Existen varios tipos de discontinuidades que pueden producirse en las
soldaduras o en la zona afectada por el calor. Las soldaduras pueden contener
porosidad, inclusiones de escoria o grietas. De
los tres, las grietas son las más perjudiciales. Considerando que existen límites
aceptables para las inclusiones de escoria y la porosidad en las soldaduras, las
grietas no son aceptables. Las
grietas en una soldadura, o en la proximidad de una soldadura, indican que uno
o más problemas existen y deben ser tratados con urgencia. Un análisis cuidadoso de las características
de la grieta hará que sea posible determinar la causa y tomar las medidas
correctivas más satisfactorias.
Las soldaduras
pueden fallar debido a un exceso de carga, un diseño inapropiado, o por fatiga. El agrietamiento en la soldadura se produce cerca o durante el momento de la fabricación. Las grietas
en calientes son las que ocurren a temperaturas elevadas y son por lo general
relacionadas con la solidificación, y las grietas
en frío son aquellas que se producen después de que el metal de soldadura se ha
enfriado a temperatura ambiente y tienen que ver generalmente con el hidrógeno. Ninguna de ellas es resultado de operaciones en servicio.
La mayoría de agrietamientos
son el resultado de contracciones que se producen cuando el metal de soldadura
se enfría. Hay dos fuerzas opuestas que operan en el fenómeno: los esfuerzos
inducidos por la contracción del metal, y la rigidez circundante del material
de base.
Soldaduras
largas y de gran penetración aumentan las tensiones de contracción, es
fundamental prestar especial atención a la secuencia de soldadura, temperatura
de trabajo, el tratamiento térmico posterior a la soldadura, diseño de la
unión, los procedimientos de soldadura y material de relleno.
Agrietamiento en la zona
afectada térmicamente (HAZ)
La zona afectada por el calor (HAZ) es aquella región del metal base que está
en la inmediación del cordón de
soldadura sufriendo ciclos de calentamiento y enfriamiento.
A pesar de que está relacionada con el proceso
de soldadura, en este caso la grieta se produce en el material base, no en el
material de soldadura (ver fig. 1 y fig. 4). Este tipo de agrietamiento
también se conoce como "agrietamiento de talón", o "agrietamiento
retardado." Debido a que este agrietamiento se produce después de que el
acero se ha enfriado por debajo de aproximadamente 204°C, también se le puede denominar "agrietamiento en
frío", y como se asocia con
el hidrógeno, también se le llama "agrietamiento asistido por hidrógeno."
A fin de que en la zona afectada por el calor se produzca agrietamiento, tres
condiciones deben estar presentes simultáneamente: debe haber un nivel
suficiente de hidrógeno, tiene que haber un material suficientemente sensible
involucrado, y, debe existir un nivel suficientemente alto de tensión residual
o aplicada. La reducción o eliminación adecuada de una de las tres variables
generalmente elimina este tipo de agrietamiento. En aplicaciones de soldadura, el
enfoque típico es limitar dos de las tres variables, a saber, el nivel de
hidrógeno y la sensibilidad del material.
El hidrógeno
puede entrar en un baño de soldadura de una variedad de fuentes. La humedad y los compuestos orgánicos
son las principales fuentes de hidrógeno. Puede estar presente en el acero, el
electrodo, en los materiales de aporte, y está presente en la atmósfera. El Flux, los revestimientos de los electrodos, el núcleo de los electrodos para FCAW, o los
fundentes para el proceso de electroescoria, pueden absorber la humedad, en
función de las condiciones de almacenamiento. Para
limitar el contenido de hidrógeno en las soldaduras depositadas, los consumibles
de soldadura deben estar bien cuidados, y la soldadura se debe realizar sobre
superficies limpias y secas.
La segunda
condición necesaria para que el agrietamiento en la zona afectada por el calor se dé, es una
microestructura sensible. El área
de interés es la zona afectada por el calor que resulta del ciclo térmico
experimentado por la región que rodea inmediatamente el cordón de soldadura, como
esta área es calentada por el arco de soldadura durante la creación del baño de
soldadura, su estructura también es transformada desde la temperatura ambiente
de ferrita a austenita a elevada
temperatura. La velocidad de enfriamiento posterior
determinan las propiedades resultantes HAZ. Las
condiciones que favorecen el desarrollo de micro-fisuras sensibles incluyen
altas tasas de enfriamiento y mayores niveles de templabilidad del acero. Las altas tasas de enfriamiento se dependen
del procedimiento de soldadura a usar, los espesores del metal base y su
temperatura. Los niveles de templabilidad son el resultado de mayores
contenidos de carbono y / o niveles de aleación. Para un acero dado, la forma más eficaz para reducir la velocidad de
enfriamiento es elevando la temperatura del acero con un precalentamiento, esto reduce el gradiente de temperatura,
disminuyendo las velocidades de enfriamiento, y limita la formación de
microestructuras sensibles.
Las tensiones residuales de soldadura se pueden reducir mediante el alivio de
la tensión térmica, aunque para la mayoría de las aplicaciones estructurales,
esto es económicamente impracticable. Para
complejas aplicaciones estructurales, otras condiciones deben ser consideradas,
como el acero tendrá una capacidad de resistencia a ciertas temperaturas,
aliviar tensiones es un proceso delicado.
Para que el agrietamiento por hidrógeno en la HAZ
se produzca, es necesario que el hidrógeno migre a la zona afectada por el
calor, lo cual lleva tiempo. Por
esta razón, el Código AWS D1.1 (sección 6.11) sugiere un tiempo de 48 horas
después de la finalización de las soldaduras para la inspección de las mismas en
los aceros A514, A517 y A709 Gr. 100 y 100 W, dado que se sabe que son
sensibles al hidrógeno en la HAZ.
Con el tiempo,
el hidrógeno se difunde en los depósitos de soldadura, y el agrietamiento se lleva a cabo en unas pocas
semanas o tomar varios meses, dependiendo de la aplicación y variables específicas. Las concentraciones de hidrógeno cerca
de la soldadura son siempre las más grandes, sin
embargo, puede tomar más tiempo para que las grietas crezcan a un tamaño lo
suficiente para ser detectadas visualmente.
Aunque la
difusión de hidrogeno es una función de muchas variables, a 232 °C las tasas
generales se pueden aproximar, a un ritmo de aproximadamente 2.5 cm por hora y
a 104° C, el hidrógeno se difunde 0.5 mm en 1 hora. Para minimizar el nivel de hidrógeno
en una estructura soldada, es posible aplicar un tratamiento térmico posterior,
efectuando un calentamiento de la
soldadura a una temperatura entre 204-233°C, sosteniendo el acero una hora aproximadamente por cada pulgada de espesor
de material. A esa temperatura,
el hidrógeno es probable que se redistribuya para evitar el riesgo de
agrietamiento. Algunos materiales, sin embargo, requieren periodos más largos
de sostenimiento.
Agrietamiento longitudinal
Este ocurre en el centro de un cordón de
soldadura, en la dirección de avance de la aplicación. En el caso de múltiples pasadas puede
que la grieta no se presente en el centro geométrico del bisel, pero si estará
muy próximo a este (ver figura 3 y figura 5).
Figura 5. Agrietamiento central
El
agrietamiento central es el resultado de uno de los siguientes fenómenos: segregaciones, forma del cordón, o perfil de la superficie. Desafortunadamente, los tres fenómenos revelan en el mismo tipo de
grieta, y es a menudo difícil de identificar la causa. Además, la experiencia ha demostrado
que a menudo dos o incluso los tres
fenómenos interactúan y contribuyen al problema del agrietamiento central. Entender
el mecanismo fundamental de cada uno de estos fenómenos ayudará a determinar
las soluciones correctivas.
La grieta por segregación
se produce cuando los constituyentes de bajo punto de fusión tales como el fósforo,
zinc, cobre y compuestos de azufre se mezclan por separado durante el proceso
de solidificación de la soldadura.
Puesto
que el contaminante generalmente proviene del material base, la primera
consideración es la de limitar la cantidad de contaminante mediante la reducción
en la penetración de la soldadura. En
algunos casos, un rediseño de la junta puede ser recomendable y empleando el uso de bajas corrientes de
soldadura, en lo posible.
Figura 6. Relleno con
múltiples pasadas
Un
relleno con múltiples pasadas (fig. 6), como
en el proceso STICK de baja energía, puede reducir efectivamente la cantidad de
pick-up de los contaminantes en la mezcla de la soldadura.
En el caso del azufre, es posible superar los efectos del daño de sulfuros de
hierro formando sulfuro de manganeso. El
sulfuro de manganeso (MnS) se crea cuando el manganeso está presente en
cantidades suficientes para contrarrestar el azufre. El Sulfuro de manganeso tiene un punto
de fusión de 1593 °C. En esta
situación, antes de que el metal de soldadura empieze a solidificarse, los sulfuros de manganeso se forman y no crean
segregación. En la soldadura, es
posible utilizar materiales de relleno con niveles más altos de manganeso para
superar la formación del sulfuro de hierro. Desafortunadamente, este concepto
no se puede aplicar a otro tipo de contaminantes.
Agrietamiento transversal
El agrietamiento transversal se caracteriza con
la formación de la grieta en el metal de soldadura perpendicular a la dirección
de desplazamiento (ver fig. 2). Este
es el tipo menos frecuente de agrietamiento, y se asocia generalmente con
hidrógeno excesivo, tensiones residuales, y una microestructuras sensibles. La diferencia principal es que se
produce agrietamiento transversal en el metal de soldadura como resultado de la
tensión residual longitudinal.
Los precalentamientos se pueden emplear y ayudan a reducir los esfuerzos
generados en el proceso de soldadura, al igual que los tratamientos de post
soldadura que ayudan a reducir el hidrogeno residual.
A
medida que el cordón de soldadura se encoge longitudinalmente, el material base
circundante no resiste la fuerza por entrar en la compresión, la alta resistencia del acero que rodea a la
compresión restringe la contracción requerida del material de soldadura. Debido a la restricción del material
base circundante, el metal de soldadura desarrolla esfuerzos longitudinales que
pueden facilitar la formación de grietas en la dirección transversal.
Se deben tener
presente los requisitos de diseño de las juntas y la revisión del
almacenamiento de los metales de aporte, por lo tanto se hace énfasis en el
metal de soldadura debido a que este puede depositar una menor resistencia. Sin embargo, el metal de soldadura puede
exhibir fuerzas extremadamente altas con ductilidad reducida, de tal manera que
se pueden emplear metales de soldadura de menor resistencia, asegurando que la
fuerza de la unión se alcanza
eficazmente.
*El agrietamiento discutido aquí es el resultado de la
solidificación, el enfriamiento, y las tensiones que se desarrollan debido a la
contracción de la soldadura.
Agradecimiento a las
instituciones: Fundacion de soldadura James F. Lincoln y a TWI LTD
