Tema 1. Conocimientos de la metalurgia y del sector

Según el diccionario de la Real Academia Española (RAE), metalurgia puede  hacer alusión a las siguientes definiciones:

• Arte de beneficiar los minerales y de extraer los metales que  contienen, para ponerlos en disposición de ser elaborados.
• Ciencia y técnica que trata de los metales y de sus aleaciones.
• Conjunto de industrias, en particular las pesadas, dedicadas a la  elaboración de metales.

La opción que más se puede ajustar a lo que vamos a ver son las dos últimas,  prestando atención a que la parte de la metalurgia que se centra en los  procesos de soldadura, tema que centra este manual, se basa en los diferentes  procedimientos de calentamiento, fusión, solidificación y enfriamiento del  material. 

Así, durante el proceso de soldeo se dan los siguientes fenómenos metalúrgicos:

• Fusión.
• Solidificación.
• Reacción entre el metal y el gas.
• Diferentes fenómenos superficiales.
• Reacciones de estado sólido.

En este sentido, podemos decir que el cordón de soldadura es el resultado  final de estos diferentes fenómenos que se dan de forma muy rápida. Por ello,  para obtener una buena soldadura, se deben controlar diferentes variables que  desemboquen en la consecución de una buena estructura final.

El siguiente esquema muestra cuáles son los pasos que intervienen en el proceso  de soldeo. 

Las variables operativas son los diferentes métodos de soldadura, el buen  manejo de los materiales y las diferentes condiciones externas, sin olvidar que  durante la generación de la estructura, se forman cristales en el proceso de  solidificación.

Las propiedades mecánicas son aquellas que determinan el comportamiento de  un material bajo diferentes fuerzas.

La soldadura se puede dividir en dos estructuras diferentes, una estructura  primaria y una secundaria, las cuales hay que conocer a la perfección para poder  realizar una soldadura de calidad. Por ello, vamos a verlas en los siguientes  epígrafes.

PUNTO 1 ESTRUCTURA PRIMARIA 

Esta estructura se produce con la fundición de los metales, aunque no haya  metales de aporte. Como los metales que se van a soldar pueden ser diferentes,  hay que escoger muy bien el metal de aporte ya que este puede cambiar las  propiedades mecánicas que tendrá la soldadura.

La cristalización de los materiales es un proceso complicado donde se dan  diferentes fenómenos:

• El primero de los fenómenos comienza con el inicio del proceso  de soldadura, donde el número de cristales va aumentando y, a  medida que esta cristalización aumenta, también crece el tamaño  de los cristales. Este aumento del tamaño de los cristales hace que, en un momento preciso, los cristales estén en contacto, por lo que  la velocidad de generación de cristales disminuye.
• El segundo de los fenómenos es cómo crecen los cristales. Esto  es así debido a que los cristales crecen de forma regular mientras  se encuentran en el medio líquido, pero en el momento en que  empiezan a tocarse los cristales, estos crecen de forma irregular, lo  que dictará la estructura final.
• El último de los fenómenos es la solidificación del material y las  diferentes transformaciones que se dan en estado sólido.

La solidificación durante las soldaduras hace referencia a las transformación  del estado líquido en sólido y está dirigida por un proceso de nucleación y el  crecimiento de los cristales, así como de la orientación y diferentes distribuciones  de los granos que se producen. Esta solidificación definirá las propiedades  mecánicas finales de la soldadura.

1.1. La dirección de crecimiento de los granos

El crecimiento de los cristales siempre se produce en la misma dirección en  que se encuentran los granos del metal base. Esto es lo que se conoce como  crecimiento epitaxial.

Pero este crecimiento también depende de la pileta líquida, que es la parte  fundida del metal. Si la velocidad de avance del líquido es lenta, este tiende a  tener forma elíptica, mientras que si es rápida, la forma que adopta es en forma  de gota.

Este crecimiento se puede entender más fácilmente con los diagramas de  estado, que son representaciones gráficas de cómo se encuentra una aleación.  Para entender la estructura primaria es esencial entender el diagrama hierro- carbono.

El siguiente diagrama se extiende desde el hierro hasta el carbono, pasando  por diferentes etapas intermedias para los dos elementos, pero solo se suele  considerar la parte que va desde el hierro hasta el carburo de hierro, compuesto  llamado cementita. Esto se debe a que la cementita contiene un 6.6% de  carbono. Esto está justificado porque en la práctica se emplean aleaciones cuyo  contenido de carbono no supera el 5%. 

                                   Diagrama de estado Fe-C

Entre los constituyentes que se encuentran dentro de este 6.6% están la ferrita,  la cementita, la perlita, la austenita, la troostita, la bainita, la ledeburita, la  esteadita y el grafito.

Sabiendo cada una de estas estructuras, y teniendo el diagrama de estado,  podemos elegir el tipo de aleación más indicada a la hora de realizar la soldadura.

PUNTO 2. ESTRUCTURA SECUNDARIA

Cuando el acero que acaba de solidificar se enfría hasta temperatura ambiente  se producen transformaciones que dan lugar a la estructura secundaria. Esta  velocidad de enfriamiento hace que las transformaciones no sean de equilibrio,  por lo que ahora se deben utilizar otro tipo de gráficos como son los diagramas  temperatura-transformación-tiempo (diagramas TTT).

Estos gráficos pueden ser modificados por los siguientes factores:

• Composición química del acero. Aquí encontramos elementos  que pueden mover las líneas hacia la derecha (C, Ni, Mn, Si, Cu) y  elementos que cambian la forma (Cr, Mo, V).
• Tamaño del grano. Si el tamaño del grano austenítico es grande  puede llegar a bajar la superficie de borde del grano que se debe  nuclear.
• Heterogeneidad de la austenita.
• El enfriamiento de la zona que ha sido afectada por el calor (ZAC).  Cómo se comporta la zona que se encuentra próxima a la zona  de fusión depende de la naturaleza del material y del proceso  utilizado.

Existe una serie de elementos que hacen que las condiciones de soldeo puedan  llegar a influir en el enfriamiento de la pieza:

• La energía del arco (Joule/pulgada). Cuanto mayor es la energía  del arco menor es la velocidad de enfriamiento. Esta energía del  arco se puede variar con el uso de electrodos de menor diámetro,  con una menor corriente de soldadura o con una mayor velocidad  de avance.
• El espesor del metal base.  Cuanto mayor es el espesor del metal  base, más rápido se da el enfriamiento.
• Temperatura del metal base. A mayor temperatura a la que se  encuentra el metal base antes de la soldadura, menor será la  velocidad de enfriamiento ya que se debe evacuar más calor.

PUNTO 3. LA SOLDABILIDAD

La soldabilidad es la capacidad de algunos metales de poder ser unidos formando  una sola masa. Pero esta masa final debe tener una serie de propiedades  mecánicas y físico-químicas adecuadas.

Son tres los aspectos que se engloban en la soldabilidad de un metal:

• Soldabilidad metalúrgica.  Esta es la capacidad de no sufrir  transformaciones en su estructura o en sus propiedades físico- químicas durante el proceso del soldeo.
• Soldabilidad operativa.  Es lo que representa a la soldadura en sí  misma, es decir, las cuestiones tecnológicas.
• Soldabilidad constructiva. Son las propiedades del metal base,  que pueden a llegar a producir fallas en la unión de soldadura.

Los principales factores que afectan a la soldabilidad son:

• Tipo y espesor de metal base.
• Elementos aleantes.
• Tipo de proceso de soldadura.
• Velocidad de enfriamiento.
• Energía.
• Temperatura inicial de los metales.