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.

Grado de acero*1		Temperatura de pre calentamiento . (℃)	Consumibles de soldadura recomendados
JIS	ASTM o AISI/SAE		Solo para unir			Para la unión con la fuerza cerca de la base de metal
			Blindado de soldadura por arco metálico	Soldadura MAG	Soldadura TIG	Blindado de soldadura por arco metálico	Soldadura MAG	Soldadura TIG
S30C,33C	1030	100min.	LB−47 LB−26	MG−50 MG−1 MIX−50S	TG−S50	LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
S35C	1035	100min.				LB−62	MG−60 MG−S63B	TG−S62
S38C,40C, 43C	1038,1039 1040,1042 1043	150min.				LB−62	MG−60 MG−S63B	TG−S62
S45C,48C, 50C	1045,1046 1049	200min.				LB−106	MG−70 MG−S70	TG−S80AM
S53C	1050, 1053	250min.				LB−106	MG−70 MG−S70	TG−S80AM
S55C	1055	250min.				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
S58C	1059, 1060	300min.				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
SNCM220, 420	8615,8617 8620,8622	200min.				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
SNCM431	－	300min.				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
SNCM439, 447,630	4340	350min.				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM420	－	250min.				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM430, 435	4130, 4137	300min.				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM440, 445	4140,4142 4145,4147	350min.				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM822	－	250min.				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SF390A, 440A,490A	A105 A668 : B,C	150min.				LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
SC360, 410,450,480 SFVC−1, 2A,2B	A27 (Véase más abajo para A105, A181, A266)	100min.				LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
SF540A, 590A	A668 : D,Fb	200min.				LB−62	MG−60 MG−S63B	TG−S62
－	A181−60 A266−1	100min.	－	－	－	LB−47 LB−26	MG−50 MIX−50S	TG−S50
－	A105 A181−70 A266−2,4	100min.	－	－	－	LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
－	A266−3	100min.	－	－	－	LB−57	MG−60 MG−S63B	TG−S62
*1. Compruebe con antecedencia si las propiedades mecánicas del metal de relleno son aceptables para la aplicación.

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