Tratamiento térmico posterior a la soldadura del aluminio
Tratamiento térmico posterior a la soldadura del aluminio después de la soldadura es un paso fundamental para controlar sus propiedades finales (resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión). A diferencia del acero, el tratamiento térmico de las aleaciones de aluminio tiene sus propios principios y procesos.
A continuación, explicaré en detalle el tratamiento térmico de los materiales de soldadura de aleaciones de aluminio, centrándome en los siguientes aspectos:
一. Concepto fundamental: ¿Por qué es necesario el tratamiento térmico para la soldadura de aleaciones de aluminio?
① Eliminación de la tensión de soldadura: El proceso de soldadura implica un calentamiento y enfriamiento desiguales, lo que puede generar tensiones residuales significativas en la soldadura y la zona afectada por el calor (ZAC). Estas tensiones pueden reducir la estabilidad dimensional, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión bajo tensión de la estructura.
② Restauración y ajuste de las propiedades mecánicas:
● En las aleaciones de aluminio tratables térmicamente (como la serie 6xxx), el ciclo térmico de la soldadura puede destruir las fases de refuerzo originales del material base, provocando un ablandamiento severo de la ZAC, que se convierte en un punto débil de toda la unión.
● El tratamiento térmico puede redisolver o precipitar las fases de refuerzo, restaurando así la resistencia de la ZAT o logrando un rendimiento uniforme e ideal en toda la soldadura.
● Estabilización de la microestructura: Esto estabiliza las microestructuras inestables en la unión soldada, mejorando su fiabilidad a largo plazo.
二. Dos tipos básicos de aleaciones de aluminio y su relación con el tratamiento térmico
Esta es la base para comprender el siguiente contenido:
① Aleaciones de aluminio reforzadas sin tratamiento térmico
● Series típicas: 1xxx (aluminio puro), 3xxx (Al-Mn), 5xxx (Al-Mg).
● Mecanismo de refuerzo: La resistencia se incrementa principalmente mediante el refuerzo por solución sólida y el endurecimiento por acritud (como el laminado en frío).
● Efectos de la soldadura: El calor aportado por la soldadura elimina el efecto del endurecimiento por acritud, lo que provoca un ablandamiento en la zona afectada por el calor (ZAT). La resistencia no se puede restaurar mediante tratamiento térmico y solo se puede compensar mediante aleación (por ejemplo, seleccionando un alambre de soldadura 5xxx con alto contenido de magnesio).
● Tratamiento térmico principal: Recocido para aliviar tensiones o ablandamiento completo para facilitar el trabajo en frío.
② Aleaciones de aluminio reforzadas mediante tratamiento térmico
● Series típicas: 2xxx (Al-Cu-Mg), 6xxx (Al-Mg-Si), 7xxx (Al-Zn-Mg).
● Mecanismo de refuerzo: El proceso principal es “tratamiento de solución + envejecimiento” para formar fases de refuerzo finas (como zonas GP, θ’, β’, etc.).
● Efectos de la soldadura: Las altas temperaturas de soldadura provocan la disolución o el engrosamiento de estas fases de refuerzo, lo que resulta en un ablandamiento severo de la zona afectada por el calor (donde la resistencia puede descender al estado de O más bajo posible, como se observa en el estado recocido).
● Tratamiento térmico primario: El tratamiento térmico posterior a la soldadura se utiliza para restablecer este mecanismo de refuerzo.
三. Métodos de tratamiento térmico comunes después de la soldadura
Los siguientes son los métodos de tratamiento térmico más comunes para uniones soldadas:
① Tratamiento térmico posterior a la soldadura: Este es el proceso de tratamiento térmico más completo, diseñado para lograr las propiedades mecánicas más altas y uniformes en todo el componente soldado. Se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio tratables térmicamente.
● Proceso: Tratamiento en solución + temple + envejecimiento
● Tratamiento en solución: La pieza soldada se calienta a una temperatura alta (p. ej., aproximadamente 530 °C para la serie 6xxx) para disolver completamente los elementos de aleación en la matriz de aluminio, formando una solución sólida sobresaturada. Nota: Esta temperatura es muy cercana a la temperatura de solidificación de la aleación de aluminio y debe controlarse con precisión para evitar el sobrecalentamiento (fusión).
● Temple: Se utiliza un enfriamiento rápido (generalmente en agua) para congelar la solución sólida sobresaturada desde la temperatura alta a la temperatura ambiente. Esto puede generar tensiones internas.
● Tratamiento de Envejecimiento: La pieza templada se mantiene a una temperatura relativamente baja (p. ej., aproximadamente 175 °C para la serie 6xxx) durante un tiempo para permitir que la fase de refuerzo se precipite de forma uniforme y fina, logrando así el efecto de refuerzo deseado.
● Ventajas: Máxima recuperación de la resistencia de la unión soldada.
● Desventajas: Proceso complejo, alto coste, alto riesgo de deformación y requisitos extremadamente altos de uniformidad y precisión en el control de la temperatura del horno. Es difícil de implementar en componentes estructurales de gran tamaño.
②Envejecimiento Post-Soldadura: Se trata de una forma simplificada de PWHT y es adecuada para aleaciones de aluminio en estado de recocido en solución (T4) o recién soldadas.
● Principio: El ciclo térmico de soldadura en sí mismo equivale a un tratamiento de solución incompleta. El envejecimiento artificial realizado directamente después de la soldadura puede promover la precipitación de fases de refuerzo no completamente disueltas o soluciones sólidas sobresaturadas, restaurando así parcialmente la resistencia.
●Ventajas: Proceso sencillo, bajo coste y mínima deformación.
●Desventajas: El efecto de recuperación de la resistencia no es tan bueno como el del PWHT completo, pero es significativo para aleaciones como 7xxx (Al-Zn-Mg).
●Nota: El envejecimiento post-soldadura suele ser ineficaz después de soldar el metal base en el estado de envejecimiento máximo (T6), ya que los elementos de refuerzo disponibles ya se han consumido antes de la soldadura.
③Recocido: Se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio sin tratamiento térmico o cuando se desea reducir la dureza.
●Objetivo: Eliminar completamente las tensiones residuales.
●Proceso: Calentar a aproximadamente 345 °C, mantener la temperatura durante un tiempo y luego enfriar lentamente.
●Efecto: La resistencia de la unión disminuirá a la del estado recocido (estado O), pero la ductilidad y la estabilidad dimensional serán óptimas.
④Recocido de alivio de tensiones: Un equilibrio entre el recocido completo y el envejecimiento natural.
● Objetivo: Eliminar parcialmente las tensiones residuales, preservando al máximo la resistencia original del material.
● Proceso: Calentar a una temperatura inferior a la de recristalización (normalmente 200 °C-250 °C), mantener y enfriar lentamente.
● Efecto: Elimina la mayoría de las tensiones de soldadura (aproximadamente entre el 50 % y el 90 %) con una pérdida mínima de resistencia del material.
四. Consideraciones para la selección de un proceso de tratamiento térmico
① Tipo de aleación del metal base y del alambre de soldadura: Este es el factor determinante. Las aleaciones 6xxx y 7xxx suelen requerir envejecimiento post-soldadura o PWHT, mientras que las aleaciones 5xxx solo se someten a un recocido de alivio de tensiones.
② Estado del metal base antes de la soldadura: ¿Es O, T4 o T6? Esto determina el potencial de refuerzo post-soldadura.
③ Requisitos de la aplicación del producto: ¿Requieren alta resistencia, alta estabilidad dimensional o buena resistencia a la corrosión bajo tensión?
④ Tamaño y complejidad del componente: Las estructuras grandes y complejas pueden no ser adecuadas para el tratamiento térmico por agua (PWHT) completo debido a las limitaciones del tamaño del horno y al riesgo de deformación.
⑤ Costo y eficiencia: El PWHT completo es el más costoso.
五. Consideraciones y desafíos importantes
① Deformación: El tratamiento térmico, especialmente el PWHT con temple, puede generar tensiones térmicas y de transformación de fase significativas, lo que provoca la deformación del componente.
② Sobrecalentamiento: Un control inadecuado de la temperatura del tratamiento de la solución puede provocar una fusión localizada en los límites de grano, lo que compromete gravemente las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión.
③ Riesgo de porosidad de la soldadura: A altas temperaturas durante el tratamiento térmico, el hidrógeno disuelto en la soldadura puede precipitar y agregarse, formando poros.
④ Uniformidad de la temperatura del horno: Para componentes grandes, la diferencia de temperatura dentro del horno debe controlarse estrictamente; de lo contrario, se producirán propiedades desiguales.
⑤ Zona de ablandamiento “Línea de Cuchilla”: Durante el tratamiento de envejecimiento posterior a la soldadura de ciertas aleaciones (en particular, 6xxx), es posible que una zona muy estrecha inmediatamente adyacente a la línea de fusión no se refuerce eficazmente, permaneciendo como un punto débil.
Resumen
En resumen, el tratamiento térmico de consumibles de soldadura de aleaciones de aluminio es un sistema delicado y complejo. Su selección y aplicación deben basarse en un profundo conocimiento del metal base y del sistema de aleación del alambre de soldadura, el estado previo a la soldadura y los requisitos de servicio finales del componente. Un tratamiento térmico correcto puede mejorar significativamente el rendimiento general de la unión soldada, mientras que un tratamiento térmico incorrecto puede provocar fallos en el producto. En la producción real, la solución óptima de tratamiento térmico suele determinarse mediante exhaustivas pruebas de proceso y análisis metalográficos.