Defectologia en la soldadura

Defectologia en la soldaduraLas imperfecciones pueden existir tanto en el metal de soldadura como en el metal base; son generalmente descritas como discontinuidades. Las discontinuidades existen en un nmero de formas diferentes, incluyendo fisuras, falta de fusin, falta de penetracin, inclusiones, porosidad, socavacin y otras... conociendo como pueden formarse estas discontinuidades, el inspector de soldadura puede tener xito en detectar estas causas y prevenir problemas.Para entender de una mejor manera los defectos en la soldadura se va a dar a conocer la definicin de algunos trminos utilizados en Defectologia.Discontinuidad Una discontinuidad es una alteracin de las propiedades normales de un metal, todos los metales presentan alguna discontinuidad. Estas discontinuidades se pueden clasificar, dependiendo de su efecto sobre las propiedades de los metales. Las discontinuidades que afectan a la soldadura en sus propiedades, pudiendo causar falla en servicio son llamados defectos. De esto podemos concluir: Una discontinuidad se define como una variacin de la estructura tpica de un soldadura, falta de homogeneidad en la composicin qumica, mecnica, metalrgica o caractersticas fsicas del material base o de aporte. Defecto Discontinuidad cuyo tamao, forma, orientacin, ubicacin o propiedades son inadmisibles para alguna norma especfica. En particular, al realizar un ensayo no destructivo (END) se cataloga como defecto a toda discontinuidad o grupo de discontinuidades cuyas indicaciones no se encuentran dentro de los criterios de aceptacin especificados por la norma aplicada.DiscontinuidadesLas discontinuidades ms frecuentes que se encuentran en las soldaduras, o que estn muy relacionadas con ellas, forman parte de los siguientes tipos:Porosidad (Porosity): Discontinuidad del tipo de cavidad formada por gas atrapado durante la solidificacin del metal de soldadura. Se divide a su vez en cuatro tipos:

Fig1. Ejemplo de porosidad en soldadura

a. Porosidad uniformemente dispersa Es porosidad uniformemente distribuida a lo largo de la soldadura; causada por la aplicacin de una tcnica de soldadura incorrecta o por materiales defectuosos. Si la soldadura se enfra lo suficientemente lento para permitir que la mayor parte del gas pase a la superficie antes de la solidificacin, habr unos pocos poros en la soldadura. a. Porosidad agrupada (Cluster porosity) Es un agrupamiento localizado de poros. Generalmente resulta por un inicio o fin inadecuado del arco de soldadura.

Fig2. Visualizacin de porosidad dispersa y agrupada imagen de rayos xb. Porosidad alineada (Linear porosity) Frecuentemente ocurre a lo largo de la interface metal de soldadura / metal base, la interface entre cordones de soldadura, o cerca de la raz de soldadura, y es causada por la contaminacin que provoca el gas por su evolucin en esos sitios.

Fig3. Porosidad alineadac. Porosidad vermicular o tipo gusanos (Piping porosity) Es un poro de gas alargado. Este tipo de porosidad de soldadura se extiende desde la raz hasta la superficie de la soldadura. Cuando uno o ms poros son vistos en la superficie de la soldadura, un cuidadoso descarne puede tambin revelar porosidad sub superficial. De todas formas, muchas de las porosidades vermiculares encontradas en soldaduras no se extienden hasta la superficie.Tabla 1. Causas y soluciones ante la presencia de porosidad.CAUSASSOLUCIONES

1. Excesivo H2, O2, N2 o humedad en la atmsfera2. Alta velocidad de enfriamiento de soldadura 3. Mucho azufre en el metal base4. Aceite, pintura o herrumbre en el acero5. Longitud del arco inadecuada corriente o manipulacin 6. Excesiva humedad en el electrodo o en la junta.7. Revestimientos galvanizados

1. Cambie el electrodo a E XX15 16 o use proceso de gas. Bajo hidrgeno MIG-TIG (arco sumergido).2. Aumente el calor absorbido, precalentamiento3. Use E XX15 16 acero bajo en azufre4. Limpie la superficie de las juntas5. Use arco adecuado, controle la tcnica de soldar6. Use electrodos y materiales secos.7. Use E-6010 para remover el Zn.

Inclusiones (Inclusions) a. Inclusiones de escoria (Slag inclusions) Son slidos no metlicos atrapados en el metal de soldadura o entre el metal de soldadura y el metal base. Pueden encontrarse en soldaduras hechas por cualquier proceso de arco. En general, estas inclusiones resultan por fallas en la tcnica de soldadura, en el diseo de la junta tal que no permita un acceso adecuado, o en una limpieza inadecuada entre los cordones de la soldadura. Placa radiogrfica mostrando inclusiones de escoria entre los cordones.

Fig4. Ejemplo de inclusiones de escoriaNormalmente, la escoria disuelta fluir hacia la parte superior de la soldadura, pero muescas agudas en la interfase de metal base y de soldadura, o entre los cordones de soldadura, frecuentemente provocan que la escoria quede atrapada bajo el metal de soldadura. A veces se observan inclusiones de escoria alargadas alineadas en la raz de la soldadura, denominadas carrileras (wagon tracks). b. Inclusiones de Tungsteno Son partculas de Tungsteno atrapadas en el metal de soldadura y son exclusivas del proceso GTAW (TIG). En este proceso, un electrodo de Tungsteno no consumible es usado para crear el arco entre la pieza y el electrodo. Si el electrodo es sumergido en el metal, o si la corriente es fijada en un valor muy alto, se depositarn gotitas de Tungsteno, o se romper la punta del electrodo y quedar atrapado en la soldadura. Dichas inclusiones aparecen como manchas claras en la radiografa, pues el Tungsteno es ms denso que el acero y absorbe ms radiacin; se adjunta una vista de una placa radiogrfica con inclusiones de tungsteno.

Fig5. Inclusiones de tungsteno (Ensayo no destructivo utilizado RT)Casi todas las dems discontinuidades, incluyendo las inclusiones de escoria, se muestran como reas oscuras en las radiografas porque son menos densas que el acero.Tabla 2. Causas y soluciones ante la presencia de inclusiones.CAUSASSOLUCIONES

1. Insuficiente proteccin de arco2. Atmsfera oxidante en la soldadura3. Deficiente diseo de junta4. Fracaso al remover la escoria de los depsitos previos

1. Provea la correcta proteccin y cubrimiento.2. Regule la llama de gas a neutra3. Observe correcta la longitud de acero y manipulacin4. Limpie las superficies y los cordones previos, prolijamente

Fusin incompleta (Incomplete fusion) (o falta de fusin) Discontinuidad bidimensional causada por la falta de unin entre los cordones de soldadura y el metal base, o entre los cordones de la soldadura. Es el resultado de tcnica de soldadura, preparacin del metal base, o diseo de la junta inapropiados. Entre las deficiencias que causan la fusin incompleta se destacan el insuficiente aporte de calor de soldadura, falta de acceso a todas las superficies de fusin, o ambas. El xido fuertemente adherido interferir con una completa fusin, siempre que haya un correcto acceso a las superficies de fusin y un adecuado aporte de calor a la soldadura.

Fig6. Fusin incompleta ensayo no destructivo RTPenetracin incompleta o falta de penetracin (Incomplete joint penetration) Ocurre cuando el metal de soldadura no se extiende a travs de todo el espesor de la junta. El rea no fundida ni penetrada es una discontinuidad descripta como penetracin incompleta.

Fig7. Ejemplo de falta de penetracinEsta puede resultar de un insuficiente aporte de calor de soldadura, diseo de la junta inapropiado (por ejemplo demasiado espesor para ser penetrado por el arco, o chanfle insuficiente), o control lateral inapropiado del arco de soldadura. Algunos procesos tienen una mayor capacidad de penetracin que otros. Las soldaduras en caeras son especialmente vulnerables a este tipo de discontinuidad, dado que el lado interior es usualmente inaccesible. Los diseadores frecuentemente emplean una planchuela de respaldo para auxiliar a los soldadores en tales casos; en ANCAP Divisin Industrializacin se prohben estos respaldos en caeras. Para juntas soldadas de ambos lados, se puede especificar que se remueva el metal de soldadura y el metal base de la soldadura de raz antes de soldar el otro lado, para asegurarse que all no hay penetracin incompleta. Este procedimiento se denomina en ingls back gouging. La penetracin incompleta tambin causa una fusin incompleta, y por consiguiente en muchas circunstancias ambos conceptos se mezclan.Fisuras (Cracks) Ocurren en el metal base y en el metal de aporte, cuando las tensiones localizadas exceden la resistencia ltima del material. La mayor parte de las normas utilizadas en ANCAP consideran que las fisuras son, independientemente de su longitud, defectos y por lo tanto una vez detectadas deben removerse, eliminarse. Las fisuras pueden clasificarse en: a. Fisuras en caliente: se desarrollan durante la solidificacin y su propagacin es intergranular (entre granos). b. Fisuras en fro: se desarrollan luego de la solidificacin, son asociadas comnmente con fragilizacin por hidrgeno. Se propagan entre y a travs de los granos (inter y transgranular). Segn su forma, las fisuras tambin se pueden clasificar en: a. Fisuras longitudinales: son paralelas al eje de la soldadura. En soldaduras de arco sumergido, son comnmente asociadas con altas velocidades y a veces estn relacionadas con problemas de porosidad, que no se muestran en la superficie. Fisuras longitudinales en pequeas soldaduras entre grandes secciones, son frecuentemente el resultado de un alto grado de enfriamiento y de grandes restricciones. b. Fisuras transversales: generalmente son el resultado de esfuerzos debido a contracciones longitudinales actuando en metales de soldadura de baja ductilidad. c. Crteres: ocurren cuando el arco es terminado incorrectamente. Generalmente tienen forma de estrella. Son superficiales, se forman en caliente y usualmente forman redes con forma de estrella. d. De garganta: son fisuras longitudinales ubicadas en la cara de la soldadura. Generalmente, pero no siempre, son fisuras en caliente. e. De borde: son generalmente fisuras en fro. Se inician y propagan desde el borde de la soldadura, donde se concentran los esfuerzos de contraccin. Se inician perpendicularmente a la superficie del metal base. Estas fisuras son generalmente el resultado de contracciones trmicas actuando en la zona afectada trmicamente (ZAT). f. De raz: son longitudinales, en la raz de la soldadura o en la superficie de la misma. Pueden ser fisuras en caliente o en fro. Fisuras bajo el cordn y fisuras en la ZAT: son generalmente fisuras en fro que se forman en la ZAT del metal base. Son generalmente cortas, pero pueden unirse para formar una fisura continua. Las que se dan bajo el cordn, pueden convertirse en un serio problema cuando estn presentes: hidrgeno, microestructura poco dctil y altos esfuerzos residuales. Ambas pueden ser fisuras en caliente o en fro. Son encontrados a intervalos regulares bajo la soldadura y tambin por el contorno de la ZAT donde los esfuerzos residuales son mximos.

Fig8. Tipos de fisuras

Tabla 3. Causas y soluciones ante la presencia de grietas en las juntas.CAUSASSOLUCIONES

1.Alta rigidez en la junta2. Soldadura defectuosa3. Electrodos defectuosos (excentricidad, humedad en el revestimiento, ncleo de alambre pobre)4. Dilucin pobre5. Cordn de escasa profundidad, a ancho6. Excesivo carbn o aleacin tomado del metal de base7. Distorsin angular, causando tensin a la raz del cordn8. Excesivo azufre en el metal base9. Grietas en el crter.

1. Precalentamiento: Usar golpeteo; cambie la sucesin de la soldadura por retroceso o aumente la seccin transversal del cordn2. Vea porosidades o inclusiones.3. Cambie electrodos, controle la humedad por buenalmacenamiento4. Reduzca la separacin de raz5. Aumenta la seccin transversal profundidad o ancho del cordn, cambien tipo de electrodo.6. Reduzca penetracin bajando la corriente y la velocidad de avance, cambie el tipo de electrodo7. Compense la soldadura en ambos lados. Use martilleo o golpeteo, precalentamiento8. Use E XX15 16 electrodos9. Rellene el crter. Retroceda si es necesario retire lentamenteel electrodo

Tabla 4. Causas y soluciones ante la presencia de grietas en el metal base.CAUSASSOLUCIONES

1. Hidrgeno en la atmsfera del arco2. Alta dureza (Aceros)3. Alta resistencia, con baja ductilidad4. Alta temperatura de transmisin5. Fases frgiles6. Excesivo esfuerzo

1.- Use condiciones libres de hidrgeno. Use E XX15 16; arco sumergido o gas inerte o proceso de arco protegido; precalentamiento despus de soldado haga un envejecimiento o recocido.2.- Precalentamiento, aumente el calor absorbido en la soldadura, pos calentamiento sin enfriar, despus de soldada, suelde con electrodo austentico.3. Use metal recocido o normal.4. Prioridad de tratamiento trmico para soldar dentro de sus condiciones de dureza o diferentes aleaciones.5. Tratamiento trmico antes de soldar para poner las fases frgiles en solucin6. Redisee, cambie la sucesin o use recocidos intermedios.

Socavadura / mordedura (Undercut) Asociadas generalmente con tcnicas inapropiadas y/o corrientes excesivas de soldadura. La socavadura es una muesca o canaleta o hendidura ubicada en los bordes de la soldadura; es un concentrador de tensiones y adems disminuye el espesor de las planchas o caos, todo lo cual es perjudicial. Pueden darse en la raz o en la cara de la soldadura.

Fig9. Croquis de socavaduras de cara y de razCuando la socavadura es controlada, su longitud est dentro de los lmites especificados y no constituye una muesca profunda, no es considerada un defecto de soldadura. Concavidad (Underfill) Se produce cuando el metal de soldadura en la superficie de la cara externa, o en la superficie de la raz interna, posee un nivel que est por debajo de la superficie adyacente del metal base. Cuando el soldador tiene acceso por ambos lados de la soldadura, o cuando se da en la cara externa, esta discontinuidad es fcilmente evitable mediante el relleno completo de la unin; por el contrario cuando la concavidad es interna (en la raz) donde el soldador no tiene acceso (por ejemplo en soldadura de caeras), si se tiene que eliminar debe removerse, descarnarse, por completo la soldadura en esa zona.

Fig10. Concavidad interna (END RT)Garganta insuficiente (Insuficient throat) Puede ser debido a una depresin en la cara de la soldadura de filete, disminuyendo la garganta, cuya dimensin debe cumplir la especificacin dada por el proyectista para el tamao del filete. Las fallas del soldador pueden ser: a) no obtener fusin del metal base en la raz de la soldadura, o b) no depositar suficiente metal de relleno en el rea de garganta (en la cara del filete). Catetos demasiado cortos (Insuficient legs) Es un tamao menor que el adecuado para su uso, en los catetos de la soldadura de filete. Es de ndole similar a la discontinuidad anterior. Solape (Overlap) (Metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin fundirlo) Es la porcin que sobresale del metal de soldadura ms all del lmite de la soldadura o de su raz. Se produce un falso borde de la soldadura, estando el metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin haberlo fundido (como que se derram el metal fundido sobre el metal base). Puede resultar por un deficiente control del proceso de soldadura, errnea seleccin de los materiales, o preparacin del metal base inapropiados. Si hay xidos fuertemente adheridos al metal base, provocarn seguramente esta discontinuidad. Este metal de soldadura, que ha sido derramado sobre el metal base, es una discontinuidad superficial que forma un concentrador de tensiones similar a una fisura y, por consiguiente, casi siempre es considerada inadmisible (defecto). Sobremonta excesiva (Weld reinforcement) La Sobremonta es un concentrador de tensiones y, adems, un exceso de sta aumenta las tensiones residuales, presentes en cualquier soldadura, debido al aporte sobrante. Por estos motivos las normas limitan el valor de R, que en general no debe exceder de 1/8 (3mm).

Laminaciones (Laminations) Son discontinuidades planas y alargadas en el metal base, encontrndose normalmente en la parte media del espesor de los materiales forjados (como lo son las planchas de acero utilizadas para construccin de recipientes o tanques, que se producen por laminado (rolado), el cual es un proceso de forja). Las laminaciones pueden ser totalmente internas y en este caso sern detectadas slo mediante UT. Si por el contrario se extienden hasta un borde de la plancha pueden ser detectadas mediante MT o PT. Usualmente las normas establecen que no se permitan realizar soldaduras sobre bordes de planchas donde haya afloramiento de laminaciones, porque stas podran comportarse como fisuras que se propagarn por la soldadura.

Fig11. Laminado y deslaminadoFisuras laminares (Lamellar tears) Son fracturas en forma de terraza en el metal base, con orientacin bsicamente paralela a la superficie forjada. Son causadas por altos esfuerzos en la direccin del espesor que resultan del proceso de soldadura. Se pueden extender largamente, inicindose en regiones donde el metal base tiene inclusiones no metlicas coplanares y/o en reas del metal base sujetas a altos esfuerzos por la soldadura. La fractura usualmente se propaga desde un plano laminar a otro por corte a lo largo de lneas que son casi normales a la superficie laminada. Golpes de arco / apertura de arco / arranque de arco / chisporroteo (en el material base fuera de la soldadura) (Arc strike) Imperfeccin localizada en la superficie del metal base, caracterizada por una ligera adicin o falta de metal, resultante de la apertura accidental del arco elctrico. Normalmente se depositar sobre el metal base una serie de pequeas gotas de acero que pueden originar microfisuras; para evitar la aparicin de microfisuras esas pequeas gotas deben ser eliminadas mediante amolado de la superficie afectada.

Desalineacin (High Low) Esta discontinuidad se da cuando en las uniones soldadas a tope las superficies que deberan ser paralelas se presentan desalineadas; tambin puede darse cuando se sueldan dos caos que se han presentado excntricamente, o poseen ovalizaciones. Las normas limitan esta desalineacin, normalmente en funcin del espesor de las partes a soldar. Es frecuente que en la raz de la soldadura esta desalineacin origine un borde sin fundir. Salpicaduras (Spatter) Son los glbulos de metal de aporte transferidos durante la soldadura y adheridos a la superficie del metal base, o a la zona fundida ya solidificada. Es inevitable producir cierto grado de salpicaduras, pero deben limitarse eliminndose, aunque ms no sea por esttica, de la superficie soldada. Las salpicaduras pueden ser origen de micro fisuras (como los arranques de arco sobre el metal base), y simultneamente son un punto de inicio de la oxidacin en superficies pintadas ya que tarde o temprano estos glbulos podrn desprenderse del metal base, llevando consigo la pintura superficial all localizada. Penetracin excesiva (Excesive penetration) En una soldadura simple desde un solo lado (tpicamente soldaduras de caeras), esta discontinuidad representa un exceso de metal aportado en la raz de la soldadura que da lugar a descolgaduras de metal fundido.

Fig13. Ejemplo de excesiva penetracin.

Porosidad alargada en la raz (Hollow - bead porosity (HB)) Es definida como una porosidad alargada alineada a lo largo de la lnea central de la soldadura que ocurre a lo largo del cordn de raz de la soldadura. Quemn (Burn - Through (BT)) Es definida como una porcin del cordn de raz donde una excesiva penetracin ha causado que el metal de soldadura sea soplado hacia el interior, o puede que se descuelgue un excesivo metal fundido. Suele presentarse como una depresin no alargada, en forma de crter, en la raz. Vista de una placa radiogrfica con un par de quemones (BT).

Bibliografa Soldadura Principios y Aplicaciones, Larry Jeffus, 5ta edicin, 2009. Manual de soldadura GMAW (MIG-MAG), Larry Jeffus, Richard Rowe, 2008. http://www.bideco.com.mx/tecnico/soldadura/defectos.html http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/Defectosm6.htm Soldadura Industrial: Clase y Aplicaciones, Pere Molera Sol, 1992.