introducción a la metalurgia de la soldadura
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INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE LA
SOLDADURA
Zonas Metalúrgicas
La zona compuesta La zona no mezclada La intercara de la soldadura La zona parcialmente fundida La zona térmicamente afectada El metal base no afectado
M et a l f u n d i d o
Zona parcialmente fundida
Intercara de la soldadura
Zona témicamente afectada, ZAC
Metal base
Zonas Metalúrgicas
DESARROLLO DE LA ESTRUCTURA DE LA SOLDADURA Y SUS
PROPIEDADES SOLIDIFICACIÓN DEL POSO DE
SOLDADURA.PARAMETROS QUE DETERMINAN LA MICROESTRUCTURA DE
LA ZONA DE FUSIÓN
La tasa de crecimiento RS. El gradiente de temperatura G. El subenfriamiento T, y La composición de la aleación.
GRS 102 a 107 ºC/s.
Nucleación
2316
*v
SL
GG
donde G* es energía libre de formación, SL es la tensión superficial entre el sólido y el líquido y GV es la energía libre de solidificación por unidad de volumen
G*het = G* f()
CrecimientoSólido
LíquidoSólido
Líquido
Posibles morfologías estructurales durante la solidificación: (a) crecimiento de frente plano; (b) crecimiento celular; (c) crecimiento celular dendrítico; (d) crecimiento dendrítico equiaxial. (Jennings y lewis)
Morfología de los granos
Parámetro de solidificación G/ R
Equiaxial dendrítico Columnar dendrítico
Celular dendrítico
Celular
PlanarCon
teni
do d
e so
luto
, C
o
Dependencia del modo de solidificación como una función del parámetro G/√R para diferentes concentraciones de soluto
Morfología de las dendritas
Fotomicrografía electrónica de un cristal simple de una aleación de níquel en la que se muestra el desarrollo de dendritas primarias, secundarias y terciarias en una soldadura de haz de electrones
Formas de crecimiento granular en las soldadurasde las
RS TASA DE CRECIMIENTOGL GRADIENTE DE REMPERATURA
Estructura granular
5 mm
Geometría del poso de soldadura
n3 = qo v/ 4π α2 (Hm - Ho)
Donde qo es la potencia del arco, v es la velocidad de soldadura, α es la difusividad térmica del metal base y (Hm – Ho) es el contenido de calor por volumen unitario a la temperatura de fusión.
Cuando n3 tiene valores altos, el poso de soldadura adquiere la forma de gota
Valores bajos de n3 indican que el poso de soldadura tiene una forma más elíptica.
Geometría del poso de soldadura
Factores importantes Fuerzas de flotación
Fuerzas de tensión superficial dγ/dT
Geometría del poso de soldadura
Fuerzas electromagnéticas
Forma dominante de transferencia de calor Conducción Convección
Formas características del poso de soldadura
a) Baja velocidad
b) Velocidad intermedia
c) Velocidades rápidas de soldadura
Velocidades de solidificación y enfriamiento en la zona fundida
TL: Temperatura de líquidus
TS: Temperatura de sólidus
RH: velocidad de crecimiento
W: Ancho del pos d soldadura
W
RHSLs
T-T V
W
Microstructura del poso de soldadura en aceros de baja aleación.
Formaciones ferríticasFerrita ideomórfica (a)Ferrita alotriomórfica (a). “partícula de una fase que no tiene un forma externa regular” Ferrita acicular (aa) significa que tiene forma de agujas, 40 a 80 m
Ferrita de Widmanstaetten (aw): simetría que sigue 3 ó 4 direcciones privilegiadas Martensita (a’)Austenita retenida (g’)
Perlita degenerada (P)
Microstructura del poso de soldadura en aceros de baja aleación.
Ferrita en el límite de grano (ferrita alotriomórfica
ferrita de Widmanstaetten
Ferrita acicular
Ferrita poligonal
Metal soldado ZAT
martensita
bainita superior
bainita inferior
Formación de la estructura de Widmanstaetten
Estructura de Widmanstaetten en la soldadura oxiacetilénica de acero de
0.15% C
a) incompletamente formada b) completamente formada
Evolución de la microestructura en el metal soldado.
(a) formación de inclusiones
(b) solidificación del metal líquido para formar ferrita d
(c) región austenítica simple
(d) ferrita alotriomórfica
(e) placas laterales de ferrita de Widmanstatten
(f) ferrita/ bainita acicular
LA ZONA TÉRMICAMENTE AFECTADA
MJ/m q/vorFlujodecal
VIq
t
Tk
z
T
y
T
x
T
22
2
2
2
2
2
Proceso
SMAW 0.7 - 0.85
GTAW (argón) 0.22 - 0.48
GMAW (argón) 0.66 - 0.75
SAW 0.90 - 0.99
CICLO TÉRMICO DE LA ZAT
y
z
x
Dirección de la fuente de calor
Fuente de calor
Plano de simetría
vtx
t
Tk
Tkv
z
T
y
TT
222
2
2
2
2
2
Ciclo Térmico De La ZAT
T
kvz
T
y
TT2
2
2
2
2
2
2
(a) (b)
(a) flujo de calor tridimensional y (b) flujo de calor bidimensional
Ciclo Térmico De La ZAT
Placa gruesa
t
r
kt
vqTT
4exp
2
/ 2
0
t
r
tckd
vqTT
p 4exp
)4(
/ 2
2/10 Placa fina
158 2
/
kvq
t
22
2
2
584
)/(
dck
vqt
p
2/1
1073
1
773
1*
2´
oop TTvc
qd
Propiedades físicas de algunas aleaciones metálicas
Material Calor específico volumétrico
rcp(J m-3 K-1)
Difusividad térmica
a (m2 s-1)
Conductividad térmica
k (J m-1 s-1 K-1)
Temperatura de fusión
(K)
Aluminio 2.7 x 106 8.5–10 x 10-5 229.0 933
Acero al carbono 4.5x 106 9.1 x 10-6 41.0 1800
Acero 9 % Ni 3.2 x 106 1.1 x 10-5 35.2 1673
Acero austenítico 4.7 x 106 5.3 x 10-6 24.9 1773
Inconel 600 3.9 x 106 4.7 x 10-6 18.3 1673
Aleación de titanio 3.0 x 106 9.0 x 10-6 27.0 1923
Cobre 4.0 x 106 9.6 x 10-5 384.0 1336
Monel 400 4.4 x 106 8.0 x 10-6 35.2 1573
Ciclo Térmico De La ZAT
0 5 10 15 20 25
TIEMPO (S)
0
400
800
1200
1600
TE
MP
ER
AT
UR
A (
ºC)
4 mm
5 mm
6 mm
Efecto de la velocidad de enfriamiento sobre el desarrollo de la microestructura
en la ZAT
Diagramas CCT de soldadura para el acero AISI C1318 y para el metal de
soldadura
Crecimiento del tamaño de grano
Efecto combinado del tiempo y de la temperatura sobre el crecimiento del tamaño de grano en un acero de bajo
contenido de carbono
Granos gruesos (en %)
Tiempo (h)
100
80
60
40
20
1050 ºC1100 ºC
1150 ºC
1200 ºC1250 ºC1300 ºC
EFECTO DEL RECALENTAMIENTO EN SOLDADURAS DE CORDONES
MULTIPLES
Influencia de las pasadas sucesivas sobre la variación de la dureza de la zona
sobrecalentada