Caracterización de depósitos obtenidos con electrodos rutílicos con aleación periférica

Texto completo

(1)Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Investigaciones de Soldadura TRABAJO DE DIPLOMA Título:. Caracterización. de. depósitos. obtenidos. con. electrodos rutílicos con aleación periférica.. Autor: Randy J Manso Guerra Tutores: Dr. Amado Cruz Crespo Dr. Eduardo Díaz Cedré Consultante: MSc. Yanelys Ríos Vizcaíno. Curso: 2010-2011. 1.

(2) “La diferencia entre una mala observación y una buena, es que la primera es errónea y la segunda es incompleta.” Van Hise. 2.

(3) Dedicatoria:. A mis padres y a mi familia: por las innumerables razones que me dan para vivir, y por ser fuente de inspiración para mis metas.. 3.

(4) Agradecimientos:. Muchos son los que de alguna forma contribuyeron a la realización de este trabajo, todos saben cuánto les agradezco: Primero quiero agradecer a mis padres que de una forma u otra siempre estuvieron allí para darme todo su amor y apoyo. Agradecer a mis tutores el Dr. Amado Cruz Crespo y Dr. Eduardo Díaz Cedré por su dedicación para el logro de esta tesis. A mis compañeros de grupo por estos cinco años que hemos compartidos juntos, que para mí fueron inolvidables. No quiero dejar de mencionar a Yasel Ocaña y Andy por todo su apoyo en los momentos difíciles. A mis profesores por sus enseñanzas, sin ellas no podría estar aquí donde estoy. En fin a todos.. Muchas gracias.. 4.

(5) 5.

(6) Resumen En el presente trabajo se propone la caracterización de depósitos de electrodos rutílicos con la aplicación de un revestimiento periférico de matriz básica. Se proponen las premisas teóricas para la evaluación de los depósitos en base a una fundamentación sobre el proceso SMAW y la evaluación integral de electrodos para soldadura por proceso manual. Se enfatiza en los aspectos teóricos vinculados a la Zona de Influencia Térmica de uniones de aceros al carbono. Se exponen los materiales y métodos para la preparación y caracterización de los depósitos, reflejándose como punto de partida el plan experimental en base al cual fueron aplicados los revestimientos; así como las etapas a seguir para la obtención de los electrodos y la caracterización metalográfica de los depósitos. Abstract. In the present work the characterization of deposits of retiles electrodes with the application of a peripheral coating of basic matrix sets out. The theoretical premises for the evaluation of the deposits on the basis of a founding set out on process SMAW and the integral evaluation of electrodes for weld by process manual. It is emphasized in the tie theoretical aspects to the Zone of Thermal Influence of unions of carbon steels. The materials and methods for the preparation and characterization of the deposits are exposed, being reflected like departure point the experimental plan on the basis of which the coatings were applied; as well as the stages to follow for the obtaining of the electrodes and the metallographic characterization of the deposits.. 6.

(7) Índice Introducción.......................................................................................................1 CapítuloI. Fundamentación teórica…..............................................................5 1.1 Fundamentos del proceso SMAW. Su versatilidad.....................................5 1.2 Propiedades operativas en un electrodo de soldadura...........................6 1.2.1 Parámetros de consumo.......................................................................7 1.2.2 Desprendimiento de la escoria...............................................................7 1.2.3 Estabilidad del arco.........................................................................9 1.2.3.1 Transferencia de carga...................................................................9 1.2.3.2Transferencia metálica..........................................................................9 1.3 Propiedades de las uniones soldadas......................................................11 1.3.1 Dimensiones de los cordones.................................................................11 1.3.2 Estructura de la unión soldada...........................................................12 1.3.3 Zona de la costura............................................................................14 1.3.4 Microconstituyentes que pueden estar presentes en el metal del cordón durante la soldadura.......................................................................................15 1.3.5Zona de influencia térmica.......................................................................17 1.3.6 Modificaciones estructurales y físico-química en la zona de influencia térmica del metal base (ZIT)........................................................................18 1.4 Influencia de elementos de aleación en las propiedades del cordón......21 1.4.1 Reacciones en la soldadura SMAW.................................................24 1.4.2 Desoxidación y aleación del metal....................................................24 1.4.3 Desfosforación y desulfuración..........................................................25 1.5 Característica de los consumibles AWS E 6013.....................................27 Conclusiones del Capítulo I....................................................................30 Capítulo II. Materiales y métodos.............................................................31 2.1Plan experimental para la aplicación de los revestimientos......................31 2.2Obtención de los electrodos experimentales...........................................34 2.3 Obtención de los depósitos y análisis metalográfico..............................35 Conclusiones del Capítulo II..........................................................................39 Capítulo III. Resultados y discusión............................................................40. 7.

(8) 3.1Comportamiento de la Microdureza del Cordón...................................40 3.2Ensayos mecánicos de las uniones soldadas......................................47 3.3Evaluación económica..........................................................................48 3.3.1. Análisis de las perspectivas de producción del electrodo.................52 Conclusiones de Capítulo III.......................................................................55 Conclusiones Generales............................................................................56 Recomendaciones.......................................................................................57 Referencia Bibliográfica..................................................................................58 Anexos.................................................................................................63. 8.

(9) Introducción El proceso SMAW está relacionado con el ingeniero marítimo sueco Oscar Kjllberg y el Inglés A.P Strohmenger. Oscar Kjllberg en 1910 patentó un procedimiento de soldadura por arco, empleando un metal de aporte revestido por inmersión con una mezcla de carbonatos y silicatos y luego secados al aire; Strohmenger en 1912 patentó en U.S.A un electrodo fuertemente recubierto, capaz de producir a escala industrial soldaduras con buenas propiedades mecánica [1]. Si bien los fabricantes continúan automatizando los procesos para incrementar la productividad, SMAW se mantiene en gran parte del total de las aplicaciones. Esto es debido a su versatilidad, bajos costos de accesorios y consumibles, simplicidad de la fuente de potencia, bajos costos de mantenimiento, durabilidad, relativa sencillez de operación y fácil configuración. La necesidad de concretar producciones y recuperaciones unitarias de piezas complejas y realizar trabajos en lugares inaccesibles para el equipamiento automático, dada la robustez, adaptabilidad y simplicidad del equipamiento, unido a sus bajos costos de mantenimiento y otras características ya referidas, sostienen la amplia diseminación de este proceso a nivel mundial. La soldadura como proceso de fabricación tiene tal incidencia dentro del desarrollo industrial a nivel mundial que muchos organismos internacionales consideran el consumo de consumibles de soldadura percápita como uno de los indicadores para evaluar el desarrollo de un país [1-7]. Dadas las particularidades de infraestructura industrial y mercado de nuestro país, el proceso SMAW constituye el más adecuado en un número importante de producciones. En Cuba en este siglo la soldadura ha jugado un papel importante y decisivo en algunos casos. Diferentes obras de alta significación de nuestro país se han realizado o perfeccionado gracias al empleo del proceso SMAW. Entre ellas, por mencionar algunas, el puente de Bacunayagua de 2800 T de acero soldado, la fábrica de níquel “Pedro Soto. 9.

(10) Alba” de 74000 T, las 17 termoeléctricas, los ferrocarriles centrales, los centrales azucareros, etc. Nuestro país está inmerso en la construcción y remodelación en el ámbito social, industrial y militar, donde los procedimientos de soldadura juegan un papel fundamental para su desarrollo. En la esfera social están desarrollándose nuevas comunidades de edificaciones prefabricadas, donde los procedimientos de soldadura sólo se pueden realizar con SMAW por las dificultades de procedimiento; en la esfera industrial, una de las más significativa es la refinería de Cienfuegos, donde la infraestructura, por su difícil acceso, sólo se puede realizar con SMAW. En la esfera militar se está desarrollando la tarea Triunfo, donde se modifica y perfecciona el armamento y es el procedimiento SMAW uno de los más usados por su manuabilidad. Los consumibles de este proceso son producidos en masas en fábricas cubanas, como la fábrica de alambres con púas y electrodos” Gonzalo Esteban Lugo” en Nuevitas, Camagüey y en COMETAL de Ciudad de la Habana. No obstante, sólo se producen electrodos AWS E 6013, siendo entonces inevitable la importación de otros consumibles, como el AWS E 7018, para fabricar las estructuras soldadas. Es precisamente por esto que hemos encausado nuestro trabajo: en buscar vías de modificación al electrodos AWS E 6013, que son más baratos y de mayor disponibilidad en el país; para lograr cubrir determinadas aplicaciones que hoy se realizan con electrodos importados y de menor disponibilidad, con lo cual se persigue la sustitución de importaciones y la independencia tecnológica. Problema científico. Se desconoce el efecto que provoca el revestimiento con aleación periférica, aplicado por inmersión a electrodos AWS E 6013, sobre la microestructura de los cordones y la Zona de Influencia Térmica. Problema práctico. En el país solo se fabrican electrodos rutílicos AWS E 6013 que no cubren las necesidades para la fabricación, reparación y mantenimiento que con frecuencia. 10.

(11) requieren de electrodos de mayor resistencia, lo cuales deben ser importados, limitándose su disponibilidad en ocasiones en algunas empresas.. Objetivo General. Establecer la influencia de los componentes del revestimiento con aleación periférica, aplicado a electrodos AWS E6013, sobre la microestructura de los cordones y la Zona de Influencia Térmica, con vistas a mejorar sus propiedades. Objetivos Específicos. 1. Establecer la influencia de los componentes del revestimiento con aleación periférica en el electrodo AWS E6013, sobre la microestructura de los cordones y la Zona de Influencia Térmica, con vista a mejorar sus propiedades. 2. Evaluar la viabilidad económica de producción del electrodo con revestimiento periférico en las condiciones de la Empresa ¨Enrique Villegas¨. Aporte. Se establece el efecto de los componentes del revestimiento con aleación periférica, aplicado a electrodos AWS E6013, sobre la microestructura de los cordones y la Zona de Influencia Térmica, así como sobre la Microdureza, lográndose un electrodo que supera al AWS E 6013 tomado como referencia. Hipótesis. Es posible establecer el efecto, sobre la microestructura de los cordones y la Zona de Influencia Térmica, del revestimiento con aleación periférica, aplicado a electrodos AWS E 6013. Tareas. 1.. Revisión bibliografía sobre el proceso SMAW y la evaluación integral de. electrodos.. 11.

(12) 2.. Planificación experimental para la caracterización metalográfica de los cordones. y la Zona de Influencia Térmica para electrodos rutílicos con sistema de aleación periférica. 3.. Obtención de depósitos y preparación de probetas para la caracterización. metalográfica. 4.. Caracterización metalográfica de los cordones y de la Zona de influencia. térmica. 5.. Ensayo de tensión comparativo de la unión con electrodo de revestimiento. periférico frente al electrodo AWS E 6013.. 12.

(13) Capítulo I. Fundamentación teórica 1.1 Fundamentos del proceso SMAW. Su versatilidad La existencia de la necesidad de concretar producciones, recuperaciones unitarias de piezas complejas y realizar trabajos en lugares inaccesibles para el equipamiento automático, dada la robustez, adaptabilidad y simplicidad del equipamiento, junto a otras características, sostienen la amplia diseminación de este proceso a nivel mundial. El proceso de soldadura con electrodo recubierto (SMAW) (figura 1.1) es un proceso de soldadura por arco en el que la fusión del metal se produce por el calor generado en el arco eléctrico, entre el extremo del electrodo recubierto consumible y la superficie de los metales base que se van a unir. De esta forma las pequeñas gotas de metal fundido que se forman sobre la punta del electrodo viajan a través de la columna del arco y junto con el metal base fundido forman el baño de soldadura. En la medida que el proceso se desarrolla el baño metálico va solidificando y formando el metal de la costura. La protección del metal, a elevada temperatura de la acción del oxígeno y el nitrógeno del aire se realiza a través del revestimiento, pues cuando combustiona genera gases y una escoria que cubre las gotas de metal y el baño de soldadura, creando una doble barrera protectora .La atmósfera gaseosa que protege el arco evita la oxidación y la nitruración a altas temperaturas del metal depositado y la capa de escoria protege al metal fundido y contribuye a desulfurar y desfosforar el mismo, lo cual eleva las propiedades mecánicas del depósito. Durante el proceso se producen pérdidas metálicas por salpicadura, que atentan contra la economía del proceso, despidiéndo además gases y radiaciones perjudiciales para la salud .. 13.

(14) Figura. 1.1.. Proceso. de. soldadura. SMAW. El proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto es uno de los procesos más usados, particularmente para costuras cortas de producción, trabajos de mantenimiento y reparación, para trabajos de construcción en campo y en recargue o relleno superficial. Este proceso por su versatilidad se puede emplear en combinación con otros procesos de soldeo, realizando o bien la pasada de raíz, o las de relleno. Los sectores de mayor aplicación son: la construcción de maquinaria, naval, de estructuras, puentes, recipientes a presión, calderas, refinerías de petróleo, gasoductos, entre otros [8].. 1.2. Propiedades operativas en un electrodo de soldadura. El arco eléctrico empleado en soldadura debe poseer una serie de particularidades tecnológicas que garanticen su racional explotación en esta técnica, entre ellas, la rapidez de encendido, la estabilidad del arco al cambio de su longitud, una forma adecuada del cordón y una superficie del cordón que garantice una capa fácil de desprender. Todo esto crea las condiciones necesarias para la obtención de uniones soldadas de calidad.. Por lo tanto la mayoría de los fabricantes sustentan la calidad de la producción de electrodos en los parámetros de consumo [9,10] y en las propiedades del metal depositado que es en esencia lo que muestran en sus catálogos. Por otra parte, sin perder de vista estos aspectos, otras investigaciones centran su interés en mejorar estas características abordándolas desde una perspectiva fenomenológica (Transferencia Metálica y de Carga, Microestructura del Metal depositado y la Zona de influencia térmica, Transferencia de elementos de Aleación, Fenómenos de Dilución y Propiedades de las Escorias) [1, 3, 11].. 14.

(15) 1.2.1 Parámetros de consumo Durante la práctica industrial de la soldadura se hace necesario normar los tiempos de ejecución de la misma, determinar parámetros del régimen de soldeo, establecer el consumo de materiales de aporte o determinar sus costos. Entre los parámetros de consumo que establece la norma ISO 2401-72 de los electrodos ordinarios se determina el coeficiente de fusión, el coeficiente de depósito, la productividad del proceso, el coeficiente de pérdidas, la eficiencia de depósito respecto al núcleo del electrodo y sin considerar las pérdidas por colillas, la eficiencia total del electrodo, entre otras [12].. Se brinda especial importancia en estas normas al de coeficiente de fusión y de deposición como principales parámetros, no se contemplan los consumos efectivos de potencia eléctrica, ni la facilidad de encendido y reencendido del arco, la facilidad de desprendimiento de la escoria, aspectos que modifican la operatividad del electrodo influenciando los costos de las producciones. Por otra parte, no tienen en cuenta el mantenimiento del arco, lo cual posee estrecha relación con la estabilidad en la transferencia de masa y carga a través del arco y la morfología del cordón [13].. 1.2.2 Desprendimiento de la escoria En la composición química de las escorias de electrodos revestidos se puede encontrar: SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3, FeO, MnO, MgO, SO3, P2O5, K 2O, Na2O, etc. Pero básicamente el mayor contenido en la masa total de escoria se encuentra en la sílice (SiO2), (CaO), el rutilo (TiO2), fluorita (CaF2), manganosita (MnO). Un elevado contenido de óxido de silicio en las escorias le brinda a estas un carácter ácido, el alto contenido de óxido de calcio les da carácter básico. Una elevada capacidad oxidante puede empeorar bruscamente la capacidad de desprendimiento de la escoria en la superficie de la costura. En realidad, si la. 15.

(16) concentración de los óxidos de hierro en la escoria es elevada, la oxidación de las capas superficiales del metal puede ocurrir, incluso hasta su solidificación. Sobre la. superficie. del. metal. se. forma. una. película. de. óxido,. compuesta. fundamentalmente de FeO, cristalizado en el sistema cúbico. La presencia en la superficie de la interfase de la escoria de compuestos cristalizados en el sistema cúbico, como el FeO, lleva en su momento a acabar la construcción con estos compuestos de retícula de óxido de hierro y significa una adherencia fuerte de la escoria con el metal. Según el sistema cúbico cristalizan compuestos del tipo espinela, que representan en sí óxidos complejos de dos y tres valencias en metales; Al, Mg, Fe y otros. Desde el punto de vista de la adherencia mecánica de la escoria, se separan más fáciles aquellas escorias con poca resistencia, con mayor coeficiente de dilatación lineal. y. de. alta. temperatura. de. reblandecimiento,. siendo. determinado. fundamentalmente por su resistencia mecánica y no por la fuerza de adherencia de ésta con el metal. La mayor adherencia tiene lugar cuando se forma una capa de óxidos mixtos, de 1,5 m aproximadamente, entre el metal y la escoria. Los óxidos divalentes de varios metales de transición se forman por la oxidación en la interfase (metal-escoria) se diluyen en la superficie de la escoria y según su viscosidad se transportan lentamente hacia el interior de ésta, por lo que no tienen tiempo a que su concentración en la superficie sea alta [13]. Cuando las escorias presentan una menor densidad estas se liberan más fácilmente del metal, lo que posibilita la eliminación de inclusiones y por lo tanto de defectos en la unión soldada.. 16.

(17) 1.2.3 Estabilidad del arco 1.2.3.1 Transferencia de carga La estabilidad del arco depende, entre otros factores, del estado de ionización de los gases comprendidos entre el ánodo y el cátodo. Para un arco de corriente alterna (CA) es imprescindible un medio fuertemente ionizado. Por este motivo se puede influir sobre la estabilidad de encendido del arco mediante la introducción en el metal de elementos con bajo potencial de ionización, lo cual casi siempre se logra a través de la composición del revestimiento, como bien lo plantea. Además, los iones de los elementos referidos, en su movimiento hacia el cátodo bombardean la mancha catódica, formando segmentos, en los cuales decrece bruscamente el potencial de salida y ocurre la mayor emisión de electrones [4]. La presencia de fluoruros o haluros en el revestimiento desempeña un papel negativo, lo cual está condicionado por el arribo a la atmósfera del arco del anión F- o X-, junto al catión Ca2+. Por esto la concentración del fluoruro de calcio en valores excesivos, hace decrecer significativamente la longitud del arco (la estabilidad). 1.2.3.2 Transferencia metálica La transferencia metálica del material de soldadura del electrodo a la pieza en soldadura puede ser definida de manera general de dos modos: por cortocircuito (short circuit) y vuelo libre( transferencia globular y de transferencia pulverizada (spray)) como refiere [9].. Para evaluar la transferencia metálica por cortocircuito. se tiene en cuenta la. frecuencia de cortocircuito y el tiempo de cortocircuito. Como refieren [5,15], la frecuencias de Cortos con transferencia metálica (Fm), es definida como el inverso. 17.

(18) del tiempo entre cortos superiores y el tiempo medio de duración de los cortos con transferencia de metal (Tm). La transferencia de las gotas es. gobernada. por 2 fuerzas en direcciones. opuestas: la fuerza de gravedad en el sentido del desprendimiento y la fuerza de tensión superficial que se opone hasta que la gota haga contacto con el metal del baño (ver figura 2 del lado izquierdo), aumentando el diámetro crítico de la gota [16] . Sin embargo cuando la fuerza de tensión superficial es en el mismo sentido del desprendimiento de la gota disminuye el diámetro crítico provocando un encuellamiento de la gota favoreciendo la transferencia metálica y reduciendo el nivel de pérdidas por salpicadura (ver figura 1.2 del lado derecho) [17].. Electromagnetic Force. Force of Tension. Electromagnetic Force. Force of Tension Gravitational Force. Gravitational Force. Figura 1.2. Direcciones de la acción de las fuerzas principales durante la separación de la gota en arco [16].. Podemos agregar que en polaridad inversa los iones voluminosos de Flúor (F -) que descienden hacia la punta del electrodo realizan un efecto de apantallamiento al paso de los electrones y reducen el efecto de calentamiento excesivo de la gota y su pérdida de elementos. A su vez, como reporta [9] en este tipo de polaridad las gotas son mayores en electrodos básicos, lo cual favorece la disminución de pérdidas .. 18.

(19) 1.3 Propiedades de las uniones soldadas 1.3.1 Dimensiones de los cordones Sobre la forma de la sección transversal del cordón ejercen gran influencia las propiedades estabilizadoras del revestimiento, la densidad de la escoria que se forma y las propiedades de las escorias fundidas. Variando la longitud del arco y la profundidad de su penetración en el metal base se puede variar el coeficiente de. forma. del. cordón.. Esto. puede. lograrse. variando. las. propiedades. estabilizadoras del revestimiento, de tal modo que un revestimiento con bajas propiedades estabilizadoras lleva a la disminución de la longitud del arco y la obtención de un cordón estrecho, con gran profundidad de penetración [18,19]. Para altas propiedades estabilizadoras de las escorias fundidas hay un alargamiento del arco y en consecuencia la obtención de un alto coeficiente de forma del cordón. Con el incremento de la intensidad de la corriente, la proporción del metal base en la costura aumenta y el ancho de la costura queda casi invariable. Cuando se mantiene la corriente constante y se disminuye el diámetro del electrodo, la densidad de la corriente aumenta, lo cual provoca el incremento considerable de la profundidad de fusión (penetración de soldadura) y el ancho de la costura y el coeficiente de forma (  P ) disminuyen. La influencia de la tensión del arco sobre la forma geométrica de la costura, depende de forma proporcional de la longitud del arco y además de la composición de los gases que están en la zona del arco. El incremento de la tensión del arco hace que aumente la movilidad del mismo, como resultado de esto crece considerablemente el ancho de la costura, permaneciendo casi constante la profundidad de fusión dentro de los límites normales que tienen lugar en la práctica. Al incrementar el espesor del metal a soldar, aumenta la intensidad de la corriente y esto debe ir acompañado del aumento de la tensión del arco [20].. 19.

(20) 1.3.2 Estructura de la unión soldada La mayoría de los aceros modernos obtienen sus propiedades mecánicas por intermedio de procesos termomecánicos como forja, laminación, extrusión, fundición o tratamiento térmico, que realizados correctamente proporcionan una microestructura óptima para soportar las solicitaciones mecánicas. Cuando a esta estructura se le aplica el ciclo térmico de la soldadura se forman dos zonas perfectamente diferenciadas. - Metal fundido con o sin presencia de metal de aporte. - Zona de influencia térmica (ZIT). Esta zona está afectada estructuralmente sin haber llegado a la fusión. Estas dos zonas ya no tienen la estructura óptima original del Metal Base y por lo tanto puede considerarse a este cambio estructural un efecto Indeseable del ciclo térmico de soldadura. En la figura 1.3 se muestra la estructura de la unión soldada.. Metal base (MB) Cordón de soldadura (CD). Zona de influencia térmica (ZIT). Figura 1.3. Estructura de la unión soldada. 20.

(21) La zona de la costura o zona fundida (ZF), está formada únicamente por el metal fundido proveniente de los materiales de aporte y materiales base, y solidificados a partir del estado líquido que sufre, durante la fusión, un cierto número de transformaciones que son de tipo químico, físico o estructural. En esta zona se obtienen una microestructura denominada estructura primaria o “como soldada”. Esta consiste de ferrita alotriomórfica α, ferrita con placas laterales o Widmanstatten αw, ferrita acicular αa y las llamadas microfases, que pueden incluir pequeñas cantidades de martensita, ausentita retenida o perlita. La bainita también se puede encontrar en ciertos depósitos de soldadura [21]. En la formación de ferritas nucleadas en el interior de los granos austeníticos, la ferrita acicular (FA), corresponde al tipo más frecuente, siendo formada a temperaturas tan bajas como aquéllas de formación de la bainita en aceros de bajo carbono y baja aleación, enfriados continuamente. La ferrita acicular que se forma intragranularmente, nucleándose de forma heterogénea en sitios como inclusiones (o próxima a éstas), precipitados y otras irregularidades en los granos austeníticos. En la Zona Fundida, su formación es favorecida por la presencia de precipitados y, particularmente, de numerosas inclusiones resultantes de la presencia de oxígeno, en general, en cantidades superiores a los del metal base [22]. Este fenómeno, se puede observar en la micrografía que se muestra en la figura 1.4, presentada con dos resoluciones diferentes.. Figura 1.4. Microestructura del cordón donde aparece la formación de la ferrita acicular a partir de las inclusiones.. 21.

(22) La ferrita acicular αa es la fase más comúnmente encontrada como producto de la descomposición de la austenita en la soldadura de aceros al C-Mn y de baja aleación. Esta fase es de considerable importancia tecnológica, ya que provee una microestructura relativamente tenaz y resistente. Se forma en un intervalo de temperaturas donde las transformaciones reconstructivas se vuelven relativamente lentas, y dan lugar a las transformaciones del tipo cooperativas como la ferrita Widmanstatten, la bainita o la martensita [22].. 1.3.3. Zona de la costura La zona de la costura o zona fundida (ZF), formada únicamente por el metal fundido proveniente de los materiales de aporte y parte de los materiales base, y solidificados a partir del estado líquido sufre, durante la fusión, cierto número de transformaciones que son de tipo químico, físico o estructural. En la zona fundida de la unión soldada ocurren procesos metalúrgicos donde se ponen de manifiesto cierto número de fenómenos como:[21-22]  Modificaciones químicas.  Absorción de gases.  Precipitación de compuestos definidos de la solución sólida madre.  Transformaciones eutécticas.  Modificaciones estructurales.. 22.

(23) 1.3.4. Microconstituyentes que pueden estar presentes en el metal del cordón durante la soldadura La microestructura obtenida al enfriar el metal de soldadura desde el líquido hasta la temperatura ambiente se denomina estructura primaria. Esta consiste en ferrita primaria, ferrita secundaria, ferrita acicular y las llamadas microfases, que pueden incluir pequeñas cantidades de martensita, austenita retenida o perlita. La bainita también se puede encontrar en ciertos depósitos de soldadura. Las diferentes variedades de estas fases que pueden estar presentes en los depósitos de soldaduras. Ferrita de contorno de grano – PF (G): Es el primer constituyente que se forma por la descomposición de la austenita y consiste en cristales de ferrita que nuclean en los contornos de grano austeníticos, a elevadas temperaturas de transformación (800 – 850 ºC). Presentan una forma lenticular o equiaxial, siendo fácilmente observados con el uso de microscopia óptico. Esta morfología de la ferrita presenta un tamaño de grano relativamente grande y tiende, en las regiones inalteradas de la zona fundida, a formar vellos a lo largo de los contornos de los granos columnares austeníticos. Entre sus granos pueden ser observados constituyentes ricos en carbono y en impurezas, segregados durante la transformación de fase, como la perlita. Debido a estas características, una gran cantidad de ferrita de contorno de grano es indeseable en soldaduras que deben presentar una elevada resistencia a la fractura frágil.[23] Ferrita poligonal intragranular – FP (I): Cuando la austenita tienen un tamaño de grano mucho mayor que la ferrita que está siendo formada en sus contornos y hayan sitios para núcleo intragranular, granos de ferrita pueden ser formados en el interior de la austenita. Cuando se forma a temperaturas elevadas,. 23.

(24) la ferrita presenta granos equiaxiales que son fácilmente identificados con el microscopio óptico. Normalmente se observan los siguientes comportamientos de la ferrita de contorno de grano y ferrita poligonal intragranular:[23] . En la mayoría de los casos, la transformación de la austenita para ferrita de contorno de grano antecede la formación de ferrita poligonal intragranular.. . Estas morfologías de ferrita son características de soldaduras con baja velocidad de enfriamiento y baja cantidad de elementos de aleación.. . Microconstituyentes como perlita y otros son observados en los contornos de la ferrita de contorno de grano y de la ferrita poligonal intragranular.. Ferrita con segunda fase alineada – FS(A): Tienden a presentar una apariencia muy análoga cuando son observadas por microscopia óptica, se destacan: (a) Una forma de ferrita pro-eutectoide que se forma a temperaturas más bajas que los constituyentes discutidos anteriormente y se constituye de placas que núclean en los contornos de grano de la austenita y crecen a lo largo de planos bien definidos dentro de estos granos. (b) La bainita (en general, bainita superior). Ambos constituyentes pueden iniciar su crecimiento derecho del contorno de grano de la austenita o desde granos de ferrita de contorno de grano formados anteriormente.[23] Ferrita con segunda fase no alineada FS (NA): Es formada por ferrita envolviendo completamente: (a) Microfases (carburos o el constituyente AM. – austenita-martensita). aproximadamente equiaxiales y distribuidas aleatoriamente. (b) Granos de ferrita acicular. Este constituyente parece ser una forma atípica de bainita, aunque pueda resultar simplemente de un corte particular de paquetes de. 24.

(25) bainita (en cuanto a microestructura se desarrolla en tres dimensiones y lo que se observa en el microscopio es apenas un corte de esta en dos dimensiones).[23] Ferrita acicular (FA): Corresponde al tipo más frecuente de ferrita nucleada en el interior de los granos austeníticos, siendo formada a temperaturas tan bajas como aquellas de formación de la bainita en aceros bajo carbono y baja aleación enfriados continuamente. La ferrita acicular que se forma intragranularmente, nucleándose de forma heterogénea en sitios como inclusiones (o próxima a éstas), precipitados y otras irregularidades en los granos austeníticos. En la ZF, su formación es favorecida por la presencia de precipitados y, particularmente, de numerosas inclusiones resultantes de la presencia de oxígeno, en general, en cantidades superiores a los del metal base.[23]. 1.3.5. Zona de influencia térmica El metal base aledaño a dicha zona o ZIT también sufre un tratamiento térmico variable según el punto que se considere y su distancia al eje de la costura, por ello sufre de transformaciones de tipo físico - químicas.. La. importancia de estas transformaciones es función, por una parte, del ciclo térmico y por otra, de la misma naturaleza de la aleación; aleaciones témplables (aceros), aleaciones sensibles a los cambios de fase por precipitación (aleaciones de aluminio, por ejemplo), etc. El metal base en la Zona de influencia térmica sufre un tratamiento térmico variable en cada punto según el ciclo térmico impuesto por el procedimiento de soldadura. Este ciclo térmico estará influenciado, no solamente por el procedimiento de soldadura, sino también por el método de soldadura, las propiedades físicas del metal (como conductividad térmica), el tipo de unión y el espesor de las chapas a unir. En el caso de los aceros, el ciclo térmico puede provocar transformaciones de tipo estructural, provocando un agrandamiento exagerado de los granos, o de tipo físico-químico, como el temple, hasta una cierta distancia de ambas partes del eje de la soldadura [24].. 25.

(26) 1.3.6. Modificaciones estructurales y físico – química en la zona de influencia térmica del metal base (ZIT) El crecimiento de los granos en el metal base, está ligado invariablemente al ciclo térmico de la soldadura, temperatura y velocidad de enfriamiento. En la soldadura por arco, la zona de crecimiento de los granos está más localizada y sus dimensiones pasan por un máximo, en una zona muy próxima a los bordes, disminuyendo bruscamente en las capas próximas al bisel. Este aspecto de la curva se debe al normalizado que provoca en el metal base las sucesivas pasadas del depósito por arco. En la Figura 1.5 se muestra la influencia del ciclo térmico de soldadura en el tamaño del grano del metal base. La figura en su parte izquierda representa una ZIT para unión realizada mediante soldadura por llama, y la de la derecha mediante soldadura por arco, diferenciándose perfectamente el ancho mucho menor de esta última. Estos cambios de estructuran generalmente están ligados a cambios en las propiedades del metal en esta zona debido al tratamiento térmico a que esta sometida esta zona.. Figura 1.5. Influencia del ciclo térmico de soldadura en el tamaño del grano del metal base. Estructura de la Zona de influencia térmica. Según sea la potencia térmica aplicada en la zona fundida, así variará el ancho de la Zona de influencia térmica (ZIT) en el metal base, el cual será sometido a modificaciones alotrópicas dando origen a toda una serie de. 26.

(27) estructuras que pueden ir desde el semi-temple del tipo bainítico, hasta el hipertemple totalmente austenítico. Estas modificaciones variarán en dependencia de las diferentes regiones de la zona térmicamente afectada donde se encuentre (ver figura 1.6).. 1. 2. 3. 4. 5. 6.. Zona fundida Zona de fusión incompleta Zona de recalentamiento o de grano grueso Zona de normalizado Zona de recristalizacion incompleta Metal base. Figura 1.6. Estructura de la unión soldada. A continuación se enumeran las diferentes zonas que se presentan en la ZIT durante la soldadura de los aceros al carbono y de baja aleación: 2. Zona de fusión incompleta: Constituye la zona de transición entre el metal de la costura o zona fundida y el metal base no fundido. Es una zona estrecha del metal base que se calienta a temperaturas por debajo de la línea de líquidos y por encima de la línea de sólidos, o sea, a temperaturas que solo sobrepasan un poco la temperatura de fusión por lo que el metal se encuentra en estado bifásico sólido-líquido. El estado bifásico que se alcanza permite que ocurran procesos difusivos de algunos elementos entre las fases líquidas y sólidas de la zona de fusión incompleta, lo que provoca que esta zona se diferencie en cuanto a composición química tanto de la zona de la costura, como del metal base. El ancho de esta zona depende del carácter de la fuente de calor y de la composición química del metal y varía desde 0.1-0.4mm. Las propiedades de. 27.

(28) esta zona en ocasiones ejercen una influencia decisiva en la resistencia de la unión. 3. Zona de sobrecalentamiento: Zona limitada a los puntos cuyas temperaturas máximas se limitan entre aproximadamente los 1100oC (temperatura de crecimiento intensivo el grano austenítico) y la línea de sólidos. En esta zona el metal durante el calentamiento de soldadura sufre la transformación alotrópica de hierro- a  y producto de que el metal se calienta a temperaturas bastante por encima de Ac3=850oC (para aceros de baja aleación) donde ocurre un sobrecalentamiento y crecimiento del grano austenítico. Luego del enfriamiento la estructura final de esta zona depende de la composición del metal y el ciclo térmico de soldadura, de forma que en algunos casos durante la soldadura SMAW con un sobrecalentamiento significativo del acero y un contenido de carbono elevado, y durante la soldadura con electroescoria, incluso en aceros de bajo carbono se forma una estructura de grano grueso, que no influye significativamente en la resistencia del metal, pero que si disminuye significativamente su plasticidad. En estos casos la resistencia al impacto puede caer en un 25% y más. El ancho de esta zona oscila entre 1 y 3mm. Por lo anterior se considera una de las zonas que más afectación pueden sufrir en la ZIT.. 4. Zona de normalizado: Está constituida por el metal calentado algo por encima de Ac3 hasta la temperatura de aproximadamente 1100 oC. En esta zona se obtiene una estructura de grano fino muy favorable desde el punto de vista de propiedades mecánicas, siendo en algunos casos incluso superiores a las del metal base no afectado. El ancho de la zona varía de 1.2 a 4mm. 5. Zona de recristalización incompleta: Se presenta en la zona calentado a temperaturas entre Ac1 y Ac3, que en los aceros de bajo carbono va de 725 a 850oC. El metal en esta zona alcanza solo una recristalización parcial.. 28.

(29) 6. Metal base no afectado: En los aceros al carbono por debajo de la temperatura Ac1 no ocurren transformaciones importantes que afecten de forma importante las propiedades mecánicas, por lo que por debajo de esta temperatura se considera metal base no afectado térmicamente. Algunos autores extienden la ZIT por debajo de esta temperatura porque determinados aceros son susceptibles de sufrir modificaciones.[ 25]. 1.4 Influencia de elementos de aleación en las propiedades del cordón Los elementos de aleación presentes en el metal de soldadura se han introducido tanto deliberadamente a través del material del núcleo y del revestimiento, como por dilución desde el metal base. Adiciones de elementos que aumentan la templabilidad del material pueden tener dos propósitos: (a) asegurar el nivel de resistencia requerido por endurecimiento por solución sólida o por precipitación, y (b) controlar la microestructura a través de la modificación de las velocidades de nucleación y crecimiento de la ferrita determinación. de. la. influencia. de. cada. proeutectoide. Sin embargo, la elemento. individual. sobre. la. microestructura y la tenacidad resultantes es a menudo difícil de estimar debido al número de factores involucrados [26]. De la gran variedad de elementos utilizados como aleantes de los aceros, se pueden diferenciar dos grandes grupos, por un lado los elementos estabilizadores de la fase γ o gamágenos tales como C, N, Mn, Ni, Cu y Zn, mencionados en orden de efectividad decreciente. Por otro lado los elementos estabilizadores de la fase α o alfágenos, tales como Zr, Ti, P, V, Nb, W, Mo, Al, Si, y Cr. A su vez, se puede agregar un concepto adicional que corresponde a los elementos formadores de carburos, dado que este aspecto será de gran importancia en el desarrollo microestructural del metal de soldadura, donde los más significativos son el Mo y el Cr por su amplia utilización en los aceros, siendo otros el Nb, V y W [26, 27].. 29.

(30) De los elementos mencionados se tiene que el C, N, Mn, Si, y Mo suelen encontrarse típicamente en los aceros soldados. Como resultado del potente efecto del C sobre la templabilidad de los aceros, el contenido de carbono de los depósitos de soldadura se mantiene usualmente bajo y dentro de un rango ajustado (0,05 - 0,10 %) en consideración a una alta resistencia contra la fisuración en frío asistida por hidrógeno con una iniciación de fractura frágil en la región soldada [28]. Después del C, el Mn es probablemente el más importante de los elementos de aleación, comúnmente utilizada para aumentar la resistencia y la templabilidad de un acero, ya que el Mn disminuye la temperatura de transformación de austenita a ferrita y adiciones balanceadas de Mn son normalmente utilizadas para aumentar la tenacidad. El aumento del contenido de Mn produce un aumento de la fracción volumétrica de ferrita acicular en combinación con un refinado general de la microestructura (tanto de la zona primaria como recristalizada) y una disminución del contenido de ferrita poligonal en borde de grano y de la ferrita con segundas fases alineadas [15, 29]. Para el caso del proceso de soldadura SMAW, multipasadas de aceros al C-Mn, las mejores propiedades al impacto se obtienen para un contenido de Mn de alrededor de 1,4 %, asociado a una combinación de una microestructura más favorable y un mayor límite de fluencia con el aumento del contenido de Mn. Este contenido de Mn está relacionado a una estructura de ferrita acicular, mientras que para 0,8 % Mn, el constituyente predominante es ferrita Widmanstatten, y para 2,2 % Mn la estructura está compuesta por bainita [28]. En contraste con el Mn, el Si es considerado negativo para la tenacidad, aún en bajas concentraciones, como resultado de la formación de microfases de martensita y/o austenita en combinación con un aumento general del nivel de resistencia de la soldadura. En soldaduras realizadas con SMAW se observó que el Si es menos potente en la formación de ferrita acicular que el Mn, sin embargo se reportó algún refinamiento de la estructura en soldaduras realizadas en SAW y. 30.

(31) se observó que un aumento de 0,23 a 0,57 % de Si disminuyó el intervalo de las temperaturas de transformación, aumentando la dureza y la fracción de microfases incluyendo austenita retenida [28]. Un aumento en la tenacidad puede obtenerse con la adición de Ni, Cu, Mo y Cr. El Ni y el Cu tienen efectos sobre las transformaciones del acero similar al Mn (estabilizadores de la austenita), mientras que el Cr y el Mo suprimen cinéticamente la transformación de la austenita, y por lo tanto sólo disminuyen levemente la temperatura de transformación. La adición de Ni refina la ferrita acicular, debido a que disminuye la temperatura de transformación. A un nivel de Mn de 1 %, con un contenido de 1,5 % de Ni para soldadura MIG y 3,5 % para soldadura SMAW se forma ferrita con segundas fases alineadas [30]. Ha sido mostrado que el Mo y el Cr, que es otro elemento formador de carburos, ha dado efectos similares [26, 29] y estos promueven la formación de ferrita acicular a expensas de la ferrita proeutectoide. La razón para que esto suceda es que debido a la formación de carburos en la austenita estos pueden inhibir el movimiento del frente de crecimiento de la fase proeutectoide por efectos de anclaje. Por otro lado, a menores temperaturas de transformación los carburos no pueden suprimir el crecimiento de la ferrita acicular debido a la alta densidad de sitios de nucleación disponibles. Los elementos como el S y P son considerados negativos para la tenacidad. Evans [31] encontró un aumento en la proporción de ferrita con segundas fases en soldaduras realizadas con electrodos revestidos básicos. Este hecho es atribuido por el autor a la presencia de una delgada capa de MnS sobre la superficie de las inclusiones no metálicas que limitan la nucleación de la ferrita acicular. En cuanto al P se ha encontrado que no afecta el tamaño de las inclusiones ni el espaciado, sino que produce un endurecimiento por solución sólida [26, 31].. 31.

(32) 1.4.1 Reacciones en la soldadura SMAW Si bien es cierto que un criterio de partida para entender y explicar los procesos metalúrgicos que tienen lugar en el baño de soldadura e incluso para entender algunos fenómenos del arco es la basicidad del sistema de óxidos de la escoria, esto lógicamente nunca se aísla de los contenidos de los elementos aleantes, a la vez que la participación másica de los componentes, a través de la participación del núcleo, el revestimiento o el metal base, definen la transferencia de los elementos e incluso aspectos operacionales como la geometría de los cordones y la productividad [1]. Además, en la búsqueda de mejorar la eficiencia del consumible ocurren fenómenos químico-físicos que influyen sobre las propiedades del arco, las propiedades de la escoria y las propiedades del baño fundido.. 1.4.2 Desoxidación y aleación del metal Los procesos de oxidación-reducción del silicio y el manganeso en escorias son abordados por la literatura especializada, coincidiendo en los puntos de vistas fundamentales la mayoría de los autores [2, 7]. Para la descripción K.V. Liuvavskii propone las siguientes ecuaciones: 2(FeO) + [Si]  (SiO2) + 2[Fe] (FeO) + [Mn] (MnO) + [Fe] (SiO2) + 2[Mn]  2(MnO) f + [Si] El óxido de hierro II (wustita) se disuelve en la escoria y parcialmente en el metal líquido, quedando como resultado de las ecuaciones descritas el metal enriquecido al mismo tiempo con silicio, manganeso y oxígeno. Por su parte la reducción del manganeso por el hierro ocurre en todas las zonas de temperatura pero se hace más intensa hasta los 1800 oC (en el baño) [32]. De lo anterior se infiere que el manganeso como desoxidante es más activo en las zonas de bajas. 32.

(33) temperaturas mientras el silicio es activo para temperaturas más altas (en el baño y en el arco). Cuando la temperatura desciende, por ejemplo en la zona posterior del baño, comienzan a oxidarse el manganeso y el silicio con el oxígeno disuelto [O] FeO, debido a que sus concentraciones resultan superiores a las de equilibrio. Sucede que una parte del oxígeno alcanza pasar a la escoria en forma de Fe 2SiO4 y no resulta suficiente su concentración en el baño para oxidar todo el silicio y el manganeso, además de que el descenso relativamente rápido de la temperatura hace disminuir la velocidad de reacción. De otro lado, pueden ocurrir un conjunto de otras reacciones de oxidación reducción, tales como: [C] + 2(FeO) = [CO2] + (Fe) [Cr] + [FeO] = [Cr2O3] + (Fe) Como es conocido, los bajos contenidos de carbono favorecen la ductibilidad del acero. Al aumentar la relación Mn/SiO 2 en el revestimiento ocurre un aumento del oxígeno libre en el sistema de escoria que contribuye a la oxidación del carbono. Ello es más intenso en la zona de alta temperatura (estadio de gota y zona delantera de soldadura).. 1.4.3 Desfosforación y desulfuración El azufre y el fósforo, ejercen una influencia negativa sobre las propiedades del metal. Este último provoca fragilidad en frío y para los aceros austeníticos provoca grietas en caliente. El azufre por su parte provoca grietas en caliente a causa de la formación de eutécticas de bajo punto de fusión. El FeS se disuelve bien en el hierro líquido. Si el azufre se encuentra en esta forma en el revestimiento y su contenido es  0,05 % se observa un enriquecimiento del baño con este elemento [33]. De otro lado, en la soldadura cuando hay alto contenido de manganeso se verifica la desulfuración por las reacciones siguientes:. 33.

(34) [FeS] + (MnO)  (MnS) + [FeO] [FeS] + (Mn)  (MnS) + [Fe] Para bajos contenidos de MnO la reacción tiende a ser reversible para las temperaturas del baño. El sulfuro de manganeso (MnS) es poco soluble en el metal y pasa parcialmente a la escoria, quedando en el metal en forma de inclusiones de sulfuros u óxidos de sulfuros, considerándose que el azufre presente en el metal no provoque grietas en caliente y debe cumplirse que [Mn]/[S]  10,3-11,5 . La presencia de otros elementos básicos, además del MnO (CaO, MgO), disminuye el contenido de azufre en el metal, según las reacciones siguiente: [FeS] + (CaO)  (CaS) + [FeO] [FeS] + (MgO)  (MgS) + [FeO] La presencia de CaF2 en el revestimiento contribuye también a la desulfuración con la formación de SF6 que se libera a los gases . 3[CaF2] + (FeS) =3[Ca] + (SF6) + (Fe) Para el paso del fósforo del metal a la escoria, primeramente éste debe oxidarse (el agente oxidante lo constituye el (FeO)) y luego unirse en un grupo que lo retenga en la escoria (un oxido básico, por ejemplo el CaO) [34]. 2[Fe2P] +5(FeO) + 3(CaO)= (CaO)3 P2O5 + 9[Fe] L, 2[Fe2P] +5(FeO) + 4(CaO)= (CaO)4 P2O5 + 9[Fe] L, A medida que aumenta la basicidad el paso del fósforo al metal disminuye, como se infiere de lo planteado, si esta es baja entonces los óxidos básicos no alcanzan a unirse al P2O5, porque son atrapados en los silicatos. Según resultados de varias investigaciones, el efecto del CaO y el MgO sobre el fósforo es idéntico y hasta. 34.

(35) valores de B=2,5 la desfosforación ocurre intensiva, atenuándose para valores más altos, mientras que el contenido de FeO en los valores que varía en las escorias no ejerce influencia sobre este proceso [35]. A manera de resumen en la tabla 1.1 se muestran las reacciones fundamentales que pueden tener lugar en la soldadura con electrodo revestido. Tabla 1.1. Reacciones fundamental en el cordón de soldadura con electrodo revestido. En el revestimiento CaCO3coating= (CaO) + CO2 Ccoating + O2 = CO2 Ccoating + 1/2O2 = CO. En la scoria 2(CaF2) + (SiO2) =2(CaO) + {SiF4} (CaO) + (SiO2) = (CaSiO3) (CaO) + (TiO2) = (CaTiO3) 2(CaF2) + (SiO2) = 2(CaO) + SiF4. En el baño. En la interfase metal-escoria. C + FeO] = Fe+ CO Mn + FeO = Fe + (MnO) Si + 2FeO = 2Fe + (SiO2) 2Cr+ 3FeO = 3Fe + (Cr2O3). 2(MnO) + [Si] = 2[Mn] + (SiO2) 2(Cr2O3) + 3[Si] = 4[Cr] + 3(SiO2) (MnO) + [C] = [Mn] + CO} (Cr2O3) + 3[C] = 2[Cr] + 3CO} (Cr2O3) + 3[Mn] = 2[Cr] + 3(MnO) 2[Fe2P] +5[FeO] + 4(CaO)= (CaO)4 P2O5 + 9[Fe] [FeS] + (CaO) = (CaS) + [FeO] 3(CaF2) + 4[FeS] = 3(CaS) + SF6 + 4[Fe]. 1.5 Características de los consumibles AWS E 6013 En los últimos años, han sido publicados varios trabajos dirigidos al establecimiento de relaciones entre la composición química, la microestructura, las propiedades. mecánicas. del. metal. depositado,. y. su. influencia. en. el. comportamiento operacional de los electrodos E6013. En la actualidad, su volumen de consumo alcanza aproximadamente el 55 % de la demanda total del mercado [36].. 35.

(36) El principal componente de estos electrodos es el rutilo, que en su estado natural contienen un 88-94 % de TiO2. También puede extraerse de la ilmenita, mineral compuesto por un 45-55 % de TiO2 y el resto de Fe2O3 [36]. Este. electrodo. presenta un excelente desempeño operativo, puede usarse para soldar tanto en corriente alterna, como en corriente directa de polaridad normal e invertida, en todas las posiciones de soldadura. El arco es de fácil encendido y reencendido, incluso con elevadas tensiones de vacío en la fuente de corriente. La pequeña proporción de celulosa del revestimiento permite una elevada intensidad de corriente. La cantidad de elementos refractarios del revestimiento origina un arco tranquilo, de mediana penetración. El rendimiento gravimétrico estándar está comprendido entre el 90 y el 100 % y presenta los siguientes parámetros de uso [36]. Tensión de cebado................Uc = 40-50 V Se emplea con corriente alterna (CA) o con corriente continua (CC), en ambas polaridades. Este tipo de electrodo. brinda depósitos de las siguientes. características mecánicas: Carga de rotura: 471 (MPa) Límite elástico: 412 (MPa) Alargamiento relativo: 25 % En el caso particular de Cuba, los electrodos rutílicos constituyen casi el consumible exclusivo que se produce en la fábrica de electrodos de Nuevitas, perteneciente. a. la. compañía. ACINOX. del. Ministerio. de. la. Industria. Sideromecánica. Esta circunstancia particular, unido a las limitaciones de mercado, hacen que en muchas ocasiones no estén disponibles para el consumo otros surtidos, como los electrodos para SMAW, E7018, que brindan uniones de. 36.

(37) mayor resistencia que los electrodos E6013. y están dotados para atenuar el. agrietamiento por hidrógeno. Precisamente, esto constituye unos de los objetivos esenciales hacia donde se dirige nuestro trabajo, en lograr imprimirle a los electrodos E6013, que se fabrican y se comercializan en Cuba mejores propiedades físico-mecánicas de modo que satisfagan un mayor espectro de aplicaciones.. 37.

(38) Conclusiones del Capítulo I 1. Las propiedades físico-mecánicas del metal depositado, sin obviar el comportamiento operacional, son las características esenciales que sustentan la calidad de un electrodo, mediante la adición de determinados elementos de aleación se puede alcanzar un mejoramiento de la calidad de las uniones. 2. Dentro las reacciones fundamentales que pueden tener lugar en la soldadura con electrodo revestido, el efecto de adiciones metálicas y componentes minerales sobre los procesos de oxidación-reducción son definitorios sobre las propiedades del metal depositado. Entre todos los elementos de aleación, el Mn y el Cr son elementos muy frecuentes en la composición de los revestimientos para lograr un aumento de las propiedades del metal depositado. 3. Los electrodos rutílicos, dadas sus propiedades y costo, representan aproximadamente el 55 % de la demanda de consumo total del mercado, a la vez que este es el único tipo de consumible que se produce en Cuba, por tanto el mejoramiento de su desempeño constituye una vía estratégica para dar respuesta a situaciones prácticas concretas.. 38.

(39) Capítulo II. Materiales y métodos 2.1. Plan experimental para la aplicación de los revestimientos. En la búsqueda de una mayor resistencia en electrodos rutílicos que garanticen mayor fiabilidad de las uniones soldadas, se decide valorar la aplicación al electrodo AWS E 6013, ampliamente utilizado en empresas cubanas, de un revestimiento con aleación periférica. Para ello se aplica un diseño de experimentos de mezclas de tipo Mc Lean Anderson para definir la región experimental de las mezclas de revestimiento a evaluar. Se establecen como componentes a variar en el revestimiento (tabla 2.1): FeCrMn (X1), Mn metálico (X2) y CaCO3+CaF2(X3). Tabla 2.1. Rangos de variación de las variables independientes del diseño experimental. Variables X1 FeCrMn X2 Mn metálico X3 (CaF2+CaCO3). Min. 0 0 25. Máx. 50 % 25 % 100%. Se define la adición de FeCrMn en base a la búsqueda de un aumento de la resistencia de la unión soldada. Tanto el Cr, como el Mn son elementos que aumentan la resistencia del acero, por lo que su adición en el revestimiento del electrodo, tiene un efecto positivo en este sentido. El rango de variación de X1 se ha decidido con una intención exploratoria que refleje su efecto en un amplio rango de variación. Se ha partido desde el valor 0 (cero) para partir del referente de aquellas condiciones de su efecto nulo hasta un valor de 50 %, donde la transferencia del Cr y el Mn podrían ser significativas y en consecuencia su efecto sobre las propiedades del metal depositado. Por su parte el Mn ejerce una función desoxidante (ver figura 2.1), al ser adicionado Mn en su forma metálica, este se oxida favoreciendo la transferencia de Cr primeramente y luego la del propio Mn. La presencia de alto contenido de. 39.

(40) Mn (en forma de FeCrMn y en forma de Mn metálico) favorece que, aunque se oxide este elemento, parte de él pase directamente al metal del cordón. (Cr2O3) + 3[Mn] = 2[Cr] + 3(MnO) Mn + FeO = Fe + (MnO). Figura 2.1. Diagrama de energía libre de las reacciones en función de la temperatura. El rango de variación del Mn metálico (X2) tiene, al igual que el FeCrMn, un carácter exploratorio. En este caso se ha partido también desde 0 (cero) para evaluar las condiciones de su efecto nulo y tener criterios más acertados de su efecto sinérgico sobre los demás componentes del sistema. El valor máximo de 25 % responde a buscar la influencia marcada de este elemento más allá de su función desoxidante y desulfurante, o sea valorar su influencia aleante en contenidos relativamente altos de este elemento en el metal, superiores a los valores de alrededor de 1,2 %, recomendado por muchos autores para garantizar las condiciones favorables de nucleación de la ferrita acicular. De otro lado, la adición de CaF2 y CaCO3 (X3) asegura un medio básico en la escoria que favorece la transferencia del Manganeso y el Cromo, como elementos. 40.

(41) que deben pasar al metal para aumentar su resistencia y la tenacidad. El rango entre 25 % y 100 % responde a los siguientes criterios: el valor mínimo (25 %) se basa en la idea de que para preparar la carga de revestimiento a aplicar al electrodo, debe existir una matriz mineral que durante la aglomeración con silicato de sodio funja de soporte y de textura a la mezcla para su aplicación adecuada durante la fabricación del electrodo. Por su parte el extremo máximo (100 %) se ha establecido en base al criterio de que la mezcla ( CaF2 + CaO ) influye positivamente en la basicidad del sistema y en consecuencia, aún cuando no se introduzca un sistema aleante adicional al electrodo (cuando X1 y X2 sean iguales a 0) podría potenciarse la transferencia de elementos como el manganeso, ya presentes en el núcleo del electrodo y en el revestimiento del AWS E 6013 de partida, mejorando así la resistencia por esta vía de la basicidad del sistema. Al mismo tiempo y por aumento de la basicidad del sistema de escoria se podría disminuir el fósforo y el azufre, evitando sus efectos nocivos en el metal del cordón. El medio básico limita también la presencia del hidrógeno en el metal depositado con su efecto positivo frente al agrietamiento en frío. El plan experimental a realizar, cuyo abordaje más detallado fue objeto de estudio anterior del autor [37], se muestra en la tabla 2.2 y figura 2.2. Tabla 2.2 Matriz experimental del diseño de experimentos Exp. X1(%) A 50 B 0 C 50 D 0 AD 25 DB 0 BC 75 CA 50 abcd 25. X2 (%) X3 (%) 25 25 0 100 0 50 25 75 25 50 12.5 87.5 0 25 12.5 37.5 12.5 62.5. 41.

(42) Figura 2.2 Región experimental para los revestimientos de los electrodos experimentales. En este trabajo se definen como respuestas, aquellas vinculadas a la microestructura del cordón y la zona de Influencia térmica.. 2.2. Obtención de los electrodos experimentales. La obtención de los electrodos experimentales fue realizada en base al plan experimental de la tabla 2.1 y la figura 2.2, siguiendo una secuencia de etapas como lo esquematiza la figura 2.3. El proceso de obtención de los electrodos, por inmersión, también fue objeto de estudio del autor en un trabajo precedente, donde se detalla con mayor detenimiento este proceso [37]. Luego de aplicado el revestimiento el electrodo queda conformado por 2 capas, como lo esquematiza la figura 2.4. La capa interior corresponde al revestimiento rutílico del electrodo AWS E 6013 y la periférica corresponde al revestimiento experimental aplicado, que en todos los casos tiene un carácter básico y es el portador del sistema aleante periférico añadido.. 42.

(43) Fluorita. Caliza. Preparación de la. Dosificación. Mezclado. en. materia prima. de la mezcla. tambora rotatoria pequeña. FeCrMn. Mn. Calcinación a. Secado al aire. Aplicación. del. 160°C. libre durante. revestimiento. 24h. por inmersión. Aglomeración de la mezcla. Figura 2.3. Esquema de aplicación de los revestimientos a los electrodos experimentales.. Revestimiento periférico con variaciones de: X1=FeCrMn X2=Mn X3=(Caliza+fluorita) Revestimiento rutílico. Núcleo Figura 2.4. Sección transversal del electrodo rutílico con revestimiento periférico aplicado.. 2.3. Obtención de los depósitos y análisis metalográfico. Con cada uno de los electrodos, correspondientes al plan experimental de la tabla 2.1 y la figura 2.2, fue obtenido un depósito sobre chapa para una corriente de 120 A, con polaridad inversa (CC+). Para los depósitos fueron utilizadas chapas de acero AISI 1020 de 200x50x6 (mm). De igual modo para el electrodo 6013, utilizado como referencia, fue obtenido un depósito sobre chapa.. 43.

(44) A los depósitos le fueron realizados cortes transversales para la obtención de las muestras con el objetivo de determinar las dimensiones, lo cual se abordó en un trabajo previo [38] y para el estudio metalográfico. Dichos cortes de los depósitos, realizados en una tronzadora con disco abrasivo, se ilustran en la (figura 2.5). A dichas muestras de los depósitos le fue realizada la preparación y ataque con nital al 1 % para revelar la microestructura del cordón y la ZIT, como lo muestra la (figura. 2.6).. Con. apoyo. del. Microdurómetro. Shimadzu. del. Centro. de. Investigaciones de Soldadura (figura 2.7), fue realizada la medición de microdureza desde el centro del cordón hasta el metal base no afectado térmicamente, a una distancia entre huellas de 200 m. La medición de microdureza fue realizada. durante un tiempo, previamente escogido de 10. segundos, con una carga de 100 gf a una temperatura de 23 oC.. Figura 2.5. Corte de depósitos para preparación de probetas para estudio metalográfico.. Figura 2.6. Muestra de los depósitos preparada para el análisis metalográfico.. 44.

(45) Figura 2.7. Microdurómetro Shimadzu empleado en la determinación de la microdureza de los cordones y la ZIT. La microestructura fue tomada con un aumento de 200X en un microscópio óptico del Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de soldadura (figura 2.8). Con apoyo del microscopio fueron tomadas imágenes representativas de cada subzona de la ZIT.. Figura. 2.8.. Microscopio. óptico. metalográfico. empleado. en. el. análisis. metalográfico de los depósitos y la ZIT.. 45.

(46) Con el empleo de un electrodo enmarcado en la región de mejores resultados fue elaborada una probeta para hacer ensayo de tracción. Para la extracción de la probeta fueron confeccionadas una unión en chapas de acero AISI 1020. de. 200x50x6 (mm), con una preparación de bordes en ¨V¨ y empleando un régimen similar al utilizado para la evaluación de los electrodos del plan experimental. De las uniones fueron extraídas las probetas de tracción con dimensiones de 400x50x6 (mm) (2 probetas para el electrodo experimental y 2 para el comercial AWS E 6013, usado como referencia). El ensayo de tracción fue realizado en una máquina de ensayo del laboratorio de la Fábrica de Calderas de Sagua La Grande, perteneciente al Ministerio del Azúcar.. 46.

(47) Conclusiones del Capítulo II 1. La adición, mediante inmersión, de Cr y Mn, junto a Caliza+Fluorita en el revestimiento periférico de un electrodo rutílico AWS E 6013 sobre la base de un diseño de mezcla de tipo Mc Lean –Anderson, permite establecer el efecto simultaneo de los componentes de dicho periférico aplicado sobre la microestructura metalográfica de cordones sobre chapa. 2. El corte y preparación adecuados de las muestras de los cordones sobre. chapa, correspondiente a cada electrodo experimental, permite revelar la microestructura del cordón y la ZIT para el análisis metalográfico, con vistas a definir la relación de la composición del revestimiento periférico con la microestructura. 3. La elaboración de unión soldada sobre chapa de acero AISI 1020 con preparación de borde en ¨V¨ y la extracción de probeta para ensayo de tracción para un electrodo experimental, ubicado en la región de mejores resultados desde el punto de vista metalográfico, y su comparación frente a uno comercial AWS E 6013, brinda criterios para validar el desempeño desde el punto de vista práctico del electrodo experimental desarrollado.. 47.

(48) Capítulo III. Resultados y discusión 3.1. Comportamiento de la Microdureza del Cordón. La tabla 3.1 muestra los valores medios de la Microdureza del centro los cordones correspondientes a cada punto experimental. Sobre la base de los valores de las tablas 3.1 y 3.2, utilizando el paquete estadístico Statgraphics Plus 5.0, fueron obtenidas las isolíneas de comportamiento de la Microdureza. Tabla 3.1 Valores de la Microdureza del centro los cordones correspondientes a cada punto experimental. Punto Microdureza (Hv) Experimental Exp 1 (A) 283 Exp 2 (B) 169 Exp 3 (C) 239 Exp 4 (D) 182 Exp 5 (AD) 283 Exp 6 (DB) 167 Exp 7(BC) 188 Exp 8 (CA) 244 Exp 9 (abcd) 197 La. figura 3.1 muestra la tendencia de comportamiento de la Microdureza del. centro del cordón en función de los contenidos de FeCrMn (X 1), Mn metálico (X2) y (Caliza+Fluorita) (X3) en el revestimiento aplicado. Se advierte claramente en la referida figura que la Microdureza crece hacia la región de mayores valores sumatorios de FeCrMn y Mn metálico, o sea en dirección opuesta al vértice de 100 % de (Caliza+Fluorita). Es significativo señalar que hay coincidencia en la tendencia de comportamiento de la Eficiencia de Deposición, reportada en un trabajo precedente y que mostramos en la figura 3.2 [38] y la Microdureza del centro del cordón de la figura 3.1. Por tanto, los fenómenos que condicionan el comportamiento de la Eficiencia de Deposición de los electrodos experimentales están indiscutiblemente ligados en gran medida al comportamiento de la Microdureza del cordón. En el citado trabajo se refiere que los valores más altos. 48.

(49) de Eficiencia de Deposición están asociados a los mayores valores sumatorios de FeCrMn y Mn metálico (menores valores de (Caliza+Fluorita)), argumentándose que ello está asociado a varios factores conjuntos [38]. 1.. Al existir una mayor concentración de elementos de aleación (y un mayor. contenido de desoxidante, ya que el Manganeso está contenido en el Mn metálico y en el FeCrMn) un mayor contenido de estos (Cr y Mn fundamentalmente) se transfiere al depósito, dado por su propia concentración (actividad). 2.. La existencia de menores contenidos de CaCO 3 en esta zona de. composición. lleva a un menor potencial de oxígeno y con ello una menor. oxidación de elementos que se trasferirían a la escoria (Mn + 1/2O2 =MnO, Cr + O = Cr2O3, Fe + 1/2O2 =FeO). 3.. La Caliza se disocia totalmente con la liberación de CO 2 a la atmósfera. gaseosa y CaO que se transfiere a la escoria, en tanto que la Fluorita se transfiere a la escoria,. por tanto a menores valores de (Caliza+Fluorita) (X 3), menores. pérdidas hacia la escoria y los gases. 4.. La presencia de alto contenido de aleaciones en polvo puede ejercer un. fuerte efecto catalítico sobre la disociación del CaCO 3 que disminuye la temperatura de ocurrencia de este proceso, estadío en el cual la oxidación de elementos es menos intensiva.. 49.

(50) Figura 3.1. Comportamiento de la Microdureza en el Centro del Cordón (Hv) en función de los contenidos en (%) de FeCrMn (X 1), Mn metálico (X2) y (Caliza+Fluorita) (X3) en el revestimiento aplicado.. Figura 3.2 Comportamiento de la Eficiencia de Deposición (%) en función de los contenidos en (%) de FeCrMn (X1), Mn metálico (X2) y (Caliza+Fluorita) (X3) en el revestimiento aplicado. Tomado de [38]. De los aspectos señalados anteriormente como causa del comportamiento de la Eficiencia de Deposición, solo el. tercero no se vincula directamente al. 50.