Tratamientos Térmicos Soldadura

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María Nieves Alarcón Soriano
hace 6 años
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1 Tratamientos Térmicos Soldadura

2 Tratamientos Térmicos Definición genérica: es el calentamiento de un metal (parte o pieza) a una temperatura T ad hoc, con un objetivo determinado, por un tiempo definido t. El calentamiento puede tener los siguientes propósitos genéricos: Homogenización Solubilización Transformaciones a T cte. Alivio de tensiones Otros.. Después del calentamiento a {T; t}, se podrá seguir diversos modos de enfriamiento en aceros, para dar lugar a: Recocido: calentamiento a T = A ºC para < 0,8%C, o T = A ºC para > 0,8%C, seguido de un enfriamiento muy lento en horno: perlita gruesa. Normalizado: solubilización en fase γ, a T = A ºC, seguido de un enfriamiento en aire: perlita fina. Esferoidización: homogenización bajo A1, hasta 700ºC, por ~ 24 hrs: estructura globular (α + Fe 3 C). Temple: solubilización en fase γ, seguido de un enfriamiento rápido: martensita. Revenido: homogenización bajo A1, ( ºC), por tiempos variables: martensita revenida (Complemento obligado del temple). 2

3 probeta Templabilidad : Ensayo Jominy (ASTM A255) agua soporte Superficie plana por mecanizado probeta Dureza HRc Chorro de agua a 24ºC Callister 3

4 Efectos sobre la templabilidad (Callister) De los EA en un ZZ40 Del %C en un 86xx 4

5 Dureza de temple en redondos Temple en agua Temple en aceite SAE-1045 SAE

6 Relaciones φ de barra posición - distancia Jominy agua aceite 6

7 Ejemplo de uso: dureza en el φ en 5140 (agua) Callister 7

8 Revenido Tratamiento obligatorio post-temple, en el rango ºC. Condición final de aceros es Q&T (quenched & tempered) Martensita se descompone gradualmente en las fases de equilibrio (α+ Fe 3 C) Martensita pierde tetragonalidad (elimina C disuelto en la estructura BCT), disminuye su dureza, y recupera tenacidad. La evolución de propiedades depende del par (T, t) Otros constituyentes (α, P) no sufren cambios de propiedades bajo condiciones de revenido Calentamiento posterior a T Trev, continúa el proceso de revenido y sus efectos en las propiedades. 8

9 Evolución del Revenido 9

10 Endurecimiento secundario Consecuencia del revenido Causada por precipitación fina de carburos aleados desde martensita EA fuertes formadores de carburos, en vez de Fe (Fe 3 C) EA: Mo, W, Cr, Ti Estos carburos producen una combinación de alta dureza y alta tenacidad, vigentes hasta temperaturas sobre 500ºC Aplicación en el campo de aceros de herramientas 10

11 Aceros de Herramientas Composición (% peso) AISI UNS C W Mo Cr V Comentarios W1 T Water Q S1 T Shock O1 T Oil Q A2 T Air Q D2 T High Cr M1 T High speed 11

12 AISI 4340 Cambios de propiedades en el revenido AISI O1

13 Soldadura = unión 13

Soldadura por procesos de arco Soldadura por arco: es la unión de materiales mediante un plasma de alta temperatura (T > 5000 K), que implica fusión localizada de las partes a unir.

14 Soldadura por procesos de arco Soldadura por arco: es la unión de materiales mediante un plasma de alta temperatura (T > 5000 K), que implica fusión localizada de las partes a unir. En aceros, esto genera temperaturas elevadas en el sólido, dando lugar a transformaciones de fases. En un depósito, se generan zonas de interés, producto del ciclo térmico: ZF, zona fundida, es aquella porción de materia que fue líquida, y solidificó ZAT, zona afectada térmicamente, es aquella zona expuesta a temperaturas entre el líquidus y A1. Nunca fue líquida. Metal base (MB) Zona afectada térmicamente (ZAT) Zona fundida (ZF) 14

15 El proceso SMAW Núcleo del electrodo Pileta líquida Revestimiento Nube gaseosa Escoria Sobremonta Penetración Altura de metal depositado ZAT Metal base (MB) La pileta líquida, y la distribución de T s 15

16 Efectos térmicos en soldadura Sólo referencial 16

17 Calor de aporte, H H=η(V*I /v), [J/mm] η = eficiencia térmica del proceso de soldadura V = tensión, V I = corriente de soldadura, A v = velocidad de pasada, mm/s Temperatura máxima en relación a la ZAT 1/(Tm-To)=1/(Tf-To) + (4,13 BρC/Hn)* y To, Tm = Temperaturas, inicial y máxima (ºC) Tf = Temperatura de fusión (aceros, Tf = 1540ºC) B = espesor del material base (mm) ρ = densidad, C = Calor específico, (ρ*c aceros = 0,0044 (J /mm3 ºC)) y = distancia desde borde de fusión (mm) k = conductividad térmica (aceros k=0,028 (J/mm s ºC) 17

18 Efectos Térmicos en Soldadura T Tf 1/(Tm-To)=1/(Tf-To) + (4,13 BρC/Hn)* y A3 A1 y 18

19 Flujo Térmico en Soldadura: velocidades de enfriamiento 19

20 Velocidad de enfriamiento en la ZAT (A) Condición de plancha gruesa (3d) dt/dt = (2ϖk / H ) ( T To) 2 [ºC / s] (B) Condición de plancha delgada (2d) dt/dt = 2ϖk ρc (B / H) 2 (T To) 3 [ºC/s] Discriminación entre condiciones 2d y 3d: τ = B [ρc(t To)/Hn] ½ τ < 0,75 Plancha delgada τ > 0,75 Plancha gruesa 20

21 Agrietamiento en frío Aparece en el lapso de hrs. después de soldar bajo-cordón 2 de raíz 3 de borde 4 transversal 21

22 Agrietamiento en frío CAUSAS : 1. Elevada dureza en la ZAT. La dureza es función del contenido de carbono y templabilidad (C eq ) del acero base y de la velocidad de enfriamiento impuesta. C eq = C + Mn/6 +(Cu+Ni)/15+ (Cr+V+Mo)/5 2. Presencia de Hidrógeno. Proviene fundamentalmente de revestimientos de electrodo, y de contaminantes orgánicos (aceite, grasa, pinturas) 3. Tensiones residuales. Inevitables, pero eliminables. Se debe realizar PWHT (post-welding heat treatment) 22

23 Dureza de la ZAT Velocidad de enfriamiento en soldadura: dt/dt, la que depende de las variables del proceso dt/dt = A(B p / H q ) (T T o ) r De las variables B, H, y T o, la más manejable es la última, conocida como precalentamiento. Razones para el precalentamiento: (ver AWS D1.1) Disminuye dt/dt Contribuye a reducir esfuerzos por contracción Contribuye a eliminar H de la unión C equivalente: predictor del endurecimiento de la ZAT, vía relación con la templabilidad. Fórmula más usada: la del IIW, o ASTM A6, C eq = C + Mn/6 +(Cu+Ni)/15+ (Cr+V+Mo)/5 C eq 0,30, T o = 20ºC; C eq = 0,30-0,45; T o = ºC; C eq > 0,45, T o > 200ºC. 23

24 Dureza de la ZAT Acero HT 52, 20mm 0.2 C, 1.38 Mn, 0.23Si Ceq = 0,44 Templabilidad media Depósito realizado con: 170A, 25V, 150mm/min. 24

25 El Hidrógeno en la soldadura de aceros H es transportado a la atmósfera del arco y de allí a la poza líquida por el fundente, contaminación superficial, o por el gas de protección. En la medida que ZF se enfría, se supersatura en H, el que difunde hacia la ZAT (en su fase austenítica) Al enfriar rápidamente, H es retenido en γ, la que se convierte en M (o en M+B), en la cual es insoluble. H atrapado en M está en un nivel de alta energía (si se le ayuda, escapará) Tensiones presentes actuarán con el H para convertir defectos de tamaño nano, en microgrietas. La idea fundamental es generar un procedimiento de soldadura, en lo posible, exento de H. Una forma de minimizar el problema es usar el Nomograma de Bailey 25

26 Condiciones para evitar fisuración por Hidrógeno Nomograma de Bailey soldadas con cordones simultáneos 26

27 Tensiones residuales (TR) Esfuerzos autoequilibrantes dejados en el sólido después de procesamiento mecánico o térmico (soldadura). Las TR causan: Aumento en la velocidad del deterioro por fatiga o creep Disminuyen la capacidad de carga en cálculos de fractura Se pueden medir por métodos: No destructivos: difracción de R-X o de neutrones Destructivos: seccionamiento, o método del agujero ciego Se pueden eliminar por métodos Mecánicos (shot peening y otros) Térmicos: PWHT (ver Código ASME) Para aceros: PWHT ~ ºC 27

28 Curvas típicas de PWHT

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