171 - SAM

Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, 171-178
CARACTERISTICAS DE FUSION DE SOLDADURAS GMAW DE
ACEROS INOXIDABLES AUSTENITICOS
a/b
a
J. Lozano , P. Moreda , C.L. Llorente
a/b
y P.D. Bilmes
a/c
a
Laboratorio de Investigaciones de Metalurgia Física (LIMF)-Facultad de Ingeniería-UNLP.
Calle 1 y 47-La Plata
b
LEMIT-CICPBA
c
CONICET
RESUMEN
El gas de protección en soldadura GMAW es un elemento vital y tercer miembro del
trípode que conforma el proceso: fuente de poder – material – gas de protección. Aunque es
reconocido que el gas representa sólo un pequeño porcentaje en el costo total de producción,
su correcta elección puede producir ahorros significativos debido a un aumento en la
productividad, calidad y una disminución de costos, a través de obtener cordones bien
conformados y libres de defectos. En el presente trabajo se evalúa la influencia de diferentes
gases de protección, que ofrece el mercado, sobre las características de fusión de soldaduras
GMAW de aceros inoxidables austeníticos. Se emplean placas de acero AISI 304 sobre las
cuales se depositan cordones bead on plate, utilizando un aporte del tipo ER 308LSi, según
AWS A5.9, y los siguientes gases de protección: Argón, Ar-O2 , Ar-CO2 , Ar-He-CO2 , He-ArCO2 , Ar-CO2 -NO, Ar-NO, Ar-He-H2 , Ar-He. Para cada gas de protección se evalúa la
operatividad del proceso y se determinan ancho de cordón, sobremonta, penetración, ángulo
de mojado y de fusión, área de sobremonta, área de penetración y dilución; realizándose un
análisis comparativo de los mismos.
Palabras claves
Soldadura, Aceros Inoxidables, Gases de Protección, Proceso GMAW
INTRODUCCIÓN
En los últimos años, el proceso de soldadura bajo protección gaseosa y electrodo
consumible Gas Metal Arc Welding (GMAW) ha adquirido una relevante popularidad dado
su mayor productividad, flexibilidad y posibilidad de automatización[1].
Hoy día, los usuarios de este proceso han comenzado a visualizar que el gas de
protección no es un simple componente en la operación de soldadura. Es un elemento vital
considerado el tercer miembro del trípode que conforma el proceso de soldadura: Fuente de
poder – material – gas de protección. Es reconocido que el gas de protección en soldaduras
GMAW tiene una gran influencia en las características de las mismas, representando sólo el
3% en el costo total de la soldadura. Su correcta selección puede significar mayor
productividad, calidad y una importante disminución de costos, a través de obtener cordones
bien conformados y libres de defectos [2].
171
Lozano, Moreda, Llorente y Bilmes
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se efectuaron cordones de soldadura “bead on plate” mediante el proceso GMAW
utilizando diferentes gases de protección. En tabla 1 se presentan las composiciones de las
diferentes mezclas gaseosas utilizadas.
Se utilizaron placas de acero AISI 304 de 80x200 mm y espesor de 6,4 mm como
material base, y un alambre macizo de 1,2 mm del tipo ER 308LSi, según designación AWS
A5.9. En tabla 2 se presenta la composición química del material base y del consumible,
respectivamente.
Tabla 1: Composición nominal de los
gases de protección
Gas
Componentes (%)
*
A
Ar:81+He:18+CO2 :1
B**
Ar:98+O2 :2
**
C
Ar:43+He:55+CO2 :2
D**
Ar:98+CO2 :2
*
E
Ar:100
*
F
Ar:96+CO2 :3+H2 :1
G*1
Ar:95+He:5
*
I
Ar:98+O2 :2
J*2
Ar: 99,97+NO:0,03
K*2
Ar:97,97+NO:0,03+CO2 :2
L*
Ar:78+He:20+CO2 :2
* Mezclas comerciales
** Mezclas especiales certificadas
1
Normalmente recomendado
para GTAW
2
El óxido de nitrógeno (NO) es
agregado para faciltar el
encendido, estabilizar el arco
y reducir el ozono en el
ambiente de trabajo
Tabla 2: Composición química del material base y del consumible
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
S
P
(%) (%)
(%) (%) (%) (%)
(%) (%)
Placa base
0,042 1,55 0,43 18,33 8,11 0,39 0,019 0,014
Consumible
0,01 1,80 0,80 19,65 10,71 0,60 0,014 0,014
Para la realización de los cordones bead on plate se utilizó una fuente de poder de
corriente continua de tensión constante. La torcha de soldadura fue montada sobre un sistema
de traslación automático con el cual se reguló la velocidad de soldadura. Los parámetros de
soldadura fueron seleccionados en función de obtener, para todos los gases, arco largo
(transferencia spray). Tales parámetros fueron registrados y monitoreados mediante el uso de
un control de corriente y tensión, placa adquisidora de datos y software vía PC (Tabla3)
En todas las experiencias, se realizaron tres cordones de soldadura con cada una de las
mezclas gaseosas e idénticas condiciones operativas.
De cada uno de los cordones bead on plate obtenidos con las diferentes protecciones
gaseosas, se preparó una sección transversal para su análisis macroscópico. Para revelar la
macroestructura de los cordones se utilizó una solución a base de metabisulfito de potasio y
HCl, recomendada para metalografía color de aceros inoxidables austeníticos [3].
Para el análisis de las características de fusión de los cordones, definidas por: ancho del
cordón, altura de sobremonta, penetración, ángulo de mojado y de fusión, área de sobremonta,
área de penetración y dilución, se utilizó microscopía óptica y analizador de imágenes, figura
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Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga
1 [4]. También se realizó un registro de la terminación superficial de los cordones, y se
efectuaron ensayos radiográficos para evaluar discontinuidades.
Tabla 3: Parámetros operativos
Corriente Tensión Caudal de Velocidad de Distancia tubo de
Calor
Gas/Cordón (Amper) (Volt)
gas
soldadura
contacto pieza
aportado
(lts/min)
(cm/min)
(cm)
(KJ/cm)
A/1
215
29,5
20
40
1,5
9,37
B/2
215
28,7
20
40
1,5
9,65
C/3
220
30
20
40
1,5
9,75
D/4
215
27
20
40
1,5
8,58
E/5
220
29,8
20
40
1,5
9,68
F/6
215
29,2
20
40
1,5
9,27
G/7
225
28,8
20
40
1,5
9,57
I/8
215
27
20
40
1,5
8,57
J/9
215
27
20
40
1,5
8,57
K/10
205
28
20
40
1,5
8,47
L/11
190
31
20
40
1,5
8,70
Cordón de Soldadura
S
A
Angulo de
mojado
Angulo de
fusión
P
S: Sobremonta
P: Penetración
A: Ancho
Placa Base
C
B
Dilución % = B x 100
C+B
B: Area de penetración
C: Area de sobremonta
Figura 1: Características de fusión de los cordones de soldadura
RESULTADOS
En la figura 2 se muestran las macrografías correspondientes a los cordones obtenidos
con los diferentes gases de protección. En la tabla 4 se presentan los resultados de las
mediciones de los parámetros geométricos de los diferentes cordones de soldadura.
Las características de fusión de los cordones responden en términos generales a los
reportados en la literatura[5]. En todos los casos la transferencia metálica fue en modo spray.
173
Lozano, Moreda, Llorente y Bilmes
A
B
C
D
81%Ar + 18%He + 1%CO2
E
Ar + 2%O2
55%He + 43%Ar + 2%CO2
Ar + 2%CO2
Argón
F
G
I
Ar + 3%CO2 + 1%H2
Ar +5%He
J
Ar + NO
K
Ar + 2%CO2 + 0.03%NO
L
Ar + 20%He + 2%CO2
Ar + 2%O2
Figura 2. Macrografías de los cordones obtenidos con los diferentes gases de protección
174
Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga
En la figura 3 se muestra un oscilograma de corriente y tensión correspondiente a la
experiencia realizada con la mezcla "C" (alto contenido de helio) como gas de protección.
Tabla 4 Parámetros geométricos de los diferentes cordones de soldadura.
Area
Area
Angulo Angulo
Gas Ancho Penetración Sobremonta
penetración sobremonta Dilución
Mojado Fusión
mm
mm
mm
mm2
mm2
%
A 11,51
2,71
2,42
38
71
11,01
19,18
36,5
B
10,6
3,29
2,56
30
78
13,27
17,71
42,8
C 15,57
4,2
2,9
12
90
21,23
27,34
43,7
D 12,67
3,38
2,9
27
76
15,26
23,17
39,7
E 15,67
3,1
2,13
33
62
14,3
21,72
39,7
F 12,42
3,88
2,64
24
79
18,37
20,98
46,7
G 14,75
3,73
2,17
29
40
16,1
20,86
43,6
I
10,05
3,29
2,56
36
74
13,95
17,71
44,1
J
10,63
3,28
2,66
35
60
13,87
18,1
43,4
K 10,16
3,75
2,97
38
81
14,48
19,65
42,4
L 11,81
2,7
2,42
46
57
18,7
15,39
54,9
Figura 3: Oscilograma de corriente y tensión correspondiente a la experiencia realizada
con la mezcla "C" como gas de protección.
175
Lozano, Moreda, Llorente y Bilmes
DISCUSIÓN
Los cordones obtenidos con las diferentes mezclas gaseosas, en general no presentaron
discontinuidades internas y/o superficiales como salpicaduras, socavaciones, solapes o
porosidad, salvo los obtenidos con los gases “E” y “L”. Con este último , el depósito presentó
socavaciones, salpicaduras y una mala terminación superficial. Por su parte el cordón
obtenido con el gas “E” presentó importante solapado y socavaciones. Desde el punto de vista
operativo, las mezclas gaseosas base Ar mostraron mayor estabilidad de arco que las mezclas
con altos porcentajes de helio.
En figuras 4 y 5 se presenta el ancho, sobremonta y penetración de cada uno de los
cordones obtenidos con las diferentes mezclas gaseosas. Correlacionando ancho del cordón y
penetración, se observa que los mayores valores de ancho de cordón y penetración son
obtenidos con las mezclas gaseosas “C” y “G”, con altos y bajos contenidos de helio. Por otra
parte, los mayores valores de reforzamientos de los cordones (sobremonta) están asociados
primariamente a las mezclas base argón, “K” y “D”.
En la relación entre gases de protección y ancho de los cordones, se observa que los
mayores anchos se obtuvieron con las mezclas gaseosas con helio, “C” y “G”. En orden
decreciente le siguen las mezclas base Ar con bajos porcentajes de CO2 , con y sin hidrógeno,
“D” y “F”. Si bien con argón comercial, gas “E”, se obtuvo uno de los mayores anchos de
cordón, éste a los efectos comparativos de los parámetros geométricos, no fue considerado por
la discontinuidad (solape) que presentó.
En figuras 6 y 7 se presenta el área de sobremonta, área de penetración y dilución de los
cordones obtenidos con las diferentes mezclas gaseosas. Asimismo en figura 8 se presentan
los ángulos de mojado y de fusión de cada uno de dichos cordones.
En la medida que aumenta el ángulo de fusión en correlación con mayor penetración, se
obtiene un mejor aspecto del cordón. En ese sentido con las mezclas gaseosas “C”, “F” y ”K”
se obtuvieron los mejores resultados, figura 9.
El cordón producido con la mezcla gaseosa “C”, de alto He, presentó los más altos
valores de penetración y ángulo de fusión. Si bien este depósito presenta la mayor área de
sobremonta, su dilución está dentro de la media del resto de los cordones.
De los resultados obtenidos con los gases de protección “D” (Ar+2% CO2 ) y “K”, este
último equivalente al anterior con el agregado de 0,03% de NO, surge una tendencia a favor
de este último en cuanto que presenta menor área de sobremonta con mayor dilución.
Asimismo presentan un mejor aspecto de cordón mediante un mayor ángulo de fusión y
superior penetración.
Sobremonta
16
4
14
3
12
2
1
mm
10
mm
Penetración
8
0
-1
6
-2
4
-3
2
-4
-5
0
A
B
C
D
E
F
G
I
J
K
L
A
B
C
D
E
F
G
I
J
K
Gas de Protección
Gas de protección
Figura 4: Ancho de cordón para cada gas
de protección.
176
Figura 5: Sobremonta y penetración
para cada gas de protección.
L
Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga
60
30
Area Penetración
Area Sobremonta
25
50
40
15
30
10
20
5
10
0
0
A
B
C
D
E
F
G
I
J
K
L
A
B
C
D
Gas de Protección
Angulo de Mojado
G
Angulo de Fusión
Angulo de Fusión
I
J
K
L
Penetración
100
90
90
80
80
70
70
60
60
Grados
Grados
F
Figura 7: Dilución para cada gas
de protección.
Figura 6: Area de penetración y área de
sobremonta para cada de gas de
protección.
100
E
Gas de Protección
50
40
6
5
4
50
3
40
30
30
20
20
10
10
2
1
0
0
A
B
C
D
E
F
G
I
J
K
0
A
L
B
C
D
E
F
G
I
J
K
L
Gas de Protección
Gas de Protección
Figura 8: Angulos de mojado y de
fusión para cada gas de protección
Figura 9: Angulo de fusión y
penetración para cada gas de protección
CONCLUSIONES
El mayor ancho de cordón y la mayor penetración son alcanzados con las mezclas “C” y
“G”, ternaria base helio y binaria Ar-5%He, respectivamente.
Las mezclas base argón con pequeños porcentajes de CO2 , “K” y “D” con y sin NO
respectivamente, presentaron los más altos reforzamientos de los cordones (sobremonta).
Con un aumento del ángulo de fusión y de la penetración, se obtiene un mejor aspecto
del cordón. En ese sentido las mezclas gaseosas “C”, “F” y ”K” presentaron los mejores
resultados.
La mejor forma del cordón caracterizada por baja sobremonta y mayor ancho de cordón
(asociado con bajos ángulos de mojado y altos de fusión) junto con alta penetración y
dilución, fue obtenida con la mezcla ternaria “C” de alto contenido de helio.
Adiciones de O2 y CO2 al argón, producen mejores resultados con respecto al argón
puro, aunque sin lograr valores equivalentes a las mezclas con altos contenidos de helio.
177
mm
mm2
%
20
Lozano, Moreda, Llorente y Bilmes
En términos de características de fusión, pequeñas adiciones de NO a la mezcla binaria
Ar-CO2 y al argón puro, parecerían mejorar la configuración geométrica de los cordones.
REFERENCIAS
1.
L-E Svensson, J. Elvander. Challenges for welding consumables for the new millenium,
Svetsaren, 78,1/2, 3-11, 1999.
2.
B. Irving. Shielding gases are the key to innovations in welding, Welding Journal, 78, 1,
37-41, 1999.
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4.
Jefferson’s Welding Encyclopedia, 8th Edition, Ameciran Welding Society, 1997.
5.
ANSI/AWS C5.6-94R, Recommended practices for gas metal arc welding, 1994.
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