FISURAS EN FRÍO DE LAS UNIONES SOLDADAS

La fisuración en frío de la soldadura generalmente se asocia a la presencia de hidrógeno en el metal soldado. También puede asociarse a la presencia de tensiones en la zona de soldadura y a estructuras o metales duros y frágiles, por lo que en conjunción con el factor del hidrógeno puede producirse este tipo de fisuración.

La fisuración en frío representa un problema importante ya que puede producirse tiempo después de haberse realizado la soldadura. En ocasiones el fallo sucede unas horas después, pero también puede producirse durante un tiempo indeterminado de días.

El hidrógeno es el átomo más pequeño que existe, por lo que puede introducirse con relativa facilidad en el baño de fusión de la soldadura y generar tensiones una vez que dicho baño se solidifica, ya que el hidrógeno puede quedar atrapado en el metal solidificado.

Hay varios factores que influyen en la fisuración en frío de las soldaduras:

• Composición del metal base y el material de aporte: Algunos metales son más susceptibles que otros a la absorción de hidrógeno, y por lo tanto, más propensos a sufrir este fenómeno. Se deben adecuar los métodos y técnicas de soldadura en función del material concreto, teniendo especial atención con aceros de medio-alto carbono y aceros aleados.
• Tratamientos térmicos: La realización de tratamientos térmicos adecuados antes y después de la soldadura puede ayudar a reducir las tensiones residuales y por lo tanto, disminuir la probabilidad de formación de grietas. A su vez, el precalentamiento puede ayudar a eliminar la humedad del material base.
• Control de la humedad de los consumibles: Los materiales de aporte deben conservarse en condiciones adecuadas, y precalentarse o secarse antes de su uso. Para conocer las condiciones de cada consumible debe atender a la prescripción del fabricante. 
• Uso de consumibles adecuados: El uso adecuado de consumibles básicos o de bajo hidrógeno puede ayudar a mitigar estos problemas.

¿Qué es la fisuración en frío por hidrógeno?

El hidrógeno puede producir fallos importantes en las soldaduras. Para que se den este tipo de problemas, generalmente son determinantes que se cumplan tres factores: 

• Grado de restricción de la soldadura o tensiones acumuladas en la misma. Quiere decir que cuánto mayor dificultad de dilatación o contracción y a mayor grado de tensiones acumuladas mayor riesgo.
• Dureza del metal: a mayor dureza del metal, menos flexibilidad para absorber tensiones internas. Metales con elevado contenido en carbono o estructuras de tipo martensítico suponen un mayor riesgo.
• Niveles de hidrógeno en la soldadura: proceden de productos de limpieza, grasas, taladrinas, gases de soldadura y consumibles (como vimos en la anterior imagen).

En la imagen podemos visualizar cómo interaccionan estos tres factores en la fisuración en frío por hidrógeno.

¿Cómo se produce?

Los metales tienen una estructura atómica que sigue un patrón ordenado, tienen una estructura cristalográfica ordenada. Esta estructura puede modificarse en función de la temperatura. Tomando como ejemplo un acero al carbono, en función de su temperatura podrá y cómo haya afectado ésta, su estructura podrá ser:

• Austenítica: Es una fase del acero que aparece a altas temperaturas, donde el hidrógeno se disuelve fácilmente.
• Ferrítica: Aparece al enfriarse la austenita, tiene mayor espacio por lo que favorece el movimiento del hidrógeno por difusión.
• Perlítica: es una mezcla de ferrita y carburo de hierro o cementita (Fe₃C). Es una estructura laminar, se alternan capas de ferrita con cementita (como un sandwich). 
• Martensita: es una estructura dura y frágil que se genera cuando el acero al carbono se calienta por encima de los 910ºC y se enfría rápidamente, en un proceso denominado templado. En el caso de que el hidrógeno quede atrapado generará tensiones que esta estructura no podrá absorber, por ser dura y frágil.

¿Cómo es el proceso?

Durante la soldadura, el metal aumenta su temperatura y es en este momento en el cual el hidrógeno accede al charco de soldadura. Debido a las reacciones químicas que se generan durante el proceso y a la elevada temperatura, el hidrógeno pasa de su forma molecular (H₂) a hidrógeno atómico (2H), por lo que al disociarse ocupa menos espacio y tiene mayor facilidad para solubilizarse en el material fundido. Este proceso sucede en la austenita, ya que esta fase tiene facilidad para "acomodar" al hidrógeno. Posteriormente, al enfriarse paulatinamente, la austenita pasa a ferrita, que tiene una buena capacidad para movilizar el hidrógeno alojado en la austenita; esto se denomina difusión.

En la ferrita el hidrógeno vuelve a su estado molecular (H₂), por lo que ocupa mucho más espacio y se aloja preferentemente en los intersticios de la estructura, límites de grano y defectos de la estructura como inclusiones o poros. Es en esta estructura donde ejerce presión.

Vamos a verlo más claro sobre la imagen inferior que representa un acero al carbono con un 0,4% de carbono, indicando qué es cada punto:

• a: Austenita.
• b: Parte de la austenita se transforma en ferrita.
• c: Aumento del tamaño de los granos de ferrita.
• d: La estructura sobrante de austenita se transforma en perlita.

Martensita

Tal y como se comentaba anteriormente, la martensita es una fase dura y frágil que puede obtenerse cuando el acero se calienta a la temperatura de austenización y después se enfría súbitamente, tal y como podemos ver a continuación.

Este proceso que hemos visto en el vídeo, sería el método intencionado para la obtención de una estructura dura, es decir martensítica. No obstante, también es posible la obtención no intencionada de martensita en un proceso de soldadura, por ejemplo, si el material que está soldado está relativamente frío.

En una soldadura de un acero con un contenido medio o alto de carbono puede obtenerse martensita si la zona aledaña de la soldadura tiene una temperatura baja, ya que el calor de la soldadura se distribuirá rápidamente de la soldadura hacia afuera, enfriando la zona de soldadura y generando en este proceso micro estructuras de tipo martensítico.

Este proceso de enfriamientos rápidos se estudian con diagramas Transformación, tiempo, temperatura (TTT).

Explicación para todos los públicos

La fisuración en frío de las soldaduras por hidrógeno implica procesos físico-químicos bastante complejos, pero intentaré explicarlo a continuación de forma simplificada y sencilla con el objetivo de favorecer su comprensión para cualquiera.

En este punto, tenemos que echar un poco de imaginación al asunto, vamos a pensar en unos símiles para los conceptos que hemos visto hasta ahora.

Una vez calentado el acero durante la soldadura, la austenita capta moléculas de hidrógeno como si fuera un autobús de primera clase (no por el movimiento, sino por su comodidad). Este autobús se dirige hacia la siguiente transformación de fase, es decir, la estación perlítica o martensítica (según sea el viaje; concretamente el proceso de enfriamiento).

El viaje es bastante largo, por lo que el autobús realiza una parada en la cual tienen que cambiar a otro autobús más incómodo, un autobús ferrítico. En este nuevo transporte, los

hidrógenos se suben rápidamente pensando que va a ser mejor, pero resulta que no caben todos y tienen que subirse unos encima de otros en los asientos, así pasan de hidrógeno atómico (H) a hidrógeno molecular (H₂), forzando las costuras de los asientos, las ventanas y el propio autobús.

Como vemos, este viaje metalúrgico se está complicando. En un primer momento los hidrógenos se subían tan contentos al autobús austenítico, ya que éste era muy confortable para ellos, de hecho los asientos eran verdaderamente envolventes, pero el viaje continuaba su camino y al cambiar de fase, que diga de autobús, al coger el que tocaba para ese momento (temperatura), el ferrítico tenía unas puertas muy grandes que favorecían su movimiento y dispersión (difusión) y aquello se fue un poco de madre porque resulta que ese autobús no tenía los asientos tan cómodos; tenían que sentarse unos encima de otros, qué vergüenza.

Lamentablemente no habían terminado todos los problemas, ya que al ser agosto, la estación ha sufrido una transformación martensítica, y todas las puertas de salida ahora están rígidas y duras, así que los hidrógenos se acumulan y ejercen presión contra todo lo que pillan. Los hidrógenos están muy enfadados. En el fondo es normal. Empezaron un viaje súper cómodo con un autobús de primera categoría, después les pasaron a uno que parecía bueno, pero no cabían bien, y finalmente llegan a la estación y no pueden salir porque las puertas están duras como la martensita. Se esperan fuertes disturbios.

Finalmente, como era de esperar todo ha fallado y la estación ha sufrido daños catastróficos. Todo podría haberse evitado limitando el acceso incontrolado de hidrógeno a la soldadura utilizando consumibles de bajo hidrógeno, además también se debería haber controlado la temperatura de enfriamiento para evitar una transformación martensítica y finalmente preparando uniones que favorezcan la libre dilatación y disminuyan las tensiones existentes.

Los fallos inducidos por hidrógeno son importantes ya que suceden sin avisar, tiempo después de realizarse las soldaduras, por lo que son susceptibles de causar problemas graves, que incluyen colapsos de estructuras, por lo que es importante seguir los procedimientos de soldadura adecuados.

En los siguientes artículos se tratarán algunos métodos concretos para evitar este tipo de problemas.

18/08/24