La soldabilidad de los materiales metálicos se refiere a la capacidad de los materiales metálicos para obtener excelentes uniones de soldadura utilizando ciertos procesos de soldadura, incluidos métodos de soldadura, materiales de soldadura, especificaciones de soldadura y formas estructurales de soldadura.Si un metal puede obtener excelentes uniones de soldadura utilizando procesos de soldadura más comunes y simples, se considera que tiene un buen rendimiento de soldadura.La soldabilidad de materiales metálicos generalmente se divide en dos aspectos: soldabilidad de proceso y soldabilidad de aplicación.
Soldabilidad del proceso: se refiere a la capacidad de obtener uniones soldadas excelentes y sin defectos bajo ciertas condiciones del proceso de soldadura.No es una propiedad inherente del metal, sino que se evalúa en función de un determinado método de soldadura y de las medidas específicas del proceso utilizadas.Por lo tanto, el proceso de soldabilidad de materiales metálicos está estrechamente relacionado con el proceso de soldadura.
Soldabilidad de servicio: se refiere al grado en que la unión soldada o toda la estructura cumple con el desempeño en servicio especificado por las condiciones técnicas del producto.El rendimiento depende de las condiciones de trabajo de la estructura soldada y de los requisitos técnicos planteados en el diseño.Por lo general, incluyen propiedades mecánicas, resistencia a la tenacidad a bajas temperaturas, resistencia a la fractura frágil, fluencia a altas temperaturas, propiedades de fatiga, resistencia duradera, resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste, etc. Por ejemplo, los aceros inoxidables S30403 y S31603 de uso común tienen una excelente resistencia a la corrosión y 16MnDR. y los aceros de baja temperatura 09MnNiDR también tienen buena resistencia a la tenacidad a baja temperatura.
Factores que afectan el rendimiento de la soldadura de materiales metálicos.
1.Factores materiales
Los materiales incluyen metal base y materiales de soldadura.En las mismas condiciones de soldadura, los principales factores que determinan la soldabilidad del metal base son sus propiedades físicas y composición química.
En términos de propiedades físicas: factores como el punto de fusión, la conductividad térmica, el coeficiente de expansión lineal, la densidad, la capacidad calorífica y otros factores del metal tienen un impacto en procesos como el ciclo térmico, la fusión, la cristalización, el cambio de fase, etc. , afectando así la soldabilidad.Los materiales con baja conductividad térmica, como el acero inoxidable, tienen grandes gradientes de temperatura, elevadas tensiones residuales y grandes deformaciones durante la soldadura.Además, debido al largo tiempo de residencia a alta temperatura, los granos crecen en la zona afectada por el calor, lo que perjudica el rendimiento de la junta.El acero inoxidable austenítico tiene un gran coeficiente de expansión lineal y una severa deformación y tensión en las juntas.
En términos de composición química, el elemento más influyente es el carbono, lo que significa que el contenido de carbono del metal determina su soldabilidad.La mayoría de los demás elementos de aleación del acero no son propicios para la soldadura, pero su impacto es generalmente mucho menor que el del carbono.A medida que aumenta el contenido de carbono en el acero, aumenta la tendencia al endurecimiento, disminuye la plasticidad y es probable que se produzcan grietas por soldadura.Por lo general, la sensibilidad de los materiales metálicos a las grietas durante la soldadura y los cambios en las propiedades mecánicas del área de la unión soldada se utilizan como indicadores principales para evaluar la soldabilidad de los materiales.Por tanto, cuanto mayor sea el contenido de carbono, peor será la soldabilidad.El acero con bajo contenido de carbono y el acero de baja aleación con un contenido de carbono inferior al 0,25% tienen una excelente plasticidad y tenacidad al impacto, y la plasticidad y tenacidad al impacto de las uniones soldadas después de la soldadura también son muy buenas.No se requiere precalentamiento ni tratamiento térmico posterior a la soldadura durante la soldadura, y el proceso de soldadura es fácil de controlar, por lo que tiene buena soldabilidad.
Además, el estado de fundición y laminación, el estado de tratamiento térmico, el estado organizativo, etc. del acero afectan la soldabilidad en diversos grados.La soldabilidad del acero se puede mejorar refinando o refinando granos y procesos de laminación controlados.
Los materiales de soldadura participan directamente en una serie de reacciones metalúrgicas químicas durante el proceso de soldadura, que determinan la composición, estructura, propiedades y formación de defectos del metal de soldadura.Si los materiales de soldadura se seleccionan incorrectamente y no coinciden con el metal base, no solo no se obtendrá una unión que cumpla con los requisitos de uso, sino que también se introducirán defectos como grietas y cambios en las propiedades estructurales.Por lo tanto, la selección correcta de los materiales de soldadura es un factor importante para garantizar uniones soldadas de alta calidad.
2. Factores del proceso
Los factores del proceso incluyen métodos de soldadura, parámetros del proceso de soldadura, secuencia de soldadura, precalentamiento, postcalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura, etc. El método de soldadura tiene una gran influencia en la soldabilidad, principalmente en dos aspectos: características de la fuente de calor y condiciones de protección.
Los diferentes métodos de soldadura tienen fuentes de calor muy diferentes en términos de potencia, densidad de energía, temperatura máxima de calentamiento, etc. Los metales soldados bajo diferentes fuentes de calor mostrarán diferentes propiedades de soldadura.Por ejemplo, el poder de la soldadura por electroescoria es muy alto, pero la densidad de energía es muy baja y la temperatura máxima de calentamiento no es alta.El calentamiento es lento durante la soldadura y el tiempo de residencia a alta temperatura es largo, lo que resulta en granos gruesos en la zona afectada por el calor y una reducción significativa en la tenacidad al impacto, que debe normalizarse.Mejorar.Por el contrario, la soldadura por haz de electrones, la soldadura por láser y otros métodos tienen baja potencia, pero alta densidad de energía y calentamiento rápido.El tiempo de residencia a alta temperatura es corto, la zona afectada por el calor es muy estrecha y no hay peligro de crecimiento del grano.
Ajustar los parámetros del proceso de soldadura y adoptar otras medidas del proceso, como el precalentamiento, el poscalentamiento, la soldadura multicapa y el control de la temperatura entre capas, pueden ajustar y controlar el ciclo térmico de la soldadura, cambiando así la soldabilidad del metal.Si se toman medidas como el precalentamiento antes de soldar o el tratamiento térmico después de soldar, es completamente posible obtener uniones soldadas sin defectos de grietas que cumplan con los requisitos de rendimiento.
3. Factores estructurales
Se refiere principalmente a la forma de diseño de la estructura soldada y las uniones soldadas, como el impacto de factores como la forma estructural, el tamaño, el espesor, la forma de la ranura de la unión, el diseño de la soldadura y su forma de la sección transversal en la soldabilidad.Su influencia se refleja principalmente en la transferencia de calor y el estado de fuerza.Diferentes espesores de placa, diferentes formas de juntas o formas de ranuras tienen diferentes direcciones y velocidades de transferencia de calor, lo que afectará la dirección de cristalización y el crecimiento del grano del baño fundido.El interruptor estructural, el espesor de la placa y la disposición de la soldadura determinan la rigidez y la restricción de la junta, lo que afecta el estado de tensión de la junta.Una mala morfología del cristal, una concentración severa de tensiones y una tensión de soldadura excesiva son las condiciones básicas para la formación de grietas de soldadura.En el diseño, reducir la rigidez de las juntas, reducir las soldaduras cruzadas y reducir varios factores que causan la concentración de tensiones son medidas importantes para mejorar la soldabilidad.
4. Condiciones de uso
Se refiere a la temperatura de funcionamiento, las condiciones de carga y el medio de trabajo durante el período de servicio de la estructura soldada.Estos entornos de trabajo y condiciones operativas requieren que las estructuras soldadas tengan el rendimiento correspondiente.Por ejemplo, las estructuras soldadas que trabajan a bajas temperaturas deben tener resistencia a la fractura frágil;las estructuras que trabajan a altas temperaturas deben tener resistencia a la fluencia;las estructuras que trabajan bajo cargas alternas deben tener una buena resistencia a la fatiga;estructuras que trabajan en medios ácidos, alcalinos o salinos. El recipiente soldado debe tener una alta resistencia a la corrosión, etc.En resumen, cuanto más severas sean las condiciones de uso, mayores serán los requisitos de calidad para las uniones soldadas y más difícil será garantizar la soldabilidad del material.
Índice de identificación y evaluación de soldabilidad de materiales metálicos.
Durante el proceso de soldadura, el producto sufre procesos térmicos de soldadura, reacciones metalúrgicas, así como tensiones y deformaciones de soldadura, lo que resulta en cambios en la composición química, estructura metalográfica, tamaño y forma, haciendo que el rendimiento de la unión soldada muchas veces sea diferente al de la material base, a veces ni siquiera puede cumplir con los requisitos de uso.Para muchos metales reactivos o refractarios, se deben utilizar métodos de soldadura especiales, como la soldadura por haz de electrones o la soldadura por láser, para obtener uniones de alta calidad.Cuantas menos condiciones de equipo y menos dificultad se requieran para realizar una buena unión soldada a partir de un material, mejor será la soldabilidad del material;por el contrario, si se requieren métodos de soldadura complejos y costosos, materiales de soldadura especiales y medidas de proceso, significa que el material La soldabilidad es pobre.
Al fabricar productos, primero se debe evaluar la soldabilidad de los materiales utilizados para determinar si los materiales estructurales seleccionados, los materiales de soldadura y los métodos de soldadura son apropiados.Existen muchos métodos para evaluar la soldabilidad de materiales.Cada método sólo puede explicar un determinado aspecto de la soldabilidad.Por lo tanto, se requieren pruebas para determinar completamente la soldabilidad.Los métodos de prueba se pueden dividir en tipo de simulación y tipo experimental.El primero simula las características de calentamiento y enfriamiento de la soldadura;este último se prueba según las condiciones reales de soldadura.El contenido de la prueba es principalmente para detectar la composición química, la estructura metalográfica, las propiedades mecánicas y la presencia o ausencia de defectos de soldadura del metal base y el metal de soldadura, y para determinar el rendimiento a baja temperatura, el rendimiento a alta temperatura, la resistencia a la corrosión y Resistencia al agrietamiento de la unión soldada.
Características de soldadura de materiales metálicos de uso común.
1. Soldadura de acero al carbono.
(1) Soldadura de acero con bajo contenido de carbono.
El acero con bajo contenido de carbono tiene bajo contenido de carbono, bajo contenido de manganeso y silicio.En circunstancias normales, no provocará un endurecimiento estructural grave ni un enfriamiento de la estructura debido a la soldadura.Este tipo de acero tiene una plasticidad y tenacidad al impacto excelentes, y la plasticidad y tenacidad de sus uniones soldadas también son extremadamente buenas.Generalmente no se requiere precalentamiento y poscalentamiento durante la soldadura, y no se requieren medidas de proceso especiales para obtener uniones soldadas con calidad satisfactoria.Por lo tanto, el acero con bajo contenido de carbono tiene un excelente rendimiento de soldadura y es el acero con mejor rendimiento de soldadura entre todos los aceros..
(2) Soldadura de acero al carbono medio.
El acero con medio carbono tiene un mayor contenido de carbono y su soldabilidad es peor que el acero con bajo contenido de carbono.Cuando CE está cerca del límite inferior (0,25%), la soldabilidad es buena.A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta la tendencia al endurecimiento y se genera fácilmente una estructura de martensita de baja plasticidad en la zona afectada por el calor.Cuando la soldadura es relativamente rígida o los materiales de soldadura y los parámetros del proceso se seleccionan incorrectamente, es probable que se produzcan grietas en frío.Al soldar la primera capa de soldadura multicapa, debido a la gran proporción del metal base fusionado en la soldadura, el contenido de carbono, azufre y fósforo aumenta, lo que facilita la producción de grietas en caliente.Además, la sensibilidad estomática también aumenta cuando el contenido de carbono es alto.
(3) Soldadura de acero con alto contenido de carbono.
El acero con alto contenido de carbono con CE superior al 0,6% tiene una alta templabilidad y es propenso a producir martensita con alto contenido de carbono, dura y quebradiza.Es probable que se produzcan grietas en las soldaduras y en las zonas afectadas por el calor, lo que dificulta la soldadura.Por lo tanto, este tipo de acero generalmente no se utiliza para realizar estructuras soldadas, sino que se utiliza para fabricar componentes o piezas con alta dureza o resistencia al desgaste.La mayor parte de su soldadura es para reparar piezas dañadas.Estas piezas y componentes deben recocerse antes de la reparación por soldadura para reducir las grietas de la soldadura y luego tratarse térmicamente nuevamente después de la soldadura.
2. Soldadura de aceros de alta resistencia y baja aleación.
El contenido de carbono del acero de baja aleación y alta resistencia generalmente no excede el 0,20% y el total de elementos de aleación generalmente no excede el 5%.Precisamente porque el acero de baja aleación y alta resistencia contiene una cierta cantidad de elementos de aleación, su rendimiento de soldadura es algo diferente al del acero al carbono.Sus características de soldadura son las siguientes:
(1) Grietas de soldadura en uniones soldadas
El acero de baja aleación y alta resistencia agrietado en frío contiene C, Mn, V, Nb y otros elementos que fortalecen el acero, por lo que es fácil de endurecer durante la soldadura.Estas estructuras endurecidas son muy sensibles.Por lo tanto, cuando la rigidez es grande o la tensión de restricción es alta, un proceso de soldadura inadecuado puede causar fácilmente grietas en frío.Además, este tipo de fisura tiene cierto retraso y es sumamente perjudicial.
Grietas por recalentamiento (SR) Las grietas por recalentamiento son grietas intergranulares que ocurren en el área de grano grueso cerca de la línea de fusión durante el tratamiento térmico de alivio de tensión posterior a la soldadura o durante la operación a alta temperatura a largo plazo.En general, se cree que ocurre debido a la alta temperatura de la soldadura que hace que V, Nb, Cr, Mo y otros carburos cerca de la HAZ sean sólidos disueltos en la austenita.No tienen tiempo de precipitarse durante el enfriamiento después de la soldadura, pero se dispersan y precipitan durante el PWHT, fortaleciendo así la estructura cristalina.En el interior, la deformación por fluencia durante la relajación de tensiones se concentra en los límites de los granos.
Las juntas soldadas de acero de baja aleación y alta resistencia generalmente no son propensas a recalentar grietas, como 16MnR, 15MnVR, etc. Sin embargo, para los aceros de baja aleación y alta resistencia de las series Mn-Mo-Nb y Mn-Mo-V, como 07MnCrMoVR, dado que Nb, V y Mo son elementos que tienen una gran sensibilidad al agrietamiento por recalentamiento, este tipo de acero debe tratarse durante el tratamiento térmico posterior a la soldadura.Se debe tener cuidado para evitar el área sensible a la temperatura de las grietas de recalentamiento para evitar la aparición de grietas de recalentamiento.
(2) Fragilización y ablandamiento de uniones soldadas.
Fragilización por envejecimiento por deformación Las uniones soldadas deben someterse a varios procesos en frío (cizallado en blanco, laminado en barril, etc.) antes de soldar.El acero producirá deformación plástica.Si el área se calienta aún más a entre 200 y 450 °C, se producirá envejecimiento de la cepa..La fragilización por envejecimiento por deformación reducirá la plasticidad del acero y aumentará la temperatura de transición frágil, lo que provocará una fractura frágil del equipo.El tratamiento térmico posterior a la soldadura puede eliminar dicho envejecimiento por deformación de la estructura soldada y restaurar la tenacidad.
Fragilización de soldaduras y zonas afectadas por el calor La soldadura es un proceso de calentamiento y enfriamiento desigual, que da como resultado una estructura desigual.La temperatura de transición frágil de la soldadura (WM) y la zona afectada por el calor (HAZ) es más alta que la del metal base y es el eslabón débil de la unión.La energía de la línea de soldadura tiene un impacto importante en las propiedades del acero de alta resistencia WM y HAZ de baja aleación.El acero de baja aleación y alta resistencia es fácil de endurecer.Si la energía de la línea es demasiado pequeña, aparecerá martensita en la ZAT y provocará grietas.Si la energía de la línea es demasiado grande, los granos de WM y HAZ se volverán gruesos.Hará que la articulación se vuelva quebradiza.En comparación con el acero normalizado y laminado en caliente, el acero templado y revenido con bajo contenido de carbono tiene una tendencia más grave a la fragilización de la HAZ causada por una energía lineal excesiva.Por lo tanto, al soldar, la energía de la línea debe limitarse a un rango determinado.
Ablandamiento de la zona afectada por el calor de las uniones soldadas Debido a la acción del calor de soldadura, el exterior de la zona afectada por el calor (HAZ) del acero templado y revenido con bajo contenido de carbono se calienta por encima de la temperatura de revenido, especialmente el área cercana a Ac1. lo que producirá una zona de ablandamiento con resistencia reducida.El ablandamiento estructural en la zona HAZ aumenta con el aumento de la energía de la línea de soldadura y la temperatura de precalentamiento, pero generalmente la resistencia a la tracción en la zona ablandada sigue siendo mayor que el límite inferior del valor estándar del metal base, por lo que la zona afectada por el calor de este tipo de acero se ablanda. Siempre que la mano de obra sea la adecuada, el problema no afectará el rendimiento de la unión.
3. Soldadura de acero inoxidable
El acero inoxidable se puede dividir en cuatro categorías según sus diferentes estructuras de acero: acero inoxidable austenítico, acero inoxidable ferrítico, acero inoxidable martensítico y acero inoxidable dúplex austenítico-ferrítico.A continuación se analiza principalmente las características de soldadura del acero inoxidable austenítico y del acero inoxidable bidireccional.
(1) Soldadura de acero inoxidable austenítico
Los aceros inoxidables austeníticos son más fáciles de soldar que otros aceros inoxidables.No habrá transformación de fase a ninguna temperatura y no es sensible a la fragilización por hidrógeno.La junta de acero inoxidable austenítico también tiene buena plasticidad y tenacidad en estado soldado.Los principales problemas de la soldadura son: grietas en caliente, fragilidad, corrosión intergranular y corrosión por tensión, etc. Además, debido a la mala conductividad térmica y al gran coeficiente de expansión lineal, la tensión y la deformación de la soldadura son grandes.Al soldar, la entrada de calor de soldadura debe ser lo más pequeña posible, no debe haber precalentamiento y se debe reducir la temperatura entre capas.La temperatura de las capas intermedias debe controlarse por debajo de 60 °C y las uniones soldadas deben estar escalonadas.Para reducir el aporte de calor, no se debe aumentar excesivamente la velocidad de soldadura, pero sí se debe reducir adecuadamente la corriente de soldadura.
(2) Soldadura de acero inoxidable bidireccional austenítico-ferrítico
El acero inoxidable dúplex austenítico-ferrítico es un acero inoxidable dúplex compuesto por dos fases: austenita y ferrita.Combina las ventajas del acero austenítico y del acero ferrítico, por lo que tiene las características de alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y fácil soldadura.Actualmente, existen tres tipos principales de acero inoxidable dúplex: Cr18, Cr21 y Cr25.Las principales características de este tipo de soldadura de acero son: menor tendencia térmica en comparación con el acero inoxidable austenítico;menor tendencia a la fragilización después de la soldadura en comparación con el acero inoxidable ferrítico puro, y el grado de engrosamiento de la ferrita en la zona afectada por el calor de la soldadura también es menor, por lo que la soldabilidad es mejor.
Dado que este tipo de acero tiene buenas propiedades de soldadura, no se requiere precalentamiento ni poscalentamiento durante la soldadura.Las placas delgadas deben soldarse mediante TIG y las placas medianas y gruesas se pueden soldar mediante soldadura por arco.Cuando se suelda por arco, se deben utilizar varillas de soldadura especiales con una composición similar a la del metal base o varillas de soldadura austeníticas con bajo contenido de carbono.Los electrodos de aleación a base de níquel también se pueden utilizar para acero bifásico tipo Cr25.
Los aceros de doble fase tienen una mayor proporción de ferrita, y las tendencias inherentes a la fragilización de los aceros ferríticos, como la fragilidad a 475 °C, la fragilidad por precipitación de la fase σ y los granos gruesos, todavía existen, sólo debido a la presencia de austenita.Se puede obtener cierto alivio mediante el efecto de equilibrio, pero aún así es necesario prestar atención al soldar.Al soldar acero inoxidable dúplex sin Ni o con bajo contenido de Ni, existe una tendencia a que la ferrita monofásica y el grano se engrosen en la zona afectada por el calor.En este momento, se debe prestar atención al control de la entrada de calor de soldadura y tratar de utilizar corriente pequeña, alta velocidad de soldadura y soldadura de canal estrecho.Y soldadura multipasada para evitar el engrosamiento del grano y la ferriteización monofásica en la zona afectada por el calor.La temperatura entre capas no debe ser demasiado alta.Lo mejor es soldar la siguiente pasada después del enfriamiento.
Hora de publicación: 11 de septiembre de 2023