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U�IVERSIDAD �ACIO�AL EXPERIME�TAL POLITEC�ICA
“A�TO�IO JOSE DE SUCRE”
VICE – RECTORADO BARQUISIMETO
AUTOR: Ing. Samuel Peraza
Recopilado por: Ing. Grisel Cordero
Barquisimeto, Enero 2005
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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 (van a la escoria)
2 Al + 3/2 02 Al203
Mn + 1/2 02 Mn0
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.
