desgarre laminar
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DESGARRE LAMINAR
LUIS FERNANDO COLORADO MORA
DEYCI YAMILE PEÑA SANTOS
JULIE CAROLINA SÁNCHEZ SARMIENTO
CAMILO ELIÉCER TORRES CASTRO
JOHNNY LEONARDO VARGAS ACERO
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA
FACULTAD DE POSGRADOS DE INGENIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA
BOGOTÁ D.C.
2011
DESGARRE LAMINAR
LUIS FERNANDO COLORADO MORA
DEYCI YAMILE PEÑA SANTOS
JULIE CAROLINA SÁNCHEZ SARMIENTO
CAMILO ELIÉCER TORRES CASTRO
JOHNNY LEONARDO VARGAS ACERO
Presentado a:
Ing. Andrés Rengifo
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA
FACULTAD DE POSGRADOS DE INGENIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA
BOGOTÁ D.C.
2011
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCION ............................................................................................................. 4
2. DEFINICIÓN DEL FENÓMENO ................................................................................ 4
3. ¿DÓNDE SE PRODUCE EL DESGARRE LAMINAR? ....................................... 5
4. FACTORES METALURGICOS QUE CONTRIBUYEN AL DESGARRE
LAMINAR........................................................................................................................................ 5
6. DETECCIÓN Y REPARACIÓN DEL DESGARRE LAMINAR DESPUÉS
DE LA SOLDADURA .................................................................................................................. 7
6.1. Cuándo se Recomiendan Los END para Desgarre Laminar ......... 7
6.2. Que Métodos de END son Aplicables ......................................................... 7
6.3. Ensayo de Ultrasonido en Uniones Soldadas ....................................... 8
7. PUNTOS A TENER EN CUENTA ............................................................................... 9
8. REPARACION DE DESGARRE LAMINAR ......................................................... 10
9. PRUEBAS PARA DETERMINAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE PLACAS
DE ACERO AL DESGARRE LAMINAR ............................................................................. 12
10. CONTROL DE DESGARRE LAMINAR .................................................................. 17
10.1. Juntas de diseño ................................................................................................. 17
10.2. Selección de material de soldadura ........................................................ 21
10.3. Selección de material ....................................................................................... 21
10.4. Tipo de producto ................................................................................................. 21
10.5. Fabricación ............................................................................................................. 22
10.6. Proceso de soldadura ........................................................................................... 22
10.7. Preparación de junta ........................................................................................ 22
10.8. Flujograma de control de desgarre laminar ....................................... 23
12. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 33
1. INTRODUCCION
El creciente uso del acero y diversos procedimientos de soldadura en la fabricación de construcciones, ha ocasionado diversos defectos y problemas
en las estructuras. Uno de estos defectos complicados y peligrosos es el desgarre laminar.
El desgarre laminar es común en grandes estructuras soldadas que se producen cada año, como puentes, estructuras marinas, rascacielos,
estructuras costa afuera (off-shore), etc. Publicaciones comerciales siempre reportan considerables e inesperados gastos debido a la ocurrencia del desgarre laminar que causa grandes retrasos de proyectos y la ansiedad de los ingenieros.
Este fenómeno ha sido estudiado desde 1969 por diversos investigadores,
quienes han estudiado sus causas y el mecanismo de ocurrencia; hallando que un factor que favorece al desgarre laminar, es la disminución de las propiedades mecánicas de las placas en la dirección Z.
Con los años, fue posible detectar este defecto en uniones soldadas mediante ensayos ultrasónicos, que hoy en día siguen siendo el método más apropiado y
eficiente para detectar este y otro tipo de defectos. A menudo se tiende a confundir el desgarre laminar con las laminaciones, en el
presente trabajo se pretende mostrar la definición de este defecto, las causas y factores metalúrgicos de origen, los mecanismos de daño y de control para
diferenciarlo de otros defectos existentes en las juntas soldadas. Se mostrará además, los métodos y ensayos recomendados para su detección
y control. Adicionalmente, un caso estudio en un acero estructural empleado en la construcción de puentes, donde se demuestra la importancia de
caracterizar el tipo, tamaño y forma de las inclusiones no metálicas que hacen susceptible un material al desgarre laminar.
2. DEFINICIÓN DEL FENÓMENO
El desgarre laminar es una separación en la matriz o en el metal base,
principalmente en planos paralelos a la dirección de laminación. Causado usualmente por altas tensiones a través del espesor del material. Estas
tensiones son inducidas a través del espesor por contracciones localizadas del metal de soldadura, en juntas altamente restringidas.
El desgarre laminar no debe ser confundido con la “laminación”, las cuales son discontinuidades en aceros laminados, producto de inclusiones planas y
alargadas o porosidades durante el proceso de laminación.
3. ¿DÓNDE SE PRODUCE EL DESGARRE LAMINAR?
El desgarre laminar siempre se encuentra entre el metal base y afuera de la visible zona afectada por el calor; generalmente es paralelo a la línea de fusión
de soldadura.
El desgarre laminar se ubica entre el espesor del metal base, cerca de la zona afectada por el calor. El desgarre puede ser completamente subsuperficial y difícil detectar o estar visiblemente expuesto en los bordes, en el pie o raíz de
la soldadura.
Ilustración 1 Localización desgarre laminar
4. FACTORES METALURGICOS QUE CONTRIBUYEN AL DESGARRE LAMINAR
Desde el punto de vista de esfuerzos es una condición localizada que involucra
la contracción de la soldadura en momento del enfriamiento y la baja ductilidad del metal base en la dirección transversal al espesor de pared. Una
de las causas metalúrgicas son las formas alargadas de las inclusiones no metálicas paralelas a la dirección de rolado de las laminas.
El desgarre se produce por falta de cohesión entre dichas estructuras (usualmente silicatos y sulfuros), los cuales están cerca a la soldadura o
incluso en la zona afectada por el calor.
La siguiente micrografía muestra la microestructura típica de un acero susceptible al desgarre laminar. El alineamiento de las inclusiones en la
dirección de rolado es señal de susceptibilidad al desgarre.
Ilustración 2 Microestructura de un acero susceptible a desgarre laminar.
Además del contenido y morfología de las inclusiones, otros factores tales como el hidrogeno, el precalentamiento y el esfuerzo admisible del electrodo
son también factores que incrementan la susceptibilidad al Desgarre Laminar.
5. FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL DESGARRE LAMINAR
Para que ocurra el desgarre laminar es necesario que se conjuguen las siguientes tres condiciones:
1. Esfuerzos provocados en la dirección transversal de la lámina. Estos son causados por contracción del metal de soldadura en la junta y pueden
incrementarse por esfuerzos residuales y por carga. 2. La orientación de la soldadura es tal que los esfuerzos actúan a través
de la sección de la junta y a través del espesor de la lamina (dirección Z). La línea de fusión bajo la soldadura es casi paralela a la separación laminar.
3. El material base tiene pobre ductilidad en la dirección Z.
Otros factores que pueden influir en el desgarre laminar son las operaciones de corte con llama y corte en frio. El desgarre laminar puede ocurrir de forma
instantánea o en el transcurso de unos meses. Los aceros con espesores de pared gruesos son más susceptibles al desgarre laminar.
Procesos de soldadura por arco eléctrico que aporten mayor entrada de calor, son menos probables a crear desgarre laminar; tal vez porque de los pocos
números de aplicaciones el calor y el menor ciclo de contracción involucrados en hacer una soldadura.
También electrodos con menor esfuerzo a la fluencia y alta ductilidad disminuyen la susceptibilidad al desgarre laminar.
6. DETECCIÓN Y REPARACIÓN DEL DESGARRE LAMINAR DESPUÉS DE LA SOLDADURA
¿Cómo se observa o detecta Normalmente el desgarre laminar?
El desgarre laminar que se propaga en la superficie puede ser detectado por
inspección visual, líquidos penetrantes y por la técnica de partículas magnéticas. Sin embargo, dado que la mayoría de los desgarres laminares están completamente bajo la superficie, estos métodos de detección son de
utilidad limitada, las pruebas de ultrasonido han demostrado ser el método más eficaz para la detección del desgarre bajo la superficie.
Ilustración 3 Desgarre laminar debido a esfuerzos a través del espesor del material
6.1. Cuándo se Recomiendan Los END para Desgarre Laminar
Los requisitos y procedimientos normales de inspección de soldadura son
adecuados cuando el riesgo de desgarre laminar es pequeño. Sin embargo, cuando el riesgo de desgarre es significativo debido a la combinación de propiedades de materiales, procedimientos de soldadura y configuración de la
junta, deben ser empleados métodos de ensayo adicionales para la detección del desgarre laminar.
6.2. Que Métodos de END son Aplicables
Métodos estándar de END tales como la inspección visual, líquidos penetrantes y partículas magnéticas son satisfactorios para identificar el agrietamiento
superficial, pero no para el desgarre debajo de la superficie. Radiografía
generalmente no es práctico para la detección del desgarre bajo la superficie ya que las inclusiones en la placa puede enmascarar defectos y es difícil, si no
imposible, para dirigir la radiación a lo largo del eje del desgarre. De todos los métodos convencionales de ensayos no destructivos, el ensayo de ultrasonido es la técnica más práctica y ampliamente utilizada para la detección del
desgarre laminar.
6.3. Ensayo de Ultrasonido en Uniones Soldadas La técnica de prueba ultrasónica pulso-eco es la base para la interpretación de
ondas ultrasónicas reflejadas de la superficie de la fractura para detectar el desgarre laminar. El palpador es el transmisor y el receptor. El haz de
ultrasonido se refleja, ya sea por la cara opuesta de la placa (eco de fondo), o por una zona de desgarre laminar o cualquier otro defecto del metal (eco de Defecto). Si bien el método por UT normalmente localiza defectos de soldadura
en las placas cuando las superficies son planas y están razonablemente libres de material suelto; a menudo es difícil distinguir los verdaderos desgarres
laminares de las bandas de inclusiones y otras formas de grietas. Los materiales que son más susceptibles al desgarre laminar, tales como placas de espesor con una alta concentración de inclusiones no metálicas, contienen el
tipo de defectos que pueden atenuar la señal y dificultar la interpretación. La Malinterpretación de las indicaciones ultrasónicas, a menudo puede dar lugar a
reparaciones costosas e innecesarias Ambas ondas de compresión y de corte en los métodos de prueba de UT son
capaces de localizar con precisión el desgarre laminar. Sin embargo, la utilidad de las técnicas de onda de compresión se limita a juntas en T o de esquina.
Palpadores con frecuencias de 2 MHz se consideran adecuados para la localización rápida de desgarres verdaderos. Una resolución suficiente para
obtener una buena identificación de la superficie característica escalonada del desgarre puede ser obtenida por el uso de palpadores de 4 a 5 MHz. El uso de
los Palpadores de frecuencias más altas, junto con configuración de equipos de alta ganancia, aumentan la probabilidad de detectar indicaciones erróneas de desgarres laminares.
Los detalles del la técnica y del equipo para la detección ultrasónica del
desgarre laminar son esencialmente los mismos que para el inspección UT nominal de las soldaduras. Las características se pueden obtener en American Bureau of Shipping Rules for Non-destructive inspection of Hull Welds, o en
ASTM E164 Estándar para la Inspección de Soldaduras por ultrasonido de contacto.
Ilustración 4 Inspección por ultrasonido a una lámina.
7. PUNTOS A TENER EN CUENTA
Las pruebas de ultrasonido se deben especificar para las conexiones
soldadas altamente restringidas, son fundamentales para la integridad
de las estructuras, donde el riesgo de desgarre laminar es significativo.
La seguridad del método de prueba ultrasónica depende en gran medida de la habilidad y experiencia del operador. El personal responsable de llevar a cabo la prueba ultrasónica debe estar familiarizado con el equipo
utilizado y estar debidamente calificados por capacitación y experiencia para realizar las calibraciones necesarias, interpretar y evaluar las
indicaciones de conformidad con los términos de la especificación. Además deben ser calificados de acuerdo con la exigencia del la Sociedad Americana de Ensayos No Destructivos Publicación TC-1A
Suplemento C, Métodos de prueba ultrasónica, u otros organismos de personal reconocidos, preferentemente con experiencia, o ser
preparados para demostrar la capacidad de identificar desgarres laminares.
Las pruebas por ultrasonido se deben realizar cuando toda la soldadura en la unión se ha completado y se ha logrado un control máximo. El
desgarre laminar se produce hasta 36 horas después de la finalización de toda la soldadura y el enfriamiento del componente, la inspección
final por ultrasonido de las juntas críticas debe realizarse no antes de 36 horas después de la finalización de la unión soldada.
Normas de aceptación para desgarre laminar deben ser establecidas para que agrupaciones de inclusiones y densas bandas
microestructurales que aparecen como indicaciones de defecto no constituyan defectos rechazables. La remoción y reparación de los desgarres no críticos de menor importancia pueden hacer más daño que
bien, los criterios de aceptación deben considerar las necesidades funcionales de los componentes o juntas, así como el nivel práctico de
mano de obra que la experiencia indica y que se puede obtener en las soldaduras de un determinado tipo. En la actualidad, los criterios de
aceptación de la soldadura de las sociedades de clasificación marina y los códigos nacionales y las especificaciones no contienen normas
específicas para la aceptación de desgarre laminar
A fin de distinguir los desgarres laminar de defectos preexistentes
(laminaciones inclusiones grandes, etc), el material base en la zona de la soldadura debe ser inspeccionado por ultrasonido antes de la
fabricación. Estas inspecciones deben ser metódicamente realizadas y registradas con un sistema de cuadrícula para localizar los puntos de control
Indicaciones ultrasónicas del desgarre laminar presentan una señal
característica de múltiples picos y un rápido cambio en la profundidad a medida que el palpador se mueve. Estas características ayudan a diferenciar desgarres laminares de otras grietas, laminaciones o
reflexiones de la pared del fondo
8. REPARACION DE DESGARRE LAMINAR
La reparación de desgarres laminares puede ser difícil, lenta y costosa, y, en el
caso de conexiones altamente restringidas, la reparación puede ser más perjudicial que la soldadura original. El mayor riesgo de desgarre laminar durante la reparación se debe en parte a la mayor restricción global de la
estructura terminada. Las tensiones mecánicas y térmicas inducidas por la soldadura de reparación pueden causar desgarramiento que se producen a
mayor profundidad debajo de la línea de soldadura de fusión original. Los métodos básicos de reparación son:
Retirar el desgarre y remplazarlo con metal de soldadura
Cortar el material defectuoso y reemplazarlo con material con propiedades trasversales de espesor mejoradas. Este procedimiento suele ir acompañada de modificaciones a los procedimientos de
soldadura o detalles de junta a fin de evitar las condiciones que precipitaron el desgarro original
Proporcionar elementos estructurales adicionales para llevar las cargas de trabajo previsto a través de la junta
Antes de seleccionar el procedimiento de reparación, se debe verificar que la discontinuidad sea un desgarre laminar. El número, la ubicación y extensión de
los otros desgarres, también deben determinarse, si la grieta es en realidad un desgarre laminar y excede los estándares de aceptación especificados, deben ser revisados todos los factores que pueden contribuir al desarrollo de
los desgarres laminares, es decir, la susceptibilidad del material, la configuración de junta y los procedimientos de soldadura. Simplemente
retirando el desgarre y volviendo a soldar usando la geometría original de la
junta y los procedimientos de soldadura bajo las mismas condiciones, probablemente dará lugar a nuevos desgarres laminares. Por esta razón, a
menudo es más económico sustituir un componente o junta en lugar de repararlo. Alternativamente, miembros adicionales de apoyo se pueden proporcionar para reducir las cargas de servicio a través de la junta, lo que
reduce la criticidad de la junta.
Cuando retirar y volver a soldar se considera aceptable, se debe utilizar el siguiente procedimiento:
Levantamiento con llama - Primer paso de Levantamiento con antorcha:
se debe cortar a través del extremo del plano del desgarre, con el fin de minimizar la tendencia a la apertura del desgarre, así como para liberar
cualquier tensión de tracción a través del desagarre. La base del levantamiento debe ser bien redondeada. Pases posteriores deben quitar 2 a 3 mm del material por debajo del desgarre original y 3 a 4 mm más
allá de los extremos del desgarre. Una excavación más profunda y más amplia aumentará la cantidad de soldadura a aplicar, aumentando el
riesgo de nuevas roturas. En algunos casos, puede ser necesaria la liberación completa o el desmontaje de la unión soldada.
Levantamiento con Arco Aire- el primer levantamiento con arco-aire
debe ser adyacente al desgarre y ampliado 3 a 4 mm más allá del final
de la desgarre. Los pases adicionales deben ser paralelos al levantamiento, hasta que de 2 a 3 mm por debajo el material inicial del
desgarre original se haya eliminado.
Independientemente del método de Retiro, toda la superficie final debe
ser inspeccionada con partículas magnéticas o líquidos penetrantes antes de la soldadura
Un enmantequillado por capas de metal de soldadura de bajo límite de
fluencia son generalmente considerados esenciales antes de realizar las
soldaduras de conexión. Los procedimientos de soldadura como ESW, SAW, GMAW deben ser empleados con el fin de reducir las tensiones en
la dirección a través de espesor. Se recomienda que la temperatura de precalentamiento mínima se mantenga durante 8 horas después que toda la soldadura de la unión es completada
La junta reparada deberá ser reinspeccionada cuidadosamente de
acuerdo con los requisitos de las pruebas de ultrasonido
NOTA
Durante el proceso de reparación, la ubicación real del desgarre laminar debe tenerse en cuenta y se compara con lo indicado por la prueba de ultrasonido a
fin de validar los procedimientos de prueba.
Ilustración 5 Fig. No. 3 Conexiones de soldaduras susceptibles a desgarres laminares y sus posibles soluciones.
9. PRUEBAS PARA DETERMINAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE PLACAS
DE ACERO AL DESGARRE LAMINAR
Durante los últimos años, muchas pruebas han sido desarrolladas para determinar la susceptibilidad de diferentes grados de placa de acero al desgarre laminar. Con mayor o menor éxito, estas pruebas intentan
proporcionar resultados reproducibles que se correlacionan bien con los casos conocidos de desgarre laminar. Cada prueba incluye diferentes combinaciones
del componente de diseño real, procedimientos de soldadura para juntas restringidas y propiedades de los materiales. La dificultad en la elaboración de un procedimiento de prueba único de aceptación universal refleja el hecho de
que, si bien es práctico para representar en cierta medida la geometría real y los procedimientos de fabricación del material de ensayo, puede no ser
representativo para los materiales utilizados en la producción de la junta. Las propiedades a través del espesor de las placas individuales son variables debido a la distribución irregular de las inclusiones no metálicas en las láminas.
Las pruebas más importantes según el tipo son las siguientes:
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (SIN SOLDADURA)
(i) Inspección ultrasónica de láminas de acero susceptibles antes de la fabricación. De utilidad limitada en la determinación de la susceptibilidad de laminas de acero al desgarre laminar; usadas para
distinguir desgarres laminares detectados durante la inspección por UT a la post soldadura con defectos pre existentes.
PRUEBAS DESTRUCTIVAS SIN SOLDADURA
(i) Prueba práctica del ensayo de tracción a través del espesor; la reducción de área da una buena correlación con la incidencia
conocida de desgarre.
(ii) Ensayo de tracción con entalla especial - compara las cargas de
fractura cortante en el plano laminar, para la detección preliminar del material susceptible
(iii) Prueba de impacto Charpy con entalla en V – de utilidad limitada,
puede ser utilizada sólo para láminas 55 mm de espesor o mayor
(iv) Conteo microscópico de inclusiones no metálicas - utiliza los
procedimientos estándar de análisis metalúrgicos para determinar el número, tamaño, forma y distribución de inclusiones no metálicas, impráctica para pruebas de producción, más propicio para la
investigación
PRUEBAS DESTRUCTIVAS CON SOLDADURA
(i) Prueba de ventana del instituto de soldadura - una placa del material base que se probará se inserta a través de un agujero rectangular o ventana en una placa restringida para formar una junta en cruz. La
figura 4 muestra los detalles del procedimiento de ensayo. Los lados de la ventana adyacentes a las dos placas de prueba, de superficies
paralelas al plano de laminación tienen un bisel en V. En una sola pasada, las soldaduras de filete de penetración completa son hechas inicialmente en dos ranuras de un lado de la placa de prueba para el
fondeo de esta. Soldaduras similares de prueba se realizan en las dos ranuras sobre el lado opuesto. La restricción proporcionada por
las soldaduras de fondeo inicial favorece la aparición de desgarre laminar en la placa de prueba durante la soldadura del segundo lado. Observaciones visuales o metalográficas del desgarre es el criterio
para la falla. Una investigación ha reportado las siguientes dificultades con la prueba:
Grietas de raíz pueden inducir desgarre laminar y por lo tanto
confundir los resultados del ensayo.
Ya que la cantidad de restricción varía en función de la placa restringida y el espesor de la placa de prueba, es difícil evaluar
cuantitativamente los resultados de la prueba.
Aunque este mismo estudio ha demostrado métodos para reducir
estos problemas, son demasiado complejos y requieren reproducir cuidadosamente los procedimientos de soldadura. Como resultado, la
prueba no es de fácil aplicación para el control calidad de producción.
Ilustración 6 Ensayo de ventana del instituto de soldadura
(ii) Prueba de Cranfield - consiste de una placa madre y una sección de
metal base a ser probado. La figura 5 muestra los detalles de la probeta de prueba Cranfield. El extremo de la placa madre es
biselado de tal manera que forma un ángulo en forma de V de 45° o 60°. Pases múltiples de soldadura sobre la V, con enfriamiento entre pases permiten la contracción térmica completa, resultando
una gran concentración de esfuerzos en la raíz de la V. Este esfuerzo se impone sobre la dirección a través del espesor de la placa de
metal base y el resulta el desgarre laminar en la raíz de la V cuando el material es susceptible.
Ilustración 7 Probeta para el ensayo de Cranfield
(iii) Ensayo de flexión con muesca corta transversal - prueba más compleja y costosa, propicia para la investigación
(iv) Prueba de retención de Lehigh - fue desarrollado para permitir una
evaluación cuantitativa de las variables que afectan el desgarre laminar. La prueba está descrita por sus desarrolladores como
adecuada para uso en laboratorio. La figura 6 muestra los detalles de la prueba. Una viga en voladizo es soldada a la superficie de una placa de prueba vertical rígida. A lo largo de la prueba, una carga
externa es aplicada a la viga para producir una restricción constante a través del espesor de la placa de prueba. Debido a que se aplica
soldadura multipases, la carga necesaria para mantener los cambios constantes de retención después de la deposición de cada capa. Esta carga variable debe ser calculada a partir de la longitud del brazo de
palanca de la carga, el ancho de la placa de prueba, el espesor de la viga en voladizo, y el espesor de la soldadura después de la
deposición de cada capa. El criterio para evaluar la susceptibilidad al desgarre laminar es la determinación del nivel crítico de restricción de soldadura (CWRL) que provoca el desgarre. El CWRL es
determinado por pruebas en diferentes niveles de restricción, cada vez mayores hasta que el desgarre es detectado visualmente,
metalográficamente, o ultrasónicamente. La prueba se ha utilizado para examinar una amplia gama de tipos de acero y las variables del material que favorecen el desgarre. Para evaluar las variables de
soldadura, fue necesaria una modificación de los criterios de evaluación de la susceptibilidad al desgarre. La prueba tuvo que ser
instrumentada para permitir el registro de carga vs desplazamiento de las juntas. Un criterio de susceptibilidad modificado, es el índice de energía posterior a la soldadura (Ep), el cual fue calculado a
partir del producto de la tensión de fractura y el desplazamiento necesario para causar una falla. Aunque la prueba Lehigh para
desgarre laminar ha demostrado su utilidad como herramienta de laboratorio para estudiar las variables pertinentes, no parece ser de
fácil aplicación para el control de calidad de la producción. Esto se debe tanto a la complejidad del procedimiento de prueba y a la
ausencia de criterios de aceptación establecidos correlacionados con la historia de la fabricación.
Ilustración 8 Ensayo de Desgarro Laminar Lehigh
(v) Ensayo de Prototipo de unión soldada- Los resultados de las pruebas de material en un prototipo de unión soldada a menudo son muy
difíciles de relacionar con las situaciones reales de producción. Esto se debe principalmente a la dificultad de duplicar las condiciones de soldadura y restricción exactas que estarán presentes durante la
producción. Además, como todas las pruebas destructivas, el material que es probado no puede representar con precisión la pieza
de la que fue eliminado. Debido a la potencial variación de las condiciones de soldadura y la restricción, la prueba por sí carece la capacidad de evaluar cuantitativamente la susceptibilidad al
desgarre. Se ha concluido que las soldaduras prototipo podrían ser útiles para la investigación de ciertos parámetros, pero estos no
pueden ser recomendados para una valoración general de la susceptibilidad al desgarre. Este método de prueba también es
indeseable para el control de calidad de la producción debido a su complejidad y costo. Aunque varias investigaciones recientes han utilizado soldaduras prototipo para estudiar las variables del
desgarre u otros métodos de prueba, no han propuesto su utilización como un material de prueba de evaluación.
10. CONTROL DE DESGARRE LAMINAR
Para el control laminar se debe considerar desde el diseño, teniendo en cuenta
los materiales y los factores que contribuyen en la fabricación.
Siendo susceptibles los siguientes tipos de construcciones: Rascacielos, Plantas de Energía Nuclear, Tanques Cisterna, Estructuras costa fuera (offshore).
10.1. Juntas de diseño
Ilustración 9 Evitar sobre esfuerzos en los espesores
Ilustración 10 Reducir las restricciones de las juntas
Ilustración 11 Reducir la restricción del componente
Otras recomendaciones a tener en cuenta:
Evitar utilizar demasiados elementos en las estructuras
Disminuir la rigidez de elementos con elementos de menor espesor
Permitir utilizar aceros de bajas resistencias en los metales de soldadura
Usar platinas planas envés de elementos curvados.
10.2. Selección de material de soldadura
Utilizar materiales con mejores esfuerzos de fluencia que esfuerzos de tensión, en el metal base. Los cálculos de esfuerzos pueden permitir utilizar materiales con baja resistencia a tensión. La utilización de electrodos de bajo hidrogeno
son recomendados para evitar la fragilización en la zona afectada por el Calor HAZ.
10.3. Selección de material
Se debe controlar la cantidad máxima de azufre, el esfuerzo mínimo de tensión, mínimo porcentaje de elongación y las inclusiones. El mínimo del RAZ
entre el 30% al 35% para aplicaciones criticas. Para los aceros tratados con aluminio, el contenido de azufre no debería
exceder 0.01% por peso.
Esta es la grafica de de guía general para la selección mínima de valores del RAZ, para elementos estructurales susceptibles desgarre laminar por la Asociación Australiana de investigación de soladura
10.4. Tipo de producto
Cuando se remplaza platinas roladas por otros aceros menos susceptibles como aceros fundidos o forjados pueden disminuir el riesgo de desgarre laminar.
10.5. Fabricación
Las capas y el formado de elementos susceptibles se deben reducir por: La posición de las platinas, evitar el uso de soldaduras pesadas en el centro y
en el ancho de platinas, así como tener cuidado con el corte del material porque con el calor se puede generar separación en las capas e inclusiones en
la matriz del acero. Dirección en el rolado. El sentido de rolado debe estar en la axial de la
soldadura en el ángulo derecho de la dirección de rolado.
No es recomendable usar láminas formadas en frio para realización de soldaduras de largas longitudes.
10.6. Proceso de soldadura
Excepto por el Electroslag los procesos de soldadura son susceptibles a desgarre laminar, por eso se recomienda en el siguiente orden;
Electroslag Submerged-arc
Gas shielded metal-arc (MIG or C02) and flux-cored arc welding Manual metal-arc- low hydrogen electrodes Manualmetal-arc-non-low hydrogenelectro
10.7. Preparación de junta
Se debe hacer arreglos de soldaura para garantizar una complete penetración
Se debe recomendar usar el mismo espaciamiento en toda la junta
Hacer precalentamiento a 100°C o mayor es mas eficiente.
Interpases de soldadura Se muestran algunos ejemplos de cómo se debe hacer las secuencias de
soldadura.
Reducir la cantidad de pases de soldadura por los ciclos de calentamiento Velocidad de deposición: Se debe controlar la velocidad con el calor sobre el
metal.
Temperatura entre pases: No se deben permitir tener temperaturas entre pases a menor temperatura que la de precalentamiento.
Evitar altas temperaturas entre pases.
Ilustración 12 Técnicas de aplicación de soldadura
10.8. Flujograma de control de desgarre laminar
1. Diseño
1.1. Optimización secuencia de fabricación
1.1.1. Primero las juntas susceptibles
1.1.2. Usar subconjuntos
1.2. Optimizar Juntas
1.2.1. Balance de la junta 1.2.2. Minimizar el tamaño de junta
1.3. Considerar cargas de servicio
1.3.1. Estática
1.3.2. Fatiga
1.3.3. Dinámica 2. Selección de materia1
1 (Requerimientos para clase 1 componentes de soportes, Opcionales para clases 2, 3 y MC)
2.1. Remplazar Acero rolado en caliente
2.1.1. Fundido 2.1.2. Forjado
2.2. Mejorar Acero rolado en caliente
2.2.1. Inclusiones
2.2.1.1. Reducciones niveles de S y C
2.2.1.2. Alterar el tamaño, tipo distribución 2.2.1.3. Asegurar las pruebas
2.2.1.4. ST % RA
2.2.1.5. ST C/N
2.2.1.6. Estableciendo límites de aceptación requeridos
2.2.2. Matriz 2.2.2.1. Reducir las bandas
2.2.2.2. Mejorar la resistencia
3. Fabricación
3.1. Control de material de aporte
3.1.1. No superar el esfuerzo del material de aporte
3.2. Reducir la concentración de tensiones localizadas 3.2.1. Use una secuencia de formado de gramo
3.3. Controle la fragilización
3.3.1. Controle la entrada de H2
3.4. Mejoramiento de material no seleccionado
3.5. Reparación 3.6. Inspección
3.6.1. Examinar por Ultrasonido
11. CASO ESTUDIO
CARACTERIZACIÓN DE LAS INCLUISIONES QUE CAUSAN DESGARRE LAMINAR EN EL ACERO S355N
A. Abyazi1, A. R. Ebrahimi2
1 PHD Student of Materials Science and Engineering, [email protected]. 2 Associate Professor of Materials Science and Engineering,
[email protected], Tel: +98412-3444333. 1, 2 Department of material science and engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran, zip
code 51335-1996.
El desgarre laminar es común en soldadura de aceros estructurales laminados
en caliente. Esto ocurre si la soldadura se realiza en dirección paralela a la de
laminación. Se ha demostrado que una causa básica para que ocurra el
desgarre laminar, es la existencia de inclusiones no metálicas de forma
alargada en el acero.
Las especificaciones de procedimiento y criterios de aceptación para evaluar
placas de acero laminadas y asegurar que estén libres de laminaciones se
encuentran en el estándar SA-435/SA435M. A pesar de la detección del
desgarre laminar por exámen ultrasónico, la causa y los detalles acerca de la
ocurrencia del desgarre laminar, no se había evaluado significativamente. En
este estudio, se han escogido dos láminas de acero: una susceptible y otra
resistente al desgarre laminar; las dos se examinan con ultrasonido y luego, se
comparan las propiedades microestructurales de estos aceros. Además, se
evalúan los tipos, la relación de aspectos, la fracción de superficie y el tamaño
de las inclusiones no metálicas, con los resultados ultrasónicos.
Método experimental
Entre las placas de acero S355N que se utilizaron en la construcción del puente de Uremia, se detectó por exámenes de ultrasonido, una placa de 40 mm de
espesor susceptible al desgarre laminar. Así que ésta y una placa sana del mismo espesor se escogieron para realizar estudios detallados de su microestructura. Las placas analizadas se muestran en la Tabla 1.
El examen por ultrasonido se realizó con el equipo SONA, a una frecuencia de 4 MHz, probando perpendicularmente a la dirección Z de las placas. Las
probetas para microscopía óptica fueron mecánicamente pulidas hasta 1 micra y atacadas con una solución de nital al 2%. Las propiedades microestructurales fueron evaluadas por MPG3 microscopía de luz óptica y MV 2300 Cam Scan
SEM. El tamaño, relación de aspecto y la fracción de superficie de las inclusiones se determinaron usando el analizador de imágenes Clemex.
Para estudios detallados sobre la morfología y el volumen de la fracción de las inclusiones, se debió extraer las inclusiones completas de las placas de acero.
Para lograrlo, se pulieron y limpiaron las superficies de las muestras. El peso inicial de estas muestras se midió con una balanza de precisión +/- 0,001 g.
Las muestras se disolvieron en una solución 40-60 de HNO3. Las inclusiones resultantes, se pesaron de nuevo para calcular la fracción de volumen de las inclusiones.
Resultados y discusión
Los pulsos de la placa resistente y susceptible se muestran en la figura 1. Los pulsos de fondo de la placa resistente tienen distancias similares y su
intensidad se reduce ligeramente. Sin embargo, los pulsos de la placa susceptible están más cerca que en la resistente y no son uniformes. La
intensidad de los pulsos de esta placa se reduce drásticamente, lo cual es una condición básica de placas laminadas.
La figura 2, muestra las condiciones microscópicas de las inclusiones en la placa susceptible y resistente. Se evidencia que en la placa resistente las
inclusiones son esféricas y distribuidas al azar. Sin embargo, la placa susceptible presenta inclusiones en hojuelas sin distribución uniforme.
La microestructura de las placas se muestra en la Fig. 3., donde se observa ferrita y perlita, ésta de forma alargada en la dirección de laminación. Las
inclusiones en forma de hojuelas de la placa susceptible, tienen una alta fracción superficial y se ubican en las interfaces entre la ferrita y la perlita, lo cual debilita las propiedades mecánicas de la placa.
Las inclusiones que fueron extraídas por completo de las placas para evaluarlas
detalladamente se observan en la Fig. 4.
Se evidencia que la relación de aspecto, el tamaño y la cantidad de inclusiones son mayores en la placa susceptible. La relación de aspecto de las inclusiones
en la placa resistente es de 1.5 y en la placa susceptible es de 8; con una fracción de peso de 0.0077 y 0.014 respectivamente. (Ver Fig. 5).
Los análisis de este tipo I de inclusiones MnS se presentan en la Fig. 6. Se puede notar que las inclusiones de la placa susceptible tienen mayor
plasticidad debido a una inadecuada temperatura de laminación (Tabla 2) y son alargadas durante la misma.
Como las inclusiones tenían un alto potencial para nuclear una al lado de la otra, se originó una larga y amontonada distribución de las mismas.
Las imágenes de SEM de la superficie de rotura a la tracción y la superficie de la prueba de impacto se muestran en la figura. 7.
Fig. 7 Superficie de fractura de las placas de acero S355N resistente y
susceptible al desgarre laminar. Se observa que las inclusiones en la superficie de fractura de la placa
susceptible son aplanadas. Sin embargo, en la superficie de fractura de la placa resistente, la cantidad y la plasticidad de las inclusiones es bastante
baja. Las superficies de fractura se presentan en la Fig. 8 sin aumento.
Fig. 8. Superficie de fractura del acero S355N resistente y susceptible al
desgarre laminar
Esto demuestra que las inclusiones resistentes a la deformación plástica y a la estricción, presentan baja resistencia al desgarre laminar.
En especímenes resistentes, casi todas las áreas son deformadas plásticamente. El tamaño pequeño y la distribución al azar de las inclusiones contribuyen a la deformación plástica total.
Las inclusiones MnS se separan del metal base durante el enfriamiento debido
a que su coeficiente de expansión térmica es mayor que el del acero. La existencia de inclusiones así como de espacios vacíos (huecos) en partes
separadas, proporciona condiciones adecuadas para reflejar los pulsos. De esta manera, además de los ecos de fondo, estas áreas (inclusiones en hojuelas y vacíos) también reflejarán pulsos. Así que habrán más pulsos de reflexión en la
pantalla (Fig. 1b). Otro punto interesante es la distribución agrupada de inclusiones en especímenes susceptibles. Esos grupos unos al lado de otros
como una línea, incrementan la oportunidad de reflejar los pulsos. Tal comportamiento no se observa nunca en láminas resistentes al desgarre laminar.
CONCLUSIONES
La forma en hojuelas de las inclusions MnS se encuentran principalmente en láminas de acero S355N susceptibles al desgarre laminar.
En un acero S355N de 40 mm de espesor, las inclusiones de MnS con
una relación de aspecto mayor a 8, causa susceptibilidad al desgarre laminar.
En el acero S355N las inclusiones de MnS en forma de hojuelas están más cerca unas de otras.
Debido a que las inclusiones son de diferentes tipos y tienen diferentes
separaciones de la matriz, generan cavidades o huecos que causan
reflexión de pulsos durante los ensayos de ultrasonido.
En un estudio preliminar del mismo autor, se realizó una evaluación del desgarre laminar en el acero S355N concluyendo lo siguiente:
La existencia de inclusiones en aplanadas en el acero S355N, debido a la reducción de la tenacidad en la dirección Z, causa susceptibilidad al
desgarre laminar.
La resistencia real a la fractura y la reducción de área, son criterios
adecuados para evaluar la susceptibilidad al desgarre laminar, para el cual, la reducción de área es el factor predominante.
Para reforzar esta última conclusión, el autor presenta las siguientes
consideraciones: La resistencia a la fractura depende considerablemente de la microestructura y
de las propiedades del metal base. Por lo tanto, se puede decir que un 50% de la diferencia entre un acero susceptible y otro resistente, es debido a la
existencia de inclusiones. Las inclusiones aceleran la fractura. De tal manera, los miembros estructurales
susceptibles no pueden resistir las cargas de tensión aplicadas, por ello, los lugares preferenciales de falla en las estructuras, son donde se encuentran las
inclusiones. La reducción de área es la base de todos los estándares para evaluar el
desgarre laminar. De acuerdo con las normas, si la reducción de área a través del espesor de una placa sometida a tracción es inferior al 25%, entonces la
placa es susceptible al desgarre laminar. Teniendo en cuenta los resultados arrojados por el estudio, en donde, para la placa sana la reducción de área fue
del 52% y para la placa susceptible fue del 18%, se comprueba que la placa susceptible, no es resistente al desgarre laminar.
REFERENCIAS: [1] A. Abyazi, “Evaluation of lamellar tearing in S355N steel”, M.S.c Thesis, Sahand University of Technology, 1387. (http://engineerweld.blogfa.com/post-
22.aspx)
12. CONCLUSIONES
El desgarre laminar es un fenómeno producido generalmente en materiales laminados, en uniones soldadas de grandes espesores, en arreglos de junta con demasiados componentes soldados en un área
reducida y en aplicaciones de soldadura con temperaturas más elevadas de lo normal.
El desgarre laminar es favorecido por la presencia de inclusiones no
metálicas (principalmente sulfuros) de forma alargada y agrupadas
línealmente.
Aceros con alta resistencia a la tensión, alta dureza y baja tenacidad son
susceptibles al desgarre laminar.
Para prevenir el desgarre laminar, se recomienda arreglos de junta en los cuales se evite soldaduras longitudinales extensas paralelas al sentido de laminación.
El ensayo de ultrasonido, es el método más versátil para la detección del
desgarre laminar, mediante la aparición de sucesivos e irregulares ecos diferentes al eco de fondo.
Para evitar este fenómeno en la fabricación de elementos soldados, deben seguirse las recomendaciones y secuencias dadas en el numeral
10 del documento: control del desgarre laminar.