CAPÍTULO 17 ENSAYOS DESTRUCTIVOS EN SOLDADURA
CARACTERIZACIÓN DE LAS SOLDADURAS Las soldaduras pueden ser caracterizadas de acuerdo a los siguientes criterios:
• El proceso de soldadra !"l"#ado$ • Ta%a&o ' (or%a del cord)*$ • Prop"edades %ec+*"cas de la ,*!a$ • Co%pos"c")* -.%"ca/ e!c$ Los métodos apropiados de caracterización dependen de la función de la soldadura y de las propiedades particulares requeridas en su aplicación. En algunos casos, la habilidad de una soldadura de funcionar adecuadamente puede deberse a la caracterización del tamaño o forma de la soldadura. Hay casos en qué los factores relacionados con el proced"%"e*!o de soldadra, al!ra "*adecada de la soldadra , co*0e"dad del cord)* o (al!a de pe*e!rac")*, proocan que las soldaduras fallen. En otros casos, es importante caracterizar los factores metal!rgicos tales como la composición qu"mica del metal de soldadura y la microestructura. E#emplos, las soldaduras que no deben ceder o fallar gracias a su resistencia, ductilidad, resistencia a la corrosión y dureza.
Co* la carac!er"#ac")* de las soldadras se lo2ra sa3er s" *a soldadra !"e*e la capac"dad de c%pl"r co* s (*c")* , documentar una soldadura y un procedimiento que han demostrado ser adecuados, o determinar por qué una soldadura no cumplió su función. $%&
La caracterización de soldaduras ser' tratada inicialmente con un enfoque de e0alac")* *o des!rc!"0a. El primer niel de caracterización trata sobre la información que puede ser obtenida mediante inspección isual directa y la medición de la soldadura. Esto abarca técnicas como rad"o2ra(.a, pre3as por l!raso*"do e "*specc")* por l.-"dos pe*e!ra*!es, utilizadas para caracterizar la ubicación y la estructura de los defectos internos y superficiales.
(%& )osteriormente la caracterización de las soldaduras es por medio de los e*sa'os des!rc!"0os, que requieren la remoción de muestras de la soldadura. *.+
El primero de estos ensayos destructios es la caracterización macroestructural de una soldadura seccionada, que abarca datos como el *4%ero de pases, al!ra, (or%a ' 5o%o2e*e"dad del cord)* de soldadra y la or"e*!ac")* de d"c5os cordo*es en una soldadura de m!ltiples pases.
**.+
Esto a seguido de un an'lisis microestructural que abarca microseqreqación, tamaño del grano y su estructura las fases que componen la soldadura y la composición.
***.+
El tercer componente de la caracterización de la soldadura es la medición de propiedades mec'nicas y resistencia a la corrosión. La finalidad de cualquier soldadura es crear una estructura que llene todas las epectatias de acuerdo al ambiente de sericio en el que se desempeñar'. En muchos casos, la me#or manera de garantizar el buen desempeño de la soldadura es estableciendo sus propiedades mec'nicas. -uchas pruebas mec'nicas est'n espec"ficamente dirigidas a la determinación de las capacidades de la soldadura.
PROPIEDADES 6ECNICAS TÍPICAS PARA CARACTERIZAR SOLDADURAS Res"s!e*c"a a la Tracc")*, Dc!"l"dad, Dre#a y Res"s!e*c"a al I%pac!o o a la 8rac!ra$ Las pruebas de corrosión se emplean en situaciones en las que la soldadura se realiza sobre un material resistente a la corrosión, o sobre una estructura epuesta a un ambiente corrosio. no de los puntos de mayor interés es asegurar que la soldadura y su zona afectada por calor / 9AZ& sean catódicas con respecto al metal circundante.
CARACTERIZACIÓN POR T:CNICAS NO DESTRUCTIVAS Carac!er.s!"cas 6acrosc)p"cas /0bseradas Eternamente&. 1lgunos factores asociados con la producción y el desempeño de las soldaduras son macroscópicos y f'cilmente obserables. Entre estos, los m's obios son la altura, la forma y la apariencia general del cordón de soldadura. En gran parte, estos par'metros dependen de la geometr"a de la unión de soldadura y del proceso de soldadura seleccionado. La 2igura $ muestra esquemas de soldaduras a filete, a solape y a tope con y sin bisel en las que se señalan una serie de caracter"sticas /definidas en la 3abla $&.
2igura $
2igura (
-étodos de 4aracter"sticas -acroscópicas: Las herramientas utilizadas en la macrocaracterización eterna de una soldadura son la simple ista y lupas. La 2igura ( muestra macrograf"as de dos soldaduras istas desde arriba que ilustran algunas de estas consideraciones. En muchos casos, la presencia de defectos importantes tales como (rac!ra e* cal"e*!e y5o poros"dad, puede detectarse mediante inspección isual y fotografiado desde arriba. Los factores que entran en #uego en la apariencia general de los cordones de soldadura pueden ser la d"s!ors")*, decoloración gracias a una protección inadecuada o calor ecesio, soca0adra, !a%a&o eces"0o de cr+!er y espesor "rre2lar de los cordo*es. En las soldaduras a filete, ciertos factores que influyen en su desempeño pueden ser afectados por la geometr"a relatia de la unión. )ueden usarse "*s!r%e*!os espec"ales a fin de determinar el !a%a&o de la soldadra, la cr0a!ra de la cara y la lo*2"!d de los lados.
Co*s"derac"o*es ;e*erales$ -uchos tipos de soldadura son ealuados con respecto a sus macro caracter"sticas espec"ficas:
• Ta%a&o< El tamaño de la soldadura debe ser apropiada para las partes. /E#emplo, en una soldadura a filete, la relación de longitud con respecto al espesor de las placas debe hallarse entre 6:7 y $:$&
• Local"#ac")*< na soldadura a tope incorrectamente localizada podr"a impedir que la pieza funcione correctamente. /E#emplo, soldadura a filete con lados de diferente longitud, proocando una distribución desigual de fuerzas, ruptura laminar&.
• U*"(or%"dad< 8u ausencia genera distorsión, el retirar de escorias en soldadura de m!ltiples pasos y la distribución uniforme del esfuerzo al soportar carga, depender'n de la uniformidad relatia de la soldadura.
• De(ec!os< na soldadura deber"a estar libre de defectos macroscópicos. Entre los defectos comunes est'n: socaadura, falta de fusión, poros y retención de escoria.
• Al!ra de Cara< 9efuerzos,
una soldadura deber"a tener una cara relatiamente plana. 8i la cara es demasiado conea, el esfuerzo se concentrar' en el pie de la soldadura. 8i por el contrario, una cara demasiado cóncaa har' que el esfuerzo se concentre en la garganta de la soldadura.
DE8ECTOS$ La presencia de defectos superficiales o internos en la soldadura pueden ir en detrimento del desempeño de la soldadura. Los defectos t"picos en soldaduras son:
•
Poros"dad$
•
8al!a de pe*e!rac")*$
•
Soca0adra$
•
8al!a de (s")*$
•
Solapa%"e*!o$
•
Rec5pes$
•
Eceso de pe*e!rac")*$
•
;r"e!as de cr+!er$
•
;r"e!as e* cal"e*!e$
•
I*cls"o*es de escor"a$
arias técnicas son utilizadas para determinar la presencia de defectos superficiales o por deba#o de la superficie en las soldaduras, La m's com!n son la inspección mediante l.-"dos pe*e!ra*!es para grietas en la superficie, inspección con par!.clas %a2*=!"cas, rad"o2ra(.a co* ra'os > y l!raso*"do.
LA INSPECCIÓN CON LÍ?UIDOS PENETRANTES aplica
un fluido indicador fluorescente que tiene una tensión superficial ba#a para colarse en las grietas superficiales imperceptibles a simple ista. El eceso de l"quido es remoido de la superficie, pero el l"quido que permanece en la grieta la resalta al aplic'rsele un reelador. La 2igura 6, muestra grietas en una soldadura resaltadas mediante un l"quido penetrante. La 3abla (, muestra algunas caracter"sticas de los tipos de inspección no destructia. 2igura (.
LA RADIO;RA8ÍA 6EDIANTE RAYOS > 8e utiliza para determinar defectos internos tales como poros"dad e "*cls"o*es, estos defectos aparecen debido a la diferencia en absorción de rayos ; entre la matriz y el material defectuoso. El tamaño m"nimo de los defectos en las especificaciones A@S es de <,7mm /<,<$=>in&. En la pr'ctica esto se refiere a retención de escoria y grandes inclusiones que se hallaban presentes en el material inicialmente. Las estructuras de los defectos son usualmente cuantificadas por comparación con uno de est'ndares eistentes. E#emplo el A%er"ca* Pe!role% I*s!"!!e /API& para soldaduras de tuber"as. El est'ndar 1)* $$<7 incluye criterios para la aceptación de soldaduras en aceros en base a un n!mero de defectos como pe*e!rac")* "*adecada, (s")* "*co%ple!a, co*ca0"dad "*!er*a, eceso de pe*e!rac")*, "*cls"o*es de escor"a y poros"dad$
E,e%plo/ se puede resumir una sección del 1)* $$<7 como sigue: I*cls"o*es de escor"a alo*2adas< de =
mm /de anchura por cada inclusión alongada de escoria.
I*cls"o*es de escor"a a"sladas< $6mm /$5(in& por cada 6<=mm /l(in& de soldadura, anchura superior a 6,(mm /$5@in&, $<=mm /7.$5@in& de inclusiones de escoria aisladas por cada 6<=mm /l(in& de soldadura. Las indicaciones acerca de la longitud agregada de inclusiones de escoria aisladas no deber'n eceder dos eces el menor espesor nominal de la pared y el ancho no deber' eceder la mitad del menor espesor de las paredes unidas. 0tros e#emplos son el AST6 E B que contiene radiograf"as de referencia para soldaduras en acero y el S!rc!ral @eld"*2 Code que incluye un grupo de placas radiogr'ficas que muestran patrones de defectos para inclusiones redondeadas.
PRUEAS DE ULTRASONIDO PARA LOCALIZAR DE8ECTOS INTERNOS )ara localizar defectos internos también pueden utilizarse pruebas de ultrasonido, entre los que est'n la porosidad y las inclusiones Las pruebas de ultrasonido abarcan la transmisión de ibraciones mec'nicas a traés de una pieza de metal y analizar tanto las ibraciones transmitidas como las refle#adas. Las ibraciones interact!an con las discontinuidades en el medio por donde pasan, por lo tanto el operador puede detectar espacios ac"os, inclusiones y otras interfaces internas.
CARACTERIZACIÓN INTERNA POR T:CNICAS DESTRUCTIVAS La caracterización interna abarca el an'lisis de la composición macroestructural y microestructural. Estos procedimientos son utilizados en una sección transersal de la soldadura. La sección transersal puede complementarse con una fotograf"a de ista superior. La sección longitudinal y la sección normal se indican en la /2igura 7&. En particular la fotograf"a de ista superior representar' la apariencia general de la soldadura, ilustrando las irregularidades superficiales, salpicaduras o defectos macroscópicos como las grietas en caliente o la porosidad.
1$ 6acroes!rc!ra de la Soldadra$ Las figuras =/a& y =/b& muestran secciones transersales de dos soldaduras, una soldadura de arco sumergido hecha sobre un acero 183- 1 6> de (=mm /$ in& de espesor y una soldadura con alambre tubular realizada sobre un acero 183- 1 =6A de =
F$ 6"croes!rc!ra de la Soldadra$ Es importante eaminar y caracterizar la microestructura de la soldadura, comprender su # formación y sus efectos sobre las propiedades. Este es el caso cuando los materiales y los procesos inolucrados no son caracterizados correctamente, por tanto las especificaciones no han sido establecidas. 0tros problemas surgen cuando eiste la formación de microconstituyentes per#udiciales y5o donde las consecuencias de que una soldadura ceda son seeras. E#emplos t"picos son la soldadura de materiales fr'giles o de alta resistencia.
La %"croes!rc!ra de *a soldadra co*s!a de !res re2"o*es< /a& Zo*a de 8s")* /material que se ha derretido&? /b& Zo*a A(ec!ada por Calor /material que no se ha fundido pero cuya microestructura ha sido alterada& y /c& 6e!al ase$ Estas tres regiones pueden erse en sección transersal en la 2igura =/b&. Las microestructuras de la soldadura son eaminadas mediante las técnicas est'ndar de remoción y preparación de la muestra. Los par'metros utilizados a fin de caracterizar las microestructuras de la soldadura son: Ta%a&o de 2ra*o/ 6or(olo2.a del 2ra*o ' la ca*!"dad de d"(ere*!es %"croco*s!"!'e*!es ' (ases prese*!es$ n e#emplo es la clasificación de los microconstituyentes de (err"!a y car3ro en una soldadura de acero de ba#a aleación. Las arias morfolog"as incluidas en la caracterización de una soldadura de acero de ba#a aleación se muestran en la 3abla 6. En estas soldaduras, una gran cantidad de ferrita acicular est' asociada a altos nieles de resistencia, mientras que las estructuras martens"ticas o bain"ticas est'n mas bien asociadas a altas tasas de enfriamiento efectio de manera que al reducir el contenido de manganeso y la tasa de enfriamiento, mediante un incremento del calor o precalentando, aumentar"a la cantidad de ferrita acicular, me#orando la resistencia del metal de soldadura.
Prop)s"!os de la carac!er"#ac")* %"croes!rc!ral de las soldadras E0alar la %"croes!rc!ra con respecto a las propiedades y relac"o*ar la %"croes!rc!ra con el proceso utilizado. El principal ob#etio es optimizar el proceso para producir la microestructura m's deseable. En general, los efectos de un proceso y los par'metros de la microestructura son debidos a los efectos constitutios y térmicos. Los efectos constitutios est'n en gran manera limitados a la zona de fusión. Los ciclos térmicos afectan tanto a la zona de fusión como a la H1B.
2igura 7
2igura =a
2igura =b
CO6POSICIÓN ?UÍ6ICA DE UNA SOLDADURA La composición de una soldadura tiene una significatia importancia en su desempeño contribuyendo a me#orar las propiedades mec'nicas como las relacionadas con la corrosión en la soldadura. En algunos casos, los efectos pueden ser dr'sticos, tales como el oler al acero inoidable m's sensible a ciertos factores o cambiar la temperatura de transición de d!ctil a fr'gil de los aceros ferr"ticos en forma suficiente como para causar una fractura. )or e#emplo, una soldadura de acero de ba#a aleación con un carbono equialente de <,7C se considera un depósito de alto carbono, y se trata en forma diferente que una soldadura de ba#o carbono. De manera similar, los nieles de silicio en eceso de <,7C son normalmente asociados a un defecto /poro continuo& en el pase de ra"z en una soldadura de tuber"a hecha con un electrodo celulósico. En general, se debe tener cuidado tanto al minimizar los cambios en composición asociados a la soldadura como al factor de composición y los cambios de propiedades en el diseño.
8ac!ores -e A(ec!a* la Co%pos"c")* de la Soldadra La composición de una soldadura se encuentra afectada por la co%pos"c")* del %e!al 3ase, la co%pos"c")* del %e!al de apor!e utilizado y la d"solc")* e*!re a%3os, reacc"o*es co* el (l"do o el 2as pro!ec!or , y cal-"er p=rd"da de %a!er"al asoc"ado al proceso. Estos factores est'n controlados en gran parte, la selección del proceso, los par'metros y la estabilidad. El d"a2ra%a S5ae((ler para aceros inoidables es un e#emplo del control de la composición por la disolución. La composición del metal de soldadura y la microestructura son predichas en base al contenido de es!a3"l"#ador de (err"!aF y es!a3"l"#ador de as!er"!aF del metal base, al n"quel equialente y de cromo del metal de aporte y el niel de disolución. La microestructura ser' predicha como martens"tica, ferritita o autentica, y el niel de ferrita en la soldadura ser' estimado. En estas soldaduras, los n!meros de ferrita por deba#o de 7 indican microestructuras en las que los compuestos de ba#o punto de fusión pueden formarse en los l"mites de grano, y las soldaduras podr"an estar predispuestas a fractura en caliente. )or otro lado, soldaduras con n!meros de ferrita por encima de $<, tienen una reducida resistencia a la corrosión y pueden ser susceptibles a la formación de una fase a altas temperaturas.
El diagrama 8haeffler ha sido reisado muchas eces para ser adaptado a diferentes aleaciones. n e#emplo es la incorporación del nitrógeno en el equialente de n"quel. -uchos aceros inoidables usualmente contienen pequeñas cantidades de nitrógeno, de hecho, algunos son reforzados deliberadamente mediante la adición de nitrógeno. 0tras modificaciones incluyen cobre en el n"quel equialente y el anadio y el aluminio en el cromo equialente. E,e%plo< 8e suelda acero de ba#o carbono con electrodos E+><$< y E+ A<$@, utilizando par'metros idénticos. 1unque la composición del n!cleo de ambos electrodos es idéntica, el electrodo E+><$< producir' un depósito con <,$= a <,(=C 8i y el electrodo E+A<$@ producir' un depósito con <,= y <,>C 8i. n e#emplo de un efecto relacionado con el procedimiento se obsera cuando la longitud de arco se cambia para soldaduras hechas con un electrodo E+A<$@. Los cambios de la longitud de arco pueden alterar el contenido de silicio de <,6 a <,>C y pueden alterar el contenido de manganeso de <,@ a $,6C.
T=c*"cas de 6ed"c")* ' Proced"%"e*!os Las técnicas usuales para el an'lisis de la composición qu"mica de muestras met'licas pueden ser utilizadas en soldaduras y son: La espectroscopia óptica de emisión, donde un punto de material /t"picamente de >mm o $ de di'metro& de la superficie de la muestra es preparado mediante abrasión y sus emisiones de luz son analizadas. En soldaduras de m!ltiples pasos abarcar"a metal de soldadura, H1B y metal base como en una soldadura de un solo paso. Las soldaduras est'n predispuestas tanto a la macrosegregación como a la microsegregación y las propiedades podr"an ser determinadas por la composición en una región muy local. na caracterización a fondo de las soldaduras requiere técnicas con suficiente resolución espacial como para caracterizar su falta de homogeneidad. 8e utilizan frecuentemente la microscopia electrónica de barrido con sistemas de an'lisis mediante rayos ; con dispersión de energ"a o longitud de onda, microsondas de electrones y técnicas de fluorescencia de rayos ;. Estos datos podr"an bien ser combinados posteriormente con datos proenientes de una prueba similar de micro dureza y an'lisis microestructurales para caracterizar la ariación a lo largo de la soldadura.
PRUEAS 6ECNICAS na cantidad de propiedades mec'nicas se utilizan para caracterizar las soldaduras, entre las que se encuentran la resistencia, la ductilidad, la dureza y la tenacidad. De todas formas, la comparación de la soldadura con el metal base se utiliza en gran parte para establecer el desempeño de la misma. El fin es asegurar que la soldadura no sea el componente m's débil de la estructura, y de ser as", compensar esto en el diseño.
Res"s!e*c"a<
La resistencia a la carga y a la tensión se miden para muestras de material de soldadura mediante una prueba tensil est'ndar con muestras remoidas de las placas para pruebas que han sido soldadas de acuerdo a procedimientos especificados por la 1G8. Estas pruebas forman la base para la asignación de carga y alores definitios de resistencia a soldaduras realizadas usando un electrodo espec"fico y de acuerdo a un procedimiento preestablecido. 1 eces se realizan pruebas adicionales a fin de comparar las resistencias del metal base y de la soldadura. n e#emplo de este tipo de prueba es la prueba tensil transersal, en la que la muestra se remuee de la soldadura para que el e#e de carga sea perpendicular al cordón de soldadura de#ando el refuerzo de la soldadura intacto. La finalidad de esta prueba es erificar que la falla por sobrecarga ocurrir' en el metal base m's que en el metal de la soldadura o la H1B.
Dc!"l"dad<
Es otra propiedad cr"tica de las soldaduras. 1dem's de los defectos, muchos procesos de soldadura pueden producir microestructuras duras y fr'giles. Las medidas est'ndar de ductilidad /porcenta#e de reducción de 'rea y porcenta#e de elongación& se obtienen en una prueba tensil uniaial, 0tra prueba usualmente especificada para soldaduras es una prueba de torsión o doblez /doblez de cara, doblez de ra"z y doblez lateral&. En esta prueba, una platina de material que contenga soldadura es deformada alrededor de un radio espec"fico y se eamina su superficie. El criterio de ealuación es el n!mero y el tamaño de los defectos obserados en la superficie eterior del doblez. n e#emplo de criterio de prueba de doblez e el S!rc!ral @eld"*2 Code de la A@S que especifica el doblar alrededor de un radio de lmm /<,A=in& para materiales con resistencia a la carga menores o iguales a 67=-)a /=(< -)a /=< a (< -)a /
Dre#a< n uso com!n de los alores de dureza en soldadura es chequear la formación de microestructuras que pudiesen tener ba#a resistencia y ductilidad, teniendo as" predisposición a la fractura. )or e#emplo, en aceros para tuber"as, la formación de martensita en la H1B es una causa de preocupación debido a su potencial para fracturar. Esto es tratado especificando alores m'imos de micra dureza transersal a lo largo de la soldadura. Los alores de dureza también son utilizados como un indicador de la susceptibilidad hacia algunas formas de agrietamiento por esfuerzo+corrosión. 3abla 7: )ar'metros /procedimiento no est'ndar& utilizado para obtener soldaduras de m!ltiples pases en tubos de acero ;+>= de $,
Especificaciones adicionales: paredes de $(,Amm /<.=(in& de cara de la ra"z? apertura de $,=mm /<,<>(=in&, bisel de ><%? posición ertical? temperatura de precalentamiento y de interpase de $=<%4 /6<
Te*ac"dad< Es la habilidad de un material de absorber energ"a durante la fractura, Hay dos tendencias en cuanto a pruebas de tenacidad: prueba de tenacidad por impacto y prueba mec'nica de fractura.
• Pre3a de Te*ac"dad por I%pac!o< )ara probar la tenacidad frente a un impacto, se somete una muestra con geometr"a espec"fica a una carga por impacto y se registra la cantidad de energ"a absorbida durante la fractura. sualmente se orienta la muestra de forma tal que la muesca y el supuesto plano de fractura corran longitudinalmente a traés del metal de soldadura. Los ensayos 4harpy no miden una propiedad inherente del material, sino que resultan en una medición relatia de la tenacidad frente al impacto entre materiales. n uso muy com!n del ensayo 4harpy es determinar la temperatura de transición de d!ctil a fr'gil de un material mediante pruebas realizadas a diferentes temperaturas. La 1G8 1+=.$ muestra los m"nimos alores de impacto 4harpy, a ciertas temperaturas, para soldaduras hechas en aceros al carbono con diferentes electrodos.
• Pre3a 6ec+*"ca de 8rac!ra< El segundo tipo de prueba de tenacidad se basa en la mec'nica de la fractura y puede usar métodos lineales el'sticos o el'sticos pl'sticos. 1unque el comportamiento el'stico pl'stico / J ic & est' atrayendo el interés en algunos casos, la mayor"a de estas pruebas se basan en consideraciones lineales el'sticas. Estas pruebas, indicadas en AST6 EBB/ se utilizan para medir la tenacidad frente a fracturas /Gic & que es una propiedad del material. En el caso de soldadura, la tenacidad frente a fracturas se epresa usualmente mediante un alor para el desplazamiento de la punta de la abertura de la grieta. La prueba de tenacidad frente a fracturas ha ganado aceptación aplicable a soldaduras. Las deficiencias incluyen la comple#idad y el costo de las pruebas y
la gran ariación en cuanto a alores de tenacidad ante fractura que puede presentar el metal de soldadura, gracias a la naturaleza no homogénea de las soldaduras.
EHE6PLOS DE CARACTERIZACIÓN DE SOLDADURAS PRI6ER EHE6PLO$ Es
una soldadura de un metal al arco protegido / 8CA@& de m!ltiples pases realizada sobre acero para !3er.as. En la pr'ctica, ser"a en gran parte caracterizada en base a su apariencia eterna y posiblemente ser"a complementada con ensayos no destructios. La carac!er"#ac")* "*"c"al de *a soldadra ' el
proced"%"e*!o e%pleado/ es!ar.a* 3asados e* la co%pos"c")* -.%"ca ' las prop"edades %ec+*"cas$ )udiendo as" ser descrita en base al proceso, materiales y especificaciones inolucradas en su producción. La mayor parte de la caracterización de tal soldadura ser"a realizada durante el desarrollo y la certificación del proceso inicial a fin de determinar su aplicabilidad.
E,e%plo N 1< 8oldadura de m!ltiples pases en tubo ;+>= de $,= de $(,Amm /<,=JK es!+ des"2*ado por API co%o
* acero para !3er.a co* *a res"s!e*c"a a la car2a de al %e*os M6Pa JKs" ' *a res"s!e*c"a a la !racc")* de KJJ6Pa MFs" . Este tipo de soldadura es t"pica para grandes oleoductos y gasoductos. 8in embargo, para este e#emplo, fueron seleccionados deliberadamente procedimientos que produ#eron una soldadura con una gama de defectos. Estos procedimientos /3abla 7&, no son representatios de la pr'ctica est'ndar.
O3ser0ac")* V"sal$ La soldadura fue inicialmente caracterizada por obseración isual. Desde la par!e sper"or de la unión, pueden ser obserados la altura y la uniformidad de la soldadura y la socaadura /2ig. >a&. Desde la par!e "*(er"or , se puede obserar salpicadura, falta de penetración y socaadura interna /2ig. >b&.
2igura >a
2igura >b
E0alac")* No Des!rc!"0a$ Luego se eamina la soldadura en busca de defectos internos y superficiales. La retención de escoria y la falta de fusión son defectos internos t"picos en este tipo de soldadura, y pueden ser istos en la radiograf"a mostrada en la 2igura A. Esta figura también muestra los defectos eternos notados durante la obseración isual. 1dem's de la ealuación no destructia, se pueden llear a cabo otras pruebas que resalten los defectos /por e#emplo, pruebas de doblez de cara o de ra"z y pruebas de impacto&, pero estas no fueron lleadas a cabo en este caso. De forma similar,
no se usaron pruebas de ultrasonido, de part"culas magnéticas ni de penetración para los fines de esta caracterización.
2igura A
6acroes!rc!ra de la Soldadra$
La ealuación destructia comienza con la remoción de una sección transersal de la soldadura y su preparación para un eamen metalogr'fico. La secuencia de los pases de soldadura /n!mero y tamaño dé pases, n!mero de pases por capa, cantidad de penetración y etensión de la H1B& es aparente. 1dicionalmente, cualquier defecto presente en el plano de la sección es isible. En este e#emplo, se e#ecutaron nuee pases, tres capas con un pase y tres con dos pases. La 2igura @ muestra cuatro pequeños poros? uno en el tercer, cuarto, seto y noeno pase. La porosidad fue inducida ariando deliberadamente la posición del electrodo.
2igura @
Co%pos"c")* del 6e!al de Soldadra$
8e lleó a cabo el an'lisis de la composición de la soldadura. )ara esta aplicación, la composición promedio de la soldadura es de gran importancia. La composición total de la soldadura fue medida utilizando un espectrómetro de emisión y los resultados se muestran en la 3abla =. El contenido intersticial de la soldadura es también de gran interés y los nieles de o"geno y nitrógeno fueron medidos. 8e halló que el niel de o"geno en la soldadura era de $<
6"croes!rc!ra de la Soldadra$ La sección transersal también es utilizada para eaminar y caracterizar la microestructura de la soldadura. La 2igura muestra micrograf"as de diferentes regiones de la soldadura. La 2igura /a& muestra metal de soldadura que no ha sido recalentado por pases sucesios. La 2igura /b& muestra metal de soldadura que ha sido recalentado y tiene una estructura m's fina que el metal de soldadura que no ha sido recalentado. La 2igura /c& muestra un lugar de la H1B que se parece mucho a la estructura obserada en la zona recalentada. Los par'metros
importantes que deben caracterizarse en este tipo de soldadura son el porcenta#e de zona recalentada, la cantidad relatia de arios microconstituyentes y el tamaño de grano promedio. En la soldadura usada como e#emplo, el metal de soldadura tiene un @C de ferrita acicular, 6(C de ferrita con una segunda fase alineada y $(C de ferrita con una segunda fase no alineada. Ko se encontraron agregados de martensita o de ferrita con carburos.
2igura a
2igura b
2igura c
Pre3as 6ec+*"cas$ Después de caracterizar la microestructura, las muestras fueron remoidas y utilizadas para pruebas mec'nicas. )ara esta aplicación, las pruebas mec'nicas pertinentes son pruebas de tensión /transersal y del metal de soldadura&, pruebas de impacto 4harpy, pruebas de resistencia a la fractura y de microdureza transersal. U*a pre3a de !racc")* !ra*s0ersal se !"l"#a pr"*c"pal%e*!e para ase2rar -e la *")* soldada *o sea el p*!o d=3"l de la es!rc!ra ("*al . En este caso una muestra de 6<=6(mm /$(,< $,(=in& fue remoida del tubo del e#e largo perpendicular al cordón. 8e le aplicó una carga a la muestra de (7AIK /(A,@ ton5ft& y ced") e* el %e!al 3ase. En base a un 'rea seccionada de la soldadura de =,<@cm /<,A@Ain& se calculó una resistencia tensil de la soldadura de 7@A -)a /A<,>Isi&. na prueba de tracción del metal de soldadura fue lleada a cabo utilizando una muestra remoida del cordón de forma que su e#e de fuerza fuese paralelo al cordón de soldadura. En este caso, la soldadura fue ene#ecida antes de la prueba mediante un tratamiento térmico consistente de 7@h a $<7%4 /((<%2&. Los resultados se muestran en la 2igura $<. 8e halló que la resistencia a la carga era de =(< -)a /A=,7Isi&, la resistencia mayor era de =7 -)a /@>,$ Isi& y el porcenta#e de elongación de 6
de las muestras 4harpy. 1l igual que para las pruebas 4harpy, las especificaciones con respecto a la resistencia a la fractura usualmente requieren un alor a una temperatura dada, por lo general la m"nima temperatura de sericio.
8e condu#eron pruebas de desplazamiento de puntas de abertura de grietas a +7=%4 /+=<%2& en tres muestras remoidas de la soldadura y se encontró que los resultados ariaban de <,$6A a <,6((mm /<,<<= a <,<$6m&, con un promedio de <,((mm /<,<<&. La figura $6, muestra la superficie de fractura de una de las muestras, sobre la que se pueden er claramente una zona de sobrecarga y modo de fractura d!ctil. 1dem's, usualmente se utiliza una prueba de micro dureza para este tipo de soldadura. El principal propósito es buscar la presencia de martensita en la H1B. La ("2ra 1 muestra un esquema de la soldadura e#emplo y la ubicación y alores de las arias pruebas de micro dureza. En este caso, ninguno de los alores ecede los (7
SE;UNDO EHE6PLO$ Es una soldadura a tope hecha sobre una aleación T"JAlV, con una pla!"*a de !+*!alo insertada entre las secciones del metal base. E*!re los
re-er"%"e*!os para es!a soldadra es!+* el !e*er 5o%o2e*e"dad %"croes!rc!ral ' de prop"edades ' el ser es!a3le a !e%pera!ras ele0adas , siendo catódico con respecto al metal base ba#o condiciones etremas y seeras. En este caso, la preocupación se centra menos en la aplicación y m's en la elaboración de una base de datos completa de las caracter"sticas microestructurales y metal!rgicas de la soldadura.
E,e%plo F< 8oldadura de l'mina de 3i+>1l+7 de (,=mm /<,$<1l+7 de (,=mm /<,$<
Las pre2*!as a ser respo*d"das al carac!er"#ar es!a soldadra (ero*< N OPué tan uniforme estar' distribuido el t'ntalo en el metal de soldaduraQ N OPué tan precisa puede ser la predicción de la composición del metal de soldadura basada en c'lculos de la disoluciónQ N OPué fases y microconstituyentes se encuentran presentes en el metal de soldaduraQ N O4u'les son las propiedades mec'nicas del metal de soldaduraQ 1dem's se realizaron pruebas de corrosión y de alta temperatura muy espec"ficas para ciertas aplicaciones en soldaduras de metales dis"miles. En contraste con la soldadura de tuber"a del e#emplo anterior, las principales herramientas utilizadas en esta caracterización fueron e'menes macroestructurales, elaboración de mapas de composición, difracción de rayos ;, pruebas de tensión en muestras de metal de soldadura y pruebas transersales de micro dureza.
6acroes!rc!ra de la Soldadra$ La soldadura mostrada en la 8"2ra 1K, fue hecha con un proceso de haz de electrones, utilizando un enfoque cerrado, $< a (= m1 de corriente y una elocidad de aance de $(,Amm5s /6
cada lado de la soldadura. La sección transersal también muestra que no eisten discontinuidades obias en la piscina de soldadura y que la microestructura del metal de soldadura es uniforme.
Co%pos"c")* del %e!al de Soldadra$ 8e realizó un eamen inicial de la composición del metal de soldadura a fin de ealuar la uniformidad de la macroestructura de la soldadura. La 8"2ra 1J muestra las l"neas elementales de barrido de t'ntalo, titanio, anadio y aluminio atraesando la soldadura. Estos datos fueron generados usando un microscopio electrónico de barrido con capacidad de espectroscopia por dispersión de energ"a, y confirman que los elementos en cuestión se hallan uniformemente distribuidos a traés de la piscina de soldadura. En base a estos an'lisis y la caracterización macroestructural, se ha determinado que esta combinación de procesos y par'metros de soldadura fue eitosa en cuanto a producir una soldadura de penetración completa y una piscina de soldadura macroscópicamente homogénea y libre de defectos. Las propiedades de las aleaciones de titanio pueden ser afectadas en forma significatia por las fases presentes en la microestructura, las cuales est'n controladas en gran parte por la composición del metal de soldadura. En este e#emplo, el aluminio estabiliza las fases heagonales compactas /hcp& a y5o RS, y el anadio y el t'ntalo, la fase c!bica centrada en el cuerpo /bcc& T. En las aleaciones de titanio, la composición puede ser epresada como relación electrón5'tomo /e5a&, lo que permite la combinación de los efectos de estabilización de fases de los diferentes elementos. La Ta3la J/ muestra tas composiciones de soldaduras calculadas /en base a disolución& y medidas. Los alores medidos para el aluminio son algo inferiores a lo que predicen los c'lculos, posiblemente debido a la pérdida de parte del aluminio durante el proceso de soldadura. 1!n de m's interés es el hecho de que las relaciones e5a medidas y calculadas an de 6,> a 6,@. Este rango de composiciones indica que la microestructura del metal de soldadura debe ser RS, una estructura martens"tica heagonal asociada con buenas propiedades mec'nicas.
6"croes!rc!ra de la Soldadra< La microestructura de la soldadura fue analizada mediante microscopio óptica, microscopio electrónica de transmisión / TE6& y difracción de rayos ;. De particular interés era la estructura de cualquier fase martens"tica presente y la posible eistencia de U, una fase ordenada que puede seeramente fragilizar el material. La composición del metal de la soldadura sugiere que la estructura ser' martensita heagonal RS. La 8"2ra 17, muestra una micrograf"a óptica de la zona de fusión. 8e reafirman la microestructura del metal de soldadura RS, confirmado a partir de los datos obtenidos de la difracción de rayos ; y la 3E-. La 8"2ra 1M, muestra una traza de difracción de rayos ; del metal de la soldadura. En base al an'lisis de la composición, resultados de la difracción y el an'lisis microestructural, el metal de soldadura puede ser caracterizado como una martensita heagonal RS. -ediante comparación con el metal base 3i+>1l+7 y el metal de soldadura /sin platina&, se ha determinado que el metal de soldadura puede tratarse como una ariante ligeramente m's estable que 3i+>1l+7. Este an'lisis permitió la predicción razonable de sus propiedades y comportamiento.
Pre3as 6ec+*"cas< En esta soldadura se llearon a cabo pruebas transersales de microdureza y pruebas tensiles del metal de soldadura. La 8"2ra 1B, muestra los resultados transersales de microdureza de dos pruebas, la dureza es relatiamente constante a lo largo de la zona de fusión. Estos datos confirman que el metal de soldadura es relatiamente homogéneo. La dureza de la zona de fusión es algo mayor que la del metal base, lo cual se esperar"a debido a la estructura martens"tica y el contenido algo superior de estabilizador T. La Ta3la 7 compara los resultados de las pruebas tensiles realizadas con una soldadura 3i >1l+7 /sin platina& tomada como base, con los resultados de las pruebas hechas con la soldadura e#emplo. 4omo muestran los datos, la soldadura que contiene t'ntalo ten"a una resistencia un poco mayor y una ductilidad un poco menor
que la soldadura base. Kueamente, estos datos concuerdan con un contenido algo mayor de estabilizador T.
Resl!ados de las Pre3as< La finalidad del estudio de las soldaduras de metales dis"miles 3i+>1l+753a fue caracterizar a fondo la homogeneidad, estructura y propiedades de la soldadura, en relación con la soldadura base 3i+>1l+7, y determinar el efecto de la adición de t'ntalo. El estudio mostró que la platina de t'ntalo puede ser fundida completamente utilizando el método de soldadura escogido con la producción de un cordón de soldadura uniforme. Los an'lisis de la composición y de la microestructura mostraron que la soldadura era muy similar a la soldadura base. Los resultados de las pruebas mec'nicas también lo confirmaron. En resumen, la caracterización mostró que esta soldadura podr"a ser realizada y que sus propiedades podr"an ser predichas y5o interpretadas con precisión.
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