figura muestra la correlación entre la velocidad de alimentación del electrodo y la intensidad para cada diámetro. También muestra los rangos de operación para los tres tipos de transferencia de metal utilizados en MIG. Estos son el cortocircuito, el spray pulsado y la transferencia en arco-spray. La zona de operación spray pulsado está entre las zonas de arco-spray y cortocircuito. Sin pulsación, la intensidad de soldeo entre la zona de cortocircuito y spray produce una transferencia globular altamente inestable, que no es adecuada para el soldeo. Como la transferencia en cortocircuito, la transferencia en spray es sólo estable por encima de una rango determinado intensidad. La intensidad excesiva causa turbulencia en el arco, lo cual debe evitarse. Los voltajes aproximados del arco que corresponden con cada tipo de transferencia son 13 a 16 V para la transferencia en cortocircuito, 17 a 25 V para spray pulsado y 24 a 30 V para arco-spray. Condiciones de soldeo. La tabla 9 muestra las condiciones para el soldeo MIG de diversos espesores de aleaciones de magnesio. Esta puede ser utilizada como guía para el establecimiento de condiciones de soldeo para una aplicación específica. La transferencia en cortocircuito se utiliza para secciones delgadas, y la transferencia en arco-spray para secciones gruesas. La transferencia en spray pulsado se recomienda para espesores intermedios debido a que el aporte térmico es menor que en la transferencia continua en arco-spray. El diámetro recomendado de alambre para el soldeo de aleaciones de magnesio de diversos espesores se muestra en la tabla 10. Tanto con transferencia en spray como en spray pulsado, el coste menor de soldeo se consiguen con el alambre de mayor diámetro aplicables. Con la transferencia en cortocircuito, sólo se pueden utilizar uno o dos diámetro electrodo para producir soldaduras con buena fusión y penetración. 1.4.6. Ali vio d e tensiones.

Las elevadas tensiones residuales producidas por el soldeo o por conformado pueden producir agrietamiento por corrosión bajo tensión en aleaciones de magnesio que contengan más de 1,5% de aluminio. Los tratamientos térmicos se utilizan en estas aleaciones para reducir las tensiones residuales hasta niveles seguros para evitar este problema. Otras aleaciones de magnesio no parecen ser tan sensibles a este tipo de fisuración.


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La fisuración por corrosión bajo tensión en estructuras soldadas generalmente se produce en las zonas adyacentes al cordón de soldadura. Casi siempre se trata de una grieta transcristalina. El alivio de tensiones puede realizarse bien en torno o mediante soplete. Es preferible el tratamiento en horno. El tiempo y temperatura necesarios para realizar el alivio de tensiones de soldaduras de diversas aleaciones y formas de producto se muestra en la tabla 11. Cuando se utiliza el horno para realizar el tratamiento térmico, del utilizarse un dispositivo para sujetar la pieza soldadas durante el calentamiento y evitar de este modo la distorsión. La temperatura de grandes soldaduras debe monitorizarse con termopares para asegurarse que todas las zonas alcanzan la temperatura adecuada. En alivios de tensiones con soplete, deben utilizarse indicadores de temperatura para evitar sobrecalentamientos. Tabla 9. Condicion es típicas para el sol deo MIG de aleaciones de magnesio.

Tabla 10. Diámetros r ecomendados de electrod o para sold eo MIG de aleaciones d e magnesio.


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Tabla 11. Tratamientos térm icos de alivio de tensiones r ecomendados para aleacion es de magnesio.

1.4.7. Tratamiento térmico post-soldadura

Las piezas moldeadas deben tratarse tras la soldadura para obtener las características deseadas. El tratamiento térmico post-soldadura adecuado depende del estado de tratamiento térmico de la pieza antes de la soldadura y del estado de totalmente térmico deseado después de la soldadura como se muestra en la tabla 7. Debido al tamaño de grano fino y a la amplia dispersión de precipitados en la zona de soldadura, las piezas moldeadas aleadas con aluminio en las condiciones T4 o T6 pueden ser solubilizadas con calentamiento relativamente corto después de soldeo. Cuando la solubilización debe realizarse a temperatura superior a 400° C, deben utilizarse atmósfera protectora para evitar la oxidación y el quemado de la pieza soldada. Los tratamientos térmicos post-soldadura especificados para diversas aleaciones producirán las mejores propiedades de las piezas soldadas y también el alivio de tensiones para evitar la fisuración. Si no se requiere un tratamiento térmico de solubilización o para obtención de características mecánicas, las piezas aleadas con aluminio deben recibir tratamiento térmico de alivio de tensiones.

1.5. Soldeo por resistencia. Las chapas de aleaciones de magnesio y las piezas excluidas pueden soldarse por resistencia en espesores entre 0,5 y 3,3 mm. Las aleaciones recomendadas para soldeo por resistencia son M1A, AZ31B, AZ61A, HK31A, HM21A, HM31A y ZK60A. el soldeo por resistencia se utiliza para aplicaciones de bajas tensiones donde la vibración es baja o inexistente. Las aleaciones de magnesio se sueltan por resistencia con procedimientos similares a los usados para las aleaciones de aluminio. 1.5.1. Limpieza previa a l a sol dadura.

Es esencial una limpieza previa a la soldadura cuidadosa para la realización de soldaduras por resistencia de calidad y tamaño consistentes. Para obtener los niveles adecuados de calidad es necesario que la resistencia eléctrica superficial sea uniforme y de 50 mΩ o menor. Las piezas limpiadas químicamente mantendrán la calidad superficial durante aproximadamente 100 hrs. si se mantienen en un medio seco y limpio. Sin embargo, el tiempo entre limpieza y soldeo para aplicaciones críticas deben limitarse a 24 horas. Las superficies limpiadas mecánicamente desarrollan una resistencia progresivamente mayor después de ocho a diez horas. Para obtener los mejorar resultados, las piezas limpiadas químicamente deben soldarse antes de que transcurra ese tiempo. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 1.5.2. Equipos.

Debido a que las adhesiones de magnesio tienen relativamente altas conductividad es térmica y eléctrica, se requiere utilizar máquinas de soldadura por resistencia capaces de suministrar elevadas intensidades en tiempos cortos. Las máquinas de soldeo por resistencia diseñadas para aleaciones de aluminio son adecuadas para las aleaciones de magnesio. De forma similar al soldeo aluminio, se requiere un acercamiento rápido entre electrodos para mantener la presión de la soldadura cuando el metal se ablanda y deforma rápidamente. Por este motivo, deben utilizarse máquinas de soldeo de baja inercia. 1.5.3. Electrodo s.

Los electrodos para soldeo por resistencia de aleaciones de magnesio deben ser RWMA grupo a, clase 1 o Clase 2. Las caras de los electrodos deben mantenerse limpias y listas para minimizar la resistencia de contacto entre electrodo y la pieza adyacentes. La limpieza debe realizarse con una herramienta de limpieza de electrodos con el contorno de la cara cubierta con un paño de pulido fino con abrasivo de tamaño 280. La vida del electrodo entre limpiezas está limitada por la transferencia de cobre a la pieza adyacente. El número de soldaduras que puede producirse entre limpiezas depende de la aleación del electrodo y de la eficacia de la refrigeración, el método de limpieza del metal base, la composición del aleaciones magnesio y las condiciones de soldeo. La limpieza química proporciona una vida de electrodo superior de la limpieza con cepillado mecánico. 1.5.4. Diseño de la un ión.

El diseño de la unión para soldeo por resistencia de naciones de magnesio es muy similar al empleado para aleaciones de aluminio. 1.5.5. Parámetros de soldeo.

Los factores principales que deben considerarse cuando se desarrolla un conjunto de parámetros de soldeo son los siguientes: 1. Dimensiones, propiedades y características de las aleaciones a soldar. 2. Tipo de equipo de soldeo a emplear. 3. Diseño de la unión. Los parámetros de soldeo pueden establecerse para cualquier combinación particular de los anteriores aspectos. Las tablas 12 y 13 muestran juegos de parámetros típicos para soldeo por resistencia por puntos de aleaciones de magnesio con dos tipos de equipos. Los valores de intensidad de soldeo y de post calentamiento son aproximados.

1.6. Soldeo oxigás. El soldeo oxigás debe utilizarse únicamente para reparaciones de emergencia en campo, cuando no se disponga de equipos de soldeo por arco adecuados. Su utilización está restringida casi exclusivamente a soldaduras combis del por una carga donde el fundentes residual pueda eliminarse de forma efectiva. Las soldaduras de reparación deben considerarse sólo como temporales hasta que puedan reemplazarse por soldaduras con arco o pueda ponerse servicio una pieza nueva. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Tabla 13. Parámetros recomendados para el soldeo por resistencia de aleaciones de aluminio con máquinas de corriente alterna monofásicas.


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1.6.1. Gases com bust ibl es.

Los gases combustibles utilizados más comúnmente son el acetileno o mezclas de hidrógeno-metano (80%-20%). Este último las tres adecuado para el soldeo de chapas de hasta 1,6 mm de espesor debido a que su llama es relativamente blanda. Para el soldeo de espesores superiores, es preferible el acetileno, que presenta un mayor calor de combustión. La llama oxiacetilénica puede provocar pequeñas picaduras en la superficie de la soldadura, pero sin disminuir la resistencia del cordón. 1.6.2. Fundentes.

Deben utilizarse el fundentes específicamente recomendados para la soldadura oxigás de magnesio. Estos fundentes se preparan mezclando los con agua o alcohol hasta formar una pasta densa. Previamente a la aplicación del fundente recién mezclado, la zona debe limpiarse para eliminar cualquier suciedad, aceite, grasa, óxido o capa superficial de conversión. Una composición del fundente adecuada para el soldeo con diversos gases es una mezcla de 53% KCl, 29% CaCl2, 12% NaCl, y 6% NaF, en peso. Otra mezcla adecuada sólo para soldeo oxiacetilénico, es 45% KCl, 26% NaCl, 23% LiCl, y 6% NaF. Las sales de sodio en estos fundentes de soldeo dan una intensa llama de color amarillo. Los soldadores deben utilizar protección ocular adecuada y ventilación cuando se emplee en estos fundentes.

1.7. Soldeo fuerte. Las técnicas de soldeo fuerte para las aleaciones de magnesio son similar a las empleadas para las aleaciones de aluminio. Sin embargo, el soldeo fuerte de las aleaciones de magnesio no se utiliza con demasiada frecuencia. 1.7.1. Metal de apo rte.

Las especificaciones sólo recogen una aleación de magnesio como metal de aporte. Se trata del metal de aporte BMg-1, que tiene una composición nominal de 92% de magnesio, 9% de aluminio y 2% de zinc. Aunque es similar a la aleación AZ92A, el metal de aporte contiene una pequeña cantidad de berilio para evitar la oxidación excesiva cuando está fundido. La temperatura de soldeo para este metal de aporte está entre 600 y 625º C. Tres adecuado para soldeo fuerte sólo de las aleaciones de magnesio AZ10A, K1A y M1A. Estas aleaciones quedan recocidas cuando son expuestas a la t emperatura de soldeo. 1.7.2. Limpieza previa al sold eo.

Todas las piezas que vayan a recibir soldadura fuerte, deben limpiarse cuidadosamente y estar libres de rebabas. Ahí que eliminar mediante desengrase con disolventes en poco mediante vapor, toda la sociedad, aceite o grasa. Las películas superficiales, tales como cromatos u óxidos, deben eliminarse mediante limpieza mecánica o química. La lana de acero o el esmerilado tres adecuado para limpieza mecánica. 1.7.3. Fundentes.

Los fundentes utilizados para el soldeo fuerte de aleaciones de magnesio son base cloruro, similares a los utilizados para el soldeo oxigás. La composición y temperatura de fusión de dos fundentes para soldeo fuerte se indican en la tabla 14. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Tabla 14. Compos ició n y temperatura de fusión de fundentes para el soldeo fuerte de magnesio.

La completa eliminación tras la soldadura de todas las trazas de fundente es imprescindible para evitar la corrosión. Las piezas soldadas deben lavarse cuidadosamente en agua caliente renovada para eliminar el fundente de la superficie de la pieza.

1.8. Soldeo blando. Las aleaciones de magnesio pueden recibir soldeo blando sólo por los métodos de abrasión y ultrasonidos. Estos métodos pueden desalojar la capa de óxidos de la superficie a soldar. No ahí un fundente adecuado para eliminar esta película y permitir que el metal fundido llegue a mojar las superficies. Pueden utilizarse los métodos de calentamiento convencionales, incluyendo soldadores de calentamiento por resistencia y sopletes de gas. El soldeo blando no es recomendado si la unión debe resistir tensiones moderadamente fuertes. Las uniones de este tipo tienen baja resistencia y de utilidad. También son poco satisfactorias para servicio en presencia de un electrolito. La marcada diferencia en potencial electroquímico entre el magnesio y el material de aporte puede llevar a corrosión galvánica severa. En este caso, debe utilizarse un recubrimiento protector para proporcionar una vida en servicio adecuada. 1.8.1. Aporte.

Los materiales de aporte indicados en la tabla 15 son adecuados para el soldeo blando de magnesio. Los aportes que contiene plomo pueden utilizarse, pero se producirá corrosión galvánica severa en presencia de humedad. Los aportes con estaño-zinc tienen temperatura de fusión menor y mejores características de mojado que los de estaño-zinc-cadmio, pero pueden formar uniones con baja ductilidad. Los aportes altos en cadmio producen las uniones más resistentes y dúctiles. 1.8.2. Preparación s uperfic ial.

Las superficies de magnesio a unir deben desengrasarse con un disolvente adecuado y a continuación limpiarse mecánicamente inmediatamente antes del soldar. Para limpieza puede utilizarse un cepillo de acero inoxidable, lana de acero inoxidable o paño abrasivo de alúmina.


Tema 2.24 -20-


El revestimiento electrolítico sobre el magnesio ofrece una base excelente para el soldeo blando. Un revestimiento de zinc lado seguido de un recubrimiento de cobre de aproximadamente 5 mm de espesor, proporciona una superficie adecuada. El recubrimiento con estaño o plata también puede utilizarse para este fin. La soldadura blanda de las superficies recubiertas se realiza utilizando los procesos adecuados para el metal depositado.

Tabla 15. Materiales de aporte para el sold eo blando de aleaciones de magnesio.


Tema 2.24 -21-


2. TITANIO Y SUS ALEACIONES. 2.1. Introducción. El titanio presenta una gran afinidad química por el oxígeno con la consecuente formación de óxido de alta estabilidad. Así mismo presenta un rango de solubilidad alto con respecto al oxígeno, nitrógeno o hidrógeno, reduciendo este último la tenacidad y resiliencia del mismo. La capa de óxido superficial formada se caracteriza por su alta resistencia a la corrosión frente al ataque de sales y soluciones ácidas. El titanio puro se caracteriza por poseer dos formas alotrópicas diferentes: 1. Fase α hasta 892oC, de estructura cristalina hexagonal compacta. 2. Faseβ, por encima de 892 oC, con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo. El titanio comercial en estado recocido posee cargas de rotura que oscilan entre 24,5 Kg/mm 2 a 56 Kg/mm2 y límite elástico de 17,5 Kg/mm 2 a 49 Kg/mm2 con unos alargamientos entre el 15-25%, dependiendo del grado de pureza. 2.2.- Aleacion es de titanio Con objeto de incrementar las características del titanio puro, se utilizan diferentes elementos de aleación, que pueden ser estabilizadores de la fase α o de la fase β tal como indica la tabla 16. Tabla 16. Elementos de aleación del titanio Estabili zadores fase

Estabili zadores fase

Neutr os

Aluminio

Cromo Niobio Hierro

Oxígeno

ón Estañ

o io

Inserci ón

X X

Circon

Cobre

Sustituci

X X

Manganeso

X

Molibdeno

X

Níquel

X

Silicio

X

Tantalo

X

Volframio

X

Vanadio

X

Hidrógeno

X

Nitrógeno

X

Carbono

X

El carácter alfágeno o betágano de un elemento de aleación depende del grado de solubilidad de éste en la fase α o β. Los de carácter alfágeno tienden a extender el campo α, aumentando la temperatura de -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 2.24 -22-


transformación α →β, los de carácter betágeno tienden a reducir esta temperatura por debajo de la temperatura ambiente. Dependiendo de la composición de la aleación y del historial térmico, podemos obtener aleaciones de titanio con fase α, fase β o mixta α + β. La presencia de la fase β en la aleación de matriz con estructura α se caracteriza por: o

favorecer el afino de grano y por lo tanto elevar la resistencia,

o

favorecer la deformación en caliente,

o

favorecer la respuesta a los tratamientos térmicos,

o

elevar la resiliencia, salvo a bajas temperaturas,

o

reduce la soldabilidad y la resistencia al Creep en algunas aleaciones.

Los elementos interesticiales O, N, C, H, se hayan presentes en el titanio no aleado como impurezas, siendo estos los responsables de las variaciones de propiedades entre distintos grados comerciales de titanio no aleado. El nitrógeno es el endurecedor más efectivo, seguido del oxígeno y el carbono. El hidrógeno para una baja solubilidad en la fase α a temperatura ambiente, produciéndose un incremento de la misma a 301oC, si a partir de esta temperatura (o superiores) el agrietamiento hasta temperatura ambiente es lento el hidrógeno precipita formando hidruros, en forma de láminas que atraviesan los granos de solución sólida α y se deposita asimismo en los bordes de grano conduciendo a una disminución de la resiliencia. Si el enfriamiento es rápido la precipitación de hidruros se produce en forma de pequeñas partículas, produciéndose posteriormente a temperatura ambiente un proceso de envejecimiento conducente nuevamente a una disminución de la resiliencia. La presencia de fase β disuelve favorablemente el hidrógeno evitando la formación de hidruros. El mejor equilibrio entre propiedades de resistencia, resiliencia, ductilidad y resistencia al creep se alcanza mediante la aleación con elementos de sustitución, que compite con la aleación con elementos de inserción por su menor coste. 2.2.1. Clasificación de las aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio se clasifican en función de la microestructura que presentan en estado de recocido en: •

Titanio puro (en grados comerciales)

•

Aleaciones α

•

Aleaciones β

•

Aleaciones α + β

En la tabla 17 se recogen los diferentes tipos de aleaciones de titanio y la influencia alfágena o Belógena de diferentes elementos de aleación.


Tema 2.24 -23-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Tabla 17. Aleaciones de titanio Elementos

Elementos

-estabilizantes

Elementos -estabilizantes

Neutros

-isomorfos

-eutectoide

Aluminio

Circonio

Molibdeno

Cobre

Oxígeno

Estaño

Volframio

Manganeso

Galio

Silicio

Vanadio

Cromo

Carbono

Tántalo

Hierro

Nitrógeno

Niobio

Níquel Cobalto Hidrógeno

Amentar elementos α estabilizantes Amentar elementos β estabilizantes TIPOS DE ALEACIONES Casi-

Super-

Mezcla

+

Casi

Ti-Cp

Ti

Ti

Ti

Ti

Ti

Ti

Ti

Ti

-

8Al

2,2Al

6Al

6Al

4,5

8Mn

11V

8V

Ti

1Mo

11Sn

4V

6V Al

-

11Zr

6Cr

0,2Pd

1V

5Zr

Ti

2Al

4Mo

10V

2Sn

3Al

-

1Mo

Ti

0,2Si

5M

2S o

n

.5C r

0,8Ni

-

-

-

0,3Mo

Ti

Ti

Ti

-

-

6Al

6Al

11

Ti

Ti

4Sn

2Sn

5Al

4Zr

4Zr

2,5Sn

1Nb

2Mo

Sn

-

4Al 4M

o

Ti

4M

6Al

o 2,2

Al 0,2

4Zr

2Fe

-

-

-

Ti

Ti

Ti

8Mo

15V

11,5Mo

8V

3Cr

6Zr

2Fe

3Al

4,5Sn

3Al

3Sn

n

n

Si

2S

4S

3Al

4Zr

0,5 Si

6M o

Aleaciones Con microestructura de fase α en su totalidad en la mayor parte. Estas aleaciones presentan una buena resistencia a la fluencia en caliente a temperaturas moderadamente altas. No se aplican tratamientos térmicos a estas aleaciones. Ejemplo:

Ti - 0,2 Pd y Ti - 0,8 Ni - 0,3 Mo


Tema 2.24 -24-


Aleaciones

+

Presentan una estructura mixta α + β, pudiéndose incrementar las propiedades mecánicas de estos mediante tratamientos térmicos de envejecimiento o maduración. Ejemplo:

Ti - 6Al - 4V

Aleaciones Presentan altos contenidos en estabilizantes de la fase β, pero la microestructura resultante no es completamente monofásica. Pueden incrementarse las propiedades mecánicas de estos mediante tratamiento térmico de maduración con bajas temperaturas y altos tiempos. Presentan buenas propiedades frente a la conformación por deformación plástica, aun cuando su resiliencia sea baja. La tabla 18 muestra las composiciones químicas de las principales aleaciones de titanio.


Tema 2.24 -25-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 2.2.2. Tratamientos t érmico s de las aleaciones de tit anio. Tabla 18. Composición química de aleaciones de titanio comerciales.

Los tratamientos normalmente aplicados a las aleaciones de titanio son los siguientes: •

Recocidos

•

Solubilidad y precipitación

•

Alivio de tensiones

Recocidos. Las aleaciones de titanio se someten a tratamiento térmico de recocido con objeto de conseguir mayor ductilidad, resiliencia, resistencia al creep y mayor estabilidad térmica y dimensional. En la tabla 19 se exponen las condiciones más usadas para llevar a término el tratamiento térmico de recocido y alivio de tensiones.


Tema 2.24 -26-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Tabla 19. Tratamientos térmicos de recocido y alivio de tensiones para aleaciones de titanio RECOCIDO Temperatura o C

Aleacion es

RELAJACIÓN DE TENSIONES Tiempo, h

Medio de

Temperatura o C

Tiempo, h

enfriamiento Comercialización en grado puro

654 - 766

0,1 - 2

Aire

486 - 598

0,5 - 1

Ti-5Al-1Mo-5Sn

724 - 850

0,2 - 4

Aire

542 - 654

1-4

Ti-8Al-1Mo-1V

794b

1-8

Horno

584 - 612

2

794

0,25

Aire

Ti-5Al-5Sn-2Mo-2Zr

654 - 794

0,5 - 2

Aire

598

2-8

Ti-6Al-2Cb-1Ta-0,8Mo

794 - 906

1-4

Aire

598 - 654

0,25 - 2

906

0,5 - 1

Aire

486 - 654

1-4

906

0,25

Aire

Ti-3Al-2,5V

654 - 766

0,5 - 2

Aire

542 - 598

0,5 - 2

Ti-6Al-4V

710 - 794

1-4

Aire u Horno

542 - 598

2-4

Ti-7Al-4Mo

710 - 794

1-8

Aire

486 - 710

0,5 - 8

Ti-6Al-6V-2Sn

710 - 822

1-4

Aire u Horno

486 - 654

1-4

Ti-6Al-6Mo-4Zr-2Sn

710 - 738

2

Aire

598 - 710

0,25 - 4

Ti-8Mn

654 - 766

0,5 - 1

486 - 598

0,25 - 2

Ti-10V-2Fe-3Al

7-94 - 822

0,1 - 0,25

Aire

682 - 710

0,5 - 2

Ti-13V-11Cr-3Al

710 - 794

0,2 - 1

Aire o agua

486 - 542

0,5 - 60

Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn

710 - 766

0,2 - 1

Aire o agua

724 - 738

0,1 - 0,25

Ti-8Mo-8V-3Al-2Fe

780 - 794

0,1 - 0,25

Aire o agua

514 - 598

1-4

Aleacion es

Ti-6Al-4Zr-2Mo-2Sn Aleacion es

b

+

Horno a 542º C, con Aire

Aleacion es

Envejecimiento y precipitación. Las aleaciones de titanio β o α+β pueden elevar su resistencia mecánica mediante la aplicación de un tratamiento térmico de maduración o envejecimiento. El tratamiento térmico consiste en una primera etapa de solubilidad a alta temperatura, hasta situar a la aleación en el campo α+β, seguido de un temple en aire, agua u horno. Durante el enfriamiento, la fase β podrá o no transformarse en fase α, dependiendo este hecho de la velocidad de enfriamiento, la temperatura de envejecimiento, la composición y la sección. Tras el temple, se somete a la aleación a un tratamiento de maduración en el rango de temperaturas 486 - 654º C. Durante la fase de maduración, finas partículas de fase α precipitan en la fase β retenida o ya transformada. El tratamiento térmico de precipitación incrementa las propiedades de resistencia mecánica en un 30 o 50 % con respecto a las que poseen en estado recocido.


Tema 2.24 -27-


Relajación de tensiones. Tratamiento que tiene por objeto reducir la tendencia al agrietamiento, al agrietamiento por corrosión bajo tensión y a mantener las dimensiones deseadas. Hay que tener presente que dicho tratamiento aplicado a aleaciones tratables por maduración, modificará la microestructura de la ZAT pudiendo producir importantes perdidas de ductilidad en las aleaciones α+β y β, puesto que dichos tratamientos producen envejecimientos no controlados en la ZAT. (Ver la tabla 19). 2.3.- Soldabilidad del titanio y sus aleaciones Metales de aporte

La composición del metal de aporte tiene que ser esencialmente igual a la de la aleación que estamos soldando. Los principales metales de aporte utilizados en el soldeo del titanio están recogidos en la tabla 20. Tabla 20. Compos ició n químic a de electrod os y varill as para el sol deo de titanio.

Cuando la ductilidad de la soldadura prevalece del sobre las propiedades de resistencia, el soldeo e las aleaciones de titanio debe realizarse con titanio puro como metal de aporte. Para aplicaciones criogénicas, se deben utilizar aportes con bajos contenidos en C, H, N, O, ya que estos reducen especialmente la resiliencia en las aleaciones de titanio. Dada la alta relación superficie/volumen para los consumibles (varillas, hilo) utilizadas en el soldeo del titanio y sus aleaciones, es indispensable garantizar la limpieza de los mismos, ya que pequeñas contaminaciones pueden conducir a importantes defecto. 2.3.1. Efectos metalúrgicos de la soldadura en las aleaciones de titanio

Del análisis microestructural de una sección transversal, perteneciente a una soldadura de una aleación de titanio, se deduce la existencia de granos de fase β adyacentes al baño de fusión, así como la presencia


Tema 2.24 -28-


de cristales de fase β, mixtos α + β o granos con estructura α, en la ZAT alejada del cordón de soldadura, dependiendo el caso de la composición química de la aleación. Conforme progresa la solidificación del baño de fusión, los cristales β formados crecen en la dirección marcada por el gradiente de temperaturas. Los principales cambios metalúrgicos: se localizan en el cordón de soldadura y en la ZAT adyacente al baño de fusión. En el titanio puro de grado comercial, en las aleaciones α y α + β los granos de fase β formados a alta temperatura (los adyacentes al cordón e interiores) se transforman en fase α o mixta α + β con una microestructura que va desde formas aciculares y aserradas para el titanio puro y aleaciones α hasta las aciculares-Widmanstätten para los α + β. En el caso de las aleaciones β, los cristales β permanecen estables sin sufrir cambios durante el ciclo térmico de la soldadura (pequeñas precipitaciones de fase α puede ser detectadas en los bordes de grano β). Aquellas zonas de metal base que no alcancen durante el ciclo térmico de la soldadura los 570º C, no sufrirán por lo general transformaciones metalúrgicas importantes. Aquellas zonas pertenecientes a uniones soldadas de titanio puro o aleaciones alfa, donde se alcancen temperaturas comprendidas entre 577º C y la temperatura de transición α → β, no sufrirán más que un efecto de recocido y alivio de tensiones. Las propiedades mecánicas y metalúrgicas en la ZAT adyacente al cordón para el titanio puro, aleaciones α y α + β son similares a los obtenidos en la zona del metal de soldadura de composición similar. En las aleaciones β se distingue un amplio margen de propiedades a lo largo de la ZAT, y que dependerá básicamente del procedimiento de soldeo y de los tratamientos recibidos por la aleación, antes y después del soldeo. La soldabilidad de las aleaciones de titanio ricas en fase α no se ve afectada ni por los tratamientos térmicos previos al soldeo, ni por las posteriores al mismo, mientras que para las aleaciones ricas en fase β, es esencial elegir adecuadamente el tratamiento previo y posterior para alcanzar las propiedades deseadas en toda la unión. La resiliencia del titanio puro comercial, endurecido con oxígeno, se ve reducida tras la absorción de hidrógeno en grandes cantidades, debido a la formación de láminas frágiles de hidruro de titanio. En estos casos la presencia de Fe u otros β-estabilizadores, resuelve el problema, al favorecer la formación de fase β que ofrece una alta solubilidad al H. La acción del hidrógeno sobre aleaciones que contienen elementos estabilizadores de fase α y β es menos severa, y normalmente no se ven afectadas dentro de las composiciones comerciales habituales. 2.3.2.- Aplicaciones del soldeo del titanio y sus aleaciones

El titanio puro comercial y la mayoría de sus aleaciones pueden soldarse utilizando los procedimientos y equipo utilizado para el soldeo del acero inoxidable austenítico o aleaciones base níquel. Las aleaciones de titanio se clasifican según la posibilidad de obtener soldaduras con buenas características de resiliencia y ductilidad tal y como muestra la tabla 21.


Tema 2.24 -29-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Tabla 21. Sold abilid ad de las aleacio nes de titani o.

ALEACIONES Titanio puro comercial

SOLDABILIDADa A

Aleaciones alfa Ti-0.2 Pd

A

Ti-5 Al-2.5Sn

B

Ti-5Al-2.5Sn ELI

A

Aleaciones próximas a alfa Ti-8Al-1Mo-1V

A

Ti-6Al-2Cb-1Ta-0,8Mo

A

Ti-6Al-4Zr-2Mo-2Sn

B

Aleaciones alfa-beta Ti-6Al-4V

B

Ti-6Al-4V ELI

A

Ti-7Al-4Mo

C

Ti-6Al-6V-2Sn

C

Ti-8Mn

D

Aleaciones beta Ti-13V-11Cr-3Al

B

A- excelente B- muy bueno C- limitado a aplicaciones especiales D- Soldeo no recomendado Un punto importante a la hora de considerar la soldabilidad de una aleación de titanio es el valor de resistencia a la fisuración durante la soldadura relacionada con el grado de deformaciones impuestos durante la fabricación, la resiliencia y carga de rotura de la aleación. Así aleaciones con carga de rotura mayores de 70 Kg/mm 2 y valores de resiliencia (Charpy-V) menores de 20,4 Jullios pueden presentar agrietamientos bajo condiciones adversas. La tendencia a la formación de grietas durante el soldeo, para aleaciones de alta resistencia y baja resiliencia puede verse reducida mediante la aplicación de un precalentamiento de 150º C - 178º C y posterior tratamiento de alivio de tensiones. En la tabla 22 se detallan las ventajas y desventajas de uso de diferentes aleaciones de titanio, en conjuntos soldados.


Tema 2.24 -30-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN Tabla 22. Ventajas e incon venientes en el sold eo de las aleacio nes de titani o.

Aleación/Metal Ti puro

Ventajas

Desventajas

Soluciones

Buena soldabilidad, Contenidos Fe>0,05% Utilizar consumibles bajo conformabilidad, resistencia produce corrosión en Fe, evitar todo tipo de a la corrosión preferencial en soluciones contaminación. de ácido nítrico. Se generan poros galvánicos entre los granos β + α.

Aleaciones α

Buena soldabilidad, Contaminación con Fe Se suelda en estado ductilidad, no afectados por causa perdida de recocido para evitar la las operaciones de soldeo. propiedades anti-corrosión. pérdida del endurecimiento por deformación. Buena resistencia a la corrosión en ambientes reductores.

Aleaciones con Buena resistencia a la Problemas de Se debe aliviar tensiones agrietamiento en secciones tras el soldeo. fase α en mayoría fluencia en caliente. grandes. Aleaciones con Mejora de las Altamente afectadas por mecánicas el ciclo térmico de fase β en mayoría propiedades mediante aplicación de soldadura. tratamientos térmicos de Baja ductilidad asociada envejecimiento. a transformaciones en la ZAT o metal de soldadura tendencia al agrietamiento de las aleaciones con altos contenidos en βestabilizados. Aleaciones β

Soldar con aportes α o α + β, para reducir fase β en cordón, esto eleva la ductilidad de la soldadura. Tratamiento de alivio de tensiones posterior al soldeo combinado con precalentamiento de 150º 175º C

Baja resistencia en Debe soldarse en estado La mayoría soldables, tanto en condición de estado bruto de soldeo. de recocido. recocido como de Someter a la soldura a un tratamiento térmico. martillado y posteriormente Buena ductilidad. al conjunto a un tratamiento de envejecimiento y envejecimiento.

El titanio puede unirse por soldeo con éxito a otros metales como: zirconio, niobio, tantalo y hafmio, no así con metales estructurales con los que forma compuestos intermetálicos frágiles (Fe, Ni, Cu y Al). No obstante pueden utilizarse procesos de soldeo de baja dilución para unir el titanio a estos otros materiales, como son el soldeo con explosivos, por difusión, por fricción, por ejemplo. En muchos de los casos es necesario llevar a cabo un alivio de tensiones sobre las soldaduras ejecutadas, la referencia de los mismos queda recogida en la tabla 19. Especial cuidado se debe prestar en -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 2.24 -31-


aquellas aleaciones tratables térmicamente, pues pueden sufrir envejecimiento durante la aplicación del tratamiento. 2.3.3. Protección durante el soldeo del titanio y sus aleaciones

Debido a la alta afinidad frente a la absorción de O, N, H, causantes todos ellos de fragilización, se hace necesario proteger todas aquellas zonas que durante el soldeo o tratamientos previos o posteriores, superan la temperatura de 262º C. Los medios de protección varían según los casos, pudiendo ser cámaras de vacío (10-4 torr o menos) o atmósferas de gases inertes. Dispositivos especiales deben utilizarse en el soldeo sin cámara, para asegurar que el cordón de soldadura no entra en contacto con el aire hasta que se haya enfriado por debajo de 430º C. 2.3.4. Poros idad en l a sold adura

La porosidad tiene su origen en la formación de burbujas de gas durante la solidificación del baño de fusión, y tanto el proceso como el procedimiento utilizado tiene influencia directa en este problema. Entre las diferentes fuentes de hidrógeno podemos citar: el material base (este debe limitar su contenido en hidrógeno a 150 ppm), el material de aporte que contenga más de 150 ppm de H 2 o está impregnado de grasa o aceite, la humedad (se evita precalentando a 122º C), pero la principal fuente de porosidad en las soldaduras del titanio y sus aleaciones, es la falta de limpieza de la unión y sus alrededores. Otros factores como la velocidad de enfriamiento (relacionada con el aporte térmico utilizado) influyen en la aparición de poros. Así velocidades de enfriamiento lentos facilitan la evacuación de los gases. Soldaduras caracterizadas por aportes térmicos bajos suelen presentar porosidad. 2.4. Procesos de soldeo utilizados en el soldeo de titanio y sus aleaciones Los procesos que utilizan gas de protección, son ampliamente utilizados en el soldeo del titanio y sus aleaciones. El soldeo con MIG, TIG o plasma puede efectuarse con o sin cámara cerrada. Si el soldeo se realiza sin cámara, es necesario que tanto el baño de fusión como zonas adyacentes, la raíz de la soldadura y el cordón que se está enfriando, sean protegidos adecuadamente por gas inerte. El baño de fusión y zonas adyacentes están protegidos por el flujo de gas que proviene de la pistola. El rango de toberas que debe utilizarse para asegurar una protección adecuada es: 12,7 mm a 19 mm de diámetro, eligiendo siempre más grande que garantice una accesibilidad y visibilidad adecuada, conviene así mismo utilizar “lentes de gas” para producir un flujo de gas laminar que evite la formación de turbulencias, y de esta forma la incorporación de aire a la soldadura. Debido a la baja ductilidad térmica del titanio y sus aleaciones, se hace necesario proteger el cordón de soldadura, hasta que alcance temperaturas por debajo de las cuales no sufra una oxidación severa, ni posible absorción de H 2 o N2. El método más utilizado es la utilización de “cajas remolque” cuya longitud debe ser proporcional al aporte térmico y velocidad de soldeo (ver figura 3). El uso de estos “remolques” es más propio del soldeo automático o mecanizado, para el soldeo manual es preferible la utilización de toberas más grandes o toberas auxiliares concéntricas con la de la pistola.


Tema 2.24 -32-


Figura 3. Diseño de boquill a para el soldeo por arco de titanio y otr os metales reactivo s.

Con objeto de proteger la raíz de la soldadura se utilizan “barras” o “cajas” de respaldo. Estas cajas normalmente de cobre (aunque podrían ser de acero inoxidable, si no se requiere altas velocidades de enfriamiento), están dotadas de una ranura, que se sitúa bajo la unión, taladrada a su vez por múltiples orificios por donde fluye el gas protector (la medida de las ranuras dependerá del espesor del material), ver figura 4.

Figura 4. Sistema de gas de protección secund ario incor porado en el dispositi vo de sujeción.

Las cajas de respaldo pueden ir refrigeradas por agua, y además de la función de protección de éstas, favorecen un enfriamiento rápido de la unión. Es preciso controlar que la presión del gas de respaldo no sea excesiva ya que daría lugar a raíces cóncavas. Para el soldeo de tubería, previo al mismo es necesario purgar el interior del tubo con gas inerte para eliminar la presencia de aire en la raíz. El volumen de gas requerido para realizar la purga es de 6 veces (al menos) el volumen del espacio que se va a purgar. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 2.24 -33-


Para obtener mayores grados de protección el soldeo del titanio se lleva a cabo en el interior de cámaras cerradas. Estas cámaras pueden ser de dos tipos: aquellas que se purga con gas inerte y las que eliminan el aire estableciendo un primer momento el vacío y posterior llenado con gas inerte. Tanto en uno como en otro caso se mantiene una presión positiva en el interior de la cámara para evitar la entrada de aire. En el caso de cámaras de purga el volumen de gas de purga será de 5 a 10 veces el volumen de la cámara. El vacío mínimo a obtener en la cámara de vacío para soldeo de titanio será de 10 -4 torr. 2.4.1. Diseño de las un iones

El diseño de las uniones es similar a las utilizadas para los aceros y dependerá de factores como el tipo de proceso, accesibilidad, técnica y grado de inspección requerido. En la tabla 23 se recogen los valores aconsejados en la preparación de uniones para este material: El precalentamiento y temperaturas entre pasadas no debe superar los 122º C, ya que superada tal temperatura existe el claro riesgo de formación de una capa de óxido de titanio. 2.4.2. Procesos de soldeo con gas protector

2.4.2.1. TIG Este proceso es el más comúnmente utilizado hasta espesores de 3,2 mm. La posición recomendada es la plana (PA), otras posiciones requiere de utillajes especiales para la protección del cordón de soldadura. El electrodo recomendado es del tipo volframio aleado con óxido de torio al 2%, utilizando corriente continua polaridad directa. El cebado del arco eléctrico debe realizarse con alta frecuencia y no por raspado. En la tabla 24 se indican los parámetros recomendados para el soldeo mecanizado del titanio. 2.4.2.2. MIG Más económico que el TIG por su alta tasa de deposición, requiere especiales cuidados en la protección de la transferencia de las pequeñas gotas de material, ya que debido a su pequeño tamaño y alta temperatura son muy susceptibles a la contaminación. El equipo utilizando es el convencional. Normalmente este proceso se utiliza para el soldeo fuera de cámara, con los dispositivos de protección “remolques” adecuados. Estos serán más grandes que los utilizados con el TIG debido a la menor velocidad de enfriamiento de los cordones con este proceso.


Tema 2.24 -34-


Tabla 23. Dimensiones de la preparación de bordes para el soldeo por arco de aleaciones de titanio.

Tabla 24. Condici ones típicas p ara el soldeo TIG de aleacion es de titanio.

Especial importancia tiene la limpieza el hilo, que a de estar libre de aceite, grasa u otras impurezas. El titanio y sus aleaciones puede soldarse con los tres tipos de transferencia: cortocircuito, globular y spray. No obstante la transferencia globular no es aconsejable debido al alto grado de salpicaduras y la posibilidad de falta de fusión. La transferencia cortocircuito se utiliza para el soldeo de espesores pequeños en todas las posiciones. La transferencia spray esta aconsejada para el soldeo en plano y cornisa de grandes espesores. Con el MIG pulsado se puede soldar pequeños y grandes espesores en todas las posiciones. En la tabla 25 se recogen los parámetros normalmente utilizados en el soldeo del titanio y sus aleaciones, por este proceso. Para el soldeo por transferencia en cortocircuito se recomienda utilizar chaflanes de 90º.


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Tabla 25. Condic iones típi cas para el soldeo MIG de chapas de aleaciones de titanio.

2.4.2.3. Plasma El soldeo es similar en cuanto a las precauciones a tomar que con el TIG. Se utiliza corriente continua polaridad directa, con gas plasmágeno argón y gas de protección argón o mezcla argón más helio. Puede utilizarse la técnica de fusión o del “Key Hole”. Se pueden realizar soldaduras en espesores 1,6 - 13 mm sin chaflán, con plasma y en modo “key-hole”, sin que se produzca la aparición de poros. Especiales ventajas presenta el utilizar preparaciones de bordes en “U” con talones de 6 mm con la pasada de raíz en modo “key-hole” y el resto con técnica de fusión. En la tabla 26 se muestran los parámetros más usados en el soldeo plasma con preparación sin bisel. 2.4.2.4. Soldeo por haz de electron es Los parámetros a tener en cuenta en el soldeo del titanio con haz de electrones son el voltaje, la intensidad, el diámetro del haz y la velocidad de soldeo. Para el soldeo del titanio suele utilizarse equipos de alto vacío. En la tabla 27 se presentan los parámetros normalmente utilizados en el soldeo con haz de electrones del titanio.


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Tabla 27. Condici ones típic as para el sol deo por haz de electrones de aleaciones de titanio.

Tabla 26. Condiciones típic as para el soldeo por plasma de juntas rectas en aleaciones de tit anio.


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2.4.2.5. Láser Los equipos láser normalmente utilizados son los que Nd-YAG o CO 2 operando en modo continuo. El láser es menos susceptible que el haz de electrones a la disposición que produce la atmósfera en el soldeo fuera de cámara. Con objeto de garantizar la adecuada protección de la soldadura y evitar la interferencia que el vapor metálico produce en el haz, se utiliza helio o mezclas de argón-helio, con flujo coaxial con el haz. Se pueden alcanzar soldaduras de hasta 15,24 mm de espesor con un láser 15 Kw de potencia, en modo “key-hole” y en una sola pasada 2.4.2.6. Soldeo por difus ión Presenta ventajas frente al soldeo por fusión como: menor contaminación atmosférica, baja distorsión y conserva la resistencia a la corrosión del metal base. Las uniones se efectúan a temperaturas inferiores a las que la aleación puede sufrir alguna transformación. Requiere una preparación de la unión muy cuidada. En soldeo por difusión de titanio puro se alcanza un Área de contacto 96% con: •

tiempo 10 minutos

•

temperatura 878º C

•

en cámara de vacío

•

presión 0,7 Kg/mm2

La temperatura es el parámetro que más influye en la calidad final de la soldadura. Para aleaciones β y α + β el rango de temperatura se sitúan 24º C - 38º C por debajo de la temperatura de transformación. El rango de presiones recomendadas cuando es necesario conservar dimensiones es: 0,21 - 0,35 Kg/mm2. El tiempo mínimo requerido oscila entre 30 - 60 minutos, siendo lo normal de 2 a 4 horas. La preparación de los bordes puede lograrse con mecanizado a fresa y posterior limpieza con HNO 3 - HF. 2.4.2.7. Soldeo por fricc ión Los parámetros adecuados para el soldeo por fricción de las aleaciones de titanio son: •

1 - 4 segundos de contacto.

•

Velocidades tangenciales de: 1000 - 200 ft/min


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN •

Presión de = 5,6 Kg/mm2 - 10,5 Kg/mm2

Se utilizan mayores velocidades y menores presiones que para los aceros aleados y aleaciones base níquel. 2.4.2.8. Soldeo por resi stenci a eléctrica Con objeto de dar la adecuada resistencia mecánica al punto de soldadura, que por otro lado se venía afectada por la presencia de óxidos en la superficie de contacto de las piezas a unir, es necesario proceder a la limpieza del punto de contacto bien por medios mecánicos o químicos. La limpieza mecánica se realiza por cepillado, con cepillo de inoxidable alcanzado así una resistencia de contacto de 100 µΩ. La limpieza química se efectúa por decapado con solución HF-HNO 3 alcanzando una resistencia de contacto de 50 µΩ. Los electrodos recomendados son del tipo RWMA 2 de aleación de cobre. No es preciso proteger la soldadura con gas inerte salvo, que se realicen costuras, en cuyo caso será necesario proteger ambas caras con remolques como los usados en la soldadura por arco. Dada su baja conductividad térmica, presenta una buena soldabilidad por resistencia eléctrica, siendo menos propenso a variaciones en la geometría del electrodo y presión que el aluminio. El parecido entre las propiedades de conductividad térmica y eléctrica con los aceros inoxidables, hace que los parámetros utilizados para estos últimos sean aplicables al caso del titanio. 2.4.2.9. Soldeo fuerte Se considera que el titanio puro y aleaciones α no se ven afectadas por el ciclo térmico del soldeo fuerte, así ocurre también con las aleaciones β en estado de recocido. Si estos últimos tienen que sufrir tratamiento térmico la solución es soldarlos a la temperatura de tratamiento de envejecimiento, esto ocasiona mejores valores de resiliencia. Para el soldeo fuerte de aleaciones α + β puede optarse por las alternativas siguientes: 

Primero recocer y luego soldar por debajo de la temperatura de recocido.



Soldar por encima de la temperatura de recocido e incorporar el enfriamiento o recocido.



Soldar por encima de la temperatura de recocido y luego recocer.

Dada la alta afinidad del titanio a formar aleaciones con los aportes del soldeo fuertes, es necesario realizar una selección adecuada del mismo, para evitar la formación de compuestos intermetálicos frágiles, mordeduras y uniones de baja ductilidad. Dos son las precauciones a tomar en el soldeo fuerte de las aleaciones de titanio:


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1) Seleccionar un material de aporte que se alea solo ligeramente con el titanio y no produzca compuestos intermetálicos. 2) Seleccionar un ciclo de soldeo fuerte que minimice el tiempo de solidificación del aporte. Algunas aleaciones de titanio sufren fragilización en contacto con metales líquidos como aleaciones de plata, mercurio y cadmio. Esto es debido a que tales aleaciones penetran en borde de grano de la aleación de titanio y forman fases frágiles. Los procesos utilizados para el soldeo fuerte del titanio son: •

Soldeo por inducción: El aconsejado cuando exista la posibilidad de formación de compuestos intermetálicos frágiles.

•

Soldeo en horno: El metal de aporte no debe dar problemas de fragilización.

•

Soldeo con soplete: Utilización de soplete oxiacetilénico con fluxes especiales. Se utilizan llamas reductoras.

Entre estos consumibles utilizados se encuentran: •

95Ag - 5Al y 92,5Ag - 7,5Cu insta temperaturas de soldeo de 430º C y manteniendo bajos los contenidos de Cu ya que el compuesto Ti-Cu es extremadamente frágil.

•

Ag - 5Al - 0,5Mn puede realizarse hasta 907º C, proporcionando uniones de buena resistencia mecánica.

•

Aportes de aluminio puro o aleado proporciona buena resistencia mecánica y ante la corrosión hasta 262º C la temperatura de soldeo será de 682º C.

•

Para aplicaciones que requieren alta resistencia y buen comportamiento contra la corrosión a temperaturas de hasta 542º C, se utilizarán aportes del tipo: 48Ti-48Zr-4Be o 43Ti-43Zr-12Ni2Be. Los aportes Ti-Zr-Be pueden a su vez utilizarse para soldar titanio a acero al carbono, acero inoxidable y metales refractarios. La temperatura de soldeo será de 990º C.

El cobre y aleaciones base níquel no están recomendadas para el uso convencional del soldeo fuerte del titanio por el peligro que entraña la formación de compuestos intermetálicos y eutécticos de bajo punto de fusión. Para unir el titanio con compuestos cerámicos suelen utilizarse a parte base de titanio y berilio. Las atmósferas más usualmente utilizadas para proteger al titanio durante el soldeo fuerte son: ∗

Argón, preferido frente al helio por su menor conductividad térmica.

∗

Helio.

∗

Vacío, se requiere del orden de 10 -4 o 10-5 torr para evitar la decoloración del titanio.


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3. TÁNTALO Y ALEACIONES DE TÁNTALO. 3.1. Introducci ón. El tántalo es un metal refractario que reacciona fácilmente con los gases de la atmósfera, especialmente a elevadas temperaturas. Este metal funde a 3000° C, tiene estructura cúbica centrada en el cuerpo y no sufre transformaciones alotrópicas. Posee una excelente resistencia a la corrosión frente a un amplio espectro de reactivos. Sin embargo se oxida rápidamente a temperaturas superiores a 340º C. El carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno reaccionen químicamente con el tántalo, formando típicamente compuestos intermetálicos que producen fragilización de la soldadura. Si bien se considera generalmente que las aleaciones de tántalo tienen la mejor soldabilidad de entre los metales refractarios, la formación de estas fases intermetálicas frágiles hace difícil su soldadura a la mayoría de los metales estructurales. Los procesos utilizados para la unión de las aleaciones de tántalo incluyen el TIG, unión por difusión en estado sólido, soldeo por fricción, soldeo por resistencia, soldeo fuerte y soldeo por explosión. La utilización de gases de protección ayuda a reducir la contaminación atmosférica debido a la naturaleza activa del tántalo.

3.2. Efecto d e la micr oestruct ura. Las zonas de fusión generalmente contienen granos grandes y, en ausencia de hafnio, subestructuras celulares. La proporción de granos grandes es mayor en aleaciones con bajos porcentajes de elementos de aleación, debido al estrecho rango de solidificación y a la estructura monofásica.

3.2. Ductilidad. Las diferencias en tamaño de grano o de la estructura celular, no parece afectar fuertemente a la ductilidad. La influencia es mayor en función de la calidad del material o concentración de impurezas. Los contenidos elevados de elementos intersticiales en las aleaciones pueden conducir a grandes concentraciones de microporos. Las soldaduras realizadas sobre Ta-5W-2,5Mo y Ta-10W-2,5Mo tienen excelentes características de ductilidad a temperatura ambiente. El proceso de soldeo TIG produce una elevación en la temperatura de transición de doblado de chapa en las aleaciones Ta-8W-2Hf y Ta-10W. Cuando aumenta el contenido en volframio la aleación se fragiliza a temperatura ambiente. Un tratamiento térmico post-soldadura de una hora a 816° C, puede reducir significativamente la temperatura de transición de doblado 2t para soldaduras realizadas mediante el proceso TIG. La temperatura de transición de doblado es la menor temperatura por debajo de la cual se desarrollan grietas en una soldadura doblada con un radio 2t (el doble del espesor de la chapa), con un ángulo de al menos 90º. Las soldaduras realizadas mediante haz de electrones, sin embargo, tienen temperaturas de transición ligeramente superiores. Cuando se produce una exposición a temperaturas elevadas, ahí un crecimiento considerable de tamaño de grano, que reduce la zona de subestructura de fusión celular. Esto lleva a un aumento en la concentración de impurezas en los bordes de grano. En aleaciones susceptibles a las impurezas, la exposición a temperaturas elevadas hace decrecer la ductilidad. Generalmente, las aleaciones cuyo contenido de elementos de aleación en total es menor que el 10% atómico, producen soldaduras dúctiles, en tanto que las aleaciones con un contenidos superior al 13% atómico producen soldaduras frágiles.


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3.3. Propiedades mecáni cas. La realización de un tratamiento térmico post-soldadura de una hora a 816° C reduce la susceptibilidad de las aleaciones tántalo-volframio-molibdeno a la rotura prematura en tracción. Las deficiencias de juntar de soldaduras realizadas en metal laminado o forjado son menores que las realizadas en material recristalizado. Sin embargo, la resistencia mecánica a temperatura ambiente de soldaduras realizadas sobre metal laminado o forjado es superior a la obtenida en soldaduras efectuadas el material recristalizado. La resistencia mecánica de las soldaduras cae rápidamente cuando la temperatura se eleva por encima de 1650° C. La resistencia mecánica de las soldaduras desciende cuando aumenta el porcentaje de volframio, independientemente de que el ensayo se realice a temperatura ambiente o a alta temperatura. En general, la resistencia mecánica desciende exponencialmente con el aumento de la temperatura de ensayo.

3.4. Efecto de las impurezas intersticiales. Los elementos intersticiales influyen fuertemente en las propiedades de las aleaciones de tántalo soldadas. La ductilidad de la soldadura es menor para las soldaduras realizadas mediante TIG cuando se trabajan con materiales de bajo contenido en intersticiales. Generalmente las chapas de aleación de tántalo deben tener un bajo contenido en intersticiales (menos de 100 ppm) para ser soldables. Los porcentajes de carbono inferiores a 100 ppm o de hidrógeno menores que 17 ppm no afectan significativamente a la ductilidad de la soldadura.

3.5. Efecto d e las condic iones de sol deo. Para controlar las propiedades del tántalo y sus aleaciones, pueden utilizarse las condiciones de soldeo. En chapas con bajo contenido intersticiales, la velocidad de avance del arco y el aporte térmico no parece que influyen en la ductilidad. En chapas con alto contenido intersticiales, la ductilidad es superior a altas velocidades de avance y bajos aportes térmicos.

3.6. Efecto de la oscilación del arco. Se ha encontrado que la oscilación del arco reduce la estructura columnar en la zona de fusión, lo cual mejora la ductilidad. Sin embargo hay una frecuencia óptima que produce una estructura equiaxial. Si se excede esta frecuencia (10 Hz), se produce un alargamiento de los granos. El aumento del aporte térmico produce una ZAT mayor con tamaño de grano superior y menor cantidad de lugares de nucleación para la fusión. Hay un aumento de la dureza en las zonas del metal depositado y en la ZAT en el tántalo soldado con TIG.

4. CIRCONIO Y ALEACIONES DE CIRCONIO 4.1. Introducci ón. El circonio es un metal estructural resistente a la corrosión que tiene muchas propiedades físicas y mecánicas similares al titanio y a los aceros inoxidables austeníticos. Las aleaciones de circonio son soldables; los procedimientos y equipos utilizados son similares a los empleados para soldar titanio y aceros inoxidables austeníticos. El circonio tiene con coeficiente de expansión térmica bajo, lo que contribuye a que la distorsión por la soldadura sea pequeña. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Debido a la reactividad de circonio con el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno, el metal debe ser protegido durante la soldadura con gas inerte de alta pureza o un vacío eficaz. Además, el circonio debe estar libre de aceite, grasa y sociedad para evitar la disolución de carbono y oxígeno, que puede fragilizar el metal o crear porosidad y reducir la resistencia a la corrosión del metal. El circonio y sus aleaciones están disponibles en dos categorías generales: grado comercial y grado reactor. El circonio de grado comercial describe circonio que contiene hafnio como impureza. El circonio de grado reactor designa al circonio en el cual se ha retirado la mayoría del hafnio para hacerlo adecuado para aplicaciones en reactores nucleares. Dado que el circonio puro tiene relativamente bajas propiedades mecánicas, se añaden diversos elementos de aleación para mejorar estas características. El circonio y sus aleaciones pueden adquirirse en forma de chapa, barra y tubo en diversas especificaciones de material. La tabla 28 muestra los grados de aleaciones de circonio comercial más comunes. Para los tipos reactor, el contenido en hafnio se reduce al mínimo y otras impurezas se controlan estrechamente. La composición química de los grados más comunes del Zircaloy tipo nuclear se muestran en la tabla 29. El circonio sólo puede ser soldado consigo mismo o con otros metales o aleaciones reactivas, tales como titanio, niobio o tántalo. Cuando se suelta con metales no reactivos, se forman compuestos intermetálicos que fragiliza en el metal de soldadura formado. Tabla 28. Composición química de aleaciones de circonio comerciales.


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Tabla 29. Composiciones químicas de los tipos más comunes de aleaciones Zircaloy para uso nuclear.

4.2. Selección del proceso de soldeo. Las aleaciones de circonio son muy reactivas con el oxígeno y el nitrógeno del aire a elevada temperatura. Por consiguiente, los procesos de soldeo seleccionados deben ser capaces de proteger la soldadura y la ZAT de la contaminación. Generalmente se evita la utilización de fundentes, debido a la reactividad con los productos químicos, que causa fragilización y puede reducir la resistencia a la corrosión de las soldaduras de circonio. Para soldar las aleaciones de circonio pueden utilizarse los siguientes procesos de soldadura: TIG, MIG, soldeo por arco plasma, soldeo por haz de electrones, soldeo láser, soldeo por fricción, soldeo por resistencia. La selección de un proceso de soldeo concreto depende de diversos factores: tipo de juntar, requisitos de propiedades mecánicas y de corrosión, costo y configuración de diseño. TIG. El soldeo TIG es el más frecuentemente utilizado para la unión de aleaciones de circonio. Emplea técnicas similares a las empleadas para el soldeo de aleaciones de aceros inoxidables esto es, se utiliza corriente continua con polaridad directa. Dos características deseables del equipo son un interruptor para establecer y apagar el arco y un arranque de arco por alta frecuencia. Los electrodos recomendados son de volframio toriado, tipo EWTh2. MIG. El soldeo MIG se utiliza ocasionalmente para espesores superiores a 3 mm, debido a que se suelta con mayor rapidez y el consiguiente ahorro en gas de protección y tiempo de producción. Es más difícil mantener la calidad de la soldadura, debido a las salpicaduras y a la inestabilidad del arco, que da lugar a contaminación de la soldadura y defectos. Soldeo por arco plasma. Éste proceso se utiliza comúnmente, especialmente para la soldadura autógena en uniones a tope de espesores entre 1,6 y 3,2 mm. Soldeo por haz de electrones . Se utiliza raramente, debido al elevado costo del equipo así como a las limitaciones en el tamaño de la cámara de soldeo.


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Soldeo láser . Tiene una aplicación muy limitada, primariamente aplicada en productos para reactor nuclear. Soldeo por fricción. Se utiliza para unir tubos de circonio a barras de circonio, así como para realizar uniones de metales de similares (por ejemplo circonio a aceros inoxidables) para aplicaciones en intercambiadores de calor. Soldeo por resistencia. Es especialmente adecuado para el soldeo por puntos o soldeo de costuras en chapas finas, debido a que no se requiere gas de protección.

4.3. Gases de protección. Para el soldeo de las aleaciones de circonio se emplean gases de alta pureza, argón (99,996%), helio o mezclas de ambos. El argón tiene la ventaja sobre el helio de que tiene un menor costo y da una buena estabilidad del arco y control del metal de soldadura. El helio se utiliza para obtener penetraciones superiores en la unión y frecuentemente se utilizan mezclas de argón y helio en soldadura automática. El helio es el gas utilizado más frecuentemente para fabricar equipos para reactores nucleares.

4.4. Selección del metal de aport e. La tabla 3 muestra tres electrodos de circonio y de aleación de circonio utilizados como metal de aporte. La composición del metal de aporte se selecciona para ajustarse a la composición del metal base. El tipo ERZr2 se utiliza para soldar circonio puro comercial, el tipo ERZr3 se utiliza para soldar la aleación Zr-1,5Sn y el tipo ERZr4 se emplea para soldar la aleación Zr-2.5Nb. En aplicaciones nucleares críticas, las impurezas se controlan más y el nivel de hafnio se minimiza. Las aleaciones de circonio de grado nuclear (tabla 29) se suelen con metal de aporte de la misma composición química que el metal base. Tabla 30. Composición química de electrodos para el soldeo de circonio y aleaciones.

4.5. Procesos y parámetros de soldeo. Las juntas y el metal de aporte deben limpiarse antes del soldeo. La mayoría del alambre para el soldeo se limpia con ácido previamente al bobinado o empaquetamiento. Cuando se encuentra que tramos de alambre están sucios, es buena práctica frotar cada trozo con un paño limpio con disolvente antes de usar. Si es necesario limpiar alambre bobinado, la limpieza con disolventes suelen ser adecuada. Si se utiliza


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limpieza con ácido, debe prepararse poco antes de su uso y tiene que estar libre de hierro y otros contaminantes que podrían permanecer en la superficie del alambre. La grasa y aceites del mecanizado que pueden permanecer la superficie de la pieza pueden eliminar se utilizando disolventes desengrasa antes, tales como alcohol metílico o acetona. Cuando se utilice acetona, debe realizarse a continuación un aclarado con alcohol. La cascarilla pesada de laminación (habitualmente de color gris) debe eliminarse por lijado o amolado. La capa superficial de óxidos azulados que se desarrolla cuando el metal se calienta a temperaturas entre 315 y 425º C puede eliminarse bien por cepillado (con cepillo de alambres de acero inoxidable austenítico no utilizado en otros metales), por lijado o por decapado químico con ácidos, que es más efectivo que el cepillado. Un tratamiento habitual es mantener durante dos a cinco minutos en una disolución a temperatura ambiente de 35% de ácido nítrico y 5% de ácido fluorhídrico en agua, seguido por un lavado cuidadoso en agua y secado mediante aire.

4.6. Precalentamient o. El soldeo del circonio normalmente no requiere precalentamiento. Las aleaciones comerciales tienen suficiente ductilidad para evitar la fisuración de la soldadura (en soldaduras no contaminadas). El precalentamiento es una ayuda para la eliminación de la condensación debida a la humedad y es una buena práctica donde la temperatura del taller es bajar o la humedad es elevada (es preferible controlar la temperatura y la humedad en la zona de soldadura). El calor puede aplicarse por cualquier medio convencional. Sin embargo, si se utiliza un soplete, debe evitarse el sobrecalentamiento local del metal. La limpieza entre pasadas generalmente no se requiere si el depósito realizado por soldadura tiene brillo metálico. Las capas coloreadas (amarillo pajizo a azul claro) deben eliminarse con un cepillo de púas de acero inoxidable austenítico. Para evitar la contaminación con el oxígeno o el nitrógeno del aire, la soldadura debe permanecer protegida durante el soldeo y el enfriamiento hasta temperaturas inferiores a 480º C. El soldeo de los grados comerciales de circonio a menudo se sueldan en aire, y las soldaduras requieren gas de protección en el lado de la boquilla de soldadura y en la zona de la raíz. Para chapas y tubos, esto requiere un sistema de gas de respaldo para la parte trasera. Las piezas complejas en las cuales es difícil proteger del aire todas las zonas calentadas, deben soldarse en cámara, de forma similar a los sistemas empleados para el soldeo del titanio.

4.7. Tratamiento térmico. No son necesarios tratamientos térmicos previos a la soldadura. Los grados comerciales R60702 y R60704 pueden recibir tratamiento térmico de alivio de tensiones post-soldadura cuando se producen altas tensiones residuales. El grado R60705 debe recibir tratamiento térmico de alivio de tensiones dentro de los 14 días siguientes a la soldadura para evitar la fisuración diferida por hidruros. Las aleaciones de circonio de grados comerciales pueden tratarse térmicamente en aire o en atmósfera inerte. Las aleaciones de circonio de grados nucleares usualmente se tratan térmicamente en atmósfera inerte.


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Otros Metales de Interes

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