metalurgia de la soldadura

1. CAPÍTULO 8
METALURGIA
DE LA
SOLDADURA

2. METALURGIA DE LA SOLDADURA
Una junta soldada está constituida por tres zonas: El cordón de soldadura, la zona
afectada por el calor (ZAC), y el metal base no afectado térmicamente (figura 1). La
metalurgia de cada una de estas zonas está relacionada con las características del metal
base, el metal de aparte y el procedimiento de soldadura utilizado.
Figura 1.- Zonas de una junta soldada.
1.- CORDÓN DE SOLDADURA
Es la región que se ha fundido durante la soldadura, se compone de metal base y metal de
aporte; aunque algunas soldaduras se producen sin material de aparte, como es el caso
de la soldadura por resistencia eléctrica. La composición química del cordón de soldadura
depende del metal base y del material de aporte, así como de la relación entre la cantidad
de metal base fundido y el material de aporte (dilución). Adicionalmente, se subdivide en
Zona Fundida Mezclada y Zona Fundida No Mezclada. Elementos tales como el oxígeno,
el nitrógeno y el hidrógeno pueden aparecer como contaminantes cuando el metal fundido
no se protege adecuadamente de la atmósfera.
2.- ZONA AFECTADA POR EL CALOR (ZAC)
Es la zona del material base, que por estar adyacente al metal fundido, es afectada por el
calor generado durante la soldadura. Esta zona se define frecuentemente en función de su
dureza o de su microestructura (figura 2). Los fenómenos metalúrgicos (microestructura)
que ocurren en esta zona son determinados por los ciclos térmicos que sufre el material.
Estos ciclos dependen de la cantidad de calor suministrado durante la soldadura, de la
temperatura del metal base antes de iniciar la soldadura, del espesor y de la geometría de
la junta a soldar. Mediante el control de los dos primeros factores se puede modificar, en
cierta forma, las características de la zona afectada por el calor (ZAC).
Figura 2.- Macroestructura de una junta soldada.

3. 229
3.- METAL BASE
La tercera zona que forma parte de una junta soldada es el metal base. La mayoría de los
metales que se usan hoy en día son soldables. La selección de un material que involucra
soldadura requiere que se considere su soldabilidad; entendiéndose por soldabilidad la
capacidad de un metal o combinación de metales de ser soldados en condiciones
de fabricación y comportándose satisfactoriamente en el servicio requerido. Entre
los efectos que se producen en el metal base como consecuencia del ciclo térmico están:
1.- Cambios microestructurales: Dilución o precipitación de fases, crecimiento de grano,
etc.
2.- Variación de las propiedades mecánicas: Resistencia a la fluencia, a la tracción,
tenacidad, dureza, etc.
3.- Disminución de la resistencia a la corrosión.
4.- Generación de esfuerzos residuales.
SUMINISTRO DE CALOR
El calor suministrado durante la producción de una unión soldada es un factor que afecta
las temperaturas y las velocidades de enfriamiento del cordón de soldadura y de la zona
afectada por el calor. Al aumentar el suministro de calor, se obtiene mayores temperaturas
y menores velocidades de enfriamiento. En ciertas aplicaciones se requiere de un mínimo
suministro de calor para prevenir el agrietamiento del material; mientras que en otras, se
especifica un máximo para prevenir su ablandamiento; como en el caso de los aceros
templados y revenidos, o para prevenir problemas de corrosión en los aceros inoxidables
austeníticos. Los factores que determinan la entrada de calor en un procedimiento de
soldadura son: La intensidad de la corriente de soldadura, el voltaje de soldadura, y la
velocidad de avance. La entrada de calor generalmente se especifica en unidades de
energía por unidad de longitud (ejm. Julios/milímetros o Julios/pulgadas).
TEMPERATURA DEL MATERIAL
La temperatura del metal base, antes de realizar la soldadura influye directamente en la
velocidad de enfriamiento de la unión soldada. Al aumentar la temperatura
(precalentamiento), las velocidades de enfriamiento disminuyen produciendo ciertos
efectos que serán discutidos mas adelante.
ESPESOR DEL MATERIAL
Al aumentar el espesor del metal base, aumenta la velocidad de enfriamiento del depósito
de soldadura y de la zona afectada por el calor. Esto es importante en los aceros
microestructurales ya que al aumentar el espesor del metal aumentan las posibilidades de
obtener microestructuras duras (Martensita) durante la soldadura de estos materiales, lo
cual puede ser perjudicial en servicios donde se requiere tenacidad y ductilidad.

4. 230
ASPECTOS METALURGICOS DE LA SOLDADURA
Los aspectos metalúrgicos que tienen lugar en las zonas de un cordón de soldadura,
durante el enfriamiento, difieren algo de los que se observan durante el enfriamiento de
una pieza. En la soldadura, el metal fundido se solidifica en cuestión de segundos, la
cantidad de metal rara vez excede de una pulgada cúbica. La pileta o pocillo de metal
fundido tiene una temperatura considerablemente más elevada que los hornos de fusión.
Como resultado del enfriamiento rápido del pocillo de soldadura, las reacciones químicas
que se inician en el metal fundido y en la escoria no tienen tiempo para completarse. Al
avanzar la formación del cordón, la temperatura del pocillo de soldadura desciende,
debido a la conducción del calor hacia el metal base y a la radiación hacia la atmósfera del
ambiente, entonces el metal se solidifica. La solidificación del metal fundido en el pocillo
de soldadura se ilustra en forma de diagrama indicado en la figura 3.
Figura 3.- Solidificación progresiva del metal fundido en un pocillo de soldadura: a) Curva de
enfriamiento, con las diferentes estructuras. b) Vista superior del pocillo de soldadura
(W) y líneas isotermas en torno al pocillo. Las isotermas están enumeradas de acuerdo
con la curva en a): todos los puntos de una isoterma están a la misma temperatura.
Los granos aparecen primero en la línea de fusión, en donde la temperatura es
relativamente baja, y crecen con rapidez diferente, porque al aumentar de tamaño y al
hacer presión los cristales unos contra otros, cada uno actúa de acuerdo con el estado de
su crecimiento. Sin embargo, los granos en crecimiento pueden empujar hacia afuera las
inclusiones no metálicas, hasta la superficie de la soldadura. Esta es la razón por la que
en la soldadura que se aplica hacia arriba, la escoria aparece sobre la superficie de la
soldadura y no flotando hacia la raíz del cordón. No se trata de flotación en absoluto, sino
de un estado en el que el material no metálico es forzado hacia afuera del metal líquido al

5. 231
comenzar a formarse los cristales y a hacer presión unos contra otros. La solidificación
uniforme del pocillo de metal se altera por refusión cuando se aplican pasadas
subsecuentes. Esto puede resultar en bolsas de metal fundido en las que se retarda el
crecimiento de los granos. Estas regiones tienen, por tanto, probabilidades de contener
inclusiones de escoria (figura 4). El crecimiento de los granos en la pileta se realiza en la
misma orientación cristalina que presentan los granos del metal base, parcialmente
fundidos, esto recibe el nombre de Crecimiento Epitaxial.
Figura 4.- Sección transversal de dos cordones de soldadura en los que se
aprecian inclusiones de escoria.
La estructura del metal de la soldadura y la apropiada solidificación del pocillo o pileta de
metal dependen en cierto grado de la relación entre el ancho de la soldadura y su
profundidad de penetración (perfil del cordón). Si la relación entre la anchura/profundidad
de la ranura de la soldadura es menor a la unidad (mayor profundidad que anchura), las
últimas bolsas de metal fundido que se forman, se encontrarán en el centro de la sección
transversal de la soldadura (figura 5), siendo posible allí la formación de acumulaciones de
escorias, gases y cosas semejantes. En una ranura que es más ancha que profunda
(relación de aspecto mayor que la unidad), las bolsas de metal fundido que se forman al
final (figura 6) estarán en la parte media de la superficie de la soldadura, eliminándose
todas las impurezas del metal de soldadura.
Figura 5.- Sección transversal de una
soldadura con inclusiones atrapadas
resultantes de una relación de
aspecto menor que la unidad.
Figura 6.- Sección transversal de un cordón de
soldadura en el que la relación de
aspecto es mayor que la unidad y
han sido expulsadas las inclusiones.

6. 232
La porción del metal madre que está inmediatamente adyacente a la soldadura recibe el
nombre de zona cercana a la soldadura. Como la estructura de esta zona es alterada por
el calor de la soldadura, recibe también el nombre de área o zona afectada por el calor
(HAZ). La figura 7 muestra algunas alteraciones que ocurren en la estructura de la zona
afectada por el calor en un acero con bajo contenido de carbono.
Figura 7.- Alteraciones que ocurren en la estructura de la zona afectada
por el calor en un acero con bajo contenido de carbono.
(1) Zona de fusión incompleta: Se encuentra adyacente a la soldadura, el metal se
calienta hasta una temperatura elevada y se forman granos gruesos.
(2) Campo de sobrecalentamiento: Al alejarse de la soldadura empieza a disminuir la
temperatura y la magnitud del sobrecalentamiento, y por lo tanto también el tamaño
del grano.
(3) Campo de normalización: El grano es fino, ya que el tiempo de calentamiento no
es lo suficientemente largo para que se produzca crecimiento entre los granos
austeníticos, y el enfriamiento subsecuente expulsa los granos finos de perlita y
ferrita.
(4) Zona de recristalización incompleta: El campo de normalización va seguido por
una zona de recristalización incompleta en la que los granos de perlita se
descomponen en granos aún más finos.
(5) La zona de recristalización: Se caracteriza por la recuperación de los granos
deformados por rodado.

7. 233
Las alteraciones estructurales que ocurren en el área afectada por el calor varían
generalmente con el contenido de carbono y de elementos de aleación en un acero. Como
la temperatura de la zona cercana a la soldadura varía de un lugar a otro, el metal de la
zona afectada por el calor (ZAC), también varia en cuanto a su estructura y propiedades
mecánicas. En el área de normalización, el metal de la soldadura puede ser superior al
metal base. En el área sobrecalentada en la que el grano es grueso, el metal pierde algo
de su ductilidad, y especialmente su resistencia al impacto. La zona afectada por el calor
muestra también cambios de dureza.
ORIGEN DE LA ESTRUCTURA PRIMARIA
Transformación líquido sólido: Generalmente, el comienzo de la solidificación exige la
formación de núcleos sólidos en el seno del líquido, lo que ha de crecer si las condiciones
termodinámicas lo permiten. En una soldadura, la solidificación comienza a partir de los
granos parcialmente fundido de metal base que son perfectamente mojados por el líquido.
El metal base solo actúa como sustrato sobre el cual puede crece el grano por una
continua adición de átomos provenientes del líquido. A este fenómeno se le conoce como
nucleación heterogénea usualmente denominada nucleación o crecimiento epitaxial.
Crecimiento epitaxial: El crecimiento del sólido se realiza con la misma orientación
cristalina que la de los granos de metal base parcialmente fundido. Ello recibe el nombre
de crecimiento epitaxial. El mecanismo de solidificación epitaxial es común a todos los
procesos de soldadura por fusión, facilitando la continuidad metálica entre el metal de
soldadura y el metal base. En el crecimiento epitaxial tanto la orientación cristalina como el
espaciado interatómico son continuos a través de la línea de fusión. Durante el crecimiento
de los granos epitaxiales unos crecen a expensas de otros y como resultado se genera la
estructura columnar, en menor número pero mas grandes, que van desde la línea de
fusión hacia el centro del cordón. Este análisis se complica en soldadura multipase.
Geometría de la pileta líquida: Entre los factores que gobiernan la solidificación de un
cordón soldado se destacan la velocidad de solidificación y el gradiente térmico delante de
la interfase sólido/líquido. La forma de la pileta queda determinada por la velocidad de
avance de la soldadura, así como por el balance entre el calor aportado y las condiciones
de enfriamiento. Si la velocidad de soldadura es alta, la forma de la pileta y la gota tiende a
ser alargada, mientras que para bajas velocidades de soldadura la forma de la gota tiende
a adquirir forma elíptica, tal como se muestra en la figura 8.
Figura 8.- Crecimiento de la pileta líquida en forma de gota y en forma elíptica.

8. 234
Morfología del frente de solidificación:
Figura 9.- Solidificación de un metal.

9. 235
Figura 10.- Estructura cristalina del hierro.

10. 236
Figura 11.- Estructura cristalina del hierro y del acero (Fe-C).

11. 237
Figura 12.- Soluciones sólidas intersticiales, substitucionales, restringidas y las
transformaciones del hierro.

12. 238
DEFECTOS CRISTALINOS
QUE ES UN DEFECTO
Es una imperfección o un “error’ en el arreglo periódico regular de los átomos en un cristal.
Puede envolver una irregularidad en la posición de los átomos o en el tipo de átomos. El
tipo o número de defectos dependen del material, del medio ambiente, y del
procesamiento del Cristal.
TIPOS DE DEFECTOS
Defectos Puntuales: Irregularidades que se extienden sobre solamente algunos
átomos.
Defectos Lineales: Irregularidades que se extienden a través de una única
hilera de átomos.
Defectos Planares: Irregularidades que se extienden a través de un plano de
átomos.
Defectos Volumétricos: Irregularidades que se extienden sobre el conjunto de los
átomos en la estructura.
Además de esta clasificación, los defectos pueden ser categorizados como:
• Intrínsecos: Defectos recurrente a las leyes físicas.
• Extrínsecos: Defectos debido al procesamiento y al medio ambiente.
NOTA: La mayoría de los detectas se categorizar como Extrínsecos.
POR QUE LOS DEFECTOS SON IMPORTANTES?
Los defectos, también en concentraciones muy pequeñas, pueden causar una mudanza o
cambio significativo en las propiedades del material.
Sin la presencia de defectos:
• Los materiales serian mucho más resistentes.
• Los cerámicos serian mucho más teriacas.
DEFECTOS PUNTUALES
• Vacíos (ausencia de átomos, lagunas de vacancias) e Intersticios.
• Impurezas en los sólidos.
• Impurezas sustitucionales.

13. 239
Figura 13.- Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono (Fe-C) para aceros hipoeutectoide.

14. 240
Figura 14.- Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono (Fe-C).

15. 241
Figura 15.- Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono (Fe-C) mostrando las microestructuras.

16. 242
Figura 16.- Transformaciones fuera del equilibrio y se microestructura.

17. 243
DIAGRAMA DE TRANSFORMACION ISOTERMICA
(DIAGRAMAS TTT)
DEFINICION
Son diagramas que definan la transformación de la Austenita en función del tiempo a
temperatura constante. También se les conoce como diagramas TTT (Transformación.
Tiempo, Temperatura).
Estos diagramas permiten la selección y diseño de los tratamientos térmicos de los
aceros. Estos se obtienen con datos de pequeñas muestras de acero austenizadas y
luego enfriadas a diferentes temperaturas por debajo de la temperatura crítica A1.
Figura 17.- Diagrama TTT de aceros mostrando las microestructuras.

18. 244
Figura 18.- Diagrama de transformación isotérmica de aceros con diferentes %C.

19. 245
Figura 19.- Diagrama de transformación isotérmica de aceros con diferentes %Mn.

20. 246
Figura 20.- Diagrama de transformación de aceros con diferentes %Cr, %Mo y %Ni-%Cr-%Mo.

21. 247
AGRIETAMIENTO EN CALIENTE
El agrietamiento o fisuración en caliente se produce en una soldadura durante su proceso
de enfriamiento, y antes de que el material logre alcanzar la temperatura ambiente. Este
tipo de agrietamiento generalmente se produce en el depósito de soldadura, pero también
puede presentarse en la zona afectada por el calor. Los factores que determinan este tipo
de agrietamiento son:
a.- Los esfuerzos que se producen durante la ejecución de la soldadura debido a las
expansiones y contracciones del material.
b.- La susceptibilidad del material al agrietamiento la cual depende de su composición
química y microestructuras.
c.- La presencia de impurezas. Tales como el azufre y el fósforo en los aceros o de
plomo y cobre en aleaciones de aluminio.
Entre los materiales que presentan mayor tendencia a esto tipo de agrietamiento están:
Las aleaciones de aluminio, los aceros inoxidables austeníticos y las aleaciones de níquel.
MÉTODOS PARA PREVENIR EL AGRIETAMIENTO EN CALIENTE
a.- No utilizar materiales susceptibles a este tipo de agrietamiento en construcciones
soldadas. Aceros con alto contenido de azufre son un ejemplo de este tipo de
material.
b.- Evitar ta rigidez excesiva de los componentes a soldar.
c.- Seleccionar apropiadamente el material de aporte considerando su dilución con el
metal base durante la soldadura.
d.- Evitar que el metal base y el material de aporte se contaminen con grasas pinturas
o huellas de marcadores: que pudiesen introducir azufre u otros elementos nocivos
a la soldadura.

22. 248

23. 249
Figura 21.- Influencia de la relación Profundidad/Ancho sobre el agrietamiento en caliente.

24. 250
AGRITAMIENTO EN FRÍO
Este problema se presenta en la soldadura de los aceros, y se produce por la combinación
simultánea de tres factores:
a.- Presencia de hidrógeno en la soldadura.
b.- Microestructuras susceptibles al agrietamiento (Martensita).
e.- Esfuerzos en la soldadura.
Este tipo de agrietamiento se produce después que el material ha solidificado; pudiéndose
presentar, incluso, después de varias semanas de haber puesto la pieza soldada en
servicio.
HIDRÓGENO EN LA SOLDADURA
El hidrógeno genera grietas (Hydrogen induced crack) y puede entrar en la soldadura a
partir de cualquiera de las siguientes fuentes de contaminación:
Grasa o Aceite en la superficie del metal base o material de aporte.
Humedad en el revestimiento de los electrodos, fundentes para soldar, gases de
protección o en la superficie de la pieza a soldar.
Cierto tipo de óxidos superficiales.
Estas grietas pueden surgir debajo del cordón, en la ZAC y/o en la línea de fusión de la
soldadura. La inspección por Partículas Magnéticas, Radiografía e incluso por Ultrasonido
pueden ser ineficaces para ubicarlas y ver su orientación y tamaño, en consecuencia, las
grietas no detectadas pueden iniciar una falla total. El precalentamiento y los electrodos de
bajo hidrógeno (proceso) reducen el agrietamiento en frío, pero no se aprecia hasta que el
acero alcanza la temperatura ambiente e inclusive puede aparecer muchos días después
de soldar.
MICROESTRUCTURAS SUSCEPTIBLES
Como regla general, mientras más duro sean el depósito de soldadura (Composición
química y la zona afectada por el calor (velocidad de enfriamiento), mayor será la
susceptibilidad de los aceros al agrietamiento por hidrógeno. La microestructura que
presenta mayor tendencia al agrietamiento en los aceros es la MARTENSITA, por su
elevada dureza.
ESFUERZOS
Los esfuerzos en el material soldado se producen inevitablemente debido a las
expansiones y confracciones que sufre el metal como consecuencia de los ciclos térmicos
que se producen durante el proceso de soldadura. Para reducir los esfuerzos se
recomienda precalentar, usar procesos de bajo hidrógeno, un buen diseño de junta,
carbono bajo en los metales y controlar los tiempos de precalentamiento y enfriamiento.

25. 251

26. 252
Figura 22.- Contenido de hidrógeno en función del proceso de soldadura.
AGRIETAMIENTO POR HIDRÓGENO EN SOLDADURA
MÉTODOS PARA PREVENIRLO
a.- Evitar cualquier fuente de contaminación de hidrógeno en la junta a soldar y en los
materiales de aporte.
b- Utilizar electrodos y fundentes de bajo contenido de hidrógeno. EL almacenamiento
y manejo de este tipo de materiales requiere de cuidado para evitar que estos
absorban humedad del ambiente. Electrodos revestidos básicos (5 a 15 ) ml/100 gr
de metal depositado; Electrodos revestidos no básicos (mayor a 25) ml/100 gr, y en
los fluxes fundidos o aglomerados, el hidrógeno oscila entre 5 a 15 ) ml/100 gr.
NOTA: (≤ 5) Muy débil; (≤ 5 y ≤ 10) débil; (≥ 10 y ≤ 15) medio, y (≤ 25) elevado
c.- Prevenir mediante el ajuste apropiado de las variables del procedimiento de
soldadura, la obtención de microestructuras susceptibles al agrietamiento. Estas
variables incluyen el suministro de calor, la temperatura de precalentamiento, la
temperatura entre pases y el tratamiento térmico posterior a la ejecución de la
soldadura.
d.- Evitar la rigidez excesiva de las piezas a soldar y cualquier condición de
desaIineamiento que pudiese originar altas concentraciones de esfuerzos.

27. 253