Alivio del estrés en la soldadura: abordar problemas comunes
La elección del material de aporte en la soldadura y reparación de piezas de acero AISI 4130 o 4340 de medio carbono es una pregunta frecuente que no puede responderse sin considerar completamente la aplicación. Por ejemplo, una reparación puede significar que la pieza o el eje está desgastado y debe volver a montarse, o que el poste está partido por la mitad y debe volver a armarse. Estos son temas importantes cuando se considera la reparación de soldadura y la selección de consumibles de soldadura.
Comprender la soldabilidad del acero al carbono medio
Comencemos con una comprensión básica de esta familia de aceros de alta resistencia y luego pasemos a la reparación por soldadura. Los aceros de medio carbono, baja aleación y alta resistencia incluyen (pero no se limitan a) los aceros AISI 4130, 4140 y 4340. Estos materiales tienen una excelente relación resistencia-peso, buena ductilidad y tenacidad y alta templabilidad.
Los componentes fabricados con estos aceros no se desgastarán tanto como los materiales con bajo contenido de carbono (acero 1018) y no se romperán tan fácilmente como los materiales con alto contenido de carbono (acero 1055).
Además, los aceros AISI de baja aleación no pierden fácilmente la resistencia a temperaturas elevadas, lo que los convierte en aceros excelentes para piezas como ejes, piñones, etc.
Estos materiales alcanzan sus buenas propiedades mecánicas mediante el templado y el revenido. En el templado y revenido, el fabricante de acero calienta el acero por encima de un punto crítico (normalmente superior a 850 °C o 1560 °F), luego enfría el material muy rápidamente (templado) para crear martensita (una microestructura muy dura, quebradiza pero fuerte) , y luego vuelve a calentar el material para ablandarlo (reducir la dureza y la resistencia) y agregar ductilidad y tenacidad (revenido).
Los puntos clave para comprender el proceso de temple y revenido son:
- Se debe exceder la velocidad crítica de enfriamiento para producir 100% martensita.
- La dureza del enfriamiento está determinada por el contenido de carbono (más carbono, mayor dureza; escala Rockwell C).
Grietas de soldadura en aceros de medio y bajo carbono
Ahora, abordemos lo que sucede cuando suelda estos materiales.
Primero, el cordón de soldadura se calienta por encima de la temperatura crítica (más de 850 °C/1560 °F) y luego se enfría muy rápidamente hasta la temperatura del metal base (comúnmente a temperatura ambiente).
Como aprendimos anteriormente, lo que se llama temple y revenido produce una microestructura dura y quebradiza llamada martensita que se agrieta fácilmente.
Por esta razón, no se recomienda soldar en AISI 4130, 4140 y 4340 sin precalentamiento, independientemente del metal de aporte que se utilice. El precalentamiento reduce la velocidad de enfriamiento y ayuda a evitar el enfriamiento rápido en la ZAT y, por lo tanto, ayuda a evitar la martensita en el metal base.
Los puntos clave a recordar sobre el precalentamiento son:
- El precalentamiento reduce la velocidad de enfriamiento y evita el enfriamiento que crea martensita en la ZAT.
- La cantidad de precalentamiento está determinada por la cantidad de carbono y otras aleaciones en el material (más carbono y aleación requieren más precalentamiento)
El calor de la soldadura hace que el material base se expanda durante el calentamiento y se contraiga cuando se enfría. Esto crea tensiones de tracción residuales alrededor de la soldadura que pueden causar grietas o acortar la vida útil de la pieza. Por lo general, AISI 4130, 4140 y 4340 requieren un alivio de tensión después de la soldadura para eliminar estas tensiones residuales. La soldadura se calienta a una temperatura típica de 650 °C (1200 °F) y se mantiene durante 1 hora por pulgada de espesor.
Los puntos clave para entender sobre el alivio del estrés son:
- Después de soldar aceros aleados AISI, se recomienda aliviar la tensión, especialmente para aceros con contenidos de carbono superiores al 40% (por ejemplo, 4140 o 4340).
- Inmediatamente después de la soldadura, el ciclo de alivio de tensión promueve la difusión de hidrógeno fuera del metal de soldadura y la ZAT para ayudar a prevenir el agrietamiento por hidrógeno.
- Con el precalentamiento adecuado, el 4130 se puede enfriar en aire quieto después de la mayoría de los procesos de soldadura por arco/liberación de tensión (use una manta de soldadura aislada o entiérrela en arena/vermiculita como precaución).
- Para 4140 y 4340, se requiere enfriamiento en un horno controlado (o usar una capa de soldadura aislada o enterrar en arena/vermiculita) para reducir la velocidad de enfriamiento por debajo de 65 °C (150 °F) por hora. Use crayones de temperatura para verificar regularmente.
- En todos los casos, el enfriamiento en aire quieto es aceptable una vez que la soldadura esté por debajo de los 93 °C (200 °F).
Selección de metal de aporte para acero de carbono medio
La selección de metales de aporte requiere una decisión sobre qué función debe realizar la reparación de soldadura. Por ejemplo, ¿la soldadura/soldadura debe ser tan dura como el material base para resistir la abrasión/desgaste? ¿La soldadura/soldadura tiene que ser dúctil para que no se rompa/agriete fácilmente? ¿Tiene que ser tan fuerte como el material base?
Independientemente de las respuestas a estas preguntas, el proceso de soldadura y/o el metal de aporte no deben introducir hidrógeno en el metal de soldadura y la ZAT. Los procesos de soldadura con bajo contenido de hidrógeno incluyen: electrodos SMAW con bajo contenido de hidrógeno, adecuadamente almacenados, clasificados como menos de H4; procesos de soldadura MIG y TIG con protección de gas organizados menos de H4, y procesos de soldadura Stick con combinaciones de alambre/fundente clasificados menos de H4.
A continuación, abordaremos cada proceso, los metales de aporte comúnmente recomendados que coinciden con el metal base y los metales de aporte comúnmente recomendados que no coinciden con el metal base.
Coincidencia de la composición
Cuando deba coincidir estrechamente con la composición del metal base, nuestros artículos cuentan con electrodos revestidos para soldadura Stick y alambres para soldadura MIG y soldadura TIG. Por lo general, el contenido de carbono es más bajo para combinar los metales de aporte para evitar la creación de martensita compleja y quebradiza en el metal de soldadura.
Materiales de relleno que no coinciden
Hay casos en los que no es necesario igualar la resistencia del material base. Por lo general, los metales de aporte de baja resistencia se seleccionan para garantizar una soldadura más dúctil.
Sin embargo, tenga en cuenta que dependiendo de la cantidad de dilución (dilución alta significa que la aleación del metal base se funde con el metal de soldadura), el metal de soldadura resultante será más fuerte debido a la absorción de carbono y aleaciones del metal base. Estos son algunos ejemplos de casos en los que se pueden seleccionar metales base que no coinciden.
- Soldadura de acero de baja aleación AISI a acero con bajo contenido de carbono: Al soldar acero al carbono AISI 4130 a AISI 1018, solo necesita igualar la resistencia del acero 1018: el relleno E7018-A1 o ER70S-6 puede ser suficiente.
- Soldadura de filete: a menudo, se puede usar un metal de aporte de menor resistencia cuando tiene la latitud para producir una soldadura de filete más grande. Por ejemplo, la soldadura 4340 a 4340 puede requerir una soldadura de filete de un cuarto de pulgada utilizando metal de aporte con la misma resistencia. Sin embargo, es posible que pueda usar un relleno de menor resistencia y hacer una soldadura de filete más grande (5/16 o 3/8 pulg.) para lograr la resistencia necesaria para la soldadura.
- Reconstruir ejes: Los ejes que se desgastan generalmente requieren reconstrucción y remecanizado. En este caso, el eje original se puede mecanizar para permitir la acumulación utilizando un metal de aporte de baja resistencia, seguido de una capa de revestimiento duro. La adición de una capa de acumulación de menor resistencia ayuda a prevenir el agrietamiento en el eje y debajo de la capa de revestimiento duro.
Los puntos clave que se deben comprender acerca de la selección del metal de aporte son:
- Considere cuidadosamente la necesidad de que el metal de soldadura coincida con la composición del material base. El uso de un metal de aporte de menor resistencia puede resultar en una soldadura menos susceptible al agrietamiento.
- Ya sea que el metal de soldadura coincida o no con el metal base, para los aceros aleados AISI se aplica la gestión de la temperatura de precalentamiento y entre pasadas, así como la gestión de la tasa de enfriamiento posterior a la soldadura.