Consideraciones para la obtención de procedimientos a emplear en la soldadura bajo agua mojada confiable

Texto completo

(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA CIS. Titulo: Consideraciones para la obtención de procedimientos a emplear en la soldadura bajo agua mojada confiable.. Autor: Lázaro Triana Orta Tutor: Dr. Ramón Cristóbal Martínez García. Curso 2010-2011. 1.

(2) Indice.................................................................................................................................... 2. Resumen…………………………………………………………………………………............... 5. Abstract………………………………………………………………………………………….…. 6. Introducción……………………………………………………………………………………….. 7. Marco Teórico…………………………………………………………………………………….. Capítulo I. 8. 1.1.. Procedimientos de soldadura sub-acuática mojada.……………………………….... 10. La soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido sub-acuática 11 mojada…………………………………………………………………………………….. 1.3 - Efecto de la polaridad de Soldadura mojada…………………………………………..... 12 1.2.. 1.4.. Efecto de la presencia de agua en la soldadura subacuática mojada….... 14. 1.5.. Estabilidad del Arco en Soldadura Subacuática………………………………………. 18. 1.5.1. Transferencia Metálica………………………………………………………………….. 19 1.6.. Consumibles para Soldadura Subacuática……………………………………………... 20. 1.6.1. Electrodos con Revestimiento del Tipo Rutílico………………………………………. 22 1.6.2. Electrodos con Revestimiento del Tipo Oxidante……………………………………... 23 1.6.3. Electrodos Tubulares Revestidos……………………………………………..………… 24 Capítulo II: 2.1.-. Factores que influyen sobre la calidad de la soldadura acuática mojada... 26. 2.2.-. Importancia del estudio de los ciclos térmicos y su relación con el 28 agrietamiento. …………………………………………………………………………….. Los ciclos térmicos de soldadura……………………………………………………….. 31. 2.3.2.4.-. Consideraciones relacionadas al agrietamiento en la soldadura bajo agua 34 mojada………………………………………………………………………..................... Capítulo III:. 3.1.- Medición. de. temperatura. empleando. termopares. Ventajas y desventajas. 36. Conclusiones……………………………………………………………………………………... 40. Bibliografía……………………………………………………………………………………....... 41. 2.

(3) Dedicatoria. A mis padres, mi familia y mis amigos, sin ustedes esto no hubiera sido posible.. 3.

(4) Agradecimientos. Quisiera agradecer a todos los que de una forma u otra han tenido que ver con que haya logrado este objetivo primordial en mi vida: GRADUARME, mencionaré a algunos, seguramente se me olvidaran otros, solo quiero que no se enojen conmigo si esto pasa. Agradecer primeramente a mis padres, sin ustedes no hubiera conocido el milagro de la vida, además de todas sus enseñanzas y su cariño, que nunca me han faltado para llegar a ser el hombre que soy. A toda mi familia, por el apoyo incondicional que siempre he recibido de ustedes. A mis amigos, en especial a Edel, Ediel y Henry, mis hermanitos, que me acompañaron en las buenas y las malas, nunca me olvidare de ustedes. A Yunelky , Randy, Yasel, Dayron, Roberto y el resto de compañeros de clase que más que eso los considero mis amigos, que siempre los tendré presentes aunque no se acuerden de mi al paso de los años. A mi tutor y amigo, más bien mi padre porque lo siento así Ramón Martínez García .Gracias de todo corazón por tener tanta paciencia mí, tienes en mi un hijo más. A las maravillosas personas que conocí en estos 5 años aunque no hayan sido compañeros de clase y que dejaron huellas profundas en mi vida, sepan que llevan con ustedes un pedazo enorme de mi corazón dividido en pedacitos para cada uno, no quiero mencionar a nadie en específico para que los no aludidos no se ofendan A mis profesores de todos los niveles de enseñanza, por el esfuerzo que hicieron, cada uno en su momento, para formar en mí a un profesional. En fin a todos los que contribuyeron a formarme como hombre y profesional.. 4.

(5) Resumen. El presente trabajo aborda una revisión de la literatura relacionada con el proceso de soldadura subacuática mojada la que se encaminó al estudio previo de los factores que de forma marcada intervienen en la calidad de la misma así como resaltar aquellos factores que marquen diferencia con la soldadura realizada al aire. Factores tecnológicos y metalúrgicos fueron discutidos, quedando demostrado que se necesitan consideraciones particulares para el estudio y evaluación de la soldadura subacuatica. Fue demostrada la diferencia del comportamiento de este tipo de soldadura con la llamada al aire, de manera que se puedan obtener consideraciones que permitan la modelación con la ayuda de los elementos finitos, con la exactitud requerida en las estructuras obtenidas y la posibilidad de agrietamiento presente. Se propone además un procedimiento de medición de temperaturas como forma de validar los resultados obtenidos por la modelación.. 5.

(6) Abstract. The present work approaches a revision of the literature related with the process of underwater wet welding that headed to the previous study of the factors that intervene in the quality of the same one in a marked way as well as to stand out those factors that mark difference with the welding carried out to the air. Technological and metallurgists factors were discussed, being demonstrated that particular considerations are needed for the study and evaluation of the underwater welding. The difference of the behavior of this welding type was demonstrated with the call to the air; so that considerations can be obtained that allow the modelation with the help of the finite elements, with the accuracy required in the obtained structures and the possibility of present cracking. Also, intends a procedure of measuration of temperatures like form of validating the results obtained by the modelation.. 6.

(7) Introducción. La soldadura sub-acuática mojada con electrodo revestido tiene su principal aplicación en reparaciones de estructuras, utilizadas principalmente en la industria naval, de exploración de gas y petróleo y, más reciente, en algunos componentes de centrales hidroeléctricas. Este tipo de soldadura puede ser considerada una técnica económica y fundamentalmente confiable, para reparar, reforzar y realizar trabajos donde se requiera la soldadura en medio subacuático, entre otros factores influyentes pueden ser destacados el bajo costo, ligereza del equipamiento, facilidad de aplicación y movilidad. Es de suma importancia destacar que los procedimientos de soldadura así como los materiales de aporte, en el caso que será objeto de discusión, los electrodos revestidos, que se empleen para tales fines serán especialmente proyectados. En los últimos tiempos investigaciones han sido llevadas a cabo con el objetivo de resolver los problemas inherentes de la soldadura mojada, como por ejemplo la porosidad excesiva, propiedades mecánicas inferiores a las de las soldaduras al aire y gran cantidad de hidrógeno en el metal de soldadura. Producto de los resultados de las investigaciones han sido fabricados electrodos con formulaciones especiales así como máquinas y equipos especiales. Debido a la introducción de los resultados anteriores, la soldadura mojada ha podido ser aplicada con éxito en actividades de montaje y reparación en ambiente marino de gran responsabilidad como por ejemplo plataformas petroleras en el Golfo de México. Técnicas como la utilización del pase de relleno y la aplicación de cantidades adecuadas de níquel al revestimiento de los electrodos actúan básicamente sobre los problemas de fisuración por hidrógeno y reducción de las propiedades mecánicas. Sin embargo, los resultados en cuanto a la obtención de propiedades mecánicas confiables en todos los casos y la porosidad del metal de aporte continúa siendo un factor reductor de la calidad del material depositado, con electrodo revestido, en ambiente acuático influido todo esto por la magnitud de la profundidad. Últimamente se ha desarrollado la utilización de elementos especiales al revestimiento de los electrodos con el objetivo de reducir la porosidad del metal de soldaduras subacuáticas mojadas. Cada fabricante de electrodo, o incluso empresa dedicada a los trabajos de soldadura formula su propio revestimiento de electrodo y guarda cuidadosamente su fórmula específica, de manera que no se encuentra en la literatura una formulación publicada para el revestimiento de los electrodos a ser utilizados en la soldadura subacuática mojada. Algunas empresas utilizan electrodos comerciales, como el clasificado E6013, debido al hecho de que, a pesar de todos los estudios recientes, las nuevas formulaciones no presenten grandes ventajas con relación al nivel de porosidad, propiedades mecánicas y operatividad. De lo expuesto anteriormente puede ser inferido que un factor determinante en la calidad y seguridad de la operación de las uniones soldadas bajo agua mojadas son sin duda las estructuras que se obtienen producto de los ciclos térmicos expuestos según el procedimiento sin dejar de considerar la porosidad como otro elemento de influencia importante en la garantía de la calidad de la unión ejecutada bajo agua mojada De esa manera, se tiene, un campo abierto para la investigación de fenómenos que pueden ser controlados en el proceso de soldadura, los ciclos térmicos.. 7.

(8) Marco teórico. Situación problemática: En los lugares donde la soldadura es de gran responsabilidad y se realiza bajo el agua mojada. Se exige el cumplimiento de la garantía de la calidad requerida según las normas y códigos para tales casos, se hará compleja la obtención de las probetas de calificación del procedimiento de soldadura o reparación, pues deberá realizarse la unión de calificación en la misma condición de trabajo de la unión soldada. Problema de investigación: Podrán obtenerse las consideraciones necesarias para poder llegar a un procedimiento de soldadura bajo agua mojada con la calidad que requiera. Objetivo general: Considerar factores físicos químicos que influyen en el comportamiento de los ciclos térmicos de la soldadura bajo agua mojada y las estructuras que estos generan. Teniendo como Hipótesis: Es factible la obtención de un procedimiento de soldadura calificado y confiable en el caso de la soldadura mojada bajo el agua. Definición y operacionalización de conceptos: Entiéndase como variables las definidas en el marco teórico las cuales son: Ciclo térmico de soldadura, velocidad de enfriamiento y calor aportado, estructuras metalográficas, ellas están interrelacionados y se vinculan al proceso de soldadura y son de gran importancia para optimizarlo y lograr la calidad requerida en la unión. Según el procedimiento que se establezca. Aporte teórico y aporte práctico: Como aporte teórico el trabajo constituirá la base para la definición, en el grupo de investigación, del Centro de Investigación de Soldadura, de consideraciones en cuanto al comportamiento de la transferencia de calor en la soldadura bajo agua mojada y los ciclos térmicos que este fenómeno genere. El aporte práctico quedará definido en el sentido de la propuesta para la introducción de las consideraciones probadas para la obtención de los ciclos térmicos de soldaduras bajo agua mojada con el empleo de la de termopares y modelación por elementos finitos. En el presente trabajo se insiste en la importancia del estudio de la de las particularidades del proceso de soldadura bajo agua mojada y transferencia de calor teniendo en cuenta los siguientes aspectos: La cantidad de calor queda definida por los valores de las variables del proceso de soldadura y por el proceso elegido en sí. En la estructura obtenida influye la cantidad de calor y la velocidad de enfriamiento, estos son los llamados ciclos térmicos. Por el proceso de transferencia de calor, quedan definidas sub-zonas en la zona de influencia térmica, y estas se caracterizan por diferentes estructuras. A cada tipo de estructura corresponde diferentes comportamientos a las propiedades mecánicas o de las aleaciones.. 8.

(9) Por esta razón se hace evidente la importancia del conocimiento de los fenómenos relacionados con el calor y su distribución durante la soldadura bajo agua mojada pues estas junto a la composición química de la aleación y sus propiedades termofísicas definirán la calidad de la unión. Metodología y técnicas a utilizar: Para alcanzar los objetivos propuestos en esta investigación se dio a la tarea de emplear una serie de técnicas cualitativas y cuantitativas impartidas por nuestros profesores y avalados por los libros de las asignaturas en cuestión destacándose como importante el nuevo conocimiento en nuestro Centro de Investigación de Soldadura del empleo de la medición de temperaturas durante la ejecución de una soldadura que sirvan para validar los ciclos térmicos obtenidos con el método de los elementos finitos en la resolución de problemas de transferencia de calor en estado transiente como es el caso que se nos ocupa. Observación Científica: Considerando que en el caso de la soldadura bajo agua mojada el aporte térmico necesario para la ejecución de la soldadura es mucho mayor que el de las soldaduras consideradas normales al aire provocaría la obtención de ZIT mayores, sin embargo por ser el enfriamiento producto del agua circundante más rápido podrán obtenerse ZIT de menor dimensión y ciclos térmicos con velocidades de enfriamiento mayores. Lo anterior debe ser cuidadosamente investigado teniendo en cuenta otros fenómenos influyentes considerados por la literatura y por su implicación en las estructuras que se obtengan.. 9.

(10) Capítulo I 1Consideraciones referidas a la soldadura sub-acuática mojada. 1.1Procedimientos de soldadura sub-acuática mojada. La soldadura bajo el agua se puede subdividir en dos categorías: la soldadura hiperbárica y en ambiente húmedo (1) (2) (3) Soldadura hiperbárica es un método en el que el objeto que va a ser soldado está encerrado en una cámara, la cámara, cuyo fondo se abre, en un principio se coloca la pieza a soldar y el agua es expulsada mediante la inyección de un gas. Con este procedimiento de soldadura bajo el agua se obtienen propiedades mecánicas comparables a las soldaduras realizadas a presión atmosférica al aire, ya que los parámetros de soldadura se ajustan a la presión en el sitio de reparación y se elimina la presencia de agua, así como es controlada la atmósfera circundante. En otro sentido como la cámara está abierta en su parte inferior, la presión interna se hace igual a la externa, es decir, a la presión de la columna de agua en el lugar de soldadura mojada (SM) es un método en el que el conjunto a soldar está en contacto soldadura por fricción y al arco con alambres tubulares (FCAW) se han aplicado, pero aún dependen su aplicación de la solución a los problemas que surgen en la adaptación de los equipos para el medio acuático. Otro proceso de soldadura con posibilidades de aplicación en la soldadura bajo agua mojada es el caso de la soldadura por fricción aunque aspectos como tener que soldar geometrías complejas, rigidez y el tamaño de los equipos y dificultades en la obtención de sellado del hilo conductor del tubo (en el caso de la soldadura con alambres con núcleo) tienen limitaciones en el empleo para soldadura bajo agua mojada (4) (1). En el párrafo anterior se han expuesto dificultades y necesidades de desarrollo que presentan en la actualidad algunos procesos de soldadura, de esta manera y con la demostración empírica relacionada con el uso a nivel mundial, el proceso más utilizado en la soldadura bajo el agua mojada aun es sin duda el proceso manual por arco eléctrico con electrodo revestido (SMAW) (5). Entre las ventajas que justifican la preferencia por este proceso SMAW se encuentran la sencillez de los equipos, fuente de alimentación, cables, portaelectrodos y materiales de aporte, bajo costo e inversión del equipamiento, fácil movilidad, uso y rapidez de reparación que permite su aplicación en el clima local inestable, ( 6 ) Ahora bien con el aumento de la profundidad de ejecución de la unión soldada, que resulta además con el aumento de la presión, son necesarias fuentes de energía más potentes para el inicio y mantenimiento del arco eléctrico y también el rango de tensión o voltajes de arco para corriente normales de forma de poder mantener estable este proceso de soldadura bajo agua mojada con estabilidad de arco adecuada que permita la realización de una soldadura las que puedan encontrarse avaladas por normas internacionales, tales como ( 7 ). 10.

(11) 1.2-La soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido sub-acuática mojada. El proceso de soldadura con electrodo revestido (SMAW) es simple y versátil y se muestra esquemáticamente en la Figura 1.1. Figura 1.1 Esquema que muestra la soldadura con electrodo revestido. El arco eléctrico se establece entre el extremo abierto del electrodo revestido y el metal base, el cual produce el calor suficiente para realizar la fusión del consumible y la parte necesaria del metal base para elaborar la junta. Las partes metálicas y no metálicas del electrodo se transfieren en forma de gotas de hacia el metal base, formando así el cordón de soldadura. Las interacciones que determinan la composición química final del metal de soldadura se producen durante la formación y la transferencia de las gotas de la punta del electrodo al baño de fusión y también durante el enfriamiento y solidificación del mismo. El proceso es controlado por la selección de los parámetros de soldadura (corriente, voltaje, velocidad de soldadura y el ángulo del electrodo), la composición química del revestimiento, y del núcleo del mismo así como la temperatura de la zona a soldar antes, durante y después de la soldadura.. 11.

(12) 1.3Efecto de la polaridad de Soldadura mojada. El electrodo puede ser conectado al polo negativo o al polo positivo de la fuente de corriente. Muchos autores ( 8 ) ( 9 ) ( 10 ) ( 11 ) ( 12 ) ( 13 ) declaran que cualitativamente, la polaridad directa (electrodo negativo) produce mejores resultados que la polaridad inversa (CDEP) (electrodo positivo) ( 14 ) estudiaron la influencia de la polaridad en la cantidad de hidrógeno atrapado en el metal de soldadura con electrodos hechos con diferentes proporciones de Fe2O3 - CaCO3 - SiO2. La profundidad de la soldadura fue de 0,27 m de agua dulce y concluyeron que las soldaduras realizadas en CDEN tienen menores niveles de hidrógeno difusible que las soldaduras de hecho en su CDEP. Por otra parte, según lo ilustrado en la figura 1.2 queda demostrado la forma de transferencia del hidrogeno desde la escoria y la burbuja según el tipo de polaridad que se esté empleando.. a) Alma.. e) Arco.. b) Revestimiento.. f) Metal base. c) Punta líquida del electrodo d) Escoria fundida. Figura 1.2 Esquema que muestra el mecanismo de transferencia dehidrógeno al metal de aporte para las dos polaridades en corriente continua (14 ) Grubbs ( 5 ) argumenta, basándose en el testimonio de soldadores experimentados en estos tipos de trabajo, que en algunas situaciones o lugares geográficos, la polaridad. 12.

(13) inversa produce mejores resultados que la polaridad directa. Por ejemplo, en las soldaduras en el Mar del Norte, con la polaridad inversa (CDEP) son obtenidas soldaduras con menos porosidad. Otro autor Gooch, ( 15 ) dijo que habían diferencias observadas en la polaridad para distintos lugares de trabajo. En general la mayoría de los autores hacen observaciones acerca de la influencia de la porosidad en el proceso sin citar evaluaciones cuantitativas que justifique esas afirmaciones. Tsai y Masubuchi ( 16 ), refiriéndose a la soldadura bajo el agua mojada, afirmaron que la CDEP produce mejores soldaduras a pesar de provocar un mayor desgaste de las pinzas y otros contactos eléctricos del circuito. Por otra parte, estos autores explican que la geometría de la gota de soldadura y la longitud del cono formado por el revestimiento del electrodo durante la soldadura se relacionan con la polaridad de la corriente aplicada, como se muestra en el diagrama de la Figura 2.4. En este esquema, es posible observar que en la polaridad directa el cátodo es el electrodo y el ánodo el metal base. En esta condición, los electrones van a bombardear el metal base y el calor producido por el arco será dirigido a la piscina de la soldadura. El resultado es un cordón de soldadura más estrecho y una mayor penetración y un cono formado por el revestimiento de electrodos menos pronunciado en comparación con las soldaduras realizadas con el electrodo positivo. Cuando la corriente aplicada se invierte (CDEP), el calor será dirigido a la punta del electrodo causando así una mayor tasa de fusión del alma o núcleo del electrodo, la mayor longitud del cono formado por la capa y una soldadura más ancha con menos penetración en relación con soldaduras realizadas con el electrodo negativo. El desacuerdo sobre la mejor polaridad para ser utilizada puede estar relacionado con factores tales como la composición química del recubrimiento de los electrodos, la temperatura y composición de las aguas marinas. Además, varios autores utilizan electrodos recubiertos con una composición química diferente por lo que se hace difíciles concluir cuál es la polaridad más adecuada. Como la polaridad influye directamente en la longitud del arco, la tasa de fusión del electrodo y la cantidad de hidrógeno difusible en el metal base, se hace evidente entonces que el nivel de porosidad de las soldaduras húmedas se ve afectado por la polaridad de la corriente aplicada. La corriente alterna (AC) nunca debe ser usada en la soldadura húmeda, esto puede ser fatal para el soldador, debido al alto riesgo de choque eléctrico ( 5 ).. 13.

(14) Figura 2.4- Esquema que muestra el efecto de la polaridad en la geometría del cordón de soldadura y la longitud del arco basado en el modelo propuesto por Tsai y Masubuchi (1977) 1.4Efecto de la presencia de agua en la soldadura subacuática mojada. La soldadura húmeda se puede realizar en diferentes ambientes acuáticos que consisten básicamente en agua de mar (buques o estructuras offshore) en la llamada agua dulce (embalses, colectores, etc) y agua desmineralizada (intercambiadores de calor en las centrales eléctricas, los componentes internos de los recipientes a presión, reactores de centrales nucleares, etc. La composición química del medio circundante afecta los parámetros de soldadura, destacando la necesidad del uso de corrientes de soldadura 10-15% mayor en comparación con el agua salada a agua dulce( 17 ). La presencia de sales de sodio y magnesio en agua de mar hace que la conductividad eléctrica sea mayor y, en consecuencia, pérdidas de energía se producen durante la soldadura. Kralj y sus colaboradores ( 18 )estudiaron la influencia del agua en SM e informaron que la presencia de agua salada resultó en una menor penetración y aspecto superficial pobre en comparación con las soldaduras realizadas en agua dulce. En general, los estudios realizados en tanques de simulación de profundidad se hacen en agua dulce debido a la facilidad de manejo, una mayor preservación de los contactos eléctricos y la pequeña diferencia demostrada en los resultados cuando se suelda en agua salada. Además, es difícil simular la composición química de las aguas marinas, ya que puede variar con la ubicación, profundidad, y de su temperatura. En resumen, las diferencias no justifican el uso del agua de mar en los experimentos. El agua, en comparación con los óxidos y otros ingredientes presentes en el recubrimiento del electrodo es termodinámicamente inestable y se descompone fácilmente en contacto con el hidrógeno y el oxígeno producido por el arco ( 15 ). Estos átomos o gases, junto con los gases de la descomposición del revestimiento forman burbujas que protegen el arco. Las burbujas crecen hasta alcanzar el volumen crítico, hasta alcanzar este y provocarse la ruptura de la misma. Cuando se hace predominante la fuerza de empuje del agua hacia la burbuja estas se mueven a la superficie donde se produce el colapso. Después la misma se vuelve inestable y una nueva burbuja se forma continuamente y de forma cíclica.. 14.

(15) Pope y sus colaboradores ( 18 ) proponen que la presencia de la burbuja causa influencia marcada en el enfriamiento de las soldaduras, para el caso cuando esta es bajo agua mojada en dos regímenes, un enfriamiento lento a altas temperaturas (como el metal de soldadura está protegido por la burbuja de gas) y un enfriamiento rápido a temperaturas más bajas (después de la salida a bolsa de la burbuja). El tiempo que pasa el enfriamiento es muy corto, ya que, cuando alcanza el volumen crítico, la burbuja se desprende y se mueve hacia la superficie, y de inmediato expone la unión soldada a la influencia directa del agua y la temperatura que tenga, que por lo general estará fría o semi-fría, provocando un enfriamiento violento de la unión soldada. La dinámica de las burbujas y la exposición al agua metal de soldadura son los responsables de las altas tasas de enfriamiento observado en la soldadura húmeda (17). La velocidad de enfriamiento que tiene mayor influencia en los resultados obtenidos está definida por el tiempo transcurrido para que la temperatura pase de 800 ° C a 500 ° C. En este rango de temperatura se produce la transformación de fase de austenita la que influye directamente en la microestructura del acero y por lo tanto es indicativa de la fase de que se forme, ya que, en función de ese momento, se pueden formar deferentes estructuras como la martensita de ferrita (básicamente) además de compuestos como los carburos. En el caso de las soldaduras realizadas al aire de soldadura con electrodos revestidos, el valor de T 8/5 varía normalmente 8-16 segundos, mientras que en la soldadura húmeda este valor es entre 6 - 1 segundos (6) básicamente debido a la presencia de oxígeno y átomos de hidrógeno de la disociación del agua, y la tasa de enfriamiento alta los principales problemas asociados con la soldadura húmeda son (19) en el metal de soldadura:  Pérdida de elementos de aleación.  Formación de inclusiones,  Porosidad.  Agrietamiento por hidrógeno,  Grietas de solidificación.  Afectaciones en la zona de influencia térmica. (ZIT).  Pérdida de elementos de aleación.  Formación de inclusiones. El agrietamiento por hidrógeno en el metal de soldadura como es conocido, se relaciona con la presencia de hidrógeno junto con la alta velocidad de enfriamiento. Durante la soldadura en el aire se producen cambios en la composición química del metal de soldadura a lo largo del cordón. Bracarense ( 20 ) estudió la composición química del metal de soldadura en el inicio, medio y extremo del cordón con tres tipos de electrodos revestidos: E7018 E6013 y E12018. Las soldaduras se realizaron mediante la aplicación de. 15.

(16) valores de corriente de 100 amperes y 150 en cada uno de los electrodos. Se observó que existen cambios significativos en la microestructura y propiedades mecánicas debido a las variaciones en los niveles de oxígeno, manganeso y silicio. Se observó que la variación es mayor para valores mayores de corriente (150 A) y en esa condición, los niveles de manganeso y silicio a lo largo del cordón de soldadura aumentado un 7,1 y 10,7% para el electrodo E6013 y 6,3 y 14,5% para el E7018 El contenido de oxígeno medido en el cordón, se muestra en el gráfico de la Figura 2.5,. Figura 2.5 Variación del nivel de oxígeno a lo largo del cordón para soldadura al aire con el electrodo E-7018 La ocurrencia de este fenómeno se relaciona con el calentamiento del electrodo, que se produce principalmente por el efecto Joule ( 21 ), que hace que el tamaño de las gotas de metal líquido sea mayor en el extremo del electrodo. Los efectos del calentamiento del medio circundante en las soldaduras son varios y muy diferentes al calentamiento sufrido por el núcleo del electrodo (alma) entre otros factores. Según Bracarense (21) y Felizardo (22), al calentarse el alambre o núcleo del electrodo se presentan cambios en las propiedades físicas y eléctricas, por ejemplo significativo será el aumento de la resistividad mientras que y la conductividad eléctrica se verá reducida., debe destacarse que lo anterior no alterara su composición química. Por otra parte, el recubrimiento tiende a perder humedad cuando se aplica calor y, dependiendo de la temperatura, algunos elementos pueden descomponerse y perder parte de sus funciones en el arco de soldadura o en el charco metálico. La descomposición o rotura de la molécula o la alteración molecular de los elementos importantes podrán conducir a una menor generación de iones en el arco, lo que conducirá a un debilitamiento de la estabilidad del proceso ( 22 ).. 16.

(17) En los consumibles de celulosa, se observó que a partir de una temperatura de 130 ° C los elementos del revestimiento empezaron a descomponerse ( 23 ). Los electrodos que contienen CaCO3 y oxidantes, como el de Fe-Mn mostraron la descomposición temprana de elementos cuando la capa alcanzó temperaturas de aproximadamente 300 ° C y que se produce la descomposición rápida en el rango de 450750 ° C ( 24 ) Debe ser destacado que como la composición química del metal de las soldaduras mojadas hechas con electrodos rutílicos varia con la profundidad, la microestructura de ese metal de soldadura, y consecuentemente las propiedades mecánicas, también es afectada por la profundidad de soldadura. La variación de la microestructura está estrechamente relacionada con la alteración en los niveles de oxígeno, carbono y otros elementos de aleación. En bajas profundidades se tiene básicamente ferrita pro-eutectoide y, con el aumento de la penetración se reduce la cantidad de ferrita pro-eutectoide y se tiene un aumento de la presencia de ferrita con segunda fase laminar, ferrita de placas laterales e inclusiones de óxidos, Figura 2.6 ( 9 ) En profundidades superiores a 50 m, la microestructura obtenida no presenta cambios significativas con la presión del agua debido al hecho de acontecer la saturación del oxígeno en el acero líquido a la esta profundidad.. Figura 2.6 Variación de la cantidad de microconstituyentes del metal de soldadura en función de la profundidad.. 17.

(18) 1.5Estabilidad del Arco en Soldadura Subacuática. Cuando la soldadura es hecha por dispositivos mecanizados, la estabilidad puede ser evaluada, por ejemplo, por medio del análisis de los oscilogramas de tensión y corriente, que expresan los valores de los parámetros de soldadura en función del tiempo, y permiten analizar el comportamiento de los mismos. Es bien conocido que la variación de la tensión durante a soldadura depende de la longitud del arco. La tensión disminuye con la reducción de la tamaño del arco y vice-versa. Durante la soldadura, pequeñas gotas son liberadas continuamente de la punta del electrodo y son transferidas para el charco de fusión. Como las gotas crecen en la punta del electrodo, el tamaño del arco disminuye y, consecuentemente, la tensión o voltaje de arco disminuye. Cuando ocurre un cortocircuito, la tensión asume un valor mínimo y la corriente un valor máximo. La evaluación de los valores instantáneos de los parámetros de soldadura (tensión y corriente) permite definir y controlar los modos de transferencia metálica y la estabilidad del arco. Esos factores están directamente relacionados con la calidad del metal depositado. Cuanto más estable es el arco, más fácilmente y uniformemente se da la transferencia metálica del electrodo hacia al baño de soldadura. Para el caso de las soldaduras mojadas, quedo definido que la estabilidad depende del diámetro del electrodo, de manera que los electrodos con menor diámetro son más estables que los de mayor diámetro. Eso ocurre debido a la menor densidad de corriente (que podrá ser empleada) para los electrodos con menor diámetro los que trabajaran en este caso con una diferencia adecuada entre las tasas de fusión del alma y del revestimiento del electrodo) del arco eléctrico ( 20 ). La estabilidad adecuada del arco eléctrico resulta un problema con el aumento de la profundidad ( 12 )una vez que el aumento de la presión hidrostática provoca constricción del arco eléctrico. Ese fenómeno es relacionado a la movilidad de los portadores de carga en el plasma. Una tensión más alta es requerida para mantener a conductividad eléctrica del arco, resultando en grandes altas corrientes y tensiones de soldadura para evitar que se produzcan con extinciones del arco durante la soldadura. Así como el aumento en la reparación de poros e inclusiones de escoria en el metal del cordón. Varios criterios para caracterización de la estabilidad en corriente continuada han sido propuestos. Esos criterios establecen índices de afectación de la estabilidad basados en la evaluación de los valores instantáneos de los parámetros de soldadura.. 18.

(19) Un criterio simple fue definido por TSAI y MASUBUCHI ( 17 ) y otros autores clásicos :La estabilidad del arco puede ser definida como el valor máximo de la corriente dividido por su valor mínimo, como sigue:. S. I max I min. Donde S es la estabilidad del arco, I máx es el máximo e I mín es el mínimo valor de la corriente. Los valores de S deben ser lo más próximo posible de 1,0 para buena estabilidad de arco; Por otro lado S>> 1,0 indica arco inestable. Además de esos indicadores, la estabilidad es caracterizada a través de la transferencia del metal o la forma del cordón. 1.5.1Transferencia Metálica. Durante la soldadura con electrodo consumible, la punta de este se funde bajo a acción del arco y se transfiere para el charco o baño metálico del cordón que se está formando. Esta transferencia es de suma importancia, pues de la manera como ésta ocurre tendrá influencia marcada en varias características del proceso de soldadura tales como: 1. Estabilidad del arco; 2. Cantidad de grietas 3. Regularidad, calidad y aspecto del cordón de soldadura; 4. Eficiencia de la protección. 5. Velocidad de soldadura. Los modos de transferencia más comúnmente observados en la soldadura por electrodo revestido son globular/explosión, cortocircuito y protegido por la escoria (25) (26) Diferentes técnicas han sido usadas para determinar el modo de transferencia metálica en el metal de soldadura. Las variaciones de los valores de corriente y tensión pueden ser grabadas por medio de un sistema de adquisición de dados que, después de procesados a través de técnicas como la transformada de Fourier, son consideras las desviaciones de la tensión o corriente en el tiempo. (ASM HANDBOOK, 1993) y podrán ser relacionados al tamaño de las gotas en la transferencia metálica. Sistemas de vídeo de alta frecuencia pueden ser usados para observar la formación, crecimiento y destacamento de las gotas en la soldadura mojadura, sin embargo la visibilidad se vuelve un gran problema en la soldadura subacuática. El sonido producido por el arco eléctrico puede ser grabado y analizado para lograrse las frecuencias de la transferencia metálica. Durante una soldadura al aire, el modo de transferencia metálica depende entre otros factores del tamaño del electrodo y cambia desde el inicio hasta el final. (21) (27). Para. 19.

(20) electrodos básicos la transferencia predominantemente se da por cortocircuito, lo que también ocurre para los rutílicos en bajos valores de corriente. En valores normales de corriente, los electrodos rutílicos exhiben transferencia por pequeñas gotas, lo mismo ocurre con los electrodos básicos en altos valores de corriente. BRANDI y sus colaboradores ( 26 ) evaluaron electrodos revestidos E6011, E6013 y E7018 con diámetros del núcleo de 4 y 5 mm, variando la polaridad y los valores de corriente en soldaduras al aire en la posición plana y otros tipos de posición. El arco eléctrico fue establecido entre el electrodo y un disco de cobre giratorio que transfería las gotas para un recipiente con agua. Las principales conclusiones del estudio se presentan a continuación:  La transferencia por explosión fue el mecanismo predominante observado en los tres tipos de evaluados.  Las gotas grandes (diámetro medio >1mm) presentaron porosidad interna.  Las gotas producidas por el electrodo E6013 presentaron mayor porosidad, seguidas por las gotas del electrodo E7018 y E6011, en este orden.  El modo de transferencia del tipo protegido por la escoria fue más significativo para los depósitos realizados con el electrodo E7018.  La polaridad de la corriente fue la variable que más afectó el tamaño de las gotas transferidas en el arco eléctrico.  El electrodo E6013 produjo el arco más estable y con menor número de grietas debido al tamaño de las gotas relativamente menor con relación a los otros electrodos evaluados.  Se detectó la ocurrencia de porosidad en las puntas de los tres tipos de electrodos evaluados, siendo más frecuentemente observada en las puntas de los electrodos E6013 y E7018.  Cuando la explosión de la gota ocurre antes del cortocircuito, el resultado fueron gotas menores en comparación al tamaño de las gotas que surgen cuando la explosión ocurre después del cortocircuito.  El electrodo E6011 produjo menores gotas, seguido por el electrodo E6013 y E7018 en la orden.  El electrodo E6013 presentó a menor cantidad de grietas con relación a los otros dos independientemente de las condiciones de soldadura.  El cambio de polaridad de CDEP para CDEN en los electrodos E6011 y E6013 causó una disminución en el diámetro medio de las gotas y un aumento en el número de grietas.. 20.

(21)  El cambio de polaridad de CDEP para CDEN en el electrodo E7018 causó un aumento en el diámetro medio de las gotas y un aumento en el número de grietas.  La porosidad en el metal de soldadura se comienza a formar en la gota durante su crecimiento en la punta del electrodo. La presencia de poros en la punta de los electrodos y en las gotas después la solidificación es un fuerte indicio de que los gases formadores de porosidad en las soldaduras mojadas pueden ser transferidos en el interior de las gotas durante su formación y transferencia. para que sea posible reducir la porosidad de las soldaduras mojadas es esencial estudiar y entender el mecanismo de formación de porosidad en el interior de las gotas metálicas. 1.6Consumibles para Soldadura Subacuática. Investigadores evaluaron, en soldadura subacuática mojadura, diverso tipos comerciales de electrodos revestidos fabricados para soldadura al aire. WEST y sus colaboradores ( 27 ) probaron electrodos ferríticos E7014 y E6013, y electrodos de acero inoxidable austenítico E309-16 y E310-16. Entre los electrodos ferríticos evaluados, el E7014 (electrodo rutílico con polvo de hierro) presentó la mejor soldabilidad. Los depósitos de acero inoxidable presentaron grietas la caliente en el pase de raíz. Gooch ( 16 ) probó diverso tipos comerciales de electrodos revestidos. Electrodos rutílicos y rutílico-ácidos exhibieron mejor estabilidad de arco y apariencia del cordón de soldadura. Electrodos oxidantes (óxido de hierro) produjeron soldaduras con menor cantidad de hidrógeno difusible y menor ocurrencia de agrietamiento por hidrógeno. Electrodos la base de níquel también presentaron baja ocurrencia de presencia de grietas. Electrodos de acero inoxidable austenítico, por otro lado, produjeron depósitos martensíticos de dureza elevada con agrietamiento por hidrógeno, o depósitos austeníticos con grietas de solidificación. El principal problema de electrodos básicos es la instabilidad del arco eléctrico. Electrodos con revestimiento rutílico, básico o celulósico presentaron agrietamiento por hidrógeno en el metal de soldadura y en la ZIT, el comportamiento es el mismo para el caso de la soldadura subacuática. Silva y Hazzlet ( 14 ) evaluaron electrodos E6013, E7024 y E6027 utilizando un dispositivo de soldadura por gravedad a 0,9 m y concluyeron que los electrodos con polvo de hierro (E7024) fueron más fáciles de usar, produjeron arco más estable, presentaron mayor tasa de deposición que los electrodos comerciales E6013 y E6027. En soldadura subacuática, el metal de soldadura logrado con electrodos rutílicos presenta mayor tenacidad y resistencia a la tracción en comparación con los electrodos oxidantes comerciales. Las propiedades mecánicas inferiores del metal de aporte de esos electrodos están relacionadas al bajo contenido de Mn, C, y Sí, resultante del carácter oxidante del revestimiento. La composición química típica de soldaduras depositadas por electrodos oxidantes es de aproximadamente 0,05% de C en peso, y menos de lo que 0,01% en peso de Sí y Mn.. 21.

(22) Un electrodo rutílico, por otro lado, deposita soldaduras con composiciones típicas del 0,1% de C, 0,1% de Si y 0,4% de Mn en peso. Electrodos rutílicos produjeron metal de soldadura con elevado contenido de hidrógeno difusible (~90ml/100g), mientras electrodos oxidantes presentaron niveles menores. (~15ml/100g) De una manera general, las investigaciones que se encaminan en modificar el revestimiento de los electrodos rutílicos para soldadura subacuática tienen como objetivo principal reducir la cantidad de hidrógeno difusible en el metal de soldadura. Los investigadores que desarrollan electrodos oxidantes hacen adición controlada de elementos de aleación termodinámicamente más estables que sus óxidos con el objetivo de mejorar la resistencia mecánica a la tracción y de la tenacidad del metal de soldadura 28 1.6.1Electrodos con Revestimiento del Tipo Rutílico. Grandes esfuerzos para desarrollar mejores consumibles para la soldadura subacuática mojada han sido dedicados a los electrodos con revestimiento a la base de rutilo (TíO2). SANCHEZ-OSIO y su equipo de colaboradores ( 29 ) investigaron la adición de titanio, boro y carbonato de calcio en electrodos en revestimientos con base de rutilo (Tío2). La adición de Titanio y Boro al revestimiento de electrodos rutílicos, utilizados para realización de cordones sobre chapa, produjo una microestructura conteniendo hasta 60% de ferrita granular. Ese constituyente microestructural es más deseado en el metal de soldadura, debido al hecho de promover mejora de las propiedades mecánicas del mismo con relación a una microestructura formada por ferrita primaria grosera, que es predominante en soldaduras mojadas con electrodos rutílicos. La adición de carbonato de calcio en valores de 9 a 12% redujo la porosidad de 2 para 1% en soldaduras hechas a la 9 m de profundidad. ROWE y sus colaboradores ( 5 )agregaron manganeso (Mn), titanio (Ti), boro (B) y tierras raras al revestimiento de electrodos rutílicos evaluados en profundidades de hasta 91 M. La de manganeso no produjo el aumento esperado en tenor de ese elemento en el metal de soldadura. Cuando el manganeso fue agregado juntamente con titanio fue posible controlar el contenido de manganeso en el metal de soldadura. Adiciones en niveles apropiados de Ti-B produjeron una microestructura conteniendo 60-90% de ferrita granular en profundidades de hasta 90 metros. La cuantificación microestructural fue hecha en muestras removidas del tope de los últimos cordones de soldaduras. Análisis realizados en la región recalentada dentro de la ZIT en la sección transversal mostraron que la adición de Ti y B provoco un mayor refinamiento de los granos. Además el Ti y el B, por ser excelentes antioxidantes, disminuyen significativamente el contenido de oxígeno en el metal de aporte, preservando el manganeso y el silicio, que son elementos importantes para la formación de una microestructura tenaz y resistente. Teniendo el Ti un carácter más oxidante que la B, evita que ese último sea totalmente oxidado. La porosidad del metal del cordón fue reducida con la adición al revestimiento de altos contenidos de ferro –manganeso y bajos contenidos de titanio, boro y tierras raras.. 22.

(23) MAZZAFERRO ( 3 ) evaluó la adición de rutilo, aluminio y carbonato de calcio a un revestimiento de base rutílico en profundidades de 5, 12,5 y 20 M. Como resultado, se observó que el aumento del contenido de rutilo hasta el 40 % provocó una reducción en la porosidad media en las tres profundidades evaluadas.. La adición de 16 % de CaCO3 redujo la porosidad para las soldaduras hechas a 20 M y aumentó la porosidad de las soldaduras hechas a 12,5 metros. La adición de aluminio provocó un aumento de la porosidad en todas las profundidades probadas. La adición de níquel al revestimiento del tipo rutílico promueve un aumento en la tenacidad, siendo que los mejores resultados fueron encontrados para cantidades de níquel de aproximadamente 3%. Las técnicas empleadas para la reducción del hidrógeno difusible son basadas en la deposición de pase de relleno y realización de tratamiento térmico pos-soldadura (7), (5), (9), (30). En la realidad esas técnicas son de difícil ejecución y dependen mucho de la habilidad del soldador y de las condiciones de soldadura en el momento de la reparación. Normalmente la adición de elementos desoxidantes como Ti y Mn reduce la porosidad, pues remueve oxígeno del sistema y evita la formación de CO. Por otro lado, ocurre la formación de inclusiones de óxidos de esos elementos y, debido a las altas tasas de enfriamiento que ocurren en el metal de soldaduras mojadas, por lo que no habrá tiempo suficiente para que los óxidos dejen el metal de aporte y pasen a la escoria. Así, al intentar reducir la porosidad con elementos oxidantes se aumenta la cantidad de inclusiones en el metal del cordón realizado con electrodos rutílicos lo que representa un dilema provocando que sea muy difícil alcanzar valores aceptables de alargamiento en la prueba de tracción y calificar el material en los ensayos de flexión 1.6.2Electrodos con Revestimiento del Tipo Oxidante. Electrodos de óxido de hierro y la base de níquel han sido estudiados y desarrollados debido al bajo nivel de hidrógeno difusible que presentan en el metal de soldadura, los que representaran una alternativa a los electrodos rutílicos, (19) ( 5 ). Por otro lado, las propiedades mecánicas serán inferiores cuando son comparadas con las del metal de soldadura producido por los electrodos rutílicos. Debido al carácter oxidante del revestimiento, la microestructura del metal de soldadura estará predominantemente constituida de ferrita pro-eutectoide y poligonal, de característica poco tenaz (31). En la tentativa de mejorar las propiedades mecánicas de ese tipo de electrodo la adición de níquel al revestimiento ha sido ampliamente estudiada. El níquel (Ni) promueve un aumento en la resistencia mecánica y tenacidad del cordón de soldadura (19) los valores máximos de tenacidad y de resistencia a la tracción ocurrieron para niveles próximos a 2% de Ni en el metal de soldadura, Por otro lado, la dureza varió de manera uniforme y lineal con el contenido de Ni. La caída en la tenacidad y resistencia la tracción observada para valores de Ni por encima del 2,5% fue atribuido al agrietamiento por solidificación. Los valores de tenacidad encontrados fueron equivalentes a los de metales de soldadura depositados por electrodos rutílicos. ( 15 ). 23.

(24) En comparación a los electrodos rutílicos, los electrodos oxidantes presentan valores superiores de alargamiento y compresión, pero una baja tenacidad y más alta porosidad, probablemente debido a la formación de CO en el metal de soldadura líquido. 1.6.3Electrodos Tubulares Revestidos. Electrodos tubulares revestidos difieren básicamente de los electrodos revestidos normales fundamentalmente por tener una cavidad interna como se muestra en la Figura 2.7.. Figura 2.7 Sección transversal de un electrodo tubular revestido. En ese espacio interno es posible agregar elementos de menor energía libre de formación de óxidos que el carbono en temperatura próximo a 1900 0C, siendo esta la temperatura reportada para el charco de fusión de electrodos revestidos. La adición de elementos como Aluminio (Al) y Calcio (CA) puede teóricamente evitar la formación de CO en las gotas metálicas y en el arco eléctrico de las soldaduras mojadas, una vez que ésos dos elementos tiene menor energía de formación. La adición de Al al revestimiento de electrodos revestidos aplicados en soldadura mojada fue estudiada por Mazzaferro (3) los resultados mostraron que la porosidad del metal de aporte aumentó en todas las profundidades estudiadas. Una vez que el aluminio es un poderoso desoxidante (32) y la formación de CO en la gota metálica y en el frente de solidificación favorece la nucleación de poros (33) (34),. 24.

(25) Una explicación para el aumento de la porosidad con la adición de aluminio hecha por MAZZAFERRO es que lo aluminio puede reaccionar con otros elementos presentes en el revestimiento según las siguientes reacciones: 3/2TiO2 + 2Al ===== 3/2Ti + Al2O3,. (I). 3/2SiO2 + 2Al ===== 3/2Si + Al2O3,. (II). Fe2O3 + 2Al ==== 2Fe + Al2O3,. (III). 3FeO + 2Al === 3Fe + Al2O3,. (IV). 2Al + 3/2O2 ===== Al2O3,. (V). Nótese que si esas reacciones acontecen antes que el aluminio alcance la atmósfera del arco no habrá desoxidación en la gota metálica ni en el charco de fusión. Además de eso, las reacciones entre Al y otros elementos como Ti, Sí, y Fe irá a favorecer la oxidación del Carbono, una vez que ése tiene menor energía de activación a altas temperaturas en comparación con esos otros elementos. Así la reacción que debe ocurrir en el arco eléctrico, en el interior de las gotas metálicas y en el charco de fusión es la V. De esa manera, la formación de CO será impedida y la porosidad causada por ese gas evitada. La aplicación de electrodos tubulares revestidos permite evitar la ocurrencia de las reacciones I a IV De manera general, el desarrollo de electrodos revestidos para soldadura subacuática mojada es enfocado en la variación de formulaciones del revestimiento y en la mejoría de la técnica de soldadura aplicada. se observa la necesidad de evaluación de la influencia de la transferencia metálica en la porosidad de las soldaduras mojadas. Existe también la necesidad de evaluarse la influencia de la adición de aluminio, de modo separado del revestimiento externo, con el objetivo de entender cómo se comporta la porosidad de soldaduras mojadas con la ocurrencia de reacciones de oxidación que producen inclusiones no metálicas (oxidación del aluminio) y que producen gases (oxidación del carbono).. 25.

(26) Capitulo II. 2.1.. Factores mojada.. que. influyen. sobre. la. calidad. de. la. soldadura. acuática. La soldadura por arco eléctrico es un proceso en el cuál una muy intensa fuente de calor en movimiento es aplicada sobre la superficie de trabajo. Puede resultar sumamente interesante predecir la forma de los gradientes de temperatura que genera en el metal base (MB) esta fuente de calor, para entender fenómenos tales como: el ancho y la profundidad de penetración, los cambios microestructurales que se producen en la zona afectada por calor del metal base, las tensiones residuales que se generan así como la realización de predicciones sobre posibles problemas de fisuración de la junta, todos ellos en función de un determinado calor aportado ó “heat input” y por supuesto las características físicas de la etapa de enfriamiento. El proceso de soldadura por arco eléctrico por ser una operación totalmete localizada, tiene algunas características de las técnicas de fusión y otras del tratamiento térmico convencional, esto se debe a que presenta una zona de material totalmente fundido y otra en la cual el material ha sufrido un calentamiento. Este proceso ocurre en tiempos muy cortos y con una variación de temperaturas extremas que van desde la fusión hasta aquellas que no afectan la estructura del metal base. Como consecuencia de esto se originan velocidades de enfriamiento variables y muy rápidas dentro de cada zona. Y por supuesto afectado todo además por la forma en que es evacuado el calor de las distintas zonas de la ZIT, o sea el comportamiento de los ciclos térmicos durante el calentamiento y el enfriamiento. La mayoría de los investigadores que han trabajado en el campo de la soldadura consideran que la distribución de calor generada se comporta según el modelo de John Goldak de doble elipsoide. En la obtención del modelo para cada caso se consideran el voltaje y la corriente de soldadura como los responsables de la existencia de la potencia calorífica necesaria para fundir el material de aporte y parte del material base, se considera además que las pérdidas de calor serán consecuencia de la eficiencia del proceso o sea pérdidas por conducción, evaporación, convección y radiación, influyendo también las propiedades y dimensiones del material base, destacándose en el caso de la soldadura mojada el comportamiento del medio circundante. Considérese pérdidas a aquellas partes del calor que no intervienen en la obtención del cordón de soldadura. Por el comportamiento particular debido al medio circundante en el caso de la soldadura bajo agua mojada deben ser considerados con atención los factores que intervienen en el enfriamiento y por consiguiente en la velocidad de enfriamiento de la unión soldada siendo estos los que determinan los ciclos térmicos correspondientes al proceso de soldadura.. 26.

(27) Factores a tener en cuenta en los efectos del enfriamiento de la unión soldada. La cantidad de calor que se aplica. El ritmo o velocidad a la que se aplique el enfriamiento. El área del lugar en donde se aplique el calor. Las medidas y figuras de la pieza de trabajo. La temperatura inicial del Metal - Base. Propiedades de comportamiento ante la transferencia térmica del medio circundante Factores que influyen en el proceso de enfriamiento del Metal-Base. La temperatura del agua. La velocidad del agua. Las capas aislantes. La escoria sobre los cordones de soldadura. Profundidad de trabajo. Factores que influyen en el enfriamiento de la soldadura. (Que aumentan la velocidad de enfriamiento.) La temperatura del agua. Dimensiones de la pieza. Operación rápida. Alta tensión. Propiedades termofísicas del metal base. Procedimiento de depósito. Calor generado por el proceso.. 27.

(28) Que disminuyen la velocidad de enfriamiento. Característica de la corriente de agua. Temperatura del agua. Dimensiones de la pieza, (de pequeños espesores). Régimen de soldadura. Propiedades termofísicas del metal base. Factores que modifican la dureza. Composición química del metal base. Tipo de estructura metalográfica del metal base. Tamaño de grano del metal base. Temperatura del agua. Cordones delgados. Régimen de soldadura. 2.2.- Importancia del estudio de los ciclos térmicos y su relación con el agrietamiento. Transferencia de calor. Efecto térmico. Estos autores mencionan que, en general, y en relación con el calor generado en arco eléctrico, el 80% se dirige hacia el ánodo, el 15% se elimina por medio de los gases arco generado por el flujo del revestimiento y el 5% es dirigido hacia el cátodo. Al enfrentar la soldadura eléctrica bajo agua mojada es importante elegir adecuadamente el procedimiento que garantice las propiedades exigidas de la unión para su correcto funcionamiento y con la mayor productividad. La elección del proceso adecuado debe llevar un estudio y selección de variantes según las posibilidades existentes, así como de los elementos del régimen. Uno de los aspectos que marcan la eficiencia del proceso y su efecto en la unión soldada es, sin duda alguna, la forma de distribución del calor generado por el arco. En el proceso SMAW, del calor inicial, un 15% se emplea en la fusión del recubrimiento y el otro 15% en la fusión del cuerpo metálico del electrodo. Este 30% se conoce como energía para la fusión; por estar el arco en contacto con el medio, hay un 15% que se pierde por irradiación al ambiente, por lo que llega sólo un 55% estará presente en el metal base, de éste un 10% va a la raíz y el 45% del calor restante pasa al interior de la pieza por conducción (35) según se muestra en la figura 2.1. El grafico aparece con frecuencia en la literatura y es referido al caso de la soldadura al aire, por lo que se debe discutir el comportamiento para el caso de la soldadura bajo agua mojada.. 28.

(29) Otros autores mencionan que, en general, y en relación con el calor generado en arco eléctrico, el 80% se dirige hacia el ánodo, el 15% se elimina por medio de los gases arco generado por el flujo del revestimiento y el 5% es dirigido hacia el cátodo para el caso de la soldadura subacuática mojada.. Figura.2.1Distribucion del calor en el proceso de soldadura SMAW al aire. Hay varias maneras en las que los efectos térmicos pueden cambiar las propiedades reales de las uniones soldadas ya sean del proceso elegido o producto del procedimiento establecido. Por ejemplo, la temperatura alcanzada como consecuencia de las interpasadas generalmente reducen la resistencia máxima de la unión y normalmente mejoran la resistencia al impacto. La entrada de calor también puede ser diferente considerando la influencia ejercida por el diámetro del electrodo, el voltaje de arco, el amperaje, la polaridad de la corriente, la velocidad de soldadura y la posición de soldadura sobre todo para el caso de la SMAW. Todos éstos afectan la entrada de calor que es calculada multiplicando el amperaje de soldadura horas con el voltaje horas 60 y dividiendo el producto por la velocidad de soldadura. Algunos cálculos de entrada de calor incorporan el factor de eficiencia del proceso. El voltaje y el amperaje son regidos por el procedimiento de la soldadura, como el caso de la velocidad de soldadura. Para una corriente de soldadura mayor, por ejemplo, más calor se tendrá en la unión y se mantienen la misma velocidad de soldadura y un voltaje de arco constante. Es importante destacar que con un incremento de la velocidad de soldadura, los procedimientos de altas intensidades de corriente pueden ajustarse para mantener la misma entrada de calor y por tanto el mismo efecto térmico en la unión (36). La velocidad de enfriamiento también debe ser considerada. Esta depende de la temperatura de la pieza, la entrada de calor, el espesor o diámetro de la pieza, la geometría de la pieza y la temperatura del ambiente o del medio circundante. En piezas de gran espesor o diámetro la conducción de calor se produce en tres direcciones por lo que la velocidad de enfriamiento se realiza de manera rápida además del efecto producido por el medio circundante como ya se ha dicho. Por el contrario, una velocidad de enfriamiento más lenta es asociada con piezas de poco. 29.

(30) espesor o diámetro donde se transfiere el calor en sólo dos direcciones. Este proceso también depende de las propiedades de transferencia de calor del material de la pieza que se trate. (37) La soldadura de multipasadas crea un efecto térmico en cordones anteriores. La resultante del recalentamiento de cordones previamente depositados mejora las propiedades de impacto, pero con el detrimento de la resistencia de la unión. En cualquier proceso de soldadura, para un material determinado, la microestructura de las partes soldadas sufren cambios considerables debido al calentamiento y al ciclo de enfriamiento de la zona de la soldadura que a su vez se relaciona directamente al proceso de soldadura y a las técnicas empleadas. Sólo mejorando la microestructura de la ZAC, las propiedades de una unión soldada pueden ser mejores. En general, algunas variables del proceso de soldadura y las condiciones de operación influyen en las características de la microestructura, y, por consiguiente, en la resistencia, la dureza, y la susceptibilidad al agrietamiento de la ZIT (38). La entrada de calor excesiva podría producir una ZAC ancha con una resistencia al impacto baja, particularmente en la soldadura por arco sumergido. Desde un punto de vista metalúrgico, la ZIT puede ser dividida en tres zonas: supercrítica, intercrítica, y subcrítica, como se muestra en la figura.2.2.La región supercrítica puede, a su vez, dividirse en dos regiones, la de crecimiento de grano y de afinamiento de grano, como se muestra en la figura.2.3.La microestructura de las regiones de crecimiento de grano y de afinamiento de grano de la zona supercrítica de la ZIT influye en las propiedades de la junta de la soldadura. Para predecir las propiedades de esta zona, se debe saber la cantidad y magnitud del crecimiento de grano y del ciclo térmico de la soldadura. La entrada de calor del proceso de la soldadura debe limitarse para mantener el ancho de la zona supercrítica de la ZIT tan estrecho como sea posible. Además, la zona supercrítica sufre cambios microestructurales considerables comparados con los cambios estructurales pequeños e insignificantes de las zonas intercrítica y subcrítica. Estos cambios microestructurales afectan las propiedades mecánicas y metalúrgicas de las partes soldadas (39). Por consiguiente, el tamaño de la ZIT es una indicación de la magnitud de cambios estructurales. Debido a que las dimensiones de la ZIT son controladas por variables del proceso y la entrada de calor, y se fundamentan por leyes físicas, estos pueden relacionarse a través del desarrollo de modelos matemáticos.. Figura 2.2 Diferentes zonas afectadas por el calor.. 30.

(31) Figura 2.3 Diferentes regiones de la zona supercrítica de la zona afectada por el calor. 2.3.. Los ciclos térmicos de soldadura.. El estudio de los ciclos térmicos en soldadura es un tema en extremo complejo si se tiene en cuenta que definen las propiedades de la unión y su capacidad para soportar el sistema de carga para la que fue diseñada, son complejos también al inferirse por los estudios realizados por los diferentes investigadores que su determinación y evaluación ha sido realizada bajo distintos enfoques siendo estos por ejemplo: Utilizar ecuaciones térmicas que han permitido establecer la forma y distribución de los mismos al comparar los resultados con mediciones realizadas en el lugar.  Obtener regresiones para analizar la coherencia de los valores, todo esto suponiendo una cantidad importante de simplificaciones,  Los resultados microestructurales obtenidos según observaciones metalográficas y desde el punto de vista de las ecuaciones de difusión y transformaciones de fases que permitan determinar la distancia entre las isotermas.  Modelar ciclos térmicos con la utilización de los métodos de elementos finitos (MEF), con lo cual en la literatura revisada hasta el momento de la redacción de este trabajo, se obtienen resultados los que se corresponden con aquellos obtenidos tradicionalmente, o por mediciones en el lugar para el caso de la soldadura en ambiente seco o al aire. Cabe destacar la importante cantidad de bibliografía disponible acerca de estudios realizados sobre ciclos térmicos en soldaduras.. 31.

(32) Como ya se ha visto la soldadura por arco eléctrico es un proceso en el cuál una intensa fuente de calor en movimiento es aplicada sobre la superficie de trabajo. Puede resultar sumamente interesante predecir la forma de los gradientes de temperatura que genera en el metal base (MB) esta fuente de calor, para entender fenómenos tales como: el ancho y la profundidad de penetración, los cambios microestructurales que se producen en la zona afectada por calor del metal base, las tensiones residuales que se generan, así como la realización de predicciones sobre posibles problemas de fisuración de la junta, todos ellos en función de un determinado calor aportado ó “Heat Input” para el caso de la soldadura bajo agua mojada. Para el correcto estudio de los ciclos térmicos obtenidos y su influencia en los resultados de la unión bajo agua deben ser identificados los factores que determinan la distribución de las máximas temperaturas en la ZAC, la velocidad de enfriamiento y el tiempo de solidificación. A fin de controlar los sucesos metalúrgicos en soldadura, deben quedar establecidas las condiciones térmicas en el metal fundido y en sus proximidades, en particular ha de conocerse:  La distribución del máximo o pico de temperatura en la ZIT.  La velocidad de enfriamiento en el metal fundido y en la ZIT.  La velocidad de solidificación del metal fundido.  Se debe verificar cómo afecta el calor proporcionado por el foco térmico a los materiales durante su soldeo. Si no existiera propagación de calor se obtendría una zona calentada directamente por el foco calorífico, la que alcanzaría la temperatura de fusión y el resto del metal permanecería a la temperatura ambiente, la que en el caso que nos ocupa consistiría en la temperatura del agua circundante. Ahora bien, los metales son buenos conductores, sus átomos pasan rápidamente el calor a sus vecinos, mediante el proceso de conducción entonces se tendrá una distribución de temperatura en la sección que sea considerada. Otra consideración importante que además tiene gran influencia en los resultados consiste en el hecho de que el arco se desplaza alejándose del inicio del cordón en la sección inicial, la zona que ha recibido directamente el calor del arco y sus proximidades comenzarán su enfriamiento, mientras que las más alejadas recibirán el calor de sus vecinos más próximos a la zona calentada aumentando así su temperatura .Las curvas de distribución de la temperatura en la sección considerada irán variando, transformándose, la curva según va pasando el tiempo y se va alejando el foco calorífico,cada vez más tendiendo a ser horizontal. Según puede verse en la figura .2.4. 32.

(33) Figura.2.4 Comportamiento de ciclos térmicos para diferentes puntos de la ZAC en la sección transversal de una unión soldada.. Figura.2.5 Comportamiento de ciclos térmicos para diferentes puntos de la ZAC a lo largo del cordón de una unión soldada. Para la determinación de la forma de las curvas, tanto las de distribución como las isotérmicas influyen principalmente los siguientes factores, conocido también como gradiente de temperatura:  El baño fundido, que actúa como foco de calor.  La masa de MB que absorbe calor. La temperatura inicial, la forma y dimensiones del metal base. Debe destacarse la temperatura del medio, en este caso el agua y el movimiento relativo entre la unión y el medio circundante.. 33.

(34) En la figura 2.6 se representa la distribución de temperaturas máximas para puntos diferentes en la zona afectada por el calor para el caso de la soldadura al aire y con temperatura ambiente constante de 27 grados Celsius. Corresponde a un acero de 0,3 % de carbono. Los puntos se corresponden con las figuran anteriores. Figura 2.6 Estructuras correspondientes a las subzonas de la ZAC según el tipo de acero y su composición. 2.4 Consideraciones relacionadas al mojada.. agrietamiento en la soldadura bajo agua. El agrietamiento inducido o asistido por hidrógeno en soldaduras por fusión de aceros ferríticos se presenta siempre y cuando existan simultáneamente los siguientes factores: un nivel crítico de concentración de hidrógeno, un nivel crítico de esfuerzos de tracción y una microestructura susceptible, normalmente martensita. Factores todos presentes en el caso de la soldadura bajo agua mojada. El mecanismo de nucleación y crecimiento de este tipo de grietas se explica por el efecto fragilizante que tiene el hidrógeno en el acero, por su alto poder de difusión y por la existencia de zonas con esfuerzos triaxiales máximos en el frente de una entalla o concentrador de esfuerzos.. 34.

Figure

Figura 1.1 Esquema que muestra la soldadura con electrodo revestido.

Figura 1.1

Esquema que muestra la soldadura con electrodo revestido. p.11
Figura 1.2 Esquema que muestra el mecanismo de transferencia dehidrógeno al metal de aporte para las dos polaridades en corriente continua (14 )

Figura 1.2

Esquema que muestra el mecanismo de transferencia dehidrógeno al metal de aporte para las dos polaridades en corriente continua (14 ) p.12
Figura 2.4- Esquema que muestra el efecto de la polaridad en la  geometría del cordón de soldadura y la longitud del arco basado en el  modelo propuesto por Tsai y Masubuchi (1977)

Figura 2.4-

Esquema que muestra el efecto de la polaridad en la geometría del cordón de soldadura y la longitud del arco basado en el modelo propuesto por Tsai y Masubuchi (1977) p.14
Figura 2.5 Variación del nivel de oxígeno a lo largo del cordón para soldadura  al aire con el electrodo E-7018

Figura 2.5

Variación del nivel de oxígeno a lo largo del cordón para soldadura al aire con el electrodo E-7018 p.16
Figura  2.6  Variación  de  la  cantidad  de  microconstituyentes  del  metal  de  soldadura  en función de la profundidad.

Figura 2.6

Variación de la cantidad de microconstituyentes del metal de soldadura en función de la profundidad. p.17
Figura 2.7 Sección transversal de un electrodo tubular revestido.

Figura 2.7

Sección transversal de un electrodo tubular revestido. p.24
Figura 2.2 Diferentes zonas afectadas por el calor.

Figura 2.2

Diferentes zonas afectadas por el calor. p.30
Figura  2.3  Diferentes  regiones  de  la  zona  supercrítica  de  la  zona  afectada  por  el calor.

Figura 2.3

Diferentes regiones de la zona supercrítica de la zona afectada por el calor. p.31
Figura 2.6 Estructuras correspondientes a las subzonas de la ZAC según el tipo de acero y su composición.

Figura 2.6

Estructuras correspondientes a las subzonas de la ZAC según el tipo de acero y su composición. p.34
Figura 3.1 Termopar acoplado a equipo digital para el registro de la temperatura.

Figura 3.1

Termopar acoplado a equipo digital para el registro de la temperatura. p.36
Figura 3.2Termopares acoplados a la parte trasera de un a placa soldada. Imagen tomada después de ejecutada la soldadura.

Figura 3.2Termopares

acoplados a la parte trasera de un a placa soldada. Imagen tomada después de ejecutada la soldadura. p.38
Figura 3.3Termopar con su extremo situado en la ZIT de una soldadura.

Figura 3.3Termopar

con su extremo situado en la ZIT de una soldadura. p.38
Figura 3.4Detalle de la soldadura de un termopar, a una placa de acero.

Figura 3.4Detalle

de la soldadura de un termopar, a una placa de acero. p.39

Referencias

Actualización...

Related subjects : Procedimientos de Soldadura