Bases de la técnica de soldadura
La soldadura es la unión de metales de la misma composición o de composición similar bajo la acción del calor, con o sin aportación de un metal igual o similar. Mediante la soldadura, las piezas quedan unidas inseparablemente entre sí, de modo que se forma un conjunto único. Una buena soldadura presupone una unión íntima, que solo se logra cuando en el lugar de la soldadura también se funde el material base (zona de fusión).
Soldadura por arco eléctrico
Para las estructuras de acero, en primer lugar se tiene en cuenta la soldadura por arco eléctrico, en la que el calor necesario se obtiene mediante un arco eléctrico de llama. El arco se forma entre la pieza base y la llamada electrodo, que en ese momento se funde y aporta material adicional. La elección correcta del material de aporte (electrodo) influye de manera decisiva en las propiedades de la unión soldada. Los electrodos se seleccionan según las resistencias características del material base que se va a soldar. La elección de los electrodos y la determinación de las condiciones de soldadura exigen conocimientos especializados, por lo que se ha creado la institución de “ingenieros especialistas en técnica de soldadura” especialmente formados, cuya tarea es, entre otras, supervisar los trabajos de soldadura y repetir periódicamente las homologaciones de los soldadores.
Soldadura y corte por gas
En la soldadura con gas, el calor necesario se produce por la combustión del gas, de modo que el material base y el de aportación llegan a fundirse. Más importante es el corte. El soplete de corte dispone, además del tubo de calor, que actúa igual que durante la soldadura, de otro tubo de corte para oxígeno. El acero calentado por la llama caliente se perfora y se sopla con una corriente de oxígeno. El corte proporciona superficies lisas y precisas, suficientes para muchos fines de las construcciones de acero sin mecanizado adicional.
Soldabilidad
Para evaluar las uniones soldadas hay que tener en cuenta que durante el proceso de soldadura puede cambiar considerablemente la composición del material de aportación, así como la del material base. También tiene gran importancia el cambio de estructura: entre el cordón fundido y el material base no alterado existe, según el grado de acción térmica, una zona de estructura diversa y, por tanto, de distintas propiedades. Junto al cordón se encuentra la región en la que se fundió el material base (zona de penetración) y en la que se produce la unión entre la zona de soldadura y el material base. La zona circundante del material también se calienta fuertemente, aunque allí ya no se alcanza el punto de fusión. En esta zona de sobrecalentamiento se producen grandes cambios estructurales, por lo que a menudo resulta निर्णante para las propiedades de toda la unión soldada.
La fisuración de la soldadura implica la aparición de grietas en la soldadura, que se producen inmediatamente después de soldar, todavía a alta temperatura, o tal vez sólo durante el enfriamiento en la zona de rojo azulado (alrededor de 300oC). La fisuración es en gran medida una propiedad de los electrodos; aparece casi sólo con electrodos revestidos, precisamente los que son importantes para las estructuras de acero. Para que aparezcan grietas deben cumplirse dos condiciones, a saber, altas tensiones debidas al proceso de soldadura u otras causas externas, así como un aumento de la rigidez del material.
Además de los cambios metalúrgicos en la composición y la estructura del material, también son importantes los procesos físicos, que están relacionados con las grandes cantidades de calor que se aportan al material durante la soldadura y con las altas temperaturas alcanzadas. El calentamiento no se produce de manera uniforme, sino solo en zonas estrechamente delimitadas. La dilatación térmica asociada al calentamiento está impedida por la tensión interna de la zona calentada frente al material no calentado. A ello se suma también una tensión externa, porque las piezas deben sujetarse firmemente durante la soldadura, por lo que al calentarse aparecen compresiones plásticas. Durante el enfriamiento, la costura y su entorno se contraen con mayor intensidad (contracción). Al enfriarse, debido a la expansión impedida, deben aparecer tensiones forzadas (tensiones por contracción). Mediante el precalentamiento de las piezas que se van a soldar a 200 oC hasta 300 oC puede ralentizarse considerablemente el enfriamiento. Como resultado de la reducción del efecto de temple se obtiene una mejor formación de la estructura, y el endurecimiento es menor.
Ensayo de materiales y trabajos de soldadura
General: Dado que la calidad de los trabajos de soldadura depende de una serie de circunstancias y, no menos, de la habilidad y fiabilidad del trabajador especializado, es necesario un control e inspección precisos de todos los trabajos de soldadura. Entre las inspecciones se citan las destinadas a determinar la soldabilidad de los materiales y los electrodos, la comparación de las condiciones de soldadura y de los procedimientos de soldadura para un caso dado, las inspecciones de muestras, etc.
Fig. 1 - Ensayo de flexión de la soldadura
Ensayo de flexión de la soldadura: Es un ensayo de flexión de una viga simple de sección rectangular (fig. 1), en la que una ranura longitudinal trabajada en semicírculo en la fibra traccionada se vuelve a soldar con una sola capa, y ello a temperatura ambiente. La soldadura provoca una fuerte reducción de la deformabilidad, de modo que las probetas con frecuencia se rompen de forma completamente frágil y repentina. El ángulo de flexión es mayor en chapas delgadas; disminuye con el espesor de la chapa.
Tenacidad al entalla: En la prueba de flexión de la soldadura, por lo general las grietas aparecen primero en la soldadura, de modo que se produce una rotura frágil. El material base debe ser capaz de soportar la carga que aparece repentinamente al fracturarse frágilmente la soldadura. Debe exigirse que la grieta en la zona de soldadura no se propague rápidamente a través del material base, sino que pueda avanzar sólo lentamente. El material base debe ser suficientemente tenaz para soportar esta carga súbita y esta capacidad debe mantenerse en suficiente medida también a bajas temperaturas. La tenacidad al entalla, al igual que otras propiedades mecánicas, depende en gran medida de la temperatura a la que se realiza el ensayo. A bajas temperaturas, por ejemplo por debajo de 0 oC, puede descender a una parte del valor a 20 oC. La posición de este descenso brusco es importante para la evaluación de un material. Para las estructuras de acero soldadas hoy se exige un material de buena resistencia al envejecimiento, es decir, alta resistencia al impacto con entalla en ensayos de tracción en frío.
Fig. 2 - Deformación en estados de tensión por entalla
Dureza: Las manifestaciones de dureza en la zona de soldadura tienen gran importancia. Es importante conocer el aumento de dureza, porque la dilatación en la rotura disminuye rápidamente al aumentar la dureza (fig. 3), mientras que la resistencia a tracción σB se eleva casi proporcionalmente a la dureza Brinell HB. Para los aceros de construcción es aproximadamente σB = 0,36*HB. Un ejemplo de la dureza del cordón principal de un perfil I se muestra en la fig. 4. En la zona de transición existen, a distancias muy pequeñas, grandes diferencias de dureza. El curso de la dureza depende de la estructura formada. La línea σ-ε-l cambia con la dureza de manera semejante al estado de tensiones de la entalla (fig. 2).
Fig. 3 - Dureza Brinell y alargamiento
Fig. 4 - Durezas en la zona de la soldadura en el alma de una viga I soldada
Ensayo no destructivo de uniones soldadas terminadas
Radiografía – Al radiografiar pequeñas espesores, la imagen radiográfica puede hacerse visible en una sola pantalla. En lugar de rayos X pueden utilizarse rayos gamma de materiales radiactivos. La imagen radiográfica permite deducir la calidad de la soldadura. Las inclusiones de escoria o poros, así como los defectos de unión y las grietas, pueden así detectarse y, en su caso, eliminarse.
Flujo magnético – Se induce un campo magnético en la parte del acero que se está examinando y entonces las limaduras aplicadas se distribuyen según el campo. A partir de eventuales irregularidades en el campo magnético pueden detectarse grietas. El procedimiento es eficaz especialmente para localizar grietas superficiales, pero relativamente poco sensible a las inclusiones de escoria y a los poros, así como a las grietas que se encuentran en el interior de placas más gruesas.
Ensayo por ultrasonidos – Las ondas sonoras ultracortas se reflejan no solo en las superficies límite, sino también en las superficies de discontinuidad del interior, como por ejemplo en grietas o separaciones.