Discontinuidades en Soldaduras: Un Análisis Detallado del Capítulo 6 del Curso AWS D1.1

El instructor, Ingeniero Carlos Oliva, da la bienvenida a los estudiantes al curso de inspector de soldadura AWS D1.1, centrándose específicamente en el Capítulo 6, que trata sobre las discontinuidades en la soldadura.

Las discontinuidades se definen como imperfecciones en soldaduras o metales base. Si bien idealmente, una soldadura robusta no debería tener discontinuidades, existen varios grados de imperfecciones. Es crucial diferenciar entre discontinuidades y defectos; estos últimos son inaceptables, mientras que algunas discontinuidades pueden ser permisibles.

La responsabilidad principal de un inspector de soldadura es verificar que el trabajo del fabricante cumpla con los requisitos contractuales. Esto requiere familiaridad con los estándares de aceptación que delinean los límites aceptables para las discontinuidades.

Para determinar si una discontinuidad es un defecto, los inspectores deben considerar tres criterios: el tipo de discontinuidad, su tamaño y su ubicación. Estos factores ayudan a evaluar la gravedad de la discontinuidad.

Las discontinuidades se clasifican en varios tipos, incluyendo porosidad, inclusiones metálicas y no metálicas, falta de relleno o reparación, fusión incompleta y penetración, desbaste, laminación y otros. Cada tipo presenta desafíos e implicaciones únicas para la integridad de la soldadura.

La porosidad ocurre cuando el gas queda atrapado en el metal durante la solidificación de la soldadura. Este gas puede originarse del proceso de soldadura o de materiales contaminados. Las técnicas de soldadura adecuadas son esenciales para prevenir la captura de gas, ya que la porosidad puede manifestarse como discontinuidades redondeadas o, en casos severos, discontinuidades cilíndricas conocidas como porosidad vermicular.

Aunque pequeñas cantidades de porosidad pueden no aumentar significativamente el estrés, son menos críticas en comparación con discontinuidades con bordes afilados. La presencia de porosidad a menudo indica un control inadecuado del proceso de soldadura o contaminación del metal base y del fundente.

La discusión comienza con la identificación de los tipos de porosidad en las soldaduras, enfatizando que la porosidad agrupada puede indicar un inicio o finalización inadecuados de la soldadura. En contraste, la porosidad distribuida uniformemente podría derivarse de materiales defectuosos o técnicas de soldadura inadecuadas. La porosidad distribuida al azar no es inherentemente perjudicial para la resistencia de la soldadura, pero la porosidad alineada, particularmente cuando forma grupos o colas, se considera generalmente inaceptable. La porosidad alineada a lo largo de un borde de la junta sugiere contaminación que llevó a una reacción química, produciendo gas no deseado, que podría haberse evitado con una adecuada preparación de la junta.

Se presenta un ejemplo de una soldadura que exhibe porosidad dispersa, destacando su mala calidad. El orador señala que cierta porosidad puede no ser visible durante la inspección visual, pero aún existe dentro de la soldadura. En el caso de las soldaduras de filete cóncavas, la porosidad superficial puede detectarse visualmente, mientras que la porosidad más profunda, ubicada hasta 15 milímetros por debajo de la superficie, no puede identificarse utilizando líquidos penetrantes o partículas magnéticas, ya que estos métodos requieren exposición de la superficie. Sin embargo, la inspección con partículas magnéticas puede revelar porosidad interna en ciertos casos, mientras que se recomiendan la radiografía y las pruebas ultrasónicas para uniones de penetración completa.

El hablante describe varios tipos de porosidad, incluyendo la porosidad agrupada, también conocida como nidos de porosidad, y la porosidad tubular o vermicular, que se asemeja a formaciones similares a gusanos. Este tipo de porosidad a menudo se rechaza debido a su alineación lineal, que puede imitar una falta de fusión. La porosidad alargada es característica de los procesos de soldadura por arco sumergido o soldadura por arco con núcleo de fundente.

Se discuten a continuación las inclusiones, definidas como materiales sólidos atrapados durante la solidificación del metal. Su presencia interrumpe la continuidad de la soldadura, lo que lleva a una pérdida de integridad estructural. El orador señala que las inclusiones pueden ser escoria atrapada entre pasadas, con ejemplos que muestran líneas de escoria en la raíz o superficie de la soldadura. También se mencionan inclusiones metálicas, como piezas de cobre de uso en la parte trasera de cobre o tungsteno de procesos de electrodos no consumibles, junto con inclusiones no metálicas como óxidos y escoria.

Las inclusiones en la soldadura son causadas principalmente por técnicas de soldadura inadecuadas o limpieza insuficiente, así como por fallos de diseño que no permiten un acceso adecuado para la soldadura dentro de la junta. Cuando la configuración de la junta lo permite, la escoria fundida y los óxidos tienden a fluir hacia la parte superior de la soldadura. Los ángulos agudos alrededor de la junta o entre pasadas a menudo atrapan escoria debajo del metal de soldadura fundido. Un tipo específico de inclusión, conocido como 'guías de tren', ocurre cuando un soldador crea una pasada de raíz convexa en una junta en ranura sin limpiar adecuadamente la escoria a cada lado, lo que resulta en inclusiones de escoria alargadas que aparecen como líneas paralelas en imágenes radiográficas.

Inclusiones metálicas, compuestas típicamente por partículas de tungsteno, se observan con mayor frecuencia en la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) y también pueden ocurrir en la soldadura por arco de plasma (PAW) cuando se aplica incorrectamente. Estas inclusiones de tungsteno aparecen como puntos brillantes en radiografías debido a la alta opacidad del tungsteno a la radiación, contrastando con otras discontinuidades que se muestran como áreas oscuras. Las inclusiones de cobre surgen cuando se utilizan barras de cobre para respaldo o refuerzo, particularmente en la soldadura por electroescoria, y también pueden resultar del sobrecalentamiento de boquillas de cobre durante la soldadura por arco de plasma.

La fusión incompleta es un defecto donde el metal de soldadura fundido no se fusiona con el metal base en la unión o con los cordones de soldadura adyacentes. Este problema generalmente surge de la aplicación insuficiente de calor a todas las superficies de la unión, pero también puede verse agravado por la presencia de óxidos que se adhieren firmemente al metal base, impidiendo una fusión adecuada. Ejemplos visuales ilustran la fusión incompleta entre el metal base y el cordón de soldadura, destacando áreas donde la soldadura no se conecta adecuadamente con el bisel o entre pasadas.

La falta de relleno se refiere a una depresión en la cara o superficie de la raíz de la soldadura que se extiende por debajo de la superficie del metal base adyacente. Esto ocurre cuando un soldador no logra llenar completamente la ranura, lo que resulta en un tamaño de soldadura más pequeño. En la soldadura de tuberías, esta condición también se conoce como concavidad interna o succión inversa. Ejemplos fotográficos demuestran casos claros de falta de relleno, donde la soldadura es notablemente más baja que el metal base, enfatizando que la soldadura nunca debe estar por debajo del nivel del metal base.

La penetración incompleta de la junta ocurre cuando el metal de soldadura no se extiende completamente a través del grosor de la junta. El grado de penetración requerido debe especificarse en los planos, y su logro depende de la accesibilidad de la fuente de calor y la varilla de relleno a la cara de la junta. Esta discontinuidad también puede surgir de un diseño de junta inadecuado, y se caracteriza por una penetración insuficiente o una presentación incorrecta de la junta, que es menor de lo especificado. Muchos códigos requieren el uso de respaldo de junta para soldaduras de un solo lado o preparación de la ranura en el lado opuesto para ranuras dobles para garantizar una penetración completa.

La penetración incompleta puede manifestarse solo en la raíz de la junta o en cualquier lugar dentro de la junta, como en el cordón de soldadura, las cargas de la ranura y entre las pasadas de soldadura. Para prevenir la penetración incompleta, la limpieza y preparación adecuadas de la raíz son esenciales, asegurando que se aborden todas las áreas que carecen de penetración. Se debe tener cuidado durante la aplicación del cordón de soldadura para evitar empeorar la situación dejando áreas de fusión incompleta.

Se ilustran dos ejemplos de penetración incompleta: una foto muestra una penetración inadecuada en la raíz, mientras que otra indica un problema de ensamblaje de la junta donde no se dejó suficiente separación para que la soldadura penetrara desde arriba. En la soldadura superior, a pesar de cierta separación, una mala técnica de soldadura contribuyó al defecto.

La superposición se define como la superposición del metal de soldadura sobre el metal base sin fusión. Este defecto resulta en una muesca mecánica severa en la superficie y es similar a la fusión incompleta, diferenciándose principalmente en la ubicación de la falla de fusión. La superposición ocurre debido a la incapacidad del metal de soldadura para fusionarse con la superficie, a menudo exacerbada por óxidos fuertemente adheridos en el metal base. Es causada por una falta de control sobre las variables del proceso de soldadura, particularmente por una insuficiente entrada de calor, baja corriente, velocidad de desplazamiento inadecuada, selección incorrecta de materiales de soldadura y la falta de eliminación de contaminantes en la superficie.

La acumulación excesiva de refuerzo ocurre cuando hay una acumulación excesiva de metal de soldadura en la ranura de soldadura. Tanto la superposición como el desbaste crean muescas en el borde de la soldadura, que son puntos críticos donde pueden desarrollarse grietas dependiendo del tipo de carga en la soldadura. El código AWS D1.1 prohíbe la superposición, y se muestran ejemplos de defectos de superposición, destacando áreas donde la soldadura no se fusionó adecuadamente con el metal base, dejando huecos significativos.

La socavación, también conocida como 'mordedura', es una discontinuidad superficial causada por la fusión del metal base en la punta o raíz de la soldadura, lo que resulta en una apariencia similar a una muesca. Este defecto surge de la aplicación excesiva de calor, corriente de soldadura excesiva o manejo inadecuado del electrodo, lo que puede llevar a la fusión fuera del metal base. Las velocidades de desplazamiento lentas durante la soldadura también pueden contribuir a este problema. Un ejemplo ilustra una muesca formada en una soldadura de filete debido al calor excesivo, causando que el metal fundido se hunda bajo la gravedad.

La discusión transita hacia la discontinuidad conocida como 'traslape', donde el calor excesivo provoca que el material base se derrita en exceso, lo que lleva a que el cordón de soldadura se hunda hacia abajo. Esto resalta la naturaleza crítica de la gestión del calor durante los procesos de soldadura.

La laminación se refiere a discontinuidades planas en el metal base, típicamente alargadas y encontradas cerca del centro de los productos laminados. Estos defectos se originan en cavidades de gas en el lingote que forman bandas durante el proceso de laminado, pero no se sueldan bajo la presión de laminado en caliente. Las laminaciones se encuentran comúnmente en perfiles y placas, a menudo cerca del centro del grosor del material, y pueden comprometer la capacidad del material para transmitir estrés de manera confiable. La prueba ultrasónica es el método más efectivo para detectar laminaciones, ya que no son visibles en exámenes radiográficos.

Las costuras y solapas son discontinuidades lineales en el metal base que se encuentran en productos laminados debido a prácticas de fabricación inadecuadas. A diferencia de las laminaciones, estos defectos siempre aparecen en las superficies laminadas. Cuando estas costuras son paralelas a la dirección principal de esfuerzo, generalmente no se consideran defectos críticos. Sin embargo, si son perpendiculares a los esfuerzos aplicados o residuales, pueden propagarse como grietas, especialmente al soldar sobre estas costuras, lo que puede llevar a agrietamientos.

El desgarro laminar es una separación por fractura que ocurre típicamente en ensamblajes soldados gruesos, que se encuentra dentro o justo por debajo de la zona afectada por el calor en placas gruesas que no han sido adecuadamente refinadas en la acería. Este defecto enfatiza la importancia del tratamiento y refinamiento adecuado del material para prevenir tales fallas.

La discusión comienza con la transformación del metal de su estado de lingote a placas estructurales finales y perfiles gruesos. Se destaca que, aunque el laminado y la forja otorgan buenas propiedades en la dirección longitudinal (dirección X), la resistencia y la ductilidad en la dirección de espesor (dirección Z) son deficientes.

Una soldadura grande mal colocada adyacente a una placa gruesa puede transmitir tensiones de contracción en la dirección más débil, lo que lleva a desgarros laminares. Este fenómeno, descrito como desgarro laminar, ocurre porque la placa se comporta como si estuviera compuesta de hojas apiladas, resultando en desgarros paralelos que se conectan a través de fracturas de sellado, creando puntos de concentración de tensiones perpendiculares a la superficie.

Los ingenieros deben rediseñar las juntas para alinear las concentraciones de estrés con la dirección de rodadura para mitigar el desgarro laminar. Estos desgarros pueden extenderse a grandes distancias y se encuentran más profundos que las grietas, diferenciándose en forma, causa y ubicación.

Ejemplos de desgarro laminar incluyen una junta biselada con soldaduras de filete, donde los contaminantes internos conducen a la separación debido a las tensiones de contracción. La discusión enfatiza que las placas gruesas disipan el calor rápidamente durante la soldadura, causando contracciones significativas que pueden exceder el límite de fractura del material.

Cuando las tensiones localizadas superan la resistencia del material, pueden formarse grietas en la soldadura o en el metal base. La agrietamiento a menudo se asocia con discontinuidades en las soldaduras y metales base, como muescas, y se agrava por tensiones residuales y la fragilización por hidrógeno. Las grietas suelen aparecer como material frágil con poca evidencia de deformación a su alrededor.

Las fisuras se pueden clasificar en fisuras calientes, que se desarrollan a altas temperaturas durante la solidificación, y fisuras frías, que ocurren después de la solidificación debido a tensiones inducidas por el servicio. Las fisuras calientes a menudo se originan en puntos de solidificación preferenciales y se propagan entre granos, mientras que las fisuras frías están relacionadas con la presencia de hidrógeno y microestructuras susceptibles a la fisuración.

Las grietas longitudinales corren paralelas al eje de la soldadura y están alineadas con el metal base, mientras que las grietas transversales son perpendiculares al eje de la soldadura. Las grietas longitudinales se encuentran entre las discontinuidades más severas, con extremos afilados y una alta probabilidad de propagación. La mayoría de los códigos de soldadura rechazan la presencia de grietas debido a su naturaleza crítica.

Las grietas de cráter ocurren en uniones soldadas, específicamente en el metal base, y a menudo se encuentran en la app (el área adyacente a la soldadura). Estas grietas son el resultado de una terminación inadecuada de un pase de soldadura y se clasifican como grietas en caliente, a veces denominadas grietas en estrella debido a su apariencia que se asemeja a un sol. Típicamente, se propagan en múltiples direcciones desde el centro del cráter, pero pueden tomar diversas formas. Las grietas de cráter generalmente tienen profundidades superficiales, lo que permite su eliminación con un mínimo de esmerilado.

Las grietas longitudinales, también conocidas como grietas de garganta, aparecen en la cara de las soldaduras de ranura y de filete. Estas grietas son generalmente grietas frías que se inician y propagan desde el borde de la soldadura, donde las tensiones residuales son altas, particularmente cuando hay una convexidad excesiva o refuerzo en la soldadura. Típicamente comienzan en un ángulo normal a la superficie del metal, pero tienden a curvarse a lo largo del camino de la soldadura.

Las grietas en la raíz son grietas longitudinales ubicadas en la raíz de la soldadura y a menudo están asociadas con grietas en caliente. Las grietas debajo del cordón de soldadura y en el metal base son generalmente grietas en frío que pueden ser pequeñas pero pueden unirse en una grieta continua, especialmente bajo tres condiciones simultáneas: la presencia de hidrógeno, materiales de alta resistencia (como aquellos con una resistencia a la fluencia de 30 ksi o más) y tensiones residuales elevadas.

Las fisuras son separaciones de tamaño pequeño a moderado a lo largo de los límites de grano de la soldadura. Son más visibles en soldaduras por electroescoria y por arco sumergido debido a los tamaños de grano típicamente grandes. Las fisuras se pueden clasificar como calientes o frías, siendo el término 'microfisura' utilizado para separaciones muy pequeñas que requieren magnificación para ser observadas, mientras que las 'macrofisuras' son lo suficientemente grandes como para ser vistas a simple vista.

Pueden ocurrir varios tipos de grietas en un cordón de soldadura y en el metal base. Estas incluyen grietas de cráter, que resultan de una terminación inadecuada de la soldadura, y grietas transversales que cruzan el cordón de soldadura. Las grietas longitudinales pueden parecer finas en la superficie, pero pueden ser profundas. También pueden ocurrir grietas frías en la aplicación, mientras que las grietas de fusión incompleta y las grietas de raíz pueden extenderse a lo largo de toda la soldadura. Además, las grietas en el borde o en el pie pueden propagarse a lo largo de toda la soldadura.

Los arcos eléctricos representan una fusión accidental o sobrecalentamiento del depósito de soldadura, típicamente causados por el arco de soldadura. También pueden ocurrir debido a una conexión suelta en el equipo de soldadura, lo que lleva a un derretimiento no intencionado del metal base.

Los arcos eléctricos pueden ocurrir debido a un contacto inadecuado de las puntas de contacto utilizadas en los exámenes de partículas magnéticas, lo que resulta en un área pequeña re-fundida que puede llevar a problemas como el desbaste, la endurecimiento o la fisuración localizada, dependiendo de la composición del material. Esto convierte a los arcos eléctricos en una condición peligrosa que podría causar una falla catastrófica de la estructura soldada.

La práctica de iniciar el arco pasándolo sobre el metal para calentar la punta, conocida como 'cerrado', está prohibida por las normas AWS D1.1. Esta técnica puede tener efectos perjudiciales en la integridad de la soldadura.

En la inspección por partículas magnéticas, existe una técnica que involucra dos electrodos. Típicamente, el 95% de la configuración implica electrodos colocados de manera central, hechos de cobre, lo que permite que una corriente significativa pase a través, calentando el área en contacto con el metal. Esto puede crear aberturas que son susceptibles a descargas de arco.

El tamaño de una discontinuidad debe ser considerado al evaluar la integridad estructural de toda la soldadura. Los estándares de aceptación especifican tamaños permisibles basados en dimensiones lineales. Si bien algunas discontinuidades son aceptables si no superan los límites especificados, las grietas generalmente se consideran inaceptables independientemente de su longitud. Las discontinuidades no lineales suelen permitirse más grandes que las lineales.

La ubicación de una discontinuidad puede indicar su causa y gravedad. Por ejemplo, la presencia de porosidad puede sugerir contaminación. Los inspectores de soldaduras deben considerar la ubicación y orientación de las discontinuidades para evaluar cuánto se ha comprometido la capacidad de carga de la estructura. En estructuras sometidas a cargas de fatiga cíclica, las discontinuidades expuestas en la superficie a menudo se consideran más críticas que las ocultas bajo la superficie, incluso si estas últimas son más grandes.

Los inspectores de soldadura tienen la tarea de examinar las soldaduras para determinar su aceptabilidad de acuerdo con varios códigos y especificaciones. Una parte crucial de este rol implica identificar visualmente las discontinuidades de la soldadura. Los inspectores deben ser hábiles en reconocer diferentes tipos de discontinuidades, ya que no todas son igualmente permisibles. Además, deben comprender las condiciones que pueden llevar a la formación de estas discontinuidades, lo que les permite tomar acciones correctivas para prevenir su recurrencia.