Revista Latinoamericana
de
Metalurgia
y
Materiales,
Vol.23
N°
2,
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INFLUENCIA DE LA SOLDADURA
GMA W SOBRE LA RESISTENCIA
AL IMPACTO DEL ACERO INOXIDABLE
DÚPLEX SAF 2205
M. C. Payares
y M. Dorta-Almenara*
Departamento
de
Mecánica, Universidad Simón
Bolívar.
Caracas. Venezuela
*midorta@usb.ve
Resumen
El estudio de las propiedades mecánicas en las soldaduras de los aceros inoxidables dúplex, bajo la influencia de las variables intensidad de corriente, voltaje y velocidad de soldadura, ha tomado gran importancia a raíz de la creciente aplicabilidad de los mismos en diferentes industrias, en especial en la petroquímica. El objetivo principal de este trabajo es determinar la resistencia al impacto de lajunta bajo diferentes variables de soldadura yen condiciones similares a las que se
presentan encomplejos criogénicos. Los ensayos fueron diseñados utilizando el proceso desoldadura atope porarco eléctrico GMAW, con una fuente de poder constante y usando corriente directa y polaridad reversa. Se utilizó una placa de acero
inoxidable dúplex SAF 2205 como material base, como material deaporte un alambre deelectrodo E-ER 2209 de acuerdo a
las normas AWS5.4-92 y 5.9-93 Y Argón comercial puro como gas de protección. Los ensayos de impacto de las uniones
soldadas no mostraron variaciones significativas en la energía absorbida, queevidencien uncambio en el tipo defractura del
material en función delos parámetros desoldadura, para temperaturas de ensayo de - 40°C y22°C. Para este acero ycon las variables de soldadura seleccionadas, sepudo observar que no ocurre transición dúctil-frágil y ladisminución de latenacidad es poco significativa.
Palabras Clave: GMAW,Dúplex, 2205, Resistencia, Impacto.
Abstraet
The study ofthe mechanical properties in buttjoints for duplex stainless steels SAF 2205 under the influence of variables such as arecurrent, are voltage and welding speed isimportant for determining the optirnise conditions for anefficient joint, since the applicability of this material in different industries especially thepetrochemical. In this paper anattempt ismade to determine the impact strength of the butt joints not only under different welding variables but also at complex cryogenic
conditions. Testwere designed andperformed using Gas Metal Are Welding process (GMAW) with aconstant power source using a direct current reverse polarity. Aduplex stainless steelwas used as the base metal andER-2209 electro dewire as filler
metal as recornmended by AWS 4.92 and 5.9-93. After testing, the DSS weldments no ductile to fragile transition were
observed in the temperature range used (-40°C to 22°C) and the energy values remained almost constant between both
temperatures. Also the results did not show a significant variations in the toughness of values the we1ding process of DSS SAF 2205 under the range of the parameters used.
Key words: GMAW, Duplex, 2205, Impact, strength
1.Introducción
Dentro delas distintas gamas delos aceros inoxidables
encontramos los Dúplex, los cuales están
microestructuralmente conformados por una combinación ferrita -austenita, cuya aplicabilidad ha venido creciendo
vertiginosamente en los últimos años en las diferentes
in-dustrias. Las aleaciones Dúplex también pueden ser de
fi-nidas como un acero que presenta una estructura de dos fases con cantidades significativas. En otras palabras el término acero inoxidable Dúplex representará la aleación
Fe-Cr-Ni formado con un 30 a un 70% ferrítico, para la investigación enespecífico, el indicativo 2205 resulta de la composición de 22% Cromo y5% Níquel. El interés técni -co enestas aleaciones por encima dela serie 300 deaceros inoxidables austeníticos, es debido a su gran resistencia a
la corrosión bajo tensión y por picaduras, además que el esfuerzo de fluencia es dos veces mayor que el de las a
lea-ciones anteriormente mencionadas. Estas aleaciones Dúplex combinan algunas de las ventajas de los aceros ferríticos y austeníticos, pero también presentan algunas de las de s-ventajas, de cada uno deellos. Respecto a este material han
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surgido serios problemas al ser utilizado en procesos de
soldadura, debido alintenso calentamiento yrápidos ciclos
de enfriamientos inherentes alproceso; afectando las pro -piedades mecánicas de la junta a tal punto de fallar en la zona afectada por el calor (ZAC). Hasta ahora se han reali -zado investigaciones sobre la influencia de los parámetros de soldadura sobre la penetración, sin embargo estos
parámetros de soldadura tales como el voltaje de arco, la intensidad de corriente yla velocidad desoldadura son va
-riables primarias u operacionales que pueden cambiar la geometría, las propiedades mecánicas, localización de la zona de falla yla microestructura de lassoldaduras del ace
-ro inoxidable dúplex SAF 2205. Por ello se hace necesario establecer como influyen sobre las propiedades mecánicas
y la microestructura del metal soldado, es decir, en la cal i-dad de la soldadura, para asíestablecer
y
fijar los parámetrosadecuados y óptimos dela misma.
Existen un sin número de investigaciones realizadas en aceros inoxidables dúplex principalmente en las áreas de
corrosión, microestructura ypropiedades mecánicas en sí,
tales como las de Yasuda et.al. (1986), Gunn (1999), Jun
(1999). Sridhar et.al.(1984) siendo untanto más específico
en cuanto a las soldaduras investiga el efecto de los
parámetros sobre la corrosión localizada.
Barnhouse y Lippold (1994) evalúan el efecto de la
microestructura del metal soldado sobre la dureza y la r
e-sistencia alacorrosión por picaduras desoldaduras disímiles entre un acero dúplex 2205 vunoestructural A36. Karisson
(2001) relaciona las precipi:aciones de fases intermetálicas
durante las soldaduras (!eaceros inoxidables dúplex duran -te las soldaduras con las propiedades mecánicas.
McPherson. et. al. (2000) estudiaron una diversidad de
uniones soldadas de acero dúplex 2205 empleando
electrodos grado 2209 para procesos desoldadura empleados en construcción naval, encontrando que el control de la
temperatura entre los pases aumenta elcontenido deferrita en lazona de fusión yenlazona afectada por elcalor, sin
embargo no afecta significativamente las propiedades mecánicas.
Elenfoque de esta investigación esestablecer elefecto
en las propiedades mecánicas de las soldaduras de acero inoxidable dúplex SAF 2205 con la variación en los parámetros desoldadura, el cual será estudiado yanalizado específicamente en términos de los cambios producidos sobrelatenacidad o resistencia al impacto delmetal soldado. 2. Procedimiento Experimental
El diseño de los ensayos se efectuó de manera tal de
poder garantizar la correcta representación yevaluación de la influencia de los parámetros o variables de soldadura
sobre latenacidad de las probetas soldadas atope deacero inoxidable SAF 2205, es decir, la capacidad que muestran
las soldaduras de resistir cierto impacto sinfracturarse. Para
la realización de los cordones de soldadura se utilizó un
equipo para soldaduras automáticas de hilo continuo
GMAW,marca Cebara, modelo ISO MIG 4001 Synergic, y
con el acople de un carro de arrastre de electrodo de 4
rodillos, mostrado en la figura 1,utilizando corriente c on-tinua polaridad reversa (DCRP) yArgón COJ1l0 gas prot
ec-tor
Como material base se utilizó acero inoxidable dúplex SAF 2205, marca Sandvick de 21Ox125x6.35. El material
de aporte seleccionado fue un alambre -electrodo GMAW
E-ER 2209, marca Sandvik, tipo 22.8.3.L de 1 mm. de
diámetro recomendado por la AWS 5.4-92 y cuya composición química, así como ladel metal base, se muestra
en la tabla 1.
Tabla 1.Composición química del acero inoxidable dúplex 2205 y del electrodo ER 2209. (%peso/peso):
•
..
Elemento ~AF2205 ER-2209e
0.02 0.03 Si 1.00 0.61 Mn 2.00 1.11 P 0.045 0.023 S 0.030 0.006 Cr 22.00 22.8 Ni 5.5 9.1 Mos.oo
2.99 No
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Para la selección de los parámetros de soldadura a ser
utilizados en la investigación se realizaron combinaciones
de intensidad, voltaje y velocidad de soldadura demanera tal que, tanto elcalor de aporte como cada una delas var i-ables, permanecieran en el rango recomendado por el fabricante Sandvick ensucatálogo. En latabla 2sedetallan los parámetros empleados.
Tabla 2. Parámetros de soldadura experimentales
1 E
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HIEnsayo
(A) (mi) O'llJllImin) (IO"ilJit)
A 253 26,5 500 0,$0 B 240 26,5 500 0,16
e
208 26,5500
0,66 D 253 23,5 500 0¡'1 E 253 28,52S
S
l,óS F 2.53 28,5 350 1,24 -G 2.53 213,5 .500 0,131 - -- .. --H 253 28,5 661 0,651
253 28,5 810 0,53 J 2.53 26,5 350 1,15 K 240 26,.5 350 1,09 L 208 26,.5 350 0 ,94-.- - ---la'( 253 26,5 258 1,56 N 253 21,5 350 1,19o
2.53 28,5 290 1,49 P 253 30 350 1,30 Q 253 28,5 300 1,44 -R 2.53 30,.5 500 0,93 S 210 21 500 O,s'l T 200 21,5 500 0.66Los cordones fueron soldados alo ancho de laspletinas y en la zona central de las mismas. Una vez realizados los cordones para cada condición establecida se procedió a seccionar las pletinas y así obtener el material necesario para fabricar elnúmero deprobetas correspondientes alos ensayos de impacto yensayos de tracción. Se mecanizó en . .una fresadora una entalla a45° sobre la dirección y área donde se encontraba el cordón. Para fabricar las probetas de impacto se buscó seguir la norma ASTM para pruebas de tenacidad de fractura, en específico para el método Charpy con entalle en V, lo cual no fue posible ya que ninguna de las variantes de la norma concordó con la disposición delcordón y geometría delas láminas soldadas, por lo que sedecidió establecer ciertas dimensiones que se
aproximaran lomás posible alas normalizadas, ver figura 2,delasque sepuede obtener un análisis comparativo dela resistencia. Se empleó elpéndulo de impacto, marca Otto conapreciación de0.1 kPm (13.825 J)y energía de péndulo de 15 kPm (2073.8 J). Con la finalidad de determinar la existencia de transición dúctil-frágil entre dostemperaturas establecidas se realizaron las pruebas a 22 y-40 "C. . ~45~ . r- 't'_~._'>, )'/
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Dimansionas en mm, Fig. 2. Probeta Charpy ensayada.3
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La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse y se convierte en un dato realmente importante para la ingenie
-ría cuando es considerada como lacapacidad de un mate
-rial para resistirse al impacto sin ser fracturado. Los res
ul-tados de esta investigación se basan en la tenacidad de la
soldadura de un acero SAF 2205 ensayado por impacto. Los resultados obtenidos de los ensayos de impacto tipo charpy para probetas conentalle enVdeacero dúplex SAF 2205, a 22°C y- 40°C, son mostrados acontinuación en la tabla 3.
Al realizar elanálisis de los resultados de los ensayos deimpacto, elfactor que se aprecia deforma inmediata y a simple vista esel hecho que no se produce para ninguno de los ensayos un cambio en el tipo de fractura de material, evidenciado a su vez por lainspección visual de las super-ficies fracturadas, las cuales son características de una fractura detipo dúctil, tal como elmetal base. Laapariencia del espécimen fracturado se puede correlacionar con la energía absorbida, siendo característica defracturas dúctiles y tenaces las superficies suaves y finas con evidencia de deformación plástica, tal como lo mostraron las probetas
ensayadas. Enestudios posteriores seanalizarán en detalle
lascaracterísticas dela fractura delas superficies ensayadas por impacto.
3.1. Resistencia al impacto de las probetas soldadas vs resistencia al impacto del metal base.
Al analizar los valores de energía absorbida durante el
impacto delas probetas soldadas ensayadas, a 22°C de la
tabla 3, se puede notar que la influencia del proceso de soldadura sobre el material base no produce una fragilización significativa del material bajo ninguna de las veinte combinaciones de parámetros sometidas al ensayo, aunque sigenera caídas en los valores de energía para las
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pruebas a ambas temperaturas. La mayor variación mostrada en cuanto a la disminución de la tenacidad al impacto lo muestra la probeta A, siendo esta de un 22 % con respecto al promedio del metal base.
Tabla 3. Valores de energía absorbida en el ensayo de impacto de probetas deacero SAF 2205 soldado mediante GMAW.
De igual manera ocurre al comparar los valores del metal base con los de las probetas soldadas ensayados a -40 "C.A pesar de encontrarse mayores variaciones, hasta de un 49% para la probeta 0, la energía no cae a valores lo suficientemente pequeños para indicar un cambio dúctil -frágil generado por la soldadura en el acero inoxidable
dúplex. Sin embargo, es bien sabido que el
sobrecalentamiento en los aceros menoscaba su tenacidad tal como se observa en los resultados de la tabla 3.
3.2. Temperatura de transición Dúctil - Frágil.
Al realizar los ensayos para el material base, se observa que no existe una transición en el modo de fractura dentro del rango de temperatura escogido entre 22°C y -40 -c para el acero inoxidable dúplex SAF 2205. Los aceros con bajo contenido de carbono tienen un rango de transición a temperaturas más bajas, y a su vez más estrecho que los
aceros con alto contenido de carbono, dado que el acero en estudio tiene un bajo contenido de carbono (0.02 %), pode-mos suponer que la temperatura de transición se encuentra en valores mucho menores que los empleados.
Al analizar ycomparar losvalores de energía de impac-to de las probetas soldadas bajo iguales condiciones y ensa-yadas a 22°C y -40 °c, se nota como este acero tiende a perder tenacidad a menor temperatura, hasta un 43% me-nos para la probeta F.No obstante, la disminución de ener-gía absorbida mostrada por las probetas a -40 °c no eslo suficientemente representativa para manifestar una transi-ción en el modo de fractura del material.
Dentro del análisis de los ensayos de impacto se intentó relacionar los parámetros de soldadura con los valores de energía registrados. Con este fin se graficó cada uno de ellos frente a los resultados del ensayo, enbusca de alguna posible tendencia, lo cual no arrojó ningún resultado signi-ficativo o del cual se pudiera realizar algún tipo de conclu-sión. Igualmente se realizó un análisis utilizando un pro-grama estadístico, intentando detectar alguna relación en-tre los valores de losparámetros desoldadura y los de ener-gía. Si bien los resultados de las curvas potenciales arroja-ron cierta tendencia, presentaron unnivel de error muy alto. Lo expuesto anteriormente nos lleva a concluir que el aná-lisis de los resultados de los ensayos de impacto no mues-tran ninguna relación que se pueda considerar entre los parámetros de soldadura y los valores y variaciones de la energía.
4. Conclusiones.
• El acero inoxidable Dúplex SAF 2205 en estado de entrega no presentó transición de dúctil afrágil en elrango de temperatura seleccionado, entre 22°C y -40°C, manteniéndose los valores de energía casi invariables entre ambas temperaturas, lo cual es característico de aceros de muy bajo contenido de carbono.
• El proceso de soldadura en el acero inoxidable Dúplex SAF 2205 bajo el rango de parámetros estudiados, origina variaciones en los valores de tenacidad con respecto al material original, que no se consideran significativos en cuanto a la transición de fractura dúctil a frágil en ninguna de las dos temperaturas estudiadas (22°C y -4C°C). A su vez, el acero inoxidable Dúplex SAF 2205 soldado bajo el rango de parámetros estudiados origina variaciones entre los valores de tenacidad a temperatura ambiente (22°C) y los valores de tenacidad a-40°C, los cuales no seconsideran significativos para la determinación de una fragilización. • Los parámetros de soldadura utilizados en la investigación, así como el calor aportado durante el proceso, no generan una influencia definida sobre los valores de tenacidad del acero inoxidable Dúplex SAF 2205.
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