Composición del Acero y Técnicas de Soldadura: Carbono Equivalente y Precalentamiento

Carbono Equivalente

El carbono equivalente de un acero es una medida de su potencial tendencia a fisurarse durante la operación de soldeo.

La tendencia al temple de un acero se mide por la localización en la escala de tiempos de su transformación martensítica durante el enfriamiento.

En la soldadura, la templabilidad en la Zona Afectada Térmicamente (ZAT) se puede deducir por el valor del tiempo crítico de enfriamiento que, para una determinada geometría de junta, es función de la energía puesta en juego y de la temperatura inicial.

Tanto el carbono como el manganeso tienen una marcada influencia en la fisuración. La tendencia a la fisuración crece rápidamente con el aumento de carbono. A igual cantidad de carbono, crece con el aumento del manganeso. Los demás elementos de los aceros también pueden influir, pero en menor medida.

El carbono equivalente se obtiene añadiendo al carbono, el de los demás elementos que conforman el acero, pero partido por un coeficiente determinado para cada material, dependiendo de su influencia en la fisuración.

Existen muchas fórmulas para hallar este dato, pero esta es la recomendada por el Instituto Internacional de Soldadura:

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

Suele ser práctica habitual fijar al acerista un valor máximo de 0.43 % para el carbono equivalente obtenido por esta fórmula, o incluso menor, si se trata de soldar espesores gruesos o uniones fuertemente embridadas. La experiencia ha venido demostrando que el soldeo de aceros al carbono no presenta grandes dificultades cuando este elemento es igual o inferior al 0.25 %.

Precalentamiento

El precalentamiento consiste en calentar el metal base a una temperatura relativamente baja antes de comenzar la soldadura. Su finalidad principal es la de reducir la velocidad de enfriamiento de la unión soldada y el resto de la pieza, y así evitar la formación de martensita.

El precalentamiento también ayuda a difundir el hidrógeno, reduciendo por lo tanto la fisuración en frío.

Las tensiones de la soldadura también serán menores debido al precalentamiento.

A la hora de calcular el precalentamiento hay que tener en cuenta la velocidad de enfriamiento, ya que esta depende de:

• El espesor de la pieza: A mayor espesor, mayor velocidad de enfriamiento. Se podría formar martensita, mayores tensiones y mayores segregaciones.
• La geometría de la junta: Cuantas más vías de escape, mayor velocidad.
• La energía neta aportada: Cuanta menos energía aportada, más rápido será el enfriamiento.

La temperatura de precalentamiento debe ser más elevada cuando:

• Mayor sea la templabilidad del acero que se va a soldar.
• Menor sea la energía neta aportada en el proceso de soldeo.
• Mayor sea el índice de brusquedad térmica.

Para una estimación previa del coste del precalentamiento en una construcción soldada, la temperatura vendrá determinada por la que requiera el carbono equivalente máximo como caso más desfavorable.

Horno Eléctrico

El horno eléctrico es un recipiente cilíndrico grueso forrado de material refractario, y es el sitio donde se formará el baño de acero líquido y escoria. Son los más usados industrialmente.

Se funden chatarras a través de corriente eléctrica y se afina el baño.

Se introducen electrodos por los orificios de la bóveda. Estos son de grafito y pueden alcanzar los 700 mm de diámetro. Estos van bajando a medida que la chatarra se va fundiendo. Se hace saltar un arco eléctrico entre los electrodos y la chatarra, y este es el que funde la chatarra.

Poseen un sistema de recogida de humos para no contaminar la atmósfera.

Hay otro tipo de hornos que funde la carga a través de una corriente eléctrica que circula a través de una bobina que rodea la carga, pero son menos utilizados.

Estos dos tipos de hornos pueden a su vez ser de bóveda fija o desplazable. En los de bóveda desplazable se cargan los hornos por la parte de arriba, y en los de bóveda fija se hace a través de compuertas en las paredes.

El proceso en el horno eléctrico se divide en 4 fases:

Fusión:

Se cargan la chatarra y algunos elementos para ayudar a formar la escoria, normalmente cal, se bajan los electrodos a través de los agujeros y se enciende el arco. Se puede acelerar la combustión con inyecciones de oxígeno.

Oxidación:

Se eliminan por oxidación los elementos no deseables en el baño (silicio, fósforo…) formando óxidos que pasan a la escoria y se elimina el exceso de carbono en forma gaseosa (CO). Entre esta etapa y la primera hay una etapa de afino.

Reducción:

En esta fase se pretende obtener un baño con bajo contenido en oxígeno y eliminar la mayor parte del azufre. Para ello se utilizan cal, espato y algunos otros elementos. Aquí se forma la escoria.

Ajuste de la composición:

Aquí se añaden los materiales necesarios para crear las aleaciones que necesitamos. Se espera a que la mezcla sea homogénea y se cuela el acero para un recipiente.