Soldadura de aceros de carbón medios/altos y aceros especiales

1. Introducción

El acero contiene Si, Mn, P y S además de C. Estos cinco elementos químicos se les llaman los 5 elementos químicos del acero. El acero que contiene 0.3% o menos de C se llama acero de bajo-C o acero suave. Acero con 0.6% o más de C se llama acero de alto-C. Por ejemplo, el carbón de una herramienta de acero está en este grado. El acero con 0.3 - 0.6% se le llama acero de carbón medio. El acero de la estructura de la máquina está en este grado. El acero especial es de tal grado que contiene, además de los 5 elementos, un mayor Mn en comparación con el acero de carbón. Elementos de aleación como Ni, Cr y Mo también se agregan para el uso que se pretende.

EL JIS estándar clasifica a los materiales de hierro y acero como en la tabla 1, en la que el acero está dividido en acero simple, acero especial y acero fundido. El acero especial es posteriormente dividido en acero de alta resistencia, acero templado, y acero de uso especial. Los grados de acero típico de acero de carbón medio y acero especial se muestran en las tablas 2~3. Estas tablas incluyen los grados de acero AISI/SAE y especificaciones ASTM que son similares a los grados de acero JIS.

Tabla 1 Clasificación del hierro y materiales de acero de acuerdo al estándar JIS, suplementado con ASTM/AISI/SAE
Primera clase Segunda clase Tercera clase Grados JIS típicos (ASTM/AISI/SAE)*1
Hierro
y acero
Aceros
simples
Acero para estructuras
o recipientes de presión
JIS G3101 : SS, JIS G3103 : SB, JIS G3104 : SV, JIS G3106 : SM
(ASTM A36, A204, A285, A31, A283, A529)
Aceros
especiales
Carbón/aceros de
aleación para
estructura
JIS G4051 : S××C, JIS G4053 : SCr, SMn, SMnC, SCM, SNC, SNCM,
JIS G4202 : SACM, JIS G3119 : SBV, JIS G3120 : SQV
(AISI/SAE : 1010~1060, 5120~5140, 1522~1541, 4130~4147, 8615~8640,
4320~4340, ASTM A302, A387, A533, A734)
Aceros templados JIS G4401 : SK, JIS G4404 : SKS, SKD, SKT, JIS G4403 : SKH
(AISI/ASTM : W1−11~1−8, F2, L6, W2, D3~H 19, T1~M42)
Aceros para usos
especiales
JIS G4303~4321 : SUS, SUH, JIS G4805 : SUJ, JIS G4801 : SUP,
JIS G4804 : SUM
(AISI : 201~444, 309~446, 52100, 9260~4161, 1212~1144, etc.)
Acero
fundido
Carbón/fundición de
aleación de aceros
JIS G5101 : SC, JIS G5102 : SCW
(ASTM A27, A216)
Carbón/fundición de
aleación de acero
para estructura
JIS G5111 : SCC, SCMn, SCSiMn, SCMnCr, SCMnM, SCCrM, SCMnCrM, SCNCrM
(ASTM A148)
Fundiciones de acero
para usos especiales
JIS G5121 : SCS, JIS G5122 : SCH, JIS G5131 : SCMnH
(ASTM A743, A744, A351, A297, A447, A608, A128)
Acero
forjado
Aceros al carbono forjados JIS G3201 : SF
(ASTM A105, A668)
Carbón/forjación de
aleación de acero
para estructura
JIS G3203 : SFVA, JIS G3202 : SFVC, JIS G3204 : SFVQ
(ASTM A182, A336, A105, A181, A266, A508, A541)
Hierro
fundido
Fundiciones de hierro gris JIS G5501 : FC
(-)
Fundiciones de acero
de grafito esferoidal
JIS G5502 : FCD
(ASTM A536)
Fundiciones de acero maleable JIS G5705 : FCMB, FCMW, FCMP
(-)
(Nota)*1 Para ASTM, solo la especificación No. se lista para referencia; por lo tanto, el grado de acero exacto comparable al grado JIS, debe ser estudiado de acuerdo la especificación relevante de ésta.
Tabla 2 Aceros de carbón para uso en la estructura de máquinas. (Obtenido del JIS G4051 - 1979 y complementado con AISI/SAE)
Grado JIS
(AISI/SAE)*4
Composición química (%) Propiedades mecánicas generales*1 Equivalencia*2
de carbón
Soldabilidad*3
C Mn Si Fuerza de
tensión
(MPa)
Extensión
(%)
Dureza
(Vickers)
S30C(1030) 0.27~0.33 0.60~0.90 0.15~0.35 ≧540 ≧23 160~225 0.44
S33C(-) 0.30~0.36 0.60~0.90 0.15~0.35 0.47
S35C(1035) 0.32~0.38 0.60~0.90 0.15~0.35 ≧570 ≧22 175~250 0.49
S38C(1038) 0.35~0.41 0.60~0.90 0.15~0.35 0.52 ×
S40C(1039,1040) 0.37~0.43 0.60~0.90 0.15~0.35 ≧610 ≧20 190~270 0.54 ×
S43C(1042,1043) 0.40~0.46 0.60~0.90 0.15~0.35 0.57 ×
S45C(1045,1046) 0.42~0.48 0.60~0.90 0.15~0.35 ≧690 ≧17 210~285 0.59 ×
S48C(-) 0.45~0.51 0.60~0.90 0.15~0.35 0.62 ×
S50C(1049) 0.47~0.53 0.60~0.90 0.15~0.35 ≧740 ≧15 228~295 0.64 ×
S53C(1050,1053) 0.50~0.56 0.60~0.90 0.15~0.35 0.67 ×
S55C(1055) 0.52~0.58 0.60~0.90 0.15~0.35 ≧780 ≧14 240~305 0.69 ×
S58C(1059,1060) 0.55~0.61 0.60~0.90 0.15~0.35 0.72 ×
(nota)*1 Propiedades generales mecánicas son para aceros inmersos y templados
*2 el equivalente de carbón (Ceq) fue calculado por la siguiente ecuación:
  
*3 Las marcas para la soldabilidad significan como sigue: △:Un poco dificil ×:Extremadamente dificil
*4 Para la composición química, propiedades mecánicas, equivalencia de carbón y soldabilidad, se ha tomado como referencia la especificación relevante de AISI/SAE.
Tabla 3 Aceros de Cr-Mo para uso en la estructura de máquinas. (Obtenido del JIS G 4053-2003 y suplementado con AISI/SAE)
Grado
JIS
(AISI/
SAE)*4
Composición química(%) Prueba de tensión Dureza
Brinell
Tratamiento de calor(℃) Equivalencia*2
de carbón
Solda-*3
bilidad
C Si Mn Cr Mo Fuerza de
tensión
(MPa)
Extensión
(%)
Enfriamiento Templamiento
SCM415
(-)
0.13
~0.18
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.15
~0.25
≧830 ≧16 235
~321
1st 850~900
Enfriamiento
por aceite
2nd 800~850
Enfriamiento
por aceite
150~200
Enfriamiento
por aire
0.56
SCM418
(-)
0.16
~0.21
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.15
~0.25
≧880 ≧15 248
~331
1st 850~900
Enfriamiento
por aceite
2nd 800~850
Enfriamiento
por aceite
150~200
Enfriamiento
por aire
0.59
SCM420
(-)
0.18
~0.23
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.15
~0.25
≧930 ≧14 262
~352
1st 850~900
Enfriamiento
por aceite
2nd 800~850
Enfriamiento
por aceite
150~200
Enfriamiento
por aire
0.61
SCM421
(-)
0.17
~0.23
0.15
~0.35
0.70
~1.00
0.90
~1.20
0.15
~0.25
≧980 ≧14 285
~375
1st 850~900
Enfriamiento
por aceite
2nd 800~850
Enfriamiento
por aceite
150~200
Enfriamiento
por aire
0.62
SCM430
(4130)
0.28
~0.33
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.15
~0.30
≧830 ≧18 241
~302
830~880
Enfriamiento
por aceite
550~650
Enfriamiento
rápido
0.71 ×
SCM432
(-)
0.27
~0.37
0.15
~0.35
0.30
~0.60
1.00
~1.50
0.15
~0.30
≧880 ≧16 255
~321
830~880
Enfriamiento
por aceite
550~650
Enfriamiento
rápido
0.71 ×
SCM435
(4137)
0.33
~0.38
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.15
~0.30
≧930 ≧15 269
~331
830~880
Enfriamiento
por aceite
550~650
Enfriamiento
rápido
0.76 ×
SCM440
(4140,
4142)
0.38
~0.43
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.15
~0.30
≧980 ≧12 285
~352
830~880
Enfriamiento
por aceite
550~650
Enfriamiento
rápido
0.81 ×
SCM445
(4145,
4147)
0.43
~0.48
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.15
~0.30
≧1030 ≧12 302
~363
830~880
Enfriamiento
por aceite
550~650
Enfriamiento
rápido
0.86 ×
SCM822
(-)
0.20
~0.25
0.15
~0.35
0.60
~0.90
0.90
~1.20
0.35
~0.45
≧1030 ≧12 302
~415
1st 850~900
Enfriamiento
por aceite
2nd 800~850
Enfriamiento
por aceite
150~200
Enfriamiento
por aire
0.68 ×
(Nota) *2 El equivalente de carbón (Ceq) fue calculado por la siguiente ecuación:

*3 Las marcas para la soldabilidad significan como sigue: △:Un poco dificil ×:Extremadamente dificil
*4 Para la composición química, propiedades mecánicas, equivalencia de carbón y soldabilidad, se ha tomado como referencia la especificación relevante de AISI/SAE.

2. Consideraciones fundamentales para la selección de consumibles de soldadura

Las consideraciones básicas para la selección de consumibles de soldadura se describen al principio. El mecanismo de la generación de rajaduras y su prevención será descrito posteriormente. En primer lugar, los consumibles de soldadura con demasiado hidrogeno difusible en el metal de soldadura (tales como del electrodo tipo ilmenita y cal - electrodo de tipo titania) no deben ser nunca usados para soldadura de aceros de carbón medio/alto y aceros especiales. Se debe usar obligatoriamente consumibles del tipo de bajo hidrógeno.

En segundo lugar, la dureza del metal de soldadura debe ser considerada. El acero de carbón medio/alto puede generalmente ser caracterizado por una alta dureza, la fuerza de tensión de la cual frecuentemente sobrepasa los 100MPa. Cuando se suelda tal acero de material de alta dureza, hay dos maneras de pensar en la selección de los consumibles de soldadura. Una es darle la importancia en la dureza del metal de soldadura y adoptar tal consumible de soldadura que produce el metal de soldadura cuya dureza es similar a esa de la base del metal. La otra es dar más importancia en la resistencia de rajaduras en el metal de soldadura que sobre su fuerza.

De manera general, cuando otras condiciones son las mismas, la resistencia a las rajaduras de una unión de soldadura, se vuelve mejor mientras que la fuerza del metal de soldadura se vuelve menor. En otras palabras, hay un mayor riesgo de la ocurrencia de rajadura mientras que la fuerza del metal de soldadura es mayor.

Por lo tanto, después de la selección de consumibles de soldadura, es necesario examinar cuidadosamente si la fuerza del metal de soldadura necesita ser comparable al de la base de metal o no. Se debe notar que al seleccionar, donde sea posible, un consumible de soldadura con una fuerza menor, en la medida de lo posible para reducir el riesgo de la ocurrencia de rajaduras.

La siguiente tabla de consumibles de soldadura recomendados brinda dos casos de recomendación: uno es el caso donde solo se requiere el juntarlo y el otro es el caso donde el metal de soldadura necesita tener una fuerza similar al de la base de metal.

Aun cuando la tabla de consumibles recomendados no se refiere a eso, hay un caso donde se recomienda consumibles de soldadura del tipo 309 de acero inoxidable austenitico para soldar aceros de carbón medios/altos.

Esta recomendación, viene del hecho de que una gran causa de las rajaduras en la unión de soldadura del acero de carbón medio/alto es el endurecimiento de HAZ e hidrógeno difusible en el metal de soldadura. Por supuesto, la soldadura HAZ puede ser endurecida aun si se usan los consumibles de soldadura de acero inoxidable austenitico. Pero la ausencia de hidrógeno difusible en el metal de soldadura se considera para contribuir a la resistencia ante las rajaduras, junto con una estructura estable del metal de soldadura.

Por lo tanto, donde sea posible aplicar un pre-calentamiento o donde no haya problema de fatiga termal debido a la diferencia de coeficiente expansión termal, se podría usar consumibles de soldadura de acero inoxidable austenitico.


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