SOLDABILIDAD DE MATERIALES DISIMILES

En la actualidad el creciente uso de la soldadura por fusión de materiales disimiles, tanto en producción como en mantenimiento, conlleva la necesidad de optimizar el uso de los materiales según sus propiedades específicas. Por tanto este estudio pretende formar sobre los distintos criterios de selección de materiales de aporte y la factibilidad de la soldadura entre materiales con diferencias en su composición o propiedades. Introducción Consideramos como materiales disí­miles a aquellos que sean químicamente diferentes como en el caso de la unión de Al con Cu; o aquellos con distinto porcentaje de aleación, como acero al carbono con acero inoxidable; o de estructuras metalúrgicas distintas, como un acero ferrítico con un acero austenítico. Además, las distintas com­binaciones pueden ser entre metales base, metal de aporte o metal de soldadura. La mayoría de las uniones entre metales disímiles pueden ser realizadas por soldadura en estado sólido (explo­sión, fricción o ultrasonido) o brazing (soldadura fuerte), donde la aleación entre los metales es normalmente in­significante. En estos casos sólo se considera la diferencia de las propiedades mecánicas y físicas de los metales base y su influencia en las condiciones de servicio de la unión (Fig. 1). Soldaduras por fricción: a) Convencional b) Orientación corregida con giro luego de la soldadura. Cuando la unión de los metales disímiles se realiza por un proceso de soldadura por fusión, la aleación entre los metales base y metal de aporte - cuando éste es usa­do— es importante y requerirá una ma­yor consideración, dado que el metal de soldadura resultante puede com­portarse muy diferente a uno o a am­bos metales base. La unión de metales con importan­tes diferencias en las propiedades quí­micas, mecánicas y físicas, puede pre­sentar problemas durante y después de la soldadura. La combinación pue­de ser de dos o tres metales diferentes, siendo uno de ellos el metal de aporte. La composición del metal de solda­dura resultante puede diferir de la de cualquiera de los componentes y varia­rá con: • Diseño de la junta. • Proceso de soldadura. • Metal de aporte. • Procedimiento de soldadura. En consecuencia, antes de realizar la construcción, se deben establecer estos factores y los tratamientos tér­micos realizados a la estructura solda­da, así como evaluarse sus propieda­des, ya que el propósito de una solda­dura es el de producir una unión apta para los requerimientos de servicio. La presente información tratará sobre los fundamentos de la soldadura por fusión de los citados materiales, así como sobre la selección de los pro­cesos y procedimientos de soldadura. Fundamentos En la soldadura de metales disí­miles unidos por fusión, las consideraciones más importantes son la composición y las propiedades del metal de soldadura. La composición depende funda­mentalmente de la base, del aporte y de la dilución relativa entre ellos; generalmente aquélla no es uniforme, en especial en soldaduras de multipasadas donde habrá un gradiente de composición desde el metal de solda­dura a cada metal base. Las características de solidificación del metal de soldadura son influencia­das por la dilución relativa y el gra­diente de composición adyacente a ca­da metal base. Estas características son importantes con respecto a la fisuración en caliente del metal de soldadu­ra durante la solidificación. En resumen, cuando se diseña una junta de metales disímiles, los facto­res a considerar son: •   Las características metalúrgicas de la unión, es decir, la aleación resul­tante. •   Las propiedades mecánicas. •   Las propiedades físicas. Aleación y dilución Durante la soldadura por fusión, cada metal que partícipe es fundido en un baño de fusión. En la solidificación, el metal de sol­dadura puede tener una fase o mezcla de dos o más fases. Estas fases pueden ser una solución sólida de sustitución (Cu-Ni), una solución sólida intersticial (ferrita), o un compuesto intermetáli­co (Fe3C, TiC) (fig. 2).  El número, ti­po, cantidad y ordenación metalúrgica de las fases presentes determinan las propiedades y resistencia del metal de soldadura. El enfriamiento y la solidificación tienen un efecto importante sobre las fases presentes, y por consiguiente, en la estructura metalúrgica. En la soldadura de metales disimiles el metal de aporte debe aceptar la dilución con el metal base sin que se produzca una microestructura sensible a la rotura. La microestructura del metal de sol­dadura debe ser estable bajo las condi­ciones de servicio y su resistencia ten­drá que ser mayor o equivalente a la del metal base menos resistente. En la mayoría de los procesos de soldadura por fusión se produce una agitación importante del baño, lo que contribuye a producir un metal de soldadura con una composición unifor­me. En soldaduras de multipasadas, la composición de cada cordón soldado puede ser relativamente uniforme; sin embargo, probablemente sean de com­posición diferente los cordones de raíz y los adyacentes a los metales base. Se puede calcular la composición del metal de soldadura cuando se conoce: • Proporción del volumen de metal base fundido en el volumen total del metal de soldadura. • Composición de los metales base y de aporte. La figura 3 muestra cómo se de­termina la dilución entre dos metales base (A) y (B) soldados con un metal de aporte (C), y en la figura 4 se pue­den observar algunos ejemplos de dilu­ción. El porcentaje promedio correspon­diente a un determinado elemento de aleación en el metal de soldadura pue­de calcularse con la ecuación siguiente: Xs = (DA)(XA) + (DB)(XB) + (1 – Dr)(XC) Se ilustra este cálculo con la obten­ción de los elementos diluidos en una unión entre acero inoxidable tipo 316 y acero 2 1/4 Cr  1 Mo, soldados con un metal de aporte base níquel del tipo ENiCrFe-3. La composición nominal de las tres aleaciones se encuentra en la tabla I. TABLA I Composición nominal de las aleaciones en estudio. Se estima una dilución total Dj: 35%, una dilución Dcr.Mo = 15 % y una dilución D316: 20% Cr % = 0,15 X (2,5) + 0,2 X (17) + + 0,65 X (16)= 14,18 Ni % = 0,20 X (12) + 0,65 (68) = 46,60 Mo % = 0,15 X (1,0) + 0,2 X (2,5) = 0,65 Temperaturas de fusión Las juntas de materiales disímiles realizadas por soldadura requieren una fusión simultánea de los metales base. Si las temperaturas de fusión son pró­ximas, con una diferencia menor de 100 °C, los procedimientos y técnicas de soldadura serán normales, pero cuando esta diferencia es mayor la sol­dadura es más compleja. En realidad, para poder unir estos metales disímiles es necesario usar soldadura Brazing o soldadura al estado sólido (explosión, fricción o ultrasónica). La tabla II compara las temperaturas de fusión y otras importantes propiedades físi­cas de varios metales referidas al acero al carbono. Observando dicha tabla, se verá la dificultad para unir aluminio con acero o con las aleaciones de ní­quel.  TABLA II Comparación de las propiedades físicas de varios metales respecto al acero C. Una diferencia significativa en la temperatura de fusión de los metales base o del metal de soldadura y el me­tal base, puede resultar en la rotura del metal que tenga menor temperatura de fusión debido a que la solidificación y contracción del metal con alta tempe­ratura de fusión induce tensiones en el otro metal, que aún está dilatado y con menor resistencia por encontrar­se parcialmente solidificado. Este problema puede ser resuelto depositando una o más pasadas de un metal de aporte con una temperatura de fusión intermedia sobre la cara del chaflán del metal base de mayor tem­peratura de fusión. Conductividad térmica La mayor parte de los metales y aleaciones son buenos conductores del calor, pero algunos lo son mucho más que otros. Cuando dos metales disími­les de diferente conductividad térmica se sueldan, el procedimiento debe ser preparado teniendo en cuenta estas di­ferencias. Se debe dirigir la fuente de calor al metal de mayor conductividad térmica para obtener un conveniente balance térmico. La dilución es más uniforme con un balance del calentamiento y además, precalentando el metal de mayor conductividad térmica, se redu­ce la velocidad de enfriamiento del me­tal de soldadura y de la ZAC. El efecto neto del precalentamiento es reducir el calor necesario para fundir el metal base. Expansión térmica Una gran diferencia en los coefi­cientes de expansión térmica de meta­les adyacentes, puede inducir durante el enfriamiento tensiones de tracción en uno de los metales, y tensiones de compresión en el otro. E1 metal expuesto a tensiones de tracción puede fisurar en caliente du­rante la soldadura o puede fisurar en frío durante el servicio, a menos que las tensiones sean relevadas tér­mica o mecánicamente. El coeficiente de expansión térmi­ca lineal α, puede ser definido como un cambio en la deformación Δϵ, con respecto a un cambio de temperatura ΔT, es decir: Esta característica es propia para cada aleación y se expresa comúnmente como: Donde el cambio o variación de longitud sobre la longitud inicial ΔL/L representa el cambio en la deformación Δϵ. La tensión σ en la ZAC de uno de los metales asociados con la interface del metal de soldadura disímil, puede ser estimada usando la siguiente ecua­ción: Donde E es el módulo elástico del metal y Δα es la diferencia de los coeficientes de expansión térmica li­neal entre los dos metales. Por lo tanto, decimos que la dife­rencia o desigualdad de los coeficien­tes de expansión térmica entre los me­tales de una junta de metales disímiles, produce tensiones en la junta soldada. Este factor es particularmente im­portante en juntas donde se opera con elevadas temperaturas que varían en forma cíclica. Un ejemplo común es la unión de acero inoxidable austenítico con acero ferrítico para juntas de tubos usados en centrales térmicas de generación de vapor. Idealmente, el coeficiente lineal de expansión térmica del metal de sol­dadura debe ser intermedio entre los dos metales base. Si la diferencia es pe­queña, el coeficiente de expansión tér­mica del metal de soldadura puede ser equivalente a uno de los metales base. La dilución del metal depositado puede afectar su coeficiente de expan­sión. Por ejemplo, la dilución de ní­quel puro con cobre tiende a incre­mentarlo, mientras que diluido con Fe, Cr o Mo tiende a ser menor. Precalentamiento y tratamiento térmico posterior La selección de un precalentamien­to o tratamiento térmico posterior correcto para juntas soldadas se complica para algunas combinaciones de metales disímiles. Si se debe soldar una aleación que requiere precalentamiento a otra que no lo requiere, puede aplicarse el pre­calentamiento en forma independiente del lado de la junta que lo necesite. Además, un tratamiento térmico que es apropiado para un componente de la junta o estructura soldada, puede ser nocivo para el otro componente bajo determinadas condiciones de servicio. Por ejemplo, si una aleación Ni-Cr endurecible por envejecimiento se suel­da a un acero inoxidable austenítico no estabilizado y la pieza se somete a un tratamiento térmico de envejeci­miento para el Ni-Cr, sensibilizará el acero inoxidable, decayendo su resis­tencia a la corrosión intergranular. Una solución es usar un acero inoxidable austenítico estabilizado, y otra sería enmantecar la cara de la junta corres­pondiente a la aleación endurecible por envejecimiento con una aleación de Ni-Cr similar pero que no endu­rezca por envejecimiento, la pieza luego se trata térmicamente, y finalmen­te, la superficie enmantecada se suelda al acero inoxidable austenítico. Esto se muestra en la figura 5. Efectos magnéticos Los campos magnéticos, ya sean in­ducidos o permanentes, pueden interactuar con el arco eléctrico de corrien­te continua produciendo un campo de fuerzas que causan deflexión o soplo magnético del arco, afectando la trans­ferencia metálica (fig. 6). Cuando sólo uno de los metales sol­dados es ferromagnético, el arco de co­rriente continua puede desviarse hacia un lado de la junta produciendo ex­cesiva dilución, como así también una fusión incompleta de raíz; esto puede tener lugar cuando se une acero al carbono con aleaciones de base níquel y se soluciona empleando un arco de corriente alterna. Interacción metal base-metal de soldadura La penetración del metal de solda­dura dentro de los bordes de grano-en la ZAC del metal base, puede producir fisuración intergranular en la misma. Normalmente, la tendencia para que esto ocurra es gobernada por la forma­ción de películas líquidas fragilizantes. Por ejemplo, el cobre fundido puede penetrar en los bordes de grano de un acero al carbono durante la soldadura. El grado de penetración puede ser grande cuando se precalienta el metal base. Diseño de juntas Cuando se diseñan juntas a tope entre metales disímiles se debe considerar las características de fusión de cada metal base y del metal de aporte, así como el efecto de la dilución. Con un bisel grande decrece la dilución, permite mejorar el control de la vis­cosidad del metal de soldadura y ade­más da lugar a una mejor manipula­ción del arco logrando una buena fu­sión. £1 diseño de la junta puede proveer una dilución apropiada en las primeras pasadas cuando la soldadura se realiza de un solo lado. Una dilución inconve­niente puede dar como resultado capas de metal de soldadura que posean pro­piedades mecánicas inapropiadas para las condiciones de servicio, particular­mente cuando la junta va a estar so­metida a cargas cíclicas. Para solda­duras de ambos lados, debe repelarse la pasada de raíz para proveer un mejor control de la dilución en la pri­mera pasada del otro lado. Consideraciones de servicio Propiedades mecánicas y físicas Normalmente una junta de metales disímiles contiene un metal de solda­dura con una composición diferente de uno u otro metal base. Las propieda­des del metal de soldadura dependen de la composición del metal de aporte, del procedimiento y de la dilución re­lativa con cada metal base. Existen, además, dos diferentes ZAC, una en cada metal base adyacente al metal de soldadura; por lo tanto, desde el punto de vista de las propiedades me­cánicas y físicas requeridas para las condiciones de servicio, se deberá considerar el metal de soldadura así como las dos ZAC. Se deben tomar precauciones espe­ciales si la junta de metales disímiles va a trabajar en servicio a elevada tem­peratura. Una situación favorable se presenta cuando la junta trabaja a tem­peratura constante, ya que durante el servició a elevada temperatura las ten­siones internas pueden reducirse por relajación y se equilibran. En cambio, si se opera con grandes fluctuaciones de temperatura, se deberán seleccio­nar metales de base, con similares ca­racterísticas de expansión térmica. En caso de no ser esto posible, una alter­nativa es poner un tercer metal entre los dos metales base que tenga carac­terísticas de expansión térmica inter­media, como se ve en la figura 7.  Similar razonamiento puede ser aplicado en la selección del metal de aporte. En la unión soldada encontramos varias regiones metalúrgicamente dife­rentes cuyas propiedades son particu­larmente importantes cuando la junta se ve expuesta a servicios de tempe­raturas cíclicas; dichas propiedades in­cluyen: — Coeficiente de expansión térmica — Módulo elástico — Límite de fluencia — Tenacidad. Sabemos que cuando la junta está sometida a temperaturas variables, las diferencias entre los dos metales de base y el metal de soldadura pue­den inducir tensiones variables en la ZAC y metal de soldadura adyacente. Como resultado de la fatiga del me­tal, se pueden desarrollar fisuras y cau­sar un fracaso anticipado de la junta; por lo tanto, la vida útil bajo con­diciones cíclicas de temperatura de­penderá de la capacidad del metal para resistir la fisuración, así como su pro­pagación. Dado que varias propiedades de los metales cambian con la temperatura, es difícil predecir matemáticamente la conducta de una junta soldada de me­tales disímiles en servicio. En la figura 8 se puede ver la varia­ción del coeficiente de expansión tér­mica con la temperatura para distintas aleaciones. La realización de un ensayo de ci­clos térmicos a la junta soldada permite evaluar mecánica y metalúrgicamen­te la misma y así obtener informa­ción sobre su comportamiento o vida útil en servicio. Estabilidad micro estructural La soldadura entre un acero de baja aleación y un acero inoxidable austenítico con un metal de aporte de acero inoxidable austenítico ilustrará el pro­blema. El contenido de carbono del acero de baja aleación es generalmente más alto que el del metal de soldadura de acero inoxidable austenítico, además, la relativa gran cantidad de elementos formadores de carburos, tal como el cromo en el acero inoxidable, contri­buye a bajar la actividad química del carbono. Esto produce un importante gradiente de potencial químico por la difusión del carbono desde el acero de baja aleación al metal de soldadura de acero inoxidable. Este proceso pue­de ocurrir durante el tratamiento tér­mico postsoldadura o durante el servi­cio a alta temperatura. El resultado es una descarburación, y a veces, un aumento del tamaño de grano en la ZAC del acero de baja aleación. A su vez, el metal de soldadura de acero inoxidable se enriquece en carbono, formando carburos complejos. La for­mación de éstos aumenta la dureza del metal de soldadura en esta zona e in­crementa la posibilidad de fisuración. Resistencia a la corrosión y oxidación E1 metal de soldadura y ambos me­tales base tienen un comportamiento específico frente a la corrosión, por lo tanto, esto debe ser contemplado cuando se seleccionan los materiales. Por ejemplo: la sensibilización de cier­tos aceros inoxidables austeníticos en determinado medio ambiente implica que se deberán tomar precauciones para su soldadura, especialmente cuan­do el metal de aporte es también acero inoxidable austenítico. En estructuras soldadas de materia­les disímiles, la formación de celdas galvánicas puede causar corrosión del metal con comportamiento anódico en la junta. Las tensiones residuales manifiestas en la zona de soldadura son frecuente­mente suficientes para producir fragilización y corrosión bajo tensiones. La variación de composición de la interface entre diferentes metales puede resultar en oxidación selectiva cuando la junta está operando a alta temperatura; dicha oxidación da ori­gen a entallas, las cuales serán pun­tos potenciales de concentración de tensiones que pueden causar fallas de tensión-oxidación a lo largo de la interface de soldadura bajo condiciones de trabajo con ciclos térmicos. Selección del metal de aporte La selección de un material de apor­te conveniente es un factor fundamen­tal para producir una junta de metales disímiles con buen comportamiento en servicio. Un objetivo de la soldadura de di­símiles es minimizar interacciones de tipo metalúrgico no deseables entre los metales. El metal de aporte debe ser compatible con ambos" metales base y ser capaz de depositarse con mínima dilución. Idealmente, las ca­racterísticas del metal de aporte en la junta soldada son las siguientes: • Resistencia: El metal de aporte deberá soportar al­guna dilución con los metales base sin producir sensibilidad a la fisuración del metal de soldadura, ni debe causar de­fectos tales como: porosidad o inclu­siones en el metal de soldadura. En la figura 9 se observa la forma­ción de una interface frágil entre un acero al carbono y un acero inoxida­ble por incorrecta elección del material de aporte o por utilizar un procedi­miento con excesiva dilución. • Estabilidad estructural: El metal de soldadura resultante debe ser estructuralmente estable bajo con­diciones de servicio. • Propiedades físicas: Las propiedades físicas del metal de soldadura deben ser compatibles con ambos metales base. Los coeficientes de expansión tér­mica son particularmente importantes con respecto a las tensiones internas. El valor del coeficiente debe ser inter­medio entre el de ambos metales base. Igual consideración se deberá tomar con respecto a la conductividad eléc­trica y térmica cuando éstas son im­portantes para las condiciones de servicio. • Propiedades mecánicas: El metal de soldadura debe ser tan re­sistente y dúctil como el menos resis­tente de los metales base. • Propiedades de corrosión: Es necesario que la resistencia a la co­rrosión del metal de soldadura sea igual o mayor que la resistencia de ambos metales base para evitar un ataque selectivo de la junta soldada. Como complemento de lo mencio­nado, se pueden considerar los puntos siguientes: — El metal de aporte se selecciona­rá teniendo en cuenta el metal base de menor temperatura de fusión cuando la diferencia entre éstas es grande. — La ductilidad del metal de aporte deberá absorber las tensiones indu­cidas por los cambios de temperatu­ra a causa de las diferencias en los coeficientes de expansión térmica. Algunos materiales de aporte base níquel son muy dúctiles y pueden tolerar la dilución con el metal base sin fisurar o sin sufrir un decaimien­to significativo en sus propiedades mecánicas. — Finalmente, los niveles de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno del metal de aporte tendrán que ser bajos. Selección del proceso de soldadura La selección del proceso de solda­dura para juntas de metales disímiles es casi tan importante como la selec­ción del metal de aporte. En función de la penetración y la dilución resul­tante es posible diferenciar los proce­sos de soldadura y sus técnicas. Con electrodos revestidos el metal de aporte se diluye más del 30% con el metal base, dilución que puede modi­ficarse un poco ajustando la técnica de soldadura. El rango de dilución con MIG-MAG estará entre un 10 a 50%, dependiendo del tipo de transferen­cia metálica y de la manipulación de la torcha. Con transferencia tipo spray se tiene gran dilución y con transfe­rencia por cortocircuito será menor. Representa un caso especial el arco pulsado. La penetración con arco sumergido generalmente es grande, dependiendo de la polaridad; además, mediante este proceso se aumenta considerablemente la dilución.