Influencia de la oscilación mecánica del arco en el proceso de soldadura MIG/MAG con transferencia metálica por corto circuito
(Influence of mechanic arc oscillation on the MIG/MAG process welding with short-circuit metal transfer)
Erick González Olivares1, Victor Vergara Diaz1
1
Universidad de Antofagasta, Departamento de Ingeniería Mecánica, Antofagasta, Chile erick_gonzalez_o@hotmail.com - vvergara@uantof.cl
Resumen
El objetivo de este trabajo es estudiar los efectos de la influencia de la oscilación mecánica del arco sobre la morfología de los cordones, microestructura y propiedades mecánicas, empleando el proceso de soldadura MIG/MAG con transferencia metálica por corto circuito. Para la realización del estudio se montó un banco de ensayos en el Laboratorio de Procesos de Soldadura del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Antofagasta. Los ensayos se realizaron en la posición plana, sobre planchas de acero SAE 1016 de 150x200x12 mm con bisel en V de 60º y abertura de raíz de 3 mm. Se cortaron los cordones de soldadura en forma transversal para la realización de la metalografía. Los resultados indican que la oscilación del arco se presenta como una buena alternativa para eliminar tiempos de ejecución y material de aporte. Las metalografías revelaron que el perfil de penetración de los cordones de soldadura y zona afectada térmicamente son menores con oscilación del arco. En relación al grado de dilución los mayores valores se obtuvieron cuando el arco es oscilado. Los ensayos de impacto realizados en probetas con y sin oscilación muestran que no existe estadísticamente una diferencia significativa sobre la tenacidad.
Palabras-clave: Oscilación, MIG/MAG, Corto circuito.
Abstract: This article aims to study the effects of influence mechanics oscillation of the arc over the morphology of the beads, microstructure and mechanical properties, using welding process MIG/MAG with metallic transfer by short circuit. For realization of this stud a test bench was set up in the welding laboratory of the mechanical engineering department of the University of Antofagasta. The tests were made in flat position, over steel plates SAE 1016 of 200x200x12 mm with a single-V-groove of 60° and root opening of 3 mm. The welding beads were cut transversely to make metallographic analysis. Results show that arc oscillation presents a good alternative for reducing production times and filler material used. Using technique without arc oscillation to make filler of V-grooves 4 passes were used, while with arc oscillation only 3 passes were needed. The metallographic samples show that penetration of welding beads and Heat Affected Zone (HAZ) are lower with arc oscillation. In relation to degree of dilution, the upper values were found when the arc was oscillated. The impact tests show that there is no a significant difference over tenacity of the welded joints with oscillation and without it. Key-words: Oscillation; MIG/MAG; Short circuit.
1. Introducción
El proceso de soldadura MIG/MAG convencional es el que utiliza la forma más simple de equipamiento, entregando al mismo tiempo grandes resultados con alta productividad. La fuente de energía es del tipo tensión constante, siendo la corriente una variable dependiente fundamentalmente de la velocidad de alimentación de alambre y de sus características físicas y químicas. Luego, las variables independientes, que son previamente ajustables, son la tensión y la velocidad del alambre-electrodo. De acuerdo con el nivel de estas variables y también en dependencia del tipo de gas de protección, el proceso presenta diferentes configuraciones de transferencia metálica, Gohr [1]. Las transferencias metálicas son el método por el cual el material de aporte es depositado a la poza fundida, destacándose las transferencias por corto circuito, globular, spray y pulsada. La transferencia
por corto circuito se presenta para una tensión de arco suficientemente baja (corta longitud de arco) que permite el contacto con la poza de fusión del metal líquido en la punta del electrodo antes que ocurra el desprendimiento. Esta forma de transferencia es la más usada en la soldadura con baja corriente. La Figura 1 ilustra el modo de transferencia por corto circuito. Este tipo de transferencia metálica es muy utilizada en soldadura de chapas finas, debido a que posee una baja zona afectada térmicamente (ZAT) disminuyendo el refinamiento microestructural del material base, además de permitir soldar en toda posición.
Figura 1. Secuencia de la separación de la gota metálica en la transferencia por corto circuito. (adaptado de Gohr, [1])
De acuerdo a Broering [2], la oscilación del arco es el producto de la oscilación mecánica de la pistola de soldar o de la oscilación magnética del arco voltaico, el cual es realizado perpendicularmente a la trayectoria del desplazamiento, que permite el relleno de las uniones en un único pase o con una reducción del número de pases. La oscilación en la soldadura ha sido empleada por mucho tiempo, porque intuitivamente se piensa que produce cordones más anchos permitiendo de esta manera cubrir más área en menos tiempo. Pero estudios realizados demuestran que no solo afecta en la geometría del cordón, sino también la microestructura de la soldadura. Kou [3] estudió la estructura de solidificación en soldaduras de aleaciones de aluminio 2014 realizadas con la técnica de oscilación del arco. Se observó en este estudio que el espaciamiento de los brazos dendríticos se reduce significativamente, cuando la oscilación transversal del arco es aplicada a baja frecuencia, como se puede apreciar en la Figura 2. Esta reducción en el tamaño del grano ha contribuido significativamente para mejorar la resistencia y la ductilidad de la soldadura, tal como lo señala la Figura 3.
Figura 2. Estructura de grano próxima a la línea de fusión en dos soldaduras GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) de la aleación de aluminio 2014 realizadas (a) sin oscilación y (b) con
oscilación transversal del arco de 1 Hz y 1,9 mm de amplitud. Magnificación x200.
Figura 3. Resultados del ensayo de tracción de dos soldadura GTAW de la aleación de aluminio 2014 realizadas sin oscilación del arco y con oscilación transversal de 1 Hz y 1,9 mm de amplitud.
Davis y Garland [4] produjeron un refinamiento de grano en una aleación de Al-2,5 wt% Mg, al hacer vibrar la pistola de soldadura en el proceso GTAW. Esto provocó que la resistencia al agrietamiento durante la solidificación de la soldadura mejorara en estos casos. En la Figura 4 se muestra el efecto de la amplitud de la vibración en el tamaño de grano de la unión. La fragmentación
de las dendritas es una propuesta como mecanismo de refinación de los granos. Esto, sin embargo, hace sospechar que la heterogeneidad de la nucleación debería ser el verdadero mecanismo de refinación, a juzgar por el hecho de que el Al-2,5 wt% Mg usado actualmente contiene un 0,15 wt% Ti. Sundaresan y Janaki Ram [5], refinaron los granos de aleaciones de Ti a través de la oscilación magnética del arco y mejoraron la ductilidad de la soldadura. No se pudo identificar el mecanismo de refinamiento de grano.
Figura 4. Efecto de la amplitud de vibración en el tamaño de grano en uniones de Al-2,5Mg. Davies y Garland [4].
En la Figura 5 se muestra el efecto de la oscilación magnética en la soldadura de aluminio 2014 sobre el agrietamiento durante la solidificación, donde se aprecia una microestructura de granos columnares alternados obtenida para oscilaciones de baja frecuencia. Estos granos columnares que alternan su orientación a intervalos regulares, fuerzan a la grieta a cambiar de dirección periódicamente, dificultando la propagación de la misma.
Figura 5. Efecto de la oscilación transversal del arco (1Hz) en el agrietamiento durante la solidificación en el proceso GTAW soldando aluminio 2014. Kou [3].
Tewari [6], realizó un estudio sobre la influencia de la amplitud de oscilación mecánica longitudinal, en un acero de medio carbono. En este caso la oscilación fue hecha directamente sobre el material base, de manera que la poza fundida fuese agitada. En la Figura 6, se muestra que la oscilación longitudinal tiene un efecto directo sobre las propiedades mecánicas. En (a), (b) y (c) se muestra como el esfuerzo de fluencia, resistencia a la tracción y el esfuerzo de ruptura de la unión soldada mejoran significativamente al ser oscilados longitudinalmente, esto en un orden del 21%, 26% y 39%, respectivamente, en comparación a las uniones soldadas estacionariamente. Esto se explica debido al mecanismo de refinamiento de grano. El porcentaje de elongación también se vio afectado, reduciéndose en un 5,5% [6].
Figura 6. Efecto de la frecuencia de oscilación longitudinal sobre (a) esfuerzo de fluencia (b) resistencia a la tracción (c) esfuerzo de ruptura (d) porcentaje elongación. Tewari [6].
El efecto que tuvo la oscilación sobre la microestructura de la unión estudiada por Tewari [6], se muestra en la Figura 7. En esta, se aprecia que al ir aumentando el nivel de frecuencia de oscilación el tamaño de grano disminuye, produciéndose los efectos anteriormente descritos sobre las propiedades mecánicas.
Figura 7 – Micrografía de la oscilación longitudinal sobre la unión soldada para una frecuencia y amplitud de (a) 80 Hz – 10 μm (b) 80 Hz – 30 μm (c) 300 Hz – 30 μm (d) 400 Hz – 5 μm. Tewari [6].
Con base a lo expuesto, este artículo tiene como objetivo demostrar que la oscilación del arco es una real alternativa en la optimización de los tiempos de producción y la diminución en las probabilidades de ocurrencias de fallas en las soldaduras de mantención. Esto a través del análisis de oscilogramas de corriente y tensión del arco, medición de los parámetros geométricos, análisis microestructural, además de los ensayos de impacto y microdureza. Al mismo tiempo se realizarán comparaciones entre el proceso de soldadura MIG/MAG con y sin oscilación en uniones biseladas en V. Se espera además, que los resultados obtenidos en este estudio contribuyan para las condiciones de mayor productividad en la fabricación de tolvas, utilizadas en el transporte de mineral en la región de Antofagasta, Chile. Las tolvas se fabrican de planchas de acero antiabrasivo que suelen tener espesores de 20 a 25 mm, uniones biseladas y con la utilización de backing. Este estudio con características de cordones adecuados puede reemplazar el proceso de soldadura SMAW o el proceso MIG/MAG aplicado de forma manual en la actualidad.
2. Materiales y Métodos
Para la realización de este estudio fue necesario el montaje de un banco de ensayos, en el departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Antofagasta, que permitió desarrollar la investigación con un control sobre todas las variables que conforman el ciclo de soldadura, Figura 8.
El banco de ensayos está compuesto por: Máquina de soldar sinérgica MIG/MAG, sistema de traslación y oscilación de la pistola de soldar, gases de protección y sistema de adquisición de datos portátil.
1. Máquina de soldar; 2. Pistola de soldar; 3. Sistema de avance y oscilación de la pistola; 4. Gases de protección; 5. Sistema de adquisición de datos; 6. Sensor de corriente.
Figura 8. Banco de ensayos montado para el departamento de Ingeniería Mecánica (UA) La máquina de soldar sinérgica MIG/MAG se desarrolló para operar en las opciones MIG/MAG convencional, Sinérgico, pulsado y pulsado térmico. El sistema de avance de la pistola se destaca por la oscilación de la pistola de soldar, en diferentes formatos, teniendo completo control sobre la frecuencia y amplitud de la oscilación. El intervalo de operación de la velocidad de soldadura que posee este equipo es de 5 a 160 cm/min. El sistema de adquisición de datos permite adquirir señales de fuentes de soldaduras en tiempo real entregando gráficos de corriente, tensión, velocidad de alambre y flujo de gas, además proporciona análisis estadísticos como desviaciones, histogramas, tablas con valores medios.
Los ensayos se realizaron en chapas de acero bajo carbono SAE 1016 con dimensiones de 150x200x10 mm. La Tabla 1 muestra su composición química.
Tabla 1. Composición química del acero SAE 1016
SAE %C %Mn %P %S %Si %Cu
1016 0,153 0,782 0,009 0,014 0,228 0,005 Norma 0,13-0,18 0,6-0,9 0,04 máx 0,05 máx - -
El sustrato utilizado para los ensayos de unión de chapas biseladas, tuvo que ser conformado según muestra la Figura 9.
Figura 9. Dimensiones de las probetas de uniones de chapas biseladas
El material de aporte utilizado fue el alambre ER70S-6 de 1,2 mm de diámetro. La Tabla 2 muestra la composición química.
1
2
3
4
5
6
Tabla 2. Características y composición química del material de aporte
Identificación Composición química (% en peso)
Material Especificación (AWS) Diámetro (mm) C (0,7); Mn (1,58); Si (0,89); S (0,017); P (0,02); Al (0,001); Cu (<0,45); Fe (balan.) Acero Carbono AWS ER 70S-6 1,2
En los experimentos se utilizó como gas de protección la mezcla (80% Ar + 20% CO2), conocida comercialmente como Indurmig 20, con un caudal fijo de 18 l/min, medido mediante un flujómetro.
2.1. Metodología experimental
El procedimiento de aceptación y rechazo de las probetas realizadas, se basó en el aspecto visual del cordón de soldadura, la existencia de posibles discontinuidades en la soldadura como socavaciones, exceso de salpicaduras, grietas superficiales, porosidades y falta de penetración.
Análisis de la geometría de las probetas: Las probetas se cortaron en el sentido transversal al cordón de soldadura, y sometidos a una preparación metalográfica. El ataque químico utilizado fue Nital al 3%.
Determinación del grado de dilución: Con el empleo de la lupa estereoscópica, se obtuvieron imágenes macrográficas de la sección transversal de las probetas, para la determinación del grado de dilución mediante la medición de las áreas.
Perfil de microdureza: El perfil de microdureza Vickers se midió en la sección transversal de la probeta según la norma ASTM E92.
Determinación de la energía absorbida en impacto: La energía absorbida en impacto se realizó a temperatura ambiente en probetas con entalle, según norma ASTM E23.
3. Resultados e Discusión
Primeramente se trata de probar el sistema de oscilación mecánica en uniones de chapas biseladas, según el plan de ensayos de la Tabla 3. La Figura 10 presenta la unión de dos placas de acero a través de la oscilación mecánica del arco, siendo necesario tan solo tres pases para completar la unión. En la Figura 10b se muestra la unión de chapas biseladas, pero a través del proceso convencional (sin oscilación), bajo las mismas condiciones que con oscilación mecánica, pero se observa que 3 pases no son lo suficiente para completar la unión satisfactoriamente.
Tabla 3. Variables y parámetros de soldadura en la comparación del proceso MIG/MAG con oscilación y sin oscilación en chapas biseladas
Ensayo Pase h [mm] Va [m/min] Vs [cm/min] Uref [V] A [mm] f [Hz] Tp1 [s] Tp2 [s] Con oscilación Raíz 3 4 21 23 - - - - 2 - 5,5 0,8 0,1 0,1 3 - 10 0,6 0,1 0,1 Sin oscilación Raíz 3 - - - - 2 - - - - - 3 - - - - -
h: abertura de raíz; Va: velocidad de alambre; Vs: velocidad de soldadura; Uref: tensión de referencia; A: amplitud de oscilación; f: frecuencia; Tp: tiempo de parada lateral.
(a)
(b)
Figura 10. Aspecto superficial y macrografía de las uniones soldadas (a) con oscilación (b) sin oscilación
La oscilación del arco tiene un efecto significativo sobre la zona afectada térmicamente (ZAT) en la unión de chapas biseladas. Al oscilar el arco disminuye la ZAT en comparación al proceso sin oscilar, esto debido a que la fuente de calor (en este caso el arco voltaico) posee, además de la velocidad de avance (Vs), la velocidad de oscilación (Vosc), permitiendo una mejor distribución del calor dentro de la unión biselada. La disminución de la ZAT es de gran interés, debido a la influencia que posee sobre las fallas que ocurren en el material base, por motivo del refinamiento microestructural presente en esta zona.
Un factor que se encuentra directamente relacionado con la ZAT, es la energía impuesta a la pieza (Q). En la Tabla 4 se muestran las energías impuestas del proceso con y sin oscilación. Se aprecia una drástica disminución de la energía impuesta a la pieza al oscilar el arco, lo que también explica el por qué de la disminución tan drástica de ZAT para este caso.
Tabla 4. Factores alterados afectados por la oscilación del arco
Unión Q [kJ/cm] D [%] AF [%]
Oscilada 1,67 34 26,98
Convencional 7,77 21,3 4,28
Q: Energía impuesta a la pieza; D: dilución; AF: ferrita acicular
El porcentaje de dilución en uniones realizadas con el proceso convencional, es mucho menor que en uniones osciladas (Tabla 4). La explicación de este aumento se basa en que al oscilar la pistola de soldar, el arco funde más material base debido a que posee un mayor contacto con los biseles, lo que produce que el material de aporte se mezcle con una mayor cantidad de material base, resultando en el aumento de la dilución.
Una microestructura deseada en las uniones soldadas es la ferrita acicular (AF), debido al mejoramiento de las propiedades mecánica que ella conlleva. La Tabla 4 muestra la estimación porcentual del contenido de ferrita acicular en el cordón de terminación de las uniones soldadas, en donde resulta con mayor porcentaje la unión con oscilación del arco. Pero se debe recordar que esta medición fue realizada solamente al pase de terminación, debido a que en los pases anteriores a este, no existe una diferencia microestructural significativa entre la unión con oscilación y la convencional, según se observa en la Figura 11. Esto implica que la oscilación del arco tiene un mayor efecto para uniones de chapas delgadas con un solo pase. Para uniones de mayor espesor que requieran de una mayor cantidad de cordones, los efectos de la oscilación serán casi nulos.
(a) (b)
(1a) (1b)
(2a) (2b)
(3a) (3b)
Figura 11. Micrografías de la sección transversal de las uniones soladas sin oscilación (a) y con oscilación (b). Todas las micrografías fueron obtenidas con un aumento de 200X.
Los resultados del ensayo de impacto, realizado según norma ASTM E23, sobre las chapas biseladas unidas con oscilación (OSC) y con el proceso convencional (CONV), se muestran en la Tabla 5.
1
2
3
1
2
3
Tabla 5. Energía absorbida en impacto a temperatura ambiente según norma ASTM E23. Muestra Energía [J] CONV 1 113,91 CONV 2 115,02 CONV 3 119,01 OSC 1 96,051 OSC 2 106,91 OSC 3 117,06
CONV: Sin oscilación; OSC: Con oscilación
Un análisis de varianza ANOVA, determinó que no hay diferencias estadísticamente significativas entre las medias de las 2 variables con un nivel del 95% de confianza. Esto quiere decir que estadísticamente la oscilación no tuvo influencia alguna en la tenacidad de la unión soldada.
El efecto que tiene la oscilación sobre la dureza de la unión soldada también fue estudiado. En la Figura 12 se muestran los perfiles de microdureza para ambos procesos de unión, realizado según la norma ASTM E92. El análisis de varianza ANOVA, arrojó nuevamente que no hay diferencias estadísticamente significativas entre las medias de las 2 variables con un nivel del 95% de confianza. Concluyendo que la oscilación no tiene estadísticamente un efecto sobre la dureza de la unión.
Figura 12. Perfil de microdureza de la unión soldada
4 . Conclusiones
Con base a los resultados presentados en este trabajo, se destacan las siguientes conclusiones: a) La oscilación en uniones biseladas, disminuye la cantidad de pases necesarios para realizar la
unión, implicando menores tiempos de producción, contribuyendo de esta forma a mejorar las operaciones de mantenimiento. La técnica no posee una limitación de proceso de soldadura ni del tipo de consumible a utilizar. De hecho, actualmente la oscilación del arco es muy utilizada en la unión multipases de tuberías de gran diámetro, recubrimientos metálicos en recuperación de turbinas y uniones de chapas de grandes espesores.
b) La zona afectada térmicamente se vio reducida drásticamente con la oscilación del arco. Esto se justifica debido a que la fuente de calor posee, además de la velocidad de avance (Vs), la velocidad de oscilación (Vosc), permitiendo una mejor distribución del calor dentro de la unión biselada.
c) El aumento en la dilución en la unión realizada con oscilación, se explica debido a que hay mayor metal base fundido por el mayor contacto entre el arco y los biseles de la unión.
d) Microestructuralmente hablando, no existe una diferencia significativa entre los pases de raíz y de relleno para las uniones hechas con oscilación y el proceso convencional. Pero en los cordones de terminación se aprecia un mayor contenido de ferrita acicular, para las uniones realizadas con oscilación. Esto se debe a que los pases anteriores al de terminación se ven sometidos a un refinamiento microestructural, promovido por los cordones posteriores a ellos. e) Los ensayos de impacto realizados, muestran que no existe una diferencia estadísticamente
significativa en la tenacidad de las uniones soldadas bajo la técnica con y sin oscilación. Esto se debe a la similitud de las microestructuras de las uniones biseladas.
f) En términos generales, la oscilación no tuvo un efecto estadísticamente significativo sobre la dureza de la unión soldada.
5. Agradecimientos
Los autores de este trabajo agradecen el apoyo financiero de la Beca fondo de investigación – Tesis de grado, otorgada por la Universidad de Antofagasta y al Fondo de Innovación para la Competitividad (FIC).
6. Referencias Bibliográficas
[1] GOHR, R. J. Novos métodos de controle da soldagem MIG/MAG: 2002. 138p. Tese (Doutorado em Engenharia) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.
[2] BROERING, C. E. Desenvolvimento de sistemas para a automaçâo da soldagem e corte térmico:2003. 132p. Dissertaçâo (Mestrado). Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. [3] KOU, S. Welding Metallurgy. Second edition. John Wiley & Sons, Inc, publication. Hoboken, New Jersey, 2003.
[4] DAVIS, G. J.; GARLAN, J. G. Int. Metall. Rev., 20 (196):83,1975.
[5] SUNDERESAN, S.; JANAKI RAM, G. D. Sci. Technol. Weld. Join., 4:151, 1999.
[6] TEWARI, S. P. Influence of longitudinal oscillation on tensil properties of medium carbon steel welds of different thickness. Thammasat Int. J. Sci. Technol., Vol 14, No. 4, October-december 2009.
