Fisuracin de Soldaduras En las soldaduras y zonas afectadas por el calor pueden ocurrir varios tipos de discontinuidades. Las soldaduras pueden contener porosidad, inclusiones de escoria o fisuras. De las tres, las fisuras son, con mucho, las ms peligrosas. Mientras que hay lmites aceptables para inclusiones de escoria y porosidad en las soldaduras, las fisuras nunca son aceptables.Fisuras en una soldadura, o en su vecindad, indican que existen uno o ms problemas que deben ser investigados. Unanlisiscuidadoso de las caractersticas de la fisura harn posible la determinacin de la causa y tomar las medidas correctoras apropiadas.

Para los propsitos de esta seccin, fisuracin se distinguir de fallo de la soldadura. Una soldadura puede fallar por sobrecarga,diseodefectuoso o fatiga. La fisuracin aqu discutida es elresultadode solidificacin, enfriamiento y las tensiones que se desarrollan debidas a la contraccin de la soldadura. La fisuracin de la soldadura ocurre en tiempo cercano a la fabricacin. Las fisuraciones en caliente son las que ocurren a temperaturas elevadas y generalmente estn relacionadas con la solidificacin. Las fisuras en fro son las que ocurrendespus deque el metal soldado se ha enfriado a la temperatura ambiente y pueden estar relacionadas con el hidrgeno. Ninguna de las dos es elresultadode cargas en servicio.

La mayora de las formas de fisuracin resultan del esfuerzo de contraccin que sucede cuando la soldadura se enfra. Si la contraccin est limitada, la deformacin inducir tensiones residuales que causan la fisuracin. Hay dos fuerzas opuestas: las tensiones inducidas por la contraccin del metal y la rigidez circundante del material base. Los esfuerzos de contraccin aumentan con el aumento de volumen del metal a contraer. Grandes dimensiones de soldadura y procesos de soldadura de penetracin profunda aumentan los esfuerzos de contraccin. Las tensiones inducidas por estos esfuerzos aumentarn cuanto mayor resistencia presenten losmaterialesde aportacin y los metales base. Con un lmite elstico ms alto, mayores tensiones residuales estarn presentes.

Bajo condiciones de alta limitacin, deben emplearse precauciones extra para superar las tendencias a la fisuracin que se describen en las siguientes secciones. Es esencial prestar cuidadosa atencin a la secuencia de soldadura, temperatura de precalentamiento y entrepasadas,tratamientotrmicodespus dela soldadura,diseode la unin, procedimientos de soldadura y material de aportacin. Elempleojuicioso del martilleado como untratamientode distensionado durante el proceso puede ser necesario cuando se fabrican piezas altamente restringidas.

Fisuracin en el Centro del Cordn

La fisuracin en el centro del cordn se caracteriza como unaseparacinen el centro de un cordn de soldadura determinado. Si el cordn de soldadura est en el centro de la unin, como es siempre en el caso de una soldadura de una pasada, las fisuras en el centro del cordn estarn en el centro de la unin.En el caso de soldaduras de pasadas mltiples, en donde se aplican varios cordones por capa, una fisura en el centro del cordn puede no estar en el centro geomtrico de la unin, aunque siempre estar en el centro del cordn. (Figura 1).

La fisuracin en el centro del cordn es elresultadode uno de los siguientes fenmenos:fisuracin inducida por segregacin, fisuracin inducida por la forma del cordn, o fisuracin inducida por el perfil superficial. Infortunadamente, los tres fenmenos se revelan con el mismo tipo de fisura, y es a menudo difcil identificar la causa.

Adems, la experiencia ha demostrado que, a menudo, 2 3 fenmenos interactuarn y contribuirn al problema de la fisuracin. Entendiendo el mecanismo fundamental de cada uno de estos tipos de fisuras en el centro del cordn, nos ayudar en la determinacin de las soluciones correctoras.

Fisuracin inducida por segregacinsucede cuando constituyentes de bajo punto de fusin tales como compuestos de fsforo, cinc, cobre y azufre se separan de la mezcla durante el proceso de solidificacin de la soldadura.Componentesde bajo punto de fusin en el metal fundido sern forzados hacia el centro de la unin durante la solidificacin, ya que son los ltimos en solidificar y la soldadura tiende a separarse cuando el metal solidificado contrae lejos de la regin central que contiene los constituyentes de bajo punto de fusin.Cuando se observa, en el centro del cordn, fisuracin inducida por segregacin, varias soluciones pueden implementarse. Dado que los contaminantes proceden generalmente del metal base, la primera consideracin es limitar la cantidad de contaminante absorbida del material base. Esto puede hacerse limitando la penetracin del proceso de soldadura. En algunos casos, un rediseo de la unin puede ser deseable. La penetracin extra producida por algunos procesos no es necesaria y puede reducirse.

Esto puede conseguirse utilizando corrientes de soldadura ms bajas. Una capa de plaqueado de material de soldadura (Figura 2), depositada por un proceso de bajaenergatal como soldadura con electrodo revestido, puede reducir efectivamente la cantidad de contaminante absorbido en la soldadura.

En el caso del azufre, es posible superar los efectos perniciosos de los sulfuros de hierro por la formacin preferente de sulfuro de manganeso. El sulfuro de manganeso (MnS) se forma cuando el manganeso est presente en suficientes cantidades para contrarrestar el azufre. El sulfuro de manganeso tiene un punto de fusin de 1593C. En esta situacin, antes de que el metal de soldadura empiece a solidificar, se forman los sulfuros de manganeso que no se segregan. Los fabricantes de acero utilizan este concepto cuando se encuentran niveles de azufre ms altos en el mineral de hierro. En la soldadura, es posible utilizar metales de aportacin con niveles de manganeso ms altos para superar la formacin de sulfuro de hierro de bajo punto de fusin. Infortunadamente, este concepto no puede aplicarse a otros contaminantes que no sean el azufre.

Fisuracin inducida por la forma del cordn. Se muestra en la Figura 3 y est asociada con los procesos de penetracin profunda tales como Arco Sumergido y alambre tubular protegido con gas CO2.Cuando un cordn de soldadura es de la forma en la que hay ms profundidad que anchura en la seccin transversal de la soldadura, los granos que se solidifican con crecimiento perpendicular a la superficie del acero se entrecruzan en el centro, pero no logran la fusin a travs de la unin. Para corregir esta condicin, los cordones de soldadura individuales deben tener como mnimo la misma anchura que profundidad. Las recomendaciones varan desde 1:1 a 1,4:1 la relacin anchura-profundidad para remediar esta condicin.

La configuracin total de la soldadura, que puede tener muchos cordones de soldadura individuales, puede tener un perfil global que constituya ms profundidad que anchura. Si se emplean pasadas mltiples en esta situacin, y cada cordn es ms ancho que profundo, pueden hacerse soldaduras sin defectos.

Cuando se obtienen fisuras en el centro del cordn debidas a la forma del cordn, la solucin obvia es cambiar la relacin anchura-profundidad. Esto puede involucrar uncambioen eldiseode la unin. Como que la profundidad es una funcin de la penetracin, es aconsejable reducir la cantidad de penetracin. Esto puede conseguirse utilizando amperajes de soldadura ms bajos y electrodos de dimetro ms grandes. Todas estas tentativas reducirn la densidad de corriente y limitarn la cantidad de penetracin.

El mecanismo final que genera fisuras en el centro del cordn esla condicin del perfil superficial. Cuando se obtienen superficies de soldadura cncavas, esfuerzos internos de contraccin pondrn bajotensinla superficie del metal soldado. Al contrario, cuando la superficie de la soldadura es convexa, las fuerzas internas de contraccin actan en compresin. Estas situaciones se ilustran en la Figura 4. Las superficies de soldadura cncavas son, frecuentementeresultadode tensiones de arco altas. Una ligera disminucin en la ten-sin de arco causar el retorno del cordn de soldadura a un perfil ligeramente convexo y la eliminacin de la tendencia a la fisuracin. Velocidades de avance altas tambin pueden dar esta configuracin. Una reduccin en la velocidad de avance aumentar la cantidad de aportacin y el retorno de la superficie al perfil convexo.

La soldadura en vertical descendente tambin tiene tendencia a generar estas superficies cncavas, sensibles a la fisuracin. La soldadura en vertical ascendente puede remediar esta situacin, ya que proporciona un cordn ms convexo.

Fisuracin en la Zona Afectada por el Calor

La fisuracin en la Zona Afectada Trmicamente (ZAT), (Figura 5), se caracteriza por la separacin que sucede en la zona inmediatamente adyacente al cordn de soldadura. Aunque est relacionada con el proceso de soldadura, la fisura ocurre en el material base, no en el material soldado. Este tipo de fisuracin es tambin conocido como fisuracin debajo del cordn, fisuracin en el borde, o fisuracin posterior. Debido a que la fisuracin aparece despus de que el acero se ha enfriado por debajo de 205C, puede llamarse fisuracin en fro, y como est asociada al hidrgeno, tambin se le llama fisuracin facilitada por hidrgeno.Para que suceda fisuracin en la zona afectada por el calor, deben estar simultneamente presentes: debe haber suficiente cantidad de hidrgeno; debe estar implicado un material suficientemente sensible; y debe haber un nivel suficientemente alto de tensiones residuales o aplicadas. Una adecuada reduccin o eliminacin de una de las 3 variables eliminar, generalmente, la fisuracin en la ZAT. In aplicaciones de soldadura, la tentativa tpica es limitar 2 de las 3 variables, principalmente el nivel de hidrgeno y la sensibilidad del material.

El hidrgeno puede entrar en el bao de soldadura desde varias fuentes. Las principales fuentes de hidrgeno son la humedad y compuestos orgnicos. Puede estar presente en el acero, el electrodo, en los materiales de proteccin y est presente en la atmsfera. Los componentes del flux, bien en el exterior o en el interior de los electrodos, o en la forma de arco sumergido o fluxes para la soldadura por electroescoria, pueden absorber humedad, dependiendo de las condiciones de almacenamiento y mtodos de manipulacin. Para limitar el contenido de hidrgeno en las soldaduras depositadas, los consumibles de soldadura deben estar correctamente mantenidos y la soldadura debe realizarse sobre superficies que estn limpias y secas.

La segunda condicin necesaria para la fisuracin en la zona afectada por el calor es una microestructura sensible. El rea de inters es la zona afectada por el calor que resulta del ciclo trmico experimentado por la regin inmediatamente colindante a la soldadura. Como esta rea se calienta por el arco de soldadura durante la formacin del bao, se transforma desde su estructura ferrtica de temperatura ambiente a la estructura austentica de temperatura elevada. La subsiguiente velocidad de enfriamiento determinar las propiedades resultantes de la ZAT. Las condiciones que provocan el desarrollo de microestructuras sensibles a la fisuracin incluyen altas velocidades de enfriamiento y niveles de dureza ms altos en el acero. Las altas velocidades de enfriamiento son provocadas por procesos de soldadura de aporte trmico ms bajo, espesores de metal base ms grandes y temperaturas del metal base ms fras. Los niveles de dureza ms altos provienen de contenidos de carbono ms altos y/o niveles de aleacin. Para un acero dado, el modo ms efectivo de reducir la velocidad de enfriamiento es elevando la temperatura circundante a travs del precalentamiento. Esto reduce el gradiente de temperatura, ralentizando las velocidades de enfriamiento y limitando la formacin de microestructuras sensibles. Un precalentamiento efectivo es el principal medio para que se creen propiedades aceptables en la zona afectada por el calor, aunque el aporte trmico tiene tambin un efecto significante en las velocidades de enfriamiento en esta zona.

Las tensiones residuales de la soldadura pueden reducirse por medio de un distensionado, aunque para la mayora de aplicaciones estructurales es econmicamente impracticable. Para aplicaciones estructurales complejas, apuntalamientos temporales y otras condiciones deben considerarse, ya que el acero tendr una capacidad de resistencia grandemente reducida a las temperaturas de distensionado. Para aplicaciones prcticas, la fisuracin de la zona afectada por el calor se controlar por procedimientos efectivos de bajo hidrgeno y precalentamientos adecuados.

Para que suceda la fisuracin por hidrgeno en la ZAT, es necesario que el hidrgeno migre a la zona afectada por el calor, lo cual necesita tiempo. Por esta razn, el Cdigo D1.1 (D1.1, prrafo 6.11) requiere una demora de 48 horas despus de la terminacin de la soldadura para la inspeccin de las soldaduras hechas sobre los aceros A514, A517 y A709 Grado 100 y 100W, conocidos por ser sensibles a la fisuracin facilitada por el hidrgeno en la zona afectada por el calor.

Con el tiempo, el hidrgeno se propaga a partir de los depsitos de soldadura. La suficiente propagacin para evitar la fisuracin tiene lugar, normalmente, en pocas semanas, aunque pueden pasar muchos meses dependiendo de aplicacin especfica. Las concentraciones de hidrgeno en tiempos prximos a la soldadura son siempre los mayores, y si tiene que suceder la fisuracin inducida por hidrgeno, ocurrir generalmente a los pocos das de la fabricacin. No obstante, puede pasar ms tiempo para que las fisuras crezcan lo suficiente para ser detectadas.

Aunque es funcin de muchas variables, las velocidades de propagacin general pueden ser aproximadas. A 230C, el hidrgeno se propaga a una velocidad aproximada de 25,4 mm por hora. A 105C el hidrgeno se propaga a 25,4 mm en 48 horas aproximadamente. A temperatura ambiente, la velocidad tpica del hidrgeno difusible es de 25,4 mm en 2 semanas.Si hay alguna pregunta en relacin al nivel de hidrgeno en una construccin soldada, es la posibilidad de aplicar un tratamiento trmico despus de la soldadura, llamado comnmente post-calentamiento. Esto generalmente implica el calentamiento de la soldadura a una temperatura de 205-230C, mantener el acero a esta temperatura durante 1 hora aproximadamente por cada 25 mm de espesor del material implicado. A esta temperatura, el hidrgeno es probable que se redistribuya a travs de la difusin para impedir posterior riesgo de fisuracin. No obstante, algunos materiales requieren ms de 1 hora por cada 25 mm. Esta operacin puede no ser necesaria si el hidrgeno ha sido correctamente controlado, y no es tan intenso como el precalentamiento en trminos de su capacidad de prevenir fisuracin bajo cordn. A fin de que las operaciones de post-calentamiento sean efectivas, deben aplicarse antes de que a la construccin soldada se le permita enfriarse a la temperatura ambiente.

Fisuracin Transversal

La fisuracin transversal, tambin llamada fisuracin atravesada, se caracteriza por una fisura dentro del metal soldado perpendicular a la direccin de avance (Figura 6). Este es el tipo de fisuracin encontrado con menos frecuencia, y est asociada generalmente con el metal soldado que es de una resistencia ms alta, significativamente superior, que el material base. Este tipo de fisuracin tambin puede ser facilitada por el hidrgeno, y como en la fisuracin por la zona afectada por el calor descrita anteriormente, la fisuracin transversal tambin es un factor de excesivo hidrgeno, tensiones residuales y una microestructura sensible.La principal diferencia es que la fisuracin transversal sucede en el metal soldado como resultado de tensiones residuales longitudinales. Como el cordn de soldadura se contrae longitudinalmente, el material base circundante resiste esta fuerza yendo a compresin. La alta resistencia del acero circundante en compresin limita la contraccin requerida del material soldado. Debido a la limitacin del material base circundante, el metal soldado desarrolla tensiones longitudinales que pueden facilitar la fisuracin en direccin transversal.

Cuando se encuentra con fisuracin transversal, se justifica una revisin de la prctica de bajo hidrgeno. Las condiciones de almacenaje deben ser revisadas cuidadosamente. Si esto es un problema, una disminucin de la resistencia del metal soldado solucionar, generalmente, los problemas de fisuracin transversal. Por supuesto, los requerimientos de diseo deben cumplirse a pesar de eso, aunque la mayora de fisuraciones transversales ocurren por las condiciones de resistencia del metal soldado superiores a la chapa base.

Se hace nfasis sobre el metal soldado, porque el metal de aportacin puede depositar, bajo condiciones normales, un metal de resistencia ms baja, altamente dctil. No obstante, con la influencia de la absorcin de aleacin, es posible que el metal soldado presente resistencias extremadamente altas con ductilidad reducida. El empleo de un metal soldado de resistencia ms baja es una solucin efectiva, pero debe tenerse la precaucin de que se alcance la resistencia requerida de la unin.

Puede tener que aplicarse un precalentamiento para paliar la fisuracin transversal. El precalentamiento facilitar la difusin del hidrgeno. Si se aplica un precalentamiento, expandir adicionalmente la longitud de la unin soldada, permitiendo que el metal soldado y la junta se contraigan simultneamente, reduciendo la tensin aplicada a la contraccin de la soldadura. Esto es particularmente importante cuando se hacen soldaduras circunferenciales.

Cuando la circunferencia de los materiales que se van a soldar se expande, el metal soldado es libre para contraerse junto con el material base circundante, reduciendo la tensin de contraccin longitudinal. Finalmente, tratamientos despus de la soldadura de eliminacin de hidrgeno, que implican un mantenimiento del acero a 120-230C para largos perodos de tiempo (generalmente 1 hora por cada 25 mm de espesor) facilitarn la difusin de cualquier hidrgeno residual.