1. ¿Qué es el acero al carbono?
Según su composición química, el acero se puede clasificar en dos tipos principales: acero al carbono y acero aleado.
El acero al carbono se divide a su vez en:
- Acero con bajo contenido de carbono: con un contenido de carbono inferior al 0,25 %.
- Acero de medio carbono: con un contenido de carbono del 0,25% al 0,6%
- Acero con alto contenido de carbono: con un contenido de carbono superior al 0,6%.
1. Acero con poco carbono
El acero con bajo contenido de carbono, también conocido como acero al carbono, es un tipo de acero al carbono con un contenido de carbono inferior al 0,25%. Se le conoce como acero dulce debido a su baja resistencia y dureza.
Esta categoría incluye los aceros estructurales al carbono más comunes y una parte de los aceros estructurales al carbono de alta calidad. Se utiliza principalmente para diseñar componentes estructurales sin tratamiento térmico. Algunos se someten a tratamientos de carburación y otros tratamientos térmicos para obtener piezas mecánicas resistentes al desgaste.
2. Acero al carbono medio
El acero con medio carbono tiene un buen procesamiento térmico y rendimiento de corte, pero su soldabilidad es baja. Su resistencia y dureza son superiores a las del acero con bajo contenido de carbono, pero su plasticidad y tenacidad son inferiores.
Se puede utilizar directamente sin tratamiento térmico o después del tratamiento térmico. El acero al carbono medio templado y revenido tiene excelentes propiedades mecánicas integrales. La dureza más alta que se puede alcanzar es aproximadamente HRC55 (HB538), con una resistencia a la tracción de 600 a 1100 MPa.
Por lo tanto, el acero con medio contenido de carbono se utiliza ampliamente con niveles de resistencia moderados, no sólo como material de construcción sino también en la fabricación de diversas piezas mecánicas.
3. Acero con alto contenido de carbono
El acero con alto contenido de carbono, a menudo denominado acero para herramientas, tiene un contenido de carbono que oscila entre el 0,60% y el 1,70%. Puede endurecerse y revenirse, pero su soldabilidad es pobre.
Herramientas como martillos y palancas están fabricadas de acero con un contenido de carbono del 0,75%; Las herramientas de corte como taladros, machos y escariadores están hechas de acero con un contenido de carbono del 0,90% al 1,00%.
2. Comparación de soldabilidad entre acero con bajo contenido de carbono y acero con alto contenido de carbono
La soldabilidad del acero depende principalmente de su composición química, siendo el carbono el elemento más influyente.
En otras palabras, el contenido de carbono determina la soldabilidad del metal. La mayoría de los demás elementos de aleación del acero también dificultan la soldadura, pero su impacto es generalmente mucho menos significativo que el del carbono.
El acero con bajo contenido de carbono generalmente tiene buena soldabilidad y no requiere medidas de proceso especiales.
Sin embargo, cuando se trabaja con chapas gruesas, bajas temperaturas o altas exigencias, es necesario soldar con electrodos alcalinos y realizar un precalentamiento adecuado.
Cuando el contenido de carbono y azufre en el acero con bajo contenido de carbono está cerca del límite superior, no solo se deben utilizar electrodos de alta calidad con bajo contenido de hidrógeno y medidas de precalentamiento y poscalentamiento, sino que también se debe seleccionar adecuadamente la forma de la ranura y la velocidad de fusión. debe reducirse para evitar el agrietamiento en caliente.
El acero con contenido medio de carbono tiende a desarrollar grietas en frío cuando se suelda. Cuanto mayor es el contenido de carbono, mayor es la tendencia al endurecimiento en la zona afectada por el calor y mayor es la probabilidad de agrietamiento en frío, lo que conduce a una peor soldabilidad.
A medida que aumenta el contenido de carbono en el material base, también aumenta el contenido de carbono en el metal de soldadura. Combinado con el efecto adverso del azufre, se pueden formar fácilmente grietas calientes en la soldadura.
Por lo tanto, al soldar acero con medio carbono, se deben utilizar electrodos con buena resistencia al agrietamiento y se deben tomar medidas como el precalentamiento y el poscalentamiento para reducir la tendencia al agrietamiento.
Al soldar acero con alto contenido de carbono, debido a su alto contenido en carbono, se producen importantes tensiones de soldadura. La zona afectada por el calor tiende a endurecerse y desarrollar grietas en frío, y la soldadura es más propensa a agrietarse en caliente.
El acero con alto contenido de carbono tiene más probabilidades de desarrollar grietas en caliente que el acero con medio carbono durante la soldadura, lo que lo convierte en el peor en términos de soldabilidad.
Por lo tanto, generalmente no se usa en estructuras de soldadura y solo se usa para soldadura de reparación o revestimiento de piezas fundidas. Después de soldar, la pieza soldada debe templarse para eliminar tensiones, estabilizar la estructura, evitar grietas y mejorar el rendimiento de la soldadura.
3. Soldadura de acero al carbono medio.
El acero al carbono medio se refiere al acero al carbono con un contenido de carbono del 0,25% al 0,60%, que incluye grados de acero estructural al carbono de alta calidad, como 30, 35, 45, 50, 55 y grados de acero al carbono fundido, como ZG230-450. , ZG270-500, ZG310-570 y ZG340-640.
Debido al mayor contenido de carbono en el acero con medio carbono en comparación con el acero con bajo contenido de carbono, su soldabilidad es menor. Cuando la fracción de masa de carbono es cercana al 0,30% y el contenido de manganeso no es alto, la soldabilidad sigue siendo buena, pero a medida que aumenta el contenido de carbono, la soldabilidad empeora gradualmente.
Cuando la fracción de masa de carbono alcanza aproximadamente el 0,50%, la soldabilidad empeora significativamente.
(1) Problemas comunes al soldar acero con medio carbono.
Los problemas que pueden ocurrir al soldar acero de medio carbono son los siguientes:
- Problema de craqueo en frío
Debido al alto contenido de carbono del acero, la zona afectada por el calor puede producir fácilmente una estructura de martensita dura y quebradiza durante la soldadura, lo que provoca grietas en frío.
Si se utilizan materiales de soldadura inadecuados o si el proceso de soldadura no se formula correctamente, también pueden aparecer fácilmente grietas en frío en la soldadura.
- Problema de agrietamiento en caliente
Durante la soldadura, el material original con alto contenido de carbono se derretirá e introducirá carbono en la soldadura, aumentando así el contenido de carbono de la soldadura. El carbono puede intensificar el efecto del azufre y el fósforo sobre los metales, provocando craqueo en caliente.
Por lo tanto, al soldar acero con medio carbono, es fácil que se produzcan grietas en caliente en la soldadura. Esto es especialmente cierto cuando el contenido de azufre y fósforo en el material base o en el material de soldadura no está estrictamente controlado, lo que aumenta la probabilidad de agrietamiento en caliente.
Además, el alto contenido de carbono en el acero también puede aumentar la tendencia de la soldadura a producir poros de gas CO.
(2) Técnicas de soldadura de acero al carbono medio.
Debido a la propensión del acero al carbono medio a formar defectos como grietas en frío y en caliente cuando se suelda, es necesario implementar medidas técnicas especiales para garantizar una soldadura exitosa.
- Métodos de soldadura
Se pueden emplear varios métodos de soldadura por arco para soldar acero con medio carbono. Debido a que el acero con medio carbono se usa comúnmente en la producción de piezas de máquinas, en lugar de estructuras de soldadura a gran escala, la soldadura por arco metálico protegido se usa con mayor frecuencia.
- Materiales de soldadura
Para evitar la formación de grietas en frío y en caliente en la soldadura, normalmente se utilizan electrodos con bajo contenido de hidrógeno en la soldadura por arco metálico protegido. Estos electrodos no sólo mantienen un bajo contenido de hidrógeno en la soldadura, sino que también exhiben efectos desulfurantes y desfosforizantes, aumentando la plasticidad y tenacidad de la soldadura.
Cuando el acero tiene un menor contenido de carbono y la unión tiene menos rigidez, se pueden utilizar electrodos de rutilo o básicos. Sin embargo, se deben implementar medidas técnicas estrictas, como minimizar la velocidad de fusión, precalentar rigurosamente la pieza y controlar la temperatura entre capas.
Si no es posible el precalentamiento, se pueden utilizar electrodos de acero inoxidable austenítico como E308L-16 (A102), E308L-15 (A107), E309-16 (A302), E309-15 (A307), E310-16 (A402), E310-15. (A407), se puede utilizar.
- Precalentamiento y temperatura intermedia
El precalentamiento es la técnica más eficaz para prevenir grietas al soldar acero con medio carbono. El precalentamiento no sólo reduce la velocidad de enfriamiento de la junta, evitando la formación de martensita, sino que también reduce la tensión de soldadura y acelera la difusión de hidrógeno.
En la mayoría de circunstancias, es necesario precalentar y mantener la temperatura de la capa intermedia.
La selección de las temperaturas de precalentamiento y de capa intermedia depende del equivalente de carbono del acero, el espesor del metal base, la rigidez de la estructura y el tipo de electrodo.
La temperatura de precalentamiento se puede determinar mediante pruebas de soldadura, o mediante la fórmula empírica T0=550(C-0,12)+0,4δ. En esta fórmula, T0 representa la temperatura de precalentamiento (℃), C representa la fracción de masa de carbono en el metal base a soldar (%) y δ representa el espesor de la placa de acero (mm).
Las temperaturas de precalentamiento y de capa intermedia para soldar los aceros 30, 35 y 45 se pueden consultar en la Tabla 1.
Tabla 1 Temperatura de precalentamiento y temperatura de templado posterior a la soldadura para soldar acero al carbono
| Grado de acero | Espesor de soldadura /mm |
Proceso de operación | Categoría de varilla de soldadura | Observación | |
| Temperatura intermedia de precalentamiento /℃ |
Temperatura de enfriamiento para alivio del estrés /℃ |
||||
| 30 | -25 | >50 | 600-650 | Varilla de soldadura sin bajo contenido de hidrógeno | 1. El rango de calentamiento en ambos lados de la ranura para precalentamiento local es de 150-200 mm.
2. Durante el proceso de soldadura, se puede utilizar martillado para reducir la tensión residual de la soldadura. |
| Varilla de soldadura tipo bajo en hidrógeno | |||||
| 35 | 25-50 | >100 | Tipo bajo en hidrógeno | ||
| >150 | Tipo sin bajo contenido de hidrógeno | ||||
| 50-100 | >150 | Tipo bajo en hidrógeno | |||
| 45 | -100 | >200 | Tipo bajo en hidrógeno | ||
- Forma de ranura
Idealmente, la pieza de trabajo debería tener una ranura en forma de U o V para reducir la proporción de metal base fundido en la soldadura. Al reparar defectos en piezas fundidas, la ranura excavada debe tener un exterior liso para minimizar la cantidad de metal base que se funde en la soldadura.
- Parámetros de soldadura
Para soldar se debe utilizar una fuente de alimentación de corriente continua con polaridad inversa. Para la soldadura multicapa se deben utilizar electrodos de pequeño diámetro, baja corriente y baja velocidad de soldadura, ya que la proporción de metal base que se funde en la primera capa de la soldadura puede llegar hasta el 30%.
- Posterior a la soldadura de tratamiento térmico
Después de soldar, lo ideal es que la pieza de trabajo se someta inmediatamente a un tratamiento térmico que alivie las tensiones. Esto es especialmente importante para soldaduras gruesas, estructuras altamente rígidas y soldaduras que operan bajo cargas dinámicas o de impacto.
La temperatura para el recocido sin tensiones se sitúa generalmente entre 600 y 650 grados Celsius.
Si no se puede realizar un tratamiento térmico de alivio de tensiones inmediatamente después de la soldadura, se debe realizar un postcalentamiento, que consiste en calentar ligeramente por encima de la temperatura de precalentamiento, con un tiempo de espera de aproximadamente 1 hora por 10 mm de espesor.
(3) Recopilación de procedimientos típicos de soldadura para acero con contenido medio de carbono.
(I) Acero 35 y Acero al Carbono Fundido ZG270-500
La fracción de masa de carbono en el acero 35 es de 0,32% a 0,39%, y la del acero al carbono fundido ZG270-500 es de 0,31% a 0,40%. El equivalente de carbono es aproximadamente del 0,45%, por lo que la soldabilidad de este tipo de acero es aceptable.
Sin embargo, en la zona afectada por el calor durante la soldadura se puede formar una estructura martensítica dura y quebradiza, que tiende a agrietarse. Por tanto, se deben tomar ciertas medidas técnicas a la hora de soldar este tipo de acero.
- Selección de materiales de soldadura.
Cuando se utiliza soldadura por arco revestido, si se requiere una costura de soldadura de igual resistencia a la del material original, se pueden utilizar varillas de soldadura E5016 (J506) o E5015 (J507). Si no se requiere una costura de soldadura con la misma resistencia que la del material base, se pueden seleccionar varillas de soldadura E4316 (J426), E4315 (J427), E4303 (J422), E4310 (J423), etc.
Para soldadura por arco sumergido, se pueden seleccionar fundentes HJ430 o HJ431 y alambres H08MnA o H10Mn2.
Para soldadura con escoria, se pueden seleccionar fundentes HJ430, HJ431, HJ360 y alambres H10Mn2, H08Mn2Si, H08Mn2SiA.
- Temperatura de precalentamiento y temperatura de la capa intermedia.
Al soldar acero 35 y acero fundido ZG270-500, la temperatura de precalentamiento típica y la temperatura de la capa intermedia para las piezas soldadas son de aproximadamente 150 ℃. Si la rigidez de las piezas soldadas es relativamente grande, la temperatura de precalentamiento y la temperatura de la capa intermedia deben aumentarse a 200-250 °C.
El rango de calentamiento para el precalentamiento local es de 150 a 200 mm en ambos lados de la ranura.
- Posterior a la soldadura de tratamiento térmico
Para piezas soldadas de alto espesor, alta rigidez o que trabajan bajo cargas dinámicas o de impacto, el recocido de alivio de tensiones debe realizarse inmediatamente después de la soldadura. La temperatura de recocido es generalmente de 600-650°C.
Para piezas soldadas de espesor general, se puede utilizar el poscalentamiento para permitir que escape la difusión de hidrógeno.
La temperatura de postcalentamiento es generalmente de 200-350°C y el tiempo de mantenimiento es de 2-6 horas dependiendo del espesor de las piezas soldadas.
(II) Acero 45 y Acero al Carbono Fundido ZG310-570
La fracción de masa de carbono en el acero 45 es del 0,42% al 0,5%, y la del acero fundido ZG310-570 es del 0,41% al 0,50%. El equivalente de carbono es aproximadamente 0,56%. Este acero tiene una mayor tendencia a endurecerse y agrietarse, lo que hace que su soldabilidad sea relativamente baja.
- Selección de materiales de soldadura.
Para la soldadura por arco con electrodos se deben elegir varillas de soldadura con un bajo contenido de hidrógeno. Si se requiere una costura de soldadura de igual resistencia que la del material base, se pueden utilizar varillas de soldadura E5516-G (J556) o E5515-G (J557).
Si no se requiere una costura de soldadura de igual resistencia que el material base, E4316 (J426), E4315 (J427), E5016 (J506), E5015 (J507), E4303 (J422), E4301 (J423), etc. seleccionado.
Para soldadura por arco sumergido, se pueden seleccionar fundentes HJ350 o SJ101 y alambres H08MnMoA.
- Selección de parámetros de soldadura.
Al soldar acero 45 y acero al carbono fundido ZG310-570, se debe elegir una corriente de soldadura más baja para reducir la velocidad de fusión de la costura de soldadura y disminuir la cantidad de carbono que pasa del material base a la costura de soldadura.
- Temperatura de precalentamiento y temperatura de la capa intermedia.
Para soldar este tipo de acero es recomendable precalentar toda la pieza a una temperatura superior a 200 ℃.
Para las juntas en T, debido a que tienen más direcciones de disipación de calor que las juntas a tope, la velocidad de enfriamiento de la junta soldada aumentará, aumentando la tendencia a producir grietas en frío.
Por lo tanto, la temperatura de precalentamiento debe aumentarse adecuadamente a 250-400°C dependiendo del espesor de las piezas soldadas.
La temperatura de la capa intermedia no debe ser inferior a la temperatura de precalentamiento.
- Posterior a la soldadura de tratamiento térmico
Después de soldar, las piezas soldadas deben someterse inmediatamente a un recocido para aliviar la tensión. La temperatura de recocido es de 600-650°C.
