METALURGIA DE LA SOLDADURA

U N E X P O

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA “ANTONIO JOSE DE SUCRE” VICE – RECTORADO BARQUISIMETO

AUTOR: Ing. Samuel Peraza Recopilado por: Ing. Grisel Cordero

Barquisimeto, Enero 2005

GENERALIDADES

La soldadura es un método de unir materiales. Desde varios aspectos la soldadura es muy compleja, especialmente desde el punto de vista metalúrgico. Virtualmente todos los tipos de fenómenos metalúrgicos ocurren durante la ejecución de una soldadura.

La metalurgia de la soldadura está relacionada con fusión, solidificación, reacciones metal-gas, reacciones metal-escoria, fenómenos superficiales y reacciones en el estado sólido. Estas reacciones suceden muy rápido durante la soldadura en contraste con otros campos metalúrgicos como en Siderurgia, Fundición y Tratamientos Térmicos.

El término soldadura es en realidad ambiguo, debido a que es usado de muchas formas, pero técnicamente se refiere al área de coalescencia producida por el proceso de soldeo. Al describir una soldadura es muy útil ser específico y por lo tanto el término que se usará y el que a menudo será muy mencionado al hacer referencia a soldadura es “unión soldada”, el cual no solamente incluye la zona fundida o de coalescencia, sino también a la zona alrededor de ésta. Otro término usado muy a menudo es “elementos soldados”, el cual normalmente significa un ensamble, sea grande o pequeño, pudiendo contener una o más uniones soldadas.

La unión soldada es un conjunto de todas las partes que intervienen en una soldadura; comprendiendo el metal soldado, la zona afectada por el calor (ZAC) y el metal base no afectado. La metalurgia de cada zona de la soldadura está íntimamente relacionada con el material a soldar, el proceso de soldadura y el procedimiento a utilizar. La mayoría de las uniones típicas, tales como las de acero de bajo carbono, son de solidificación rápida; usualmente la solidificación es de grano fino y de una composición química similar al material base.

La región del metal solidificado, la cual ha sido fundida durante la soldadura, es la primera de tres zonas. Esta región es una mezcla del metal base y el metal de aportación. Algunas soldaduras son autógenas, esto significa que el metal solidificado es formado solamente por el metal refundido y no contiene ningún metal de aportación, como sucede por ejemplo en la soldadura por resistencia y la soldadura de arco con electrodos de tungsteno (TIG) sin material de aportación. La soldadura oxiacetilénica, en la mayoría de los casos, se utiliza metal de aportación. Para obtener buenas propiedades en la junta soldada es necesario que el metal aportado sea de una composición similar y aproximada al metal base, pero sin embargo algunas veces es

significativamente diferente, como es el caso de la soldadura de bronce en la unión de piezas de fundiciones.

El objetivo de la unión soldada es producir un metal soldado con propiedades compatibles al metal base en vez de obtener una composición idéntica al metal base; por lo tanto variaciones en el metal de aportación son frecuentes.

Cuando el metal es depositado, la primera porción de metal en solidificar crece equiaxialmente (su orientación es controlada por el cristal substrato) cerca de los granos sólidos del metal base no fundido. Dependiendo de la solidificación y de la rata de solidificación, el metal solidifica en forma de crecimiento celular o dendrítico. Ambos tipos de solidificación producen segregación de elementos aleantes y como consecuencia el metal fundido es menos homogéneo a un nivel micro que el metal base, el cual ha soportado trabajo mecánico y/o tratamiento térmico anterior a la soldadura. Por esta razón entre otras, los mecanismos de endurecimiento usados a menudo en los materiales base no son apropiados para el metal soldado y por lo tanto otros métodos de endurecimiento metalúrgicos deben usarse.

La segunda región de la unión soldada es la zona afectada por el calor (ZAC). Esta región es la parte del metal base que ha sido afectada por el calor generado en el proceso de soldadura. El ciclo térmico de la soldadura normalmente lleva al metal a su temperatura de fusión, algunas veces esta situación es local, como en el caso de la soldadura eléctrica por punto, pero también puede tener una corta o completa fusión como en soldadura por ultrasonido o por forja. Sin embargo en la gran mayoría de uniones soldadas un rango completo de temperaturas, entre la del ambiente y la temperatura de fusión, puede estar representado en la zona afectada por el calor. La zona afectada por el calor puede ser pequeña, si el calor es intenso y aplicado a regiones localizadas, como el caso de soldadura por haz electrónico; o una zona grande como en la soldadura por electroescoria y arco sumergido.

Aunque la zona afectada por el calor, puede en teoría incluir todas las regiones calentadas a cualquier temperatura por encima de la del ambiente, desde el punto de vista práctico están incluidas las regiones calentadas por el proceso de soldadura, las cuales en realidad son influenciadas por el calor. Así tendremos que el calor de la soldadura tiene poca influencia en un acero de bajo carbono laminado, en regiones calentadas por debajo de 600º C para un acero templado y revenido a 315º C, cualquier calentamiento por encima de esta temperatura produce cambios en las propiedades en una porción significativa de la zona afectada por el calor. Para aleaciones de aluminio endurecidas por

envejecimiento a 120º C, cualquier zona en una unión soldada sometida por encima de dicha temperatura, entra a formar parte de la zona afectada por el calor.

Las zonas afectadas térmicamente a menudo son definidas por su respuesta a ensayos de dureza y efectos de ataques. Así por lo tanto, cambios en la microestructura producidos por el calor de la soldadura y después de haber sido determinados los perfiles de dureza a dichas microestructuras son usados para definir la “zona afectada por el calor”. Algunas veces estas ubicaciones de la zona afectada por el calor son arbitrarias, pero en realidad tienen un valor práctico para ensayar y evaluar uniones soldadas. Por ejemplo en una soldadura multipases en aceros, existirá una zona afectada por el calor en cada pase, por lo tanto existirán varias zonas diferentes afectadas por el calor, pero no es fácil definirlas, pero si suponer su existencia por la cantidad de calor que han soportado.

La tercera región de una unión soldada es el metal base, o sea el metal a ser unido, como también puede ser la cantidad de elementos a unir. Sobre el material base, tanto el soldador como el Ingeniero en soldadura tienen en realidad el menor control con respecto a los otros elementos de la unión. El metal soldado y la zona afectada por el calor deben ser compatibles con el metal base, si se quiere obtener una junta soldada satisfactoria. Cuando los metales base son aleaciones simples; las cuales han alcanzado su resistencia en base a elementos aleantes endurecedores solamente, el proceso de soldadura produce metales soldados y la zona afectada por el calor con propiedades similares y compatibles a la del metal base. Pero, cuando los metales base son endurecidos por medio de tratamientos térmicos o deformaciones mecánicas, se producen inconvenientes para obtener uniones soldadas completamente compatibles; sin embargo es posible obtener las propiedades de una unión soldada compatible con el metal base, pero dicho metal base en cuestión, es particularmente propenso a uno que otro tipo de defecto de soldadura; en este caso uniones soldadas satisfactorias al servicio son difíciles de obtener.

La combinación de propiedades mecánicas, químicas, térmicas y otras propiedades de un metal base, lleva a constituir una propiedad compleja llamada “Soldabilidad” de la cual se hablará mas adelante.

METAL DEPOSITADO FUNDIDO

La mayoría de las uniones soldadas contienen una zona fundida la cual, cuando solidifica comprende el metal depositado o metal fundido. Esta región consiste de un metal que puede ser poco o aún muy diferente del metal base, debido a que está compuesto de mezclas variadas del metal

aportado y del metal base ambos fundidos en el proceso de soldeo. El metal aportado empleado, puede ser seleccionado por las propiedades mecánicas y composición química del metal base, pero su estructura podrá ser marcadamente diferente. Esta estructura y sus propiedades dependen directamente de los acontecimientos sucedidos antes y durante el tiempo de solidificación del metal. Dichos acontecimientos incluyen reacciones del metal con gases en la proximidad del metal depositado o fundido; también, con fases líquidas no metálicas (escoria o fundente) durante la soldadura y reacciones en el estado sólido que ocurren en la soldadura después de la solidificación. Se Considerará cada uno de estos fenómenos en detalles.

CARACTERÍSTICAS DE LA SOLIDIFICACIÓN

Granos o agrupaciones de cristales son formados cuando un metal líquido solidifica. La transformación de líquido a sólido, es controlada por procesos combinados de nucleación, crecimiento, tamaño, orientación y distribución de los granos producidos; los cuales influencian las propiedades mecánicas de la estructura. Cada grano tiene algún origen de iniciación (núcleos) desde los cuales este crece. La nucleación puede tener lugar en la pared del recipiente o contenedor, así como también, desde partículas extrañas sólidas suspendidas en el líquido; estos son ejemplos de nucleación heterogénea. Si no hay núcleos disponibles

heterogéneos, la solidificación puede iniciarse por

nucleación homogénea desde el interior del líquido, lo cual requiere superenfriamientos sustanciales (enfriar el líquido por debajo de la temperatura normal de solidificación).

Los núcleos heterogéneos más efectivos son partículas sólidas (cristal madre) del metal que está solidificando, este tipo de nucleación es dominante en la solidificación del metal aportado fundido. En soldadura por arco, la fusión precede a la solidificación cuando el arco alcanza un área particular, pero interfase líquido – sólido quizá esté presente (o el metal fundido desaparece) constituyendo un punto o sitio de nucleación ideal; hay muy poco superenfriamiento y ninguna nucleación homogénea. La turbulencia del metal fundido, frecuentemente causa fragmentos del metal sólido a separar desde la interfase líquido-sólido y puede esto actuar como núcleo. Sin embargo la mayor parte de nucleación tiene lugar en los límites del metal fundido donde es mayor la interfase líquido-sólido. No todos los granos que se nuclean siguen un crecimiento extensivo, algunos son detenidos durante el proceso de crecimiento, esto produce pocos, pero grandes granos en el metal soldado. Las propiedades mecánicas son afectadas por el tamaño del grano.

El metal depositado solidificado, presenta a menudo una estructura descrita como columnar, en las cuales los granos son relativamente largos y paralelos a la dirección del flujo de calor, esta

estructura es el resultado natural de la iniciación de granos en los límites del metal fundido y de algunos granos favorablemente orientados a crecer sin interrupción hasta su completa solidificación. No todo el metal solidificado está formado por granos gruesos y columnares. La estructura varía con las diferentes aleaciones y puede ser modificada por variaciones del proceso, los cuales alteran el patrón de turbulencia en el metal líquido. En general los metales puros y aleaciones que solidifican en un estrecho rango de temperaturas generalmente desarrollan granos gruesos y columnares en metal fundido.

El metal fundido puede sufrir de un agudo defecto de solidificación llamado lingoterismo, es una debilidad superficial donde grupos de intersecciones de granos columnares han sido los últimos en solidificar; este defecto puede ser serio en soldadura de haz electrónico, donde los granos columnares crecen desde lados opuestos, encontrándose en el centro o plano medio de la soldadura; dicha zona o puntos tiende a actuar como sitio para impurezas y porosidad y

está propenso a fracturar a

solicitaciones mecánicas bajas.

El problema de lingoterismo puede ser mejor manejado manipulando la separación de la configuración o el procedimiento de soldadura, así como también cambiando la geometría de la estructura de granos columnares, estas manipulaciones a menudo incluyen la reducción de la velocidad de avance del flujo de calor. La solidificación rápida de algunas aleaciones metálicas importantes, envuelve macrosegregación de elementos aleantes, este fenómeno está asociado y en gran medida es responsable por la formación de dendritas. Una dendrita es una estructura característica que refleja una forma compleja constituida por la interfase líquido-sólido durante la solidificación.

Las dendritas primarias y las ramificadas son las primeras en formarse durante la solidificación; además su composición presenta un mayor punto de fusión que el material interdendrítico que enfría posteriormente. Los elementos de aleación que bajan la temperatura de fusión son desplazados progresivamente por el crecimiento del sólido y además emigran de la interfase líquido-sólido por difusión dentro y a través del líquido. Sin embargo la difusión es un proceso lento y hay una tendencia a bajar el punto de fusión del líquido para acumularlo en la interfase, dicha acumulación impide el crecimiento. La característica filamentaria y la configuración de ramas de las dendritas es una consecuencia directa de esta acción. El crecimiento de los brazos de las dendritas sólidas conocidas literalmente como “enriquecidas” es a través de una capa envolvente de líquido de bajo punto de fusión.

El espaciamiento entre los brazos de las dendritas, determina la microescala de la segregación de aleaciones y está determinado por la rata de solidificación; entre más rápida sea la solidificación, más cerrado es el esparcimiento de las dendritas. El espacio entre los brazos de las dendritas es una característica estructural de cuan pequeño es su magnitud, relativamente mucho más pequeño que el tamaño de grano (no es usual esta comparación ya que el tamaño de grano en algunos metales soldados excede a 1 mm ,o sea, que pueden haber miles de ramas dendríticas dentro del grano). El espaciamiento entre los brazos de la dendrita depende solamente de la cantidad de energía, esto es utilizado como técnica de diagnóstico, ya que la cantidad de energía puede ser estimada con mucha precisión midiendo el espacio entre los brazos de las dendritas, cuando los datos sobre los parámetros de la soldadura no son obtenidos; quizá la tendencia es el incremento del tamaño de grano con el incremento de energía pero en realidad no hay una relación fija. El tamaño de grano puede ser influenciado por agentes nucleantes (refinadores de grano), vibración u otros procesos, pero el espaciamiento de los brazos de las dendritas es exclusivamente una fusión de ratas de solidificación, las cuales son controladas por la entrada o flujo de energía. Si las ratas de solidificación son muy rápidas, todas las dendritas no pueden desarrollarse. Bajo estas condiciones, ocurre una gran proyección corta de enfriamiento interfacial dentro del metal líquido depositado produciendo una estructura de celda. Los espacios entre las celdas normalmente son más pequeños que entre las dendritas y la segregación de soluto no es muy extensa.

REACCIONES METAL GAS

En los procesos de soldadura por fusión tal como la soldadura por arco, la amplitud dentro de la cual el metal y la atmósfera interactúan, depende mucho de los detalles físicos del proceso de soldadura. En soldadura por arco metálico con gas protector (GMAW) usando transferencia por rocío o pulverización, las reacciones son muy extensivas, aún con tiempo de exposición breve. En primer término, la transferencia del metal líquido a través del arco en forma de pequeñas gotas ofrece una extensa área superficial reactante, causando un supercalentamiento a temperaturas muy por encima del punto de fusión. Segundo, la atmósfera del arco misma está haciéndose altamente reactiva por la disposición e ionización de moléculas gaseosas. El nitrógeno por ejemplo a menudo se considera como relativamente inerte, siendo altamente reactivo en un arco eléctrico.

En algunos procesos es mínima la exposición, como es el caso del proceso de arco protegido con gas electrodos de tungsteno (GTAW) y el proceso de arco protegido con gas y electrodo continuo consumible (GMAW) circuito de arco corto; porque en estos procesos, el metal líquido es transferido en forma de gotas relativamente grandes, minimizando así el área de exposición superficial; además,

estas gotas grandes nunca están flotando libremente a través de alta temperatura del arco plasma y nunca serán sobrecalentadas por encima de 100º C del punto de fusión. Otros procesos, como el arco sumergido (SAW), minimiza las reacciones metal-gas por la interposición de una escoria protectora entre el metal y la atmósfera. En la soldadura por haz electrónico (EBW) y el proceso (GTAW) las reacciones metal-gas adversas son prevenidas al asegurar que la soldadura sea completamente no reactiva. Sin embargo en algunos de los procesos de soldadura por arco, más productiva y atractivos económicamente tal como los procesos soldadura de arco protegido por gas activo, con electrodos continuos (GMAW, MAG) y la soldadura de arco con electrodo revestido (SMAW), la atmósfera del arco es inherentemente reactiva y por consiguiente es necesario compensar y controlar los efectos de las reacciones metal-gas.

Los primeros intentos en la soldadura de arco con electrodos de acero consumibles, fueron realizados usando varillas de acero como electrodos, sin ningún control de la atmósfera del arco. Las primeras soldaduras producidas por este método, estuvieron representando los inicios de un mayor avance en la tecnología de fabricación, tendiendo las soldaduras a comportarse frágilmente y contener bastantes poros. A medida que la naciente industria de la soldadura progresó, fue descubierto muy circunstancialmente que la calidad de la soldadura, algunas veces se incrementaba, cuando el electrodo era recubierto con óxido o lubricante y apareció así la industria de la soldadura por arco.

El incremento de la calidad en soldaduras con recubrimiento no metálicos a los electrodos fue debido tanto al mejoramiento de la estabilidad del arco a través de la promoción de la emisión e ionización, como a la exclusión de aire de la atmósfera del arco. Esta exclusión de aire fue y todavía está acompañada por volatilización o destilación destructiva de compuestos en el recubrimiento del electrodo.

Actualmente es reconocido que la exclusión del aire de la atmósfera del arco, es absolutamente vital para la producción de soldaduras por arco de alta calidad en aceros. Este factor puede ser algo complejo o confuso desde otras operaciones de procesamiento de metales, ya que el acero es fundido y vaciado al aire sin ningún problema, sin embargo los gases como el nitrógeno, oxígeno y vapor de agua son altamente reactivos en un arco eléctrico y por lo tanto son perjudiciales.

El control del oxígeno es básico en la soldadura de acero por fusión. En algún grado el oxígeno está presente o disponible para el metal líquido depositado; pero la concentración varia ampliamente con el potencial de oxidación de la atmósfera del arco, la composición y las condiciones superficiales

del metal. Lo mas importante es prevenir la oxidación del carbono, debido a que la reacción más frecuentemente responsable de la porosidad en aceros soldados es:

C + ½ 02

C0

(Burbujas de gas)

Esta reacción perjudicial es prevenida por desoxidación con elementos que tienen alta afinidad por el oxígeno, tales como aluminio o silicio los cuales son introducidos al metal fundido para que reaccionen preferiblemente con el oxígeno. Este proceso se conoce como desoxidación.

Si

+ 02

Si 02

2 Al + 3/2 02

Al203

Mn + 1/2 02

Mn0

(van a la escoria)

En realidad el control químico en soldadura será considerado como una batalla, en la cual el carbono compite con los elementos desoxidantes por el oxígeno disponible. Para evitar la porosidad es importante estar seguro que los elementos desoxidantes ganen esta competencia.

Las reacciones desoxidantes en aceros tienen el indeseable efecto de producir inclusiones no metálicas; estas pueden subir a la superficie de la zona fundida o pueden permanecer en el metal depositado en forma de óxidos complejos. Tales inclusiones generalmente son muy finas y ampliamente dispersas; las menos extendidas tienen pocos efectos sobre las propiedades mecánicas. Los productos de desoxidación no metálicos son preferidos a la porosidad. Sin embargo, excesivas concentraciones de aluminio y silicio deben ser evitadas, debido a que éstas pueden ocasionar serias pérdidas de ductilidad y tenacidad, especialmente a bajas temperaturas. Por lo tanto es importante balancear la cantidad de desoxidantes, de acuerdo con el potencial de desoxidación del sistema a soldar. Lo ideal es incorporar desoxidadotes químicos un poco en exceso a la cantidad teórica mínima necesaria para reaccionar con el oxígeno presente; alcanzando en este balance requerido una selección compatible de los procesos y materiales incluidos en el sistema de soldadura.

Los principales suministradores de oxígeno son la atmósfera del arco, el óxido sobre las superficies de las piezas y el oxígeno presente en el metal. Los desoxidadores (aluminio y silicio) son suministrados como electos aleantes en el electrodo, constituyentes del recubrimiento de electrodos consumibles (SMAW) o en el interior de los electrodos con fundente interior (FCAW). Por ejemplo, si la atmósfera del arco es 100% de dióxido de carbono y por consiguiente fuertemente oxidante, es

esencial suplir una cantidad relativa de desoxidante; en cambio si la atmósfera es de Argón con 2% de oxígeno, es mejor usar desoxidante.

Estos requerimientos presentan un problema de compatibilidad, por ejemplo un metal de aportación de una composición ideal para soldar un acero por el proceso GMAW, usando Argón - 2% oxígeno, puede producir soldaduras porosas en una atmósfera de 100% de dióxido de carbono. Lo contrario, un metal de aportación (sea con fundente interior o no) produce una soldadura satisfactoria en una atmósfera de 100% de dióxido de carbono, no puede usarse en atmósfera de Argón – 2% oxígeno debido a que produce sobredesoxidación. El efecto de una baja desoxidación es porosidad, pudiendo ser detectada y frecuentemente no aceptada. El efecto de sobredesoxidación es la pérdida de ductibilidad y resistencia al impacto, es más agudo y no detectable por ensayos no destructivos.

El problema de compatibilidad entre el medio ambiente de la soldadura y los materiales, ha sido un poco intensificado por el desarrollo del proceso GMAW, debido a que en éste proceso el usuario tiene control independiente sobre la composición del metal de aportación y la atmósfera del arco.

Por otro lado en el proceso de arco manual con electrodos revestidos (SMAW), el fabricante del electrodo es completamente responsable de la compatibilidad, debido a que él suministra la atmósfera del arco y la capacidad de desoxidación como una unidad integral.

El vapor de agua es peligroso particularmente como una fuente de hidrógeno, el cual causa porosidad y fragilidad. La porosidad puede ser controlada con la salida de gases o por la seguridad de que el metal fundido tiene la suficiente fluidez de permitir que el gas escape. Un efecto más serio del hidrógeno es la formación de grietas en uniones soldadas de aceros aleados y altos en carbono. Este efecto es también dependiente de reacciones en el estado sólido en aceros, esto será discutido posteriormente. El vapor de agua también puede perjudicar en soldaduras porque produce menor estabilidad del arco.

En aleaciones no ferrosas, las reacciones primarias metal-gas son las soluciones concernientes a la reacción y evolución del hidrógeno o vapor de agua. Estos gases por lo tanto deben ser excluidos del metal fundido. En aleaciones base aluminio y base magnesio, el hidrógeno es a menudo introducido por óxidos hidratados sobre la superficie del alambre o la pieza y evoluciona durante la solidificación para producir porosidad; por esta razón los electrodos para soldaduras deben guardarse en envases sellados, desecados y limpiados mecánicamente o calentados al vacío a 150° C; esto último recomendado para electrodos y piezas que han estado expuestos a la humedad del aire. En

aleaciones de aluminio, el cloro en forma de gas en la atmósfera del arco reduce la porosidad (no usar cloro en el proceso TIG, porque ataca al tungsteno). Para el magnesio la diferencia de solubilidad del hidrógeno entre el estado líquido y sólido es menor que en aluminio, por lo tanto la tendencia del hidrógeno a producir porosidad es reducida. En el caso del cobre y sus aleaciones, reacciona con el oxigeno en el metal liquido durante la solidificación para producir vapor de agua y por consiguiente porosidad. El metal de aportación para aleaciones de cobre, contiene desoxidantes para prevenir esta reacción. Las aleaciones de cobre con zinc, aluminio o berilio no son propensas a porosidad debido a que estos elementos tienen un efecto auto desoxidantes. Las aleaciones níquel – cobre y aleaciones de níquel, son mas propensas a porosidad y los metales de aporte para estas aleaciones contienen desoxidantes fuertes. Las aleaciones de titanio se vuelven frágiles al contacto con ciertos gases, tales como: nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, por lo tanto estos elementos deben aislarse desde la atmósfera del arco. La soldadura del titanio es realizada al vacío o bajo cuidadosa protección.

REACCIONES METAL LÍQUIDO Durante el proceso del soldadura, fases líquidas no metálicas son frecuentemente producidas, las cuales interactúan con el metal de aportación líquido. Estas pueden ser deliberadamente producidas, como es el caso de capas de escoria formadas por la fusión del fundente en los procesos SMAW, SAW, electroescoria (ESW), electrogas (MAW-EG, FCAW-EG). Estas también pueden producirse como resultado de reacciones que ocurren en el metal depositado fundido y pueden permanecer en el interior o sobre el metal aportado después de la soldadura; por ejemplo el caso de inclusiones finas en soldadura por arco con dióxido de carbono como gas protector. Cuando las capas de escoria son formadas por una variedad de reacciones químicas entre el metal líquido y la escoria, estas reacciones son bastante similares a las que ocurran durante el refinamiento del metal cuando es producido del mineral. La escoria formada a partir del fundente de la soldadura es una parte importante del proceso de soldadura.

En general, las capas de fundentes son usados casi exclusivamente en soldaduras de materiales ferrosos. La capa superficial producida en la soldadura del aluminio, titanio, cobre y otros metales está formada de capas de óxido resultante de una protección gaseosa imperfecta del metal soldado, capas similares se presentan en soldadura de acero por arco metálico con gas protector.

Las capas de fundente usadas en los procesos SMAW, SAW; SW o GMAW/FCAW-EG son diseñados para absorber productos de desoxidación producidos en el arco y en el metal fundido.

La cantidad y tipo de productos de desoxidación no metálicos generados en la soldadura de aceros por arco están directamente relacionados a la protección específica y al uso de desoxidación. Estos productos no metálicos principalmente silicatos de aluminio, manganeso y hierro, pueden flotar sobre la superficie del metal aportado y ser incorporados a la escoria, pero también podrían permanecer en el metal como inclusiones. La limpieza del metal fundido está influenciada por la producción de no metálicos, por la cantidad de ellos que pueden ser sacados dentro de la escoria. En realidad la oxidación mas fuerte es alrededor del arco y por lo tanto mayor desoxidación es requerida en esta zona, donde se produce la mayor cantidad de productos no metálicos.

Una característica importante de la desoxidación es la composición de los productos no metálicos. El aluminio es un potente desoxidador pero es mejor usarlo junto con silicio el cual es menos potente y el manganeso que es relativamente débil. Estos elementos forman productos líquidos de desoxidación que sin dificultad se aglomeran, flotan y son fundentes del metal líquido dentro de la escoria. La desoxidación utilizando solo aluminio tiende a formar un metal soldado sucio, debido a la dispersión de finas partículas de sólidos no metálicos producidos y que permanecen en el metal soldado. En la práctica, el silicio y el manganeso reaccionan con una cantidad de oxígeno disuelto y se necesita suficiente aluminio, para estar seguro de reducir a muy baja concentración el contenido de oxígeno, para así prevenir cualquier oxidación del carbono, la cual podría causar porosidad. Idealmente la cantidad de aluminio introducido, junto con silicio y manganeso debería ser suficiente para elevar el porcentaje de aluminio metálico en una proporción de 0.01% (pero no mayor que 0.05%) en el metal de soldadura aportado.

Además de la función de desoxidación, la escoria en soldadura también ayuda a sacar azufre y fósforo del metal del metal aportando. En este sentido la escoria se comporta mejor o igual a la escoria de otros procesos metalúrgicos; tal es el caso de un oxidante básico (cal enriquecida) que realiza la función desoxidante. La amplitud o capacidad en la cual los fundentes en soldadura pueden actuar no está muy clara hasta ahora. Sin embargo, un fundente como la cal enriquecida (por ejemplo en recubrimiento para electrodos EXX18) puede realizar dicha función desoxidante.

Otro efecto importante que resulta de la interacción entre el estado líquido y el sólido es un defecto en soldadura conocido como grietas en caliente. Este fenómeno se origina si durante la solidificación del metal aportado, el líquido interdendrítico (la última región en enfriar) tiene sustancialmente, una temperatura de enfriamiento mas baja que la del volumen de la dendrita. Bajo estas condiciones se producen esfuerzos de rechupes durante la solidificación; los cuales al ser aplicados a esta región que contiene poca cantidad de líquido produce grietas interdendríticas. Estas

grietas son llamadas grietas calientes debido a que ocurren a temperaturas muy cerca de la temperatura de solidificación. Estas grietas son producidas por cualquier variación en la composición del metal depositado, produciendo un líquido interdendrítico de bajo punto de fusión.

En aleaciones ferrosas, incluyendo aceros inoxidables y aleaciones de níquel, la causa más común para este tipo de grietas es la presencia de sulfuros de hierro y otros compuestos de bajo punto de fusión que humedecen la superficie de las dendritas. Sin embargo en algunas aleaciones de hierro, tal como aceros inoxidables se ha determinado, que los silicatos producen agrietamiento. El control del agrietamiento en estas aleaciones usualmente está acompañado del control del aumento y tipos de sulfuros que se forman y el control de una menor cantidad de constituyentes de aleaciones que puedan ocasionar agrietamiento. Por lo tanto en soldaduras ferrosas, la relación de composición manganeso – azufre de 30 o más son usadas para prevenir grietas en caliente.

En el metal depositado; quizás cuando elementos aleantes perjudiciales como el carbono, fósforo o quizás níquel están presentes, la relación de manganeso – azufre debe ser incrementada. En aceros inoxidables del tipo austenítico con una microestructura doble en el metal aportado, tal como austenita - ferrita delta, es una manera eficaz de prevenir agrietamiento. Por esta razón los metales aportados para estas aleaciones son compuestos para producir de dos a ocho por ciento de ferrita. Gran aumento de ferrita puede afectar adversamente las propiedades del metal depositado.

Cuando se producen grietas en caliente en aleaciones no ferrosas es a causa de que la composición de la aleación presenta una región líquida – sólida extendida sobre un rango amplio de temperatura sobre el diagrama de fases. En tal posición sobre el diagrama, el rango amplio del punto de ampliación del material dendrítico e interdendrítico produce esfuerzos por rechupes sobre la región interdendrítica causando su agrietamiento. En estas aleaciones, el agrietamiento puede ser reducido o eliminado incrementando el contenido de aleaciones del metal depositado, enriqueciendo así su composición logrando con esto que la temperatura de separación líquido sea disminuida. REACCIONES EN ESTADO SÓLIDO

En función del comportamiento de los metales soldados se presenta un número de reacciones en el estado sólido que son importantes como mecanismos de endurecimiento en el mismo metal soldado.

En función de interacciones que suceden durante los procesos de soldadura, hay algunos fenómenos importantes envueltos en transformaciones en el estado sólido y subsecuentes reacciones con disolución de gases en el metal. El mas significante de estos fenómenos es la formación de grietas en frío en la ZAC, frecuentemente referida como debilidad de agrietamiento o agrietamiento retardado.

Este tipo de agrietamiento se presenta en los aceros y particularmente en los aceros que sufren transformaciones a fases duras a partir del enfriamiento en un ciclo térmico, producto de una soldadura; estos tipos de aceros son denominados aceros templables, los cuales poseen una composición que permite la transformación de una fase normal de un acero a una fase dura y altamente tensionada (internamente), tal como la martensita. El defecto mismo de agrietamiento ocurre después que la soldadura ha enfriado, bien sea por debajo de la temperatura de fusión, a veces horas o aún semanas después de efectuada la soldadura. El agrietamiento está asociado a la presencia de hidrógeno en el metal soldado, el cual permanece allí durante la solidificación y subsecuente transformación; por lo tanto este tipo de agrietamiento está asociado con el hidrógeno y la martensita. Las precauciones siguientes son universalmente utilizadas para minimizar el riesgo de la aparición de grietas.

1. Precalentar y controlar las otras variables del proceso las cuales son ajustadas para mantener la velocidad de enfriamiento lo suficiente lenta para no producir fases duras en la soldadura. 2. Excluir el hidrógeno de la atmósfera de la soldadura o difusión rápida del hidrógeno de la martensita formada en la soldadura.

No hay duda de que el hidrógeno produce agrietamiento en aceros templables; sin embargo los detalles fundamentales no están aparentemente relacionados a transformaciones de fases y dependientes de cambios en la solubilidad del hidrógeno durante el enfriamiento.

A temperaturas altas (superior a 800 °C) se encuentra la fase austenítica del acero, en dicha fase el hidrógeno es completamente soluble y durante el enfriamiento, la austenita se transforma a un agregado de ferrita y carburo de hierro, se transforma en martensita, produciéndose una drástica reducción en la solubilidad del hidrógeno. En aceros al carbono esta transformación se produce a una temperatura relativamente alta (cerca de 700 ° C), aún si el enfriamiento es rápido, en consecuencia hay suficiente movilidad para que la cantidad del hidrógeno sacado pueda difundir fuera del metal. Además los productos de transformación originalmente a temperaturas altas (ferrita + carbono) formados en la zona afectada son relativamente dúctiles y resistentes al agrietamiento.

Los aceros templables en un enfriamiento rápido se transforman a muy baja temperatura generalmente por debajo de 400 ° C y a veces cerca de la temperatura ambiente, tal que el hidrógeno es atrapado dentro de una estructura de características dura y frágil, dicha combinación induce al agrietamiento. La asociación del hidrógeno con el agrietamiento ha permitido el desarrollo y uso de electrodos bajos en hidrógeno.

Los electrodos recubiertos bajos en hidrógeno, deben ser mantenidos como sea posible libres de humedad, debido que el agua es un potente suministrador de hidrógeno. Por esta razón los electrodos frecuentemente son suministrados en envases sellados herméticamente. El contacto con la humedad del aire causa hidratación, lo ideal es usar los electrodos inmediatamente al ser sacados del envese sellado.

Cuando esto no es posible los electrodos deben ser almacenados en un ambiente desecado o también a temperaturas de alrededor de 130º C. Es importante tener pendiente que los electrodos que han sido hidratados por exposición a la atmósfera, puede que realmente no sean secados, si la humedad se combinó químicamente con algún constituyente del recubrimiento.

El problema del agrietamiento retardado no es tan severo en el metal aportado; en cambio si lo es en la zona afectada por el calor.

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTOS EN METALES SOLDADOS

Las propiedades mecánicas finales de metales soldados son ampliamente establecidas en el instante que la solidificación termina. Relativamente pocas aplicaciones comerciales de soldaduras, requieren o aún permiten la realización de un completo tratamiento de recalentamiento y por lo tanto la resistencia y la tenacidad de la soldadura dependen primordialmente de la composición de la soldadura y de la técnica que se ha usado en la deposición del metal. Algunas veces la unión soldada recibe un tratamiento térmico posterior a la soldadura, a temperatura lo suficientemente altas como para reducir el endurecimiento de la zona afectada térmicamente y para aliviar las tensiones residuales, pero este tratamiento usualmente no incrementa la resistencia del metal soldado y no incrementa la tenacidad; sin embargo en aceros al carbono se incrementa la tenacidad.

Las propiedades del metal soldado especialmente su resistencia son controladas por los efectos del endurecimiento por solución sólida, y endurecimiento por partículas finas, por esta razón el

contenido de manganeso en aleaciones ferrosas soldadas es usualmente mas alto que el del metal base, aunque el contenido de carbono es necesaria para controlar las grietas en caliente y en frío y para mantener la tenacidad del metal soldado.

La estructura producto de la solidificación del metal depositado es fina, aún cuando a través de la solidificación aparecen grandes dendritas, la ramificación de dendritas finas entre la mayoría de dendritas columnares produce una microestructura fina resultante de los beneficios

de los

mecanismos de endurecimiento.

El endurecimiento por precipitación o endurecimiento martensítico comúnmente no son empleados en metales soldados por que requieren de un tratamiento térmico posterior a la soldadura. Sin embargo en un número limitado de casos, el procedimiento usado en la deposición del metal actual, como un temple para el metal soldado, produce efectos de tratamientos térmicos.