Soldadura: ¿Por qué un alto equivalente de carbono reduce la soldabilidad del acero?

La fórmula para el equivalente de carbono

Y,

CE = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) / 15

La capacidad de formar componentes metalúrgicos duros como martensitas o cualquier otra fase dura depende del equivalente de carbono y la velocidad de enfriamiento del acero involucrado en el enfriamiento desde la temperatura de transformación. Cuanto mayor sea el valor equivalente de carbono, más rápida será la velocidad de enfriamiento, mayor será la tendencia a que se formen fases duras y frágiles durante el enfriamiento. Todo el fenómeno se denomina “ templabilidad del acero ” y se puede medir mediante la prueba de extinción final de Jominy que determina la profundidad a la que tiene lugar la transformación martensítica. A continuación se muestra un video de la prueba:

Prueba de Jominy End-Quench

La soldabilidad del acero depende de muchos factores, de los cuales el equivalente de carbono es uno de los más importantes, durante la soldadura de las microestructuras en todo el espécimen y se requiere que nuestra soldadura sea la misma para obtener una propiedad uniforme. La unión del metal mediante soldadura se realiza a temperaturas más altas, temperaturas que a veces alteran la condición del acero debido al enfriamiento rápido. Este enfriamiento rápido es la principal fuente de formación de martensita en acero, que es una estructura frágil dura y si se forma en la superficie o cerca de la superficie del área de soldadura seguramente obstaculiza la propiedad del metal. El CE nos ayuda a predecir la formación de esta estructura y se considera un parámetro importante para los soldadores en toda la industria, por lo general, el CE (IIW) para los aceros API es de alrededor del 0,4% en peso. Los aceros con CE 0.4% o superior algunas veces requirieron PWHT (tratamiento térmico posterior a la soldadura).

Referencias

1. Equivalente de carbono
2. Especificación de Linepipe Steel API5L 45th Edition
3. Jominy End Quench Test

Aumentar el contenido de carbono aumenta su capacidad de endurecimiento, por lo que a medida que la soldadura se enfría, se puede enfriar de manera efectiva, lo que da como resultado un material duro y quebradizo en la zona afectada por el calor. El acero endurecido también tiene una densidad ligeramente menor que la no endurecida, lo que puede causar distorsión, tensiones residuales y grietas.

El acero con alto contenido de carbono también puede formar granos de carburo cuando se enfría de fundido, lo que puede actuar como sitios de propagación de grietas.

Estos efectos dependen del enfriamiento moderadamente rápido de la soldadura y, en muchos casos, se pueden mitigar mediante el precalentamiento y el poscalentamiento de la pieza para reducir la velocidad de enfriamiento o incluso un tratamiento térmico adicional después de la soldadura para revertir los efectos. Esto agrega complejidad y costo al proceso de soldadura, aunque especialmente para ensamblajes grandes.

Otras opciones incluyen la soldadura con un relleno de alta resistencia y bajo contenido de carbono para diluir el contenido de carbono en la zona afectada por el calor o la soldadura fuerte con un relleno de cobre o níquel que reduce la entrada de calor y puede mantener el metal base por debajo de la temperatura crítica requerida para el endurecimiento.

El alto contenido de carbono reduce la ductilidad y la movilidad del acero en su estado fundido. Dado que la soldadura se realiza mediante el flujo de metal fundido en grietas y poros abiertos, el alto contenido de carbono es un elemento disuasorio en este caso. Y la soldadura de acero con alto contenido de carbono también presenta un mayor riesgo de formar martensita que es frágil y puede causar que la soldadura se rompa bajo tensión.