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8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007
ESTUDIO COMPARATIVO DE LOS PARÁMETROS DE CONSUMO Y GEOMETRÍA
DE LOS DEPÓSITOS DE ELECTRODOS TUBULARES REVESTIDOS PARA
RECARGUE
Amado Cruz Crespo1, Manuel Rodriguez Pérez1, Américo Scotti2
Centro de Investigaciones de Soldadura (CIS), Universidad Central ¨Marta Abreu¨ de Las Villas, Cuba
2
Laboratorio para Desenvolvimento de Processos de Soldagem (LAPROSOLDA), Universidade Federal de
Uberlândia, Brasil; e-mai
[email protected]
1
RESUMEN
En el trabajo son abordados los resultados de determinación de parámetros de consumo y geometría de los depósitos
de electrodos tubulares revestidos. Las dos variantes de electrodos (electrodo con ferroaleación en el núcleo ≤0,1
mm y con ferroaleación 0,1- 0,25 mm), obtenidos en condiciones experimentales, fueron estudiadas de manera
comparativa, utilizando como referencia el electrodo comercial DIN E60-10 Z, de igual aplicación (recargue duro)
y de igual diámetro (4 mm). Con variación de la corriente de soldadura en un amplio rango de valores fueron
obtenidos depósitos de una sola pasada a los cuales le fueron determinados la geometría y el coeficiente de dilución,
a partir de las relaciones de áreas. Antes y después de la realización de los depósitos fue determinado el peso de las
probetas (sin y con depósito respectivamente) y de los electrodos, obteniéndose a partir de estos los parámetros
fundamentales de consumo de cada tipo de electrodo. El análisis comparativo de los resultados para condiciones de
igualdad de corriente y de metal depositado lleva a la conclusión de un comportamiento favorable de las variantes de
tubulares experimentales para bajas corrientes, avalado en una menor dilución para una misma tasa de deposición y
una mayor regularidad de los cordones.
PALABRAS CLAVES: Recargue duro; Electrodo revestido; Electrodo tubular; Geometría del cordón, parámetros
de consumo.
83
INTRODUCCIÓN
Los electrodos revestidos para recargue duro por SMAW han demostrado, hasta el momento, tener una amplia
demanda por las probadas ventajas del proceso en cuanto a versatilidad y relativa sencillez tecnológica. Una vía
posible de mejorar su desempeño, y que es a su vez una aspiración permanente de los recuperadores de piezas, es
disminuir, en cuanto sea posible, la dilución con el material base, sin que se pierda en ello la capacidad de
producción.
La búsqueda de una calidad y una eficiencia dada en el estudio de desarrollo de un consumible para la soldadura
o el recargue por soldadura manual dirigen su atención hacia los aspectos económicos y metalúrgicos. En el caso
particular de electrodos revestidos para recubrimiento duro resistente al desgaste abrasivo, el énfasis se hace sobre
las propiedades del depósito, siendo la composición química el criterio fundamental que rige la valoración [1-3].
Como es conocido, el revestimiento juega un papel importante en el proceso SMAW, fundamentalmente en los
electrodos para recargue, ya que, al ser portador de la carga aleante, es mediante el que se garantizan las propiedades
tecnológicas del depósito (el núcleo del electrodo es fundamentalmente para conducir corriente, aunque también
contribuye con masa metálica depositada). La adición de elementos de aleación y desoxidantes, por el revestimiento
resta espacio a los elementos destinados a garantizar propiedades tecnológicas de soldadura (estabilizadores de arco,
formadores de escoria y gases, entre otros). Por tanto, los fabricantes de electrodos hacen un balance, donde la
composición del depósito a obtener se convierte en una condición inviolable, ya que esta gobierna la microestructura
y las propiedades, como se ha demostrado por [2-3].
La posibilidad de colocar un revestimiento como aportador exclusivo de componentes para comportamiento
tecnológico (estabilizadores de arco, formadores de escoria y gases, entre otros) se alcanza si la adición de la carga
aleante se realiza en el núcleo de un tubular (¨metal cored¨). Esta concepción diferente de electrodos para recargue
por SMAW podría garantizar altos niveles de aleación del depósito con un elemento dado, a la vez que posibilitaría
reducir el factor de revestimiento (relación del diámetro total del electrodo y el diámetro del alma del mismo). O sea
que algunas de los dilemas referidos encima para los tradicionales electrodos revestidos de recargue duro son
enmendados con esta concepción diferente de electrodos para recargue duro [2]. Ello, unido a una mayor densidad
de corriente para igual diámetro, frente a un electrodo revestido tradicional, constituye un aspecto atractivo para el
desarrollo de electrodos de tales características para responder a circunstancias concretas de aplicación, como ya fue
apuntado por algunos investigadores [2, 4]. Por otra parte, en la práctica industrial se reporta la existencia de
productos de tales características en el mercado, siendo el electrodo tubular revestido STOODY-31 ejemplo de esto
[5].
Los criterios económicos y de aplicación de un electrodo dado son validados en alta medida por los parámetros
de consumo y la geometría del cordón depositado. Sobre esta base, el objetivo esencial de este trabajo es la
determinación comparativa de los parámetros de consumo y la geometría de los cordones obtenidos con electrodos
tubulares revestidos para recargue duro, utilizando un electrodo comercial tradicional para idéntica aplicación como
referencia.
MATERIALES Y MÉTODOS
En el trabajo fueron utilizados dos tipos de electrodos experimentales tubulares revestidos de 4 mm de núcleo y
430 mm de longitud, fueron obtenidos en un trabajo precedente [6]. Los dos eletrodos experimentales en esencia son
similares, con revestimiento básico (compuesto de fluorita, caliza, grafito y los aportes de SiO2 y Na2O del
aglutinante), factor de revestimiento de 1,5 y solo se diferencian en la granulometría de la ferroaleación de FeCrMn
empleada como carga aleante en el núcleo (el electrodo denominado CIS1, con tamaño de grano de la carga aleante
entre 0,1 mm y 0,25 mm, y el CIS2, con granos ≤ 0,1 mm de la ferroaleación). Dicho estudio se realizó utilizando
como referencia un electrodo comercial de igual diámetro nominal y aplicación (recargue duro para desgaste
abrasivo), clase DIN E60-10 Z, 350 mm de longitud, revestimiento básico, factor de revestimiento de 2,25.
Para evitar la interferencia del soldador los depósitos fueron realizadas, sobre planchas de acero AISI 1020 de
250 x 25 x 8 mm en posición plana, por un simulador (sistema automatizado que mantiene invariable la velocidad
de avance, 10 cm/min, y una longitud de arco constante, los cuales son preestablecidos) en LAPROSOLDA de la
Universidad Federal de Uberlandia [7]. La corriente de soldadura (corriente continua con polaridad inversa) fue
variada para los ensayos de 80 A a 140 A a razón de 20 A y en el caso del comercial fueron realizados además
ensayos a 160 A y 200 A, ya que el fabricante recomienda hasta 200 A. En todos los ensayos se buscó mantener una
longitud de arco corto como si fuera aplicado por un soldador y el electrodo fue colocado con un ángulo de 105o en
relación a la línea de soldadura, en la dirección halando el cordón.
Las chapas de metal base y los electrodos fueron pesadas antes de la realización de los ensayos. Después de cada
ensayo fue pesada la colilla del electrodo y la plancha con el depósito, para de este modo determinar la masa de
metal depositada.
A los depósitos obtenidos le fueron realizados cortes transversales con disco abrasivo para la determinación de la
geometría de los cordones. Las secciones (2 por cordón) cortadas fueron preparadas y atacadas con Nital al 3 % para
rebelar sus dimensiones, las cuales fueron determinadas en un microscopio óptico acoplado a un computador. A
partir de las áreas determinadas de los cordones fue calculada la dilución para los diferentes valores de corriente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Parámetros de consumo de los electrodos
Los resultados del pesaje de los electrodos y las chapas antes y después de la soldadura y los respectivos
resultados de cálculo de la masa depositada (Md) y de electrodo consumido (Mec) se muestran en la Tabla 1. Son
mostrados también los valores medios y eficaces de corriente (Im y Ief) y de tensión (Um y Uef), la longitud del
cordón depositado (lc), el tiempo de soldadura (tsol), así como de los cálculos de rendimiento real de deposición (R)
y de las tazas de consumo (Tc) y deposición (Td).
Tabla 1 - Resultados de consumo y deposición de los electrodos.
Ireg
(A)
Pi,
(g)
Pfe,
(g)
Pich,
(g)
Md,
(g)
80
100
120
140
160
200
81,00
80,82
81,48
80,74
80,66
81,11
56,36
51,56
53,95
48,69
46,67
44,48
618,55
617,56
618,02
616,19
604,53
606,58
14,52
20,52
19,55
22,9
23,3
23,35
80
100
120
140
38,97
39,24
38,9
39,12
13,69
11,01
7,32
14,88
618,09
618,28
616,15
616,26
18,24
20,89
23,09
17,38
80
100
120
140
40,02
40,42
41,13
40,73
8,35
9,75
12,78
13,86
617,39
617,72
616,3
617,4
23,07
21,53
19,28
17,81
Mec,
(g)
R,
(%)
Im,
(A)
Ief,
(A)
Eletrodo AWS E10-60Z
24,64
58,93 79,39 80
29,26
70,13 97,13
98
27,53
71,01 118,72 119
32,05
71,45 138,34 139
33,99
68,55 160,38 161
36,63
63,75 198,88 199
Eletrodo CIS (0,1-0,25 mm)
25,28
72,15 76,94 77
28,23
74,00 100,47 101
31,58
73,12 120,90 122
24,24
71,70 134,28 135
Eletrodo CIS (≤0,1mm)
31,67
72,84 76,95 78
30,67
70,20 100,82 101
28,35
68,01 121,13 122
26,87
66,28 135,16 136
Um,
(A)
Uef,
(V)
Lc,
(mm)
tsol,
Td,
Tc,
(min) (g/min)(g/min)
21,24
22,33
21,97
23,51
23,00
25,11
23,4
23,2
23,1
23,9
23,3
25,3
170
177
174
169
178
175
1,5342
1,7497
1,5308
1,5122
1,5047
1,5150
9,46
11,73
12,77
15,14
15,48
15,41
16,06
16,72
17,98
21,19
22,59
24,18
24,22
26,06
26,58
25,72
26,1
26,1
27,2
27,6
165
129
111
95
1,5703
1,3553
1,2178
1,0425
11,62
15,41
18,97
16,67
16,10
20,83
25,93
23,25
24,73
26,75
26,45
25,87
26,8
27,6
27,5
27
140
168
93
90
1,7000
1,4550
1,0694
1,0333
13,57
14,80
18,03
17,24
18,63
21,08
26,51
26,00
De acuerdo con los resultados ilustrados parcialmente en las Figuras 1 y 2, se observa, como era esperado, que de
manera general con el aumento de la corriente hay una tendencia al aumento de la tasa de consumo y deposición y
que las mayores tasas son observadas para los electrodos con alma tubular (justificable por la menor área metálica de
la sección transversal, pero considerando que el relleno del núcleo, aunque es de ferroaleación, no conduce la
corriente eléctrica), siendo poco significativa la influencia de la granulometria de la ferroaleación. Por otro lado, es
bien significativo el comportamiento que experimenta la tasa de consumo (principalmente) con la corriente para los
electrodos tubulares experimentales, mostrando una caída evidente por encima de los 120 A. Una explicación a esto
podría estar en un calentamiento excesivo del electrodo tubular a partir de 120 A por el efecto Joule, que lleva a que
su revestimiento alcance altas temperaturas en casi toda su longitud, y no solamente en su punta en contacto con el
arco, suficientes para la descomposición de la caliza, cerca de los 800 oC (esta consideración es hecha sobre la base
de que la distribución de la temperatura es uniforme en la sección transversal y solo varía en la dirección del eje del
electrodo). Como el proceso es de carácter fuertemente endotérmico, un mayor consumo energético es demandado
para mantener la tasa de consumo creciente. Además, la fluorita del revestimiento de la parte superior del electrodo
se funde anticipadamente, por ser un componente de bajo punto de fusión, y desciende hasta la punta del electrodo
incorporando a la región anódica los iones F- que, por ser voluminosos, hacen un efecto de apantallamiento al paso
de los electrones, haciendo disminuir el calentamiento en la punta del electrodo y con ello la fusión del mismo. Fue
visible en la práctica que en esto el electrodo se desprotege un poco, aumentando el intercambio de calor con el
medio circundante. Como resultado de lo planteado hay una serie de factores concadenados que llevan a modificar el
comportamiento creciente de la tasa de fusión a pesar de haber aumentado la corriente. Por estos datos, todo indica
que la corriente máxima de aplicación de los electrodos tubulares, con esta formulación y diámetro, es 120 A.
Figura 1. Variación de la tasa de consumo con la
variación de la corriente de soldadura.
Figura 2. Variación de la tasa de deposición en
función de la corriente de soldadura.
La incorporación de los iones F- en la zona anódica del arco y el entorpecimiento como causa de esto de la
transferencia de carga, referida arriba para los electrodos tubulares, podría de algún modo ser considerada su
verificación en la caída que experimenta la tensión del arco para las altas corrientes (ver Figura 3), ya para el
electrodo AWS E 10-60Z la tendencia general es al aumento de la tensión con la corriente. Los mayores valores de
tensión para los electrodos tubulares, respecto al DIN E60-10 Z, podría ser una consecuencia de diferencias en la
composición de los revestimientos, pero también de una mayor resistencia eléctrica por la propia naturaleza tubular
del núcleo (menor área de conducción de corriente), haciendo que la caída de tensión en el electrodo sea
significativamente superior y con ello la tensión total.
En la Figura 4 puede visualizarse mejor la consecuencia del aumento del consumo y la tasa de deposición para
corrientes más altas. La capacidad de producción teórica de los electrodos tubulares es significativamente mayor que
la del electrodo revestido convencional usado como referencia. A esto podría estar relacionado el hecho que los
electrodos tubulares presentan un núcleo exclusivamente de carga aleante, siendo su revestimiento exclusivamente
para asegurar el comportamiento tecnológico, mientras los comerciales, DIN E60-10 Z, tienen que asegurar las dos
funciones casi exclusivamente con el revestimiento y por tanto, sin considerar el factor de revestimiento y otros
factores relacionados, la posibilidad de aporte está bien comprometida. Otra observación que se puede hacer a partir
de la Figura 4 es la casi linealidad e igual pendiente de la línea de relación consumo x deposición en un amplio rango
para los electrodos experimentales. Esto sugiere a groso modo que el rendimiento de deposición no es sensiblemente
afectado por el tipo de electrodo y por la corriente.
Entretanto, observando con más detalle la relación entre corriente y rendimiento de deposición (ver Figura 5), se
observa que este último es un poco superior para el electrodo CIS (0,1-0,25 mm), para el cual no se manifiestan
variaciones tan significativas en el rango de corriente evaluado, estando en todos los casos en el entorno de 72-74 %
(pero se observa una tendencia a tener un punto máximo en el entorno de los valores de 100 A). Ya el electrodo CIS
(≤ 0,1 mm), que, como fue planteado, solo se diferencia del anterior en la granulometría del núcleo, presenta un
comportamiento bien diferente. Este electrodo muestra un valor de rendimento de deposición descendiente de
manera lineal con el aumento de la corriente. Este comportamiento puede estar asociado a una mayor superficie total
de partícula de la ferroaleación en el núcleo y por tanto se requiere de una menor energía para su fusión e interacción
que para el caso del electrodo con mayor tamaño de partícula de la carga aleante. O sea, que para igualdad de
condiciones de corriente de soldadura y de diámetro del electrodo, la variación del tamaño de grano de la
ferroaleación en el núcleo ha inducido una variación significativa frente al aporte energético que ha modificado el
comportamiento del rendimiento real del electrodo. Este hecho que favorece el rendimiento, o se torna inexpresivo,
para corriente más bajas (para 80 A), hace un efecto negativo para mayores corrientes, llevando a una mayor
oxidación y perdidas (humos) de los elementos de la ferroaleación en el núcleo, disminuyendo por tanto su
incorporación al depósito metálico.
28
0,17
Taxa Deposición, [g/Amin]
27
Uef, [V]
26
25
24
23
0,15
0,13
0,11
0,09
22
0,07
70
90
AWS E 10- 60Z
110
130
150
170
210
Ief, [A]
CIS(menor 0,1mm)
CIS(0,1-0,25mm)
DIN
190
0,1
0,15
AWS E 10-60Z
0,2
0,25
Tasa de consum o, [g/Am in]
CIS(0,1-0,25mm)
CIS(menor 0,1mm)
DIN
Figura 4. Comportamiento de la tasa de
deposición en función de la tasa de consumo.
Figura 3. Características estáticas del arco para
los diferentes electrodos estudiados, asumiendo una
misma longitud de arco (corto).
100
95
Rendimiento real, [%]
90
85
80
75
70
65
60
55
50
70
90
110
AWS E 10-60Z
DIN
130
150
CIS(0,1-0,25mm)
170
190
210
Ief, [A]
CIS(menor0,1mm)
Figura 5. Comportamiento del rendimiento real de los electrodos con la variación de la corriente.
En cierto modo, lo planteado encima explica el comportamiento del rendimiento del electrodo CIS (0,1- 0,25
mm). En el rango de bajas corrientes (80-100 A), el aporte energético del arco aún no ha alcanzado el óptimo valor
frente a la superficie total de partículas del núcleo y, por tanto, no se consigue el mayor grado de interacción e
incorporación al depósito. Para corrientes altas (> 120 A), sucede, entonces, que la energía entregada es superior a la
que se precisa para una adecuada fusión e interacción de la ferroaleación de acuerdo a su tamaño de grano y se
elevan las pérdidas asociadas a una mayor oxidación y volatilización de los componentes.
Para el electrodo DIN E60-10 Z se observa un bajo valor del rendimiento para 80 A, que podría estar asociado
con las dificultades operacionales de este electrodo para corrientes tan bajas y con la posibilidad de una transferencia
incompleta de los elementos de aleación presentes en el revestimiento por falta de energía para garantizar su
participación real en la interfase metal-escoria. Es preciso considerar en primer orden el mayor factor de
revestimiento de este electrodo que indudablemente requiere de mayor aporte energético para su calentamiento y
fusión. A esto se añade la demanda energética asociada a la disociación del carbonato de calcio que tiene lugar en el
entorno de los 800 oC. Ya para valores más altos de corriente vuelve a haber una disminución del rendimiento real
del electrodo, esta vez asociada hipotéticamente con una mayor pérdida de elementos de aleación por un mayor
aporte térmico. De este modo, al igual que para el electrodo CIS (0,1- 0,25 mm) hay un rango de corriente con un
rendimiento más alto (en este caso de 120-140 A) que puede ser valorado como un síntoma de una mejor zona de
operación de este electrodo.
Geometría de los cordones
La geometría de los cordones está muy vinculada a la regularidad de los mismos en cuanto a apariencia. Fue
observada una gran irregularidad en el aspecto de los cordones en el caso de los electrodos comerciales DIN E60-10
Z, sobre todo para bajas corrientes, presumiblemente causada por una transferencia metálica en gotas voluminosas.
Estos problemas de irregularidad traen consigo dificultades para establecer las dimensiones de los cordones, no
obstante no impide que se haga una evaluación a partir de la realización de cortes por zonas del cordón que puedan
ser representativas de un comportamiento medio. En la Tabla 2 se dan los resultados de las dimensiones de los
cordones (penetración (hp), ancho (B) y refuerzo (hr)) y los valores de coeficiente de dilución (D).
Como era esperado, con el aumento de la corriente la profundidad de penetración aumenta (ver Figura 6 (a)). Un
hecho importante a destacar es que la penetración fue la misma para los tres tipos de electrodos, mostrando que la
corriente es el factor gobernante. Este resultado no estaría en concordancia con lo que se esperaba al utilizar el
alambre tubular en el alma, ya que, por ejemplo, Da Silva [4] expresa que se consigue menos penetración con
electrodos de tales características. Tal comparación, en realidad, debe hacerse a una misma tasa de deposición, ya
que la idea general es poder usar el tubular a una menor corriente para disminuir el efecto de dilución, pero sin
perder la capacidad de producción del proceso. En tal sentido, si se analiza detalladamente la Figura 6 (b) se hace
visible que en la medida que la tasa de deposición crece (la cual tiende a crecer con la corriente, como fue mostrado
en la Figura 2) crece también en sentido general la penetración. Para el caso del electrodo comercial hay mayor
penetración respecto a la tasa de deposición que para los electrodos tubulares experimentales, recordando en esto
que la tasa de deposición para el caso del tubular es superior a la del comercial en sentido general en función de la
corriente (ver Figura 2). Por ejemplo, para una corriente de 100 A, como se ve en la Figura 2, los valores de la tasa
de deposición de los tubulares son relativamente iguales a la del comercial DIN E60-10 Z a una corriente de 140 A
hasta 200 A.
Tabla 2. Geometría de los cordones y coeficiente de dilución para diferentes valores de corriente.
Ireg,
(A)
1
hp, (mm)
2
ў
80
100
120
140
160
200
1,44
1,57
2,43
2,64
3,51
4,29
1,15
1,20
2,44
2,68
3,26
4,66
1,30
1,39
2,44
2,66
3,39
4,48
80
100
120
140
0,50
1,73
1,82
3,05
0,66
2,23
1,28
2,31
0,58
1,98
1,55
2,68
80
100
120
140
0,66
1,73
2,27
3,14
0,58
1,69
2,02
2,85
0,62
1,71
2,15
3,00
B, (mm)
hr, (mm)
1
2
ў
1
2
Electrodo DIN E 10-60Z
6,26
6,62
3,01
3,22
6,44
6,90
7,46
3,26
2,89
7,18
10,02 10,82
2,59
2,39
10,42
11,15 10,47
2,85
2,81
10,81
12,43 13,87
2,06
2,35
13,15
15,27 15,59
1,61
1,65
15,43
Electrodo CIS (0,1- 0,25 mm)
7,10
7,22
2,81
2,89
7,16
12,59 11,99
2,64
2,64
12,29
15,12 13,49
2,60
2,89
14,31
11,10 12,12
3,63
3,01
11,61
Electrodo CIS (≤ 0,1 mm)
9,90
9,78
3,42
3,22
9,84
12,03 12,03
2,35
2,31
12,03
13,07 13,79
3,59
3,38
13,43
12,19 12,23
3,55
3,34
12,21
ў
D, (%)
3,12
3,08
2,49
2,83
2,21
1,63
20,03
24,71
46,03
43,82
59,36
70,43
2,85
2,64
2,75
3,32
14,45
39,47
30,99
36,13
3,32
2,33
3,49
3,45
15,87
38,52
33,05
41,60
En la Figura 7 se muestran macrografías de los depósitos obtenidos con el electrodo DIN E60-10 Z para 100 A y
140 A (Figura 7 (a) y (c), respectivamente) y con el electrodo CIS (0,1-0,25 mm) también para 100 A y 140 A
(Figura 7 (b) y (d), respectivamente). Si comparamos las imágenes (a) y (b) o (c) y (d) se observa que para igual
corriente ha habido igual penetración, pero si comparamos con la tasa de deposición, sabiendo, según la Figura 2,
que la del electrodo DIN E60-10 Z para 140 A es igual a la de los tubulares para 100 A (ver Figuras 7 (a) y 7 (c)),
entonces queda claro que la dilución de los tubulares es menor.
5
4
4
Penetración, [mm]
Penetración, [mm]
5
3
2
1
3
2
1
0
0
70
90
110
CIS(menor0,1mm)
130
150
CIS(0,1-0,25mm)
(a)
170
190
I, [A]
AWS E 10-60Z
9
11
13
15
17
Tas a de pos ición, [g/m in]
CIS(menor0,1mm)
CIS(0,1-0,25mm)
19
A WS E 10-60Z
(b)
Figura 6. Variación de la penetración de los cordones con la corriente (a) y con la tasa de deposición (b).
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 7. Macrografías de los depósitos con electrodo DIN E60-10 Z 100 A (a) y 140 A (c) y electrodo CIS
(0,1-0,25 mm) 100 A (b) y 140 A (d).
Desde el punto de vista de la soldadura de recargue, lo más importante es minimizar la dilución y no la
penetración, una vez que lo fundamental es reducir la perdida de elementos de aleación por la dilución con el
substrato y en consecuencia propiedades. En la Figura 8, puede verse el comportamiento de la dilución con la
corriente y con la tasa de deposición. Es bien visible que en el caso de la corriente, en los valores bajos hay una alta
similitud para los tres electrodos. Ya por encima de los 100 A hay un detenimiento en el crecimiento de la dilución
para los tubulares experimentales, mientras los comerciales DIN E60-10 Z muestran un crecimiento prácticamente
lineal (ver Figura 8 (a)). Si el análisis se hace con respecto a la tasa de deposición que indudablemente es mucho más
objetivo (ver Figura 8 (b)), entonces se observa de manera evidente que el electrodo comercial DIN E60-10 Z
presenta mayor valor de dilución que los tubulares experimentales en todo el rango evaluado con una tendencia
creciente, mientras los experimentales alanzan un momento en que crece la tasa de deposición al variar la corriente
sin variar la dilución.
90
90
80
80
70
70
dilución, [%]
100
dilución, [%]
100
60
50
40
60
50
40
30
30
20
20
10
10
0
0
70
90
110
CIS(menor0,1mm)
130
150
CIS(0,1-0,25mm)
170
9
190
I, [A]
AWS
E 10-60Z
DIN
11
13
15
17
Tasa deposición, [g/m in]
CIS(menor0,1mm)
19
AWS
E 10-60Z
DIN
CIS(0,1-0,25mm)
(b)
(a)
Figura 8. Variación del coeficiente de dilución con la corriente (a) y la tasa de deposición (b).
Como se ha planteado arriba, los electrodos comerciales DIN E60-10 Z presentan dificultades en cuanto a la
regularidad de los cordones, sobre todo para bajas corrientes. De otro lado, que frente a los tubulares experimentales
presentan menores tasas de deposición para iguales valores de corriente (ver Figura 2), esto constituye un síntoma de
posibilidad de operar con más bajas corrientes los electrodos tubulares y en consecuencias conseguir para una misma
tasa de deposición una menor dilución.
Para el caso del ancho del cordón hay una tendencia a aumentar con la corriente (ver Figura 9), siendo
alcanzados mayores anchos para los electrodos tubulares experimentales. Como se mantuvo constante la longitud del
arco para todos los ensayos, que es en general una de las causas fundamentales de aumento del ancho del cordón en
soldadura, el aumento del ancho con la corriente es atribuida al aumento de la tasa de deposición, como fue reflejado
en la Figura 2. Para hacer más visible este comportamiento, se ha presentado la Figura 9 (b), la cual ilustra como
crece de forma similar en todos los casos el ancho del cordón con la tasa de deposición. Para una misma tasa de
deposición, no hay grandes diferencias entre los anchos para las diferentes concepciones de electrodos, mostrando
que la tasa de deposición no es el factor gobernante, pero si un buen parámetro para hacer las comparaciones. Si se
toma en consideración que se trata de electrodos para recubrimiento, la obtención de cordones más anchos para el
caso de los tubulares experimentales es un indicio favorable porque se logra cubrir un área mayor en igualdad de
condiciones de corriente frente a los comerciales DIN E60-10 Z.
16
15
15
14
14
13
Ancho, [mm]
Ancho, [mm]
13
12
11
10
9
8
12
11
10
9
8
7
7
6
6
5
70
90
110
CIS(menor0,1mm)
(a)
130
150
CIS(0,1-0,25mm)
170
190
I, [A]
AWS
DIN E 10-60Z
9
11
13
15
17
Tas a de pos ición, [g/m in]
CIS(menor0,1mm)
CIS(0,1-0,25mm)
19
A
WS E 10-60Z
DIN
(b)
Figura 9. Variación del ancho de los cordones respecto a la corriente (a) y la tasa de deposición (b).
5
5
4
Refuerzo, [mm]
refuerzo, [mm]
4
3
2
3
2
1
1
0
0
70
90
CIS(menor0,1mm)
110
130
150
CIS(0,1-0,25mm)
(a)
170
190
I, [A]
AWS E 10-60Z
9
11
13
15
17
Tas a de pos ición, [g/m in]
CIS(menor0,1mm)
CIS(0,1-0,25mm)
19
AWS E 10-60Z
(b)
Figura 10. Variación de la altura de refuerzo con la variación de la corriente (a) y la tasa de deposición (b).
Un aparte merece lo que ha sucedido con el ancho del cordón para una corriente de 140 A con los electrodos
tubulares experimentales, ha habido una caída en el ancho para ambos que se corresponde con la caída en la tasa de
deposición de las Figura 2. Vale señalar que algunos autores, como Mondenesi [8], señalan un comportamiento con
un máximo en la curva para el ancho del cordón con el aumento de la corriente, similar al que hemos mostrado para
los electrodos tubulares experimentales. Siendo así, se podrías pensar que el electrodo comercial DIN E60-10 Z que
manifestó un comportamiento lineal en el rango de valores de corriente evaluado (ver Figura 9), podría para
corrientes aun mayores experimentar este comportamiento con variación de signo de la pendiente en la curva.
CONSIDERACIONES FINALES
Como es visto en el análisis encima, los electrodos tubulares revestidos experimentales muestran para una misma
corriente de soldadura una mayor tasa de consumo y deposición que el comercial DIN E60-10 Z, indicando que
tienen mayor capacidad de producción. Aunque el rango de corriente para el comercial es mayor, aun así no alcanza
los valores de deposición de los experimentales. No obstante, es importante destacar que cada electrodo mostró tener
un rango característico de trabajo, lo que impide que la comparación entre ellos se de apenas por valores de
corriente. Para mayores corrientes, los tubulares experimentales presentan una caída en la tasa de deposición,
mientras el comercial muestra una saturación de este parámetro (se puede suponer que si la corriente de ensayo para
el comercial fuese aun mayor, se podría percibir también una caída). De forma general, el rendimiento de deposición
muestra un comportamiento similar, pero con puntos de máximo a diferentes niveles de corrientes (análogamente, se
puede suponer que para el tubular CIS < 0,1 mm en corrientes menores de 80 A, el rendimiento pudiese caer). Estos
hechos sugieren que el rango de trabajo optimizado para el electrodo comercial evaluado es en torno de 120 a 160 A,
cuando para el tubular experimental CIS (0,1 a 0,25mm) es de 80 a 120 A. Ya el tubular CIS (menor 0,1 mm), debe
trabajar con una corriente menor o igual a 80 A. Se debe recordar que este rango útil puede variar dependiendo de la
longitud de los electrodos. Por ejemplo, al reducirse el tamaño del electrodo tubular revestido puede hasta ser que se
alcance corrientes mayores, toda vez que el calentamiento del electrodo en toda su longitud es menor. Aunque, por
otro lado, este electrodo se gastaría tan rápidamente que sería necesario varios sustituciones para depositar un mismo
volumen (menor ciclo de trabajo – razón entre los tiempos de arco abierto y total, este último incluyendo el tiempo
para cambio de electrodos y limpieza del cordón).
Con respecto al ciclo de trabajo, el hecho de que la longitud de los tubulares experimentales es mayor que la del
comercial DIN E60-10 Z (430 mm y 350 mm, respectivamente) puede dar la falsa impresión de que al trabajarse con
el menor ciclo de trabajo del tubular revestido, la productividad seria mayor. Pero, como la velocidad de
alimentación (velocidades de fusión) de los tubulares es bien mayor, puede hasta acontecer que se utilice menos
tiempo para fundir un electrodo tubular de 430 mm de longitud que de uno de alma maciza de 350 mm. Por ejemplo,
considerando que del electrodo comercial DIN E60-10 Z se consumen 320 mm de su longitud total de 350 mm,
sobre la base de la tasa de consumo para el ensayo con 140 A se utilizaría un tiempo de 3,66 min para depositar
cerca de 56 g de metal por cada electrodo. Ahora, si tomamos el caso de los electrodos tubulares revestidos para una
corriente de 100 A (tasa de deposición muy similar a la del comercial para 140 A) y se considera un consumo de 400
mm de la longitud total del electrodo de 430 mm, obtendremos entonces un tiempo medio de 1,77 min para consumir
cada electrodo, pero depositando solamente cerca de 27 g de metal. Considerando el mismo tiempo para cambio de
electrodo y limpieza del cordón, el ciclo de trabajo de los electrodos tubulares revestidos será significantemente
menor, pero se necesitará consumir un poco más del doble de electrodos tubulares revestidos que del electrodo
comercial para hacerse la misma obra (mayor tiempo total para hacerse la misma producción). Sobre esto, precisa
hacer un análisis más sistemático, tomando en consideración todos los componentes de costo.
El aspecto de los depósitos obtenidos con el electrodo comercial DIN E60-10 Z, sobre todo para bajas corrientes
muestra mucha irregularidad, lo cual no se manifiesta así para los tubulares experimentales. Para enmendar esta
deficiencia habría que trabajar con el comercial con mayores corrientes, lo cual siempre es indeseable cuando se
trata de electrodos para recargue por los problemas relacionados a la dilución.
Precisamente, otro aspecto que se mostró favorable para los tubulares en relación al comercial fue que la dilución
para una misma tasa de deposición (un mismo volumen/ancho del cordón, una misma capacidad de producción) fue
menor para los primeros. Como los rangos de corriente para trabajar con cada electrodo es diferente, se puede
conseguir con los tubulares, idealmente el CIS (0,1-0,25 mm), una producción igual o mayor que con el comercial
convencional, trabajándose con menor corriente y produciendo menos dilución. Esto indica que se puede usar menor
cantidad de elementos de aleación para fabricar electrodos revestidos (menor costo de la materia prima) para obtener
cordones de igual composición para la primera camada (pase sobre el metal). Naturalmente, se precisa, en términos
de costo, hacer un análisis global, pues si por un lado se pueden reducir los costos de materia prima con el tubular, el
costo de fabricación como un todo, debido a las mayores dificultades de fabricar tubulares, puede tornarse mayor
que el costo de fabricación del electrodo convencional.
CONCLUSIONES
Si unificamos lo planteado arriba, queda claro que la concepción de fabricación de electrodos para soldadura
manual (SMAW) para revestimiento duro a través del alma tubular presenta desde el punto de vista operacional
diferencias frente al comercial utilizado como referencia:
a) Existe un rango de corriente útil para cada concepción de electrodo en el que el comportamiento operacional
(aspecto y formación del cordón, rendimiento de deposición, etc.) es característico, y hasta la granulometría del
polvo de la ferroaleación afecta los valores del rango (así no se puede comparar el desempeño de las diferentes
concepciones en un mismo valor de corriente, sino que se debe trabajar en una intersección de buenas condiciones);
b) El rango de corriente útil de trabajo de los tubulares es más estrecha y de menores valores que para el
electrodo convencional, mientras los electrodos tubulares tienen más capacidad de producción que los
convencionales;
c) Para una misma tasa de deposición, consecuentemente produciendo dimensiones de los cordones similares
para una velocidad de soldadura dada, es necesario usar mayores valores de corriente para el convencional que para
el tubular (mayor energía de soldadura y consecuentemente mayores problemas de tensiones térmicas);
d) Al comparar cordones con dimensiones similares, que es lo que importa en la práctica, la dilución de los
electrodos tubulares revestidos es menor, favoreciendo el aumento de elementos aleantes en el depósito
(principalmente en la primera pasada);
e) Así, aún desde el punto de vista operacional, la concepción de fabricación de electrodos revestidos con alma
tubular para revestimiento duro parece ser promisoria, salvo en cuanto a las posibles limitaciones de costo de
fabricación y de operación (menor ciclo de trabajo).
a) La corriente de soldadura mostró ser el factor gobernante en la penetración (la concepción de electrodo no
la afecta), toda vez que para las mismas corrientes la penetración fue la misma;
b) La tasa de deposición para una misma corriente mostró ser el factor gobernante sobre la geometría externa
del cordón (ancho y refuerzo), ya que para la misma tasa de deposición, aunque con corrientes diferentes, la
geometría fue la misma para las dos concepciones de fabricación de los electrodos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a CAPES (Brasil) y al MES (Cuba) por el apoyo brindado para la realización de este
trabajo cooperativo, en el marco del Proyecto CAPES/MES CUBA 15/2005. También agradecen a la empresa ESAB
de Brasil, por la aportación del electrodo comercial para realizar las comparaciones.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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por Soldadura Utilizando la Superfície de Líquidus de Diagramas Fe-Cr-C. Rev. Soldadura, 25 (4), 1995,
CENIN, Madrid, pp. 199-207 (ISSN 0048-7759).
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Mestrado. Universidade Federal de Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2001, 100 p.
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STOODY Company, Printed in USA, 40 p.
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FeCrMn y escoria de la reducción carbotérmica de minerales, Congreso da Sociedade Brasileira de Soldagem,
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M.S. Souza, I. Gadotti, y Scotti, A. Um Banco de Ensaio para Avaliar Eletrodos Revestidos, XIII Cong.
Brasileiro de Engenharia Mecânica – COBEM – II Cong. Ibero Americano de Engenharia Mecânica – CIDIM,
Belo Horizonte, MG, Dez 1995, ABCM, pp. 1-4.
P.J. MODENESI y R.C. Avelar, The influence of small variations of wire characteristics on gas metal arc
welding process stability, Journal of Materials Processing Technology 86 (1999) 226–232p
NOMENCLATURA
Ireg. Corriente de regulación (A)
Pie Peso inicial del electrodo (g)
Pfe Peso final del electrodo (g)
Pich Peso inicial de la chapa (g)
Md Masa del depósito (g)
Mec Masa de electrodo consumido (g)
R
Rendimiento real de deposición (g)
Im Corriente media de soldadura (A)
Ief Corriente eficaz de soldadura (A)
Um Tensión media del arco (A)
Uef Tensión del arco eficaz (A)
lc
Longitud del cordón (mm)
tsol Tiempo de soldadura (min)
Tc Tasa de consumo (g/min)
Td Tasa de deposición (g/min)
hp Altura de penetración (mm)
hr Altura de refuerzo (mm)
B
Ancho (mm)
D
Coeficiente de dilusión (%)