fenomenos de agrietamiento

ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN

-CURSO DE FORMACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

TTEEMMAA 22..1111

FFEENNMMEENNOOSS DDEE AAGGRRIIEETTAAMMIIEENNTTOO

EENN AACCEERROOSS

Actualizado por: Manuel Reina Gmez

Octubre 2005

Rev. 1


-CURSO DE FORMACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -1-Rev.1 Octubre 05

NDICE

1.- INTRODUCCIN

2.- FISURACIN Y ROTURAS EN LAS SOLDADURAS

3.- TIPOS Y CAUSAS DE LAS FISURACIONES 3.1.- Agrietamiento en caliente

3.1.1.- Por contraccin de solidificacin 3.1.2. Por fusin de eutcticos, quemado o desgarre en caliente

3.2.- Desgarre laminar 3.2.1.- Descripcin del fenmeno 3.2.2.- Factores que afectan al desgarre laminar 3.3.- Fisuracin en fro. 3.3.1.- Introduccin 3.3.2.- Origen y efectos del hidrgeno 3.3.3.- Factores que afectan al temple en la soldadura 3.3.3.1.- Naturaleza del acero 3.3.3.2.- Ciclo trmico de soldadura 3.3.3.3.- Masa de las piezas 3.3.3.4.- Energa aportada en soldadura 3.3.3.5.- Temperatura inicial. Precalentamiento 3.3.3.6.- Postcalentamiento 3.3.4.- Endurecimiento bajo cordn 3.3.5.- Fragilizacin por hidrgeno 3.3.6.- Comportamiento a fatiga 3.3.7.- Efectos de la soldadura en pasadas mltiples 3.3.8.- Ensayos de fisuracin 3.3.9.- Prcticas y Recomendaciones

3.4.- Fisuracin por tratamiento trmico.

4.- DEFECTOLOGA DE LA FISURACIN 4.1.- Morfologa 4.1.1.- Fisuras en la ZAT

4.1.2.- Fisuras en el borde de la unin 4.1.3.- Fisuras en el metal fundido 4.2.- Deteccin de las fisuras

5.- BIBLIOGRAFA


1.- INTRODUCCIN

La soldadura pretende ofrecer la continuidad metlica a una construccin desde el punto de vista resistente. Sin embargo, la unin soldada suele originar una estructura compleja que presenta una microestructura heterognea, como macroscpicamente se esquematiza en la figura 1.

FIGURA 1

Los aspectos geomtricos y estructurales suponen una complejidad en la distribucin de cargas y tensiones residuales o trmicas, as como la intensificacin de las mismas en las entallas geomtricas, imperfecciones o en las discontinuidades y microfisuras que es necesario prever que existen en una soldadura.

En buena lgica, deben detectarse e identificarse estas discontinuidades as como compararlas con los correspondientes criterios de aceptacin o rechazo establecidos en cdigos, normas o especificaciones. No superar estos requisitos supone la reparacin del defecto o el rechazo de la estructura.

La gravedad de una discontinuidad en una unin soldada se evala de acuerdo con el servicio que debe prestar el componente dilucidndose, en estas circunstancias, la conveniencia del rechazo o de la reparacin. Tambin puede realizarse, si procede, una evaluacin mediante la mecnica de la fractura, estableciendo consecuentemente los niveles de aceptacin de imperfecciones que proporcionen la adecuada fiabilidad a la estructura.

En una unin soldada las discontinuidades ms graves son los defectos planos que, adems, pueden ropagarse como grietas bajo el efecto de un estado de tensiones. Defectos planos son las fisuras o rietas que pueden aparecer en una unin soldada. pg-CURSO DE FORMACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -2-Rev.1 Octubre 05



2.- FISURACIN Y ROTURAS EN LAS SOLDADURAS

En una unin soldada, que posee una microestructura esencialmente discontinua a causa de severos ciclos trmicos y que est sometida a fuertes restricciones mecnicas que impiden la deformacin es lgico considerar probables la produccin y existencia de microfisuras y grietas.

Tanto unas como otras pueden clasificarse en cuanto a su origen como:

provocadas por el proceso de soldeo.

desarrolladas durante el servicio.

Las discontinuidades provocadas por el proceso de soldeo comprenden las debidas a:

hidrgeno en el depsito de soldadura.

porosidad en el depsito de soldadura.

solidificacin en el depsito de soldadura.

fusin de eutcticos, quemado o desgarre en caliente en la zona de fusin y de la ZAT.

desgarre laminar en la ZAT.

fisuracin en fro y fragilidad por hidrgeno en la ZAT.

fisuracin por tratamiento trmico post-soldadura, PWHT, en el depsito de soldadura y ZAT.

Las fisuras o grietas desarrolladas durante el servicio comprenden las debidas a:

concentracin de tensiones en entallas o fisuras propagadas bajo cargas estticas o dinmicas.

condiciones de fatiga mecnica o trmica.

corrosin, corrosin bajo tensin o corrosin/fatiga.

3.- TIPOS Y CAUSAS DE LAS FISURACIONES.

Son debidas a:

la solidificacin del metal fundido.

la fusin de eutcticos, quemado o desgarre en caliente.

el desgarre laminar.

la fisuracin en fro.

la fisuracin por tratamiento trmico, PWHT.


3.1.- Agrietamiento en caliente

El agrietamiento en caliente contempla la fisuracin producida a temperaturas elevadas durante la solidificacin del metal fundido de la soldadura, la permanencia a alta temperatura de un cordn a causa del calentamiento producido por el siguiente o durante un tratamiento trmico. Estos agrietamientos tienen aspectos comunes y diferenciados que justifican su anlisis por separado.

3.1.1.- Por contraccin de solidificacin

El agrietamiento por contraccin de solidificacin se produce durante el paso del metal depositado desde el estado lquido al estado slido. Ocurre a unos 200-300 C por debajo de la temperatura de fusin y se suele presentar en el eje del depsito o entre los granos columnares pudiendo, en ocasiones, no aflorar a la superficie. Tambin puede iniciarse en la raz de las soldaduras en ngulo, como observamos en la figura 2.

FIGURA 2 La susceptibilidad de una soldadura a este agrietamiento depende principalmente de tres factores:

la microestructura basta de solidificacin.

la segregacin de constituyentes.

la geometra de la unin.

El tamao de grano del metal depositado es una consecuencia heredada del tamao de grano de la ZAT. Si ste crece, debido a una prolongada permanencia a alta temperatura por un elevado aporte trmico durante el proceso de soldeo la epitaxis provoca que la microestructura columnar del metal depositado sea ms basta.



Las segregaciones se producen durante la solidificacin por el reparto de los elementos de aleacin entre el slido y el lquido y resultan inevitables. Como no todos los elementos se reparten de la misma forma su segregacin ser tambin diferente.

Los elementos que ms tienden a segregarse en los aceros son: S, P, O, B, C, Ti, N e H. Si estos elementos logran combinarse para formar compuestos que se siten a lo largo de los bordes de grano constituirn entre stos separaciones con bajo punto de fusin.

La geometra de la unin y su embridamiento generan tensiones durante el ciclo trmico. Cuanto mayor es el espesor de la unin mayor ser el nivel de tensiones, que podran llegar a alcanzar el valor del lmite elstico a dicha temperatura. Las tensiones tienden a ser mximas en la lnea central de la soldadura y en los extremos de la misma, como se aprecia en la figura 3. Las tensiones longitudinales pueden provocar grietas transversales al cordn de soldadura. Segn se desprende de las figuras las tensiones longitudinales de traccin son superiores a las transversales que existen en el cordn de soldadura, siendo las grietas transversales ms susceptibles de formarse que las longitudinales. Sin embargo, es ms frecuente la presencia en las soldaduras de grandes fisuras longitudinales que puede explicarse por el hecho de que estas grietas crecen sobre s mismas al propagarse una pequea formada inicialmente, en tanto que las transversales deben formarse cada una de ellas y no se propagan ms all de la anchura del cordn.


FIGURA 3


Dentro de los aceros los ms susceptibles a la fisuracin en caliente son los inoxidables austenticos. En estos aceros son el S y el P, aunque tambin el Si, y en los estabilizados el Nb, los elementos que ms influyen. Se adopta la medida, siempre que la aplicacin lo permita, de garantizar que el metal de soldadura tenga en su estructura un contenido mnimo de ferrita . Es suficiente un 5% para prevenir el riesgo de fisuracin. El contenido en ferrita depende tanto de la dilucin y de la composicin metal de aporte como del proceso de soldeo. Uno y otro deben cuidarse, el primero seleccionando el metal de aporte en funcin del metal base a soldar y de la dilucin previsible, como vemos en el diagrama de Schaeffler de la figura 4, as como el propio proceso de soldeo, ya que no proteger el arco permite la incorporacin de N al bao que tiene el mismo efecto que la incorporacin de C en cuanto a la disminucin del contenido de ferrita y, por tanto, puede llegar a situar el metal fundido en una zona desprotegida del riesgo de la fisuracin en caliente. Este tipo de fisuracin ser estudiado con mayor detalle prximamente al tratar de los aceros inoxidables.

FIGURA 4

Como veremos, la propensin de los aceros inoxidables austenticos a este tipo de fisuracin procede de su tendencia al crecimiento de grano por su permanencia a temperaturas elevadas sin recristalizacin por cambio de fase y de la escasa solubilidad de los elementos perjudiciales en la austenita, segregndose de la misma y favoreciendo la fisuracin. La presencia de ferrita mejora la situacin, tanto por aumentar la magnitud de borde de grano como por disolver en mayor cantidad estos elementos, retirndolos en consecuencia de la austenita y disminuyendo su concentracin en los bordes de grano. El riesgo de una cantidad elevada de ferrita en la unin soldada proviene de su posible transformacin en fase que, como veremos, origina otros riesgos de fragilidad.



3.1.2.- Por fusin de eutcticos, quemado o desgarre en caliente

El agrietamiento por fusin de eutcticos, quemado o desgarre en caliente, tiene su origen en las segregaciones en bordes de grano y la fusin de los mismos en la proximidad de la lnea de fusin. Las impurezas de baja solubilidad en la matriz tienden a segregarse en los bordes de grano. Durante el enfriamiento pueden formar pelculas de bajo punto de fusin entre los granos o eutcticos de bajo punto de fusin. La permanencia a elevada temperatura y la cantidad y tipo de impurezas en el metal base influyen en este agrietamiento, que se localiza preferentemente en la zona de la lnea de fusin y en la ZAT, como observamos en la figura 5. Tambin podra afectar a los cordones de soldadura durante el depsito de pasadas posteriores. Las grietas por licuacin suelen ser de reducido tamao y muchas veces no afloran a la superficie.

FIGURA 5

3.2.- Desgarre laminar

3.2.1. Descripcin del fenmeno

Lo ya indicado sobre los fenmenos de dilatacin y contraccin en la soldadura, con sus efectos en cuanto a tensiones y deformaciones, permite abordar el nocivo desgarre laminar susceptible de producirse durante la soldadura de los aceros y que constituye un fenmeno asociado a un efecto termo-mecnico.



Se califica como desgarre laminar un tipo de fisura que, esencialmente en las soldaduras en ngulo, se extiende paralelamente a la zona de unin de los cordones de soldadura y, aproximadamente, en paralelo a las caras de laminacin. El examen despus de la rotura, accidental o provocada, presenta una facies en escalera, con zonas brillantes paralelas al plano de laminacin unidas por zonas de rotura con deformacin, aproximadamente perpendiculares, que renen las zonas brillantes, como vemos en la figura 6. Un examen ms detallado muestra que ese aspecto es provocado por una descohesin a nivel de la intercara entre las inclusiones- esencialmente sulfurosas- aplanadas por efecto de la laminacin y la matriz que las contiene. Esas zonas de descohesin, que motivan el aspecto laminar de la rotura en "piel de cebolla", son reunidas por zonas correspondientes a la rotura de la matriz.

Este tipo de fisuracin, consecuencia de una debilidad del material cuando es solicitado en el sentido del espesor o sea perpendicularmente a la superficie del producto laminado, puede producirse a nivel de las juntas soldadas cuya geometra favorezca el predominio de tensiones orientadas en ese sentido. Las fisuras pueden producirse en la ZAT o en el metal base no afectado por la soldadura. Si no son detectadas en el momento de la construccin pueden desarrollarse en servicio o ser, incluso, el origen de otros procesos de rotura, en particular por fatiga.

El mecen la fipor efeinferiorngulorigidizacontrarfragiliddel ma

-CURSO FIGURA 6

DESGARRE LAMINAR A NIVEL DE UNA SOLDADURA EN NGULO DE UN DIAFRAGMA EN EL INTERIOR DE UNA VIROLA: ASPECTO MACRO Y MICROSCPICO

anismo del desgarre laminar se pone en evidencia por el ensayo "Cranfield", cuyo principio se explica gura 7 y en el que la contraccin de una soldadura en ngulo realizada en varias pasadas provoca, cto de palanca, una tensin y un desplazamiento que se ejercen sobre la superficie del elemento . El efecto de desgarre se genera por el movimiento del elemento superior que tiende a cerrar el que forma con el elemento inferior. Si este movimiento est impedido, por ejemplo por medio de dores que unen previamente los dos elementos, no hay desgarre. Esto demuestra que, iamente a lo que con frecuencia se afirma, el fenmeno no est asociado al embridamiento ni a la ad, como el caso de la fisuracin en fro, sino que est relacionado con la capacidad de deformacin terial en el sentido del espesor.

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FIGURA 7 PRINCIPIO DEL ENSAYO CRANFIELD

3.2.2.- Factores que afectan al desgarre laminar

Lo anterior revela que el riesgo de desgarre laminar est asociado por una parte a la calidad del metal base, por otra a la geometra de junta y finalmente a la secuencia de soldadura, pero su aparicin depende tambin de las caractersticas mecnicas del metal fundido.

En cuanto a la calidad del metal base el papel de las inclusiones planas en los productos laminados ha llevado a aumentar la pureza del acero, reduciendo esas inclusiones sobre todo en lo que se refiere al contenido de S. Adems, la correlacin entre el riesgo de desgarre laminar y el comportamiento mecnico en el sentido del espesor ha llevado a considerar como un criterio de calidad la estriccin medida sobre una probeta de traccin -eventualmente heterognea- extrada en ese sentido. De ah, la aparicin en las especificaciones de productos siderrgicos de los llamados aceros "Z", que garantizan simultneamente su grado de pureza y la estriccin en el sentido del espesor.

Por desgracia, la fabricacin de aceros "Z" lleva aparejada importantes sobrecostes por lo que su empleo se reserva a construcciones en las que el riesgo de desgarre laminar o el peligro potencial de sus consecuencias sean particularmente graves. En los dems casos se prefiere actuar a travs de otros fac-tores del fenmeno y, si es preciso, detectar previamente las inclusiones planas por medio de ultrasonidos con haces focalizados, seleccionando las zonas sanas donde deban ejecutarse las soldaduras de responsabilidad.

El diseo de junta es tambin motivo de discusin ya que el desgarre laminar est provocado por las solicitaciones debidas a la soldadura y que se ejerzan perpendicularmente a la superficie del producto. Hay que esforzarse, en medida de lo posible, en evitar los diseos que se presten a ese efecto, como los mostrados en la fig a 8, as como las preparaciones- separaciones anormales- que lo acenten. En ciertos casos se pue

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de utilizar un buttering o "untado", como el mostrado en la figura 9, de las regiones

N DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -9-Rev.1 Octubre 05


dudosas antes de realizar las soldaduras propiamente dichas. Una vez establecido el diseo, la secuencia de ejecucin de las soldaduras juega tambin un papel importante, siendo un principio general equilibrar todo lo posible las solicitaciones debidas a la ejecucin de una misma junta.

El material de aporte interviene en el mecanismo del desgarre laminar a travs del lmite elstico del metal depositado. En efecto, la necesidad de desoxidar el metal aportado conduce a incorporarle apreciables cantidades de elementos desoxidantes, en particular Mn y Si, que elevan las caractersticas mecnicas del metal fundido, en particular su lmite elstico. Hemos visto anteriormente que las tensiones que aparecen durante el enfriamiento de una soldadura son del orden del lmite elstico del material que se suelda. Si este limite de elasticidad es superior a la resistencia a la traccin del metal base en el sentido del espesor el desgarre es inevitable. Es, pues, interesante, por una parte, elegir el adecuado procedimiento de soldadura y, por otra, utilizar metales de aporte que proporcionen al metal fundido un lmite elstico tan bajo como se pueda permitir. Se puede recurrir incluso a ejecutar soldaduras cuyas primeras pasadas sean lo ms blandas posibles y las siguientes ms duras. Se ha creado cierta confusin al explicar el desgarre laminar por la comprobacin de que el fenmeno se reduce, aunque no se impida, por el precalentamiento. Esto es cierto, pero no en su relacin con el temple o la difusin del hidrgeno. Ms sencillo, el precalenta-miento aumenta la temperatura entre pasadas y la duracin del enfriamiento, lo que permite explotar la plasticidad del metal fundido en el tiempo y en un intervalo de temperatura en el que su lmite elstico no es an tan alto como lo es a temperatura ambiente. En casos extremos, se puede intervenir durante la soldadura mediante un tratamiento trmico intermedio de relajacin de tensiones.

-CURSO D

FIGURA 8 PREPARACIONES A PROHIBIR RESPECTO AL DESGARRE LAMINAR

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FIGURA 9 ARTIFICIO DE UNTADO PARA EVITAR EL DESGARRE LAMINAR

3.3.- Fisuracin en fro

3.3.1.- Introduccin

La fisuracin en fro de los aceros, fenmeno asociado a tres factores caractersticos, martensita, hidrgeno y tensiones asociadas a la soldadura, se ha mencionado en anteriores temas en los que estos factores se han considerado por separado. Dada la importancia del fenmeno, que afecta a la soldabilidad y que por esta razn ha intervenido en el desarrollo de los aceros para construcciones soldadas, parece oportuno volver a l en este tema, consagrado monogrficamente a los fenmenos de agrietamiento de los aceros. Haremos un anlisis de los criterios utilizados y una justificacin metalrgica de los modos operatorios que se recomiendan.

El trmino fisuracin en fro -en ingls "cold cracking"- se emplea en su sentido ms amplio y, como veremos ms adelante, abarca varios tipos y morfologas. Se habla de fisuracin en fro, porque resulta de una fragilizacin de la martensita que en la escala de las transformaciones metalrgicas aparece a bajas temperaturas durante el enfriamiento. En la terminologa francesa se sobreentiende que esta fragilizacin la causa el hidrgeno. La inglesa precisa ms el papel de este gas, utilizando la expresin "hydrogen induced cracking", o sea, fisuracin inducida por el hidrgeno.

3.3.2.- Origen y efectos del hidrgeno

El hidrgeno rara vez se encuentra voluntariamente presente en el arco elctrico, pues la soldadura con hidrgeno atmico es hoy un proceso obsoleto. Fuera de esta aplicacin slo interviene en el caso de electrodos revestidos total o parcialmente con celulosa, cuya combustin en el arco proporciona vapor de agua que se descompone en sus elementos: de ah, la presencia del hidrgeno bajo la forma de iones H+ en la atmsfera del arco. Pero existen ms fuentes de hidrgeno a travs de otros tipos de electrodos revestidos o de otros procesos de soldeo. Estas pueden ser el agua de cristalizacin de ciertos productos minerales utilizados como componentes de los revestimientos o de los fluxes o la humedad absorbida por




ambos en su fabricacin o durante su uso. Por ltimo, citaremos el efecto de un ambiente hmedo o una causa accidental, como una fuga de agua de enfriamiento de la boquilla en la soldadura TIG o MIG.

El H+ procedente de esas fuentes es soluble en el acero, disminuyendo esta solubilidad al descender la temperatura en fase lquida y al pasar del estado lquido al estado slido, marcado por una importante discontinuidad. Dejando a un lado, por el momento, los detalles de esta variacin, ilustrados en la curva de Sieverts de la figura 10, podemos comprender que una solidificacin y un enfriamiento rpidos mantienen en el metal lquido y seguidamente slido un exceso de H+ que, si dispone de tiempo para unirse, explica la formacin de sopladuras o poros en el momento de la solidificacin o, caso contrario, la existencia de hidrgeno en forma de iones H+ en estado de solucin sobresaturada en el metal solidificado.

El hidrgeno, presente de esta forma en el metal solidificado a temperatura ambiente, se difunde fcilmente a travs de la ferrita y, en funcin del tiempo, tiende a escapar al exterior a travs de la superficie hasta un lmite que corresponde al llamado hidrgeno difusible. Esta evolucin es acelerada por la elevacin de la temperatura, como genricamente se ilustra en la figura 11. La cantidad de hidrgeno difusible obtenida por el calentamiento de una probeta de metal fundido en unas condiciones convencionales sirve de base para clasificar los productos de soldadura y comparar los procesos de soldeo y los modos de operar. El resultado se expresa generalmente en ml/100 gr. de metal depositado o de metal fundido:-metal depositado + metal base-. Para fijar ideas, el orden de magnitud del contenido de H para varios procesos de soldeo y diversos estados de los productos de aporte se ilustra esquemticamente en la figura 12.

Volviendo a la evolucin del H en funcin del tiempo y de la temperatura, figura 11, se comprende que cuando se deseen realizar ensayos mecnicos sobre el metal fundido sea necesario fijar un estado de referencia, obtenido a travs de un tratamiento trmico de las probetas, que tenga por objeto acelerar el desprendimiento del hidrgeno difusible, evitando as el efecto momentneo que ese gas pueda tener sobre el comportamiento del metal fundido durante el ensayo de traccin. Sin este tratamiento trmico el resultado del ensayo podra variar, segn el tiempo que separe la operacin de soldadura del ensayo.

Dada la influencia de la humedad en los productos de aporte, que podra expresarse como el "hidrgeno potencial de este elemento en el metal fundido, se atribuye gran importancia al secado en la fabricacin de los electrodos bsicos, al embalaje para protegerlos de una reabsorcin de humedad y a su manejo en el momento de la soldadura, que hasta pueden llegar a requerir un nuevo secado que en modo alguno perjudique la integridad de su revestimiento.

En lo que se refiere a las consecuencias del hidrgeno en la fisuracin en fro es preciso sealar que la insistencia de la literatura tcnica sobre los requisitos que deben reunir los electrodos revestidos e hilos tubulares es extensible tambin a otras causas como, por ejemplo, a la higroscopicidad de los fluxes o incluso a la adsorcin de humedad por los hilos desnudos en soldadura MIG o MAG. En efecto, ciertos aceros muy templables son sensibles a la fisuracin en fro con contenidos muy reducidos de H.


-CURSO DE FORMACIN DE IN

FIGURA 10 SOLUBILIDAD DEL HIDRGENO EN EL FE EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA, SEGN SIEVERTS:

INFLUENCIA DE LA SOLIDIFICACIN Y DE LAS TRANSFORMACIONES ALOTRPICAS

FIGURA 11 EVOLUCIN DEL H EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA Y DEL TIEMPO A PARTIR DE UNA PROBETA DE METAL DEPOSITADO

HD = HIDRGENO DIFUSIBLE. GENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -13-Rev.1 Octubre 05


FIGURA 12 ORDEN DE MAGNITUD DEL CONTENIDO DE H EN DEPSITOS OBTENIDOS POR SOLDADURA

-DOCUMENTO IIS/IIW 343.70-

El H en solucin sobresaturada tiende a abandonar el metal fundido y salir al exterior. Pero tambin puede evolucionar por difusin en fase slida, tanto en la zona fundida como en la ZAT. La difusin, que comienza desde que empieza el enfriamiento y contina despus, est influenciada por el contenido inicial de H al final del enfriamiento y por la diferencia del coeficiente de difusin entre la austenita y la ferrita pues el H, como se observa en la figura 13, se difunde mucho ms fcilmente en la ferrita que en la austenita. Adems, la difusin est favorecida por la deformacin, elstica o plstica, pues los iones H+, de pequesima dimensin, se desplazan a favor del movimiento de las dislocaciones. La consecuencia de la presencia de H est asociada a la fragilizacin de la ferrita o de la martensita, debido a la inserccin de los iones H+ en la red cristalina de esos dos constituyentes. La fragilizacin de la ferrita est unida al mecanismo de formacin de los llamados "ojos de pez" durante el ensayo esttico de traccin o de las "manchas blancas" durante las solicitaciones cclicas. La fragilizacin de la martensita es el origen de la "fisuracin en fro". -CURSO DE FORMACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -14-Rev.1 Octubre 05


FIGURA 13 DIFUSIVIDAD DEL H EN LA FERRITA Y EN LA AUSTENITA EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA.

D: COEFICIENTE DE DIFUSIN

Los "ojos de pez" -en ingls fish eyes- son un particular aspecto de la rotura que puede observarse durante los ensayos de traccin de probetas mecanizadas en el metal fundido, por ejemplo en los ensayos normalizados de los electrodos, o en probetas soldadas cuando la rotura tiene lugar en el metal fundido. El "ojo de pez" es, sobre un fondo de rotura dctil, una parte de rotura frgil fcilmente reconocible por su aspecto cristalino que rodea a una discontinuidad preexistente, como un poro o una inclusin. Esta zona de la rotura puede ser circular o alargada, figura 14 A, segn la forma de la discontinuidad a la que rodea y que constituye su origen. El "ojo de pez" no es por s mismo un defecto, pues no existe antes del ensayo de traccin como lo demuestra el seguimiento del ensayo por ultrasonidos. Se comprueba que el fenmeno slo ocurre a partir del mximo de la curva esfuerzo alargamiento, es decir a partir del momento en que se manifiesta la estriccin. Como resultado del ensayo de traccin se produce una reduccin del alargamiento y, sobre todo, de la estriccin. El H podra afectar a la resiliencia a travs de fisuras microscpicas en el enfriamiento tras la solidificacin pero no por los ojos de pez, que no aparecen durante la deformacin instantnea que implica el ensayo de resiliencia ya que su rapidez no permite el mecanismo explicado anteriormente.

Resumiendo, el mecanismo de la formacin de los ojos de pez es el siguiente: durante la deformacin plstica que se produce a partir del esfuerzo mximo en el ensayo de traccin, y que se acenta durante la fase de estriccin, las dislocaciones trasladan los iones H+ y los acumulan en las discontinuidades, en las que existe una concentracin de tensiones. La fragilizacin local resultante provoca alrededor de cada discontinuidad una rotura frgil, siendo dctil al resto de la rotura. El fenmeno va acompaado de una reduccin de la estriccin.

Se comprende, por tanto, que los ojos de pez no constituyan un defecto, aunque supongan una seal indicativa de la presencia de H y el resultado de la influencia conjunta de este elemento y de



discontinuidades preexistentes. Se comprende tambin que puedan encontrarse ojos de pez en el metal depositado por un electrodo bsico, incluso con el bajo contenido en hidrgeno caracterstico de este tipo de depsito.

Las "manchas blancas" que se observan en las probetas de fatiga rotas muestran que las solicitaciones cclicas pueden inducir un mecanismo anlogo al de los ojos de pez, pero mientras que la aparicin del ojo de pez requiere una deformacin plstica, la mancha blanca se manifiesta en una solicitacin cclica para tensiones inferiores al lmite elstico, jugando la mancha, por tanto, el papel de iniciacin de una rotura por fatiga. Bajo la forma de la figura 14 B se encuentra, en una probeta rota estticamente despus del ensayo de fatiga, una aureola frgil centrada sobre un defecto inicial y que se desarrolla progresivamente hasta la superficie de la probeta. Alrededor de esta zona se inicia una aureola de fisuracin progresiva por fatiga clsica hasta la zona rota estticamente, caracterizada por su aspecto dctil. Este aspecto se explica porque durante su evolucin la mancha blanca frgil alcanza la superficie, liberndose el H que contina su difusin hacia el exterior, anulndose as su influencia fragilizante. La fisuracin contin a entonces, normalmente por fatiga. Esto prueba, no solamente que en casos de solicitacin cclic el H puede originar la fragilizacin bajo una tensin inferior al lmite de elasticidad, sino tambin que las "manchas blancas" resultantes pueden servir de arranque para modificar el comportamiento a fatiga. De ah el inters en las construcciones soldadas, solicitadas cclicamente, en asegurar un bajo contenido en H en el metal fundido.

AUREOLA FRGIL, CENFRENTE D

Hablaremos somzona fundida pues

-CURSO DE FORMACIaFIGURA 14 A. OJOS DE PEZ SOBRE LA ROTURA ESTTICA DE UNA PROBETA DE TRACCIN:

AUREOLA FRGIL CENTRADA SOBRE UN DEFECTO, ROTURA FRGIL

FIGURA 14 B. MANCHA BLANCA SOBRE UNA ROTURA DE PROBETA DE FATIGA:

TRADA SOBRE UN DEFECTO, LUGAR DE INICIACIN DE UNA ROTURA POR FISURACIN PROGRESIVA SEGN UN E PROPAGACIN CURVILNEO FATIGA- Y FINALMENTE BRUTAL, AFECTANDO A TODA LA SECCIN

eramente de la fisuracin en fro en este punto que est dedicado a la elaboracin de la , adems del H, que participa en el fenmeno, su mecanismo pone en juego tambin la

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templabilidad del metal fundido y de la ZAT, as como las tensiones. Slo se explicar aqu, para estudiar posteriormente sus consecuencias, el proceso de paso del H hacia el metal base a travs de la zona de unin. A este fin basta considerar, figuras 15 A, B y C, sobre el corte longitudinal de un cordn de soldadura, la influencia de las posiciones relativas de las isotermas TF de transformacin del metal fundido y TB del metal base en la zona afectada trmicamente, segn que TF se encuentre antes o despus de TB.

Cuando, caso A, el metal fundido sufre durante su enfriamiento la transformacin perltica, a relativamente alta temperatura, mientras que el metal base sufre a partir del punto MS la transformacin martenstica, a relativamente baja temperatura, las isotermas TF y TB estn desfasadas en el sentido indicado en la figura. Existe, pues, un intervalo de tiempo, AB, durante el cual la zona de unin separa un metal fundido que se ha transformado en ferrtico-perltico en el que el H se ha hecho menos soluble, de una zona afectada de metal base, todava austenitico y desprovista de H, en la ese gas es all muy soluble. Resulta de ello un mecanismo de difusin del metal fundido hacia el metal base, favorecido a la vez por la diferencia de solubilidad y de concentracin de una y otra parte de la zona de unin. El H, menos difusible en la austenita que en la ferrita no se difunde profundamente en la ZAT, en la que la llegada de la isoterma TB encuentra una austenita cargada de H concentrado en una pequea profundidad. Es entonces cuando tiene lugar la transformacin martenstica de esa austenita y la formacin de una martensita fragilizada sensible, por tanto, a la fisuracin en fro. As, el fenmeno ocurre en el metal base a causa del H procedente del metal fundido exento , en este caso, del riesgo de fisuracin.

CORTE LONGITUDINAL DE UN

METAL FUNDIDO Y DEL METAL

Por el contrario, casomartenstica en el puntosta ltima es ferrtico-punin entre B y A pues lucin. Pero cuando a martensita fragilizada pfundido mientras que la

Finalmente, caso C, aporte austentico para debida a que el metal fu

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FIGURA 15 A CORDN DE SOLDADURA DURANTE SU EJECUCIN: INFLUENCIA DE LA TEMPLABILIDAD RELATIVA DEL BASE SOBRE EL PASO DE H DEL PRIMERO HACIA EL SEGUNDO, A TRAVS DE LA FRONTERA DE UNIN

B, si el metal fundido es ms templable que el metal base, sufre la transformacin A, retrasada sobre la transformacin del metal base en el punto B, sobre todo si erltica. No hay entonces difusin de H hacia el metal base a travs de la zona de el metal fundido, que permanece austenitico, puede an mantener ese gas en so-TF sobreviene en A la transformacin martensitica del metal fundido, se forma or el H. De ah la posibilidad de la fisuracin en fro, pero esta vez en el metal ZAT queda exenta.

es lo que tiene lugar cuando se emplea, como se aconseja frecuentemente, un soldar un acero templable. Una parte del xito obtenido por esta recomendacin es ndido permanece austenitico hasta su enfriamiento sin que se produzca una trans-

INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -17-Rev.1 Octubre 05


formacin que modifique la solubilidad del H. No hay por tanto difusin hacia la ZAT y, por tanto, no hay fragilizacin de esta ltima. La gran plasticidad del metal depositado austenitico contribuye a este xito.

A partir de estas explicaciones volveremos sobre los medios de controlar los factores que motivan la fisuracin en fro, a saber el hidrgeno, la martensita y las tensiones.

-CURSO DE FORMACI

FIGURA 15 B METAL FUNDIDO MS TEMPLABLE QUE EL METAL BASE. LA ISOTERMA TF EST DETRS DE LA ISOTERMA TB. EL MECANISMO DE PASO DEL H A TRAVS DEL BORDE DE LA UNIN NO TIENE LUGAR. LA TRANSFORMACIN MARTENSTICA OCURRE EN EL METAL FUNDIDO EN

PRESENCIA DE H.

FIGURA 15 C METAL FUNDIDO SIN PUNTO DE TRANSFORMACIN -APORTE AUSTENTICO-: LA DIFUSIN NO TIENE LUGAR, PUES EL METAL FUNDIDO PERMANECE AUSTENTICO Y LA TRANSFORMACIN EN EL ENFRIAMIENTO TIENE LUGAR EN LA ZAT EN AUSENCIA DE H.

El hidrgeno en la so dadura de metales no frreos

Las aleaciones deen el metal fundido. aporte, especialmenforma H, cuya evoluclN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -18-Rev.1 Octubre 05

Al soldadas con MIG ofrecen un ejemplo del papel del H en la formacin de porosidad La fuente de H es aqu la humedad de los gases y la absorbida por los materiales de te en la superficie de los hilos, y descompuesta en el arco elctrico. Esta humedad in durante la solidificacin origina los poros.


En la soldadura OAW del Cu, el H presente en la zona reductora de la llama juega un papel favorable frente al CuO y un enfriamiento suficientemente lento permite el desprendimiento del vapor de agua producido. En caso de soldadura bajo gas inerte es necesario emplear como aporte un Cu desoxidado.

3.3.3.- Factores que afectan al temple en la soldadura

3.3.3.1.- Naturaleza del acero

La tendencia al temple de un acero se mide por la localizacin en la escala de tiempos de su transformacin martenstica durante el enfriamiento. En el caso de la soldadura la templabilidad en la zona afectada trmicamente, ZAT, puede anticiparse por el valor del tiempo crtico de enfriamiento que es funcin, para una determinada geometra de junta, de la energa puesta en juego y de la temperatura inicial. Se han sealado ya los papeles respectivos del contenido en C por una parte -dureza de la martensita- y por otra, la de los elementos presentes en su composicin qumica.

Aunque el papel del C y del resto de los elementos es diferente, se adopt la costumbre de agruparlos para calcular, a partir de la composicin qumica del acero, un nmero susceptible de facilitar su comportamiento desde el punto de vista del temple en la soldadura. Ese nmero, llamado carbono equivalente, se obtiene aadiendo al contenido de C los contenidos de los elementos de aleacin, afectado cada uno de ellos de un coeficiente, que da cuenta del papel que juega ese elemento respecto del endurecimiento en la ZAT. La siguiente frmula, atribuida al Instituto Internacional de la Soldadura, lIS, es la ms citada y empleada en la literatura tcnica:

15NiCu

5VMoCr

6MnCCeq

++++++=

En la prctica, y teniendo en cuenta la importancia del Mn, se considera con frecuencia suficiente para comparar aceros el clculo del valor de:

6MnCCeq +=

Esta frmula informa mejor al usuario que la simple enumeracin de la composicin qumica. En efecto, especificar un carbono equivalente mximo viene a enriquecer la del contenido mximo de C para situar mejor la curva que ofrece la dureza mxima bajo cordn, cuyo uso ser explicado ms adelante, en funcin del tiempo de enfriamiento. Si se consideran los aceros, A y B, del mismo carbono equivalente, uno de los cuales presenta un contenido mayor de C -contenido menor de Mn-, y otro con un contenido menor de C -contenido mayor de Mn-, sus curvas dureza/tiempo de enfriamiento se cruzan, como vemos en la figura 16, porque el acero A es ms duro en estado templado, pero menos templable, mientras que el acero B es menos duro en estado templado, pero ms templable. Si se buscan unas condiciones de soldadura o, lo que es igual, un tiempo de enfriamiento que asegure una cierta dureza Hmax, se hallar ese tiempo en la horquilla que encuadra a las dos curvas A y B. As, la especificacin del carbono equivalente complementa la del C mximo para permitir una correlacin vlida entre la dureza bajo cordn y el tiempo de enfriamiento. Es importante sealar que esta correlacin es slo vlida a efectos comparativos desde el punto de vista de la soldabilidad si se aplica a dos aceros del mismo tipo, es decir que contengan los mismos elementos de aleacin en diferentes proporciones.



La nocin de carbono equivalente ha jugado un importante papel como gua para la puesta a punto de modos operatorios de soldadura as como para el desarrollo de los aceros para construcciones soldadas.

FIGURA 16 INTERPRETACIN DEL CRITERIO DE DUREZA BAJO CORDN EN RELACIN CON EL CARBONO EQUIVALENTE:

A CURVA DUREZA/TIEMPO DE ENFRIAMIENTO DE UN ACERO RICO EN C Y POBRE EN MN. B CURVA DUREZA/TIEMPO DE ENFRIAMIENTO DE UN ACERO DEL MISMO CARBONO EQUIVALENTE, POBRE EN C, POR TANTO RICO EN MN.

EN TRAZOS DISCONTINUOS, CURVAS ENVOLVENTES DE ESOS DOS CASOS LMITES.

3.3.3.2.- Ciclo trmico de soldadura

La posibilidad del fenmeno de temple en la soldadura depende directamente de su ciclo trmico a travs de los factores anteriormente mencionados, a saber: masa de las piezas, energa aportada y temperatura inicial. Sin embargo, la existencia de aceros que por su composicin qumica templan sistemticamente cuando se les suelda conduce a buscar, cuando sea posible, no solo los modos operatorios que lo eviten sino tambin aqullos que, aunque no lo consigan, reduzcan sus riesgos, en particular desde el punto de vista de la fisuracin en fro. Esta es la razn por la que se incluye el post-calentamiento en este punto.

3.3.3.3.- Masa de las piezas

En lo que concierne al efecto de la masa de las piezas, nos remitimos al tema que trata del estudio trmico de la soldadura. A lo sumo, aadiremos dos notas, una de carcter termomecnico y otra de carcter metalrgico.

Desde el punto de vista termo-mecnico debemos sealar que a partir de un cierto espesor el tiempo de enfriamiento asociado a una particular energa de aporte no es igual en cuanto a las tensiones generadas por la operaci de soldadura, que se intensifican a medida que el espesor aumenta, al menos para la soldadura en v rias pasadas. En consecuencia el riesgo de fisuracin en fro se acenta cuando el espesor de la pieza sold

-CURSO DE FORMna

ada aumenta.

ACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -20-Rev.1 Octubre 05



Desde el punto de vista metalrgico las especificaciones de los aceros prevn un contenido de C y de elementos de aleacin ms elevado para los productos gruesos que para los productos finos. Por tanto, los productos gruesos son, a igual resistencia, desde el punto de vista de su composicin qumica ms templables que los productos finos, lo que conlleva un riesgo suplementario de fisuracin en fro.

3.3.3.4.- Energa Aportada en Soldadura

Para los aceros que no templan sistemticamente durante la soldadura la aparicin del temple viene determinada, junto a la temperatura inicial, por la energa aportada por la soldadura, segn que sta se traduzca en un valor del tiempo de enfriamiento inferior o superior al tiempo crtico martenstico. En este aspecto es fundamental la utilizacin de los diagramas TEC o, en su defecto, los criterios de dureza, sobre los que volveremos ms adelante. En la prctica, hace falta retener que bajas energas aportadas en soldadura entraan enfriamientos rpidos y, en consecuencia, es preciso prestar mayor atencin en los casos en que se producen estas bajas energas, como:

las primeras pasadas en soldaduras con pasadas mltiples, que son las ms severas en lo que respecta al ciclo trmico,

las soldaduras por puntos, que deben evitarse o ejecutarse con las mismas precauciones que las de produccin propiamente dichas,

las soldaduras provisionales de montaje, cuyo efecto se descuida con frecuencia tanto ms cuando despus son eliminadas por corte, sin asegurarse que desaparece al mismo tiempo una eventual fisuracin subyacente,

las soldaduras muy poco solicitadas, como las de fijacin de diversos rganos como topes, resaltes, etc.

los cebados de arco fuera de las soldaduras propiamente dichas, que provocan crteres intensamente templados que a menudo contienen fisuras y perjudican el comportamiento mecnico a fatiga, incluso si no hay depsito de metal fundido. Esta prctica se encuentra prohibida.


-CURSO

3.3.3.5.- Temperatura inicial. Precalentamiento

El precalentamiento contribuye, al igual que el aumento de la energa aportada por la soldadura, a aumentar el tiempo de enfriamiento y, en consecuencia, al superarse el correspondiente tiempo de enfriamiento crtico martensitico a evitar o reducir la transformacin martenstica. Pero el papel del precalentamiento va ms lejos, pues puede ser eficaz frente a la fisuracin en fro, incluso si la transformacin martensitica tiene lugar. Es preciso examinar los efectos del precalentamiento en la soldadura de los aceros no solamente en lo que concierne a la transformacin martenstica, sino tambin desde el punto de vista de la evolucin del H y de las tensiones a lo largo de los ciclos trmicos: sin precalentamiento -trazo continuo- y con precalentamiento -trazo interrumpido- de la figura 17.

EVOLUC

LLEN

R

DE FORMACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -22-Rev.1 Octubre 05

FIGURA 17

IN COMPARADA DE LA TEMPERATURA, LAS TENSIONES Y EL H DURANTE LA SOLDADURA: SIN PRECALENTAMIENTO -TRAZO O, NDICE 0- Y: CON PRECALENTAMIENTO -TRAZO DISCONTINUO, NDICE P-. LOS SMBOLOS TR 800/500 Y TR M/100 DESIGNAN ESPECTIVAMENTE LOS TIEMPOS DE ENFRIAMIENTO ENTRE 800 Y 500 C Y ENTRE LA TEMPERATURA MXIMA Y 100 C



La transformacin martenstica puede llegar a evitarse gracias al aumento del tiempo de enfriamiento si, a partir de su diagrama TEC el acero se presta a ello, pero, incluso si tuviese lugar, se producira entre MS y MF, en un tiempo que se ha dilatado a causa del precalentamiento -zona rayada sobre las curvas-. La transformacin sera, por tanto, menos brutal.

En cuanto a las tensiones de soldadura que, como se ha visto, se establecen durante y hasta el fin del enfriamiento, su llegada al valor mximo se encuentra retardada, gracias al precalentamiento, por el aumento de la duracin del enfriamiento -medido aqu por el tiempo de enfriamiento entre la temperatura mxima y 100 C-.

El H presente, que no habra tenido casi tiempo de difundirse durante el enfriamiento sin precalentamiento- contenido final Ho- tiene la posibilidad de hacerlo, al menos parcialmente, llegando a un contenido final Hp. De esto resulta que, aunque la transformacin martensitica tenga lugar, la fisuracin en fro puede evitarse si, en el momento en que se alcanza la tensin p el contenido de H a nivel de la soldadura ha alcanzado un valor Hp suficientemente bajo. En ausencia de precalentamiento, la tensin o se alcanza antes y mientras que el contenido en hidrgeno Ho ha evolucionado poco, de ah la posibilidad de fisuracin.

Cuando el precalentamiento no evita la transformacin martenstica tampoco modifica nada la dureza de la ZAT. En conclusin, en funcin de la naturaleza del acero el precalentamiento juega su papel, sea frente a la aparicin de la martensita, la evolucin del hidrgeno y las tensiones, sea solamente sobre estos dos ltimos factores. En el primer caso no hay riesgo de fisuracin en fro; en el segundo el riesgo se reduce.

3.3.3.6.- Postcalentamiento

El trmino postcalentamiento lo reservamos exclusivamente para describir la operacin que consiste en interrumpir el enfriamiento durante un cierto tiempo a una temperatura determinada, antes de permitir que el enfriamiento contine. Esta prctica no debe confundirse con el tratamiento trmico despus de soldadura o Post Weld Heat Treatment, PWHT, que consiste en volver a calentar la pieza o la unin soldada despus de terminado el enfriamiento. La prctica ms corriente consiste en fijar una temperatura de postcalentamiento, que suele ser igual la del precalentamiento aunque tambin puede operarse a una temperatura ms o menos elevada que aquella. Cuando el postcalentamiento se practica a una temperatura inferior a MF, caso ms frecuente, supone adems de la homogeneizacin de las temperaturas en los alrededores de la junta una evolucin del H y de las tensiones, que completa y ampla la influencia del precalentamiento sin que intervenga modificacin metalrgica, ya que toda la martensita que poda formarse ya ha aparecido, como apreciamos en la figura 18.


FIGURA 18 EVOLUCIN COMPARADA, A PARTIR DE LA TEMPERATURA MXIMA, DE LA TEMPERATURA, LAS TENSIONES Y EL H DURANTE LA

SOLDADURA CON PRECALENTAMIENTO SIMPLE -TRAZO LLENO- Y CON PRECALENTAMIENTO COMPLETADO POR UN POST-CALENTAMIENTO -TRAZO DISCONTINUO-.

En lo que concierne al H, el postcalentamiento proporciona a ese gas el tiempo necesario para difundirse, en funcin de la temperatura p a la que el mismo tiene lugar y del tiempo tp que dura. En cuanto a las tensiones, cuyo valor depende de la temperatura, su crecimiento cesa durante el tiempo tp para no continuar hasta que el postcalentamiento cesa. As, alcanzan su valor mximo cuando ha terminado el enfriamiento-, retardadamente y cuando la difusin del H ha llevado el contenido de ese gas a un valor inofensivo. Es posible evitar la fisuracin en fro en la medida en que la temperatura y el tiempo de postcalentamiento se hayan seleccionado bien. La elevacin de la temperatura reduce el tiempo necesario, de manera que el empleo de postcalentamiento permite, para un cierto contenido en H, estado de tensiones y energa aportada de soldadura, reducir la temperatura de precalentamiento. A titulo de ejemplo cualitativo, la representacin de la figura 19 muestra cmo varia el tiempo tp necesario para que no se produzca la fisuracin, en funcin de la temperatura p. As concebido y practicado el postcalentamiento ha permitido ampliar considerablemente las aplicaciones de los aceros de alta resistencia y tambin mejorar la comodidad de los operarios, gracias esto ltimo a la reduccin de la temperatura de precalentamiento.



-CURSO DE FORMACIN DE I

FIGURA 19 REGIONES Y CIRCUNSTANCIAS DE FISURACIN SEGN LOS VALORES ASOCIADOS A LAS TEMPERATURAS P Y A LOS TIEMPOS TP DE

POSTCALENTAMIENTO -PERMANECIENDO IDNTICOS TODOS LOS DEMS PARMETROS- A = FISURACIN DURANTE EL POSTCALENTAMIENTO= TEMPERATURA INSUFICIENTE

B = FISURACIN DESPUS DEL POSTCALENTAMIENTO= TIEMPO INSUFICIENTE C = NO FISURACIN:=ASOCIACIN CORRECTA TEMPERATURA-TIEMPO

FIGURA 20 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA INICIAL SOBRE LA POSICIN DE LAS CURVAS DUREZA/ENERGA DE SOLDADURA

NGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -25-Rev.1 Octubre 05



3.3.4.- Endurecimiento bajo cordn

Como hemos visto la dureza de la martensita es funcin de su contenido en C. Por otra parte, en los aceros susceptibles de escapar al temple, los no auto-templables, la aparicin de martensita en la ZAT y en la zona fundida depende de las condiciones de enfriamiento que caracterizan la operatoria empleada. El endurecimiento provocado por la soldadura, cuya medida es relativamente sencilla, es elegido frecuente-mente como un criterio de cualificacin o de control del modo operatorio de soldadura bajo el nombre de dureza bajo cordn.

La dureza bajo cordn, en particular la que se mide en la ZAT que rodea un cordn de soldadura depositado en una sola pasada en la superficie de una chapa de espesor dado, es segn la norma que se utilice el valor mximo, o la media de los dos mayores valores, que se halla en esta zona al aplicar el modo operatorio descrito en la norma en cuestin. Este criterio permite una determinacin simple de las con-diciones de soldadura que aseguren un valor de dureza mxima inferior al valor impuesto. As, figura 20, para un acero y espesor dados, el trazado de las curvas de dureza bajo cordn/energa a diversas temperaturas iniciales permite elegir el par ms favorable energa/temperatura inicial que asegure la clusula impuesta de mxima dureza bajo cordn: por ejemplo: si 0 es igual a la temperatura ambiente -ausencia de precalentamiento-, ser necesario asegurar una energa al menos igual a E0 mientras que la energa E1 bastar si se precalienta a la temperatura 1. Se podra emplear cualquiera de estas dos combinaciones, atendiendo a las condiciones en las que se va a ejecutar la soldadura: obra o taller, posicin de soldeo, comodidad de los operarios, etc.

En lo que concierne al valor mximo de dureza permitido en las especificaciones no podemos dejar de mencionar el frecuentemente citado de Hmx = 350 Vickers con carga de 10 kg. que requiere algn comentario: en su momento, ya lejano, en que se propuso empricamente este valor, relacionado con la nocin de carbono equivalente, el papel de la martensita en el fenmeno de la fisuracin en fro pareca mucho ms importante que el del hidrgeno, ignorado durante largo tiempo. Por otra parte, para los aceros utilizados en construccin metlica, teniendo en cuenta su contenido en C, una dureza de 350 HV pareci un valor lmite, revelador de la presencia de una proporcin de martensita que entraaba alto riesgo de fisuracin en fro.

En consecuencia, limitar la dureza mxima a este valor equivala a prohibir la martensita y, con ello, los modos operatorios que provocaban su formacin. El conocimiento del papel del hidrgeno y de los procesos y productos de aporte que permiten contenidos ms bajos de este gas en el metal fundido han obligado a elevar progresivamente el valor de la dureza mxima tolerable, lo que lleva a admitir una cierta proporcin de martensita. As, se han especificado valores comprendidos entre 350 y 400 HV o incluso se han propuesto relaciones entre dureza mxima y contenido en C. Esta evolucin se justifica por cuanto el modo de operar en soldadura se ha perfeccionado y, al mismo tiempo, generalizado el uso de aceros dbilmente aleados, para los que la nocin tradicional de dureza mxima bajo cordn pierde su significado.

3.3.5.- Fragilizacin por hidrgeno

La fragilidad de la martensita es funcin del contenido de C de forma que no juega un papel peligroso en los aceros soldables ms utilizados, ya que los ciclos trmicos superpuestos de la soldadura en varias pasadas provocan, por su efecto de revenido, una atenuacin de los efectos del temple.

En cuanto a la fragilizacin por el hidrgeno, que est en la esencia de la fisuracin en fro, conviene aadir a lo dicho anterioriormente que no se trata de una fragilizacin adquirida; en efecto, slo se manifiesta cuando el hidrgeno est presente y el riesgo cesa desde que ese gas desaparece por difusin.



De ah el inters de las precauciones que acaban de describirse, como el post-calentamiento y, en menor medida, el precalentamiento. En el mismo orden de ideas, como la fragilizacin depende del contenido en C el tiempo durante el cual puede manifestarse despus de la soldadura ser tanto ms largo- fisuracin diferida- cuanto ms elevado sea aquel.

3.3.6.- Comportamiento a fatiga

Aunque la martensita, por su sensibilidad al efecto de entalla - funcin de su contenido en C- pueda estar intrnsecamente sujeta a la fisuracin por fatiga en el caso de una pieza homognea, en soldadura resulta ms frecuente una influencia mecnica que metalrgica. En efecto, su presencia en una junta soldada -metal fundido o ZAT- crea, por el endurecimiento localizado que conlleva, un efecto de "entalla metalrgica, en los confines de la zona endurecida, como consecuencia de la discontinuidad de su correspondiente lmite de elstico respecto al del metal base. Son en estos lugares donde se manifiesta, ms frecuente y fcilmente, el inicio de las roturas por fatiga en las piezas sometidas a solicitaciones cclicas. La frecuencia de los incidentes provocados por este mecanismo en las piezas mecnicas justifica la atencin que debe prestarse al trazado de esas piezas y a la ejecucin de las soldaduras, buscando evitar soldaduras con baja energa, particularmente por el hecho de sus pequeas dimensiones, incluso cuando esas soldaduras no transmitan esfuerzos.

Por supuesto, a ese efecto de entalla metalrgica se aade el de las tensiones residuales, en la medida en que estas ltimas no hayan contribuido ya a un proceso de fisuracin en fro. Se sobreentiende que una fisura preexistente situada en la zona ya sensibilizada a la fatiga va a contribuir a una iniciacin de rotura. As, puede resultar necesario un tratamiento trmico sea de relajacin de tensiones que logre un efecto de revenido, sea incluso un temple y revenido completos.

3.3.7.- Efectos de la soldadura en pasadas mltiples.

La fisuracin en fro sobreviene cuando estn presentes las tres condiciones, temple, hidrgeno y tensiones. El que tenga lugar al final del enfriamiento, a veces despus de un tiempo apreciable despus del enfriamiento completo -fisuracin diferida-, puede aprovecharse en la soldadura en varias pasadas para establecer una operatoria que permita evitar el fenmeno. El carcter ms o menos tardo de la fisuracin en fro resulta del hecho de que es necesario un cierto tiempo antes de que en un punto dado se haya reunido por difusin la cantidad necesaria de hidrgeno, junto al efecto de las tensiones. De ah que resulten lugares privilegiados para ello los bordes o la raz del cordn, a causa de la concentracin de las tensiones creadas por la entalla que representan.

En soldadura en varias pasadas las condiciones que ocasionan la fisuracin en fro no se reproducen obligatoriamente en cada pasada. Puede ocurrir que una soldadura en varias pasadas finalice sin fisuracin si el fenmeno se produce, por ejemplo, entre la primera y la segunda pasada y la refusin provocada por esta ltima modifique parcialmente, sin suprimirlas, el aspecto de las fisuras anteriores- figura 21- mientras que el correspondiente ciclo trmico transforma la estructura que las rodea. Se encontrarn as fisuras situadas en las zonas recocidas cuando resultan de un temple anterior. En otro orden de ideas, aparecen tambin fisuras en fro en una pasada, a causa de las tensiones originadas por la contraccin de otras pasadas, por ejemplo sobre la otra cara de una soldadura a tope, como observamos en la figura 22.


FIGURA 21 MODIFICACIN, POR UNA PASADA POSTERIOR, DEL ASPECTO DE LAS FISURAS EN FRO SOBREVENIDAS BAJO EL EFECTO DE UNA

PASADA ANTERIOR

FIGURA 22 EJEMPLO DE FISURA A LO LARGO DEL BORDE DE UNA PASADA ORIGINADA POR LAS TENSIONES DEBIDAS A PASADAS POSTERIORES

3.3.8.- Ensayos e fisuracin

Los numerosos ensayos de fisuracin en fro propuestos en la literatura tcnica difieren por la forma en que se realiza el embridamiento necesario para la fisuracin y en el cmo se obtiene la tensin que resulta de ese embridamiento.

Como ejemplo de ensayos de soldadura embridada citaremos dos muy extendidos internacionalmente: el llamado CTS, iniciales de Controlled Thermal Severity de origen britnico y el ensayo TEKKEN, puesto a punto en Japn. Ambos emplean soldaduras auto-bridadas, es decir que el embridamiento se obtiene por la propia disposicin de las piezas sobre las que se realizan.

El ensayo CTS, cuyo esquema se observa en la figura 23, se ejecuta sobre dos chapas del acero a ensayar, primero apretadas una contra otra por empernado y despus solidarizadas por medio de dos soldaduras de fijacin F1 y F2. Los cordones de ensayo C1 y C2 conllevan, para una energa de soldadura dada, ciclos trmicos d diferente severidad, segn los espesores considerados y la geometra de la junta que,en cuanto a cam

-CURSO DE FORMACIN De dinos de disipacin de calor, puede ser "bi-trmica" o "tri-trmica". Las fisuras,

E INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -28-Rev.1 Octubre 05


investigadas sobre cortes transversales de los cordones, pueden estar situadas en el borde del cordn, hacia el metal base o en la raz, hacia el metal fundido.

El ensayo TEKKEN, cuyo esquema se observa en la figura 24, implica la ejecucin de un cordn de en-sayo de soldadura a tope sobre dos piezas achaflanadas del acero a ensayar, rigidizadas por soldaduras parciales realizadas previamente en cada extremo del conjunto. La forma del chafln puede modificarse para variar las condiciones en el borde del cordn y en la raz, siendo ms severa la forma en Y. Se observan esencialmente fisuras en la raz, ya sea en la zona afectada del metal base o en la zona fundida.

Los resultados del ensayo CTS pueden cuantificarse en relacin a la severidad trmica empleada. En cuanto al ensayo TEKKEN, que tal y como se practica parece emprico, ha sido objeto de importantes trabajos que establecieron una correlacin de sus resultados con las medidas de la tensin crtica de fisuracin sobre soldadura embridada a travs de un montaje instrumentado derivado del relativo a la definicin de la intensidad de embridamiento.

-CURSO DE FO

RMACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -29-Rev.1 Octubre 05

FIGURA 23 ENSAYO CTSDE SEVERIDAD TRMICA CONTROLADA.

F1 F2 CORDONES DE FIJACIN C1 C2 SOLDADURAS DE ENSAYO -C1 JUNTA BITRMICA - C2 JUNTA TRITRMICA


FIGURA 24 PRINCIPIO DE ENSAYO TEKKEN

F1 F2 CORDONES DE FIJACIN C CORDN DE ENSAYO- EXAMINADO SOBRE UN CORTE X-Y.

La preocupacin por cuantificar la propensin a la fisuracin en fro presidi en el Instituto de Soldadura de Francia la puesta a punto del ensayo sobre implantes, en cuyos trabajos particip activamente Henry Granjon, gran metalrgico y Miembro de Honor de ADESOL, hoy CESOL.

El implante, muy utilizado para determinar los diagramas TEC, se aprovecha para hacer del mismo una probeta para el ensayo de fisuracin. Con este fin se le practica una entalla circular o helicoidal que simula la acumulacin de hidrgeno y las condiciones que conducen a la fisuracin, utilizndose un montaje mecnico -figura 25.a- diseado especialmente para hacer sufrir al cordn de soldadura a ensayar una carga constante de traccin que, en su caso, provoca al cabo de un cierto tiempo la fisuracin en fro al nivel de la entalla. Haciendo intervenir experimentalmente diversos tiempos de enfriamiento se puede trazar una curva de tensin de fisuracin, -figura 25 b-, sobre la que se puede leer el tiempo de enfriamiento para conseguir la no fisuracin para una tensin dada, por ejemplo el limite elstico o cualquier otro valor inferior. Para facilitar esta seleccin el Instituto de Soldadura francs ha establecido, al mismo tiempo que una coleccin de diagramas TEC y de curvas de fisuracin en fro sobre implantes, una serie de valores de ten-siones de fisuracin aplicables a diferentes tipos de uniones en funcin de su intensidad de embridamiento.



FIGURA 25 PRINCIPIO DEL ENSAYO DE FISURACIN SOBRE IMPLANTES:

A) ESQUEMA DEL MONTAJE UTILIZADO PARA PROVOCAR LA FISURACIN A NIVEL DE UNA ENTALLA -RECTA O HELIOCOIDAL-. B) EXPRESIN DE RESULTADOS BAJO LA FORMA DE CURVA TENSIN DE FISURACIN/TIEMPO DE ENFRIAMIENTO

El ensayo de fisuracin sobre implantes que acabamos de describir en la actualidad es objeto de dos normas francesas y de una recomendacin del Instituto Internacional de la Soldadura. Ha dado lugar a numerosos estudios sobre el fenmeno y se utiliza ampliamente para la determinacin o la verificacin de modos de operar en soldadura. La misma tcnica de ensayo permite valorar la tendencia a la fisuracin en fro del metal depositado por un producto de aporte, electrodo revestido, par hilo-flux o hilo tubular.

3.3.9.- Prcticas y recomendaciones

La mayora de los pliegos de condiciones y prcticas recomendadas relativos a la soldadura de los aceros tienen en cuenta el riesgo de la fisuracin en fro. Las recomendaciones no prescriben los ensayos descritos en aceros de calidad estructural para construcciones metlicas o en los destinados a calderas y recipientes a presin del tipo C-Mn-Si, sino el control de la dureza bajo cordn a travs de barridos de dureza realizados en las probetas de cualificacin del procedimiento de soldadura.

Esas recomendaciones se apoyan en el conocimiento derivado de ensayos sistemticos sobre el com-portamiento de esos aceros y proponen, como el documento NF A36-OOO, "dominios de soldabilidad", como genricamente ilustra la figura 26 que, en funcin del acero y de los espesores a soldar, recomiendan las "energas equivalentes" a emplear para obtener una dureza mxima limitada sobre las curvas "dureza-criterio" propias del acero empleado.



FIGURA 26 EJEMPLO ESQUEMTICO DE CAMPO DE SOLDABILIDAD TAL Y COMO LO PROPONE LA NORMA NF A36-000:

1 SOLDADURA SIN PRECALENTAMIENTO (20 C) 2 SOLDADURA CON PRECALENTAMIENTO (1)

3 SOLDADURA CON POSTCALENTAMIENTO

En cuanto a los aceros aleados la dureza bajo cordn no puede tomarse como criterio de soldabilidad y los modos operatorios de soldadura deben establecerse sobre los resultados de los ensayos de fisuracin en fro que tengan en cuenta el grado de embridamiento.

Cualquiera que sea el enfoque del problema de la fisuracin en fro es necesario cuantificar el embridamiento o, ms generalmente, la tensin que se ejerce sobre las juntas durante la soldadura limitndola, siempre que sea posible, so pena de exagerar las precauciones a tomar en trminos de energa aportada y de temperatura de precalentamiento, que puede ser perjudicial no solamente desde el punto de vista metalrgico -estructura intilmente grosera y por tanto menos tenaz-, sino tambin del punto de vista prctico -posicin de soldeo incompatible con una energa elevada, incomodidades para los operarios-. A este respecto, aunque en la actualidad se dispone de datos sobre el embridamiento correspondiente a diversas geometras de unin, no deben perderse de vista las causas, incluso momentneas, de tensiones distintas a las de embridamiento a las que una unin puede estar sometida durante su ejecucin, tales como:

debidas a la ejecucin de una soldadura prxima o situada sobre la otra cara del producto soldado,

debidas al peso propio de la pieza soldada, como por ejemplo la soldadura sobre el ala traccionada de una viga,

debidas a la reaccin de una pieza deformada para permitir la soldadura, como las virolas precurvadas la fijacin de refuerzos, etc.

-CURSO DE FORMAC,IN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -32-Rev.1 Octubre 05


En estos casos, es aconsejable impedir que esas tensiones se ejerzan en las piezas antes de que el hidrgeno se haya dispersado por difusin.

3.4.- Fisuracin por tratamiento trmico

La fisuracin por tratamiento trmico se produce durante el calentamiento de los aceros en el rango de temperaturas comprendido entre 500 / 650C y afecta a la zona de grano grueso de la ZAT ms que al metal depositado. Junto a la mayor facilidad de que se generen estructuras duras en las zonas de grano grueso, ste no permite el deslizamiento entre granos provocando su fractura durante el tratamiento trmico de distensionado o alivio de tensiones. Deformaciones a elevada temperatura, del orden del 1%, permiten ya la nucleacin de fisuras. Las grietas suelen ser discontinuas, aunque tambin pueden ser continuas. Los aceros microaleados son ms sensibles a esta fisuracin que los aceros al C. La utilizacin de precalentamiento en el soldeo de los aceros microaleados origina un apreciable crecimiento del grano, como se observa en la figura 27.

FIGURA 27

Este efecto es frecucuando manejamos seccEs tambin caractersticcreep. En estos casos trmico. La existencia deaparicin de grietas debi

Para evitar este tipo d

Utilizar durante el t

Emplear la tcnicaun metal de aporte

-CURSO DE FORMACIN DEente en aceros estructurales y en los HSLA de baja aleacin y alta resistencia iones grandes y entre los elementos de aleacin se encuentren el Cr, el Mo y el V. o este tipo de fallo en los aceros Cr-Mo resistentes a la fluencia en caliente o las causas son la baja ductilidad a alta temperatura, unida a las tensiones de origen discontinuidades como microgrietas, faltas de penetracin o de fusin favorecen la das al tratamiento trmico.

e fallos se recomienda:

ratamiento las ms bajas temperaturas de mantenimiento posibles.

de pasadas mltiples para afinar el grano recrecido de la ZAT, junto con el uso de que no sea susceptible a dicho fenmeno.

INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -33-Rev.1 Octubre 05


-CURSO

4.- DEFECTOLOGA DE LA FISURACIN

4.1.- Morfologa

Desde el punto de vista morfolgico las grietas pueden clasificarse en funcin de su situacin: zona afectada trmicamente, ZAT, borde de la unin, zona fundida y de acuerdo a su orientacin: -longitudinales o transversales-, como se aprecia en la figura 28. Se ofrecen seguidamente unos comentarios sobre las condiciones de formacin de estas fisuras y los nombres que reciben.

4.1.1.- Fisuras en la ZAT

Las fisuras ms frecuentes en esta zona son longitudinales. Es en la ZAT donde se encuentran las fisuras llamadas bajo cordn (1) que se manifiestan paralelamente al borde de unin y tienen la particularidad de no aflorar a la superficie. Aparecen por un temple acusado y un fuerte contenido de hidrgeno, lo que hace posible la fisuracin incluso para tensiones dbiles, como es el caso de un simple cordn depositado sobre la superficie de una chapa, de ah su nombre.

Otros dos tipos de fisuras longitudinales llamadas "en el borde" (2) toe crack- y "en la raz" (3)- root crack se producen con un contenido de hidrgeno relativamente dbil, porque resultan de un efecto de entalla a cuyo nivel las tensiones se concentran y renen el hidrgeno necesario para la fisuracin.

TIPOS

La fiuna ma DE FORMACIN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 2.11 -34-Rev.1 Octubre 05

FIGURA 28 DE FISURAS QUE PUEDEN AFECTAR A LAS SOLDADURAS DE ACEROS, CLASIFICADAS EN FUNCIN DE SU POSICIN Y DE SU

ORIENTACIN -SOLDADURAS EN UNA PASADA A TOPE Y EN NGULO-.

suracin transversal (4) resulta rara en la zona afectada trmicamente y siempre, en presencia de rtensita de alto contenido en C, cuando la configuracin del conjunto se presta a un predominio de



tensiones longitudinales. Slo un corte longitudinal puede revelar con certeza las fisuras transversales. Anlogamente, slo la casualidad puede, en un corte transversal, poner en evidencia total o parcialmente una fisura transversal (7).

4.1.2.- Fisuras en el borde de la unin

En la zona de unin, las fisuras longitudinales (5) pueden producirse en las soldaduras heterogneas de aceros templables con material de aporte austenitico a consecuencia de una dilucin no uniforme y la formacin de una banda martensitica en el metal fundido a lo largo del borde de unin, muy sensible a la fragilizacin por el hidrgeno.

4.1.3.- Fisuras en el metal fundido

La fisuracin en fro se produce en el metal fundido cuando este ltimo es tan templable o ms que el metal base. Es longitudinal (6), a favor del efecto de entalla en la raz o bien transversal (7), aflorando o no a la superficie del cordn. Este ltimo tipo de fisuracin es debido a un mecanismo emparentado con el de los ojos de pez. En efecto, las fisuras se inician sobre defectos -inclusiones o poros, que recogen hidrgeno fragilizante a favor de las tensiones longitudinales.

4.2.- Deteccin de las fisuras

El efecto perjudicial que pueden jugar las fisuras en servicio, en particular las fisuras en fro a causa de su finura, implica una particular vigilancia durante el control no destructivo de las soldaduras y de los conjuntos soldados terminados.

En lo que concierne al momento en el que debe realizarse el control, pueden formularse dos recomendaciones, a saber:

puesto que la fisuracin puede ser diferida, el control no debe producirse demasiado pronto tras la

terminacin de la soldadura, sobre todo si inmediatamente despus se aplican tensiones, como movimientos, izados en el montaje, ensayos como prueba hidrulica, etc.

si el conjunto debe sufrir un tratamiento trmico, por ejemplo de relajacin de tensiones, ser preciso proceder al control despus del tratamiento: por un lado porque las fisuras se han desarrollado y hecho menos finas, por tanto ms detectables, y por otro, para tener en cuenta su evolucin durante el tratamiento.

Teniendo en cuenta la variedad de tipos y la posicin y orientacin de las fisuras cuya presencia puede sospecharse, es evidente que no todos los mtodos de control son igualmente satisfactorios en relacin con los utilizados en la cualificacin del procedimiento de soldadura. Si vamos al esquema de la figura 28 se ve, por ejemplo, que el control por partculas magnticas slo conviene para las fisuras que afloran a la superfi-cie o cerca de la superficie -tipos (2),(6) o (7)-. El control radiogrfico slo detecta las fisuras (2), (5) y (6), a condicin que no sean demasiado finas. Finalmente, puesto que se trata de defectos planos, slo el control por ultrasonidos es capaz de detectar el conjunto de tipos de fisuras en fro, en la medida en que un buen conocimiento de sus posibles posicin y orientacin permite al operador adoptar las disposiciones necesarias para esta deteccin.

En cuanto al examen metalogrfico su carcter destructivo excluye su empleo sistemtico pero, a titulo excepcional, puede ser extremadamente til para identificar ciertas fisuras y evitar confusiones, por ejemplo entre los tipos (2) y (5), que tienen el mismo aspecto exterior. Este examen se practicara entonces sobre las probetas seleccionadas a partir de los resultados del control no destructivo.



5.- BIBLIOGRAFA

Bases Metalrgicas de la Soldadura. Henry Granjn. Traduccin de Carlos Melero.

Soldadura de los Aceros. Aplicaciones. Manuel Reina Gmez. 4 Edicin

Portada 2-11.pdfOctubre 2005

fenomenos de agrietamiento

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