Se define soldadura de arco eléctrico, características del electrodo, se estudia la Zona Afectada por Calor (ZAC), las franjas que la constituyen, los productos que se obtienen en cada intervalo, relacionándolos con el diagrama de fase Hierro- Carbono, se interpretan las características de cada franja de acuerdo con el comportamiento del acero bajo diferentes condiciones térmicas.

1. LA SOLDADURA DE ARCO
AMANDA SEPULVEDA BELLO
Ingeniera Civil, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. Especialista en Geotécnia y Pavimentos,
Pontificia Universidad Javeriana, Colombia. Consultor en Pavimentos y Geotecnia, Correo electrónico:
amanda.sepulveda@javeriana.edu.co
RESUMEN
Se define soldadura de arco eléctrico, características del electrodo, se estudia la Zona Afectada por Calor (ZAC), las
franjas que la constituyen, los productos que se obtienen en cada intervalo, relacionándolos con el diagrama de fase
Hierro- Carbono, se interpretan las características de cada franja de acuerdo con el comportamiento del acero bajo
diferentes condiciones térmicas.
PALABRAS CLAVE: Soldadura, soldadura de arco eléctrico, Zona de Afectación por Calor (ZAC), Diagrama Hierro –
Carbono, ferrita, cementita, austita, perlita.
ABSTRACT:
This document defines arc welding, electrode characteristics, we study the Heat Affected Zone (HAZ), the bands that
constitute the products obtained at each interval, relating them to the phase diagram Iron-Carbon interpreting the
characteristics of each strip in accordance with steel behavior under different thermal conditions.
KEYWORDS: Welding, arc welding, Heat Impact Zone (HAZ), Iron-Carbon diagram, ferrite, cementite, austita, perlite.
1. INTRODUCCIÓN
La soldadura es uno de los métodos mas usados
actualmente para la unión de materiales metálicos, a
la vez es el más complejo desde el punto de vista
metalúrgico.
La estructura de un cordón de soldadura, tal como
será utilizado en servicio, es el resultado de una serie
de transformaciones, que comienzan con las
reacciones que ocurren cuando el metal está en
estado líquido, y siguen con las transformaciones
asociadas al pasaje de líquido a sólido.
El objetivo de este documento es estudiar el proceso
de soldadura, interpretado dentro de un rango de
temperatura comprendido entre las líneas de líquidus
y solidus del diagrama de equilibrio Fe-C.
2. METODOLOGIA
Se realizó la lectura de diferentes textos y artículos de
internet, realizando posteriormente el análisis de las
transformaciones de fase que tienen lugar bajo el
proceso de soldadura, los productos obtenidos y sus
características, se analiza y correlaciona con el
diagrama Hierro-Carbono.
3. SOLDADURA DE ARCO ELÉCTRICO
Muchas estructuras de Ingeniería civil, como vigas y
columnas de acero, cerchas y puentes, requieren
emplear la soldadura en las actividades de
construcción y reparación. La soldadura es una
técnica que permite unir dos piezas de metal para que
se unan por fusión.
De manera más específica, Asta define la soldadura
como [1] :
“la realización de una unión entre dos
piezas de metal haciendo uso de las
fuerzas de cohesión que derivan de un
enlace metálico. Un análisis del
concepto precedente señala que, a
diferencia de los procesos mecánicos
utilizados para unir metales, en
soldadura se utilizan las fuerzas
interatómicas para lograr la concreción
de un empalme resistente”.
Existen muchos sistemas para soldar, pero el más
importante para las estructuras metálicas es el
sistema de soldadura por fusión (Ver figura 1). En las
soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los
extremos de las piezas y al solidificar se produce la
unión.
Figura 1- Esquema del procedimiento de soldadura
por fusión. Fuente:Fundamentos de la soldadura por
arco eléctrico. [1]

2. De los diferentes tipos de soldadura por fusión, los
más utilizados son: soldadura autógena y soldadura
por arco eléctrico, esta última es la que se utiliza en
estructuras metálicas.
La soldadura de arco manual es también conocida
como Soldadura de Electrodo Cubierto, soldadura de
varilla ó soldadura de arco eléctrico; es la más antigua
y más versátil de todos los diferentes procesos de
soldadura de arco.
Un arco eléctrico se mantiene entre la punta de un
electrodo cubierto y la pieza a trabajar. Las gotas de
metal derretido son transferidas a través del arco y
son convertidas en un cordón de soldadura, un
escudo protector de gases es producido por la
descomposición del material fundente que cubre el
electrodo; además, el fundente también puede
proveer algunos complementos a la aleación, la
escoria derretida se escurre sobre el cordón de
soldadura donde protege el metal soldado aislándolo
de la atmósfera durante la solidificación, esta escoria
también ayuda a darle forma al cordón de soldadura
especialmente en soldadura vertical y sobre cabeza.
La escoria debe ser removida después de cada
procedimiento.
La siguiente figura ilustra de manera esquemática la
operación de este proceso:
Figura 2. Diagrama esquematico de la soldadura con
arco. Fuente: Materiales para ingeniería civil,
En cuanto al electrodo se define como un conductor
eléctrico utilizado para soldaduras. En la soldadura
por arco eléctrico se emplea el electrodo como un
polo del circuito eléctrico y en su extremo se genera el
arco eléctrico. Según el tipo de electrodo, también se
utiliza como material fundente. El electrodo es una
varilla metálica que suele ir recubierta de diferentes
materiales. Estos materiales de recubrimiento
dependen del tipo de soldadura que se quiera
realizar.
Las siguientes son las características físicas de los
electrodos: [2]
Los electrodos de poseen dos elementos en su
revestimiento, que mejoran la calidad de la soldadura.
Estos elementos son el carbonato de calcio y la
fluorita. El carbonato de calcio, al arder, se
descompone en óxido de calcio y gas carbónico. El
gas CaO se combina con las impurezas, como el
fósforo y azufre, perdiéndose en forma de escoria,
quedando en consecuencia el metal depositado libre
de impurezas. El gas carbónico actúa como protector
del metal en fusión. La fluorita se descompone al
arder en calcio (Ca) y fluor (F). El fluor se combina
con el hidrógeno formando gas fluorhídrico (HF). Este
gas de composición química muy estable se escapa y
desaparece del acero que se ha soldado, dejando de
esta manera un depósito casi libre de hidrógeno. Otra
función del carbonato de calcio y de la fluorita es el
afinamiento del grano metálico del depósito,
quedando de esta manera un depósito de metal más
elástico.
4. CICLO TÉRMICO DE LAS JUNTAS
SOLDADAS
Al efectuarse las operaciones de soldadura, las juntas
experimentan un ciclo de calentamiento y
enfriamiento en el que sus diferentes partes se ven
sometidas a un amplio intervalo de temperatura, que
oscila desde temperaturas superiores a la de fusión
en el metal de soldadura, hasta prácticamente la del
ambiente en el metal base, pasando por el intervalo
transformación. La figura 3 ilustra las partes de una
junta soldada.
La porción de metal base que no se funde durante la
soldadura, pero que es calentada a temperaturas en
las que se alteran la microestructura y las
propiedades mecánicas del metal base, es llamada
zona afectada por calor (ZAC). La resistencia
mecánica y la tenacidad de la zona afectada por calor
depende del tipo de metal base, del proceso y del
procedimiento de soldadura usados.
Figura 3.- Representación esquemática de las partes
de las placas soldadas.
Fuente:rvhiutjaa.files.wordpress.com/2013/07/metalur
gia-de-la-soldadura.pptx [3]

3. En la soldadura, el metal fundido se solidifica en
cuestión de segundos, y la solidificación del metal
fundido en el pocillo de soldadura ocurre como se
ilustra en la figura 4. Al avanzar la formación de
cordón, la temperatura del pocillo de soldadura
desciende, debido a la difusión de calor hacia el metal
de base y a la radiación de parte de éste hacia la
atmósfera y el metal se solidifica.
Figura 4. Diagrama de la zona del acero afectada por
el calor (ZAC). [3]
En la figura anterior se observan las franjas
generadas en la Zona Afectada por Calor (ZAC) y su
denominación.
La figura 4 muestra las alteraciones que ocurren en la
estructura de la zona afectada por el calor en el
acero. Adyacente a la soldadura se encuentra una
zona de fusión incompleta (1) en la que el metal se
calienta hasta una temperatura elevada, es la zona
sometida a mayor temperatura y está limitada por el
intervalo de cristalización. En esta zona coexisten la
fase sólida y la fase líquido, facilitando el crecimiento
de los granos o cristales sólidos. En donde existe la
unión entre el material base y el cordón, por lo que
esta zona determina la calidad de la unión soldada.
Al alejarse de la soldadura (2), en el campo de
sobrecalentamiento, los granos experimentan un
fuerte crecimiento, que con la posterior
recristalización no presentan un cambio sensible. Por
esta razón, esta zona presenta una estructura de
grano frágil, con disminución de propiedades
mecánicas como resistencia y ductilidad por tanto es
una de las zonas más críticas de la ZAC. La
estructura está compuesta por granos frágiles de
ferrita envueltos por perlita con alto porcentaje de
ferrita.
En el campo de normalización (3) Es una zona de
excelentes propiedades mecánicas aunque los granos
de austenita no permanecen mayor tiempo en esta
temperatura por lo que no alcanzan un crecimiento.
Por tanto con el posterior enfriamiento se obtiene una
estructura homogénea y fina de muy buenas
propiedades en la cual ha ocurrido algo similar a un
tratamiento térmico como la normalización o el
recocido.
El campo de normalización va seguido por una zona
de recristalización incompleta (4): en esta zona
durante el calentamiento ocurre la reacción eutectoide
a 723ºC y la ferrita se disuelve dentro de los cristales
de la austenita. Durante el enfriamiento solamente los
cristales de austenita forman nuevos cristales de
perlita dúctil, mientras que los cristales de ferrita
experimentan crecimiento y fragilización. Por tanto
esta zona tiene menores propiedades que la
normalización, y está formada por granos frágiles de
ferrita y a su alrededor granos dúctiles de perlita.
En la zona de recristalización (5) ocurre la
recristalizacion de los granos de ferrita, es decir un
crecimiento de grano durante el calentamiento y
deformación plástica del metal. La deformación
plástica permite un pequeño aumento de la dureza de
esta zona.
La zona de fragilidad azul s e caracteriza por una
disminución de la plasticidad del material sin cambios
en la estructura del mismo. El efecto de la sensibilidad
azul se explica por el aparecimiento de partículas
microscópicas de ferrita que se distribuyen en
solución sólido en los límites de grano que dan una
coloración característica a esta zona [3]
5. TRANSFORMACIONES EN LA ZONA
AFECTADA POR EL CALOR (ZAC) Y
RELACIÓN CON EL DIAGRAMA HIERRO
CARBONO
La respuesta del área próxima a la línea de fusión en
una junta soldada depende de la naturaleza del
material soldado y del proceso empleado. Debido a
que el ciclo térmico es muy rápido, los materiales más
afectados serán aquellos que aumentan su
resistencia por tratamiento térmico.
La figura 5 muestra la variación de la temperatura
máxima que se alcanza en diversos planos de la ZAC,
para un empalme soldado sobre un acero con 0,30%
C, relacionándolo con el diagrama Hierro-Carbono.
Gran parte de esta zona se ha calentado a
temperaturas superiores a la de recristalización. [3]

4. · Punto 1 - se ha calentado a más de 1315°C. La
austenita formada será de grano grueso por cuanto a
esa temperatura los granos crecen.
· Punto 2 - se ha calentado a 982°C y se ha
austenizado totalmente. No ha tenido lugar el
crecimiento de grano y sí puede haber afinamiento de
granos.
· Punto 3 - se ha calentado exactamente por encima
de A3, temperatura que no es suficientemente
elevada como para homogeneizar por completo a la
austenita.
· Punto 4... esta zona se ha calentado
aproximadamente a 760°C, que está comprendida
entre A1 y A3. Parte de la estructura se transforma en
austenita y la mezcla de estructuras resultante,
durante el enfriamiento, puede degradar las
propiedades de impacto de la junta.
· Punto 5 - a esta zona se la ha calentado a 649°C
que es inferior a A1, y por lo tanto no ha habido
transformación austenítica. El metal base conservará
su estructura de ferrita y cementita pero se habrá
ablandado.
Figura 5- Relación entre las temperaturas picos
experimentadas por diversas regiones en un cordón
soldado y como se correlacionan con el diagrama de
fase hierro-carbono. [3]
Los productos de transformación, obtenidos en las
fases mencionadas son [5]:
Ferrita: Es una solución sólida con una pequeña
cantidad de Carbono disuelto en hierro (máx.
0.008%C), se considera la estructura más suave y
dúctil dentro del diagrama. Se considera como hierro
puro. Las propiedades promedio son: resistencia a la
tensión de 28 kg/mm2, una elongación de 40% y un
dureza de 90 Brinnell.
La ferrita puede aparecer como cristales mezclados
con los de perlita. En los aceros de menos de 0.6%C
forman una red o malla que limita los granos de
perlita, mientras que en los aceros de 0.6 a 0.85%C
en forma de agujas o bandas aciculares orientados en
la dirección de los planos cristalográficos de la
austenita.
Cementita: Es un compuesto intersticial que contiene
6.67% de C, duro y frágil alcanzando una dureza de
700 Brinnell, de baja resistencia a la tensión pero alta
a la compresión. Es la estructura más dura que se
presenta en el diagrama.
Austenita: Es la estructura más densa de los aceros,
está formado por una solución sólida, por inserción de
carbono en hierro gamma. La máxima solubilidad de
carbono es del 2%, tiene una resistencia a la tensión
de 100 kg/mm2, una elongación de 30% y con una
dureza de 300 Brinnell, no es magnética. Esta
estructura no es estable a temperatura ambiente.
La Austenita que posee una estructura cristalina
cúbica centrada en la cara, representa un
empaquetamiento de átomos mucho más denso que
la ferrita, ya que esta última posee una estructura
cristalina cúbica centrada en el cuerpo
Estos productos de transformación pueden variar
dependiendo de las condiciones de soldadura que
influyen en el enfriamiento, como la energía del arco y
el espesor y temperatura del material de base, la
máxima temperatura a la cual el metal es sometido, el
tiempo que la temperatura ha sido aplicada, la
composición del metal, y la velocidad de enfriamiento.
6. CONCLUSIONES
Al igual que otros procesos de soldadura, el proceso
de arco eléctrico involucra la aplicación localizada de
un importante aporte de calor que lleva al material a
temperaturas sobre el punto de fusión; cumpliéndose
posteriormente ciclos de rápido de calentamiento y
enfriamiento. Este fenómeno induce cambios
estructurales en el material, así como la precipitación
de fases que pueden afectar las propiedades de la
junta soldada y de las zonas adyacentes a ella,
específicamente la zona afectada por el calor (ZAC).
La microestructura, composición química y
propiedades del material soldado deberán controlados
con la aplicación óptima de la técnica de soldadura
empleada, a fin de evitar la aparición de fases
minoritarias que puedan afectar sus propiedades.
REFERENCIAS.
[1] Asta, E,. Fundamentos de la soldadura por arco
eléctrico 1a ed. - Buenos Aires: Fundación
Latinoamericana de Soldadura, 2006.pag. 5.
[2] www.etitudela.com/profesores/jfcm/edm/Cap7.htm
[3]rvhiutjaa.files.wordpress.com/2013/07/metalurgia-
de-la-soldadura.pptx

5. [4] Mamlok, A y Zaniewsky, , Materiales para
ingeniería civil, Madrid, 2009, 130-133.
[5] Vedia, L; Svoboda H; “Introducción a la Metalurgia
de la Soldadura”; 2004.
[6] Mangonon, P; “Ciencia de Materiales. Selección y
Diseño”; Prentice Hall; México; 2001.