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.
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).
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.
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.
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.
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.
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
