Tratamientos Térmicos Soldadura

Tratamientos Térmicos
Soldadura
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
Recocido: calentamiento a T = A3 +
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:
15-40ºC para < 0,8%C, o T = A1 + 1540ºC para > 0,8%C, seguido de un
enfriamiento muy lento en horno:
perlita gruesa.
Normalizado: solubilización en fase
γ, a T = A3 + 55-85ºC, seguido de un
enfriamiento en aire: perlita fina.
Esferoidización: homogenización
bajo A1, hasta 700ºC, por ~ 24 hrs:
estructura globular (α + Fe3C).
Temple: solubilización en fase γ,
seguido de un enfriamiento rápido:
martensita.
Revenido: homogenización bajo A1,
(200-650ºC), por tiempos variables:
martensita revenida (Complemento
obligado del temple).
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probeta
agua
Templabilidad : Ensayo Jominy
(ASTM A255)
soporte
Superficie
plana por
mecanizado
probeta
Dureza HRc
Chorro de
agua a 24ºC
Callister
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Efectos sobre la templabilidad (Callister)
De los EA en un ZZ40
Del %C en un 86xx
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Dureza de temple en redondos
Temple en agua
SAE-1045
Temple en aceite
SAE-6140
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Relaciones φ de barra – posición - distancia Jominy
aceite
agua
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Ejemplo de uso: dureza en el φ en 5140 (agua)
Callister
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Revenido
• Tratamiento obligatorio post-temple, en el rango 200-600ºC.
•Condición final de aceros es Q&T (quenched & tempered)
• Martensita se descompone gradualmente en las fases de
equilibrio (α+ Fe3C)
• 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.
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Evolución del Revenido
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Endurecimiento secundario
• Consecuencia del revenido
• Causada por precipitación
fina de carburos aleados desde
martensita
• EA fuertes formadores de
carburos, en vez de Fe (Fe3C)
• 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
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Aceros de Herramientas
Composición (% peso)
AISI
UNS
C
W
Mo
Cr
V
W1
T72301
0.6-1.4
S1
T41901
0.5
2.5
1.5
Shock
O1
T31501
0.9
0.5
0.5
Oil Q
A2
T30102
1.0
1.0
5.0
Air Q
D2
T30402
1.5
1.0
12.0
1.0
High Cr
M1
T11301
0.85
8.5
4.0
1.0
High speed
Comentarios
Water Q
1.5
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AISI 4340
Cambios de
propiedades en el
revenido
AISI O1
Soldadura = unión
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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:
Metal base (MB)
Zona afectada
térmicamente (ZAT)
Zona fundida (ZF)
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.
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El proceso SMAW
Núcleo del electrodo
Revestimiento
Nube
gaseosa
Pileta líquida
Sobremonta
Escoria
Penetración
Altura de metal
depositado
ZAT
Metal base (MB)
La pileta líquida, y la
distribución de T’s
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Efectos térmicos en soldadura
Sólo referencial
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Calor de aporte, H
η
V
I
v
= eficiencia térmica del proceso de soldadura
= tensión, V
= corriente de soldadura, A
= velocidad de pasada, mm/s
Temperatura máxima
en relación a la ZAT
To, Tm
Tf
B
ρ
y
k
H=η(V*I /v), [J/mm]
1/(Tm-To)=1/(Tf-To) + (4,13 BρC/Hn)* y
= Temperaturas, inicial y máxima (ºC)
= Temperatura de fusión (aceros, Tf = 1540ºC)
= espesor del material base (mm)
= densidad,
C = Calor específico,
(ρ*C aceros = 0,0044 (J /mm3 ºC))
= distancia desde borde de fusión (mm)
= conductividad térmica (aceros k=0,028 (J/mm s ºC)
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Efectos Térmicos en Soldadura
T
Tf
1/(Tm-To)=1/(Tf-To) + (4,13 BρC/Hn)* y
A3
A1
y
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Flujo Térmico en Soldadura: velocidades de enfriamiento
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Velocidad de enfriamiento en la ZAT
(A) Condición de plancha gruesa (3d)
dT/dt = (2\k / H ) ( T – To)2
[ºC / s]
(B) Condición de plancha delgada (2d)
dT/dt = 2\k 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
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Agrietamiento en frío
Aparece en el lapso de 24-72
hrs. después de soldar
2
4
1 bajo-cordón
2 de raíz
3 de borde
3
1
4 transversal
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Agrietamiento en frío
CAUSAS :
1. Elevada dureza en la ZAT. La dureza es función del
contenido de carbono y templabilidad (Ceq) del acero
base y de la velocidad de enfriamiento impuesta.
Ceq = 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)
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Dureza de la ZAT
Velocidad de enfriamiento en soldadura: dT/dt, la que depende de las
variables del proceso
dT/dt = A(Bp / Hq) (T – To)r
De las variables B, H, y To, 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,
Ceq = C + Mn/6 +(Cu+Ni)/15+ (Cr+V+Mo)/5
Ceq ≤ 0,30, To = 20ºC; Ceq = 0,30-0,45; To = 100-200ºC; Ceq > 0,45, To > 200ºC.
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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.
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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
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Condiciones para evitar fisuración por Hidrógeno
Nomograma de Bailey
soldadas con cordones
simultáneos
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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 ~ 500 – 650ºC
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Curvas típicas de PWHT
760
650
540
430
315
205
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