ENSAYOS DE FISURACIÓN EN FRIO APLICADOS EN ACEROS DE ALTA RESISTENCIA

Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001
117-124
ENSAYOS DE FISURACIÓN EN FRIO APLICADOS EN ACEROS DE
ALTA RESISTENCIA
a
a
H. J. Quesada , M. Zalazar y E. P. Asta
b
a
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL COMAHUE - Buenos Aires 1400 (8300) NEUQUEN ARGENTINA.
b
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL - REGIONAL HAEDO.
CONARCO ELECTRODOS S.A. Calle 18 Nº 4079 - Villa Lynch (1672) BUENOS AIRES –
ARGENTINA.
RESUMEN
El objetivo del trabajo es presentar los resultados obtenidos de los ensayos de fisuración
en frío en la soldadura de aceros de alta resistencia y baja aleación utilizados en la
construcción de poliductos (Aceros API 5L X60 y 65).
Se efectuaron ensayos de Tekken y WIC, en los cuales se registraron parámetros y
ciclos térmicos de las soldaduras a los efectos de relacionarlos con la condición fisura/no
fisura.
Los ensayos se realizaron con proceso de soldadura manual por arco con electrodo
revestido (SMAW), empleándose electrodos celulósicos E8010 G y procesos semiautomáticos
con protección gaseosa y alambre macizo (GMAW), utilizando electrodos ER80S-D2 y con
protección gaseosa y electrodo tubular (FCAW), con aporte E110T5-K4.
Se realizan estudios macroscópicos, microscópicos y mediciones de dureza en el metal
de aporte y en la zona afectada por el calor.
Se encuentran temperaturas óptimas de precalentamiento a partir de la cuál no se
presentan problemas de fisuración, las cuales se asocian a los distintos procesos de soldaduras
y ensayos.
Palabras claves
Fisuración en frío, Aceros alta resistencia, SMAW, GMAW, FCAW.
INTRODUCCION
La construcción de poliductos para largos trayectos involucra la utilización de aceros de
alta resistencia y baja aleación HSLA (High-Strength-Low-Alloy) en los cuales una
combinación de composición química y técnicas de laminación termomecánica, en el proceso
de obtención, permite incrementar la tensión de fluencia y mejorar la tenacidad junto con la
soldabilidad lo que se logra a través de una disminución en el carbono equivalente y la
eliminación de tratamientos térmicos de pre- y post-soldadura.
En estos aceros, el mecanismo de endurecimiento es distinto al de transformación
martensítica y tienen una temperatura crítica superior (AC3) mayor en el metal de aporte que
en el metal base lo que hace que la región del metal de soldadura sea más susceptible a
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Quesada, Zalazar y Asta
fisuración en frío ya que permanece mayor tiempo en microestructuras austeníticas con mayor
solubilidad de hidrógeno.
Entre las diversas formas de falla a través de las cuales se pueden manifestar problemas
en la soldabilidad de un material debe destacarse, la fisuración en frío. Este es un mecanismo
que ocurre cuando existen conjuntamente, presencia de hidrógeno, microestructura
susceptible, tensiones y temperatura cercana a la ambiente [1]. Esta forma de fisuración suele
presentarse en la zona afectada térmicamente (ZAC) como en el metal de soldadura y puede
ser transversal o longitudinal al cordón de soldadura.
Una manera clásica de evitar la fisuración por hidrógeno es a través del
precalentamiento de la junta a soldar. Esto disminuye la velocidad de enfriamiento de la
soldadura y reduce la probabilidad de formación de microestructuras peligrosas en la ZAC y
en metal de aporte [2]. La temperatura de precalentamiento actúa sobre la velocidad de
difusión del hidrogeno y previene la formación de martensita en los aceros de alto carbono.
Como, efecto secundario reduce las tensiones residuales disminuyendo los gradientes
térmicos asociados a la soldadura.
El fenómeno de fisuración en frío es de tal importancia práctica que se han desarrollado
numerosos ensayos para estudiar la susceptibilidad de un material a la misma, permitiendo
establecer una temperatura de precalentamiento adecuada que garantice una soldadura libre de
fisuras [3]. De los distintos ensayos recomendados se seleccionan dos de ellos, ensayos de
Tekken o J.I.S.-y (Japan Institute Standard) y W.I.C. (Welding Institute of Canadá) [4, 5], se
emplean tres metales bases, cada uno de ellos se ensayan con tres tipos de metales de aporte
con distintos niveles de hidrógeno difusible. Se utilizan, además, distintas temperaturas de
precalentamiento a fin de determinar condiciones de fisura/no fisura.
La figura 1 muestra los diseños y las dimensiones de las probetas utilizadas en los
respectivos ensayos.
PROBETA TEKKEN
PROBETA W.I.C.
Figura 1. Diseños y dimensiones de las probetas.
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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001
PARTE EXPERIMENTAL
Los materiales base empleados fueron dos aceros de alta resistencia mecánica y baja
aleación, API 5L X60 y X65, de 6,4 y 4,8 mm de espesor respectivamente.
La microestructura de los aceros HSLA consiste de un leve bandeado de ferrita y perlita
muy fina. La dureza promedio del acero X60 fue de 187 Vickers y la del X65 de 195 Vickers,
(HV5).
Las composiciones químicas (porcentaje en peso) y carbonos equivalentes
(porcentaje)[8] de los aceros utilizados fueron los siguientes:
API 5L X60:
C: 0,11%;
Cr: 0,05%;
Co: 0,01%;
W: 0,01%;
Mn: 1,33%;
Cu: 0,01%;
V: 0,03%;
Nb: 0,05%;
P: 0,025%; S: 0,003%; Si: 0,14%;
Mo: 0,01%; Ni: 0,04%;
Al: 0,02%;
Ti: 0,01%;
Sn: 0,01%; As: 0,01%;
CEIIW= 0,353;
PCM= 0,189.
API 5L X65:
C: 0,13%;
Mn: 1,21%; P: 0,011%; S: 0,003%; Si: 0,16%;
Cu: 0,016%; V: 0,068%; Nb: 0,029%; Al: 0,0038%; N: 0,023%;
PCM= 0,20.
Ti: 0,0028%; Ca: 0,003%;
CEIIW= 0,339;
CEIIW= C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5
(1)
PCM= C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B
(2)
Los procesos de soldadura que se emplearon fueron: SMAW, GMAW y FCAW,
utilizándose como metal de aporte los electrodos según AWS E8010 G, ER80S-D2, y
E110T5-K4 respectivamente. Los que fueron mantenidos según las condiciones indicadas por
el fabricante, garantizando de esta manera (en los tres casos) los rangos de niveles de
hidrógeno difusible. El gas de protección tanto en GMAW como en FCAW fue CO2.
La Tabla 1 muestra la composición química y niveles de hidrógeno difusible de los
consumibles suministrados por el fabricante.
Tabla 1. Composición química y rangos de hidrógeno.
Electrodo
Composición Química (%)
AWS
C
Mn
P
S
Si
Cr
Ni
Mo
E8010 G 0,16-0,2 0,7-0,9 <0,02 <0,02 0,18-0,25 -- 0,75-0,9 -ER80S-D2
0,07
1,85 0,025 0,025
0,65
-0,15
0,5
E110T5-K4 0,07
1,9
0,03 0,03
0,45 0,5
2,3
0,45
Cu
-0,5
--
Hidrógeno
(ml/100 gr)
> 20
5-10
2-5
En los ensayos de fisuración se emplearon precalentamientos de las probetas a soldar de
25 y 100 ºC. En todos los casos se seleccionaron parámetros de soldadura de modo de
mantener constante el aporte térmico o heat input (HI).
La Tabla 2 da los parámetros de soldadura empleados en los diferentes procesos y
materiales bases.
119
Quesada, Zalazar y Asta
Electrodo Diámetro I
AWS
(mm)
(A)
E8010 G
ER80S-D2
E110T5-K4
4
1,2
1,6
74
190
160
E8010 G
ER80S-D2
E110T5-K4
4
1,2
1,6
62
185
166
Tabla 2: Parámetros de soldadura.
V
V
Heat
V
Stick- Polaridad Caudal
Avance Input Alimen. Up
CO2
(v) (mm/s) (kJ/mm) (m/mín) (mm)
(+/-) (lt/min)
ACERO API 5L X60
33
2,4
1,01
--+
-23
4,1
1,06
6,9
15
+
20
23
3,4
1,08
2,9
15
+
20
ACERO API 5L X65
36
2,7
0,82
--+
-22
4,6
0,88
6,9
15
+
20
22
4,1
0,89
2,9
15
+
20
A efectos de determinar el ciclo térmico y los tiempos de enfriamientos sobre la línea de
fusión de las uniones fueron colocadas termocuplas, aproximadamente a 3 mm de la raíz de la
"V" de las juntas.
Una vez realizadas las uniones se dejó transcurrir un tiempo de 48 h, luego se procedió
a efectuar cuatro cortes transversales, donde se efectuaron observaciones macroscópicas y
microscópicas: óptica y electrónica, mediciones de anchos máximos de la ZAC y dureza
Vickers (HV5) con carga de 5 kg.
En todas las probetas se efectuaron controles con ensayos no destructivos por medio de
la técnica partículas magnetizables con el fin de observar fisuras superficiales.
RESULTADO Y DISCUSIÓN
La tabla 3 muestra los resultados de los ensayos de fisuración en frío (fisura/no fisura),
valores de dureza Vickers (HV5) máximas en el metal de aporte y en la ZAC, tiempos de
enfriamientos entre 800 y 500 ºC (t8/5) y entre 800 y 100 ºC (t8/1) y anchos máximos de la
ZAC obtenidos como promedio de mediciones.
La figura 2 corresponde a macrografias obtenidas de los ensayos Tekken y WIC.
(a)
(b)
Figura 2. (a) Tekken probeta DT x5,6 y (b) WIC probeta 5W x5.
120
Ataque Nital 4%.
Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001
Ensayo
T
(ºC)
25
100
25
Tekken 100
25
100
25
100
25
WIC 100
25
100
25
100
25
Tekken 100
25
100
25
100
25
WIC 100
25
100
Tabla 3. Resultados de los ensayos de fisuración en frío.
Electrodo Probeta t8/5 t8/1
Ancho
Dureza Dureza
Fisura/
ZAC máx ZAC
M.A. No Fisura
(AWS)
(s)* (s)*
(mm) (HV5)máx (HV5)máx (F/NoF)
ACERO API 5L X60
E8010 G
AT
10 130
3,4
250
275
F
E8010 G
BT
12 330
4,6
238
232
NO F
ER80S-D2
CT
------ER80S-D2
DT
7 341
2,4
265
278
F
E110T5-K4 ET
10 146
4,5
244
386
F
E110T5-K4 FT
14 385
4,7
238
350
NO F
E8010 G
AW
11 182
2,4
215
235
NO F
E8010 G
BW
13 332
5,7
225
232
NO F
ER80S-D2 CW
8 175
4,3
225
270
F
ER80S-D2 DW
12 227
4,9
220
260
NO F
E110T5-K4 EW
19 299
5,6
226
320
NO F
E110T5-K4 FW
22 568
5,6
220
360
NO F
ACERO API 5L X65
E8010 G
1T
13 111
3,4
244
238
NO F
E8010 G
2T
--3,4
215
226
NO F
ER80S-D2
3T
9 143
3,5
257
260
F
ER80S-D2
4T
12 227
5,7
220
232
NO F
E110T5-K4 5T
13 191
6,8
230
310
NO F
E110T5-K4 6T
25 412
7,2
215
312
NO F
E8010 G
1W
14 113
4,2
232
248
NO F
E8010 G
2W
20 343
4,4
232
250
NO F
ER80S-D2
3W
7
85
3,8
250
257
F
ER80S-D2
4W
18 258
5,3
220
244
NO F
E110T5-K4 5W
12 123
4
238
340
NO F
E110T5-K4 6W
17 231
4,5
215
305
NO F
La microestructura en los metales de aporte de los electrodos E8010 G y ER80S-D2
consistió principalmente en ferrita acicular con ferrita en placas y en el electrodo E110T5-K4
consistió en martensita.
La microestructura de la ZAC cercana a la línea de fusión en todos los casos consistió
de una estructura de grano crecida de bainita.
La figura 3 muestra la microestructura de la ZAC y metal de aporte con fisuras
observadas por medio de microscopia óptica en las probetas ET del acero API 5L X60 y 3T
del acero API 5L X65. Se puede apreciar el inicio de las fisuras en la línea de fusión y
continuación en el metal de aporte (MA).
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Quesada, Zalazar y Asta
ZAC
ZAC
MA
MA
(a)
(b)
Figura 3. Interface en la probeta. (a) ET x100 y (b) 3T x200. Ataque Nital 4%.
La figura 4 corresponde a las microestructuras y fisuras observadas por medio de microscopia
electrónica en las probetas ET y DT. En ambas micrografias se detalla la zona final de las
fisuras en el metal de aporte.
(a)
Figura 4. SEM de las probetas (a) ET y (b) DT.
(b)
Ataque Nital 4%.
De la observación de los ensayos de Tekken y WIC se pueden destacar las siguientes
características:
1)
En todas las probetas las fisuras observadas se localizaron longitudinal al cordón de
soldadura.
2)
La probeta AT fisuró totalmente por la línea de fusión.
3)
Las probetas DT y 3T presentaron pequeñas fisuras que se iniciaron en la línea de
fusión y luego continuaron en el metal de aporte por la matriz ferrítica bordeando las placas
de carburos.
4)
En la probeta ET se observaron fisuras que se inician en la línea de fusión y continúan
en el metal de aporte a través de la matriz martensítica y fisuras en el metal de aporte.
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5)
Las probetas CW y 3W presentan pequeñas fisuras en la línea de fusión que se
originan en una falta de fusión de la soldadura.
6)
Los anchos máximos de las ZAC aumentaron con el incremento de la temperatura de
precalentamiento.
7)
Las durezas máximas son, en general, menores con la utilización de un
precalentamiento de 100 ºC. En la mayoría de las uniones, los valores de dureza de los
metales de aporte fueron superiores a los de la ZAC.
8)
Con temperaturas de precalentamiento de 100 ºC se incrementan los tiempos t8/5 y
t8/100.
CONCLUSIONES
Por los resultados obtenidos en los ensayos de fisuración en frió sobre los aceros API
5L X60 y X65 podemos concluir:
• Una temperatura de precalentamiento para evitar la fisuración en frío en la soldadura del
acero API 5L X60 sería de 100 ºC para los materiales de aporte celulósico y tubular, mientras
que ésta no sería suficiente para el alambre macizo.
• Según el ensayo de WIC, una temperatura de 100 ºC sería adecuada para el acero API 5L
X60.
• El acero API 5L X65 se podría soldar con precalentamientos de 100 ºC con los tres tipos
de materiales de aporte y con 25 ºC con los electrodos celulósicos y tubular.
• En los aceros HSLA no aparecerían fisuras cuando los tiempos de enfriamientos entre 800
y 500 ºC (t8/5) son mayores a 10 s.
• Las durezas máximas en los aceros HSLA disminuyeron levemente, en la mayoría de los
casos, con el aumento del precalentamiento. Estos valores no son muy altos (excepto en la
probeta ET) y, sin embargo, se producen fisuras.
AGRADECIMIENTOS
Al Ing. Ricardo Echevarria (LEND), a la Ms Ana Basset (SEM) y al técnico Ricardo
Carranza (LMT) de la Universidad Nacional del Comahue y a las empresas Reumann e hijos
S.R.L. y Conarco Electrodos S.A.
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