Influencia del estado de consumibles y del precalentamiento en la susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno en la soldadura de un acero para blindajes

Jimy Unfried S. ^1,2*, Edwar Torres L. ^1,2, Jorge E. Giraldo ^1*, Uriel Bastidas O.¹

¹ Grupo de Soldadura, Universidad Nacional de Colombia. Sede de Medellín, Colombia.

² Laboratorio Nacional de Luz Síncrotron LNLS, Laboratorio de Microscopia Electrónica LME. Campinas, Brasil. * E-mail: junfried@lnls.br,  jegirald@unal.edu.co

Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html

Resumen

Fue evaluada la susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH) en soldaduras de un acero para blindajes bajo especificación MIL A46100 usando un ensayo de implante con geometría modificada, metal de aporte AWS E11018M y el proceso al arco eléctrico con electrodo revestido SMAW con baja entrada de energía. Las soldaduras estudiadas se produjeron con y sin aplicación de precalentamiento, y utilizando electrodos con y sin exposición a condiciones atmosféricas. Se encontró que la susceptibilidad al AIH se incrementó bajo condiciones inapropiadas de almacenamiento y manejo de electrodos, mientras que el precalentamiento no tuvo incidencia relevante en el AIH. 

Palabras Clave: Agrietamiento inducido por hidrógeno, Acero para blindajes, Ensayo de implante

Abstract

The susceptibility to hydrogen induced cracking (AIH) of welding joints in an armor steel specification MIL A46100 using an implant test with modified geometry, recovering electrodes AWS E11018M and SMAW process with low input energy was evaluated. The welded joints were produced with and without preheating and using welding electrodes with and without exposure to atmospheric conditions. The AIH resistance was severely impaired by improperly stored conditions of the welding electrodes. Preheating conditions did not preclude AIH.  

Key words: Hydrogen induced cracking, Armor steels, Implant test

Recibido: 22-Feb-2007; Revisado: 25-Oct-2007; Aceptado: 12-Nov-2007 Publicado On-Line:  05-Dic-2007

1. Introducción

Los aceros templados y revenidos en blindajes son empleados en la industria militar para la fabricación de diversos componentes para buques, tanques y garitas con el objetivo de reducir peso y evitar la penetración de proyectiles. El proceso de manufactura más eficaz y eficiente utilizado en la producción de tales estructuras es la soldadura [1]. La resistencia a la penetración de este tipo de materiales se deriva de una microestructura de martensita revenida o una combinación de martensita revenida y bainita que pueden ofrecer al mismo tiempo alta resistencia al impacto y altos valores de dureza [2]. De acuerdo con Madhusudhan et al. [3], entre mayor sea la dureza mejor será el comportamiento balístico exhibido.

La microestructura de estos materiales se altera significativamente por la acción del calor localizado de los procesos de soldadura al arco, presentándose una fuerte alteración (modificación) de la dureza en la zona afectada térmicamente y cuya extensión es función del proceso de soldadura usado [1,3-6]. Diversos estudios han mostrado que independiente del proceso de soldadura en la zona adyacente al metal fundido se presenta una región con martensita no revenida que posee una dureza del orden de 500 a 550 HV que se extiende entre 2 a 3 mm [1,4,6-7].

Uno de los principales problemas de soldabilidad que puede experimentarse durante la soldadura de estos materiales se debe a la susceptibilidad de la martensita a la fragilización por hidrógeno, el cual puede provenir de la presencia de humedad en los consumibles, que puede conducir a la nucleación y crecimiento de grietas debajo del cordón cuando se generan esfuerzos asociados con el calentamiento localizado de soldadura [8-9], fenómeno también conocido como agrietamiento retardado o agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH).

1.1 Susceptibilidad al AIH

Para evitar la ocurrencia del AIH deben establecerse condiciones de soldadura que reduzcan los niveles de hidrógeno en el metal fundido que migraría desde la zona de fusión hacia la zona afectada térmicamente (ZAT) [8], o inhibir la formación de martensita no revenida en la ZAT a través del control de las tasas de enfriamiento, como por ejemplo, a través del uso de altas temperaturas de precalentamiento. Para medir la susceptibilidad al AIH se han propuesto diversos tipos de ensayos estandarizados, como el ensayo de severidad térmica controlada (STC), el ensayo de placa H y el ensayo de implante.

El ensayo de severidad térmica controlada STC [10-11] consiste en el montaje de dos placas, una rectangular y otra cuadrada, restringidas físicamente con el uso de un perno y de dos cordones de soldadura, disponiéndose otros dos cordones de prueba en las posiciones señaladas en la Figura 1(a). Después de la aplicación de cada cordón de prueba el sistema es enfriado en agua en calma. Se disponen cortes de muestras metalográficas como se muestra en la Figura 1(b) para buscar grietas. Este ensayo puede usarse para estimar la susceptibilidad al AIH, o en la zona afectada por el calor ZAT, o en el cordón de soldadura. Igualmente tiene la ventaja de reproducir bajo control los parámetros de soldadura y de usar cordones cortos. Como desventajas están el requerimiento de operaciones de maquinado diversas para su fabricación y su probada baja reproducibilidad de los resultados de agrietamiento.

El ensayo de placa H [12] consiste en la preparación por medio de soldadura de un montaje de alta restricción mecánica usando cuatro chapas o láminas de ensayo, donde los cordones de unión conforman una H tal como lo muestra la Figura 2; el cordón horizontal, por su ubicación en el montaje, presenta la máxima restricción de todos. La principal ventaja del ensayo de placa H es que permite reproducir directamente las condiciones de fabricación de estructuras reales por su disposición y tamaño; entre sus más notables desventajas están el costo que involucra su fabricación y que el uso de diversos cordones de soldadura pueden ayudar a enmascarar el mecanismo real de agrietamiento presente cuando el fenómeno se presenta.

El ensayo de implante ha sido desarrollado para evaluar el AIH en la ZAT de soldaduras en aceros de baja aleación y alta resistencia, principalmente [10,13-14]. El cuerpo de prueba que usa este ensayo es una placa de 200 × 150 mm con el espesor de prueba, la cual tiene una perforación en el centro donde se aloja una barra o vástago de sección circular, entallada o roscada en un extremo, que hace las veces de implante, como lo muestra la Figura 3. El implante es colocado a ras con la superficie de la placa y soldado con un cordón recto bajo las variables de evaluación requeridas. El cordón de soldadura cubre totalmente la sección transversal del implante y la zona roscada o entallada de este es colocada de tal manera que queda dentro de una zona crítica de evaluación de la ZAT susceptible al AIH. Después de la aplicación del cordón de soldadura y dentro de un tiempo determinado por la norma seguida, se aplica una carga de tracción estática establecida a través del extremo no soldado del implante, la cual reproduce los efectos de la restricción mecánica sobre la zona soldada. La sección roscada o entallada del implante busca servir como zona de nucleación de grietas y de acumulación de hidrógeno por su ubicación y geometría.

El ensayo, bajo estas condiciones, busca establecer relaciones entre el esfuerzo local aplicado a través de la carga estática de tracción, el tiempo de rotura, las condiciones de soldadura aplicadas y las de los consumibles usados [13-15]. Dentro de las desventajas de este ensayo están: el requerimiento de operaciones de maquinado mas precisas, el uso de equipos adicionales y las restricciones técnicas para usarse en espesores menores a 6 mm. La principal ventaja del ensayo está en la posibilidad de controlar la restricción mecánica representada en el valor de la carga estática aplicada y el tamaño pequeño de los cuerpos de prueba.

La medida del grado de susceptibilidad al AIH en aceros templados y revenidos para blindajes posee vital importancia no solo en la prevención de este fenómeno para preservar la integridad de los componentes, sino también porque su coexistencia puede incrementar el riesgo de propagación de defectos sufridos en el material por acción del servicio [12].

No existe un método de detección o medida de la susceptibilidad al AIH que sea superior o mejor a los otros; esto es debido, principalmente, al grado de complejidad de las variables involucradas, la facilidad en la fabricación de los cuerpos de ensayo, a la aplicación y valoración, así como la confiabilidad de los resultados arrojados por unos y otros que varia de acuerdo al caso en evaluación.

En estudios de soldabilidad en materiales de espesores pequeños (< 6 mm), la evaluación confiable de la susceptibilidad al AIH puede tornarse difícil, dado que muchos estándares y normas no incluyen estos valores [11,13]. Una opción para superar este inconveniente es la realización de un ensayo de implante con perfil modificado, el cual puede extraerse fácilmente desde láminas delgadas del material en estudio.  

En este trabajo se evaluó, a través de un ensayo de implante con geometría modificada y el uso de diseño de experimentos, la influencia de la aplicación de variables de soldadura: estado de los consumibles (representados en las condiciones de manipulación o adecuación de electrodos antes de la soldadura), y el precalentamiento, ambos sobre la susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrogeno en la soldadura de placas delgadas de un acero para blindajes templado y revenido bajo la especificación MIL A46100

1.2 Ensayo de Implante Modificado

La modificación del ensayo de implante que se propone en este trabajo se basa en la elaboración de un vástago de sección cuadrada extraído directamente de la lámina a evaluar, en reemplazo de la sección transversal circular convencionalmente usada [14-15], conservándose la geometría y ubicación de la entalla. A través de la modificación de la geometría del vástago, se pretende alcanzar dos características importantes en el ensayo:

(a) El efecto pronunciado como concentrador de esfuerzos de la entalla en las esquinas de las aristas del vástago de sección cuadrada; lo anterior implica que dicho efecto debe ser valorado en la selección de la carga estática a aplicarse.

(b) Mejorar la acción de la entalla como trampa para el hidrógeno atómico con relación a la entalla en una sección transversal circular.   

En el primer caso, el efecto de cargas de tracción sobre cuerpos con entallas, ha sido ampliamente estudiado y probado, mientras para el segundo su demostración está fuera del alcance de este estudio. La Figura 4, muestra la disposición, geometría y dimensiones del ensayo de implante modificado propuesto. La longitud del vástago es 100 mm.

2. PARTE EXPERIMENtAL

La Tabla 1 muestra la composición química y las propiedades mecánicas del acero usado. Fueron utilizados cuerpos de prueba construidos a través de electroerosión en una máquina de corte ITW20015-26A con hilo de cobre de 0,25 mm de diámetro y una broca de tungsteno de 2,4 mm de diámetro, debido a la alta dureza de la chapa, todos con la geometría y dimensiones mostradas en la Figura 4.

Para realizar las soldaduras se empleó el proceso al arco eléctrico (SMAW) con electrodos revestidos del tipo AWS E11018M de 2,4mm de diámetro y con las variables de soldadura de la Tabla 2. Se utilizó una máquina multiprocesos Miller XMT300, la limpieza fue cuidadosa para evitar contaminación externa y oxidación.

 Tabla 2. Variables de soldadura aplicadas.

Para la aplicación de carga se empleó una máquina universal de tracción VEB Leipzig en la escala 1 t ± 5 kgf utilizando retorno hidráulico para mantener la carga estática. El precalentamiento se hizo en horno eléctrico. La medición de la temperatura fue realizada con un termómetro infrarrojo Fluke 125 con intervalo de operación entre -2°C a 800°C y rango de 2 m. La medida de las variables eléctricas se hizo con una pinza amperimétrica Kyoritsu RMS20009 de 2000 A 1000/750 V.

Las observaciones metalográficas fueron hechas en un microscopio óptico Olympus PME3B, un analizador de imágenes Leica GZ6 y un microscopio electrónico de barrido (MEB) Jeol JSM5910LV.

Según se muestra en la Figura 4, la parte central de la entalla se ubica a 2mm de la superficie para que ésta quede dentro de la zona afectada térmicamente con microestructura de martensita no revenida ZAT-GG en la cual se presentaría la mas alta susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno dentro del metal base cuando se empleen materiales de aporte con menor templabilidad que el metal base, tal como es este caso [9].

Para la realización de las pruebas se diseñó un experimento estadístico ANOVA cuya finalidad fue medir la influencia de algunas variables sobre el agrietamiento en la zona de la entalla del vástago del implante, el cual representa la susceptibilidad al AIH para cada condición evaluada [14]. Las variables del experimento seleccionadas fueron: temperatura de precalentamiento (TP) y estado del electrodo en relación al nivel relativo de hidrógeno en el electrodo (NH); para ambas variables se seleccionaron dos niveles. En el primer caso la aplicación de soldadura a temperatura ambiente fue denominada TP1 y con el uso de precalentamiento de 75°C, TP2. La temperatura de precalentamiento se calculó según el código AWS D1.1 [16-17], fundamentándose en la composición química y el nivel de hidrogeno del material de aporte, así como en la historia de su tratamiento y manipulación.

Para el caso del tratamiento de electrodos, se denominó NH1 al estado en que estos fueron resecados en horno a 450°C durante 1hora y luego fueron almacenados en hornos portátiles a 150°C antes de utilizarlos [18-19]; como NH2 se denominó a los electrodos expuestos a temperatura ambiente durante 24 horas en temperaturas entre 25°C-31°C y con humedades relativas entre 80-95%, simulando las condiciones ambientales de un astillero.

A partir de una desviación estándar de σ = ± 0,8mm y para obtener un nivel de confianza α = 0,05 y de potencia de β = 0,92, fue determinado que se requerirían cuatro replicas para cada una de la combinaciones de los cuatro tratamientos posibles cada una con dos de las condiciones de variables arriba descritas, lo que dio un total de 16 cuerpos de prueba ensayados.

Todos los cuerpos de prueba fueron soldados de forma aleatoria bajo las condiciones y réplicas establecidas. Dentro de los primeros tres minutos luego de aplicar la soldadura, cada probeta fue sometida a tracción hasta alcanzar una carga constante de 400 kgf la cual inducía un esfuerzo equivalente al límite elástico del acero soldado, teniendo en cuenta el efecto de la entalla en el vástago de sección cuadrada [6]. La carga estática aplicada fue mantenida hasta que la probeta: (a) reventara, caso tal se registra el tiempo de falla y (b) cuando no reventara, se mantenía las mismas condiciones de carga durante 1 hora.

Todas las probetas fueron cortadas cuidadosamente para obtener su sección transversal (Figura 3), se preparó cada una para inspección metalográfica según un método estándar para microscopia óptica a 100X y con la asistencia del analizador de imágenes se estableció la longitud de las grietas. Se realizaron análisis de las zonas de falla con MEB.

Como criterio para establecer el tamaño crítico de la grieta experimental en este trabajo se utilizará la relación r/L, donde r corresponde a la suma de la longitud de las grietas en cada una de las entallas y L la distancia entre los extremos de las entallas como se muestra en la Figura 5. De acuerdo con Chapeau et al. [14], si r/L > 0,05, la muestra se considerará agrietada; para este caso el tamaño crítico mínimo de grieta corresponde a una longitud de 0,175 mm.

3. resultados

La Tabla 3, muestra los resultados de la evaluación del agrietamiento en la zona de la entalla. En la Figura 6 se observa el detalle del análisis de metalografía en la zona de la entalla, mostrándose la localización de la misma dentro de la zona ZAT-GG y la localización de una grieta en su extremo.

Tabla 3. Tabla de resultados del ensayo.

La Tabla 4 muestra el análisis ANOVA de los datos y se observa que el valor del estadístico F₀ es mayor que F_{α, v1, v2} y el valor de p es menor que el valor de a, por lo cual existen valores medios significativamente diferentes.

Tabla 4. Análisis estadístico de resultados. Análisis estadístico de resultados.

La Figura 7 muestra el comportamiento del valor medio del tamaño de la grieta con relación al tratamiento aplicado. En la Tabla 3 los valores representados corresponden a la suma de la longitud de la(s) grieta(s) halladas en cada una de las entallas, considerándose valores iguales y superiores a 3,00 mm como agrietamiento total del cuerpo de prueba. La Figura 8 muestra una imagen de fractografía realizada en MEB de la zona fallada en un cuerpo de prueba con rotura total.

4. discusión

La motivación principal de este trabajo está centrada en la dificultad de establecer el nivel de AIH en placas de acero MILA46100 con espesor de 4,5 mm soldado con el proceso SMAW y electrodos E11018M a través de métodos de ensayo convencionales para este tipo de materiales, tales como placa H y ensayo STC, en cuyos casos no se encontraba indicios de AIH, incluso bajo las más criticas condiciones [1-6,17].

Los resultados presentados muestran que la susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH) se incrementa con el nivel de hidrógeno (NH), aún con el empleo de precalentamiento en la temperatura seleccionada, tal como lo muestra la Figura 7. Este resultado no es sorpresivo, ni novedoso y está de acuerdo con Hart et al. [10] quien discutió la reducción de hasta el 50% de la resistencia bajo altos esfuerzos  cuando se tienen contenidos de humedad hasta del 20% en depósitos de soldadura aplicados con electrodos E11018M, además éste es un fenómeno bastante conocido que concuerda con la naturaleza del fenómeno de AIH. De otro lado la temperatura de precalentamiento utilizada no produjo resultados efectivos en la reducción del agrietamiento (AIH).

La zona afectada térmicamente del acero MIL A46100 se divide en cuatro regiones [7], de acuerdo con la microestructura producida por el efecto del ciclo térmico inherente al proceso de soldadura por fusión, las cuales son: (a) zona con crecimiento de grano ZAT-GG, la cual está compuesta básicamente de martensita no revenida (Figura 9); (b) zona sin crecimiento de grano ZAT-GF, compuesta de martensita revenida (Figura 10); (c) zona ínter-critica ZAT-IC, la cual posee fases producto de la austenización parcial durante el ciclo térmico, produciendo fracciones de bainita, martensita revenida y ferrita poligonal (Figura 11); y (d) zona totalmente revenida ZAT-SC, compuesta por fases producto de la transformación sub-critica produciendo, igualmente, fracciones de bainita, martensita revenida y ferrita poligonal, dependiendo del valor de la temperatura pico alcanzado durante el mismo (Figura 12). La Figura 13 muestra el material base no afectado como comparación.

La región adyacente a la línea de fusión, además de tener grandes fronteras de grano debido al crecimiento del grano austenítico previo, y que representan caminos más fáciles para la propagación de grietas, es la zona más susceptible para el AIH ya que posee alta dureza, una microestructura susceptible para tal fenómeno y es allí donde se concentra el hidrógeno proveniente del metal fundido cuando la templabilidad de este es inferior a la del metal base [8-9]. Todas las grietas halladas en la inspección metalográfica se produjeron dentro de la zona ZAT-GG.

Según la Figura 7, con bajos niveles de hidrógeno relativo NH1 no se detectó incidencia de la temperatura de precalentamiento. Cuando los niveles de hidrógeno fueron altos, como en el caso NH2, la temperatura de precalentamiento redujo la susceptibilidad al AIH en proporciones más bajas en comparación con el tratamiento de resecado de los electrodos.

Alkemade [18] muestra resultados similares sobre el mismo tipo de soldaduras a temperaturas de precalentamiento de 75°C usando entradas de energía similares del orden de 0,5 kJ.mm^-1. Los resultados de susceptibilidad al AIH mejoraron para este tipo de soldaduras cuando fueron usadas temperaturas de precalentamiento del orden de 125°C, sin embargo para este tipo de aceros el empleo de temperaturas iguales o por encima de este valor pueden perjudicar el tratamiento térmico de revenido y su efecto protectivo [2].

La Figura 8 muestra parte de la superficie de fractura de la zona de falla de una de las probetas bajo la condición NH2-TP1. En ella se observa que el tipo de micro-mecanismo de falla corresponde a fractura intergranular con algunas zonas de cuasi-clivaje, ambos típicos de falla por AIH y de aceros templados y revenidos de alta resistencia, respectivamente.

Los resultados metalúrgicos obtenidos en este trabajo podrían ayudar a mejorar las condiciones de aplicación de procesos manuales de soldadura por fusión en acero para blindajes con espesores menores que 6mm con bajas entradas de calor, usando material de aporte AWS E11018M, enfocando los esfuerzos hacia un mejor manejo de electrodos y consumibles más que hacia la aplicación de precalentamientos que pueden resultar menos efectivos en evitar el AIH.

Finalmente, a pesar de los alentadores resultados obtenidos en este trabajo con el ensayo de implante modificado, es indispensable adelantar más pruebas para determinar su validez. En relación con el ensayo de implante tradicional, el cambio de forma de la sección transversal acarrea consecuencias, principalmente, en la intensidad y distribución de los esfuerzos en los vértices de la zona entallada, lo cual favorecería la formación de grietas localizadas y previsiblemente una acumulación de hidrógeno atómico en esta misma zona [9]. Sin embargo, el alcance y el foco de este trabajo limitan la cuantificación de lo anterior. Es recomendado adelantar un estudio por análisis de elementos finitos (FEA) en conjunción con un método que determine la presencia de hidrógeno en la punta de la entalla, con el fin de confirmar los efectos enunciados en lo que respecta a  la modificación del implante propuesto. También es recomendable realizar un conjunto de ensayos en las mismas condiciones pero, ejecutando la inspección metalográfica de la sección del implante en un corte diagonal o entre vértices no consecutivos con el objetivo de contrastar la compatibilidad de esos resultados con los obtenidos y validar que la susceptibilidad al AIH en el ensayo modificado puede realizarse a través de un corte simple de la sección soldada indiferentemente de su dirección.

5. CONCLUSIONES

La susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno (AIH) evaluado a través de un ensayo de implante modificado en soldaduras del acero MIL A46100 de 4,5 mm de espesor, usando el material de aporte AWS E11018M de 2.4mm de diámetro y baja entrada de calor fue mayor cuando los electrodos se expusieron al medio ambiente bajo condiciones de temperatura entre 25-31ºC y humedades relativas entre el 80-95%, en comparación con aquellos electrodos que fueron correctamente manipulados según recomendaciones específicas.

El empleo de una temperatura de precalentamiento de 75ºC, calculada de acuerdo con el código AWS D1.1, para condiciones de bajo nivel hidrógeno en el electrodo, no tuvo relevancia en la prevención del AIH en espesores de placa menores a 6mm de material MIL A46100.

Para las condiciones y dimensiones establecidas en este trabajo durante la soldadura de acero MILA46100 con electrodos AWS E11018M y proceso SMAW el ensayo de implante modificado resultó ser más efectivo para determinar la susceptibilidad al AIH que los ensayos de CTS y que las pruebas H.

6. agradecimientos

Los autores agradecen al Instituto Colombiano para el Fomento de las Ciencias Francisco José de Caldas – COLCIENCIAS, a la Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín y a Cotecmar por el financiamiento mediante el proyecto No.1111587816-1 RTC-512-2003 y especialmente al Grupo de Soldadura de la Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, donde fueron realizados todos los ensayos y análisis para este trabajo.

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