domingo, 26 de febrero de 2012

Agrietamiento en soldaduras


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 

7 comentarios:

  1. muchas gracias por compartir su expertise con toda la comunidad, que Dios le siga dando mas conocimiento.

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  2. la info esta mui buena me esta ayudando para dar mi examen siga colgando mas informacion asi de buena

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  3. UN EXCESO DE CAUDAL DE GAS PUEDE OCASIONAR?
    GRIETAS
    INCLUSIONES METALICAS
    INCLUSIONES GASEOSAS
    INCLISIONES SOLIDAS

    CUAl DE ESTAS 4 RESPUESTAS PUEDE SER GRACIAS

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  4. Ing. gracias por compartir con nosotros su esperiencia. me gustaria conocer sobre tratamientos termicos

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  5. es información robada

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