Metalurgia de la Soldadura.

II. METALURGIA DE LA SOLDADURA. 2017
Recopilación por: Prof. Ing. Jorge Perozo Esp. Dpto. IMI. IUTM. Página 1/11
1. Metalurgia De La Soldadura.
1.1. La Unión Soldada
1.2. Zona afectada por el calor (ZAC).
1.3. Condiciones de soldadura que influyen en el enfriamiento.
2. Soldabilidad.

1. Metalurgia de la Soldadura.
El proceso de la Soldadura es uno de los métodos más usados actualmente para la unión de materiales
metálicos, a la vez es el más complejo desde el punto de vista metalúrgico. La metalurgia de la soldadura se
enfoca en el análisis de los procesos de calentamiento, fusión, solidificación y enfriamiento que giran en
torno a la soldadura.
Prácticamente todos los tipos de fenómenos metalúrgicos ocurren durante la realización de una
soldadura:
 Fusión.
 Solidificación.
 Reacciones gas-metal.
 Fenómenos de superficie.
 Reacciones en estado sólido.
Estas reacciones son sumamente rápidas, si las comparamos con lo que sucede en las los diferentes
procesos metalúrgicos.
La estructura de un cordón de soldadura, es el resultado de diferentes pasos, los cuales comienzan con
las reacciones en estado líquido y terminan con las reacciones en el estado sólido. En el momento en el que
comienza la solidificación, se empiezan a formar las diferentes estructuras cristalográficas, después de esto
se dan las transformaciones termomecánicas las cuales solo se pueden realizar en un estado sólido, acabados
estos procesos se llega al resultado final.
El objetivo, a la hora de realizar una soldadura, es controlar la estructura final, a través de las variables
operativas de los procesos de soldadura.
1.1. La Unión Soldada: Metal de Soldadura y Zona Afectada por el Calor. (ZAC, ZAT, HAZ).
La unión soldada se divide en dos regiones: el metal de soldadura (MS) y la zona afectada por el calor
(ZAT) en el material base (MB), tal como se esquematiza en la figura.

El metal de soldadura es la región que corresponde a la pileta líquida de la soldadura o la que alcanza
la fusión completa. Desde el punto de vista metalúrgico en esta región ocurre un proceso de solidificación de
relativa complejidad con la presencia de una microestructura primaria de granos columnares cuya morfología
dependerá del modo de solidificación.
La soldadura como tal se divide en dos pasos o estructuras, la estructura primaria y la estructura
secundaria, solo si conocemos y entendemos a la perfección que es lo que sucede en cada estado, podremos
producir y hasta mejorar todo lo relacionado con la soldadura.
El primer fenómeno se da cuando comienza el proceso de soldadura, el número de cristales empieza a
aumentar, y a medida que el proceso se desarrolla, la rapidez a la cual se aumentan los cristales aumenta,
pero al mismo tiempo dichos cristales empiezan a crecer lo que produce que llegue a un punto en el que los
cristales están tan juntos que este proceso pasara a ser mucho más lento.
El segundo fenómeno representa la forma en la cual crecen los cristales, ya que los cristales del metal
mientras está rodeado de líquido suelen crecer de una forma regular, pero al haber un cristal con una
diferente ubicación espacial (otro metal), los cristales crecerán de forma irregular y solo la interacción de
dichos cristales podrán dictar su estructura final.
Por ser poco la cantidad de metal fundido en la soldadura, este solidifica muy rápido, en cuestión de
segundos, dando lugar a que las reacciones químicas que se inician en el metal fundido y en la escoria no
tienen tiempo para completarse. La solidificación en soldaduras es la transformación de sólido a líquido está
gobernada por un proceso combinado de nucleación y crecimiento de cristales, y el tamaño, orientación y
distribución de los granos producidos define las propiedades mecánicas y la sanidad de la estructura
solidificada.
Los granos aparecen primero en la línea de fusión, donde la temperatura es relativamente baja, y
crecen con rapidez diferente. Los granos en crecimiento pueden empujar hacia afuera las inclusiones no
metálicas hasta la superficie de la soldadura, al hacer presión los cristales unos contra otros al comenzar a
formarse.
Direcciones de crecimiento de granos: El crecimiento de los cristales se da con la misma orientación
cristalina que los granos de metal base parcialmente fundidos. ESTE FENÓMENO RECIBE EL NOMBRE DE
CRECIMIENTO EPITAXIAL. La solidificación epitaxial es el mecanismo común a todos los procesos de
soldadura por fusión, posibilitando la coalescencia buscada para tener continuidad entre el metal base y el
metal de soldadura.
SOLIDIFICACIÓN PROGRESIVA DEL METAL FUNDIDO EN UN POZO DE SOLDADURA.

Este crecimiento depende también de la pileta liquida a la hora de hacer la soldadura, en donde la
velocidad de avance y la temperatura son factores esenciales, si la velocidad es baja, la pileta tiende a tomar
una forma elíptica, mientras que si la velocidad aumenta, la pileta tiende a alargarse en forma de gota.
En resumen, la forma de la pileta líquida determina la dirección de crecimiento de los granos, así como
la velocidad de crecimiento y el gradiente térmico en el líquido. Cuando la pileta de fusión tiene forma de
gota, el gradiente térmico máximo permanece casi invariable en su dirección en todos los puntos del frente
de solidificación y cuando la pileta de fusión es elíptica, la dirección de gradiente máximo cambia
continuamente desde el borde hacia el centro del cordón.
Algo esencial para entender la estructura primaria es el diagrama hierro-carbono (Fe-C). Podemos
encontrar hasta 11 constituyentes diferentes las cuale son: Ferrita, Cementita, Perlita, Austenita, Martensita,
Troostita, Sorbita, Bainita, Ledeburita, Steadita y Grafito.
En conclusión la formación de la estructura primaria resulta del pasaje de líquido a sólido, por el cual
se obtiene una estructura crecida epitaxialmente a partir de los granos parcialmente fundidos del metal base.
Ésta estructura primaria corresponde a una determinada fase estable a la temperatura de solidificación.
Estructura secundaria

A partir de la estructura primaria y como consecuencia de las subsiguientes transformaciones de
estado sólido aparece una microestructura secundaria que confiere buena parte de las propiedades
mecánicas del metal de soldadura y consecuentemente de la unión soldada.
Las velocidades de enfriamiento involucradas determinan que las condiciones para las
transformaciones de fase mencionadas sean de NO EQUILIBRIO, por esta razón, no es posible utilizar los
DIAGRAMAS DE FASE DE EQUILIBRIO, se recurre entonces a los diagramas TTT (temperatura-transformación-
tiempo).
El metal de soldadura por su parte es resultado de un proceso de dilución entre el material o metal de
aporte y el metal base. Tiene una composición resultante que es consecuencia del aporte de metal base
fundido en los bordes de la junta y el metal de aporte propiamente dicho. Esta última se define en % como
una relación, en la sección de la junta, entre el área de metal diferente al de aporte y el área total de la
sección de la junta.
Por su parte la ZAC es una región del metal base adyacente a la línea de fusión cuyo tamaño
dependerá del aporte térmico de la soldadura. En la ZAC se producen transformaciones metalúrgicas de
estado sólido, similares a las que ocurren en los tratamientos térmicos.

5.2. Zona afectada por el calor (ZAC).
La ZAC se puede subdividir en zonas diferenciadas desde el punto de vista micro estructural en función del
tipo de transformación que se produce en el acero. Porción del metal base inmediatamente adyacente a la
soldadura y que es alternada por el calor de la soldadura.
Zona 1: fusión incompleta. Alta temperatura. Granos Grandes.
Zona 2: baja la temperatura de sobrecalentamiento. Disminuye T. de grano
Zona 3: campo de normalización. Grano fino. Enfriamiento rápido. Expulsa granos finos de perlita y
ferrita
Zona 4: zona de re cristalización incompleta. La perlita se descompone en granos más finos.
Zona 5: zona de re cristalización. Recuperación de granos deformados.
La zona adyacente a la línea de fusión está caracterizada por una microestructura de granos gruesos
donde se alcanza una temperatura por encima del punto crítico superior del acero (ac3) produciendo
austenitización con crecimiento de grano.

El efecto del grano grueso deteriora la tenacidad haciendo que la ZAC, en esa región, sea más
susceptible a la propagación de una fisura. Además, dependiendo del aporte térmico, la velocidad de
enfriamiento y la composición del acero pueden originarse, por transformación, fases duras o frágiles
sensibles a la aparición de fisuras.
A la región de grano grueso le sigue una región de transformación de fase que determina una
microestructura de grano fino, en general, de buenas propiedades mecánicas. Finalmente tiene lugar una
región subcrítica con transformaciones parciales, similares a las del recocido subcrítico de un acero, cuyo
límite es la aparición de material base no afectado.
- Las alteraciones estructurales que ocurren en el área afectada por el calor varían con el contenido de
C y los elementos aleantes en el acero.
- En el área de normalizado, el metal de soldadura puede ser superior en propiedades mecánicas que
el metal base.
- En el área sobre calentada en lo que el grano es grueso, el metal pierde algo de su ductilidad, y su
resistencia al impacto especialmente.
- La zona afectada por el calor muestra cambios de dureza, sobretodo en acero sensibles al
tratamiento térmico.
- El incremento de la dureza va generalmente acompañado por aumento de la fragilidad y reducción
de la ductilidad
- Aceros simples con bajos % de C, la zona cercana a la soldadura no es tan afectada en su resistencia.
- En el acero al carbono o carbono- manganeso, particularmente de composición hipoeutectoide, el
metal de soldadura presenta una microestructura secundaria de ferrita o ferrita y perlita. Dependiendo del

tipo de morfología de la ferrita resultante serán sus propiedades mecánicas, particularmente la relación
entre resistencia y tenacidad.
- En general un alto contenido de ferrita del tipo acicular resulta en un metal de soldadura con un
buen nivel de tenacidad. Es necesario señalar que en pasadas múltiples se produce un efecto de
refinamiento de la microestructura de la pasada o el cordón como consecuencia de un calentamiento por
encima de la temperatura de transformación, por la acción de la pasada siguiente.
- Este efecto de tratamiento térmico produce una recristalización con refinamiento de grano,
mejorando notablemente la tenacidad del metal de soldadura.
- Para soldadura multipasda permite un revenido tanto del metal de soldadura como de la ZAC,
refinando la microestructura y mejorando las propAiedades mecánicas de la misma.
En conclusión la formación de la estructura primaria resulta del pasaje de líquido a sólido, por el cual
se obtiene una estructura crecida epitaxialmente a partir de los granos parcialmente fundidos del metal base.
Ésta estructura primaria corresponde a una determinada fase estable a la temperatura de solidificación.
Cuando un acero recién solidificado cuando se enfría hasta la temperatura ambiente Se producen
transformaciones de fase en estado sólido que dan origen a la llamada ESTRUCTURA SECUNDARIA. Estas
transformaciones son sumamente importantes a la hora de la soldadura ya que en esta estructura se pueden
alterar las propiedades mecánicas del metal.
Las velocidades de enfriamiento involucradas determinan que las condiciones para las
transformaciones de fase mencionadas sean de NO EQUILIBRIO, por esta razón, no es posible utilizar los
DIAGRAMAS DE FASE DE EQUILIBRIO, se recurre entonces a los diagramas TTT (temperatura-transformación-
tiempo).
DIAGRAMAS TTT (temperatura-transformación-tiempo): Se denomina curva TTT al diagrama que
relaciona el tiempo (normalmente en escala logarítmica) y la temperatura requeridos para una
transformación a temperatura constante.

La templabilidad indica la tendencia a la formación de microestructuras de temple, martensita, cuya
susceptibilidad a la fisuración bajo determinadas condiciones de soldadura es muy importante. En los aceros
las características de temple se evalúan a través de las curvas denominadas temperatura- tiempo-
transformación (TTT) que permiten medir la proporción de la transformación a temperatura constante
(curvas isotérmicas).
Los factores que modifican la forma del diagrama TTT son:
a. Composición química del acero:
i. Elementos que mueven las líneas hacia la derecha (C, Ni, Mn, Si, Cu)
ii. Elementos que además cambian la forma (Cr, Mo, V)
b. Tamaño de grano austenitico: si es grande, disminuye la superficie de borde de grano disponible
para nuclear.
c. Heterogeneidad de la austenita: en las áreas segregadas la austenita se transforma de acuerdo a un
diagrama modificado por el efecto local.
Las condiciones de soldadura que influyen en el enfriamiento, de acuerdo con los siguientes
conceptos:
 La energía: Una mayor energía (joules/pulgada) provoca menores velocidades de enfriamiento.
 El espesor del metal base: Por lo general un metal base de mayor espesor se enfría más rápidamente
que otro más fino. La mayor capacidad para absorber el calor, relacionada con su mayor masa, producen
mayores velocidades de enfriamiento.
 Temperatura del metal base, Precalentamiento: La temperatura del metal base, al iniciar la
soldadura, tiene fuerte efecto sobre las velocidades de enfriamiento en toda la zona afectada por el calor y
en el cordón de soldadura; a mayor precalentamiento corresponden menores velocidades de enfriamiento.
Durante la solidificación del pozo de soldadura los granos en la soldadura crecen por crecimiento
epitaxial en el metal base, donde el tamaño de grano y textura controla el crecimiento. La estructura del
grano depende de la forma del pozo de soldadura, siendo la forma controlada por la velocidad de soldadura y
la alimentación de calor.
Otro aspecto que se debe tener en cuenta en la estructura secundaria es el enfriamiento en la zona
afectada por el calor (ZAC). 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.
Relación de aspecto de la ranura (RAR).
Ancho =
Entrada de calor
x
Difusividad Térmica
Velocidad Espesor MB Conductividad Térmica
Ancho de la soldadura vs profundidad de penetración si RAR<1 => las bolsas de metal fundido
formadas de ultimo se encontraran en el centro de la sección transversal de la soldadura => acumulación de
escoria, gas entre otros.
Si RAR>1=> bolsas de metal fundido al final estarían en la parte media de la superficie, eliminándose
todas las impurezas media del metal de la soldadura.

El pre calentamiento es un factor importante para obtener una ZAC óptima.
Esta operación consiste en el calentamiento de la junta previo a la soldadura, su principal efecto es
reducir la velocidad de enfriamiento de la unión soldada.
Tiene como Ventajas:
 Evitar el templado.
 Aumentar la difusión de hidrógeno en la junta.
Desventaja: aumenta la extensión de la ZAC.
Para finalizar es necesario tener un buen post-calentamiento el cual consiste en mantener junta la
soldadura a una temperatura mayor a la del ambiente por un lapso de tiempo para aumentar la difusión de
hidrogeno, lo que se busca es enlentecer el enfriamiento de la junta para que así no se presente la fisuración
por hidrogeno, estas fisuras pueden presentarse en el cordón de soldadura o en la ZAC.

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Molera S. Pere. Soldadura Industrial: Clases y aplicaciones.1992. España. Tomado: 17/11/1916. En
https://books.google.co.ve/books?id=KoEH9EkR48gC&pg=PA9&dq=enlace+metalico+en+soldadura
Waharla Alija. http://es.slideshare.net/ALIJAWAHARLALMAYORGA/2252888-metalurgiadelasoldadura
https://es.scribd.com/document/246517392/Curso-de-Soldadura-Para-Supervisor
http://blog.utp.edu.co/metalografia/capitulo-18-soldadura-metalurgia-de-la-soldadura-procesos-
de-soldadura-soldabilidad/

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