METALURGIA DE LA SOLDADURA SOLDADU RA
FISURACIÓN EN CALIENTE
FISURACIÓN EN FRÍO Y EN CALIENTE
Se produce cuando el cordón de soldadura se encuentra todavía caliente. En un rango de temperaturas cercanas a la de solidificación del baño fundido o incluso ligeramente por debajo de ella. Normalmente por encima de 0,5 Temperatura de fusión.
PROFESOR: PAUL P. LEAN SIFUENTES 1
2
FISURACIÓN EN CALIENTE – ACEROS T °C
1 535
Liquido 0,1 % C
1 492
+L
P
M
+
0,5 % C
0,18 % C
+ Liquido 1 410
FISURACIÓN EN CALIENTE – ACEROS
(Austenita)
Región delta mostrando la reacción peritéctica a t emperatura constante (1492 °C): L +
3
4
FISURACIÓN EN CALIENTE – ACEROS
FISURACIÓN EN CALIENTE – ACEROS
Cristales (sólido)
Regiones del metal que solidifican al final
Tensiones residuales presentes en las regiones que solidifican al final
Teniendo Teniendo en cuenta lo anterior, ¿cuál de las dos transformaciones, L ó L , podría provocar provocar mayores dificultades dificultades durante la solidificación de un cordón de soldadura? 5
La estructura cristalina de la ferrita ( ) es cúbica centrada en el cuerpo (BCC), mientras que la de la austenita ( ) es cúbica centrada en las caras (FCC). Cuando el hierro tiene una estructura FCC (austenita), los átomos se encuentran ordenados de manera más compacta. Ello quiere decir que la contracción del metal, debida al paso: líquido austenita ( ) será mayor que la esperada en la transformación: L ferrita ( ) A temperaturas tan altas como 1500°C, la austenita se contrae durante el enfriamiento 50% más que la ferrita ( ) .
Durante la solidificación del metal fundido se producirán regiones más ricas en determinados elementos que otras, como consecuencia de las transformaciones y de la solidificación heterogénea que tiene lugar en el cordón de soldadura. Determinadas regiones del metal se enriquecen de elementos como el P y S, ello aumenta su susceptibilidad a la fisuración en caliente. Esta segregación en composición química se produce en las últimas regiones del metal a solidificar y su magnitud dependerá del contenido nominal presente en el metal base y en el metal de aporte, así como también de la estructura cristalina durante la solidificación (si solidifica primariamente como ferrita delta o austenita). 6
1
FISURACIÓN EN CALIENTE
FISURACIÓN EN CALIENTE
La fisuración en caliente se puede manifestar a través de muy
pequeñas fisuras microscópicas o incluso hasta macrogrietas
ZAC.
identificables a simple vista.
1. Cuando se producen en el depósito de soldadura (región
Debido a que se originan a elevadas temperaturas, las superficies de
solidificada)
fractura presentan una apariencia mate debido a la formación de una
SOLIDIFICACIÓN”.
capa de óxido superficial.
Las fisuras pueden iniciarse en el depósito de soldadura o en la
se
les
denomina
“FISURAS
POR
2. Cuando aparecen en la ZAC o en la región límite entre la zona
La fisuración en caliente es de tipo intergranular, es decir, la fisura
solidificada y la ZAC, reciben el nombre de “FISURAS DEBIDAS
se propaga a través de los límites de granos y puede tener una
A REFUSIÓN o A LICUACIÓN”
orientación longitudinal o transversal al cordón de soldadura.
7
8
FISURACIÓN POR SOLIDIFICACIÓN
FISURACIÓN POR SOLIDIFICACIÓN
Agrietamiento en caliente en el depósito de soldadura
Agrietamiento en caliente en el depósito de soldadura 9
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FISURACIÓN POR SOLIDIFICACIÓN
FISURACIÓN POR SOLIDIFICACIÓN
Agrietamiento en caliente en el depósito de soldadura
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La causa de esta fisuración es la segregación (enriquecimiento) de elementos como P y S en la zona de baño fundido próxima a los cristales del metal recién solidificado. Cuando el baño fundido se solidifica, las últimas regiones en estado líquido se enriquecen de estos elementos y de impurezas, provocando la formación de compuestos de menor punto de fusión. Se producen contracciones en el metal sometiendo a estas regiones a esfuerzos de tracción. Las zonas aún líquidas no son capaces de soportar estos esfuerzos (se comportan mecánicamente como verdaderos agujeros) y dan origen a las fisuras. 12
2
FISURACIÓN POR SOLIDIFICACIÓN
FISURACIÓN POR SOLIDIFICACIÓN
Esfuerzos debidos a la contracción
Dirección del enfriamiento
Los cristales sólidos expulsan a la interfase líquida elementos e impurezas que luego forman compuestos de bajo punto de fusión durante la solidificación
La forma geométrica del cordón influye determinante. Si el cordón es angosto y profundo, la última zona en solidificar se ubicará en el centro del cordón; mientras que si el cordón es, más bien, ancho y menos profundo, la última zona en solidificar se encontrará en la superficie del cordón.
FISURACIÓN POR LICUACIÓN O REFUSIÓN
FISURACIÓN POR LICUACIÓN O REFUSIÓN
Fase líquida en límite de grano
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Las elevadas temperaturas producidas por el aporte de calor del arco eléctrico favorecen en la región de interfase entre el metal fundido y la ZAC fenómenos difusivos de elementos perjudiciales (P y S entre los más importantes) a través de los límites de granos. Ello genera un incremento de la concentración de estos elementos en estas zonas provocando la formación de compuestos de bajo punto de fusión e iniciando así la refusión de estas regiones en los límites de granos. La presencia de contracciones por enfriamiento y solidificación provocan esfuerzos de tracción que finalmente fisuran estas regiones que se localizan en la ZAC o en su interfase con el metal solidificado.
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De todos los elementos que favorecen la fisuración en caliente, el azufre es el más importante. Este elemento forma, con el hierro, sulfuros o constituyentes que poseen un bajo punto de fusión (el constituyente eutéctico Fe-FeS funde a 988°C). El fósforo incrementa el efecto perjudicial del azufre, por lo que se deben restringir sus concentraciones en los aceros a niveles de %S < 0,01% y % (S+P) < 0,02%.
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FISURACIÓN POR LICUACIÓN O REFUSIÓN a) Refusión de los límites de grano
FISURACIÓN POR LICUACIÓN O REFUSIÓN
Arco eléctrico Estado líquido/sólido
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Baño fundido
Película en fase líquida en límite de grano
manganeso al acero en cantidad suficiente, de manera que se formen sulfuros de manganeso (MnS), los cuales no se disuelven ni Esfuerzos de compresión
se licuan (refunden) a bajas temperaturas.
b) Formación de la grieta en la ZAC
El contenido de Mn en el acero depende no sólo del %S presente, sino también del %C:
Arco eléctrico Estado líquido/sólido
Una forma de reducir el efecto perjudicial del azufre es agregando
Baño fundido
inhibir la fisuración en caliente
Grieta en caliente Esfuerzos de tracción
Un acero de 0,12 %C requiere una relación Mn/S igual a 20 para
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Un acero con 0,15 %C la relación Mn/S se debe elevar hasta 55. 18
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FISURACIÓN EN CALIENTE
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
EVALUACIÓN DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA FISURACIÓN EN CALIENTE Cordones para apuntalar la unión
Zonas de medición
plancha
Se ha desarrollado una gran variedad de métodos para evaluar la
1er cordón
2 do cordón
susceptibilidad a la fisuración en caliente de una unión soldada. Estos métodos se pueden dividir en dos grandes grupos: 1. Probetas auto-tensionadas 2. Probetas externamente tensionadas
Probeta de doble unión en filete 19
20
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
Se emplea para ello una placa de 12 mm de espesor (ó de 40 mm), hecha del material base que se desea soldar, a la cual se une, mediante dos cordones de soldadura de filete, a otra similar de 12 mm de espesor. El primer cordón se suelda procurando que el tamaño del filete ("a") sea de aproximadamente 5 mm. Inmediatamente después de haber culminado el primer cordón (no más de 20 segundos), se da inicio al segundo cordón, el cual será por lo menos 20% más delgado que el primero y se realizará en el sentido contrario a éste. Como consecuencia de la contracción del primer cordón, el segundo será sometido a esfuerzos que podrán provocar fisuras en caliente si el material es susceptible a ello.
Bastidor para fijación de la probeta probeta
Tornillos de fijación Tornillos de fijación
Placa base dentada
Esquema de la ubicación de la probeta mediante el método Fisco
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22
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
El método consiste en colocar y fijar la probeta (o cupón de ensayo)
a través de un dispositivo.
Por medio de este dispositivo se fija la probeta mediante tornillos
verticales y horizontales.
Los parámetros de ensayos pueden variar entre los siguientes límites: 1. Espesor de plancha: de 1 a 40 mm
Una vez fijada la probeta, se procede a realizar varios cordones cortos (aprox. 40 mm) y contiguos (separados entre sí 5 mm). Esto se realiza con el objeto de producir más regiones susceptibles a la fisuración en caliente, las cuales son precisamente los puntos de inicio y fin de cada cordón. El criterio empleado para evaluar la susceptibilidad a la fisuración en caliente a través de este método es la relación entre la longitud total de las grietas formadas y la longitud total del cordón:
2. Separación de raíz: de 0 a 6 mm Indice de fisuración en caliente
3. Forma de la junta: cualquiera 23
longitud
de fisuras
longitud total del cordón de soldadura 24
4
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
electrodo fijación
probeta platina de cobre placa base
Aplicación de la carga de flexión
Representación del dispositivo para realizar el ensayo HDR
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PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
Esta velocidad se incrementa en cada ensayo siguiente hasta que se produzca la fisuración del cordón.
Este ensayo permite evaluar la tendencia a la fisuración en caliente mientras se realiza una unión soldada. El ensayo consiste en colocar dos planchas a unir mediante soldadura en posición horizontal sobre dos planchas de cobre, las cuales a su vez descansan en un dispositivo que permite no sólo la fijación de las probetas de ensayo sino también su posterior deformación. Durante el ensayo, las probetas son sometidas, mientras se realiza la soldadura, a una deformación plástica en la dirección transversal al cordón. La velocidad de deformación aplicada se mantiene constante durante el ensayo. 26
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS Posición de la antorcha al momento de deformar la probeta
A la velocidad de deformación mínima que produce fisuración se le
Posición de la antorcha al momento de deformar la probeta probeta
denomina velocidad de deformación crítica y es empleada como el
t
criterio para evaluar la susceptibilidad al agrietamiento en caliente.
t
Normalmente se emplean de cinco a ocho ensayos para determinar R
esta velocidad de deformación crítica.
mayores a 40 m/s sin presentar fisuración durante este ensayo serán prácticamente inmunes a la fisuración en caliente.
27
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
a)
Uniones soldadas que han soportado velocidades de deformación
Consiste en aplicar una deformación plástica controlada en una plancha mientras se deposita un cordón de soldadura a lo largo del eje longitudinal de la plancha. El ensayo permite evaluar la susceptibilidad a la fisuración en caliente del material base o de una unión soldada. En el primer caso, no se emplea material de aporte y se aplica calor (produciendo una zona fundida) a través de una antorcha TIG que se mueve en el sentido longitudinal de la probeta. En el segundo caso, se deposita un cordón empleando para ello material de aporte y cualquiera de los procesos de soldadura. Las dimensiones de la probeta para el ensayo son: 40 x 10 x 10 0 mm. 29
R
b)
Representaciones de los dispositivos empleados en los ensayos a) Varestraint y b) Transvarestraint (transversal al cordón) 28
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
Cuando la antorcha ha alcanzado el punto medio de la probeta, se procede a deformarla plásticamente a través de un punzón que posee un determinado radio de curvatura. La soldadura continúa durante el proceso de deformación hasta que el final del cordón se encuentre a unos centímetros de distancia de la zona de deformación. La deformación aplicada se calcula mediante la elongación "e": (% )
100 x espesor de la plancha 2 x radio de la matriz 30
5
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS Velocidad de deformación (mm/min)
Se pueden aplicar niveles de elongación hasta 4% en función de la susceptibilidad que tenga el material a la fisuración en caliente. Para ello es suficiente elegir el radio de curvatura del punzón.
Se puede aplicar la deformación en el sentido longitudinal al cordón (ensayo varestraint) o en sent ido transversal (ensayo transvarestrant).
El criterio que se emplea para evaluar la resistencia a la fisuración en caliente es la longitud total de todas las fisuras encontradas en la
F
probeta ensayada (en relación a la elongación aplicada " e").
Normalmente se requiere un total de cinco probetas para establecer un resultado reproducible.
Probeta PVR
Representación del principio del ensayo PVR
31
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
Consiste en deformar la probeta a una velocidad variable a lo largo de En estas condiciones, la velocidad de deformación es incrementada de manera continua de 0 a 70 mm/min hasta que la probeta alcance la
región de deformación plástica.
El criterio empleado es la velocidad de deformación crítica para la cual
aparecen las primeras fisuras en caliente.
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Este tipo de fisuración se produce cuando el metal soldado se encuentra en proceso de enfriamiento o cuando, posteriormente, el metal ya está frío. A diferencia de la fisuración en caliente, la fisuración o agrietamiento en frío se produce a temperaturas generalmente por debajo de los 300°C. No hay una sola causa que explique este tipo de fisuración; más bien, son muchos los factores que intervienen en ella. Dentro de la fisuración en frío se puede distinguir una serie de tipos de fisuración, de acuerdo a los diferentes mecanismos que inducen fragilización y posterior agrietamiento en la unión soldada. 34
FRAGILIZACIÓN POR ENDURECIMIENTO DE LA ZAC
FISURACIÓN EN FRÍO
32
FISURACIÓN EN FRÍO
todo el ensayo.
F
La fisuración puede aparecer durante la soldadura, inmediatamente
El riesgo de fragilización de la ZAC aparece cuando, como
después de ella o incluso luego de un período de tiempo que puede
consecuencia del ciclo térmico y especialmente en la etapa de
ser desde algunas horas hasta semanas.
enfriamiento, se producen microconstituyentes frágiles en ella.
Las causas más importantes de la fisuración en frío en las uniones
El constituyente más peligroso es, en ese sentido, la martensita.
soldadas de los aceros al carbono y de baja aleación son:
La presencia de martensita en la ZAC reduce sensiblemente la
1. Fragilización por endurecimiento de la zona afectada por el calor (ZAC) 2. Formación de tensiones residuales en el cordón de soldadura 3. Fragilización por hidrógeno
tenacidad del acero en esta región y favorece su rotura frágil.
Como se sabe, la martensita se forma en el acero cuando este es enfriado rápidamente desde temperaturas elevadas (> 723°C) donde está presente la austenita.
35
36
6
FRAGILIZACIÓN POR ENDURECIMIENTO DE LA ZAC
DUREZA DEL ACERO
Un acero alcanzará un mayor nivel de endurecimiento en la ZAC
Dureza máxima (HV) = 939 %C + 284
(mayor riesgo de fisuración) cuanto:
1. Más alto sea su %C.
Así, por ejemplo:
2. Más elevado sea su contenido de elementos aleantes (CE).
Si se tiene un acero con 0,2 %C, la dureza máxima que se puede alcanzar por transformación martensítica será 472 HV.
3. Más elevada sea la velocidad de enfriamiento del cordón de
En cambio, para un acero de 0,4 %C, la dureza máxima posible será 660 HV.
soldadura.
Los valores que se deducen de la ecuación corresponden a la dureza que el acero alcanzaría luego de una transformación 100% martensítica, es decir, sería la dureza máxima alcanzable en un acero.
37
38
DUREZA MÁXIMA EN LA ZAC
RIESGO DE FISURACIÓN EN FRÍO Relación entre la dureza máxima en la ZAC, el porcentaje de martensita presente y el riesgo de fisuración en frío en la ZAC asociado a ellos
Dureza máxima en la ZAC (HV) = 1200 CE - 200
A través de esta relación, es posible predecir la dureza máxima que se alcanzaría en la ZAC de una unión soldada.
Dureza máxima en la Máximo % martensita ZAC presente
Riesgo de fisuración en frío
Tomando como ejemplo un acero al carbono de 0,2%C (con un
> 450 HV
> 70%
contenido máximo de 0,6 %Mn), se puede calcular el CE y luego
De 350 HV a 450 HV
50 - 70%
Probable
estimar la dureza máxima en la ZAC:
De 280 HV a 350 HV
30 - 50%
Poco probable
< 280 HV
< 30 %
1. Acero al carbono : 0,2%C 2. CE = %C + %Mn/6 = 0,3% 3. Dureza máxima en la ZAC = 160 HV
Muy probable
Sin riesgo alguno (no hay necesidad de tratamiento post-soldadura)
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40
TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO
TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO
Temperaturas de precalentamiento recomendadas en función de la concentración de Carbono Equivalente, para evitar la formación de estructuras frágiles en uniones soldadas de aceros al carbono y de baja aleación: CE (%)
Temperatura de precalentamiento ( C)
< 0,4
-------------
0,4 - 0,5
100 - 200
0,5 - 0,55
200 - 300
0,55 - 0,6
300 - 400
En resumen, teniendo en cuenta el riesgo de fisuración en frío por endurecimiento de la ZAC, se puede recomendar lo siguiente:
Aceros al carbono con %C < 0,2 o aceros de baja aleación con CE < 0,4% (con espesores de plancha < 30 mm) no requieren de
°
medidas especiales para ser soldados.
Aceros al carbono con %C > 0,2 o aceros de baja aleación con CE > 0,4% deben ser precalentados especialmente cuando se sueldan piezas de espesor grueso.
41
42
7
RECOMENDACIONES
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
Para evitar o reducir el riesgo de fisuración de uniones soldadas por endurecimiento de la ZAC, se deben tomar en cuenta las siguientes medidas: 1. Precalentar la pieza antes y durante la soldadura para evitar la formación de martensita durante el enfriamiento. 2. Efectuar un tratamiento post-soldadura, ya sea de alivio de tensiones o ya sea un tratamiento de revenido para reducir la dureza en la ZAC. 3. Seleccionar un acero con menor CE (CE < 0,4%), que reduce la tendencia al endurecimiento en la ZAC. 4. Seleccionar un acero con menor %C (%C < 0,2), que reduce la dureza máxima que se puede alcanzar durante en enfriamiento en una unión soldada.
43
A diferencia de la fisuración por endurecimiento de la ZAC, la fragilización por hidrógeno puede provocar fracturas retardadas en el tiempo, es decir, aparecer tiempo después de haber soldado la pieza. En estas condiciones, un cordón de soldadura puede estar exento de fisuras inmediatamente después de haber sido soldado; pero al cabo de algunas horas o días se puede observar la aparición de grietas debidas al hidrógeno presente en la unión soldada. Las grietas, debidas a fragilización por hidrógeno, pueden manifestarse de diferentes formas: pueden ser superficiales, transversales, longitudinales, internas; en suma, pueden presentarse o bien en el depósito o en la ZAC. 44
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
ZAC transversal
El hidrógeno puede penetrar al cordón de soldadura desde diferentes fuentes:
depósito de soldadura
longitudinal
La humedad del ambiente, del material de aporte y del metal base.
Películas de grasa, aceite o pinturas sobre la superficie a soldar pueden provocar hidrógeno atómico al vaporizarse por efecto del calor durante la soldadura.
en los entalles bajo el cordón
Formas de fisuras debidas a fragilización por hidrógeno 45
46
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
Los parámetros de soldadura también influyen en la cantidad de
material base) es calentada, esta se transforma en vapor de agua.
hidrógeno que se puede generar durante el proceso.
Así:
Una parte de este vapor que rodea el arco eléctrico de la soldadura
Al aumentar la intensidad de corriente, se eleva el contenido de
es calentado a mayor temperatura, provocando la formación de
hidrógeno en el depósito de soldadura.
moléculas de hidrógeno y oxígeno: 2 H2O
Electrodos de menor diámetro pueden aportar más hidrógeno
difundible que electrodos de diámetro mayor.
Cuando la humedad (del ambiente, del material de aporte o del
Al aumentar la tensión del arco eléctrico, se incrementa el contenido de hidrógeno difundible en el depósito. 47
2 H2 + O2
A temperaturas mucho más elevadas (por encima de los 2200°C), presentes en el arco eléctrico, se produce la disociación de las moléculas al estado atómico: 2 H2 + O2
4 H + 2 O
48
8
ESTADOS DE LA MATERIA
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO El H se difunde hacia el exterior de la unión
El H se difunde hacia la ZAC
El H se difunde en el depósito 49
50
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
Conforme se enfría la unión soldada, algunas de las regiones de la misma se sobresaturan de hidrógeno, el cual se ve obligado a difundirse hacia regiones de la red cristalina que le permitan mantenerse en solución. Estas regiones pueden ser defectos en el cordón, como poros, inclusiones no metálicas o pequeñas discontinuidades en la estructura cristalina. Debido a que el hidrógeno en estado atómico es muy inestable, tenderán a formar moléculas en el interior de estos defectos. La formación de una molécula de hidrógeno a partir de dos átomos del mismo implica un incremento de volumen notable, pues el tamaño atómico de la molécula es 100,000 veces mayor que la del átomo de hidrógeno. 51
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
Ello conduce a la generación de elevadas presiones internas (> 100 bar) que someten a esta pequeña región del material a elevados esfuerzos internos que pueden dar origen a la nucleación de una microgrieta. Esta microgrieta crece hasta aliviar el estado de tensiones a su alrededor y, entonces, se detiene. Es aquí cuando se produce nuevamente la difusión del hidrógeno al fondo de la microgrieta, provocando un nuevo ciclo de aumento de presión, de tensiones internas y crecimiento de la misma. Cuando la fisura alcanza un tamaño crítico, esta se propaga instantáneamente a través de toda la sección y provoca la rotura catastrófica del elemento. 52
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
Son muchos los factores que influyen de manera importante en la
CÓMO EVITAR LA FISURACIÓN POR HIDRÓGENO 1. Emplear en la soldadura materiales de aporte de bajo hidrógeno.
susceptibilidad a la fisuración por hidrógeno.
2. Precalentar la unión soldada a fin de evitar la presencia de
Los más comunes son:
Composición química del metal base y del metal depositado
Nivel de hidrógeno difundible en el cordón
Calor de aporte empleado
Espesor de la unión soldada
Nivel de esfuerzos residuales
Grado de restricción (embridamiento) de la unión soldada
estructuras frágiles que incrementen el riesgo de fisuración debida al hidrógeno. 3. Realizar un tratamiento térmico post-soldadura de deshidrogenado de la unión soldada, de forma que se elimine o se reduzca el contenido de hidrógeno presente y se facilite su difusión hacia el exterior. Se suele emplear tratamientos de deshidrogenado
53
calentando la unión soldada a 250°C durante varias horas.
54
9
FRAGILIZACIÓN POR HIDRÓGENO
FISURACIÓN EN FRÍO
Temperatura de precalentamiento propuesto por Uwer y Höhne, obtenida sobre la base de resultados de ensayos que miden la susceptibilidad a la fisuración por hidrógeno:
ENSAYOS PARA EVALUAR LA SUSCEPTIBILIDAD A LA FISURACIÓN EN FRÍO
T precal (°C) = 700 CET + 160 tanh (d/35) + 62 HD 0,35 + (53CET-32) Q - 330
Al igual que los ensayos tecnológicos para evaluar el riesgo a la fisuración en caliente, estos diferentes métodos se pueden subdividir en:
CET (%) = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr+Cu)/20 + Ni/40
1. Probetas auto - tensionadas 2. Probetas externamente tensionadas
tanh : tangente hiperbólica d
: espesor de plancha (mm)
HD : contenido de hidrógeno en el depósito en cm3/100g Q
: calor de aporte en KJ/mm
55
56
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
Cordón de embridamiento Cordón de ensayo 2 (enfriamiento tridireccional)
Cordón de ensayo 1 (enfriamiento bidireccional)
Cordón de embridamiento Perno de sujeción
Probeta del ensayo CTS (controlled thermal severity test)
57
58
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
espesor (t) > 10 mm cordones de anclaje o embridamiento A B
A-A
150 B
El cordón de ensayo 1 posee dos direcciones para el flujo de calor (enfriamiento bidireccional), mientras que el cordón de ensayo 2 posee tres diferentes direcciones para transferir el calor durante el enfriamiento (enfriamiento tridireccional), por lo que se enfriará más rápido y será más susceptible a la fisuración en frío. Luego de 24 horas de realizados los cordones de ensayo, se inspeccionan éstos mediante END para detectar la presencia de fisuras. Además, se cortan secciones transversales de estos cordones y se realizan análisis metalográficos con el fin de determinar el número y profundidad de las fisuras presentes.
A 80 B-B 200
Esquema de la probeta para el ensayo "Tekken" 59
El ensayo Tekken (desarrollado por el Instituto japonés para la investigación de ferrocarriles). En este ensayo se procede a realizar una junta soldada a tope (y con preparación de junta) sobre el centro de dos planchas, las cuales fueron previamente fijadas (embridadas) a través de cordones de soldadura en sus extremos, a fin de reducir de manera importante la libertad de deformación en el cordón de prueba y, por tanto, generar altos esfuerzos residuales. Una vez realizado el cordón de ensayo, se procede a inspeccionarlo luego de 24 o incluso 48 horas con el fin de detectar posible presencia de fisuración. 60
10
PROBETAS AUTO-TENSIONADAS
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
Las fisuras presentes son medidas y el nivel de fisuración es cuantificado a través de varios coeficientes de fisuración previamente establecidos por este método. Es posible determinar la temperatura de precalentamiento mínima que permita una soldadura libre de fisuras en frío. Este ensayo simula muy bien condiciones de soldadura de raíz en una pasada. El estado de esfuerzos residuales que se obtiene con este tipo de ensayo es extremadamente alto y, los valores de temperaturas mínimas de precalentamiento para evitar la fisuración son bastante conservadores (más altas que las necesarias e n condiciones reales).
electrodo
Cordón depositado
150
60
300
20
ZAC
60 D
d D - d = 0,05 - 0,15 mm
Fuerza aplicada
implante
200
Características del ensayo del implante
61
62
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
El más conocido de todos los métodos de este grupo es el ensayo del implante, que consiste en colocar una varilla de 6 mm a 8 mm de diámetro dentro de un agujero de un diámetro ligeramente mayor, el cual es pasante a la plancha. La varilla es ubicada de tal forma que su extremo roscado se encuentre al mismo nivel que la superficie de la plancha. Se procede a depositar un cordón de manera que el "implante" sea soldado también. Inmediatamente después de ejecutado el depósito, el implante es sometido a tracción por la aplicación de una carga ubicada en la parte inferior de la varilla.
La probeta es mantenida bajo carga constante durante un lapso de 16 a 72 horas. Si el depósito de soldadura no presenta fisuras o fracturas luego del ensayo, se procede a realizar otro depósito y a someter a un nuevo implante a una carga mayor. De esta manera, se puede construir una curva tensión vs. tiempo de ensayo y determinar el nivel de esfuerzo mínimo por encima del cual hay riesgo de fisuración en frío.
63
PROBETAS EXTERNAMENTE TENSIONADAS
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DESGARRE LAMINAR
Tensión (MPa)
Esfuerzo mínimo por encima del cual hay riesgo de fisuración en frío
Desgarre laminar
No fisuran
Dirección de laminación
Duración del ensayo hasta fisuración
Representación del desgarre laminar en una unión de filete
Curva esfuerzo-duración de ensayo según el método del implante 65
66
11
DESGARRE LAMINAR
DESGARRE LAMINAR
Este tipo de fisuración se produce en uniones soldadas, preferentemente en juntas en filete, cuando se sueldan planchas laminadas en caliente que presentan inclusiones no metálicas alineadas en el sentido de laminación y en dirección perpendicular a los esfuerzos de contracción producidos por el enfriamiento del cordón de soldadura. En los aceros, las inclusiones no metálicas, como sulfuros de manganeso, aluminosilicatos u óxidos pueden alinearse en la dirección de laminación en caliente del acero y, dependiendo de su contenido volumétrico en él, reducir de manera importante (hasta un 90%) la resistencia mecánica de la unión en sentido perpendicular a la dirección de las inclusiones. 67
Tipos de junta sensibles al desgarre laminar
Posibilidades de mejoramiento constructivo
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DESGARRE LAMINAR Tipos de junta sensibles al desgarre laminar
Posibilidades de mejoramiento constructivo
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12
