Mecanismos de Fisuración

Introducción 

Dada la relevancia que tienen sobre el comportamiento en servicio de la unión soldada, comenzaremos el estudio de las distintas discontinuidades que suelen producirse durante la soldadura considerando en primer lugar los defectos planares. Dentro de este tipo de defectos, las fisuras constituyen sin duda los más severos ya que representan los concentradores de tensión más eficaces.

Ahora bien, es posible identificar una gran variedad de mecanismos metalúrgicos conducentes a la generación de fisuras en un material durante la soldadura. Sin que la lista que se detalla a continuación pretenda ser exhaustiva, incluye seguramente la mayoría de los mecanismos de fisuración mas frecuentes en la soldadura de materiales metálicos.

Tipo de Fisuración	Materiales mas afectados	Rango de temperaturas aproximado en que se produce la fisuración
En frío o fisuración asistida por hidró-geno	Aceros al carbono y de baja aleación en general. También algunos aceros de alta aleación. P.Ej. 12%Cr	Entre –60ºC y 150 ºC
En caliente o fisu-ración por licuación	Aceros al carbono y de baja aleación con contenidos elevados de S y P, aceros inoxidables austeníticos, aleaciones no ferrosas. P.Ej Al y Ni	A temperaturas de 0.8 – 0.9 de Tf (Temperatura de fusión del material en ºK)
Fisuración por re-calentamiento (Reheat cracking)	Aceros al Cr, Cr-Mo, Cr-Mo-V, Inoxidables auste-níticos tipo 18 Cr-12 Ni - 1 Nb	Entre 400ºC y 600ºC
Desgarre laminar (Lamellar tearing)	A la mayoría de los aceros laminados.	Entre 150ºC y 350ºC
Fisuración por co-rrosión bajo ten-siones	Practicamente a todas las aleaciones de uso indus-trial si se dan las con-diciones adecuadas.	No puede establecerse un rango específico
Fisuración por fra-gilización por reve-nido	Aceros de baja aleación al Cr y Cr-Mo	Entre 450ºC y 600ºC
Fisuración por for-mación de fases frágiles P.Ej fase s	Aceros inoxidables auste-no ferríticos	La fragilización se produce entre 400ºC y 900ºC. No es posible establecer un rango preciso para la fisuración.
Fisuración por co-rrosión intergranu-lar (sensitización)	Aceros inoxidables	La sensitización se produce entre 450ºC y  850ºC.  No es posible establecer un rango preciso para la fisuración.
Fisuración por fati-ga	Todas las aleaciones.	No hay un rango es-pecífico.
Fisuración por creep	Todas las aleaciones	Por encima de 0.3 – 0.4 Tf (Temperatura de fusión en ºK)

Fisuración asistida por hidrógeno

A continuación haremos una breve descripción de los mecanismos de fisuración mencionados en la tabla anterior. La fisuración en frío, mas correctamente denominada fisuración asistida por hidrógeno, se manifiesta por la aparición de fisuras inmediatamente, o transcurridos minutos y en algunos casos hasta horas después de completada la soldadura por lo que también se la conoce como fisuración diferida. Estas fisuras pueden presentarse en el cordón de soldadura o en la zona afectada por el calor del material base, como se muestra en las Diapositivas 8 a 12. Requiere para su producción la concurrencia de los siguientes factores:

·         Hidrógeno difusible en el metal de soldadura o en la zona afectada térmicamente del material base.

·         Una microestructura susceptible (Típicamente martensita de dureza superior a los 350 Hv).

·         Tensiones mecánicas (P.Ej. tensiones residuales o térmicas)

El hidrógeno difusible consiste simplemente en hidrógeno atómico en solución intersticial en la red cristalina de un acero. El origen de este hidrógeno es típicamente el consumible de soldadura. En el caso de electrodos manuales, es la humedad contenida en el revestimiento que al consumirse en el arco libera moléculas de agua que se descomponen produciendo hidrógeno atómico y oxígeno. En el caso de alambres macizos, el hidrógeno suele presentarse adsorbido a contaminantes tales como óxidos superficiales o de otro tipo. La curva de solubilidad de hidrógeno difusible en el acero (hierro), que se reproduce en la Diapositiva 13, nos dice que a las temperaturas imperantes en la parte más caliente de la pileta de fusión (1500-2000ºC) la solubilidad del hidrógeno en el hierro alcanza un valor máximo que es mucho mayor que a temperatura ambiente. De modo tal que en la medida que haya hidrógeno disponible, la pileta de fusión lo retendrá en solución. Cuando la pileta solidifica y enfría rápidamente, este hidrógeno queda atrapado en el cordón en forma sobresaturada y su gran movilidad hace que parte del mismo alcance eventualmente la zona afectada del material base. Los átomos de hidrógeno se localizarán en general en defectos cristalinos, microfisuras o la interfase entre inclusiones no metálicas y la matriz metálica. La acumulación de átomos en tales sitios promueve la formación de hidrógeno molecular lo que produce un aumento muy grande de presión típicamente con valores muy superiores a la tensión de fluencia del  material.  Si el material en que esto tiene lugar es dúctil, la presión se relajará por deformación plástica del material, pero si es frágil lo hará a través de la formación de fisuras. Como se indica en la tabla anterior, el proceso se produce típicamente entre –60ºC y 150ºC debido a que por debajo de este rango de temperaturas los mecanismos de difusión se hacen extremadamente lentos y por encima del mismo no se produce la recombinación de hidrógeno atómico a molecular requerido por el mecanismo de fisuración. La  Diapositiva 14 muestra el efecto de fragilización que produce la presencia de hidrógeno disuelto en un acero ferrítico en función de la temperatura. Puede verse la máxima fragilización se produce a temperaturas próximas a las de ambiente.

Las fisuras en frío del metal base aparecen a menudo como fisuras debajo del cordón paralelas a la soldadura. Sin embargo, pueden iniciarse también en el borde del chaflán.

La tendencia a la fisuración en frío varia con las diferentes variables tales como proceso y procedimiento de soldadura, composición del metal de soldadura, grado de restricción de la junta, precalentamiento, poscalentamiento, etc. En general:

Factores que reducen la tendencia a la fisuración en frío:

Precalentamiento.

Poscalentamiento, inmediatamente después de la soldadura.

Aumento de la energía del arco.

Utilización de consumibles de bajo hidrógeno

Factores que aumentan la tendencia a la fisuración en frío:

Aumento del espesor .

Aumento de la restricción.

Aumento de la resistencia o dureza del metal base o de soldadura.

Aumento de hidrógeno en la atmósfera del arco

A continuación describiremos un método que ha probado ser útil para prevenir la fisuración en frío en aceros al carbono y carbono-manganeso. El mismo se basa en el empleo del Diagrama de Coe que se muestra en la Diapositiva 15. Para utilizar el diagrama de Coe es necesario definir los parámetros indicados en la Diapositiva 16. Estos son: el Espesor Equivalente E_c de junta que se calcula como las suma de los espesores que concurren al cordón de soldadura, expresados en mm; el Carbono Equivalente del material base C_Eq.IIW, cuya expresión está dada en la Diapositiva 16; y el Aporte Térmico H del proceso de soldadura, cuya expresión figura en la misma diapositiva. El factor de proporcionalidad que figura en la fórmula del aporte térmico depende del proceso empleado. Para los procesos SMAW, GMAW, y FCAW el valor de h es aproximadamente 0.7. Para el proceso SAW puede tomarse 0.9, y para el proceso GTAW puede variar entre 0.5 y 0.7, siendo recomendable adoptar la cifra mas baja por conservatismo. Es importante destacar sin embargo que un factor 0.7 ya está incorporado en forma implícita en el Diagrama de Coe de manera que no es necesario tenerlo en cuenta en la fórmula ara el cálculo de H. Sólo para aquellos procesos en que h es distinto de 0.7 es necesario efectuar la correspondiente corrección dividiendo valor de H calculado por 0.7 y multiplicándolo por el factor del proceso empleado.

Calculado el valor de H, se entra con dicho valor en la parte derecha del diagrama y se levanta una línea vertical hasta interceptar la línea correspondiente al Espesor Equivalente de la junta en consideración. Identificado el punto de intersección, se traza por el mismo una línea horizontal que extendida hasta la parte izquierda del diagrama, corta las líneas que corresponden a las diferentes temperaturas de precalentamiento. La temperatura de precalentamiento a adoptar queda determinada levantando una vertical por el valor del Carbono Equivalente que se lee en el eje de horizontal. El punto de intersección de esta vertical con la horizontal previamente trazada determina tal temperatura. Obsérvese que existen cuatro escalas diferentes para ubicar el carbono equivalente. Estas escalas están relacionadas  con el hidrógeno potencial del proceso según se indica en la Diapositiva 17 que muestra valores típicos de hidrógeno difusible en un cordón de soldadura depositado sobre una chapa mediante empleando diferentes consumibles. La escala A corresponde a un contenido de Hidrógeno Alto, la B a uno medio, la C a un contenido bajo, y la D a uno muy bajo. Estas curvas constituyen una guía conservativa para seleccionar la escala de Carbono Equivalente, ya que al representar contenidos típicos de Hidrógeno difusible en un cordón sobre chapa, estos valores en general serán superiores a los obtenidos en una soldadura multipasadas.

Es importante destacar que una vez seleccionada la temperatura de precalentamiento en combinación con el aporte térmico calculado para el proceso empleado, aquella debe mantenerse como mínimo antes de iniciar cada pasada, por lo que la temperatura mínima de precalentamiento también es la temperatura mínima entre pasadas. La Diapositiva 18 muestra la forma correcta de efectuar y controlar el precalentamiento, que consiste esencialmente en el calentamiento uniforme de una banda de material de unos 70/100 mm de ancho a cada lado de la junta.

Fisuras en caliente

Se presenta este tipo de fisuras a temperaturas elevadas durante el enfriamiento, cuando se produce la solidificación del metal de soldadura. Puede presentarse en el cordón de soldadura o en la zona afectada por el calor del material base adyacente a la línea de fusión como se muestra en las Diapositivas 20 a 23. Normalmente está relacionada con una pérdida de ductilidad en caliente.

La pérdida de ductilidad en caliente se debe muchas veces a la existencia de películas líquidas en el cordón ya casi totalmente solidificado, de manera que dichas películas líquidas son incapaces de resistir los esfuerzos de contracción que se producen durante el enfriamiento dando de este modo origen a las fisuras. Este mecanismo se denomina por tal motivo fisuración por licuación. Para comprenderlo es necesario tener en cuenta que cuando el cordón de soldadura solidifica a partir del metal líquido, la interfase sólido-líquido no progresa en general de forma planar sino que lo hace con proyecciones mas o menos desarrolladas como se muestra esquemáticamente en la Diapositiva 24. Estas proyecciones, llamadas células o dendritas  según el grado de inestabilidad de la interfase, van dejando un líquido remanente enriquecido en elementos de aleación e impurezas tales como S y P. Ahora bien, el S y el P forman compuestos de bajo punto de fusión que hacen que el material intercelular o interdendrítico permanezca en estado líquido a temperaturas inferiores a la de solidificación de la aleación, lo que produce la persistencia de películas líquidas cuando el resto del cordón ya se encuentra solidificado. Por tal motivo, las fisuras en caliente aparecen generalmente como fisuras intergranulares o intercelulares o interdendríticas.

Otros factores que influyen son la forma y dimensiones de la pileta de soldadura, forma y espesor del metal base y tipo de unión.

En aceros, el contenido de carbono y la relación manganeso/azufre en el depósito de soldadura tienen una marcada influencia sobre la fisuración en caliente. Los aceros para recipientes y tuberías a presión tiene una relación manganeso/azufre alta por lo que no son muy susceptibles a la fisuración en caliente.

El silicio y níquel pueden aumentar también la susceptibilidad a la fisuración en caliente. Los efectos de estos elementos pueden relacionarse con el azufre. Así, el silicio y níquel pueden aumentar la segregación del azufre en los límites del grano.

Los aceros inoxidables austeníticos pueden ser susceptibles a este tipo de fisuración, como puede verse en las Diapositivas 21 a 23. Las figura muestra un ejemplo de fisuras grandes y pequeñas en la soldadura de acero inoxidable tipo 347.

Para lograr la máxima resistencia al fisuración en caliente de soldaduras en aceros austeníticos inoxidables, es conveniente que la soldadura tenga una estructura conteniendo un 3 a 8% de ferrita delta, como puede verse en la Diapositiva 25. Esto se consigue con una composición adecuada del metal de aporte manteniendo una relación correcta entre los elementos que promueven la ferrita, tales como Cr y Mo y los que forman austenita, tal como Ni. El diagrama de Schaefler, se usa para estimar la cantidad de ferrita en el metal de soldadura. Se basa en la composición química del metal depositado

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Los depósitos por soldadura de tipo 308 y 347 contienen normalmente una pequeña cantidad de ferrita para evitar fisuración en caliente. Esto es especialmente importante en el tipo 347 y otros aceros inoxidables al Cb que son más susceptibles a la fisuración en caliente.

A causa del alto contenido en Ni, el tipo 310 (25 Cr-20 Ni) posee una estructura totalmente austenítica que es muy susceptible a la fisuración en caliente. En cambio, el tipo 312 (29 Cr-9 Ni) contiene un porcentaje de ferrita alto. Por esto es conveniente para la soldadura de aceros inoxidables con altos contenidos en Ni, Mn y C.

Algunas aleaciones de aluminio son susceptibles a la fisuración en caliente hasta el punto que algunas aleaciones termotratables de uso aeronáutico no pueden ser unidas por procesos de soldadura por fusión.

El metal base de soldadura después de la dilución con el metal base no debería contener un exceso de fases frágiles tales como: Mg₂Si, CuAl₂, AlFeSi, CuAl₆, etc. La susceptibilidad a la fisuración varía por lo tanto con el proceso y el procedimiento de soldadura. Por ejemplo la aleación Al - 5 Cu - 0,1 Cd es sensible a la fisuración en soldadura oxiacetilénica. Se evita la fisuración mediante soldadura con electrodo de tungsteno en atmósfera de gas inerte (procedimiento TIG).

En aleaciones de Cu, 0,005 Pb y 0,0006 Bi pueden ocasionar fisuración en caliente en el cordón de soldadura. En la soldadura de aleaciones de Ni, el Pb, Bi, S, P, Zr y B, producen fragilidad y fisuración en caliente. En pequeñas cantidades Al, Ti, C, Mo y Si se consideran generalmente beneficiosos o inofensivos. Sin embargo, estos elementos pueden producir fisuración en caliente cuando sus contenidos exceden un límite máximo específico.

La fisuración en caliente puede ocurrir más fácilmente en los procesos de soldadura de alto aporte térmico como por ejemplo arco sumergido. Por tal motivo, al contrario de lo que ocurre con la fisuración en frío, para prevenir la fisuración en caliente es conveniente utilizar aportes térmicos bajos y precalentamientos moderados o nulos. Sin embargo, en general el factor más importante a tener en cuenta en aceros es la reducción de los niveles de S y P mediante una adecuada limpieza previa a la soldadura para evitar problemas de contaminación y el empleo de consumibles básicos que son lo que tiene la aptitud de eliminar el S y el P del metal de soldadura.

Microfisuración

Las microfisuras son fisuras muy pequeñas no detectables con aumentos menores a 10 X. A menudo son visibles sólo con aumentos de 100 X y más. La Diapositiva 22 muestra un ejemplo de este tipo de fisuración.

Las microfisuras pueden producirse por efecto de fisuración en caliente o en frío. En el primer caso suelen ser microfisuras intergranulares, en el segundo caso son predominantemente transgranulares aunque pueden ser también intergranulares.

Fisuración en el metal base

Hemos visto que la soldadura causa también fisuras en el metal base adyacente al cordón, en la zona afectada por el calor.

Dependiendo del metal que se suelda, puede presentarse fisuración en frío o en caliente. Algunas veces las fisuras pueden partir del metal base y continuar en el cordón de soldadura o atravesarlo.

La fisuración en caliente en el metal base obedece a diversos factores. La fisuración en la zona afectada por el calor de un acero inoxidable al Nb a temperaturas de servicio mayores de 1050 °F  sucede con frecuencia inmediatamente después de la soldadura.

En los casos en que la fisura parte de la zona próxima al cordón, las fisuras pueden haberse producido por una fusión a lo largo de los limites de grano.

Aunque los aceros inoxidables al Niobio son considerados como los más susceptibles, dentro de los aceros inoxidables, a la fisuración en caliente del metal base, otros grados tales como 321,316 y 304 también lo son.

El proceso y procedimiento de soldadura son también importantes. Por ejemplo, en aceros de alta resistencia, se ha observado que soldaduras realizadas por el procedimiento MIG (electrodo consumible en atmósfera protectora de gas) son más sensibles a la fisuración que las realizadas por arco sumergido. Esta susceptibilidad a la fisuración se redujo en las soldaduras realizadas por el procedimiento TIG (electrodos de tungsteno en atmósfera de gas inerte)

Fisuración por fatiga.

Esta forma de fisuración es una de las formas de falla mas frecuentes en uniones soldadas. Las estadísticas de fallas en servicio muestran que mas del 90% de las mismas se deben a fisuras generadas por fatiga.

En presencia de cargas fluctuantes, en el vértice de discontinuidades geométricas mas o menos agudas se produce un fenómeno de deformación elasto-plástica cíclica a partir del cual se produce la iniciación de la fisura por fatiga. La condición superficial y la naturaleza del medio cumplen un rol importante sobre la resistencia a la fatiga, esto es sobre el número de ciclos necesarios para que aparezca la fisura. Desde un punto de vista ingenieril, cuando la fisura adquiere una longitud de aproximadamente 0.25 mm se acepta habitualmente que se ha completado la etapa de iniciación. A partir de ahí se considera que se está en la etapa de extensión o de crecimiento estable que eventualmente culmina en la rotura monótona de la sección remanente. La proporción de la vida total que corresponde a la etapa de iniciación aumenta hacia la región de alto ciclo, entendiéndose habitualmente por tal a aquella en la cual la iniciación se produce en no menos de aproximadamente 10⁴ ciclos.

La influencia que las discontinuidades geométricas tienen sobre la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas sobre su comportamiento en servicio bajo régimen de cargas variables es un hecho ampliamente reconocido. En tal sentido, el talón de la soldadura, sea ésta a tope o a filete, es el asiento de las discontinuidades que en general son los factores limitantes de la vida a la fatiga de uniones soldadas solicitadas transversalmente al cordón de soldadura. En el caso de soldaduras solicitadas longitudinalmente, las discontinuidades que causan la fisuración por fatiga están constituidas por riples superficiales, enganches o extremos del cordón. Las Diapositivas 28 a 31 ilustran distintos ejemplos de fisuración por fatiga. La Diapositiva 32 muestra la importancia que tiene la forma del defecto sobre su eficacia como concentrador de tensiones y por lo tanto como iniciador de una fisura por fatiga. Pude observarse que en los casos (a) y (b) la fisura por fatiga se inicia en el talón del cordón a pesar de que las soldaduras presentan importantes cantidades de defectos de porosidad e inclusiones de escoria. En cambio en el caso ilustrado en (c) la fisura por fatiga se genera en la falta de penetración que por tratarse un defecto planar resulta más eficaz como concentrador de tensiones que los talones de soldadura.

La Diapositiva 33 muestra la importancia que un buen perfil de cordón tiene para incrementar la resistencia a la fatiga de una unión soldada. En esta figura se ha representado el número de ciclos necesarios para producir la fisura en función del rango de tensiones aplicado a la soldadura, entendiéndose por rango de tensiones la diferencia entre el valor máximo y mínimo de las tensiones fluctuantes aplicadas.