Prevención del agrietamiento inducido por hidrógeno en la soldadura de aceros al carbono y baja aleación

La soldadura por arco es un proceso mediante el cual los aceros se unen por coalescencia. Normalmente, el proceso utiliza un material de aporte compatible. Antes de producir una unión bien cohesionada, la superficie de la junta debe calentarse por encima de la temperatura de fusión para fundirse completamente con el metal de soldadura. Aunque las reacciones metalúrgicas que implican fusión, solidificación y transformación en estado sólido no son inusuales, las temperaturas y velocidades de enfriamiento observadas son severas.

Los gases activos también están presentes y pueden disolverse en el acero fundido. Se introducen fundentes para alear y proteger el metal de soldadura. Generalmente, las uniones son rígidas y restringen los cambios dimensionales causados por la contracción y las transformaciones en estado sólido, produciendo tensiones residuales de magnitud equivalente al límite elástico (LE). Dado que los cambios metalúrgicos no ocurren en condiciones de equilibrio y las tensiones son altas, muchas de las reacciones pueden tener lugar tanto en el metal de soldadura como en la zona afectada por el calor (ZAC) del acero, produciendo defectos que debilitan su integridad.

Debido a la enorme variabilidad de los procesos de soldadura, es difícil proporcionar detalles sobre los mecanismos exactos involucrados o las correcciones que pueden aplicarse. Además, muchas medidas correctivas son obvias una vez que se explican la mayoría de los defectos. Un problema, relacionado con el hidrógeno (H₂), no es sencillo. Dado que este problema cobra mayor relevancia a medida que se sueldan más aceros de alta resistencia y baja aleación (ARBA), el tema del agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH) es muy importante.

Clasificación de los aceros

Los aceros al carbono (C) y baja aleación se sueldan debido a su amplia aplicación y buena soldabilidad. Esta utilidad se debe principalmente a las características metalúrgicas del sistema base de hierro (Fe). Entre ellas destaca la capacidad de sufrir transformación alotrópica (microestructural), lo que permite el endurecimiento y fortalecimiento mediante transformaciones martensíticas y bainíticas o mecanismos de precipitación, además de la capacidad de alearse fácilmente con numerosos elementos. La soldabilidad de los aceros al C y baja aleación puede clasificarse generalmente en: (i) soldabilidad de fabricación y (ii) soldabilidad en servicio.

Soldabilidad de fabricación

Es la posibilidad de unir aceros al C y baja aleación por soldadura sin introducir discontinuidades perjudiciales. La aceptabilidad de estas discontinuidades depende de las condiciones de aplicación del cordón de soldadura específico. La soldabilidad de fabricación de un acero puede ser adecuada para una aplicación no crítica. Sin embargo, el mismo acero puede no ser recomendado para una aplicación crítica, o requerir precauciones especiales, como precalentamiento, al soldar. Trata principalmente discontinuidades como porosidad asistida por H₂, deslaminación laminar, agrietamiento en frío, agrietamiento en caliente y agrietamiento por recalentamiento.

Soldabilidad en servicio

Se debe a que la unión soldada terminada tiene propiedades suficientes para cumplir la función prevista. Una característica importante es la comparación de las propiedades de la ZAC con las del acero base no afectado. La aceptabilidad también depende de la aplicación planificada. La soldabilidad en servicio de ciertos aceros puede ser aceptable donde la corrosión es muy importante pero la tenacidad es secundaria. Sin embargo, el mismo acero es inaceptable donde la tenacidad es crítica. Implica el efecto del ciclo térmico de soldadura en las propiedades de la ZAC. Frecuentemente determina el rango de aportes de calor permitibles para ciertos aceros. Bajos aportes de calor pueden introducir microestructuras de baja tenacidad indeseables, así como problemas de soldabilidad de fabricación vinculados al agrietamiento en frío. Altos aportes de calor pueden introducir microestructuras gruesas con baja tenacidad y baja resistencia. El aporte de calor por sí solo no controla la microestructura y propiedades resultantes, sino el ciclo térmico inducido. Por tanto, tanto el aporte de calor como el espesor del acero son importantes.

Clasificación de los aceros

Los aceros al C y baja aleación cubren una amplia variedad de composiciones y propiedades. Se clasifican frecuentemente según su contenido de C y/o elementos de aleación. Existen diversas designaciones: aceros al C ordinarios, aceros C-Mn (manganeso), aceros al C medio, aceros de baja aleación, aceros de alta resistencia y baja aleación (ARBA) y aceros microaleados. Recientemente, una nueva clasificación introdujo el método de procesamiento del acero como factor. Estos aceros, conocidos como aceros de procesamiento termomecánico controlado (PTMC), tienen límites entre clasificaciones a menudo difusos, superpuestos y subjetivos.

Aceros al carbono bajo

Contienen hasta ~0,30 % C y ~1,65 % Mn. La mayoría de los aceros laminados en caliente para aplicaciones soldadas son aceros al C bajo. Este grupo incluye aceros con amplias variaciones en soldabilidad. Los aceros con < 0,15 % C pueden soldarse con todos los procesos. Los aceros con 0,15-0,30 % C (acero dulce) pueden soldarse en espesores hasta 25 mm. Secciones más gruesas pueden requerir medidas adicionales.

Aceros ARBA

Diseñados para proporcionar mejores propiedades mecánicas que los aceros al C convencionales. Tienen LE de 290-550 N/mm², son tipo C-Mn con pequeñas adiciones de niobio (Nb) y vanadio (V) para refinamiento de grano y endurecimiento por precipitación. Se identifican normalmente como aceros microaleados. Se sueldan en condición laminada o normalizada. Su soldabilidad es similar a la del acero dulce.

Recientemente se ha desarrollado una nueva familia de aceros ARBA con bajo C, endurecibles por envejecimiento con cobre (Cu). No son verdaderamente de baja aleación, ya que el contenido total de Cu, Ni (níquel) y Cr (cromo) suele rondar el 1 %. Su soldabilidad es muy buena, principalmente por su bajo contenido de C (< 0,06 %). Se usan generalmente en condición templada y envejecida. Por estas dos condiciones, a veces se caracterizan también como aceros PTMC.

Aceros templados y revenidos (T&R)

Tratados térmicamente para obtener LE de 350-1030 N/mm². Incluyen aceros Ni-Cr-Mo (molibdeno). Las uniones soldadas generalmente no requieren tratamiento térmico posterior, salvo alivio de tensiones en aplicaciones especiales. La ventaja sobre aceros T&R seleccionados es la reducción del requerimiento de precalentamiento para el endurecimiento por envejecimiento con Cu. Sin embargo, estos aceros ARBA no se sueldan como aceros dulces.

Aceros de baja aleación tratables térmicamente (ATLA)

Se reaustenitizan, templan y revenen después de soldar. Son aceros relativamente endurecibles que en condición T&R desarrollan LE > 960 N/mm². Los metales de aporte generalmente no desarrollan combinaciones aceptables de resistencia y tenacidad a este nivel en condición soldada o aliviada de tensiones. Por tanto, es necesario reaustenitizar, templar y revenar toda la unión soldada después de soldar.

Aceros PTMC

Se producen combinando laminación controlada seguida de enfriamiento acelerado o temple en línea directo. Este procesamiento permite desarrollar alta resistencia y alta tenacidad manteniendo buena soldabilidad. La soldabilidad es buena porque el contenido de elementos de aleación puede mantenerse muy bajo, con C usualmente < 0,06 %. Niveles de LE ≥ 700 N/mm² son posibles. Normalmente pueden soldarse sin precalentamiento. Sin embargo, en niveles de alta resistencia, puede requerirse precalentamiento para prevenir agrietamiento en el metal de soldadura.

Aceros Cr-Mo

Ampliamente usados en aplicaciones a alta temperatura. El contenido de Cr varía de 0,5 % a 9 % y el de Mo de 0,5 % a 1,0 %. Se entregan generalmente en condición "normalizada y revenida" o "templada y revenida". Al tener endurecibilidad razonable, se necesitan precauciones adecuadas para evitar agrietamiento en frío asistido por H₂ (ACAH). La aplicación en servicio a menudo impone requisitos adicionales. Por ejemplo, en algunas industrias se necesitan por su resistencia a fluencia, y tanto el metal de soldadura como la ZAC deben proporcionar propiedades de fluencia adecuadas. La atmósfera corrosiva en algunas industrias requiere limitar la dureza máxima de la ZAC para evitar agrietamiento por corrosión.

Susceptibilidad relativa de los aceros al ACAH

Graville sugirió que la susceptibilidad al ACAH puede evaluarse calculando el equivalente de carbono (EC) y comparándolo con el contenido de C, como se muestra en el diagrama de Graville (Fig. 1). Los aceros en la zona I tienen bajo C y baja endurecibilidad y no son muy susceptibles al agrietamiento. Los aceros en la zona III tienen alto C y alta endurecibilidad, y todas las condiciones de soldadura producen microestructuras sensibles al agrietamiento. Para evitar ACAH en aceros de zona III, es necesario usar medidas de bajo H₂, incluyendo precalentamiento y tratamientos térmicos post-soldadura. Los aceros en la zona II tienen niveles de C más altos con menor endurecibilidad. Es posible evitar microestructuras sensibles al agrietamiento restringiendo las velocidades de enfriamiento de la ZAC, mediante control del aporte de calor y, en menor medida, con precalentamiento.

El EC considerado en el diagrama de Graville es: EC = %C + (%Mn + %Si)/6 + (%Ni + %Cu)/15 + (%Cr + %Mo + %V)/5. La susceptibilidad al agrietamiento en frío aumenta progresivamente al pasar de zona I a II y III. El diagrama también muestra que los aceros de aleación tratables térmicamente, principalmente en zona III, necesitan consideraciones especiales para soldar. Los aceros Cr-Mo y T&R también requieren cuidado, al igual que algunos aceros ARBA. Los aceros al C bajo se sueldan fácilmente excepto en secciones gruesas, donde son necesarias precauciones. Los aceros PTMC se desarrollaron específicamente para situarse en zona I, por lo que su soldabilidad es excelente. La Fig. 1 significa solo un aspecto de la soldabilidad; la preferencia respecto al ACAH es usar aceros que desplacen la composición hacia la esquina inferior izquierda del diagrama.

Defectos normales asociados a soldaduras por arco

Porosidad

Causada por el atrapamiento de pequeñas bolsas de gas, particularmente H₂ y N₂ (nitrógeno), que tienen mayor solubilidad en hierro (Fe) líquido que en sólido. Durante la solidificación, los gases intentan abandonar el metal de soldadura. Sin embargo, debido a las altas velocidades de solidificación, parte del gas puede quedar atrapado. Esto depende tanto de la velocidad de disolución del gas como de la de solidificación del metal de soldadura. Si la velocidad de disolución es alta, las burbujas de gas pueden desarrollarse y escapar antes de que el acero se solidifique. Si es baja, el gas permanece en solución, evitando porosidad pero permitiendo otros problemas como agrietamiento inducido por H₂ (AIH) o baja tenacidad. A velocidades intermedias, el gas puede nuclearse y, dependiendo de la cantidad disuelta y la velocidad de solidificación, desarrollar burbujas que quedan atrapadas. Una forma severa, llamada "agujeros de gusano", ocurre cuando las velocidades de evolución de gas y solidificación son iguales, causando bolsas de gas alargadas en lugar de burbujas esféricas.

Fuentes de hidrógeno y nitrógeno

Fuentes de H₂: humedad en fundentes, hidrocarburos en lubricantes de estirado de alambre o contaminantes superficiales en la junta, y fugas de agua en equipos de soldadura por arco con gas protector (GMAW). El N₂ proviene del aire que entra en la zona del arco por mala protección. En GMAW, ocurre cuando el caudal de gas es tan bajo que corrientes de aire desplazan la protección, o tan alto que la atmósfera circundante se aspira al gas protector. En soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW), ocurre cuando los soldadores no son lo bastante hábiles o usan métodos inadecuados que causan arco excesivo.

Fusión incompleta

Puede tomar varias formas: penetración inadecuada, ausencia de fusión en la raíz o falta de fusión en paredes laterales. Causas: (i) aporte energético insuficiente, principalmente corriente inadecuada; (ii) velocidad de avance excesiva, que permite que el metal de soldadura fluya por delante del arco; (iii) ángulo de electrodo o posición de trabajo inadecuados.

Dificultades con penetración y fusión en raíz suelen deberse a diseño de junta inadecuado para el proceso o a ignorar medidas para lograr penetración adecuada. Generalmente, la corriente de soldadura es demasiado baja. En procesos con gas protector, puede significar gas de protección incorrecto. Por ejemplo, con mezclas ricas en argón (Ar), el patrón de penetración es relativamente somero, excepto un "dedo" central profundo que no suele centrarse y no es fiable. Mezclas ricas en helio (He) o dióxido de carbono (CO₂) logran penetración más uniforme y profunda. Mala fusión en raíz al soldar desde un lado requiere modificar el diseño de la junta o cambiar a soldadura desde ambos lados.

La falta de fusión en paredes laterales ocurre cuando no se usan medidas o técnicas de control adecuadas. En GMAW, puede deberse a usar variaciones inapropiadas, como transferencia en cortocircuito, al soldar secciones gruesas. La transferencia en cortocircuito es efectiva solo a bajos niveles energéticos, adecuada para chapas o planchas delgadas en todas las posiciones, ya que proporciona poca penetración y congela rápidamente el metal de soldadura. Por eso, el metal no se fusiona a las paredes laterales de juntas que extraen calor rápidamente (espesores > 6 mm). Tanto el arco spray con Ar como el arco sumergido con CO₂ depositan soldaduras demasiado masivas y fluidas para soportarse en posiciones vertical u overhead. Sin embargo, son muy efectivas en posiciones plana u horizontal. La variación de arco pulsado con protección rica en Ar es muy efectiva en todas las posiciones, ofreciendo penetración suficiente y control del baño para prevenir defectos por mala fusión lateral.

Agrietamiento en caliente

También llamadas grietas de línea central o de solidificación, causadas por el rechazo de constituyentes de bajo punto de fusión a lo largo de la línea central de soldaduras restringidas. Se desarrollan inmediatamente después de completar las soldaduras, a veces durante la soldadura. Si se rompen las soldaduras para exponerlas, aparecen azuladas o con tintado térmico. A menudo causadas por azufre (S) y fósforo (P), son más probables en aceros de aleación con mayor C. La placa base es su fuente principal. La susceptibilidad al agrietamiento, basada en la composición de la soldadura, se ha comparado con ecuaciones empíricas, como UCS = 230×%C + 190×%S + 75×%P + 45×%Nb – 12,3×%Si – 5,4×%Mn – 1. Si UCS < 10, susceptibilidad baja; > 30, alta; entre 10 y 30, se requiere control de técnicas.

Defectos como grietas en caliente y grietas de cráter en el cordón son más probables con procesos o técnicas que producen alta dilución (penetración profunda). Otro factor es el perfil agudo de gota de lágrima del cráter, característico de altas velocidades de soldadura. En estas situaciones, el cráter desarrolla grietas de contracción, llamadas grietas de cráter. Tanto el cráter en gota de lágrima como la penetración profunda ocurren en soldadura por arco sumergido (SAW) y GMAW con protección de CO₂. También puede ocurrir en soldaduras de filete muy cóncavas, ya que su sección transversal puede no ser suficiente para tolerar tensiones transversales por contracción de soldadura.

En la mayoría de los casos, el problema se previene manteniendo niveles combinados de S y P por debajo de 0,06 %. Sin embargo, al soldar uniones muy restringidas con aceros de alta resistencia, un nivel combinado < 0,03 % es generalmente necesario. Cuando los aceros contienen S o P excesivos, las grietas en caliente pueden evitarse: (i) usando prácticas no profundamente penetrantes; (ii) seleccionando velocidades de avance suficientemente lentas para prevenir cráteres en gota de lágrima; (iii) proporcionando perfiles de cordón convexos; (iv) rellenando los cráteres al final de cada cordón.

Deslaminación laminar

Ocurre en la placa base cuando se tensiona a través de su espesor, normalmente justo debajo de la ZAC. Se asocia con aceros bandeados que contienen capas delgadas de inclusiones bajo las superficies. Si debe usarse acero "sucio", el problema puede prevenirse cambiando el diseño de la junta para minimizar la deformación a través del espesor en la soldadura.

Mordedura (undercut)

Es una excavación irregular generalmente en el borde superior de una soldadura de filete horizontal. El metal base en esa sección se funde por el arco pero no se rellena con metal de soldadura. Causa frecuente: condiciones de soldadura mal seleccionadas (ángulo de electrodo, velocidad de avance, corriente). Más probable al intentar filetes con patas > 8 mm. En GMAW, también puede ocurrir con protección de Ar con < 2 % oxígeno (O₂). También aparece en soldaduras en posición vertical, atribuida a oscilación excesiva.

Solapamiento (overlap/rollover)

Asociado a soldaduras de filete, ocurre cuando la corriente es demasiado baja para fundir adecuadamente la placa base o la velocidad de avance es demasiado baja para la cantidad de metal depositado. El mal manejo del electrodo en SMAW también puede ser factor.

Inclusiones

Producidas por escoria atrapada entre pasadas. Se originan como trozos de fundente no fundido atrapados en la junta, escoria que fluye por delante del arco y es cubierta por la soldadura, escoria solidificada no removida entre pasadas, o cascarilla de laminación pesada no removida antes de soldar. Más común en SMAW, intensificada por malas técnicas del soldador. La presencia de inclusiones puede anticiparse al soldar sobre cordones muy convexos o rugosos, ya que sus bordes son difíciles de limpiar entre pasadas o penetrar. Prevención: (i) entrenar soldadores para depositar cordones con perfil plano preciso; (ii) posicionar soldaduras para permitir depósitos con mayor energía y fluidez; (iii) prevenir óxido entre pasadas; (iv) asegurar acondicionamiento adecuado entre pasadas mediante limpieza o esmerilado.

Agrietamiento inducido por hidrógeno

El agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH) es un fenómeno asociado principalmente a soldaduras en aceros de baja aleación. Los factores que contribuyen son: (i) presencia de H₂; (ii) alta tensión de tracción; (iii) microestructuras susceptibles; (iv) temperaturas entre ~200 °C y -100 °C; (v) tiempo. En niveles de resistencia bajos (~490 N/mm²), el AIH se observa normalmente como grietas longitudinales en la ZAC del metal base, a menudo llamado agrietamiento sub-cordón. En niveles altos (~830 N/mm² y superiores), pueden ocurrir grietas transversales en el metal de soldadura.

La expresión "fragilización por H₂" sugiere que el H₂ daña la tenacidad, pero es un término inadecuado. Ensayos de impacto en material entre grietas muestran tenacidad equivalente a soldaduras sin H₂ y sin grietas. Sin embargo, la ductilidad a tracción puede reducirse porque el AIH puede ocurrir durante el ensayo, reduciendo el área transversal. El defecto resultante en la superficie de fractura se llama "ojo de pez". "Agrietamiento en frío" diferencia estas grietas de las en caliente, producidas por constituyentes de bajo punto de fusión que segregan durante la solidificación. "Agrietamiento retardado" es descriptivo porque el AIH puede no ocurrir hasta días o semanas. Cuando se anticipa AIH, las soldaduras a menudo no se radiografían durante una semana o más para permitir que las grietas se desarrollen.

Mecanismo

El hidrógeno es una impureza universal en todos los procesos de soldadura por arco. Existe en el agua inevitable en fundentes, lubricantes orgánicos en superficies de alambres de aporte, residuos en juntas de soldadura, y humedad del aire aspirada al arco. El H₂ tiene mayor solubilidad en Fe líquido que en sólido, y su solubilidad disminuye con la temperatura en Fe sólido.

La solubilidad por encima del liquidus a 1500 °C es ~30 ppm en peso, pero ~8 ppm en estado sólido. A 400 °C, cae a < 1 ppm. La velocidad de solidificación del metal de soldadura es muy alta, por lo que el H₂ disuelto en el metal fundido se retiene. Aunque el H₂ que escapa como gas a menudo queda atrapado como pequeñas burbujas o porosidad, una cantidad sustancial permanece en el metal solidificado como H₂ supersaturado. Aunque parezca insignificante, tan solo 1 ppm de H₂ puede causar problemas de agrietamiento en aceros de alta resistencia.

Durante el enfriamiento, el H₂ atómico difunde rápidamente: parte va a la ZAC, parte escapa al aire, y el resto permanece en el metal de soldadura. Dadas las condiciones adecuadas, estos átomos móviles buscan grietas y discontinuidades en la red metálica y se concentran allí. En conjunto con tensiones residuales por restricción externa y cambios de volumen por solidificación y transformación en estado sólido, el H₂ agranda las discontinuidades formando microgrietas. Las tensiones localizadas se alivian abruptamente al penetrar los átomos en las fisuras y quedar atrapados como moléculas. Las microgrietas resultantes, con puntas agudas, se asocian a altas concentraciones de tensión donde se acumulan más átomos. Estas tensiones se acumulan hasta aliviarse extendiendo la grieta. Este proceso de acumulación y alivio por agrietamiento continúa hasta que: (i) el área transversal se reduce lo suficiente para causar fallo; (ii) el H₂ escapa lo suficiente para bajar su concentración por debajo del nivel necesario para que el agrietamiento continúe; (iii) las grietas sub-cordón reducen las tensiones residuales por debajo del nivel necesario.

El AIH no ocurre espontáneamente, sino en pasos discretos. La progresión escalonada puede observarse acústicamente. En probetas pequeñas, también puede monitorizarse midiendo cambios de resistencia. El monitoreo muestra los cambios de resistencia tras iniciar el AIH y cómo progresa paso a paso hasta el fallo. También muestra la sensibilidad del AIH al nivel de tensión externa. El fallo ocurre rápidamente cuando la tensión supera la resistencia a tracción (RT), con o sin H₂. Sin embargo, con suficiente H₂, el daño por AIH puede iniciarse con tensiones muy por debajo de la RT. Con suficiente H₂ y tiempo, el AIH puede causar fallo. Normalmente, el tiempo para iniciar grietas y llegar al fallo aumenta al reducir la tensión.

Es importante saber que el AIH no ocurre por debajo de una tensión crítica. Además de la tensión aplicada, la cantidad de H₂ disuelto en el acero juega un papel crucial. Con más H₂, se necesita menos tensión para iniciar AIH, y el tiempo de iniciación también se reduce. La interacción de estas dos variables muestra que tanto el tiempo para iniciar AIH como la tensión crítica por debajo de la cual no ocurre fallo son inversamente proporcionales a la cantidad de H₂ presente.

La tercera variable que afecta al AIH es la microestructura del acero (metal de soldadura o ZAC). La martensita geminada, en aceros con mayor C (> ~0,3 % C), suele ser muy difícil, aunque el problema puede ocurrir con todas las microestructuras aciculares, incluida la bainita. Esta suposición podría ser defectuosa ya que las microestructuras aciculares son típicas de aceros de alta resistencia, y tensiones más altas son un factor agravante. Sin embargo, un acero con microestructura tolerante puede mostrar mayor tensión crítica que un acero más fuerte con microestructura sensible. Normalmente, el acero más fuerte es más sensible al H₂ respecto a un tiempo de iniciación más temprano y una tensión crítica más baja. Tales diferencias se han observado entre aceros martensíticos de alta resistencia y aceros bainíticos más débiles.

Las inclusiones también son importantes. La tenacidad de aceros ARBA se ve afectada por impurezas, particularmente en forma de inclusiones. Sin embargo, como las inclusiones pueden servir como sumideros para átomos de H₂, también pueden tener efecto beneficioso. Por esto, aceros de muy alta pureza han mostrado sensibilidad sorprendente al AIH. No se debe concluir que las soldaduras necesiten tensión externa para desarrollar AIH. La contracción diferencial en soldadura por fusión siempre produce tensiones residuales, que con raras excepciones son al menos equivalentes al LE del componente más débil de la junta. Como la mayoría de metales de aporte son más fuertes que el metal base, las tensiones residuales son cercanas al LE de la placa base. Frecuentemente, es posible minimizar el AIH en estructuras críticas seleccionando un metal de aporte más débil (sub-igualado) para mantener tensiones residuales lo más bajas posible. En algunas aplicaciones, como fatiga, una estructura más débil pero sana puede ser más adecuada que una con AIH. Sin embargo, dada una microestructura sensible y suficiente H₂, la tensión crítica puede ser muy baja, sustancialmente menor que tensiones residuales típicas. Por tanto, si el AIH es un problema, se desarrolla en la mayoría de casos antes de que la estructura salga del área de fabricación.

Otra observación importante: el mecanismo del AIH se ve afectado por la temperatura. Las probabilidades son mínimas cuando las temperaturas superan ~200 °C. A temperaturas más altas, la difusión de H₂ es tan rápida que los átomos no logran concentrarse en defectos de red u otras discontinuidades agudas. Como la movilidad del H₂ es esencialmente nula, el AIH es improbable en soldaduras enfriadas por debajo de -130 °C.

Control del AIH

Considerando los requisitos metalúrgicos para el AIH, varios enfoques pueden adoptarse para evitarlo. Estos incluyen: reducción de tensiones residuales; (i) evitar microestructuras aciculares en metal de soldadura y ZAC o al menos seleccionar bainíticas en lugar de martensíticas; (ii) reducir la cantidad de H₂ disuelto durante la soldadura; (iii) permitir que el H₂ escape antes de causar daño. El enfoque más adecuado depende del tamaño del componente, propiedades mecánicas requeridas, servicio previsto, proceso de soldadura y limitaciones de coste. En la mayoría de casos, se necesitan compromisos y una combinación de enfoques es posiblemente la más rentable.

Como se dijo, las tensiones residuales en soldaduras suelen equivaler al LE del material más débil de la junta. En configuraciones que introducen alta tensión triaxial, la tensión residual puede ser significativamente mayor que el LE. Aunque los diseñadores rara vez usan materiales más débiles solo para reducir tensiones residuales, se debe reconocer que el AIH puede afectar significativamente la vida a fatiga. Un compromiso más aceptable puede ser rediseñar la unión para incorporar secciones más gruesas. Otros enfoques permiten aprovechar la resistencia del acero de baja aleación sin incurrir en AIH.

Dado que cambiar la microestructura del metal de soldadura o ZAC es remoto, salvo opción de seleccionar diferente acero, se debe seleccionar el material más tolerante al AIH. Otro método para reducir tensiones residuales es el tratamiento térmico post-soldadura a temperatura inferior a la crítica. Como el acero es más débil a alta temperatura, una reducción sustancial es posible calentando la soldadura a temperatura donde pueda ocurrir fluencia plástica. Para acero con estructura de martensita revenida, la opción más adecuada sería a o justo por debajo de su temperatura original de revenido, generalmente cerca de 620 °C. Este tratamiento se llama alivio de tensiones por recocido (ATR). Para ser efectivo, la unión debe mantenerse en horno adecuado antes de que su temperatura baje de 200 °C y luego calentarse y enfriarse lentamente para evitar distorsiones. Considerando temperatura y tiempo del ATR, es obvio que todo el H₂ difusible escapará. Sin embargo, a menos que las tensiones deban aliviarse por razones distintas a evitar AIH, el ATR puede resultar muy costoso. El post-calentamiento también tiene lugar en la prevención del AIH. No es necesario recalentar la unión a temperaturas mucho mayores de 200 °C para acelerar la salida del H₂ y evitar el rango de temperaturas donde es probable el AIH. Estos tratamientos térmicos son buenos para componentes soldados lo bastante pequeños para precalentarse en horno antes de soldar y volver inmediatamente después para permitir que todo el H₂ escape. Este enfoque es principalmente importante para aceros de aleación de muy alta resistencia, muy sensibles al agrietamiento por H₂.

Resultado similar es posible ralentizando la velocidad de enfriamiento tras la soldadura. Esto da más tiempo al H₂ para escapar antes de bajar de 200 °C. Retardar el enfriamiento también permite la transformación de austenita a microestructuras más blandas, menos sensibles al AIH.

La velocidad de enfriamiento de soldaduras por arco se ve afectada principalmente por tres factores: (i) temperatura de la junta antes de soldar; (ii) aporte energético del arco durante la soldadura; (iii) espesor de la junta. La temperatura inicial puede ser la ambiente del área de almacenamiento, la temperatura resultante de una soldadura previa (temperatura inter-pasada), o la temperatura de precalentamiento. Al aumentar la temperatura de precalentamiento, la velocidad de enfriamiento disminuye. El aporte energético del arco se define por la energía eléctrica disipada y la velocidad de avance del arco. Mayor aporte energético retarda el enfriamiento.

El espesor de la junta también afecta la velocidad de enfriamiento, ya que la mayor parte del calor se extrae por conducción hacia el cuerpo de la unión. La conducción es máxima con enfriamiento tridimensional (espesor > ~25 mm). En secciones más delgadas, la conducción es menos efectiva, por lo que la velocidad de enfriamiento es inversamente proporcional al espesor. Aunque en secciones delgadas también influyen radiación y convección, el efecto es mucho menos pronunciado que el de la conducción.

Las variables descritas pueden incorporarse en una ecuación única para calcular la velocidad de enfriamiento a una temperatura específica: CRt = K [(T-To)² / E], donde CRt es la velocidad de enfriamiento a temperatura T, K es una constante de proporcionalidad (incluye ajuste por espesor si < 25 mm), To es la temperatura de precalentamiento o inter-pasada, y E es el aporte energético del arco, calculado como E = VI/S (V = voltaje del arco, I = corriente, S = velocidad de avance). Combinando ambas ecuaciones: CRt = K [(T-To)² × S / VI]. Esta ecuación se desarrolló para predecir microestructura de soldadura y ZAC junto con diagramas de transformación en enfriamiento continuo, que permiten determinar velocidades de enfriamiento por encima de las cuales se aseguran martensita o bainita fuertes, o por debajo de las cuales pueden evitarse. La misma ecuación puede usarse para calcular la velocidad de enfriamiento a la temperatura crítica para la evolución del H₂ y evitar AIH.

El ajuste de procedimientos se logra variando la corriente o la velocidad de avance. El voltaje es una variable fuertemente dependiente, determinada por: (i) proceso de soldadura; (ii) características de electrodos, fundentes o gases protectores; (iii) corriente. No debe verse como variable para controlar la velocidad de enfriamiento.

El otro método para retardar el enfriamiento, posiblemente el más común, es controlar la temperatura de precalentamiento o inter-pasada. Cambios relativamente pequeños en estas temperaturas pueden ejercer fuerte efecto en la velocidad de enfriamiento a ~200 °C, crítica para el inicio del AIH. Por ejemplo, al aumentar el precalentamiento de 20 °C a 100 °C, la velocidad de enfriamiento a 200 °C se reduce ~un tercio. Precalentando a 150 °C, se reduce en un factor ~diez, muy significativo al fabricar acero de alta resistencia con poca tolerancia al AIH.

El precalentamiento es costoso, puede afectar la microestructura de la soldadura y hacer intolerables las condiciones de trabajo. Sin embargo, es vital para reducir el AIH. El precalentamiento afecta la tensión crítica inferior en la ZAC de acero de alta resistencia soldado con electrodo revestido. La RT de este acero es ~750 N/mm². Con precalentamiento de 25 °C (temperatura ambiente), el fallo por AIH ocurre en < 10 min a ~490 N/mm². La tensión crítica inferior es ~415 N/mm². Precalentando a 120 °C, la tensión crítica sube a 620 N/mm², cerca del LE, pero aún insegura. Para evitar AIH completamente, el precalentamiento debe ser > 150 °C.

Varios enfoques se han usado para seleccionar la temperatura de precalentamiento más apropiada. Algunos se basan en tablas empíricas que listan aceros y medidas recomendadas, incluyendo precalentamiento y post-calentamiento. Otro relaciona cuantitativamente tendencias al agrietamiento con la endurecibilidad del acero, calculándola mediante EC. Una fórmula: EC = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4.

Para aplicaciones con electrodo revestido, la temperatura de precalentamiento recomendada para aceros con diferentes EC muestra dispersión considerable, pero la tendencia general demuestra relación lineal entre EC y temperatura de precalentamiento. Para aproximación rápida: To = 200 × EC (To en °C). Para incluir la banda de dispersión: To = 210 × EC (+15 a -45). La banda de 60 °C es grande, sugiriendo usar la parte superior para seleccionar precalentamientos adecuados. Sin embargo, si se debe evitar ablandamiento metalúrgico, lo más apropiado es basarse en ensayos de laboratorio para determinar el nivel mínimo efectivo de precalentamiento. Por supuesto, esto requiere considerar también aporte energético, espesor de junta y proceso de soldadura.

Medición del H₂

La medición directa de H₂ en metal de soldadura es difícil. A menos que se tome buen cuidado para evitar su escape antes del análisis, la cantidad medida no representa generalmente la que pudo causar una grieta. La muestra debe analizarse rápidamente o superenfriarse en nitrógeno líquido (N₂) para detener la difusión del H₂. La técnica recomendada por la American Welding Society (AWS) mide el volumen de gas H₂ que escapa de una soldadura de ensayo de ~75 mm. Se recoge en tubo eudiómetro (baño de mercurio o glicerina) o en cámara de aislamiento de cromatógrafo de gases.

Métodos indirectos miden las fuentes de H₂. Para alambres en GMAW y SAW, midiendo hidrocarburos en su superficie mediante espectrometría de masas. Para SMAW y SAW, determinando la humedad adsorbida en fundentes, midiendo pérdida de peso tras secado a ~400-425 °C. El problema de mediciones indirectas es que la eficiencia de transferencia de H₂ al metal de soldadura desde alambres o fundentes es difícil de predecir, dependiendo de la técnica de soldadura. Por eso se usan resultados empíricos para relacionar H₂ en materiales de soldadura con AIH en la unión. Esto dificulta comparar procesos. Incluso las mediciones de evolución de gas pueden ser cuestionables, ya que solo miden H₂ difusible; parte permanece en solución y parte atrapada en defectos o inclusiones.

Importancia del proceso de soldadura

El proceso de soldadura por arco necesita material de aporte y métodos para proteger y controlar el arco y el metal depositado. En la mayoría de casos, el aporte se proporciona como varillas, alambres continuos o tubos continuos. La superficie de todos estos materiales está contaminada con residuos de lubricantes de estirado ricos en H₂. En GMAW, se usa gas protector. Para alambre tubular, combinación de gases protectores y fundentes. Las técnicas de arco sumergido y electrodo revestido solo usan fundentes. Todos los fundentes son fuentes de agua combinada químicamente o adsorbida. La cantidad de H₂ disuelto en metal de soldadura puede variar, no solo entre procesos sino dentro de ellos.

De todos los procesos de soldadura por arco con electrodo consumible, GMAW se asocia con los niveles más bajos de H₂, la fuente principal siendo lubricante residual en la superficie del alambre. Alambre totalmente seco es inaceptable, porque es difícil de alimentar. La cantidad de lubricante residual generalmente no es problema con aceros de LE < 520 N/mm². Sin embargo, al acercarse LE a 620 N/mm², el lubricante residual se vuelve factor potencialmente importante si se quiere evitar AIH, a menos que se use precalentamiento relativamente alto. Cuando LE supera 830 N/mm², el lubricante residual debe mantenerse lo más bajo posible.

La importancia de los residuos se refleja en los efectos del H₂ sobre AIH en soldaduras con LE de 930 N/mm² donde se debe minimizar controlando la velocidad de enfriamiento. En este caso, la velocidad se determina a 540 °C, temperatura cercana a la transformación de austenita a martensita. A velocidad de enfriamiento rápida de ~30 °C/seg, 4 ppm de H₂ en superficie del alambre causaron AIH. Para estar seguramente libre de AIH, el H₂ debe mantenerse < 3 ppm. Ajustando técnica de soldadura, precalentamiento, o ambos, para retardar la velocidad a 540 °C a < 20 °C/seg, la tolerancia para H₂ en el alambre aumenta a 5 ppm.

Como se indicó en medición de H₂, es difícil predecir la cantidad que se transfiere a la soldadura desde contaminantes superficiales descompuestos en el arco (o antes de alcanzarlo), especialmente cuando el nivel se mide en ppm de un dígito. Este nivel es tan bajo que impide usar técnica de evolución de gas para medir H₂. La mayor tolerancia a contaminantes a menor velocidad de enfriamiento puede deberse tanto a microestructura más blanda como a escape de H₂. Para retener alta resistencia, la mayor velocidad de enfriamiento es necesaria. Generalmente hay una caída brusca de resistencia al bajar la velocidad por debajo de 10 °C/seg. Obviamente, para obtener la soldadura más fuerte posible sin AIH, es necesario minimizar la presencia de contaminantes que contengan H₂.

Lograr niveles muy bajos de H₂ no es posible con otros procesos de soldadura por arco, porque necesitan fundentes en lugar de gases protectores. Los fundentes pueden absorber agua. La importancia de la humedad en fundente de arco sumergido sobre la sensibilidad al agrietamiento de metal de soldadura con LE de 830 N/mm² muestra que nivel de H₂ difusible tan bajo como 7 ml/100 g puede reducir la tensión crítica a 105 N/mm² (1 ppm H₂ = 1,11 ml/100 g). Incluso horneando el fundente para reducir H₂ difusible < 2 ml/100 g no elimina AIH; la tensión crítica permanece < 415 N/mm². Es obvio que las condiciones de soldadura por arco sumergido no son aceptables. O el acero es inusualmente sensible al H₂ o el fundente no puede secarse lo suficiente para reducir la contaminación.

Problema similar de AIH en SMAW cuando la resistencia de soldadura supera 480 N/mm². Por esto, se desarrollaron electrodos de bajo H₂ específicamente para minimizar, si no prevenir, el problema. El revestimiento de electrodo de bajo H₂ se formula sin material orgánico. Se hornea a > 430 °C para reducir humedad residual a ~0,1 %. Es casi el nivel más bajo practicable, ya que la ausencia de humedad tiende a hacer el revestimiento frágil. El efecto del horneado sobre humedad residual en fabricación inicial muestra que incluso con control cuidadoso de formulación y horneado, el nivel de humedad no puede reducirse lo suficiente para prevenir AIH en acero con LE > 830 N/mm².

La humedad en electrodos de bajo H₂ suele especificarse como 0,2 % máx. Este nivel es el esperado en revestimientos de electrodos comerciales, recién sacados de contenedores herméticos. Sin embargo, expuestos a aire cálido y húmedo, el revestimiento reabsorbe humedad. La velocidad de captación depende de los componentes del revestimiento. En algunos casos, la humedad reabsorbida puede superar 1 %. Por esto, los electrodos deben almacenarse en hornos calefactados en días cálidos y húmedos y exponerse a atmósferas de taller solo por cortos periodos.

Se han desarrollado revestimientos resistentes a la humedad para contrarrestar la reabsorción. Aunque son seguros en atmósferas relativamente frescas y moderadamente húmedas, se necesita precaución extra en condiciones tropicales. Es posible recuperar electrodos "húmedos" re-horneándolos a temperaturas cercanas a las de fabricación. Tiempo de secado ~1 hora a ~400-425 °C. Aunque el re-horneado puede recuperar electrodos expuestos inadvertidamente a humedad, no debe repetirse ya que los electrodos están aleados con polvos metálicos que pueden oxidarse, resultando aleaciones más pobres y débiles.

El re-horneado causa pérdida de Mn y Si en el metal de soldadura, reduciendo el LE. Esto ocurre incluso con re-horneado controlado. Desafortunadamente, el mismo cuidado no siempre se toma en talleres. Se pueden esperar pérdidas significativamente mayores en contenidos de Mn y Si, así como en propiedades mecánicas.