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Defecto de soldadura

En metalurgia , un defecto de soldadura es cualquier imperfección que compromete la utilidad de una soldadura . Existen muchos tipos diferentes de defectos de soldadura , que se...

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En metalurgia , un defecto de soldadura es cualquier imperfección que compromete la utilidad de una soldadura . Existen muchos tipos diferentes de defectos de soldadura , que se clasifican según la norma ISO 6520, [ 1 ] mientras que los límites aceptables para las soldaduras se especifican en las normas ISO 5817 [ 2 ] e ISO 10042. [ 3 ]

Causas principales

Según la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), las causas de los defectos de soldadura se pueden clasificar de la siguiente manera: 41% malas condiciones del proceso, 32% error del operador, 12% uso de la técnica incorrecta, 10% consumibles incorrectos y 5% ranuras de soldadura defectuosas. [ 4 ]

Fragilización por hidrógeno

tensiones residuales

La magnitud de la tensión residual causada por el calentamiento y el posterior enfriamiento de la soldadura se puede calcular aproximadamente utilizando: [ 5 ]

miαΔT{\displaystyle E\alpha \Delta T}

Dóndemi{\displaystyle E}es el módulo de Young ,α{\displaystyle \alpha }es el coeficiente de dilatación térmica yΔT{\displaystyle \Delta T}es el cambio de temperatura. Esto se aproxima a 3,5 GPa (510 000 psi) para el acero.  

Tipos

Grietas

Defectos relacionados con la fractura .

Arco ataca

Una falla de arco es una discontinuidad resultante de un arco que consiste en cualquier metal refundido localizado, metal afectado por el calor o un cambio en el perfil superficial de cualquier objeto metálico. [ 6 ] Las fallas de arco producen un calentamiento localizado del metal base y un enfriamiento muy rápido. Cuando se ubican fuera del área de soldadura prevista, pueden producir endurecimiento o agrietamiento localizado y pueden servir como posibles puntos de fractura posteriores. En estructuras con carga estática, no es necesario eliminar las fallas de arco a menos que dicha eliminación sea requerida en los documentos contractuales. Sin embargo, en estructuras con carga cíclica, las fallas de arco pueden producir concentraciones de tensión que serían perjudiciales para la funcionalidad de dichas estructuras, por lo que las fallas de arco deben lijarse hasta obtener una superficie lisa e inspeccionarse visualmente para detectar grietas. [ 7 ]

agrietamiento por frío

El agrietamiento en frío —también conocido como agrietamiento retardado, agrietamiento asistido por hidrógeno (HAC) o agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC)— es un tipo de defecto que a menudo se desarrolla después de la solidificación de la soldadura cuando la temperatura comienza a descender desde aproximadamente 190  °C (375  °F); el fenómeno suele aparecer a temperatura ambiente y puede tardar hasta 24 horas en aparecer incluso después del enfriamiento completo. [ 8 ] Algunos códigos requieren pruebas de objetos soldados 48 horas después del proceso de soldadura. Este tipo de grieta se observa generalmente en la zona afectada por el calor (ZAC), especialmente con acero al carbono, que tiene templabilidad limitada . Para otros aceros aleados, con un alto grado de templabilidad, el agrietamiento en frío podría ocurrir tanto en el metal de soldadura como en la ZAC. Este mecanismo de grieta también puede propagarse entre granos y a través de los granos. [ 9 ] Los factores que pueden contribuir a la aparición del agrietamiento en frío son: [ 10 ]

  • La cantidad de hidrógeno (H2) disuelto en el metal de soldadura:
El hidrógeno disuelto en el metal de soldadura está relacionado con la fragilización por hidrógeno. El contenido de hidrógeno puede reducirse utilizando consumibles libres de hidrógeno. En el caso de materiales de aporte para soldadura (especialmente en soldadura por arco metálico protegido (SMAW)) expuestos a la atmósfera, se recomienda un horneado adecuado del electrodo para eliminar la humedad del fundente. El precalentamiento del material base es también una de las técnicas utilizadas para liberar el hidrógeno del objeto de trabajo.
  • Tensión de tracción residual:
Las tensiones residuales de tracción pueden provocar la propagación de grietas sin que se aplique ninguna tensión. Esto se puede evitar precalentando el metal base, lo que reduce los diferentes coeficientes de dilatación térmica que afectan la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura. También es preferible utilizar un metal de aporte de baja resistencia a la fluencia , ya que la magnitud de las tensiones residuales puede ser igual a la resistencia a la fluencia σ del metal. Por lo tanto, se podría considerar el uso de acero inoxidable austenítico o un material de aporte a base de níquel debido a su naturaleza dúctil. Además, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) liberará cualquier tensión residual en la junta soldada.
  • Dureza del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor (ZAC):
La dureza está correlacionada con la fragilidad del material. Para reducir la dureza excesiva, se puede aplicar un precalentamiento y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) al objeto. Los valores de dureza inferiores a 350 VHN tienen menor tendencia a agrietarse. [ 10 ]
  • Estructura del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor (ZAC):
El agrietamiento en frío en los aceros se asocia con la formación de martensita durante el enfriamiento de la soldadura. El hidrógeno tiene una solubilidad muy baja en la martensita, lo que puede provocar que el gas quede atrapado dentro de la soldadura si no se toman las precauciones necesarias. Un enfriamiento más lento durante el proceso de soldadura ayuda a evitar la formación de martensita. Además, un enfriamiento más lento implica un mayor tiempo a temperatura elevada, lo que permite que escape más hidrógeno. Un enfriamiento más lento se logra mediante un alto aporte térmico y manteniéndolo durante la soldadura.

La composición de la aleación del metal base también influye decisivamente en la probabilidad de que se produzca una fisura en frío, ya que dicha composición está relacionada con la templabilidad de los materiales. Con velocidades de enfriamiento elevadas, aumenta el riesgo de que se forme una estructura dura y frágil en el metal de soldadura y la zona afectada por el calor (ZAC). La templabilidad de un material se suele expresar en términos de su contenido de carbono o, cuando se consideran otros elementos, de su equivalente de carbono (EC).

CEIIW=do+Minnesota/6+(Cr+Mes+V)/5+(Ni+Cu)/15{\displaystyle {\ce {CE_{IIW}= C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15}}}[ 8 ] (la concentración se muestra como porcentaje del peso)

Luego, dependiendo del contenido de carbono (con elementos adicionales que influyen en el índice de equivalente de carbono), los aceros se pueden clasificar en tres zonas, según su comportamiento de agrietamiento en frío, como se muestra en el diagrama de Graville. [ 11 ]

  • La zona I comprende aceros de bajo contenido de carbono y de baja aleación con un contenido de carbono inferior al 0,10 %. Los materiales que se encuentran en esta región se consideran no propensos a agrietarse.
  • La zona II comprende la mayoría de los aceros al carbono con un contenido de carbono superior al 0,10 %. Los aceros de esta zona pueden ser propensos a agrietarse en frío. En este caso, es preferible utilizar un material de aporte con bajo contenido de hidrógeno y reducir la velocidad de enfriamiento durante el proceso de soldadura.
  • La zona III comprende aceros aleados con un contenido de carbono superior al 0,10 % y un alto índice de equivalente de carbono. Los materiales de esta zona se consideran difíciles de soldar debido a que la formación de martensita es inevitable, incluso con enfriamiento controlado. Por lo tanto, se requieren procedimientos adicionales, como el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), durante el proceso de soldadura.

Grieta del cráter

Las grietas en forma de cráter se producen cuando se rompe un arco de soldadura; se formará un cráter si hay suficiente metal fundido disponible para llenar la cavidad del arco. [ 12 ]

Crack del sombrero

Las grietas en forma de sombrero reciben su nombre de la forma de la sección transversal de la soldadura, ya que esta se ensancha en la superficie. La grieta comienza en la línea de fusión y se extiende a través de la soldadura. Generalmente son causadas por un voltaje excesivo o una velocidad insuficiente. [ 12 ]

Chisporroteo caliente

El agrietamiento en caliente, también conocido como agrietamiento por solidificación, puede ocurrir en todos los metales y se produce en la zona de fusión de una soldadura. Debe evitarse la restricción excesiva en el uso del material para disminuir la probabilidad de este tipo de agrietamiento, y debe utilizarse un material de aporte adecuado. [ 13 ] Otras causas incluyen una corriente de soldadura demasiado alta, un diseño de junta deficiente que no disipa el calor, impurezas (como azufre y fósforo ), precalentamiento, velocidad de soldadura demasiado rápida y arcos largos. [ 14 ]

Grieta debajo de la cuenta

Una fisura bajo el cordón, también conocida como fisura en la zona afectada por el calor (ZAC), [ 15 ] se forma a corta distancia de la línea de fusión; ocurre en aceros de baja y alta aleación . Las causas exactas de este tipo de fisura no se comprenden del todo, pero se sabe que debe haber hidrógeno disuelto . Otro factor que afecta a este tipo de fisura son las tensiones internas resultantes de: la contracción desigual entre el metal base y el metal de soldadura, la restricción del metal base, las tensiones derivadas de la formación de martensita y los reflejos de la precipitación de hidrógeno del metal. [ 16 ]

Grieta longitudinal

Las grietas longitudinales se extienden a lo largo del cordón de soldadura. Existen tres tipos: grietas de verificación , grietas de raíz y grietas centrales completas . Las grietas de verificación son visibles desde la superficie y se extienden parcialmente dentro de la soldadura. Suelen ser causadas por altas tensiones de contracción , especialmente en las pasadas finales, o por un mecanismo de agrietamiento en caliente. Las grietas de raíz comienzan en la raíz y se extienden parcialmente dentro de la soldadura. Son el tipo más común de grieta longitudinal debido al pequeño tamaño del primer cordón de soldadura. Si este tipo de grieta no se corrige, generalmente se propagará a las pasadas de soldadura subsiguientes, que es como suelen formarse las grietas completas (una grieta desde la raíz hasta la superficie). [ 12 ]

Recalentar el craquelado

El agrietamiento por recalentamiento es un tipo de agrietamiento que se produce en los aceros HSLA —en particular, los aceros al cromo , molibdeno y vanadio— durante el postcalentamiento. Este fenómeno también se ha observado en el acero inoxidable austenítico. La baja ductilidad a la fluencia de la zona afectada por el calor provoca este tipo de grietas. Cualquier defecto o muesca preexistente agrava la formación de grietas. Las condiciones que ayudan a prevenir el agrietamiento por recalentamiento incluyen un tratamiento térmico preliminar con un mantenimiento a baja temperatura seguido de un calentamiento rápido a altas temperaturas, el rectificado o granallado de los cordones de soldadura y el uso de una técnica de soldadura de dos capas para refinar la estructura granular de la ZAC . [ 17 ] [ 18 ]

Grietas en la raíz y en los dedos del pie

Una fisura en la raíz se forma por un cordón corto en la base (de la preparación del borde), al inicio de la soldadura, con baja corriente y con un material de aporte inadecuado. La causa principal de este tipo de fisuras es la fragilización por hidrógeno. Estos defectos pueden eliminarse utilizando una corriente alta al inicio y un material de aporte adecuado. Una fisura en el pie se produce debido a la humedad en la zona soldada; es una fisura superficial, por lo que se detecta fácilmente. El precalentamiento y la correcta formación de la junta son imprescindibles para eliminar este tipo de defectos.

Grieta transversal

Las grietas transversales son perpendiculares a la dirección de la soldadura. Generalmente, son el resultado de las tensiones de contracción longitudinal que actúan sobre el metal de soldadura, el cual presenta baja ductilidad. Las grietas de cráter se producen en el cráter cuando el arco de soldadura se interrumpe prematuramente. Estas grietas suelen ser superficiales y se producen en caliente, formando normalmente grietas simples o en forma de estrella. Generalmente, estas grietas comienzan en un tubo del cráter y se extienden longitudinalmente dentro del mismo. Sin embargo, pueden propagarse formando grietas longitudinales en el resto de la soldadura.

Distorsión

Los métodos de soldadura que implican la fusión del metal en el punto de unión son propensos a la contracción a medida que el metal caliente se enfría. La contracción genera tensiones residuales y distorsión. La distorsión puede representar un problema importante, ya que el producto final no tiene la forma deseada. Para mitigar ciertos tipos de distorsión, las piezas pueden desplazarse de manera que, tras la soldadura, el producto tenga la forma correcta. [ 19 ] Las siguientes imágenes describen varios tipos de distorsión por soldadura: [ 20 ]

Inclusión de gas

La inclusión de gas —el atrapamiento de gas dentro de la soldadura solidificada— se manifiesta en una amplia variedad de defectos, como porosidad , burbujas y conductos (o agujeros de gusano ). La formación de gas puede deberse a cualquiera de las siguientes causas: alto contenido de azufre en la pieza de trabajo o el electrodo , humedad excesiva del electrodo o la pieza de trabajo, arco demasiado corto o corriente o polaridad de soldadura incorrectas . [ 15 ]

Otras inclusiones

Existen otros dos tipos de inclusiones: inclusiones lineales e inclusiones aisladas . Las inclusiones lineales se producen cuando hay escoria o fundente en la soldadura. La escoria se forma por el uso de un fundente, razón por la cual este tipo de defecto suele ocurrir en procesos de soldadura que utilizan dicho fundente, como la soldadura por arco metálico protegido , la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco sumergido ; pero también puede ocurrir en la soldadura por arco metálico con gas . Este defecto suele ocurrir en soldaduras que requieren múltiples pasadas cuando hay una superposición deficiente entre las soldaduras. La superposición deficiente no permite que la escoria de la soldadura anterior se funda y ascienda a la superficie del nuevo cordón de soldadura. También puede ocurrir si la soldadura anterior dejó una socavación o un perfil de superficie irregular. Para prevenir las inclusiones de escoria, esta debe limpiarse del cordón de soldadura entre pasadas mediante esmerilado , cepillado con alambre o cincelado. [ 21 ]

Las inclusiones aisladas se producen cuando hay óxido o cascarilla de laminación en el metal base. [ 22 ]

Falta de fusión y penetración incompleta

La falta de fusión es la mala adhesión del cordón de soldadura al metal base. La penetración incompleta es un cordón de soldadura que no comienza en la raíz de la ranura de soldadura, dejando canales y grietas en la raíz de la soldadura. Esto causa serios problemas en las tuberías porque las sustancias corrosivas pueden depositarse en estas áreas. Este tipo de defectos ocurren cuando no se siguen los procedimientos de soldadura; las posibles causas incluyen el ajuste de corriente, la longitud del arco, el ángulo del electrodo y la manipulación del electrodo. [ 23 ] Los defectos pueden ser variados y clasificarse como críticos o no críticos. La porosidad (burbujas) en la soldadura nunca es aceptable. Generalmente se toleran inclusiones de escoria y socavaduras de hasta 1/8" en total dentro de una longitud determinada de soldadura. Cierta porosidad, grietas e inclusiones de escoria visibles requerirán una inspección adicional para determinar su aceptabilidad. La prueba de líquidos penetrantes (inspección con tinte) puede verificar defectos menores. La inspección por partículas magnéticas puede detectar inclusiones de escoria y grietas justo debajo de la superficie. Los defectos más profundos pueden detectarse mediante técnicas de prueba radiográficas (rayos X) y/o ultrasónicas (ondas sonoras).

Desgarro lamelar

El desgarro laminar es un defecto de soldadura que se produce en placas de acero laminado soldadas entre sí de manera que se generan fuerzas de contracción perpendiculares a las caras de las placas, y es causado principalmente por inclusiones de azufre en el material. [ 24 ] Desde la década de 1970, los cambios en las prácticas de fabricación, que limitan la cantidad de azufre utilizada, han reducido considerablemente la incidencia de este problema. [ 25 ]

Otras causas incluyen el exceso de hidrógeno en la aleación. Este defecto puede mitigarse manteniendo la cantidad de azufre en la aleación de acero por debajo del 0,005 %. [ 25 ] La adición de elementos de tierras raras , circonio o calcio a la aleación, para controlar la configuración de las inclusiones de azufre en toda la red metálica, también puede mitigar el problema. [ 26 ]

Modificar el proceso de construcción para utilizar piezas fundidas o forjadas en lugar de piezas soldadas puede eliminar este problema, ya que el desgarro laminar solo ocurre en piezas soldadas. [ 24 ]

Vender a menor precio que

El socavamiento se produce cuando la soldadura reduce el espesor de la sección transversal del metal base y disminuye la resistencia de la soldadura y de las piezas. Una causa de este tipo de defecto es la corriente excesiva, que provoca que los bordes de la junta se fundan y se filtren en la soldadura, dejando así una marca similar a un drenaje a lo largo de la misma. Otra causa es una técnica deficiente que no deposita suficiente material de aporte en los bordes de la soldadura. Una tercera causa es el uso de un material de aporte incorrecto, lo que crea mayores gradientes de temperatura entre el centro de la soldadura y los bordes. Otras causas incluyen un ángulo de electrodo demasiado pequeño, un electrodo amortiguado, una longitud de arco excesiva y una velocidad de soldadura lenta. [ 27 ]

Referencias

  1. ↑ BS EN ISO 6520-1: "Soldadura y procesos afines — Clasificación de las imperfecciones geométricas en materiales metálicos — Parte 1: Soldadura por fusión" (2007)
  2. ↑ BS EN ISO 5817: "Soldadura — Uniones soldadas por fusión en acero, níquel, titanio y sus aleaciones (excluida la soldadura por haz) — Niveles de calidad para imperfecciones" (2007)
  3. ↑ BS EN ISO 10042: "Soldadura. Uniones soldadas por arco en aluminio y sus aleaciones. Niveles de calidad para imperfecciones" (2005)
  4. ↑ Matthews, Clifford (2001), ASME engineer's data book , ASME Press, p.  211, ISBN 978-0-7918-0155-0.
  5. ↑ Bull, Steve (2000-03-16), Magnitude of stresses generated , University of Newcastle upon Tyne, archivado del original el 2009-04-16 , recuperado el 2009-12-06 .
  6. ↑ AWS A3.0: 2020 – Términos y definiciones estándar de soldadura
  7. ↑ aisc.org/steel-solutions-center/engineering-faqs/8.5.-repairs
  8. 1 2 Agrietamiento en frío de la soldadura (PDF) .
  9. ↑ Pluvinage, Guy; Capelle, Julien; Schmitt, Christian (2016-01-01), "Capítulo 3 – Métodos para evaluar defectos que provocan fallas en tuberías de gas" , en Makhlouf, Abdel Salam Hamdy; Aliofkhazraei, Mahmood (eds.), Handbook of Materials Failure Analysis with Case Studies from the Oil and Gas Industry , Butterworth-Heinemann, pp. 55–89 , doi : 10.1016/b978-0-08-100117-2.00003-0 , ISBN  978-0-08-100117-2, consultado el 21 de mayo de 2022
  10. 1 2 Lec 40 – Agrietamiento de uniones soldadas II: Grietas en frío , consultado el 21/05/2022
  11. ↑ Kurji, R.; Coniglio, N. (2014-11-14). "Hacia el establecimiento de estándares de prueba de soldabilidad para el agrietamiento en frío asistido por hidrógeno" . The International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 77 ( 9– 12): 1581– 1597. doi : 10.1007/s00170-014-6555-3 . hdl : 10985/9418 . ISSN 0268-3768 . S2CID 253678716 .  
  12. ^ Raj, Jayakumar y Thavasimuthu 2002 , pág . 128 . 
  13. ↑ Cary y Helzer 2005 , págs. 404–405 . 
  14. ↑ Bull, Steve (16 de marzo de 2000), Factores que promueven el craqueo en caliente , Universidad de Newcastle upon Tyne, archivado del original el 16 de abril de 2009 , recuperado el 6 de diciembre de 2009 .
  15. ^ Raj , Jayakumar y Thavasimuthu 2002 , pág. 126 . 
  16. ↑ Rampaul 2003 , pág. 208 . 
  17. ↑ Bull, Steve (2000-03-16), Reheat cracking , University of Newcastle upon Tyne, archivado del original el 2009-04-16 , recuperado el 2009-12-06 .
  18. ↑ Bull, Steve (2000-03-16), Reheat cracking , University of Newcastle upon Tyne, archivado del original el 2009-04-16 , recuperado el 2009-12-06 .
  19. ↑ Weman 2003 , págs. 7–8 . 
  20. ↑ Bull, Steve (16 de marzo de 2000), Fallas y defectos de soldadura , Universidad de Newcastle upon Tyne, archivado del original el 16 de abril de 2009 , recuperado el 6 de diciembre de 2009 .
  21. ↑ Defectos/imperfecciones en soldaduras – inclusiones de escoria , archivado del original el 05-12-2009 , recuperado el 05-12-2009 .
  22. ↑ Bull, Steve (16 de marzo de 2000), Fallas y defectos de soldadura , Universidad de Newcastle upon Tyne, archivado del original el 16 de abril de 2009.
  23. ↑ Rampaul 2003 , pág. 216 . 
  24. 1 2 Bull, Steve (16-03-2000), Fallas y defectos de soldadura , Universidad de Newcastle upon Tyne, archivado del original el 16-04-2009.
  25. 1 2 Still, JR, Understanding Hydrogen Failures , archivado del original el 09-01-2015 , recuperado el 03-12-2009 .
  26. ↑ Ginzburg, Vladimir B.; Ballas, Robert (2000), Fundamentos del laminado plano , CRC Press, pág. 142, ISBN  978-0-8247-8894-0.
  27. ^ Rampaul 2003 , págs. 211-212 . 

Bibliografía

  • Cary, Howard B.; Helzer, Scott C. (2005), Tecnología moderna de soldadura , Upper Saddle River, Nueva Jersey : Pearson Education, ISBN 0-13-113029-3.
  • Raj, Baldev; Jayakumar, T.; Thavasimuthu, M. (2002), Pruebas prácticas no destructivas (2ª  ed.), Woodhead Publishing, ISBN 978-1-85573-600-9.
  • Rampaul, Hoobasar (2003), Procedimientos de soldadura de tuberías (2.ª  ed.), Industrial Press, ISBN 978-0-8311-3141-8.
  • Moreno, Preto (2013), Defectos de soldadura (1ª  ed.), Aracne, ISBN 978-88-548-5854-1, archivado del original el 19-05-2017 , recuperado el 26-04-2017 .
  • Weman, Klas (2003), Manual de procesos de soldadura , Nueva York, NY: CRC Press, ISBN 0-8493-1773-8.
  • Comprensión de las fallas del hidrógeno Archivado el 9 de enero de 2015 en Wayback Machine
  • Interpretación de radiografías – Soldaduras Archivado el 16/02/2014 en Wayback Machine
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