Desgarro laminar en soldaduras y aceros al carbono de baja aleación

¿Qué es el desgarro laminar?

El desgarro laminar o agrietamiento lamelar es un fenómeno de agrietamiento que ocurre en placas gruesas tratadas con Al que se someten a tensiones de soldadura transversales elevadas (de espesor total). El problema está relacionado con la presencia de inclusiones de MnS aplanadas (laminadas) en el acero madre tratado con Al, que se encuentran paralelas a la superficie de la placa y dan baja ductilidad en la dirección del espesor (transversal corto). Las inclusiones alargadas en diferentes planos en el borde de la HAZ visible se agrietan o se descoheren, uniéndose para formar grietas escalonadas, que progresan aproximadamente paralelas a la superficie de la placa como desgarros lamelares.

Desgarro laminar

Etapas del desgarro laminar

Un desgarro laminar tiene lugar en tres etapas como:

  1. Inicio de la separación y formación de huecos en las inclusiones en el metal base.
  2. Formación de “terrazas” de grietas mediante la unión de separaciones individuales.
  3. Unión de terrazas por falla de cizallamiento. La lágrima en sí exhibe un característico perfil en terrazas, y es este aspecto de terraza escalonada lo que distingue una lágrima laminar de una discontinuidad ordinaria.

¿Cómo afecta el desgarro laminar a la calidad de la soldadura?

El desgarro laminar es principalmente un problema al depositar soldaduras a tope en T o de filete pesado, a diferencia de la soldadura a tope recta porque la orientación de la soldadura significa que las deformaciones por contracción actúan a través del espesor. Cuando se necesita buena ductilidad en la dirección del espesor a través, esto puede especificarse al pedir acero, como se indica en los códigos, por ejemplo, BS EN 10164: 2004. Se requieren pruebas de reducción transversal corta en el área (STRA) para obtener un mínimo del 20 al 30%. A menudo, estos aceros se denominan aceros de grado Z (que tienen propiedades garantizadas en la dirección Z o espesor pasante). Esta mejora puede producirse mediante una reducción suficiente del contenido de azufre y mediante el control de la forma de inclusión, que se consigue añadiendo Ca o metales de tierras raras al acero fundido.

Desgarro laminar

Causas o motivo del desgarro laminar

El desgarro laminar ocurre cuando existen menos de tres condiciones tales como:

  1. Uso de placa laminada susceptible que tiene inclusiones para hacer uniones soldadas y,
  2. Alta tensión transversal que actúa a lo largo del espesor pasante o en la dirección Z (corta) de la placa.
  3. Orientación de la soldadura.

La placa laminada susceptible se refiere al material de base como una placa que tiene una ductilidad muy baja en la dirección transversal corta (Z), lo que provoca el desgarro del material incluso en la tensión de soldadura normal, ya que el área de la inclusión carece de la resistencia para soportar tensiones. Esta baja ductilidad se debe a la presencia de inclusión no metálica (MnS) que se aplanará y alargará durante el laminado en caliente del material.

Mecanismo de desgarro / agrietamiento laminar

Los factores que se mencionan a continuación contribuyen al agrietamiento o desgarro laminar.

1) Ductilidad de espesor reducido del material parental, también denominada ductilidad transversal corta.

2) Espesor del material.

3) Gran cantidad de largueros o inclusión a lo largo de la dirección de laminación.

4) Geometría de la junta soldada.

El desgarro lamelar ocurre en la región HAZ de C-Mn o acero de baja aleación, justo fuera de la región transformada entre estructuras ferríticas-perlíticas. Las impurezas como el azufre se convertirán en sulfuro de manganeso durante el proceso de solidificación y deformación. Está orientado a lo largo de la dirección de rodadura. si el contenido de azufre es relativamente alto, superior al 0,05% en peso, entonces el larguerillo de MnS será continuo a lo largo de la dirección de laminación. Si el contenido de azufre es inferior al 0,05%, el MnS se vuelve discontinuo. 

Desgarro laminar

Cuantificación de agrietamiento / desgarro laminar (prueba STRA)

La mayoría de las pruebas utilizadas para cuantificar el desgarro laminar en el material se basan en el tipo de autocontención, donde las soldaduras producen una tensión de alto espesor.

Otro tipo de cuantificación del desgarro laminar es realizar una prueba STRA (Área de reducción transversal corta). Esta es una prueba simple que da alguna indicación de susceptibilidad al agrietamiento laminar. En este, la probeta se somete a una prueba de tracción con su eje perpendicular a la superficie de la placa. Se mide como un porcentaje en el área de reducción, cuanto mayor es el valor de% R, mayor es la resistencia al desgarro o agrietamiento laminar. t mide la ductilidad a través del espesor de una placa de acero (la dirección Z). Los aceros con bajo STRA se asocian comúnmente con un alto nivel de inclusiones de óxido o sulfuro laminado y no existe un grado de acero propenso al desgarro laminar como los aceros con bajo STRA.

La regla general establece que los aceros con STRA superior al 20% son resistentes al desgarro, mientras que los aceros con menos del 10 al 15% de STRA deben usarse solo en juntas ligeramente restringidas. Los proveedores de acero pueden proporcionar acero que haya sido sometido a una prueba de espesor total con un valor STRA superior al 20%. 

Diseños de juntas sensibles y mejorados para desgarro laminar

Se pueden tomar varias medidas para evitar el desgarro laminar, el aspecto principal es el diseño de soldadura mejorado, como se muestra en la siguiente figura.

Diseño de desgarro laminar

Prevención del desgarro laminar

  1. Utilice electrodos de bajo hidrógeno al soldar grandes juntas en T y esquinas. El hidrógeno absorbido no se considera una causa principal de la iniciación del desgarro laminar, pero el uso de electrodos de bajo hidrógeno en juntas grandes (longitudinales, transversales o de espesor) para minimizar la tendencia al agrietamiento en frío inducido por hidrógeno es una buena práctica en cualquier caso. El uso de electrodos sin bajo contenido de hidrógeno puede provocar problemas.
  2. En uniones grandes, la secuencia de pasadas de soldadura de una manera que construye la superficie del metal base tensionado en la dirección longitudinal antes de depositar los cordones de soldadura contra la cara del metal base tensionado en la dirección del espesor pasante. Este procedimiento permite que una parte significativa de la contracción de la soldadura tenga lugar en ausencia de restricción.
  3. En las juntas de esquina, cuando sea posible, la preparación de la junta biselada debe realizarse sobre el metal base tensionado en la dirección del espesor total de modo que el metal de soldadura se fusione con el metal base en un plano en el espesor del metal base al máximo grado práctico.
  4. Las juntas de doble V y doble bisel requieren la deposición de mucho menos metal de soldadura que las juntas de una sola V y de bisel simple y, por lo tanto, reducen la cantidad de contracción de la soldadura para adaptarse a aproximadamente la mitad. Cuando sea práctico, el uso de tales juntas puede resultar útil.
  5. En soldaduras que involucran varias juntas de metal base de diferentes espesores, las juntas más grandes deben soldarse primero para que los depósitos de soldadura que pueden involucrar la mayor cantidad de contracción de la soldadura puedan completarse en las condiciones de menor restricción posible. Las uniones más pequeñas, aunque soldadas en condiciones de mayor restricción, implicarán una menor cantidad de contracción de la soldadura para adaptarse.
  6. El área de los miembros a los que las soldaduras grandes transferirán tensiones en la dirección del espesor pasante debe inspeccionarse durante el diseño para asegurar que la contracción de la soldadura de la unión no aplique deformaciones del espesor total en el metal base con laminaciones preexistentes o inclusiones grandes (ver ASTM A578).
  7. Se ha demostrado que el granallado ejecutado correctamente de pasadas de soldadura intermedias reduce el potencial de desgarro laminar. Las pasadas de raíz no se deben granular para evitar la posibilidad de introducir grietas en las pasadas de soldadura delgadas iniciales que pueden pasar desapercibidas y luego propagarse a través de la junta. Las pasadas intermedias deben martillarse con una herramienta de punta redonda con suficiente vigor para deformar plásticamente la superficie de la pasada y cambiar los residuos de tracción a tensiones residuales de compresión, pero no tan vigorosamente como para causar una superficie cortada o superposiciones. Las pasadas de acabado no deben pulirse.
  8. Evite el uso de metal de aporte con exceso de resistencia.
  9. Cuando sea práctico, use metal base con bajo contenido de azufre (<0,006%) o metal base con propiedades de espesor pasante mejoradas.
  10. Las juntas críticas deben ser examinadas por RT o UT después de que la junta se haya enfriado a temperatura ambiente.
  11. Si se detectan pequeñas discontinuidades, el ingeniero debe evaluar cuidadosamente si las discontinuidades pueden dejarse sin reparar sin poner en peligro la idoneidad para el servicio o la integridad estructural. La soldadura por ranurado y reparación agregará ciclos adicionales de calentamiento y enfriamiento y contracción de la soldadura en condiciones de restricción que probablemente sean más severas que las condiciones bajo las cuales se solda inicialmente la junta. Las operaciones de reparación pueden causar una condición más perjudicial.
  12. Cuando se identifican roturas lamelares y se considera aconsejable la reparación, el trabajo no debe realizarse sin antes revisar el WPS y hacer un esfuerzo para identificar la causa del resultado insatisfactorio. Es posible que se requiera un WPS especial o un cambio en el detalle de la junta.

Estándares de aceptación para desgarro / agrietamiento laminar

Como los desgarros lamelares son imperfecciones lineales que tienen bordes afilados, no están permitidos para soldaduras que cumplan con los niveles de calidad B, C y D de acuerdo con los requisitos de BS EN ISO 5817: 2017.

Cálculo de diseño para selección de material

La tabla 3 de DIN EN 1993-1-10 (Eurocódigo 3) especifica los criterios para el cálculo y la selección del material requerido.
A partir de un espesor de chapa> 30 mm, se debe calcular la ZEd requerida, utilizando la Tabla 3.2. 

El riesgo de desgarro laminar puede despreciarse si se cumplen las siguientes condiciones:
ZEd ≤ ZRd

Esto sigue que
ZEd = el valor Z requerido, que resulta de la magnitud de la deformación del material base debido a la contracción obstruida de la soldadura.
ZRd = el valor Z disponible del material según EN 10164, es decir Z15, Z25 o Z35.

El valor Z requerido ZEd se puede determinar usando la siguiente fórmula y la Tabla 3.2 de DIN EN 1993-1-10:
ZEd = Za + Zb + Zc + Zd + Ze

Consulte la tabla siguiente para conocer los criterios que afectan el valor objetivo de zEd.

Diseño de desgarro laminar